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3D巧克力打印机设计与制作

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：花慧敏解乃军

[导读] 文章在FDM型3D打印机的基础上，设计了一款3D食品打印机，以巧克力为打印原料，用于实现打印多种造型的功能。该食品打印机基于UM2框架设计，采用铝型材作为机构本体主材，大大降低了加工成本，通过螺杆挤出装置输送并挤压巧克力至打印平台，同时在打印平台上安装半导体制冷系统实现巧克力的冷却凝固成型。

南京工程学院花慧敏解乃军江苏南京 211167

摘要：文章在FDM型3D打印机的基础上，设计了一款3D食品打印机，以巧克力为打印原料，用于实现打印多种造型的功能。该食品打印机基于UM2框架设计，采用铝型材作为机构本体主材，大大降低了加工成本，通过螺杆挤出装置输送并挤压巧克力至打印平台，同时在打印平台上安装半导体制冷系统实现巧克力的冷却凝固成型。
关键词：3D食品打印；巧克力；UM2框架；螺杆挤出装置
        1 背景研究
        1.1 3D食品打印技术
        3D打印技术，又称增材制造，其工作原理是以数字模型文件为基础，利用高分子材料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层叠加的打印方式将材料堆积成型[1]。3D食品打印便是在3D打印的基础上发展而来的，将不可食用的可粘合材料替换成可食用的面粉、奶油、糖果、巧克力、肉制品等等。
人们对饮食的要求在经济发展的带动下日益提高。传统的食品制造行业，利润低，缺乏创新力，且因厨具和个人技术等方面的局限，无法加工出精度高且形状复杂的食品。而3D食品打印技术能精确控制食材用量、提高工作效率，降低污染，减少损耗，实现食物的独家定制。通过3D食品打印机，可以加工出传统烹饪技术无法实现的口味和形状，开辟新的餐饮市场。
        1.2 发展现状及趋势
        3D食品打印技术的研发在国内外均取得了一定成果。国外，注重开发3D食品打印的食材，例如，NASA为了提高宇航员的膳食水平，联合某研究所研发了3D披萨打印机；3D System公司与好时巧克力集团合作，研发了一款可打印巧克力及糖果的3D打印机；一家西班牙公司研制出了一款肉制品3D打印机。国内，食品3D打印尚处于起步状态，主要以巧克力、面糊等黏液态物质为原料进行3D打印，例如清华大学研发团队研制出的3D煎饼打印机。
        3D食品打印能实现个性化定制、提高烹饪效率并有效地改善人们的餐饮质量，具有十分广阔的发展前景和毋庸置疑的现实意义。
        2 方案设计
        巧克力是食品3D打印一种较理想的材料，在常压下，通过加热手段易于达到其熔化的温度。熔融沉积型3D打印机制造成本低，便于实现，以市面上的巧克力作为打印原料，对其加热融化，通过挤出装置挤压喷出，一层一层地打印并在打印平台上堆积凝固成型。
        2.1工作原理
        3D巧克力打印机基于快速成型原理工作。首先，通过solidworks等绘图软件建立想要打印的食品模型；其次，将模型导入Simplify3D等切片软件进行切片处理；然后，将处理好的模型文件导入打印机，打印机开始分层打印；最后，逐层打印、凝固、叠加成型。
        2.2设计方案
        在3D巧克力打印机的设计过程中，参考较为成熟的3D打印机，通过研究3D打印机各基础模块，设计出3D巧克力打印机，最终实现巧克力的3D打印功能。3D巧克力打印机一般分为机构本体、三轴运动装置、原料挤出装置、控制系统等部分[2]。
        选择合适的机构本体是设计3D巧克力打印机的基础。3D巧克力打印机的机构本体设计应秉持结构简单、成本低、装配牢固可靠的原则，这既能节约经济，也能达到我们需要设计的最基本要求。经查阅文献资料，铝型材完全符合本次设计的简单经济原则。故本次设计将采用铝型材作为3D巧克力打印机的机构本体。
        3D打印机的机械运动结构有corexy结构、i3结构、delta结构、UM2结构等等。corexy结构紧凑，实现在XY平面上运动的两个电机是固定的，这减轻了运动部件的重量，也降低了运动部件的惯性。

