设计开源、低成本生物墨水和食品熔炼挤出3D打印机

摘要

这项工作的目的是设计和建造一种基于储层的熔融挤出三维打印机，该打印机由开源和低成本组件制成，用于生物医学和食品印刷行业。

摘要

三维 （3D） 打印是一种日益流行的制造技术，它允许制造高度复杂的物体，无需重新加工成本。这种日益普及的部分原因在于进入壁垒的下降，如系统设置成本和操作简便性。以下协议介绍了用于制造定制零件和组件的增材制造熔体挤出 （ADDME） 3D 打印机的设计和构造。ADDME 采用 3D 打印、激光切割和在线采购组件的组合进行设计。该协议被安排成易于遵循的部分，在框架、y 轴和床、x 轴、挤出、电子和软件的标题下包含详细的图表和部件列表。ADDME 的性能通过挤出测试和使用粘性奶油、巧克力和 Pluronic F-127（生物油墨模型）的复杂物体的 3D 打印来评估。结果表明，ADDME是一个能够制造材料的平台，用于各种行业的结构。详细图表和视频内容的组合便于对复杂物体进行 3D 打印的个人访问低成本、易于操作的设备。

引言

增材制造是一种强大的制造技术，有可能为工业景观^1、2提供显著价值。增材制造极具吸引力的特点，不涉及刀具成本、高定制水平、复杂的几何形状以及降低进入成本的障碍。任何改装成本都不允许快速制造原型，这是试图缩短"上市时间"时可取的，这是发达国家试图保持对低工资竞争对手竞争力的关键目标^。高度的可定制性允许使用复杂的几何形状制造各种各样的产品。当这些因素与设置、材料和操作员专业化的低成本相结合时，增材制造技术具有明显的价值³。

增材制造，也称为3D打印，涉及在计算机数控（CNC）系统中逐层制造物体^3。与传统的 CNC 工艺（如铣削）不同，3D 打印系统逐层将材料添加到所需的结构中， 从纸张或材料块中去除材料。

3D打印可以通过一系列方法，包括激光，闪光，挤出，或喷射技术^4。采用的特定技术决定了原材料的形式（即粉末或熔体），以及加工所需的电融和热特性^。基于挤出的 3D 打印市场以长丝系统为主，这是因为长丝易于处理、加工，并不断向挤出头提供大量材料。然而，这一过程受到能够形成长丝（主要是热塑性塑料）的材料类型的限制。大多数材料并不以长丝形式存在，市场上缺乏现代低成本平台，这是一个明显的差距。

该协议显示了基于储层的挤出系统的构建，允许将材料储存在注射器中并通过针头挤出。该系统非常适合制造各种材料，包括食品^6、聚合物⁷和生物材料^8、9。此外，与其他 3D 打印方法相比，基于储层的挤出技术通常危害性小、成本更低且更易于操作。

越来越多的大学领导的团队设计和向公众发布开源 3D 打印系统。从^{2007年10月11}日Fab@Home挤出式打印机^{开始，研究人员}的目标是创建一个简单而廉价的平台，以推动3D打印技术和应用的快速扩展。2011 年晚些时候，RepRap 项目旨在创建一个基于长丝的 3D 打印平台，该平台由 3D 打印部件设计，目标是创建一个自我复制机器¹²。多年来，3D打印机的成本一直在下降，从2300美元Fab@Home（2006年），573美元对RepRap v1（2005年），和400美元v2（2011年）。

在之前的工作中，我们演示了如何将自体 3D 打印系统与基于储层的自定义挤出系统相结合，以从巧克力¹³创建复杂的 3D 对象。进一步的设计研究表明，与这种原型设计相比，可以节省大量成本。

该协议的目的是为建造低成本的储层型熔融挤出3D打印机提供说明。此处提供了详细的图表、图纸、文件和组件列表，以便成功构建和操作 3D 打印机。所有组件都托管在开源（创意共享非商业）平台上https://www.thingiverse.com/Addme/collections，允许用户根据需要更改或添加其他功能。粘性奶油、巧克力和普鲁尼克 F-127（生物油墨模型）用于评估 ADDME 的性能，并演示 ADDME 3D 打印机在生物医学和食品印刷行业的应用。

该协议需要能够切割丙烯酸的激光切割机和能够打印 PLA 或 ABS 灯丝的桌面 3D 打印机。机器加热护套和加热器盒或硅胶加热器可用于加热材料，具体取决于操作员可以使用的设备。所有CAD文件都可以在https://www.thingiverse.com/Addme/designs找到。对于控制 3D 打印机的固件和软件，分别提供了http://marlinfw.org/meta/download/和https://www.repetier.com/资源。有关控制板的详细说明，请参阅https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4。

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研究方案

注意:热焊接熨斗和加热盒有灼伤的风险。加热盒在加热护套内未固定时，切勿通电。移动的 3D 打印机轴也存在挤压或撕裂的风险。

1. 概述和准备

注:图 1A显示了计算机生成的打印机渲染，图 1B是成品打印机的照片。

1. 从材料表采购所有零件。
2. 有关激光切割的所有丙烯酸部件，请参阅https://www.thingiverse.com/Addme/designs。确保使用 6 mm 丙烯酸或框架不合在一起。激光切割机使用高能激光切割材料;这里最好有专业商店。
3. 有关所有 3D 打印零件，请参阅https://www.thingiverse.com/Addme/designs。使用每个零件指定的打印参数非常重要。请注意，3D 打印机具有热表面和移动部件，因此请使用专业人员的帮助。
4. 制造加热护套部件，https://www.thingiverse.com/Addme/designs。 如果没有可用的制造能力，可以使用https://www.thingiverse.com/Addme/designs找到的关联 3D 打印支架购买硅胶加热器（材料表）。

图1:增材制造熔体挤出（ADDME）3D打印机。（A） 计算机生成的打印机渲染.（B） 成品打印机的照片。请点击此处查看此图的较大版本。

2. 框架组件

注: 完成框架组件需要图 2所示的零件。熔体挤出 3D 打印机的框架由 6 mm 激光切割丙烯酸和 M3 螺栓和螺母组合在一起（图 3）。使用 M10 螺纹杆和螺母组合进一步加固打印机底部。

1. 收集丙烯酸部件1-9，并将其放在一起，如图3A所示的配置中。检查图形标签以确保每块都正确定位。使用 M3 Allen 键在图 3 C所示的配置中使用 M3 螺钉和螺母进行固定。
2. 将 M10 螺纹杆穿过丙烯酸个成员 6、8 和 10 上的用途孔。用 M10 洗紧器和螺母固定它们，如图3B，D所示。用可变扳手拧紧。

图 2:装配框架所需的组件。请点击此处查看此图的较大版本。

图 3:框架组件。（A） 装配框架.（B） 带有标记丙烯酸零件和支撑 M10 螺纹棒的爆炸视图。（C） 显示每个丙烯酸部件如何相互连接的爆炸视图，使用 M3 螺钉和螺母将框架固定在一起。（D） 显示螺纹杆如何将丙烯酸部件 6、8 和 9 与 M10 螺母和焊器结合的爆炸视图。请点击此处查看此图的较大版本。

3. Y轴和印刷床子组件

注:图 4中概述的零件需要完成 y 轴和打印床子组件。所有螺钉都参见图4，工具列在"材料表"中。

1. 使用图4中的零件，根据图5C组装打印床子装配头。
   1. 根据图5C，将两个枕块（19）滑到每个8毫米轴（21）上。根据图 5E，使用 M2 螺钉和 Allen 键将端挡 （3DP 4） 滑到 8 mm 轴 （21） 的其中一个上，并使用 M2 螺钉和 Allen 键固定机械端挡 （14）。
   2. 使用 M4 螺钉和 Allen 键（图 5C） 将所有四个枕块 （19） 固定到安装床（丙烯酸部分 12）。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 5C） 将皮带夹 （3DP 3） 固定到安装床（丙烯酸部分 12） 上。根据图 5F，使用 M3 螺钉、螺母和弹簧布置将打印床（丙烯酸部分 11）固定到安装床 （12） （图5C）上。
2. 根据图 5D，G将剩余部件从图 4固定到框架。
   1. 根据图 5D，G，分别使用 M2 螺钉和 Allen 键将两个轴支架 （3DP 2） 固定到后面板（丙烯酸部分 6）和前面板（丙烯酸部分 10）。
   2. 使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 5D） 将步进电机支架 （12） 固定到后面板（丙烯酸部件 6）。使用 M3 螺钉和 Allen 键将步进电机 （11） 固定到步进电机支架 （12） 上（图 5D）。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 5G） 将皮带怠速器 （3DP 1） 固定到前面板（丙烯酸部件 10）。
3. 根据图 5A、D、G，将 8 mm 轴 （21） 的两端与轴支架 （3DP 2） 匹配，将打印床子组件放入框架中。
   注: 可能需要松开前面板上的 M12 垫片（丙烯酸部件 10），以创建空间将打印床子组件放入框架中。
4. 最后，要完成 y 轴和打印床子组件，使用 M3 螺钉将怠速器拧到皮带怠速器 （3DP 1） 上，然后通过用 M2 Allen 键拧紧怠速器齿上的 M2 磨砂螺钉，将怠速器齿固定在步进电机上。将皮带 （17） 滑绕怠速器 （17） 和怠速器齿形 （17），并滑入皮带夹 （3DP 3），在皮带中产生张力。使用 M3 Allen 键拧紧皮带夹 （3DP 3）完成该部分。

图4:组件需要把y轴和打印床子组件放在一起。请点击此处查看此图的较大版本。

图5:增材制造熔体挤出（ADDME）3D打印机。（A） 框架、y 轴和床的图形渲染.（B） y 轴和床的图形渲染.（C） 床子组件的爆炸视图。（D） 显示 y 轴如何连接到后面板的标记视图。（E） 放大缩小字体功能 放大缩小字体功能（F） 印版弹簧水平系统的爆炸视图。（G） 显示 y 轴如何连接到前面板的标记视图。（H） y 轴和床的侧视图图形渲染。请点击此处查看此图的较大版本。

4. X 轴子装配体

注:完成 x 轴子装配体需要图 6中概述的零件。所有螺钉都参见图6，工具列在"材料表"中。

1. 使用图 6中的零件，根据图 7C装配 x 轴子组件的左侧。
   1. 将黄铜螺母 （18） 放在螺母支架 （3DP 5） 内，并使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 7C） 固定到左侧的 x 轴枕头 （3DP 8）。
   2. 使用 M4 螺钉和 Allen 键（图 7C） 将枕头块 （19） 固定到左侧 x 轴枕头 （3DP 8） 上。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 7C） 将 x 轴怠速器 1 （3DP 9） 固定到左侧 x 轴枕头 （3DP 8）。
   3. 对齐怠速器 （17）、x 轴怠速器 1 （3DP 9） 和 x 轴怠速器 2 （3DP 10） 的中心孔。使用 M3 螺钉和 Allen 键固定（图 7C）。使用图 6所示的零件，根据图 7D装配 x 轴子组件的右侧。
   4. 将黄铜螺母 （18） 放在螺母支架 （3DP 5） 内，并使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 7D） 固定到 X 轴枕头（3DP 6）。
   5. 使用 M4 螺钉和 Allen 键（图 7D） 将枕头块 （19） 固定到右侧 x 轴枕头 （3DP 6） 上。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 7D） 将 x 轴右侧 （3DP 7） 固定到 x 轴枕头 （3DP 6）。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 7D） 将步进电机 （11） 固定到右侧 x 轴 （3DP 7）。
2. 根据图7B，将每个螺纹棒（18）螺纹入每个黄铜螺母（18）。根据图 7B、C、D，将两个 8 mm 轴（20）垂直滑入每个枕头块 （19），将两个 8 mm 轴 （20） 水平滑动到每个枕头块中。
3. 根据图 7E，F将剩余部件从图 6固定到框架。
   1. 使用 M2 螺钉和 Allen 键（图 7E，F） 将两个轴支架 （3DP 2） 固定到顶部面板（丙烯酸部分 2）和电子外壳顶部（丙烯酸部件 5）。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 7E） 将枕头块轴承 （15） 固定到顶部面板上（丙烯酸部分 2）。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 7F） 将步进电机 （11） 固定到电子外壳顶部（丙烯酸部件 5）。
      注: 耦合器 （16） 是设计用于连接两种不同轴尺寸的部件。
   2. 使用 M2 Allen 键拧紧下部磨砂螺钉（图 7F），将耦合器 （16） 固定在步进电机 （11） 的轴上。
4. 将垂直 8 mm 轴与轴支架 （3DP 2） 对齐，并使用 M2 螺钉和 Allen 键拧紧（图 7E，F），将 x 轴子组件放入机架中。使用 M2 Allen 键拧紧上部磨砂螺钉（图 7E，F），将螺纹杆 （18） 固定到耦合器 （16） 的另一端。
   注: 顶部面板（丙烯酸部件 2）可能需要暂时拆下，以便 x 轴子组件可以安装到框架中。

图 6:将 x 轴子组件组合在一起的零部件。请点击此处查看此图的较大版本。

图7:X轴子组件。（a） 框架和 x 轴的图形渲染.（b） x 轴的图形渲染。（c） 子组件左侧的分解视图。（d） 子组件右侧的分解视图。（e） 显示 x 轴如何连接到顶部面板的标记视图。（f） 显示 x 轴如何连接到电子外壳的标记视图。请点击此处查看此图的较大版本。

5. 挤出子组件

注:挤出子组件采用双步进电机设计，确保通过平衡柱塞两侧的力来实现高精度。图 8中概述的零件是完成挤出子装配体所必需的。

1. 收集图 8所示的所有零件，并根据图 9组装挤出头。
   注:图 9B是拉伸子组件的分解视图，显示每个组件如何组合在一起。以下步骤说明了如何完成此操作。所有螺钉都参见图8，工具列在"材料表"中。
   1. 使用 M4 螺钉和 Allen 键（图 9B） 将两个枕头块 （19） 固定到挤出板背板 （3DP 14） 上。使用 M3 螺钉和 Allen 键（图 9B） 将挤出机皮带夹 （3DP 13） 固定在枕头块 （19） 之间的挤出机背板 （3DP 14） 上。
   2. 使用 M3 六角螺钉和 Allen 键将挤出机背板 （3DP 14） 固定到挤出机电机支架 （3DP 15） 上（图 9B）。使用 M3 六角螺钉和 Allen 键将两个步进电机 （11） 固定到挤出机电机支架 （3DP 15） 上（图 9B）。
      注: 耦合器 （16） 是设计用于连接两种不同轴尺寸的部件。
   3. 用 M2 Allen 键拧紧下部磨砂螺钉（图 9B），将耦合器 （16） 固定在步进电机 （11） 的轴上。通过拧紧上磨钉（图 9B） 将螺纹螺钉 （18） 固定在耦合器 （16） 内。
   4. 根据图 9B将加热护套或硅胶加热器滑入挤出机电机支架 （3DP 15）。使用 M3 螺钉和 Allen 钥匙将黄铜螺母 （18） 固定在柱塞锁 1 （3DP 11） 内。
2. 根据图 9A将挤压头安装到 x 轴上。
   1. 根据图 9A将 x 轴上的 8 mm 轴滑入挤出机头上的枕头块 （19）。
   2. 将传动带 （17） 包裹在位于左侧和右侧 x 轴总成的怠速器 （17） 上，并使用 M3 六角螺钉和 Allen 键（图 9C） 将传动带 （17） 固定在挤出皮带夹 （3DP 13） 中。

图8:装配挤出机所需的部件。请点击此处查看此图的较大版本。

图9:挤出机子装配体。（A） 挤出机子组件的图形渲染.（B） 显示挤出机零部件的分解视图。请点击此处查看此图的较大版本。

6. 电子和布线

1. 使用 M3 Allen 键将 Arduino 安装到丙烯酸部件 7（电子护罩，如图 10A所示）。在面向 Arduino 板的斜坡板上插入一个斜坡板，如图10A，B所示，带 USB 插头的丙烯酸部件 6（后面板）。
2. 将直流电源插孔安装在丙烯酸部件 6（后面板，如图10A所示）中，并将连接器安装到图 10B中的电源上。将电机控制器、步进电机、端挡、加热器和热电偶连接到相应的引脚（图10B）。

图10:电子。（A） 电子控制板安装位置的图形渲染.（B） 电气部件和电机与 3D 打印板的连接图 [Jos Hummelink （grabcab.com） 提供了 Arduino 和 Ramps CAD 文件]。（c） 已完成布线的图像。可以看到导线从斜坡板通向挤出头和 x/y 轴电机。请点击此处查看此图的较大版本。

7. 软件、控制和校准

注:有关更详细的说明和故障排除信息，请参阅https://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4。

1. 从http://marlinfw.org/meta/download/下载固件。
2. 安装https://www.repetier.com/。
3. 替换https://www.thingiverse.com/Addme/designs中的固件中的文件 .配置。
4. 通过将"回复"设置为"配置"（以重现率）将 buad 速率设置为 112500 打印机设置 |连接 |波特率: 115200.
5. 单击"连接"图标。
6. 连接后，可以完全控制打印机。导航到手动控制以移动打印床并尝试设置温度。
   注意:确保不超过注射器或外壳部件的最高温度（有关详细信息，请参阅讨论）。虽然步进电机的功率有限，但轴的运动会带来机械危险。
   注: 在此阶段，有一台完全运行的打印机。在以下部分（第 8 节）中，介绍了使打印机准备好进行 3D 打印的过程。

8. 3D打印的准备

1. 用所需的材料（如粘性奶油、巧克力或乳胶）装载 2 mL 注射器（图 11A）。
2. 要将注射器放入挤出头，请首先将注射器插入柱塞锁 1 （3DP 11，图 11B）。接下来，将注射器插入加热护套，同时小心转动螺纹螺钉（图 11C）。
3. 可选:如果床尚未平平，则需要将其平平。左右移动打印头，然后上下移动，并检查床和注射器喷嘴之间的距离是否一致。在注射器和床之间滑动一张纸，感受摩擦力（图11E），然后使用M3 Allen键（图11D）根据需要调整床的水平。
4. 可选:如果所选材料需要加热，现在就执行。导航到"手动控制"选项卡，并将温度设置为所需的水平。

图11:3D打印准备。（A） 装有（从左至右）粘性奶油（150 mL，尼维娅手霜）、巧克力（卡百利、普通牛奶）和普鲁罗尼克 F-127（西格玛·奥尔德里希）的 2 mL 注射器。（B） 柱塞插入柱塞锁 1 （3DP 11）。（C） 所示是将注射器插入加热护套，而螺纹螺钉则卡在黄铜螺母上。（D） 所示是即将插入固定 M3 六角螺钉的 Allen 键，允许调整液位。（E） 名片然后滑到注射器下面，以检查床和注射器之间的距离。请点击此处查看此图的较大版本。

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结果

ADDME在3D打印过程中的性能使用粘性奶油（150 mL，尼维娅手霜）、巧克力（吉百利、普通牛奶）和普鲁罗尼克F-127（西格玛·奥尔德里希）进行评估。粘性奶油和巧克力被使用为现在，和Pluronic溶解成20%wt溶液与超纯水，并储存在5°C，直到需要^14，15。

线测试涉及以基本模式在构建板上?...

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讨论

该协议提供了构建低成本的基于熔融挤出的 3D 打印机的详细说明。3D 打印机的构造可以细分为多个部分，包括框架、y 轴/床、x 轴、挤出机、电子和软件。这些小节提供了详细的图表、图纸、文件和零件列表。ADDME 3D 打印机的总价为 343 澳元（截至 2019 年 17 月 17 日的 245 美元），是目前已知的最便宜的基于储层的熔融挤出 3D 打印机。它旨在通过使用激光切割、3D 打印和现成的组件，使该设备易于...

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材料

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