Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Design av en åpen kildekode, lavpris bioink og matsmelteekstrudering 3D-skriver

Published: March 2, 2020 doi: 10.3791/59834
* These authors contributed equally

Summary

Målet med dette arbeidet er å designe og konstruere en reservoarbasert smelteprofilering tredimensjonal skriver laget av åpen kildekode og rimelige komponenter for applikasjoner i biomedisinske og matutskriftsindustriene.

Abstract

Tredimensjonal (3D) utskrift er en stadig mer populær produksjonsteknikk som gjør at svært komplekse objekter kan fabrikkereuten retooling kostnader. Denne økende populariteten er delvis drevet av fallende barrierer for oppføring som systemoppsettkostnader og enkel drift. Følgende protokoll presenterer design og bygging av en Additiv Manufacturing Melt Extrusion (ADDME) 3D-skriver for fabrikasjon av tilpassede deler og komponenter. ADDME er designet med en kombinasjon av 3D-utskrevne, laserkuttede og nettbaserte komponenter. Protokollen er ordnet i enkle å følge seksjoner, med detaljerte diagrammer og delelister under overskriftene til innramming, y-akse og seng, x-akse, ekstrudering, elektronikk og programvare. Ytelsen til ADDME evalueres gjennom ekstruderingstesting og 3D-utskrift av komplekse gjenstander ved hjelp av viskøs krem, sjokolade og pluronic F-127 (en modell for bioinks). Resultatene indikerer at ADDME er en kompatibel plattform for fabrikasjon av materialer og konstruksjoner for bruk i et bredt spekter av bransjer. Kombinasjonen av detaljerte diagrammer og videoinnhold gir tilgang til rimelig, brukervennlig utstyr for personer som er interessert i 3D-utskrift av komplekse objekter fra et bredt spekter av materialer.

Introduction

Additiv produksjon er en kraftig produksjonsteknologi som har potensial til å gi betydelig verdi til industrilandskapet1,2. De attraktive funksjonene i additiv produksjon innebærer ingen verktøykostnader, høye nivåer av tilpasning, komplekse geometrier og reduserte barrierer for inngangskostnader. Ingen retooling kostnader tillate rask produksjon av prototyper, som er ønskelig når du prøver å redusere "tid til markedet", som er et kritisk mål for næringer i utviklede nasjoner prøver å forbli konkurransedyktig mot lavlønnskonkurrenter1. Høye nivåer av tilpassbarhet gjør det mulig for et bredt utvalg av produkter å bli fabrikkert med komplekse geometrier. Når disse faktorene kombineres med de lave kostnadene for oppsett, materialer og operatørspesialisering, er det en klar verdi av additiv produksjonsteknologier3.

Additiv produksjon, også kalt 3D-utskrift, innebærer lag-for-lag fabrikasjon av et objekt i en datamaskin numerisk kontrollert (CNC) system3. I motsetning til tradisjonelle CNC-prosesser som fresing, der materialet fjernes fra et ark eller en blokk med materiale, legger et 3D-utskriftssystem til materiale i ønsket struktur lag for lag.

3D-utskrift kan lettes gjennom en rekke metoder, inkludert laser- og blits-, ekstruderings- eller jettingteknologier4. Den spesifikke teknologien som brukes bestemmer formen av råstoffet (dvs. pulver eller smelte), samt de reologiske og termiske egenskapene som kreves for behandling5. Det ekstruderingsbaserte 3D-utskriftsmarkedet domineres av filamentbaserte systemer, som skyldes at filamenter er enkle å håndtere, behandle og kontinuerlig levere store mengder materiale til ekstruderingshodet. Denne prosessen er imidlertid begrenset av typen materiale som kan dannes til filamenter (hovedsakelig termoplast). De fleste materialer eksisterer ikke i filamentform, og mangelen på moderne lavkostplattformer i markedet representerer et bemerkelsesverdig gap.

Denne protokollen viser byggingen av et reservoarbasert ekstruderingssystem som gjør at materialer kan lagres i en sprøyte og ekstruderes gjennom en nål. Dette systemet er ideelt egnet til å produsere et bredt spekter av materialer, inkludert matvarer6,polymerer7,og biomaterialer8,9. Videre er reservoarbaserte ekstruderingsteknikker vanligvis mindre farlige, lavere i kostnader og enklere å betjene enn andre 3D-utskriftsmetoder.

Det er et økende antall universitetsledede team som designer og slipper åpen kildekode 3D-utskriftssystemer til publikum. Fra og med den Fab@Home ekstruderingsbasert skriver i 200710,11, har forskerne som mål å skape en enkel og billig plattform for å drive rask ekspansjon i 3D-utskriftsteknologi og applikasjoner. Senere i 2011 hadde RepRap-prosjektet som mål å lage en filamentbasert 3D-utskriftsplattform designet med deler laget av 3D-utskrift, med mål om å lage en selvreplikerende maskin12. Kostnaden for 3D-skrivere har falt gjennom årene, fra $ 2300 USD for en Fab@Home (2006), $ 573 USD for en RepRap v1 (2005), og $ 400 USD for v2 (2011).

I tidligere arbeid demonstrerte vi hvordan et off-the-self 3D-utskriftssystem kunne kombineres med et tilpasset reservoarbasert ekstruderingssystem for å skape komplekse 3D-objekter fra sjokolade13. Videre designundersøkelser har vist at betydelige kostnadsbesparelser kan oppnås i forhold til denne prototypedesignen.

Målet med denne protokollen er å gi instruksjoner for bygging av en lavpris reservoarbasert smelteprofilering 3D-skriver. Presentert her er detaljerte diagrammer, tegninger, filer og komponentlister for å tillate vellykket bygging og drift av en 3D-skriver. Alle komponenter ligger på open-source (creative commons noncommercial) plattform https://www.thingiverse.com/Addme/collections, som lar brukerne endre eller legge til flere funksjoner etter ønske. Viskøse krem, sjokolade og pluronic F-127 (en modell for bioinks) brukes til å evaluere ytelsen til ADDME og demonstrere anvendelseav ADDME 3D-skriveren til biomedisinske og matutskriftsindustriene.

En laserkutter som er i stand til å kutte akryl og en stasjonær 3D-skriver som er i stand til å skrive ut PLA- eller ABS-filamenter, kreves for denne protokollen. En maskinert varmejakke og varmeapparatpatron eller silikonvarmer kan brukes til å varme opp materialet, avhengig av hvilket utstyr operatøren har tilgang til. Alle CAD filer kan bli funnet på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. For at fastvare og programvare skal kunne kontrollere 3D-skriveren, får http://marlinfw.org/meta/download/ og https://www.repetier.com/ ressurser. For detaljerte instruksjoner om kontrollkortet, se https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIKTIG: Det er fare for brannskader forårsaket av varme loddejern og varmepatroner. Varmepatronen skal aldri drives når den ikke er festet inne i varmejakken. Det er også fare for klemming eller kutt fra den bevegelige 3D-skriveraksen.

1. Oversikt og forberedelse

MERK: Figur 1A viser en datagenerert gjengivelse av skriveren, og figur 1B er et bilde av den ferdige skriveren.

  1. Anskaffe alle deler fra materialbordet.
  2. Se https://www.thingiverse.com/Addme/designs for at alle akryldeler skal kuttes. Forsikre deg om at 6 mm akryl brukes eller rammen ikke passer sammen. Laserkuttere bruker en høy energilaser til å kutte materiale; en profesjonell butikk er foretrukket her.
  3. Se https://www.thingiverse.com/Addme/designs for alle 3D-trykte deler. Det er viktig at utskriftsparametrene som er angitt for hver del, brukes. Vær oppmerksom på at 3D-skrivere har varme overflater og bevegelige deler, så bruk hjelp fra en profesjonell.
  4. Produksjon av varmejakkedelen, som finnes på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Hvis det ikke er tilgjengelig tilgang til produksjonsfunksjoner, kan en silikonvarmer (Materialtabell) kjøpes med den tilknyttede 3D-trykte holderen som finnes ved https://www.thingiverse.com/Addme/designs.

Figure 1
Figur 1: Additiv produksjonssmelteekstrudering (ADDME) 3D-skriver. (A) Datamaskingenerert gjengivelse av skriveren. (B) Fotografi av en ferdig skriver. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

2. Rammemontering

MERK: Delene som vises i figur 2, er nødvendige for å fullføre rammeenheten. Rammen på smelteekstrudering 3D-skriveren holdes sammen av en kombinasjon av 6 mm laserkutt akryl og M3 bolter og muttere (Figur 3). Bunnen av skriveren styrkes ytterligere med en M10 gjenget stang og mutterkombinasjon.

  1. Samle akryl deler 1-9 og plasser dem sammen i konfigurasjonen som vises i figur 3A. Kontroller figuretikettene for å sikre at hver brikke er riktig plassert. Fest med M3-skruer og muttere i konfigurasjonen som vises i figur 3C ved hjelp av M3-enhetens nøkkel.
  2. Plasser M10 gjenget stang gjennom formålet laget hull i akryl medlemmer 6, 8 og 10. Fest dem med M10 vaskemaskiner og nøtter som vist i figur 3B, D. Stram med variabelnøkkel.

Figure 2
Figur 2: Komponenter som trengs for å montere rammen. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Rammemontering. (A) Montert ramme. (B) En eksplodert visning med merkede akryldeler og støtte M10 gjengede stenger. (C) En eksplodert visning som viser hvordan hver akryldel er koblet til hverandre, ved hjelp av M3-skruer og muttere for å holde rammen sammen. (D) En eksplodert visning som viser hvordan den gjengede stangen holder akryldeler 6, 8 og 9 sammen med M10 muttere og skivene. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

3. Undermontering av Y-akse og utskriftssenger

MERK: Delene som er beskrevet i figur 4, er nødvendige for å fullføre undermonteringen av y-aksen og utskriftssengen. Alle skruer er sett i figur 4, og verktøy er oppført i materialtabellen.

  1. Bruk delene i figur 4til å montere undermonteringshodet for utskriftssengen i henhold til figur 5C.
    1. Skyv to puteblokker (19) på hver 8 mm aksel (21) i henhold til figur 5C. Skyv endestoppet (3DP 4) på en av 8 mm akslene (21) og fest den mekaniske endestoppet (14) med M2-skruer og en unbrakonøkkel i henhold til figur 5E.
    2. Fest alle fire puteblokker (19) til monteringssengen (akryldel 12) ved hjelp av M4-skruene og sekskanttasten (figur 5C). Fest belteklemmen (3DP 3) på monteringssengen (akryldel 12) ved hjelp av M3-skruene og allen-tasten (figur 5C). Fest utskriftssengen (akryldel 11) på monteringssengen (12) (figur 5C) med M3-skruen, mutteren og fjæroppordningen i henhold til figur 5F.
  2. Fest de resterende delene fra figur 4 til rammen i henhold til figur 5D,G.
    1. Fest to av akselholderne (3DP 2) til både bakpanelet (akryldel 6) og frontpanelet (akryldel 10) ved hjelp av m2-skruene og sekskantnøkkelen i henhold til henholdsvis figur 5D,G.
    2. Fest steppermotorholderen (12) til bakpanelet (akryldel 6) ved hjelp av M3-skruene og sekskanttasten (figur 5D). Fest steppermotoren (11) til steppermotorholderen (12) med M3-skruene og allen-tasten (figur 5D). Fest belteidleren (3DP 1) til frontpanelet (akryldel 10) ved hjelp av M3-skruene og allen-tasten (figur 5G).
  3. Plasser underenheten for utskriftssengen i rammen ved å matche hver ende av en 8 mm aksel (21) til en akselholder (3DP 2) i henhold til figur 5A,D,G.
    MERK: Det kan være nødvendig å løsne M12-skivene på frontpanelet (akryldel 10) for å skape plass til å plassere utskriftssengens undermontering i rammen.
  4. Til slutt, for å fullføre y-aksen og utskriftssengen sub-montering, skru idler til belte idler (3DP 1) ved hjelp av en M3 skrue, og fest deretter idler tannen til stepper motoren ved å stramme M2 grub skruen på idler tannen med M2 Allen nøkkel. Skyv beltet (17) rundt idleren (17) og idlert (17) og inn i belteklemmen (3DP 3) for å produsere spenning i beltet. Fullfør delen ved å stramme belteklemmen (3DP 3) med M3-allen-tasten.

Figure 4
Figur 4: Komponenter som trengs for å sette sammen undermonteringen av y-aksen og utskriftssengen. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Additiv produksjonssmelteekstrudering (ADDME) 3D-skriver. (A) Grafisk gjengivelse av rammen, y-aksen og sengen. (B) Grafisk gjengivelse av y-aksen og sengen. (C) Eksplodert visning av sengen sub-montering. (D) Merket visning som viser hvordan y-aksen kobles til bakpanelet. (E) Zoomet inn visning av den mekaniske endestopp. (F) Eksplodert visning av trykkplaten våren utjevning system. (G) Merket visning som viser hvordan y-aksen kobles til frontpanelet. (H) Sidevisning grafisk gjengivelse av y-aksen og sengen. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

4. Delmontering av X-akse

MERK: Delene som er skissert i figur 6, er nødvendige for å fullføre delsamlingen av x-aksen. Alle skruer er sett i figur 6, og verktøy er oppført i materialtabellen.

  1. Bruk delene i figur 6til å montere venstre side av delenheten x-akse i henhold til figur 7C.
    1. Plasser messingmutteren (18) på innsiden av mutterholderen (3DP 5) og fest til x-akseputen til venstre (3DP 8) med M3-skruene og sekskanttasten (figur 7C).
    2. Fest puteblokken (19) på x-akseputen til venstre (3DP 8) med M4-skruene og sekskanttasten (figur 7C). Fest x-aksen idler 1 (3DP 9) til x-akseputen til venstre (3DP 8) med M3-skruene og sekskanttasten (Figur 7C).
    3. Juster de midterste hullene på idleren (17), x-akse idler 1 (3DP 9) og x-akse Idler 2 (3DP 10). Fest med M3-skruene og alle tast (figur 7C). Bruk delene som vises i figur 6, monterehøyre side av x-aksen-underenheten i henhold til figur 7D.
    4. Plasser messingmutteren (18) på innsiden av mutterholderen (3DP 5) og fest til x-akseputen til høyre (3DP 6) med M3-skruene og sekskanttasten (figur 7D).
    5. Fest puteblokken (19) på x-akseputen til høyre (3DP 6) med M4-skruene og sekskanttasten (figur 7D). Fest x-aksen høyre (3DP 7) til x-akse pute høyre (3DP 6) ved hjelp av M3 skruer og sekskanttasten (Figur 7D). Fest steppermotoren (11) til x-aksen høyre (3DP 7) med M3-skruene og sekskanttasten (Figur 7D).
  2. Tre hver av de gjengede stengene (18) inn i hver av messingmutrene (18) i henhold til figur 7B. Skyv to av de 8 mm akslene (20) inn i hver av puteblokkene (19) vertikalt, og to av de 8 mm akslene (20) horisontalt i henhold til figur 7B, C, D.
  3. Fest de resterende delene fra figur 6 til rammen i henhold til figur 7E,F.
    1. Fest to av akselholderne (3DP 2) til både topppanelet (akryldel 2) og elektronikkkabinetttopp (akryldel 5) ved hjelp av M2-skruene og sekskantnøkkelen (Figur 7E,F). Fest puteblokklagrene (15) på topppanelet (akryldel 2) ved hjelp av M3-skruene og sekskanttasten (Figur 7E). Fest steppermotorene (11) på elektronikkkabinetttoppen (akryldel 5) ved hjelp av M3-skruene og sekskanttasten (Figur 7F).
      MERK: Koblingen (16) er en komponent som er designet for å koble til to forskjellige akselstørrelser.
    2. Fest kopet (16) over sjaktene på steppermotorene (11) ved å stramme den nedre grubskruen med M2-sekskantnøkkelen (Figur 7F).
  4. Plasser x-akse-underenheten i rammen ved å justere de vertikale 8 mm akslene med akselholderen (3DP 2) og stram ved hjelp av M2-skruene og unbrakonøkkelen (Figur 7E,F). Fest den gjengede stangen (18) i den andre enden av kopet (16) ved å stramme den øvre grubskruen med M2-sekskantnøkkelen (Figur 7E,F).
    MERK: Topppanelet (akryldel 2) må kanskje fjernes midlertidig slik at underenheten x-aksen får plass i rammen.

Figure 6
Figur 6: Komponenter som trengs for å sette sammen delsamlingen av x-aksen. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: Delsamling av x-akse. (a) Grafisk gjengivelse av rammen og x-aksen. (b) Grafisk gjengivelse av x-aksen. (c) Eksplodert visning av venstre side av underenheten. (d) Eksplodert visning av høyre side av underenheten. (e) Merket visning som viser hvordan x-aksen kobles til det øverste panelet. (f) Merket visning som viser hvordan x-aksen kobles til elektronikkkabinettet. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

5. Ekstruderingundermontering

MERK: Ekstruderingssubenheten benytter en dobbel stepper motordesign for å sikre at et høyt nøyaktighetsnivå oppnås gjennom balansering av krefter på hver side av stempelet. Delene som er skissert i figur 8, er nødvendige for å fullføre ekstruderingsundermonteringen.

  1. Samle alle delene som vises i figur 8, og monter ekstruderingshodet i henhold til figur 9.
    MERK: Figur 9B er en eksplodert visning av ekstruder-undersamlingen som viser hvordan hver komponent passer sammen. Følgende trinn forklarer hvordan dette gjøres. Alle skruer er sett i figur 8,og verktøy er oppført i materialtabellen.
    1. Fest de to puteblokkene (19) på ekstruderens bakplate (3DP 14) med M4-skruene og allen-tasten (figur 9B). Fest ekstruderbelteklemmen (3DP 13) på ekstruderens bakplate (3DP 14) mellom puteblokkene (19) ved hjelp av M3-skruene og allen-tasten (figur 9B).
    2. Fest ekstruderbakplaten (3DP 14) til ekstrudermotorholderen (3DP 15) med M3-sekskantskruene og sekskantnøkkelen (figur 9B). Fest de to steppermotorene (11) på ekstrudermotorholderen (3DP 15) med M3-skruene og sekskantnøkkelen (figur 9B).
      MERK: Koblingen (16) er en komponent som er designet for å koble til to forskjellige akselstørrelser.
    3. Fest kopene (16) over sjaktene på steppermotorene (11) ved å stramme den nedre grubskruen med en M2-sekskantnøkkel (figur 9B). Fest den gjengede skruen (18) i kopene (16) ved å stramme den øvre grubskruen (figur 9B).
    4. Skyv varmejakken eller silikonvarmeren inn i ekstrudermotorholderen (3DP 15) i henhold til figur 9B. Fest messingmutrene (18) inne i stempellåsen 1 (3DP 11) med M3-skruene og allen-tasten.
  2. Monter ekstruderingshodet på x-aksen i henhold til figur 9A.
    1. Skyv 8 mm akslene som finnes på x-aksen inn i puteblokkene (19) på ekstruderhodet i henhold til figur 9A.
    2. Vikle drivbeltet (17) gjennom idleren (17) og idler tannen (17) plassert på venstre og høyre x-akse enheter og fest drivbeltet (17) i ekstruderbelteklemmen (3DP 13) ved hjelp av M3 hex skruer og seksc (Figur 9C).

Figure 8
Figur 8: Komponenter som trengs for å montere ekstruderen. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9: Ekstruder-undermontering. (A) Grafisk gjengivelse av ekstruderundersamlingen. (B) Eksplodert visning som viser ekstruderkomponenter. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

6. Elektronikk og ledninger

  1. Monter Arduino i akryl del 7 (elektronikkdeksel, vist i figur 10A)med M3 hekseskruer ved hjelp av en M3-sekskantnøkkel. Sett inn et rampebrett på toppen av Arduino-kortet orientert som vist i figur 10A,B med USB-pluggen vendt mot akryldel 6 (bakpanel).
  2. Monter likestrømskontakten i akryldel 6 (bakpanel, som vist i figur 10A)og kontakten til strømforsyningen i figur 10B. Koble motorkontrollerne, steppermotorene, endestopp, varmeapparat og termoelement til de respektive pinnene (figur 10B).

Figure 10
Figur 10: Elektronikk. (A) Grafisk gjengivelse av elektronikkkontrollkortetmonteringssted. (B) Tilkoblingsdiagram over elektriske komponenter og motorer til 3D-utskriftskort [Jos Hummelink (grabcab.com) forutsatt Arduino- og Ramper CAD-filer]. (c) Bilde av den ferdige ledningen. Ledninger kan sees som fører fra Ramper bord, deretter til ekstrudering hodet og x / y akse motorer. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

7. Programvare, kontroll og kalibrering

MERK: Hvis du vil ha mer detaljerte instruksjoner og feilsøkingsinformasjon, kan du se https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.

  1. Last ned fastvare fra http://marlinfw.org/meta/download/.
  2. Installer repetier https://www.repetier.com/.
  3. Erstatt filtypen .configuration i fastvaren som finnes i https://www.thingiverse.com/Addme/designs.
  4. Angi buadrate i repetier til 112500 ved å navigere (i repetier) til Konfigurer | Skriverinnstillinger | Tilkobling | Baud Pris: 115200.
  5. Klikk på Koble-ikonet i repetier.
  6. Når den er tilkoblet, oppnås full kontroll over skriveren. Naviger til Manuell kontroll for å flytte utskriftssengen og prøv å stille inn temperaturen.
    FORSIKTIG: Kontroller at den maksimale temperaturen på sprøyten eller boligkomponentene ikke overskrides (se diskusjonen for mer informasjon). Mens stepper motorene har begrenset effekt, utgjør bevegelsen av aksen en mekanisk fare.
    MERK: På dette stadiet er det en fullt driftsskriver. I avsnittet nedenfor (avsnitt 8) beskrives fremgangsmåten for å gjøre skriveren klar for 3D-utskrift.

8. Klargjøring for 3D-utskrift

  1. Legg en 2 ml sprøyte med ønsket materiale, for eksempel viskøs krem, sjokolade eller pluronisk (Figur 11A).
  2. For å plassere sprøyten i ekstruderingshodet, start med å sette sprøyten inn i stempellås 1 (3DP 11, figur 11B). Deretter setter sprøyten inn i varmejakken mens du forsiktig vrir de gjengede skruene (Figur 11C).
  3. Valgfritt: Hvis sengen ikke er jevnet, er det nødvendig å utjevne den. Flytt utskriftshodet til venstre og høyre og deretter opp og ned, og kontroller om avstanden mellom sengen og sprøytedysen er konsistent. Skyv et stykke papir mellom sprøyten og sengen og føl friksjonen (Figur 11E), og bruk deretter M3-enhetens nøkkel (figur 11D) til å justere sengenivået om nødvendig.
  4. Valgfritt: Hvis det valgte materialet må varmes opp, gjør du dette nå. Naviger til kategorien Manuell kontroll i repetier og sett temperaturen til ønsket nivå.

Figure 11
Figur 11: Forberedelse til 3D-utskrift. (A) En 2 ml sprøyte lastet med (fra venstre til høyre) viskøs krem (150 ml, Nivea håndkrem), sjokolade (Cadbury, vanlig melk) og Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). (B) Stempel settes inn i stempellåsen 1 (3DP 11). (C) Vist er en sprøyte som settes inn i varmejakken, mens de gjengede skruene fanger på messingmutrene. (D) Vist er en sekskantnøkkel som er i ferd med å settes inn i holderm3 sekskantskruen, slik at nivået kan justeres. (E) Et visittkort blir deretter skjøvet under sprøyten for å sjekke avstanden mellom sengen og sprøyten. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ytelsen til ADDME under 3D-utskrift ble evaluert ved hjelp av en viskøs krem (150 ml, Nivea håndkrem), sjokolade (Cadbury, vanlig melk) og Pluronic F-127 (Sigma Aldrich). Den viskøse krem og sjokolade ble brukt som den er, og Pluronic ble oppløst i en 20% wt løsning med ultrarent vann og lagret nedkjølt ved 5 ° C til nødvendig14,15.

Linjetesting innebar å skrive ut en filament frem og tilbake på byggeplaten i et grunnleggende mønster for å evaluere individuelle filamentegenskaper som tykkelse eller konsistens. Linjetester ble gjort med en rekke bevegelseskommandoer kalt gcode som vist i Formel 1 nedenfor. Mengden materiale som skal ekstrudere, finner du ved hjelp av Formel 2. Utskriftsparameterne som brukes, finnes i tabell 1, og resultatene vises i figur 12A,B,C.

Equation

Ligning 1: Representativ linje med gcode for å kontrollere 3D-skriverbevegelse, der: G01 ber skriveren om å utføre en lineær bevegelse mellom gjeldende posisjon og posisjonen som er angitt av X, Y og Z mm; E er mengden materiale som skal ekstrudere (mm) under dette lineære trekket; og F er hastigheten (mm/min).

Equation

Ligning 2: Ekstrudering, hvor: E er gcode-verdien som forteller ekstruderen stepper motor hvor langt ned for å skyve sprøyten; og D er avstanden som utskriftshodet beveger seg under gcode-linjen.

For å opprette komplekse 3D-objekter kan vi ikke manuelt legge inn hver kodelinje, som ble gjort for linjetesting. Hvis du vil opprette komplekse 3D-objekter, må objektet som skal skrives ut, legges inn i en standard tessellation-fil (StL) i repetier og "skiver" i 3D utskrivbar gcode. Det er avgjørende at i slicer konfigurasjonslederen er filamentdiameteren satt til størrelsen på den indre sylinderdiameteren og dysen er satt til størrelsen på sprøytens indre diameter. Den fullstendige listen over utskriftsparametere vises i tabell 1, og resultatene vises i figur 12D,E,F.

Parametere Linjetesting 3D-objekt
Viskøse krem Sjokolade Bioink (andre) Viskøse krem Sjokolade Bioink (andre)
Sprøyte innvendig diameter (mm) 0.33 0.84 0.33 0.33 0.84 0.33
Fat indre diameter (mm) 9.35 9.35 9.35 9.35 9.35 9.35
Temperatur (°C) Rom Temp 53 Rom Temp Rom Temp 53 Rom Temp
Hastighet (mm/min) 500 500 500 500 500 500
Ekstrudering (scalar) 100% 200% 150% 100% 200% 150%
Sprøyte til plateavstand (mm) ~0,3 ~1 (1) ~0,5 ~0,3 ~1 (1) ~0,5

Tabell 1: Utskriftsparametere som brukes gjennom alle tester.

Figure 12
Figur 12: ADDME 3D-utskriftsresultater. (A) Linjetesting med viskøs krem. (B) Linjetesting med sjokolade. (C) Linjetesting med Pluronic F-127. (D) Skreddersydd objekt 3D-trykt med viskøs krem. (E) Skreddersydd objekt 3D-trykt med sjokolade. (F) Skreddersydd objekt 3D-trykt med Pluronic F-127. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

For å fastslå den dimensjonale nøyaktigheten til ADDME-skriveren i x-, Y- og Z-retningene når du skriver ut et halvsolid materiale, ble det skrevet ut en 1 cm x 1 cm x 1 cm kube, 3D-skannet og dimensjonalt sammenlignet med de opprinnelige kube CAD-dataene. En viskøs krem ble brukt til å skrive ut en 1 cm x 1 cm x 1 cm kube ved hjelp av en dysediameter på 0,33 mm (Birmingham Gauge nål 23), laghøyde på 0,33 mm og fyll på 15%. Denne kuben ble deretter skannet ved hjelp av en metalogi vurdert 3D-skanner (Artec Spider) som er i stand til en nøyaktighet på opptil 0,05 mm. De resulterende dataene ble sammenlignet med Cloud Compare (Open Source Project), 3D-punkts skyredigering og behandlingsprogramvare.

Figure 13
Figur 13: Sammenligning av 3D-skanning. (A) Den 1 cm x 1 cm x 1 cm kube laget til en CAD-modell. (B) 3D-skanningen av den utskrevne kuben (innfelt). (C) Den opprinnelige modellen og 3D-skanningen ble deretter sammenlignet med skysammenligning. Et histogram av avstander fra noder i 3D-modellen og skannet kube presenteres. C2M-avstandene representerer de fysiske forskjellene mellom punkter i begge modellene. Begge modellene er innenfor en toleranse på -0,15 mm og +0,15 mm. Klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne protokollen inneholder detaljerte instruksjoner for bygging av en rimelig smelteekstruderingsbasert 3D-skriver. Byggingen av 3D-skriveren kan deles inn i underseksjoner, inkludert ramme, y-akse/seng, x-akse, ekstruder, elektronikk og programvare. Disse underdelene presenteres med detaljerte diagrammer, tegninger, filer og delelister. Den totale prisen på en ADDME 3D-skriver kommer til $ 343 AUD ($ 245 USD per 01/17/2019), noe som gjør dette til den billigste, reservoarbaserte smelteekstruderings3D-skriveren som for tiden er kjent. Det var rettet mot å gjøre denne enheten enkel å produsere gjennom bruk av laser-cut, 3D-trykt, og off-the-hylle komponenter. Funksjonen til denne enheten har blitt demonstrert ved linjetesting og 3D-utskrift av organisk formede objekter. Anvendeligheten av ADDME til ulike applikasjoner som biomedisinske og næringsmiddelindustrien har blitt demonstrert ved hjelp av viskøs krem, sjokolade og pluronic F-127 (som modell for bioinks).

3D-utskriftsdeler for bruk i konstruksjonen av ADDME kan være komplisert på grunn av vanskeligheter som oppstår som følge av forskjellene i kvalitet mellom hvert 3D-trykt objekt. Fordreining, krymping eller utvidelse av 3D-utskriftsdeler er kjent for å være påvirket av utskriftsparametere og miljøfaktorer. Bruk av polymelkesyre (PLA) bør redusere feil som oppstår betydelig fra krymping, ekspansjon eller fordreining; Miljøfaktorer som fuktighet kan imidlertid fortsatt forårsake problemer. For å minimere eventuelle problemer, bør det sikres at 1) utskriftsparametrene samsvarer med de som er angitt på https://www.thingiverse.com/Addme/designs, 2) PLA filament er ny (ikke påvirket av fuktighet), og 3) det er ingen luftstrøm over 3D-skriveren (økt luftstrøm kan forårsake fordreining). Alle 3D-trykte deler som brukes i konstruksjonen av ADDME er spesielt designet for å være lett-å-skrive ut og krever ikke ekstra støttemateriale for overhengende geometri.

Også inkludert er to metoder for å varme opp sprøyten som holder utskriftsmaterialet. Det første alternativet er en maskinert varmejakke med en varmepatron, og det andre er en silikonvarmematte. Den maskinerte varmejakken gir jevn oppvarming til hele sprøyten og anbefales å være laget av aluminium for høy varmeledningsevne. Det kan være vanskelig for personer uten riktig kompetanse eller tilgang til fasiliteter for å skaffe en varmejakke. I dette tilfellet kan en silikonvarmer pakkes rundt sprøyten for å gi tilstrekkelig oppvarming til materialet. I begge tilfeller er varmekomponenten koblet til de samme pinnene på elektronikkkortet og styres på samme måte.