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在相同驱动力下，加速度更高，运动更加敏捷，但是设备成本高；i3结构简单，比较节省材料，但是，由于平台的重量重，Y方向打印时的惯性较大，这增加了步进电机和同步带的负载，这会加速同步带的磨损，并且打印精度无法达到且无法快速打印；delta结构是典型的并联结构，强度高，承载能力强，但是调平难度大；UM2结构虽然对零件及安装要求高，但是打印精度高且打印速度快。本次设计考虑到成本问题及3D巧克力打印机对食品打印速度的要求，故选用UM2结构。
        3D巧克力打印机的控制系统选用Arduino Mega 2560作为主控板，RAMPS1.4作为扩展板，因为Arduino Mega 2560有五十四路数字输入/输出引脚，十六路模拟输入引脚，整体性能和配置要比Arduino Uno强。通过Arduino IDE上传Marlin固件至主控板，主控板读取输入的数据并处理。
        3.系统开发
        3.1机械结构设计
        机械结构包括机构本体、挤出装置、打印平台、三轴运动机构等。
        机构本体选用国标2020铝型材，使用16个角码将12根铝型材固定连接，机构本体的整体尺寸为300mmｘ300mmｘ400mm。
        三轴运动系统可根据运动特征分为水平运动装置和垂直运动装置。水平运动装置包括水平运动电机、水平运动电机座、同步轮、同步带、旋转光轴、光轴支撑座、水平运动连接块、水平运动光轴。水平运动电机通过水平运动电机座安装在机体架上，水平运动电机通过同步轮、同步带连接旋转光轴，旋转光轴在X、Y向各布置两根，一根主动、一根从动，所有的运动均是经过同步带与同步带轮传输，旋转光轴两端安装在光轴支撑座上，旋转光轴通过轴承于光轴支撑座内紧固连接在机构本体体支撑结构上；水平运动光轴与旋转光轴之间通过水平运动连接块进行连接，该水平运动连接块分为左右两部分，连接块内安装了直线轴承保证水平运动连接块随同步带运动的稳定性。水平运动电机转动，通过同步带传动带动旋转光轴转动，带动X、Y方向同步带运动，从而带动水平运动连接块与之相连接的水平运动光轴运动，实现食品物料挤出装置在 X方向上的运动。
        3D巧克力打印机的挤出装置兼备储料功能，步进电机固定在储料筒上表面，且轴与内部的螺旋杆相连接，喷头和储料筒之间采用软管相连，喷头和喷嘴之间采用螺纹连接方式，方便拆卸和清洗。考虑到巧克力融化挤出时的流动性问题，我们采用金属锥形喷嘴。
        3.2控制系统设计
        3D巧克力打印机的控制系统包括运动控制系统和温度控制系统。
        运动控制系统通过读取gcode文件解析文件中G指令，进行路径规划，最终控制电机运动。目前市面上桌面级3D打印机的控制系统普遍通过PC和运动控制板来完成。本次设计基于Arduino Mega 2560和A4988来完成运动控制系统的硬件部分，步进电机驱动模块采用A4988驱动器，用于产生脉冲驱动电机工作。电源模块为整个电路提供电能，输入12V。限位模块用于对XYZ轴进行安全限位。
        温度控制系统主要控制储料筒能使巧克力处于熔融状态、使打印平台能保持恒定温度使巧克力凝固成型。温度控制系统的硬件部分主要由Arduino mega2560单片机、加热元件、PT100温度传感器、固态继电器、半导体制冷系统组成。储料筒外表面缠绕加热电阻丝，实现对巧克力的均匀加热，确保巧克力处于融化状态，在喷头处安装加热块，便于其挤出。打印平台底部安装半导体制冷片，实现对巧克力的低温凝固，同时，结合温度传感器，控制平台温度处于合适的范围内。
        ４总结
        食品3D打印技术从兴起至今，已经越来越趋于成熟。为满足不同的打印需求，各种各样的食品3D打印机也就应运而生，这使得食品加工行业有了新的发展机遇。现如今，食品3D打印技术对在民生健康，航天领域和个性化需求等方面的发展有着重大意义。本文设计的3D巧克力打印机是在传统的FDM打印机上加以改进，可以打印多种造型，解决了传统食品制作款式单一等问题。通过本次3D食品打印机的设计与制作，一定程度上，锻炼了我的耐心与细心，同时也提高了自身的创新能力。
参考文献:
[1]林伟鹏, 孙永, 林国鸿. 3D快速成型食物打印机结构设计[J]. 通讯世界, 2017(8).
[2]顾存昕, 卢伟, 胡海阳,等. 即熟型3D食品打印机的设计[J]. 测控技术, 2018, v.37；No.317(07):161-166.
作者简介：花慧敏（1996-）女，南京工程学院机械工程，硕士在读；
解乃军（1969-）女，南京工程学院，正高级工程师。