Master's Thesis

3D Printer for Gel Extrusion

Author of thesis: Ing. Jan Krupka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. et Ing. Pavel Šteffan, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the design, implementation, and experimental verification of a modification of the Prusa i3 MK3S desktop 3D printer for printing gel-based materials while preserving its original FDM printing function. The thesis was motivated by a request from the Faculty of Chemistry at Brno University of Technology, where the device will be used for experimental verification of gel mixtures within the framework of a GAČR research project.

The thesis focuses on both the mechanical and electronic integration of a gel extruder into the printer. The proposed solution includes the design and implementation of mechanical modifications to the printer, in particular the integration of the gel extruder, the design of the gel nozzle mount, PTFE tubing guidance, limit-switch mounting, and other 3D-printed components necessary for gel 3D printing. In addition, a dedicated control unit based on a custom PCB with an ESP32-S3 microcontroller was designed and implemented to control the gel extruders, process input signals, operate the UV module, and ensure safe communication with the printer.

The thesis also includes the design and implementation of the control unit firmware based on a finite state machine. The firmware enables reliable control of the printing process, switching between extruders, handling error states, and safe print termination. In connection with this, the firmware of the Prusa i3 MK3S printer was also modified to ensure cooperation with the external control unit of the gel printing system.

Experimental verification was carried out by printing a specific gel mixture and tuning the printing parameters in PrusaSlicer, including G-code modifications for extrusion stabilization. The results demonstrated that the proposed device is capable of stable printing of simple two-layer gel structures and represents a functional basis for further research and laboratory use in the field of gel and hydrogel 3D printing.

Keywords:

3D printing, gel extruder, hydrogel, Prusa i3 MK3S, FDM, bioprinting

Date of defence

09.06.2026

Date of publish

08.06.2029

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Otázka: Kde je teflon ve vedení Student popsal že je ve vnitřní straně vedení a je takové vedení možné koupit

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Microelectronics

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Aleš Chvála, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. et Ing. Fabian Khateb, Ph.D. et Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Dvořák, Ph.D. (člen)
Ing. Alexandr Otáhal, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Brodský, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. et Ing. Pavel Šteffan, Ph.D.

Předložená diplomová práce s názvem „Gelová 3D tiskárna“, jejímž autorem je Bc. Jan Krupka, se zabývá modifikací komerční stolní FDM tiskárny pro účely aditivní výroby z gelových a hydrogelových materiálů. Autor úspěšně zmapoval základy FDM tisku, reologii hydrogelů i existující open-source systémy. Student navrhl a realizoval vlastní dedikovanou řídicí jednotku. Velkým plus je implementace galvanického oddělení pomocí optočlenů, což chrání originální desku tiskárny před zničením v případě poruchy gelového subsystému. Softwarová architektura postavená na přehledném konečném stavovém automatu (stavy idle, printing, error) je z hlediska embedded programování správná, deterministická a snadno rozšiřitelná. Práce úspěšně demonstruje tisk stabilních dvouvrstvých struktur. Tím byla ověřena plná funkčnost celého mechanicko-elektronického řetězce. Pro pokročilý bioprinting a stabilizaci toku citlivých hydrogelů by bylo v budoucnu vhodné doplnit elektroniku o senzor tlaku v reálném čase uvnitř stříkačky.
Gramatická a formální úroveň práce plně odpovídá požadavkům kladeným na diplomové práce. Text je kultivovaný, terminologicky přesný a vyznačuje se logickou větnou stavbou bez přílišné šroubovanosti či krkolomných souvětí. Autor používá korektní terminologii z oblasti embedded systémů a z hlediska formálního zpracování mu nelze nic zásadního vytknout.
Předložená práce vykazuje velmi nízkou míru pravopisných nedostatků či překlepů, což svědčí o tom, že text prošel důkladnou zpětnou kontrolou. Občasné drobné anomálie (např. chybějící čárka před spojkami v souvětí) jsou v rámci takto rozsáhlého textu přesahujícího 60 stran zcela zanedbatelné a nijak nesnižují srozumitelnost obsahu. Z pohledu citační etiky a metodiky psaní závěrečných prací splňuje dokument všechny standardy kladené na vysokoškolskou práci.
Student pracoval po celou dobu řešení diplomové práce samostatně, s vysokým nasazením a dosažené výsledky pravidelně konzultoval. Z dosažených výsledků jasně vyplývá, že zadání splnil v plném rozsahu. S přihlédnutím ke všem těmto skutečnostem hodnotím předloženou práci stupněm A (výborně / 100 bodů). Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D.