Den maksimale temperaturen som kan påføres sprøyten er begrenset av sprøytematerialet og 3D-trykte materialer rundt sprøyten. Hvis en generisk PLA brukes, er den maksimale temperaturen som kan brukes på sprøyten ~ 60 °C; Imidlertid kan spesialitet høy temperatur PLA brukes til å oppnå en maksimal temperatur på ~ 110 °C. Sprøyten i seg selv er laget av en polypropylen (PP) fat og polyetylen (HDPE) stempel med høy tetthet( HDPE). Sprøyten som er angitt i denne protokollen spesifiserer ikke en maksimal driftstemperatur, men den er trygg på ca. 110 °C på grunn av jakkematerialene. Det bemerkes at sprøyter som ikke er oppført i materialbordet, kan være laget av materialer med et lavere smeltepunkt.

Resultatene i figur 12 viser driften av dette 3D-utskriftssystemet gjennom linjetesting og objektutskrift. Ved linjetesting brukes forskjellige utskriftsparametere med viskøs krem, sjokolade og pluronic F-127 (tabell 1) for å oppnå ulike resultater. Den lille dysestørrelsen som brukes med håndkrem (figur 12A)resulterer i en tynnere linje, mens den nedre sprøyten til plateavstand resulterer i skarpere hjørner. For sjokolade var det vanskelig å få en konsekvent strøm av sjokolade (Figur 12B), selv med flyten satt til 200%. I figur 12D,E,F, er det klart at sjokolade og Pluronic F-127 viser verre form-beholde egenskaper enn viskøs krem som høyden på kjeglen er redusert. Hver av utskriftsparametrene som er oppført i tabell 1, har en betydelig innvirkning på den endelige geometrien til filamentet som produseres, inkludert sprøytediameter, sprøyte-til-plate-avstand, temperatur, hastighet og ekstrudering.

3D-skysammenligningen av CAD-modellen og 3D skannet 1 cm x 1 cm x 1 cm kube i figur 13 viser at ADDME-skriveren er i stand til å skrive ut med en toleranse mellom -0,15 mm og +0,15 mm. Det er større varians i den positive delen sammenlignet med de negative avstandene. Dette har en tendens til å skje på grunnlagene av 3D-trykte deler, hvor lagene er programmert til å skrive ut tykkere; som sådan skjer overekstrudering, og nålespissen drar ekstra utskriftsmateriale over delen, som vist i figur 13B. Ytterligere geometrisk nøyaktighet kan oppnås gjennom finere justering av skriverparametere som startlagshøyde og hastighet, ekstruderingsstrømningshastighet og sikre at byggeplaten er jevn. Disse resultatene indikerer at ADDME-skriveren er i stand til å oppnå et nivå av utskriftsnøyaktighet som kreves for utskrift av halvsolide materialer som viskøs krem, sjokolade eller Pluronic F-127.

Den vellykkede utformingen og konstruksjonen av ADDME 3D-skriveren er verifisert av utskriftslinjer og objekter laget av forskjellige materialer og utskriftsparametere. Det er demonstrert at det er en anvendelse av denne skriveren i biofabrikasjon og næringsmiddelindustrien. ADDME-skriveren har forbedret seg på tidligere generasjoner av inngangsnivå, reservoarbaserte, smelteekstruderingsskrivere ved å redusere kostnadene, minimere antall komponenter og bruke de nyeste elektroniske og programvarekomponentene/-praksisene. Den åpne kilden natur dette prosjektet viser at i fremtiden kan andre brukere gjøre endringer eller endringer for bestemte programmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen mottok ingen konkrete tilskudd fra finansieringsbyråer i offentlig, kommersiell eller ikke-profittsektorer. Spesiell takk til Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran og Dominik Vu for deres bidrag på en tidligere prototype av designet.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
15 W 12V DC 50x100mm Flexible Silicon Heater Banggood 1280175 Optional; AU$4.46
3D Printer Lulzbot https://download.lulzbot.com/
3D Printer Ultimaker Ultimaker 2+
AC 100-240V to DC 12V 5A 60W Power Supply Banggood 994870 AU$12.7
Acrylic Sheet White Continuous Cast 1200x600mm Mulford Plastics AU$36.95
Allen Keys Metric
Arduino MEGA2560 R3 with RAMPS 1.4 Controller Geekcreit 984594 AU$28.91
Carbon Steel Linear Shaft 8mm x 350mm Banggood 1119330 AU$13.44
Carbon Steel linear Shaft 8mm x 500mm Banggood 1276011 AU$19.42
Chocolate Cadbury
Computer with internet access Dell
Coupler 5-8mm Banggood 1070710 AU$6.93
Hand Cream Nivea 80102
Heating Cartridge Creality 3D 1192704 AU$4.75
K Type Temperature Sensor Thermocouple Banggood 1212169 AU$2.37
Laser Cutter trotec Speedy 300 https://www.troteclaser.com/
M10 1mm Pitch Thread Metal Hex Nut + Washer UXCELL AU$8.84
M10 1mm Pitch Zinc Plated Pipe 400mm Length UXCELL AU$11.62
M2 - 0.4mm Internal Thread Brass Inserts Ebay AU$5.65
M2 Nuts Suleve 1239291 AU$9.17
M2 x 10 mm Button Hex Screws Suleve 1239291 AU$9.17
M2 x 5mm Button Hex Screws Suleve 1239291 AU$9.17
M3 - 0.5mm Internal Thread Brass Inserts Suleve 1262071 AU$7.5
M3 Nuts Suleve 1109208 AU$7.85
M3 Washer Banggood 1064061 AU$3.05
M3 x 10mm Button Hex Screws Suleve 1109208 AU$7.85
M3 x 20mm Button Hex Screws Suleve 1109208 AU$7.85
M3 x 6mm Button Hex Screws Suleve 1109208 AU$7.85
M3 x 8mm Button Hex Screws Suleve 1109208 AU$7.85
M4 x 8mm Button Hex Screws Suleve 1273210 AU$4.32
Needle Luer Lock 18 - 27 Gauge Terumo TGA ARTG ID: 130227 AU$3.57
NEMA 17 Stepper Motor Casun 42SHD0001-24B AU$54
NEMA Stepper Motor Mounting Bracket Banggood ptNema17br90 AU$4.79
Pillow Block Flange Bearing 8mm Banggood KFL08 AU$5.04
PLA Filament Creality 3D 1290153 AU$24.95
Pluronic F127 Sigma Aldrich P2443-250G
SC8UU 8mm Linear Motion Ball Bearing Toolcool 935967 AU$21.6
SG-5GL Micro Limit Switch Omron 1225333 AU$4.5
Soldering Station Solder, Wires, Heat shrink e.c.t.
Spring Banggood 995375 AU$2.53
Syringe 3ml Luer Lock Polypropylene Brauhn 9202618N AU$3.14
Timing Pulley GT2 20 Teeth and Belt Set Banggood 10811303 AU$11.48
Trapezoidal Lead Screw and Nut 8mm x 400mm Banggood 1095315 AU$29.02
Variable Spanner

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brettel, M., Friederichsen, N., Keller, M., Rosenberg, M. How Virtualization, Decentralization and Network Building Change the Manufacturing Landscape: An Industry 4.0 Perspective. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Information and Communication Engineering. 8 (1), (2014).
  2. Gilchrist, A. Introducing Industry 4.0. Industry 4.0. , 195-215 (2016).
  3. Petrick, I. J., Simpson, T. W. 3D Printing Disrupts Manufacturing: How Economies of One Create New Rules of Competition. Research-Technology Management. 56 (6), 12-16 (2013).
  4. Wong, K., Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 10, (2012).
  5. Lanaro, M., Desselle, M. R., Woodruff, M. A. 3D Printing Chocolate: Properties of Formulations for Extrusion, Sintering, Binding and Ink Jetting. Fundamentals of 3D Food printing and Applications. , (2018).
  6. Godoi, F. C., Prakash, S., Bhandari, B. R. 3d printing technologies applied for food design: Status and prospects. Journal of Food Engineering. 179, 44-54 (2016).
  7. Stansbury, J. W., Idacavage, M. J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Dental Materials. 32 (1), 54-64 (2016).
  8. Zhu, W., Ma, X., Gou, M., Mei, D., Zhang, K., Chen, S. 3D printing of functional biomaterials for tissue engineering. Current Opinion in Biotechnology. 40, 103-112 (2016).
  9. Lanaro, M., Booth, L., Powell, S. K., Woodruff, M. A. Electrofluidodynamic technologies for biomaterials and medical devices: melt electrospinning. Electrofluidodynamic Technologies (EFDTs) for Biomaterials and Medical Devices. , 37-69 (2018).
  10. Malone, E., Lipson, H. Fab@Home: the personal desktop fabricator kit Article information. Rapid Prototyping Journal. 13 (4), 245-255 (2007).
  11. Vilbrandt, T., Malone, E., Lipson, H., Pasko, A. Universal Desktop Fabrication. Heterogeneous Objects Modelling and Applications. , 259-284 (2008).
  12. Jones, R., et al. RepRap-the replicating rapid prototyper. Robotica. 29, 177-191 (2011).
  13. Lanaro, M., et al. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering. , (2017).
  14. Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Advanced Materials. 23 (24), H178-H183 (2011).
  15. Paxton, N., Smolan, W., Böck, T., Melchels, F., Groll, J., Jungst, T. Proposal to assess printability of bioinks for extrusion-based bioprinting and evaluation of rheological properties governing bioprintability. Biofabrication. 9 (4), 044107 (2017).

Tags

Bioengineering Utgave 157 3D-utskrift additiv produksjon smelteekstrudering åpen kildekode mat bioprinting bioinks
Design av en åpen kildekode, lavpris bioink og matsmelteekstrudering 3D-skriver
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lanaro, M., Skewes, J., Spiers, L.,More

Lanaro, M., Skewes, J., Spiers, L., Yarlagadda, P. K., Woodruff, M. A. Design of an Open-Source, Low-Cost Bioink and Food Melt Extrusion 3D Printer. J. Vis. Exp. (157), e59834, doi:10.3791/59834 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter