Progettazione CAD 3D

Grazie al software di CAD 3D SolidWorks `e stato possibile progettare un dispositivo che rispondesse alle specifiche richieste. L’obiettivo era riuscire a mantenere costante la temperatura al valore desiderato, ed `e questo il motivo per cui la scelta del materiale da usare `e stata indirizzata verso l’alluminio. La geometria `e stata scelta nell’ottica di semplificare la sua realizzazione ed il suo utilizzo; si `e optato per una forma cilindrica cava che potesse accogliere al suo interno la siringa e l’ago per quasi la sua intera lunghezza (Figura 3.1).

Il sistema `e stato dimensionato in modo opportuno, in modo da favorire il corretto posizionamento della siringa ed il suo riscaldamento fino all’ago. L’uso di una cartuccia riscaldante, inserita in un foro da 6 mm, e di un termistore, in uno da 3 mm, posizionati lateralmente alla siringa, ha permesso di ottenere l’obiettivo prefissatoci.

3.2.2

Analisi termica

Il software Comsol Multiphysics `e stato utilizzato per effettuare diver- se simulazioni sfruttando l’Heat Transfer Module. L’Heat Transfer Module consente di analizzare gli effetti del riscaldamento e del raffreddamento in dispositivi, componenti o processi. Il modulo offre strumenti di simulazio- ne per studiare i meccanismi di scambio termico – conduzione, convezione e

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo

Figura 3.1: CAD 3D della camicia in alluminio

irraggiamento – spesso in correlazione ad altri fenomeni fisici, coinvolgendo per esempio la meccanica strutturale, la fluidodinamica, l’elettromagnetismo e le reazioni chimiche. Caratteristica fondamentale dell’Heat Transfer Mo- dule `e la capacit`a di eseguire calcoli relativi alla conservazione del calore, ossia bilanci di energia, in cui vengono considerati diversi fenomeni come perdite meccaniche, calore latente, riscaldamento Joule o calore di reazione. Il modulo `e stato indispensabile per la valutazione di un corretto profilo di temperatura dalla siringa fino all’ago. Sono state fatte diverse simulazioni:

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo • variando la posizione di cartuccia riscaldante e del pistone;

• variando la distanza da un piatto riscaldato;

• riducendo la distanza tra la parte inferiore della camicia e della punta dell’ago.

I passi che hanno portato alla simulazione consistono nel:

• Impostazione dell’ambiente di modellazione; in questo caso `e stato scel- to, come detto precedentemente, il modulo chimico “Heat Tansfer by Conduction“;

• Creazione degli oggetti geometrici; la geometria `e stata creata inizial- mente in 2D e successivamente tramite il comando “revolve” `e stata trasformata in geometria tridimensionale;

• Definizione dei materiali utilizzati; sono stati selezionati i materiali e definite quindi le loro propriet`a. La siringa in politetrafluoroetilene (PTFE) l’ago in acciaio, la camicia in alluminio ed il materiale presente all’interno della siringa, approssimabile all’acqua;

• Definizione delle condizioni al contorno delle fisiche coinvolte; nel sub- domain settings, per ciascun materiale inserito `e stato considerato il coefficiente di conducibilit`a termica k (isotropico) espresso in W/(m∗K), restituito per default dal software. Nel boundary settings sono state

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo

selezione le condizioni di: Heat flux, ossia il flusso di calore tra il siste- ma in alluminio e l’ambiente esterno; sono stati impostati i valori del coefficiente di calore trasferito h (W/m2∗K) pari a 5, ed `e stata impo- stata la temperatura esterna a 25°C. Le altre condizioni impostate sono quelle di Temperatura che racchiude l’impostazione della temperatura della sorgente di calore (cartuccia riscaldante);

• Creazione delle mesh; le mesh sono state adattate in modo tale da ridur- re l’errore e da trovare soluzioni localmente migliori. Le dimensioni del- le mesh scelte inizialmente sono del tipo normale ed in corrispondenza di brusche variazioni e angoli sono state infittite;

• Esecuzione della simulazione e postprocessing dei risultati.

I risultati non hanno mostrato particolari differenze sul profilo termico; qui di seguito, viene mostrato l’andamento della temperatura lungo l’ago posi- zionando la cartuccia lateralmente alla siringa. (Figura 3.2). Le Figure 3.2 e 3.3 mostrano come, fissata la temperatura a 45°C nel GCode, ci sia un drop sulla punta dovuta agli scambi termici con l’aria, che porta la temperatura ad un valore di 38°C. Il drop `e compatibile con le nostre specifiche di progetto, avendo come obiettivo finale la stampa ad una temperatura che non vada al di sotto dei 37°C.

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo

Figura 3.2: Simulazione termica con Comsol Multiphysics

3.2.3

Prototipazione

La camicia in alluminio (Figura 3.4) `e stata poi fisicamente realizzata tra- mite l’uso di un tornio parallelo. Il tornio parallelo `e una macchina utensile che genera solidi di rivoluzione ed `e impiegato soprattutto per la lavorazione dei metalli. `E caratterizzato dal fatto che il moto di lavoro sia costituito dalla rotazione del pezzo in lavorazione, mentre l’utensile scorre parallela- mente all’asse di rotazione. Il tornio parallelo consente lavorazioni basate su

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo

Figura 3.3: Profilo termico lungo l’ago

simmetrie rotazionali: cilindri, coni, sferoidi. Una volta ottenuto l’oggetto sono stati inseriti, negli appositi fori, una cartuccia riscaldante da 12 V di alimentazione e 400 W di potenza ed un termistore NTC da 100 kOhm. Con della pasta termica sono stati ricoperti i fori in modo da migliorare la con- ducibilit`a. Infine, con un multimetro `e stata verificata la resistenza ai capi dei cavi dell’NTC e la funzionalit`a della cartuccia riscaldante.

3.2.4

PID tuning

Il PID tuning si riferisce alla regolazione dei parametri di un algoritmo di controllo proporzionale-integrativo-derivativo utilizzato nella maggior par-

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo

Figura 3.4: Camicia in alluminio

te delle stampanti 3D con hot end e piatto riscaldato. Se utilizzassimo un metodo semplice in un controllo di temperatura “a soglia”, ossia quello di staccare la nostra cartuccia riscaldante non appena raggiunta la tempera- tura, si avrebbero delle sgradite conseguenze. La cartuccia conserverebbe ancora un po’ della sua energia e continuerebbe a riscaldare il nozzle facendo superare la temperatura impostata di alcuni gradi. Una volta persa la sua energia, farebbe poi ridurre la temperatura dell’ugello. A questo punto, ap- pena la temperatura rilevata scende al di sotto della temperatura impostata, il circuito di controllo dovr`a riaccendere la cartuccia, ma quest’ultima avr`a un tempo t prima di tornare ad avere l’energia necessaria a far aumentare la

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo

temperatura del nozzle. La temperatura osciller`a di un dT rispetto alla tem- peratura impostata. La resistenza si pilota invece, con un’onda di tipo PWM (Pulse Width Modulation), cio`e un’onda quadra in cui quello che varia `e il tempo in cui ha valore alto rispetto al tempo che ha valore basso (Figura 3.5). Quando all’inizio il resistore `e freddo il duty cycle sar`a del 99%; man mano

Figura 3.5: Esempio di controllo PWM

che la temperatura si avvicina al valore di quella impostata, il duty cycle avr`a un valore minore e permetter`a di avere una resistenza che non superer`a la soglia e che allo stesso tempo avr`a sufficiente energia per mantenersi calda. Il duty cycle viene gestito tramite i valori del PID. Il PID deve avere un valore di P, I e D definiti per controllare la temperatura dell’ugello. Il metodo di taratura scelto per calibrare il nostro sensore sfrutta il secondo metodo di Ziegler-Nichols [50]. Questo metodo viene utilizzato frequentemente, poich´e opera in retroazione unitaria, cio`e si considera il sistema in catena chiusa,

3.2 Progettazione e realizzazione di una camicia in metallo

e in cui `e gi`a presente l’azione del PID. Tale metodo sfrutta il fatto che il sistema retro-azionato `e BIBO stabile ad anello chiuso solo se il guadagno in continua ad anello aperto `e mantenuto ad un livello sufficientemente piccolo. Infatti, tra la zona di stabilit`a e la zona di instabilit`a esiste un limite in cui il sistema non diverge, ma oscilla con ampiezza costante. Possiamo quindi assumere che se il sistema con un valore di guadagno relativamente alto ar- riva ad una situazione oscillatoria, con un valore di guadagno notevolmente inferiore lavorer`a in condizioni ragionevoli. Per l’applicazione di tale metodo, si procede quindi alla seguente sequenza di passaggi:

• Per prima cosa, si annullano i contributi derivativi e integrativi del controllore PID per ottenere un regolatore puramente proporzionale; • Successivamente, partendo da un valore quasi nullo del parametro Kp,

ossia il guadagno di tipo proporzionale, lo si aumenta in maniera pro- gressiva fino a quando si osserva all’uscita del sistema un’oscillazione permanente. Indichiamo con K0 il valore limite di Kp. Si deve comun- que fare attenzione al sistema che si sta testando, poich´e potrebbe non entrare mai in oscillazione.

Il valore di Kp calcolato `e pari a 25 ed `e stato utilizzato per settare il PID tramite il comando M301 P25 I0 D0 inserito manualmente nel G-Code prima della stampa.

3.3 Sistema di estrusione

3.3

Sistema di estrusione

La possibilit`a di superare i limiti imposti dal bioprinting ad estrusione di un singolo bioink, come la creazione di strutture poco complesse, `e stata fornita da sistemi capaci di estrudere pi`u di un bioink. L’allineamento di pi`u ugelli per`o rappresenta il problema pi`u rilevante di questi sistemi di stampa. Pompe a siringa indipendenti collegate ad un’unica testina, aghi coassiali e sistemi microfluidici, rappresentano delle alternative realizzate per ovviare a tale problema. Questo lavoro di tesi ha previsto la progettazione e la realiz- zazione di un sistema di stampa con due estrusori che sfrutta due siringhe per la stampa di idrogel, anche a diverse concentrazioni, tramite un unico ugello. Come si evince dalla letteratura, la viscosit`a `e uno dei parametri pi`u importanti per un bioink, prima, durante e dopo la stampa, per la sua stam- pabilit`a, che comprende caratteristiche come la realizzazione di strutture ad alta risoluzione, con forma definita e adeguate propriet`a meccaniche e buona vitalit`a cellulare. Inoltre, la viscosit`a incide fortemente sulla possibilit`a di intasamento dell’ugello. Il sistema realizzato `e stato quindi ideato per poter essere controllato in temperatura, come nel caso del singolo estrusore, anche per poter espandere il range dei materiali stampabili. Nei paragrafi successivi verranno descritti i passaggi che hanno portato alla realizzazione del sistema di stampa.

3.3 Sistema di estrusione