Summary
Syftet med detta arbete är att designa och konstruera en reservoarbaserad smältextrudering tredimensionell skrivare tillverkad av öppen källkod och billiga komponenter för applikationer inom biomedicinska och livsmedelstryckindustrier.
Abstract
Tredimensionell (3D) utskrift är en allt populärare tillverkningsteknik som gör att mycket komplexa objekt kan tillverkas utan retooling kostnader. Denna ökande popularitet drivs delvis av fallande inträdeshinder såsom systemuppläggkostnader och enkel drift. I följande protokoll presenteras design och konstruktion av en ADDME-skrivare (Additive Manufacturing Melt Extrusion) för tillverkning av anpassade delar och komponenter. ADDME har utformats med en kombination av 3D-tryckta, laser-cut och online-sourced komponenter. Protokollet är ordnat i lättföljande avsnitt, med detaljerade diagram och reservdelslistor under rubrikerna inramning, y-axel och säng, x-axel, extrudering, elektronik och programvara. ADDME:s prestanda utvärderas genom extrudering och 3D-utskrift av komplexa föremål med hjälp av visköskräm, choklad och pluronisk F-127 (en modell för biobläck). Resultaten visar att ADDME är en kapabel plattform för tillverkning av material och konstruktioner för användning i en mängd olika branscher. Kombinationen av detaljerade diagram och videoinnehåll underlättar tillgången till billig och lättmanövrerad utrustning för personer som är intresserade av 3D-utskrift av komplexa föremål från ett brett spektrum av material.
Introduction
Additiv tillverkning är en kraftfull tillverkningsteknik som har potential att ge betydande värde till industrilandskapet1,2. De attraktiva egenskaperna hos additiv tillverkning innebär inga verktygskostnader, höga nivåer av anpassning, komplexa geometrier och minskade hinder för inträdeskostnader. Inga retooling kostnader möjliggör snabb tillverkning av prototyper, vilket är önskvärt när man försöker minska "tid till marknaden", vilket är ett kritiskt mål för industrier i utvecklade länder som försöker förbli konkurrenskraftiga mot låglönekonkurrenter1. Höga nivåer av anpassningsbarhet gör det möjligt för ett brett utbud av produkter att tillverkas med komplexa geometrier. När dessa faktorer kombineras med de låga kostnaderna för uppställning, material och operatörsspecialisering finns det ett tydligt värde av additiv tillverkningsteknik3.
Additiv tillverkning, även kallad 3D-utskrift, innebär skikt-för-lager tillverkning av ett objekt i en dator numeriskt kontrollerad (CNC) system3. Till skillnad från traditionella CNC-processer som fräsning, där material avlägsnas från ett ark eller block av material, lägger ett 3D-utskriftssystem material till önskad struktur lager för lager.
3D-utskrift kan underlättas genom en rad olika metoder, inklusive laser, blixt, extrudering eller jetting teknik4. Den specifika teknik som används bestämmer råvarornas form (dvs. pulver eller smältning), liksom de reologiska och termiska egenskaper som krävs för bearbetning5. Den extruderingbaserade 3D-utskriftsmarknaden domineras av glödtrådsbaserade system, som beror på att glödtrådar är lätta att hantera, bearbeta och kontinuerligt leverera stora mängder material till extrudering huvudet. Denna process begränsas dock av den typ av material som kan bildas i glödtrådar (främst termoplaster). De flesta material finns inte i glödtrådform, och bristen på moderna billiga plattformar på marknaden utgör en anmärkningsvärd lucka.
Detta protokoll visar byggandet av ett reservoarbaserat extruderingssystem som gör att material kan lagras i en spruta och pressas genom en nål. Detta system är idealisk för att tillverka ett brett utbud av material inklusive livsmedel6,polymerer7,och biomaterial8,9. Dessutom är reservoarbaserade extruderingstekniker vanligtvis mindre farliga, billigare och lättare att använda än andra 3D-utskriftsmetoder.
Det finns ett växande antal universitetsledda team som utformar och släpper 3D-utskriftssystem med öppen källkod till allmänheten. Från och med Fab@Home extrudering-baserade skrivare i 200710,11, forskare syftar till att skapa en enkel och billig plattform för att driva snabb expansion i 3D-utskriftsteknik och applikationer. Senare under 2011 syftade RepRap-projektet till att skapa en glödtrådsbaserad 3D-utskriftsplattform utformad med delar gjorda av 3D-utskrift, med målet att skapa en självreplikerande maskin12. Kostnaden för 3D-skrivare har sjunkit under åren, från $ 2300 USD för en Fab@Home (2006), $ 573 USD för en RepRap v1 (2005), och $ 400 USD för v2 (2011).
I tidigare arbete visade vi hur ett off-the-self 3D-utskriftssystem kunde kombineras med ett anpassat reservoarbaserat extruderingssystem för att skapa komplexa 3D-objekt från choklad13. Ytterligare designundersökning har visat att betydande kostnadsbesparingar kan uppnås jämfört med denna prototypdesign.
Syftet med detta protokoll är att ge instruktioner för byggandet av en billig reservoarbaserad smältextrudering 3D-skrivare. Presenteras här är detaljerade diagram, ritningar, filer och komponentlistor för att möjliggöra korrekt konstruktion och drift av en 3D-skrivare. Alla komponenter finns på plattformen för öppen källkod (creative commons noncommercial) https://www.thingiverse.com/Addme/collections, vilket gör att användarna kan ändra eller lägga till ytterligare funktioner som önskas. Viscous grädde, choklad och pluroniska F-127 (en modell för bioinks) används för att utvärdera prestanda ADDME och visa tillämpningav ADDME 3D-skrivare till biomedicinska och livsmedelstryck industrier.
En laserskärare som kan skära akryl och en stationär 3D-skrivare som kan skriva ut PLA eller ABS-glödtrådar krävs för detta protokoll. En bearbetad värmejacka och värmepatron eller silikonvärmare kan användas för att värma materialet, beroende på vilken utrustning operatören har tillgång till. Alla CAD-filer finns på https://www.thingiverse.com/Addme/designs. För firmware och programvara för att styra 3D-skrivare, http://marlinfw.org/meta/download/ och https://www.repetier.com/ tillhandahålls resurser, respektive. Detaljerade instruktioner om styrkortet finns i https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
VARNING: Det finns risk för brännskador orsakade av heta lödstrykjärn och värmepatroner. Värmepatronen ska aldrig drivas när den inte är fastsatt inuti värmejackan. Det finns också risk för att nyp eller skärsår från den rörliga 3D-skrivaraxeln.
1. Översikt och förberedelse
Bild 1A visar en datorgenererad återgivning av skrivaren och bild 1B är ett foto av den färdiga skrivaren.
- Skaffa alla delar från materialförteckningen.
- Se https://www.thingiverse.com/Addme/designs för att alla akryldelar ska laserskäras. Försäkra att 6 mm akryl används eller ramen inte passar ihop. Laserfräsar använder en högenergilaser för att skära material; en professionell butik föredras här.
- Se https://www.thingiverse.com/Addme/designs för alla 3D-tryckta delar. Det är viktigt att de utskriftsparametrar som anges med varje del används. Observera att 3D-skrivare har heta ytor och rörliga delar, så använd hjälp av en professionell.
- Tillverka värmejackan, som finns vid https://www.thingiverse.com/Addme/designs. Om det inte finns någon tillgänglig tillgång till tillverkningskapacitet kan en silikonvärmare(Table of Materials)köpas med den tillhörande 3D-tryckta innehavaren som finns på https://www.thingiverse.com/Addme/designs.
Bild 1: Addme-3D-skrivare (Addme) (Addme) smältsvidd (ADDME). (A)Datorgenererad återgivning av skrivaren. (B)Fotografi av en färdig skrivare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2. Rammontering
De delar som visas i figur 2 krävs för att avsluta ramenheten. Smältsträngens ram extrudering 3D-skrivare hålls samman av en kombination av 6 mm laserskuren akryl och M3-bultar och muttrar(figur 3). Skrivarens botten stärks ytterligare med en M10 gängad stång och mutterkombination.
- Samla akryl delarna 1-9 och placera dem tillsammans i konfigurationen som visas i figur 3A. Kontrollera figuretiketterna för att säkerställa att varje bit är korrekt placerad. Säkra med M3-skruvar och muttrar i konfigurationen som visas i figur 3C med Hjälp av M3 Allen-tangenten.
- Placera M10 gängade stav genom syftet gjorde hål i akrylmedlemmar 6, 8 och 10. Säkra dem med M10 brickor och nötter som visas i figur 3B,D. Dra åt med variabelnyckeln.
Bild 2: Komponenter som behövs för att montera ramen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 3: Rammontering. (A)Monterad ram. (B)En sprängd vy med märkta akryldelar och stöd m10 gängade stavar. (C)En exploderad vy som visar hur varje akryldel är ansluten till varandra, med M3 skruvar och muttrar för att hålla ihop ramen. (D)En exploderad vy som visar hur den gängade stången håller akryldelar 6, 8 och 9 tillsammans med M10 nötter och brickor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
3. Y-axel- och tryckbäddsundermontering
De delar som beskrivs i figur 4 måste avsluta undermonteringen av y-axeln och utskriftsbädden. Alla skruvar ses i figur 4, och verktyg är listade i tabellen över material.
- Med hjälp av delarna i figur 4monterar du undermonteringshuvudet för tryckbädd enligt figur 5C.
- Skjut två kuddblock (19) på varje 8 mm axel (21) enligt figur 5C. Skjut endstop (3DP 4) på en av de 8 mm axlar (21) och säkra den mekaniska endstop (14) med M2 skruvar och en Allen nyckel enligt figur 5E.
- Fäst alla fyra kuddblocken (19) till monteringsbädden (akryldel 12) med Hjälp av M4-skruvarna och Allen-tangenten(figur 5C). Fäst bältesklämman (3DP 3) på monteringsbädden (akryldel 12) med M3-skruvarna och Allen-tangenten(figur 5C). Säkra tryckbädden (akryl del 11) på monteringsbädden (12) (figur 5C) med hjälp av M3 skruv, mutter och fjäder arrangemang enligt figur 5F.
- Säkra de återstående delarna från figur 4 till ramen enligt figur 5D,G.
- Säkra två av axelhållarna (3DP 2) till både bakpanelen (akryldel 6) och frontpanelen (akryldel 10) med M2-skruvarna och Allen-tangenten enligt figur 5D,G, respektive.
- Fäst steppermotorhållaren (12) på baksidan (akryldel 6) med hjälp av M3-skruvarna och Allen-tangenten(figur 5D). Fäst stegmotorn (11) till stegmotorhållaren (12) med hjälp av M3-skruvarna och allennyckeln(figur 5D). Fäst bältet idler (3DP 1) till frontpanelen (akryl del 10) med Hjälp av M3 skruvar och Allen nyckel(figur 5G).
- Placera undermonteringen av utskriftsbädden i ramen genom att matcha upp varje ände av en axelaxelhållare på 8 mm (21) till en axelhållare (3DP 2) enligt figur 5A,D,G.
OBS: Det kan vara nödvändigt att lossa M12 brickor på frontpanelen (akryl del 10) för att skapa utrymme för att placera utskriftsbädden undermontering i ramen. - Slutligen, för att slutföra y-axeln och tryckning säng undermontering, skruva tomgång till bältet idler (3DP 1) med hjälp av en M3 skruv, sedan säkra sysslolösa tandade till stepper motorn genom att dra åt M2 grub skruv på tomgång tandade med M2 Allen-tangenten. Skjut bältet (17) runt tomgång (17) och tomgång tandade (17) och in i bältesklämman (3DP 3) för att producera spänning i bältet. Fyll i sektionen genom att dra åt bältesklämman (3DP 3) med M3 Allen-tangenten.
Bild 4: Komponenter som behövs för att sätta ihop undermonteringen av y-axeln och utskriftsbädden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 5: Addme-3D-skrivare (Addme) (Addme) smältutpress (ADDME). (A)Grafisk återgivning av ramen, y-axeln och sängen. (B)Grafisk återgivning av y-axeln och sängen. (C)Spräng vy över sängundermonteringen. (D)Märkt vy som visar hur y-axeln ansluter till baksidan. (E)Inzoomad med tanke på den mekaniska ändstoppet. (F)Sprängvy över tryckplattfjädernivelleringssystemet. (G)Märkt vy som visar hur y-axeln ansluter till frontpanelen. (H)Sidovy grafisk återgivning av y-axeln och sängen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
4. Undermontering av X-axeln
De delar som beskrivs i figur 6 måste avsluta undermonteringen x-axeln. Alla skruvar ses i figur 6, och verktyg är listade i tabellen över material.
- Med hjälp av delarna i figur 6monterar du den vänstra sidan av x-axelns undermontering enligt figur 7C.
- Placera mässingmuttern (18) inuti mutterhållaren (3DP 5) och fäst på x-axelnkudden vänster (3DP 8) med Hjälp av M3-skruvarna och allennyckeln (figur 7C).
- Fäst kuddblocket (19) på x-axeln kudden vänster (3DP 8) med M4 skruvar och Allen nyckel(Figur 7C). Fäst x-axeln idler 1 (3DP 9) till x-axeln kudden vänster (3DP 8) med Hjälp av M3 skruvar och Allen nyckel(figur 7C).