Práce je logicky a přehledně strukturována. Obsahuje všechny standardní části diplomové práce:

úvod s jasným vymezením cíle,
teoretickou část (FDM tisk, gelový tisk, reologie, řízení),
návrh řešení (mechanika, elektronika, firmware),
realizaci systému,
experimentální ověření,
závěr a přílohy.

Struktura kapitol na sebe přirozeně navazuje – od obecného přehledu problematiky přes konkrétní návrh až po experimentální ověření. Pozitivně hodnotím zejména:

jasné vymezení dílčích cílů v úvodu,
vyváženost teoretické a praktické části,
samostatnou kapitolu věnovanou firmware a stavovému automatu,
zařazení rozsáhlé technické dokumentace do příloh.

Práce působí koncepčně uceleně a čtenář se v ní dobře orientuje.

Formální úroveň práce je celkově velmi dobrá, splňuje požadavky na diplomovou práci.
Pozitiva:

přehledné členění kapitol, podkapitol a odstavců,
kvalitně zpracovaný obsah, seznam obrázků, tabulek a příloh,
vhodné využití obrázků, schémat a tabulek (např. bloková schémata, PCB),
konzistentní používání technické terminologie).

Drobné nedostatky:

místy se vyskytují drobné typografické chyby (mezery, zalomení řádků, interpunkce),
občasná stylistická neuhlazenost (dlouhá souvětí),
ojediněle chybějící nebo ne zcela přesné citace (např. označení „?“ u zdroje).

Tyto nedostatky však nesnižují celkovou čitelnost ani kvalitu práce.

Odborná úroveň práce je nadprůměrná.
Autor prokazuje:

velmi dobrou orientaci v problematice 3D tisku a gelové extruze,
schopnost propojit více oblastí (mechanika, elektronika, firmware),
samostatný návrh komplexního technického systému.

Silné stránky:

komplexnost řešení – od mechaniky přes elektroniku po firmware,
návrh vlastní řídicí jednotky (ESP32-S3, PCB),
implementace stavového automatu a úprava firmwaru tiskárny,
praktická realizace a experimentální ověření,
systematické ladění parametrů a práce s G-kódem,
identifikace chyb a jejich analýza (např. vliv bublin, extruze).

Slabší místa:

experimentální část je zaměřena spíše na základní ověření než hlubší kvantitativní analýzu,
chybí podrobnější metrika kvality (např. přesnost, rozptyl, opakovatelnost v číslech),
omezené srovnání s jinými existujícími řešeními (benchmark).


Přínos práce:

funkční modifikace FDM tiskárny pro gelový tisk,
nízkonákladové řešení vhodné pro laboratorní využití,
možnost dalšího výzkumu (biotisk, hydrogely),
otevřená a rozšiřitelná architektura.




Práce splňuje zadání v plném rozsahu. Autor prokázal schopnost samostatně řešit komplexní technický problém a dovést jej do funkční realizace. Topics for thesis defence:
  1. Jaké jsou hlavní limity navrženého řešení z hlediska přesnosti a opakovatelnosti tisku a jak by bylo možné tyto parametry kvantitativně vyhodnotit?
  2. Proč byla zvolena pístová extruze a jaké by byly konkrétní výhody a nevýhody přechodu na pneumatický extruder v navrženém systému?
Points proposed by reviewer: 93

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

The achieved results are part of the research at the Faculty of Chemistry, the research is in the early phase and it is therefore desirable that the achieved partial results are not published.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová