梁曉博 張廣鵬 王飛

摘 要：3D打印技術(shù)的問世改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)的模式，成為當(dāng)今的熱門技術(shù)之一。該文設(shè)計(jì)了一種小型食品3D打印機(jī)，主要由原材料擠出裝置、輸送裝置、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置及控制系統(tǒng)等部分組成，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使3個(gè)聯(lián)動(dòng)控制更加靈活，通過電機(jī)直驅(qū)單螺桿擠出裝置擠出原材料，采用Arduino控制軟件實(shí)現(xiàn)食品打印運(yùn)動(dòng)與擠出動(dòng)作的精確控制；配備錐形料斗可以儲(chǔ)存更多的面糊或米糊原料，所打印的食品直接通過烘烤箱熟化，并具有保鮮保溫作用。所開發(fā)的樣機(jī)產(chǎn)品具有良好的工作效果。

關(guān)鍵詞：食物3D打印機(jī)；螺桿擠出機(jī)；3D打印技術(shù)；Arduino

中圖分類號(hào)：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，3D打印技術(shù)迅速發(fā)展，食品3D打印成為其中一個(gè)重要發(fā)展方向。食品3D打印機(jī)是將3D打印技術(shù)與食品制作巧妙結(jié)合在一起的機(jī)器。

該文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的小型膨化食品3D打印機(jī)，主要由控制部分、原材料擠出裝置、原材料輸送裝置以及運(yùn)動(dòng)控制裝置等部分組成，同時(shí)還設(shè)計(jì)了食物擠出、烘焙等新型結(jié)構(gòu)，編寫了相應(yīng)的控制程序，采用面食或米食作為材料，能制作出多種食物，象花饃、蛋糕、餅干等食品。打印出的食品可以立即食用，無(wú)須在打印成型后將樣品轉(zhuǎn)移到烤箱或者煎餅擋中熟化或采用油炸形式進(jìn)行熟化。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有3D食品打印機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的立體打印。

1 小型膨化食品3D打印機(jī)成型原理

首先利用計(jì)算機(jī)輔助軟件，設(shè)計(jì)出食品的三維模型，再通過單螺桿擠出裝置將提前攪拌均勻的原材料進(jìn)行逐層疊加，制造出與所建立三維模型對(duì)應(yīng)的可食用性食物。操作者可以根據(jù)需求自主設(shè)計(jì)食物的形狀、尺寸等，象房屋、生活用品、人物造型等。使用時(shí)，將食材加入螺桿擠出機(jī)，在擠出原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，面、米食材經(jīng)過料斗進(jìn)入噴嘴，通過X、Y、Z 3個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整食材擠入烤箱的位置，通過Arduino Mega2560控制板控制烤箱上的熱電偶溫控開關(guān)來(lái)加熱食材，從而得到打印食品。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為小型膨化食品3D打印機(jī)的三維結(jié)構(gòu)圖，主要包括Arduino 控制系統(tǒng)、熱電偶溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、同步帶以及絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)部分、單螺桿擠出機(jī)構(gòu)及其他輔助機(jī)械部件等。X、Y、Z各方向軸都裝有行程開關(guān)，以控制烤箱和噴頭的運(yùn)動(dòng)位置。

打印機(jī)的主框架由為20 mm×20 mm的標(biāo)準(zhǔn)型材構(gòu)成，架構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便。打印機(jī)的底部由6根型材拼接而成，在需要連接的地方通過角碼兩兩固定，這樣可以保證整體框架更加穩(wěn)固可靠，保證了打印機(jī)在工作的過程中不會(huì)由于劇烈的振動(dòng)而降低打印精度。

使用料斗儲(chǔ)料裝置能夠?qū)崿F(xiàn)一次加料，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)打印，改進(jìn)了現(xiàn)有3D食品打印機(jī)需要頻繁停機(jī)換料的不足。

擠出機(jī)構(gòu)采用螺桿機(jī)構(gòu)，通過螺桿不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物料的均勻推進(jìn)，還能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行攪拌，使粉料、液體混合均勻，輸送流暢，進(jìn)一步提高熟化食品的均一性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用Arduino Mega 2560 作為主控板，Arduino Mega 2560 讀取輸入的數(shù)據(jù)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件所繪制的食品三維模型并進(jìn)行處理，由此計(jì)算出擠出頭的加工軌跡、擠出量大小，并傳送到控制部分，Arduino控制系統(tǒng)發(fā)出初始化的調(diào)節(jié)指令后，開始對(duì)X、Y、Z 3個(gè)軸的位置進(jìn)行檢測(cè)反饋并調(diào)整各電機(jī)運(yùn)動(dòng)至初始化狀態(tài)，為即將進(jìn)行的工作提前做好準(zhǔn)備。使用 Arduino IDE作為打印上傳固件軟件以及Mega 2560 的軟件控制集成電路板板RAMPS1.4 的相關(guān)附加控制板，識(shí)別控制代碼的軟件用Slic3r，控制軟件用Printrun3D，采用開源Marlin固件并對(duì)固件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。Arduino 控制程序框圖如圖2所示。

4 樣機(jī)研制

所開發(fā)的小型膨化食品3D打印機(jī)樣機(jī)如圖3所示，根據(jù)擠出材料設(shè)定相應(yīng)的烤箱烘焙溫度，打開控制軟件，Arduino 控制系統(tǒng)檢測(cè)到信息并進(jìn)行處理，再發(fā)送給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后按照打印指令逐層進(jìn)行打印。各個(gè)電機(jī)通過Arduino 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，使擠出機(jī)以及各個(gè)方向的位移控制電機(jī)之間按照相應(yīng)的指令相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擠出電機(jī)將錐形料斗里面的面糊或米糊材料擠出，進(jìn)行打印工作。打印結(jié)束后，Arduino 控制系統(tǒng)發(fā)出指令各步進(jìn)電機(jī)恢復(fù)初始化位置。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)以及對(duì)打印樣品的基本參數(shù)測(cè)量，打印結(jié)果基本符合要求，圖4為食品打印效果圖。

5 結(jié)語(yǔ)

該文開發(fā)的小型膨化食品3D打印機(jī)可以制作形狀復(fù)雜的食物，實(shí)現(xiàn)較高精度的立體食物打印，設(shè)計(jì)的食物擠出機(jī)構(gòu)以及烘焙裝置等結(jié)構(gòu)與編寫的控制程序相互結(jié)合，食材搭配靈活方便，可以個(gè)性化定制，更加便攜。

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