- Rikta in tomgångstornens mitthål (17), x-axlig tomgång 1 (3DP 9) och x-axlig Idler 2 (3DP 10). Säkra med M3-skruvarna och allen -tangenten(figur 7C). Med hjälp av de delar som visas i figur 6monterar du den högra sidan av x-axelns undermontering enligt figur 7D.
- Placera mässingmuttern (18) inuti mutterhållaren (3DP 5) och fäst på x-axelnkudden höger (3DP 6) med Hjälp av M3-skruvarna och allennyckeln(figur 7D).
- Fäst kuddblocket (19) på x-axeln kudden rätt (3DP 6) med M4 skruvar och Allen nyckel(Figur 7D). Fäst x-axeln rätt (3DP 7) till x-axeln kudden rätt (3DP 6) med M3 skruvar och Allen nyckel(Figur 7D). Fäst stegmotorn (11) till x-axeln rätt (3DP 7) med Hjälp av M3-skruvarna och Allen-tangenten(figur 7D).
- Trä var och en av de gängade stavar (18) i var och en av mässingsmuttrarna (18) enligt figur 7B. Skjut två av de 8 mm axlarna (20) i vart och ett av kuddblocken (19) vertikalt och två av de 8 mm axlarna (20) horisontellt enligt figur 7B,C,D.
- Säkra de återstående delarna från figur 6 till ramen enligt figur 7E,F.
- Säkra två av axelhållarna (3DP 2) till både den övre panelen (akryl del 2) och elektronikkapsling topp (akryl del 5) med M2 skruvar och Allen nyckel(Figur 7E,F). Fäst kuddblockets lager (15) på den övre panelen (akryldel 2) med M3-skruvarna och Allen-tangenten(figur 7E). Fäst stegmotorerna (11) på elektronikkapslingen (akryldel 5) med Hjälp av M3-skruvarna och Allen-tangenten(figur 7F).
Koppen (16) är en komponent som är utformad för att ansluta två olika axelstorlekar. - Fäst koppetten (16) över dragmotorernas axlar (11) genom att dra åt den nedre grubskruven med M2 Allen-tangenten(figur 7F).
- Säkra två av axelhållarna (3DP 2) till både den övre panelen (akryl del 2) och elektronikkapsling topp (akryl del 5) med M2 skruvar och Allen nyckel(Figur 7E,F). Fäst kuddblockets lager (15) på den övre panelen (akryldel 2) med M3-skruvarna och Allen-tangenten(figur 7E). Fäst stegmotorerna (11) på elektronikkapslingen (akryldel 5) med Hjälp av M3-skruvarna och Allen-tangenten(figur 7F).
- Placera röntgenenheten x-axeln i ramen genom att rikta in de vertikala 8 mm axlarna mot axelhållaren (3DP 2) och dra åt med M2-skruvarna och allenstangenten(figur 7E,F). Fäst den gängade stången (18) i den andra änden av koppen (16) genom att dra åt den övre grub skruven med M2 Allen-tangenten(figur 7E,F).
OBS: Den övre panelen (akryl del 2) kan behöva tillfälligt tas bort så att x-axeln undermontering en kan passa in i ramen.
Bild 6: Komponenter som behövs för att sätta ihop undermonteringen av x-axeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 7: Undermontering av X-axeln. a)Grafisk återgivning av ramen och x-axeln. b)Grafisk återgivning av x-axeln. c)Sprängvy över den vänstra sidan av underenheten. d)Sprängvy över undermonteringens högra sida. (e)Märkt vy som visar hur x-axeln ansluter till den övre panelen. (f)Märkt vy som visar hur x-axeln ansluter till elektronikhöljet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
5. Extrudering undermontering
OBS: Extrudering undermontering använder en dubbel stepper motor design för att säkerställa att en hög noggrannhet uppnås genom balansering av krafter på varje sida av kolven. De delar som beskrivs i figur 8 krävs för att avsluta extruderingundermonteringen.
- Samla alla delar som visas i figur 8 och montera extrudering huvudet enligt figur 9.
FIGUR 9B är en sprängd vy över extruder-underenheten som visar hur varje komponent passar ihop. Följande steg förklarar hur detta görs. Alla skruvar ses i figur 8, och verktyg är listade i tabellen över material.- Fäst de två kuddblocken (19) på extruderbackplaten (3DP 14) med Hjälp av M4-skruvarna och Allen-tangenten(figur 9B). Fäst extruderbältets klämma (3DP 13) på extruderbackplaten (3DP 14) mellan kuddarblockna (19) med Hjälp av M3-skruvarna och allennyckeln(figur 9B).
- Fäst extruderbackplaten (3DP 14) till extrudermotorhållaren (3DP 15) med hjälp av M3-hexskruvarna och Allen-tangenten(figur 9B). Fäst de två stegmotorerna (11) på extrudermotorhållaren (3DP 15) med hjälp av M3-hexskruvarna och Allen-tangenten(figur 9B).
Koppen (16) är en komponent som är utformad för att ansluta två olika axelstorlekar. - Säkra kopplingarna (16) över dragmotorernas axlar (11) genom att dra åt den nedre grubskruven med en M2 Allen-nyckel (figur 9B). Fäst den gängade skruven (18) inom kopplingarna (16) genom att dra åt den övre grubskruven(figur 9B).
- Skjut värmejackan eller silikonvärmaren i extrudermotorhållaren (3DP 15) enligt figur 9B. Fäst mässingsmuttrarna (18) inuti kolvlåset 1 (3DP 11) med Hjälp av M3-skruvarna och Allen-tangenten.
- Montera extrudering huvudet på x-axeln enligt figur 9A.
- Skjut de 8 mm axlar som finns på x-axeln i kuddarna (19) på extruderhuvudet enligt figur 9A.
- Linda drivremmen (17) genom tomgångsbältet (17) och tomgångt tandad (17) som sitter på vänster och höger x-axelaggregat och fäst drivremmen (17) i extruderbältets klämma (3DP 13) med Hjälp av M3-hexskruvarna och Allen-tangenten(figur 9C).
Bild 8: Komponenter som behövs för att montera extrudern. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 9: Extruder undermontering. (A)Grafisk återgivning av extruderundermonteringen. (B)Sprängvy som visar extruderkomponenter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
6. Elektronik och ledningar
- Montera Arduino i akryl del 7 (elektronik svepning, visas i figur 10A) med M3 hex skruvar med hjälp av en M3 Allen nyckel. Sätt in en ramper ombord ovanpå Arduino ombord orienterad som visas i figur 10A,B med USB-kontakten vänd akryl del 6 (bakpanel).
- Montera DC-strömförsörjningsuttaget i akryldel 6 (bakpanel, som visas i figur 10A)och kontakt till strömförsörjningen i figur 10B. Anslut motorstyrenheterna, steppermotorerna, ändhållplatserna, värmaren och termoparet till respektive stift(figur 10B).
Bild 10: Elektronik. (A)Grafisk återgivning av monteringsplatsen för elektronikstyrbordet. (B)Anslutningsdiagram över elektriska komponenter och motorer till 3D-utskriftsbord [Jos Hummelink (grabcab.com) tillhandahöll Arduino- och RamperCAD-filerna]. (c)Bild av de färdiga ledningarna. Ledningar kan ses som leder från Ramps brädan, sedan till extrudering huvudet och x / y axelmotorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
7. Programvara, kontroll och kalibrering
Mer detaljerad information och felsökning finns i https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4.
- Ladda ner firmware från http://marlinfw.org/meta/download/.
- Installera repetier https://www.repetier.com/.
- Ersätt filen .configuration i den inbyggda programvaran som finns i https://www.thingiverse.com/Addme/designs.
- Ställ in buad-hastigheten i repetier till 112500 genom att navigera (i repetier) för att konfigurera | Skrivarinställningar | Anslutning | Baud Hastighet: 115200.
- Klicka på ikonen Anslut i repetier.
- När den är ansluten uppnås full kontroll över skrivaren. Navigera till Manuell kontroll för att flytta utskriftsbädden och försök ställa in temperaturen.
VARNING: Se till att den maximala temperaturen för sprutan eller huskomponenterna inte överskrids (se diskussionen för mer information). Medan steppermotorerna har begränsad effekt, utgör axelns rörelse en mekanisk fara.
Obs: I detta skede finns det en fullt fungerande skrivare. I följande avsnitt (avsnitt 8) beskrivs proceduren för att göra skrivaren klar för 3D-utskrift.
8. Förberedelse för 3D-utskrift
- Ladda en 2 ml spruta med önskat material, såsom viskös grädde, choklad eller pluronic(figur 11A).
- För att placera sprutan i extruderinghuvudet börjar du med att sprutan sätts in i kolvlåset 1 (3DP 11, figur 11B). Sätt sedan sprutan i värmejackan samtidigt som du försiktigt vrider de gängade skruvarna(bild 11C).
- Valfritt: om sängen inte har planats, är det nödvändigt att jämna ut den. Flytta utskriftshuvudet vänster och höger sedan upp och ner, och kontrollera om avståndet mellan sängen och sprutmunstycket är konsekvent. Skjut ett papper mellan sprutan och sängen och känn friktionen (figur 11E), använd sedan M3 Allen-tangenten(figur 11D)för att justera sängnivån om det behövs.
- Valfritt: om det valda materialet behöver värmas upp, gör detta nu. Navigera till fliken Manuell kontroll i repetier och ställ in temperaturen på önskad nivå.
Bild 11: 3D-utskrift beredning. (A)En 2 ml spruta laddad med (från vänster till höger) viskös kräm (150 ml, Nivea handkräm), choklad (Cadbury, vanlig mjölk) och pluronisk F-127 (Sigma Aldrich). (B)Kolven sätts in i kolvlåset 1 (3DP 11). (C)Visas är en spruta som sätts in i värmejackan, medan de gängade skruvarna fastnar på mässingsmuttrarna. (D)Visas är en Allen-nyckel som är på väg att sättas in i den stödbara M3-hexskruven, vilket gör att nivån kan justeras. (E)Ett visitkort gled sedan under sprutan för att kontrollera avståndet mellan sängen och sprutan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Utförandet av ADDME under 3D-utskrift utvärderades med hjälp av en visköskräm (150 ml, Nivea handkräm), choklad (Cadbury, vanlig mjölk) och pluronisk F-127 (Sigma Aldrich). Den viskös grädde och choklad användes som den är, och pluronic upplöstes i en 20% wt lösning med ultrapuret vatten och lagras kyld vid 5 ° C tills behövs14,15.
Linjetestning innebar utskrift av en glödtråd fram och tillbaka på byggplattan i ett grundläggande mönster för att utvärdera enskilda glödtrådsegenskaper som tjocklek eller konsekvens. Linjetester gjordes med en serie rörelsekommandon som kallas gcode enligt ekvation 1 nedan. Mängden material som ska extrudering kan hittas med equation 2. De utskriftsparametrar som används finns i tabell 1och resultaten visas i figur 12A,B,C.
Ekvation 1: Representativ linje av kod för att styra 3D-skrivarrörelser, där: G01 talar om för skrivaren att utföra ett linjärt drag mellan den aktuella positionen och den position som anges av X, Y och Z mm; E är mängden material som ska pressas (mm) under detta linjära drag; och F är hastigheten (mm/min).
Ekvation 2: Extrudering, där: E är gkodvärdet som talar om för extrudersteppermotorn hur långt ner för att trycka sprutan; och D är avståndet som utskriftshuvudet rör sig under raden av gcode.
För att skapa komplexa 3D-objekt kan vi inte manuellt mata in varje kodrad, vilket gjordes för linjetestning. Om du vill skapa komplexa 3D-objekt måste det objekt som ska skrivas ut matas in i en vanlig tessellationsspråk (.stl) fil till repetier och "skivas" i 3D-utskrivbar gkod. Det är viktigt att glödtrådsdiametern i utsnittskonfigurationshanteraren är inställd på storleken på den inre fatdiametern och munstycket är inställt på storleken på sprutans innerdiameter. Den fullständiga listan över utskriftsparametrar visas i tabell 1och resultaten visas i figur 12D, E,F.
| Parametrar | Linjetestning | 3D-objekt | ||||
| Viskös Grädde | Choklad | Biobläck | Viskös Grädde | Choklad | Biobläck | |
| Spruta innerdiameter (mm) | 0.33 | 0.84 | 0.33 | 0.33 | 0.84 | 0.33 |
| Tunnans innerdiameter (mm) | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 | 9.35 |
| Temperatur (°C) | Rum Temp | 53 | Rum Temp | Rum Temp | 53 | Rum Temp |
| Hastighet (mm/min) | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
| Extrudering (skalare) | 100% | 200% | 150% | 100% | 200% | 150% |
| Spruta till plattavstånd (mm) | ~0,3 | ~ 1 | ~0,5 | ~0,3 | ~ 1 | ~0,5 |
Tabell 1: Utskriftsparametrar som används under alla tester.
Bild 12: ADDME 3D-utskriftsresultat. (A) Linjetestning med visköskräm. (B)Linjetestning med choklad. (C)Linjetestning med pluronisk F-127. (D)Specialtillverkade objekt 3D-tryckt med visköskräm. (E)Specialtillverkade objekt 3D-tryckt med choklad. (F)Specialtillverkade objekt 3D-tryckt med pluroniskt F-127. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
För att bestämma addme-skrivarens dimensionsnoggrannhet i riktningarna X, Y och Z vid utskrift av ett halvfast material, trycktes en 1 cm x 1 cm kub, 3D-skannade och dimensionellt jämfört med de ursprungliga kuben CAD-data. En visköskräm användes för att skriva ut en 1 cm x 1 cm x 1 cm kub med en munstyckesdiameter på 0,33 mm (Birmingham Gauge needle 23), lagerhöjd på 0,33 mm och fyllpå1 på 15 %. Denna kub skannades sedan med hjälp av en metrologi betygsatt 3D scanner (Artec Spider) kan en noggrannhet upp till 0,05 mm. De resulterande data jämfördes med Cloud Compare (Open Source Project), 3D-punktsmolnredigering och bearbetningsprogram.
Bild 13: 3D-skanningjämförelse. (A)Den 1 cm x 1 cm x 1 cm kub som görs till en CAD-modell. (B)3D-skanningen av den tryckta kuben (indrägd). (C)Den ursprungliga modellen och 3D-skanningen jämfördes sedan med hjälp av molnjämförelse. Ett histogram av avstånd från noder i 3D-modellen och skannad kub presenteras. C2M-avstånden representerar de fysiska skillnaderna mellan punkterna i båda modellerna. Båda modellerna ligger inom en tolerans på -0,15 mm och +0,15 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det här protokollet innehåller detaljerade instruktioner för att konstruera en lågkostnadssmältningsbaserad 3D-skrivare. Konstruktion av 3D-skrivaren kan delas upp i underavsnitt inklusive ram, y-axel/säng, x-axel, extruder, elektronik och programvara. Dessa underavsnitt presenteras med detaljerade diagram, ritningar, filer och reservdelslistor. Det totala priset för en ADDME 3D-skrivare kommer till $ 343 AUD ($ 245 USD per 2019-01-17), vilket gör detta till den billigaste, reservoarbaserade smälta extrudering 3D-skrivare för närvarande känd. Det syftade till att göra denna enhet enkel att tillverka med hjälp av laser-cut, 3D-tryckta och off-the-shelf komponenter. Enhetens funktion har visats genom linjetestning och 3D-utskrift av organiskt formade objekt. ADDME:s tillämplighet på olika tillämpningar som biomedicinska och livsmedelsindustrin har visats med hjälp av viskösgrädde, choklad och pluronisk F-127 (som modell för biobläck).
3D-utskriftsdelar för användning vid byggandet av ADDME kan vara komplicerade på grund av svårigheter som uppstår till följd av skillnader i kvalitet mellan varje 3D-tryckt objekt. Skevning, krympning eller expansion av 3D-utskriftsdelar är kända för att påverkas av tryckparametrar och miljöfaktorer. Användningen av polylactic acid (PLA) bör avsevärt minska fel som uppstår vid krympning, expansion eller skevhet; miljöfaktorer som fukt kan dock fortfarande orsaka problem. För att minimera eventuella problem bör det säkerställas att 1) utskriftsparametrarna matchar de som anges på https://www.thingiverse.com/Addme/designs, 2) PLA-glödtråden är ny (påverkas inte av fukt), och 3) finns det inget luftflöde över 3D-skrivaren (ökat luftflöde kan orsaka skevhet). Alla 3D-tryckta delar som används vid konstruktion av ADDME har utformats speciellt för att vara lättatt skriva ut och kräver inte ytterligare stödmaterial för överhängande geometri.
Dessutom ingår två metoder för att värma sprutan som håller tryckmaterialet. Det första alternativet är en bearbetad värmejacka med en värmepatron, och det andra är en silikonvärmematta. Den bearbetade värmejackan ger jämn uppvärmning till hela sprutan och rekommenderas att vara tillverkad av aluminium för hög värmeledningsförmåga. Det kan vara svårt för individer utan ordentlig expertis eller tillgång till anläggningar för att skaffa en värmejacka. I detta fall kan en silikonvärmare lindas runt sprutan för att ge tillräckligt med värme till materialet. I båda fallen är värmekomponenten ansluten till samma stift på elektronikkortet och styrs på samma sätt.
Den högsta temperatur som kan appliceras på sprutan begränsas av sprutan och 3D-tryckta material som omger sprutan. Om en generisk PLA används, är den maximala temperaturen som kan appliceras på sprutan ~60 °C. Men specialitet hög temperatur PLA kan användas för att uppnå en maximal temperatur på ~ 110 °C. Sprutan i sig är tillverkad av en polypropylen (PP) fat och hög densitet polyeten (HDPE) kolv. Sprutan som anges i detta protokoll anger inte någon maximal driftstemperatur, men den är säker upp till cirka 110 °C på grund av jackmaterialen. Det bör noteras att sprutor som inte anges i materialförteckningen kan tillverkas av material med en lägre smältpunkt.
Resultaten i figur 12 visar hur det här 3D-utskriftssystemet fungerar genom linjetestning och objektutskrift. Vid linjetestning används olika tryckparametrar med visköskräm, choklad och pluronisk F-127 (tabell 1) för att uppnå olika resultat. Den lilla munstyckesstorleken som används med handkräm(figur 12A)resulterar i en tunnare linje, medan den nedre sprutan till plattans avstånd resulterar i skarpare hörn. För choklad var det svårt att få ett konsekvent flöde av choklad(figur 12B), även med flödet inställd på 200%. I figur 12D,E,F, är det tydligt att choklad och pluroniska F-127 visar sämre form-behålla egenskaper än viskös grädde som höjden på konen minskas. Var och en av de tryckparametrar som anges i tabell 1 har en betydande inverkan på den slutliga geometrin hos den producerade glödtråden, inklusive sprutadiameter, sprut-till-plåtsavstånd, temperatur, hastighet och extrudering.
3D-molnjämförelsen av CAD-modellen och 3D-skannade 1 cm x 1 cm kub i figur 13 visar att ADDME-skrivaren kan skriva ut med en tolerans mellan -0,15 mm och +0,15 mm. Det finns en större varians i det positiva avsnittet jämfört med de negativa avstånden. Detta tenderar att inträffa vid basskikten i de 3D-tryckta delarna, där lagren är programmerade att skriva ut tjockare; som sådan uppstår överextruding, och nålspetsen drar ytterligare tryckmaterial över delen, enligt figur 13B. Ytterligare geometrisk noggrannhet kan uppnås genom finare justering av skrivarparametrar såsom initial lagerhöjd och hastighet, extruderingflöde och se till att byggplattan är jämn. Dessa resultat visar att ADDME-skrivaren kan uppnå en nivå av utskriftsnoggrannhet som krävs för utskrift av halvfasta material som visköskräm, choklad eller pluronisk F-127.
Den framgångsrika designen och konstruktionen av ADDME 3D-skrivaren har verifierats genom trycklinjer och föremål tillverkade av olika material och utskriftsparametrar. Det framgår att det finns en tillämpning av denna skrivare inom biofabricering och livsmedelsindustrin. ADDME-skrivaren har förbättrats på tidigare generationer av ingångsnivå, reservoarbaserade, smälta extruderingskrivare genom att minska kostnaderna, minimera antalet komponenter och använda de senaste elektroniska komponenter och programvarukomponenter/metoder. Projektets typ med öppen källkod visar att andra användare i framtiden kan göra ändringar eller ändringar för specifika program.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Denna forskning fick inga särskilda bidrag från finansieringsorgan inom den offentliga, kommersiella eller ideella sektorn. Särskilt tack till Florian Schmittner, Sandro Gorka, Gurinder Singh, Vincent Tran och Dominik Vu för deras bidrag på en tidigare prototyp av designen.
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 |
References
- 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).
- Gilchrist, A. Introducing Industry 4.0. Industry 4.0. , 195-215 (2016).
- 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).
- Wong, K., Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 10, (2012).
- 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).
- 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).
- Stansbury, J. W., Idacavage, M. J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Dental Materials. 32 (1), 54-64 (2016).
- 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).
- 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).
- Malone, E., Lipson, H. Fab@Home: the personal desktop fabricator kit Article information. Rapid Prototyping Journal. 13 (4), 245-255 (2007).
- Vilbrandt, T., Malone, E., Lipson, H., Pasko, A. Universal Desktop Fabrication. Heterogeneous Objects Modelling and Applications. , 259-284 (2008).
- Jones, R., et al. RepRap-the replicating rapid prototyper. Robotica. 29, 177-191 (2011).
- Lanaro, M., et al. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering. , (2017).
- Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Advanced Materials. 23 (24), H178-H183 (2011).
- 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).
