Εφαρμογή τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D Printing or Rapid Prototyping RP) με χρήση Βιοϋλικών
Creators: name: Ρογκώτης, Κωνσταντίνος Αργυρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Τριών διαστάσεων εκτύπωση
Βιοϋλικά
Εκτύπωση οστών
3D printing
Biomaterials
Bone printing

description: Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές (3D Printers), είναι μια νέα μορφή συσκευών παραγωγής μοντέλων τόσο για την αναπαράστασή τους, με σκοπό τη βελτίωση, όσο και τη λειτουργικότητά τους σε διάφορες εφαρμογές. Η τεχνική που χρησιμοποιείται είναι η κατά στρώματα εναπόθεση υλικού σε επίπεδα που διαμορφώνει το τελικό μοντέλο. Η εναπόθεση μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους και με διάφορες τεχνικές, όπως είναι η θερμική, χημική, μηχανική, ή/και οπτική, ανάλογα με το υλικό που θα επιλεγεί. Τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι σχεδόν όλων των ειδών, από πολυμερή, μέταλλα, κεραμικά, κ.λπ. μέχρι υλικά που χρησιμοποιούνται στη βιοτεχνολογία – βιοϊατρική για διάφορες εφαρμογές, όπως στην αναγεννητική μηχανολογία ιστών ή κατασκευή τεχνητών οργάνων (βιοεκτύπωση - bioprinting). Τελευταία, έχουμε την εμφάνιση χαμηλού κόστους συσκευών 3D Printing που χρησιμοποιούν υλικό σε μορφή ινών, μέσω των οποίων με θέρμανση και εξώθηση μπορούν να παράγουν πολύπλοκες μορφές μοντέλων. Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια για τη διερεύνηση της ανάπτυξης και κατασκευής μιας χαμηλού κόστους και μεγέθους συσκευής τρισδιάστατης εκτύπωσης, για τη μελέτη δυνατοτήτων κατασκευής μοντέλων που θα χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές βιοϋλικών. Κυρίως, μελετήθηκαν αρχικά οι δυνατότητες κατασκευής από απλά υλικά και με απλά μέσα μιας μικρού μεγέθους συσκευής. Έγινε έρευνα σχετικά με τις μορφές παρόμοιων συσκευών γενικής χρήσης καθώς και των συστημάτων καθοδήγησης και κίνησης που χρησιμοποιούνται συνήθως. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκαν σε σύστημα CAD, τόσο τα επιμέρους μέρη όσο και η συναρμολογημένη διάταξη και εκτιμήθηκαν τα κατασκευαστικά δεδομένα των εξαρτημάτων. Ακολούθησε η κατασκευή με όσο το δυνατόν πιο απλό τρόπο. Για την καθοδήγηση χρησιμοποιήθηκε μια προσαρμοσμένη μορφή μικροελεγκτή (microcontroller) βασισμένη στις υλοποιήσεις Arduino Mega 2560, για τις οποίες υπάρχει πληθώρα τεκμηρίωσης σε ότι αφορά την καθοδήγηση, αλλά και λογισμικά open source για την προετοιμασία, το χειρισμό και τη διαδικασία της εκτύπωσης. Στη συνέχεια, και μετά την επιτυχημένη πρώτη λειτουργία, έγινε σειρά από δοκιμές εκτύπωσης με διαφορετικές συνθήκες ώστε να παρατηρηθούν οι επιδράσεις της θερμοκρασίας, τόσο του χώρου όσο και της μηχανής, της ταχύτητας εκτύπωσης, της ακρίβειας καθώς και της απόστασης των στρωμάτων. Ακολούθως, δοκιμάστηκαν διαφορετικές παράμετροι σε σχέση με τη μεθοδολογία του γεμίσματος των συμπαγών περιοχών των μοντέλων και η δημιουργία πορώδους στο μοντέλο. Τέλος εκτυπώθηκαν υπό κλίμακα τρία μοντέλα (ένα οστό σπονδύλου, ένα μηριαίο οστό και ένα πτερύγιο αυτιού) που προέκυψαν από διαδικασίες μοντελοποίησης από ψηφιακά δεδομένα που δημιουργούνται κατά τις ιατρικές εξετάσεις (ακτινογραφίες, αξονικές ή μαγνητικές τομογραφίες, κ.λπ.). Το συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο συγκεντρώνει σε όλο τον κόσμο την προσοχή πολλών και διαφορετικών επιστημόνων και πανεπιστημίων, με απώτερο σκοπό τη δημιουργία τεχνητών οργάνων, δέρματος, προσθετικής άκρων, κ.λπ. και τη βελτίωση της ποιότητας ζωής σε όποιον τη χρειάζεται.
description: Three dimensional printers (3D Printers) are a new form of model apparatus serving the purpose of presentation of a model as well as improvement of their functionality in different applications. The technique involves the deposition of material in layers, in order to form the final model. The deposition can take place in different ways and techniques, such as thermal, chemical, mechanical or/and laser based, depending on the material chosen. The printing materials are almost of any sort such as polymers, metals, ceramics etc. and even materials that are used in biotechnology-biomedicine for multiple applications, such as regenerative tissue engineering or organ reconstruction (bioprinting). Recently, low-cost 3D printers have emerged which use material in the form of fibers, the heating and extrusion of which can reproduce complex models. This project aims to investigate the development and construction of a low-cost, small-sized 3-dimensional printing device, to explore the potential of model biomaterial manufacturing. Primarily, the ability of construction using a simple device and materials was tested. Research involving similar general-use devices, along with the control and motion systems frequently used took place. Following that, CAD system was used to design the individual parts as well as their assembled positioning, and the structural data of the components was estimated. The simplest reconstruction of components followed. For the purpose of control an adjusted microcontroller was used based on the implementation of Arduino Mega 2560, for which there is a plethora of documentation based on control systems together with other open source software for the preparation, handling and procedure of printing. Subsequently, and after the successful first operation, a sequence of test-printings using different conditions took place, in order to observe the effects of temperature of the area and the machine itself, the printing speed, the accuracy but also the spacing between the layers. Furthermore, different parameters were tested in relation to the methodology which was used to fill the compact regions of the model and the generation of porosity in the model. Lastly, three models were printed under appropriate scale (a vertebral bone, a femoral bone and an outer ear auricle), which arose from the modeling procedure of digital data produced during medical examinations (X-Rays, Computed tomography or Magnetic Resonance Imaging etc) This particular research field has attracted the attention of various scientists and universities around the world, with the ultimate goal being the creation of artificial organs, skin, prosthetic limbs, etc. and the improvement of the quality of life of the individuals in need.