柔らかい素材のための、ハッキング可能で多用途なモジュール式押し出し3Dプリンター

柔らかい素材のための、ハッキング可能で多用途なモジュール式押し出し3Dプリンター
この投稿はCoco Bearによって2022-8-7 22:49に最後に編集されました。

はじめに: 3D プリントの登場により、製造の自由度が高まり、さまざまな柔らかい素材と機能性素材の組み合わせから任意の構造のオブジェクトを迅速に作成できるようになり、食品、組織工学、ソフトエレクトロニクス、ロボット工学など、さまざまな研究分野に革命をもたらしました。さまざまなソフトマテリアル 3D 印刷モードの中で、押し出しベースの印刷は、幅広い材料互換性、材料使用量の少なさ、廃棄物の少なさ、空間的に制御された構造のため、おそらく最も広く使用されています。しかし、押し出し 3D プリンティングにおける継続的な革新には、コストの障壁と既存の商用システムの適応性の限界を克服する必要があります。オープンソースおよびカスタム押し出しプリンターはいくつか報告されていますが、印刷可能な材料と構造はまだ限られています。



2022年7月、ケンブリッジ大学の研究者らは「柔らかい材料のためのハッキング可能な多機能モジュール式押し出し3Dプリンター」と題する研究をScientific Reportsに発表しました。

研究紹介<br /> 多用途の押し出し印刷技術を普及させるために、研究者は、柔らかい材料向けにマルチプリントヘッドと高度にカスタマイズ可能な押し出しベースの 3D プリンターを開発しました。そして、それを「Printer.HM」と名付けました。HM は Hackable と Multi-function の略です。従来のコンピュータ支援設計 (CAD)-G コード入力に加えて、Printer.HM は、座標、方程式、画像などのさまざまな幾何学的入力を簡単に受け入れることができます。

Printer.HM のセットアップにかかる総費用は、インストールされるプログラムの数に応じて、900 ～ 1,900 ポンド (インストール時間は 2 ～ 4 時間、部品の印刷時間は除く) となります。 ● Printer.HM は、さまざまな液体や柔らかい素材に使用でき、幅広い印刷互換性を備えています。
●液体ディスペンシング、マルチマテリアル印刷、可変速度印刷、非平面印刷など、さまざまな操作を実行できます。
● 「Printer.HM」のモジュール設計とロボットアームをモーションコントロールとして使用することで、ユーザーは個々の実験ニーズに応じてセットアップを簡単に組み立て、再構成し、機能を拡張できます。

全体的に、Printer.HM のハッキング可能、スケーラブル、手頃な価格という性質により、押し出し 3D 印刷技術の広範な開発が促進され、柔らかく、生物学的で、持続可能な材料を活用した研究と革新が促進される可能性があります。

結果と考察

ロボットアームベースのモジュラー押し出しプリンター「Printer.HM」は、押し出しベースの 3D プリンターであり、市販のバイオプリンターに代わる手頃な価格でハッキング可能な代替品として機能します。プリンターの中核は、4 つのカスタム ピストン駆動プリント ヘッドであるディスペンシング モジュールと、ロボット アームによって動作制御されるプラットフォームで構成されています。ここでは、3 軸ガントリーリニアステージセットの代わりに、ロボットアームによって制御される可動内蔵プレートが使用されており、コンパクトで組み立てが簡単という利点があります。 Printer.HM の推定造形容積は約 490 立方センチメートルで、ロボット アームの最大積載量によって制限されます。


△Printer.HMの特徴：1つのプラットフォームで多機能。

柔らかい材料の印刷性はインクのレオロジーと架橋特性に大きく依存するため、「Printer.HM」には、シリンジヒーター、ステージヒーター、ハイドロゲルの印刷を支援する UV モジュールなどの追加の補助ツールが装備されています。ヒーターはステージとシリンジの温度を室温から 60°C まで制御できます。さまざまなプラットフォームは、標準のガラススライド、ペトリ皿 (90、55、および 35 mm)、長方形の容器 (40 および 30 mm) など、さまざまなサイズの受容基質または容器に対応するようにカスタム設計されています。 「Printer.HM」のプリントヘッドは、リードスクリュー、ステップあたり0.8μmのディスペンシング解像度を備えたマイクロステッピングモーター、安定性とコンパクト性を高めるリニアガイドなどのシンプルな機械部品で構成されています。プリントヘッドのシリンジホルダーは 3D プリントされており、ユーザーの実験に応じてさまざまなサイズのディスペンシングツールをカスタマイズできます。研究者らは概念実証として、ほとんどの実験室アプリケーションに適合する 3 mL または 1 mL の注射器に収まるようにプリントヘッドをカスタマイズしました。

印刷パスを自由にカスタマイズできることは、印刷された構造の特性を直接制御するため重要です。市販の既存の押し出しベースのカスタム プリンターでは、通常、印刷デザインの説明として CAD モデル/G コードが使用されます。これらのシステムにはジオメトリ入力オプションがないため、特にアクチュエータ構造の場合、印刷パスの設計の自由度とカスタマイズ性が制限される可能性があります。したがって、printer.HM は、4 つの異なる幾何学的入力を受け入れて、異なる特性を持つ印刷物を作成するように設計されています。それらは、座標、方程式、G コード、および画像です。

全体として、 「Printer.HM」のモジュール設計により、ユーザーは実験要件とリソースの制約に応じてセットアップを再構成することができ、研究コミュニティは新しいモジュールを設計してシステムの機能を拡張することができます。概念実証として、4 つのプリントヘッドが構築されました。この完全装備の 4 つのプリントヘッド システムの総コストは約 1,900 ポンドですが、1 つのプリントヘッド システムのコストは約 900 ポンドです。市販のバイオプリンターに比べて大幅なコスト削減。

印刷機能<br /> 「Printer.HM」に関連付けられた補助ツールのセットにより、既存のオープンソース プリンターと比較して、さまざまな材料と形状の組み合わせを構築する機能が大幅に強化されます。研究者らはさらに、Pluronic F127 を使用して線パターンを印刷することで、「Printer.HM」の印刷解像度を実証しました。このテストは、文献で一般的に使用されている Pluronic F127 を使用して実行されました。最適化されていない動作パラメータ設定を使用した場合、「Printer.HM」を使用して達成された Pluronic F127 機能の中央値は約 150 μm であり、これは押し出しベースのバイオプリンティングで通常達成される解像度に匹敵します7。


△図2 印刷ライン実験

多目的ジオメトリ入力を使用した印刷<br /> 異なる幾何学的入力を使用して製造された各構成には、構造要件に応じて独自の利点があります。座標は、幾何学的入力の最も一般的な形式であり、1 次元チャネルなどの単純な線形または規則的なパターンを作成する場合に特に役立ちます。一方、数式入力ではシームレスな一筆書きの曲線パターンを作成できますが、数式で記述できない複雑なパターンには適していません。 CAD ファイルを準備する必要なく、円方程式からシンプルな管状構造を簡単に生成できます。一方、3D CAD モデルは、3D プリントで使用される標準のジオメトリ形式であり、3D の複雑なオブジェクトを適切に記述できます。最後に、画像入力を使用すると、手描きのパターンの写真や任意の描画ソフトウェアで作成された画像からカスタム パターンを作成できます。画像入力オプションを利用することで、回路や血管に似たユーザーデザインのパターンを簡単に作成できます。


△多彩なジオメトリ入力オプションにより、(a) 座標、(b) 方程式、(c) CAD モデル (G コードに変換されます)、(d) 画像ジオメトリなど、さまざまな機能を備えたプリントを作成できます。

特にソフトロボットアプリケーションにおける印刷パスのカスタマイズ性の利点をさらに示すために、研究者らは異方性印刷パスを利用して pH 応答性ハイドロゲルで作られた柔らかい形状変化システムの作成を実証しました。不均一な印刷パスを使用して作成された 2D 構造は、異方性の拡張応答を示し、花の形に変形しました。操作の柔軟性は、ここで紹介した 4 つのジオメトリ入力に限定されません。制御プログラムは完全にクラック可能であるため、ユーザーはプログラムを自由に変更して、これまでにないデザインを得ることができます。

1 つのプラットフォームに複数の機能を搭載<br /> カスタマイズ可能な制御プログラムのおかげで、「Printer.HM」の操作はユーザーが変更可能で多用途です。研究者らは、Printer.HM が自動ディスペンシング、可変速度印刷、非平面印刷などの操作に使用できることを実証しました。たとえば、液体の取り扱いは、生命科学の実験において常に重要な役割を果たしてきました。細胞懸濁液の液滴が培養皿に自動的に分配されます。液滴の吐出量は、押し出し流量と吐出時間によって制御できます。異なる吐出時間を設定するだけで、異なるサイズの液滴を得ることができます。この機能は、ハンギングドロップ法を自動化して細胞スフェロイドを生成し、印刷されたオブジェクトに有効成分を分散させるのに役立つ可能性があります。


△Printer.HMの多彩な機能

結論 押し出し 3D プリントは、軟組織構造や生体模倣ソフトアクチュエータを製造するための有望な方法です。しかし、市販のプリンターはコストが高く、広範囲のカスタマイズができず、比較的大量に稼働し、タンパク質ベースの材料など多くの生物学的材料と互換性がない場合があります。これらの制限は、特にリソースが限られたコミュニティにおいて、テクノロジーの継続的な革新とその広範な採用を著しく妨げます。これらの制限に対処するために、研究者らは、複数のプリントヘッド、ヒーター、および柔らかい材料で印刷するための UV モジュールを備えた、手頃な価格で高度にカスタマイズ可能なオープンソースの押し出し 3D プリンター Printer.HM を紹介します。このプリンターは、調達と製造が容易なシンプルな機械部品と 3D プリント部品で構成されています。ロボットアームはコンパクトで組み立てが容易なため、モーションコントロールに使用されます。 Printer.HM は手頃な価格 (4 つのプリントヘッド システムで 1,900 ポンド) で、小規模な生物学的アプリケーションに必要な小型の注射器サイズと互換性があります。特に、「Printer.HM」で利用できる非伝統的なジオメトリ入力オプションにより、ユニークなデザインのプリントを制作できます。画像ジオメトリ入力を使用すると、CAD の経験がないユーザーでも印刷パスを簡単にカスタマイズできます。これは、刺激応答性ハイドロゲルの変形動作を制御するのに特に役立ちます。低コストでカスタマイズ可能なシステムであるにもかかわらず、「Printer.HM」は幅広い粘度範囲（20 mPa s～1.5 kPa s）で利用できます。さらに、このシステムは、可変速度印刷や非平面印刷など、さまざまな非定型タスクを実行できます。

「Printer.HM」にはまだ改善できる部分がいくつかあります。

●まず、「Printer.HM」で使用されているモバイルプラットフォームシステムの設計により、空中で印刷される低粘度のオブジェクトの忠実度が損なわれる可能性があります。潜在的な影響を減らすために、低粘度の材料に微細構造を印刷するときには、非常に遅いステージ速度を使用できます。

●第二に、「Printer.HM」には、タンパク質インクの印刷を助ける冷却システムや、インクの漏れを防ぐインク引き込み機構が備わっていません。引き込み機構は今後の研究で注目される予定であり、機械駆動のプリントヘッドモーターの逆回転を設定することで実現でき、印刷の忠実度をさらに向上させることができます。

●また、ハイドロゲルなどの柔らかい材料の印刷では、通常、高温（60°C 以上）の加熱は必要なく、押し出しベースの印刷の特徴解像度は通常 100 μm 以上です。

そのため、Printer.HM は市販のシステムよりも機械的解像度が低く、加熱範囲が狭いにもかかわらず、満足のいく印刷性能を実現します。さらに、システムのモジュール設計により、システムの再構成や拡張が容易になります。ユーザーは、将来の開発において、新しい機能（マイクロ流体プリントヘッド、クーラーなど）を「Printer.HM」に統合することができます。これらの研究により、カスタマイズ性とオールインワン機能を備えた手頃な価格の3D押し出しプリンターが確立され、ソフトロボティクス、食品、環境に優しい材料加工などの分野を前進させる可能性が生まれます。


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