马德彬1张博文1陶钰禧 2
（1.华北理工大学电气工程学院 河北 唐山 063210)
（2.华北理工大学冶金与能源学院 河北 唐山 063210）
A New 3D Printing Technology for Sugar Man
摘要：现在3D打印技术上缺乏专业人才，但是3D打印技术相对来说较为成熟，在多个行业如家电，汽车，工程机械等方面均有应用。3D打印技术最先在美国开始流行，近几年在中国也逐渐开始流行起来，但是，对于传统手艺制作糖人是一种中国传统手工技艺，制作者挑一个担子，一头是加热用的炉具，另一头是糖料和工具，并且制造糖人是一门急需经验的手艺，新手制作难度大，成品率低，然而利用3D打印目前技术与特定的挤出头结合，从而实现糖人制品的打印。
关键词：3D打印 糖人 挤出头
引言：3D打印[1-5]内装有实际的原材料，而以往的打印机，只有墨水、纸张这两种打印材料。通过电脑技术，将其原材料进行有效的叠加起来；３Ｄ打印[6]技术依托信息技术、精密机械的尖端技术、材料科学等尖端技术，由成员将计算机上的蓝图，转变为实物，以聚乳酸生物降解材料为主要的原材料；经过热挤压，以及计算机技术，使其材料逐层迭加堆积，形成制定模型糖人；该种技术较为成熟且制造成本低、利用率高，为此3D打印的喷头1需要进行特定处理，目前运用在食品中的3D打印[7]存在失败，由于构成食品成分3的温度不易把握，而糖人制作的原料是熬化的蔗糖或麦芽糖，运用3D打印技术可以将温度容易把握控制，而传统的制作方式是小汤勺舀起融化了的糖汁，在石板上飞快地来回浇铸，画出造型，3D打印技术已经越来越为人们熟知, 越来越多的行业开始使用3D打印[8]技术替换原有制造技术, 实现工业4.0的变革。
1 新型糖人3D打印制造
如图一所述，传统画糖人，是以食糖加水熬制糖稀为原料，画出各种图案的民间传统技艺。画糖的人通称为画糖人，民间技艺的一种，几近失传。它是用糖熬制糖稀到一定的火候，用勺舀起，摊在平坦光滑的铁板上，而采用目前的新型糖人3D打印制造可以将平常需要极高的手艺的制作艺术品轻松的摆在铁板打印平台上，3D打印属于快速原型制造技术，我们可以利用计算机辅助设计建立的数据库中的信息来生成糖人的分层截面轮廓数据，然后在计算机的控制下，按分层截面轮廓将材料逐层累加成型。它的先进性有许多方面：1，它可以快速制造任意复杂形状的糖人，而且不需要刀具和夹具 2，生产效率高，糖人尺寸误差小，材料来源麦芽糖浆，由于是由CAD直接驱动糖人模型，所以可以制造无论是外形复杂还是内腔复杂的复杂糖人模型，可以满足用户的体验感。
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图一
1.1：糖人3D打印的原材料选择
传统的糖人制作的原料是熬化的蔗糖或麦芽糖，而运用3D打印制作糖人的原材料选择为麦芽糖，原因是麦芽糖具有热稳定性，加热时也不易发生美拉德反应而产生有色物质，在糖人3D打印制造的过程中将颗粒状的麦芽糖加入投入口，沿着管道有序的进入特定的挤出头，进行升温一定温度，熔融挤出糖丝，根据计算机的输入模型进行X,Y,Z轴移动，从而在打印平台中冷却成形，
1.2：糖人3D打印特定的喷头装置
传统3D打印喷头经常会出现加热温度不足，导致原材料在加热管中无法充分变为液体，通常处于固液汇合状态，从而导致在喷头处冷却，最终造成喷头的堵塞，极大的影响了打印的过程。
本方案中考虑到原材料麦芽糖的熔点为102度到103度之间，并且麦芽糖具有热稳定性，加热时也不易发生美拉德反应而产生有色物质，可以将温度调整到105度，从而让颗粒状的麦芽糖可以充分转化为液体。
如图二所示喷头的组成坩埚炉1、颗粒通道2、散热通道3、加热通道4、加热棒5、温度探头6、打印喷嘴7，为了使原材料的融化充分并且可以保持一定的出糖丝效率，不同种类型的管道的设计都是为了将原材料的融化更加彻底，可以看出设计的两个加热棒可以有效的将温度控制的更加精确，温度探头的安装则为了更有效的测量加热温度，喷头的设计为了将挤出的糖浆以一定的孔径出丝，从而由X、Y、Z轴的移动喷头进行堆积成型。
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图三
1.3：糖人3D打印结构组成
糖人3D打印的机械结构组成采用并联臂结构是RepRap的一个重要分支，其数学原理实际上还是笛卡尔坐标系，只是通过三角函数将XY坐标映射到三台垂直的轴上去，这种结构对喷头的重量要求比较高，
优点1、是打印相同品质的物件速度更快，大约快30%
2、零件少，装机简单，相同的造价能构建更大的打印体积（尤其是Z方向）
3、更平整的Z线条（由于底面托盘不动，抖动更小）
4、能迅速抬升喷头，减少拉丝和刮碰
糖人3D打印的平台选择为铁板平面，这样可以将熔融挤出的糖丝在接触到铁板平面就迅速冷却成型，同时喷头左侧还有冷却风扇，从而更好的让糖人冷却成型。
1.4：糖人3D打印主要工作原理
颗粒状麦芽糖原料放置在坩埚炉中,在电机的作用下将颗粒状的麦芽糖以一定速率通入管道中，最终在加热通道中完成融化，通过加热棒可以实现快速加热, 融化原料，并在冷却平台上实现退火, 形成各种各样的糖人。
2：结语
3D打印技术在食品中的运用越来越多，让3D打印融入生活，为消费者提供更加便利的服务，基于麦芽糖颗粒的状态输入进行熔融状态挤出进行3D打印成形糖人，正是新型糖人3D打印制造极大的减少了制糖人的制作过程，同时也让人们可以吃到立体的糖人，相比较与传统的糖人的制作，3D打印制作工艺出来的糖人精度更高，耗时少。
本次的在糖人制作过程引入3D打印，可以看出中国的食品行业引入3D打印巨大的潜力，
通过实践与发展，3D打印技术会更好的融入中国的食品行业，快速，高效。
参考文献
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