一種基于活塞連續(xù)工作原理的3D食品打印筆

王金磊 王曉軍 任衍濤

（1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源工程學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.浙江省零件軋制成形技術(shù)重點(diǎn)實驗室，浙江 寧波 315100）

3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，使得對3D打印筆的研究走向公眾視野。2013年世界首支3D打印筆3Doodler誕生，它采用熔融沉積制造工藝技術(shù)，使用ABS塑料作為打印耗材。目前在食品方面的設(shè)計應(yīng)用、雙工作模式的機(jī)構(gòu)以及用液態(tài)材料作為打印耗材的3D打印筆的研究在國內(nèi)外仍處于空白。現(xiàn)有的3D打印筆用線狀塑料作為打印耗材，可用原料單一，應(yīng)用范圍受限，而本試驗依托目前的3D打印筆技術(shù)，設(shè)計出可以填缺此空白的雙工作模式的3D打印筆，運(yùn)用在食品打印方面［1，2］，從而成為一個新的研究方向。它可采用具有常溫固態(tài)、中低溫加熱后可融化成黏度適中漿液特性的食物材料為原料，如生日蛋糕的巧克力、奶油、奶酪等。

3D打印筆的供料由活塞缸支持，一般的活塞缸存在供料不連續(xù)的缺陷，通過設(shè)計雙工作模式的液壓結(jié)構(gòu)，配以微型電磁換向閥和控制程序，可實現(xiàn)打印耗材的連續(xù)供應(yīng)［3］。除了設(shè)計合理、體積小、使用方便外，此款3D打印筆還可以采用手持方式打印，可以夾持固定在3D打印機(jī)上，作為3D打印機(jī)的噴頭使用，擴(kuò)展了3D打印筆的應(yīng)用條件環(huán)境，并在設(shè)計研究的基礎(chǔ)上運(yùn)用修正節(jié)點(diǎn)容腔法對其進(jìn)行初步建模分析。

1 3D打印筆的整體結(jié)構(gòu)

3D打印筆受體積小等尺寸限制，筆殼內(nèi)部均采用微型零部件構(gòu)造，主要采用液壓系統(tǒng)，筆殼外面有控制工作的顯示屏以及供料箱。打印筆工作時，活塞缸內(nèi)充滿液體，其它零部件的重量不及活塞缸，同時考慮到3D打印筆的整體結(jié)構(gòu)尺寸以及工作時底部充滿液體的情況，筆的整體重心應(yīng)布置在活塞推桿所在中心線的下半部分，這樣筆下面重力集中使得筆工作時比較平穩(wěn)。

本款3D打印筆的打印筆頭采用可拆卸式，這樣有利于產(chǎn)品設(shè)計造型，增加設(shè)計打印效果并且有助于提高打印效率，拆裝簡單方便，筆頭形狀不一，能夠滿足各種形狀的打印需要，在式樣各異的可換筆頭與筆殼連接時，中間裝有密封片，以防泄漏。由于此款3D打印筆用的中低溫加熱后熔融狀態(tài)的食品漿液，打印材料溫度相對于目前的3D打印筆工作溫度低，比如黑巧克力的熔融溫度在45～50℃，并且筆頭直接與恒溫輸料管連接，因此打印筆筆頭的溫度與打印材料溫度一樣，材料噴出后在空氣中凝固較快。工作溫度較低以及食品漿液是恒溫輸送，這樣系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量很少，只在打印筆的筆殼上加工出少量散熱孔就可以確保打印筆能夠正常散熱。同時打印筆筒外部有安裝固定卡槽結(jié)構(gòu)，手持使用時有雙瓣可取卡環(huán)裝在卡槽里。卡槽結(jié)構(gòu)是為了方便在3D打印機(jī)上進(jìn)行固定，作為3D打印機(jī)打印噴頭使用。3D打印筆的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1，工作原理圖見圖2。

圖1 3D打印筆外觀圖Figure 1 Appearance shape

2 打印筆內(nèi)部液壓結(jié)構(gòu)設(shè)計

此結(jié)構(gòu)主要由活塞缸7、活塞推桿11、微型單向閥2和3、兩位三通微型電磁換向閥9組成（見圖3）。微型單向閥在3D打印筆外部，3D打印筆工作時，接上微型單向閥，這種設(shè)計可有效減少打印筆本身的體積，并在一定程度上降低內(nèi)部系統(tǒng)的復(fù)雜性。

活塞推桿與萬向節(jié)、聯(lián)軸器、微型減速裝置、微型電機(jī)聯(lián)接，活塞缸端部有傳感器，通過檢測活塞推桿的運(yùn)動位置控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)活塞推桿往復(fù)運(yùn)動，活塞左右兩腔因容積變化進(jìn)行吸排打印材料，打印筆的外部連接上單向閥來控制材料流動方向。通常活塞換向時，會有一個斷流點(diǎn)，采用該結(jié)構(gòu)工作，在活塞缸底部以及端面一側(cè)設(shè)置出料口，并與微型電磁換向閥聯(lián)接，通過控制活塞推桿進(jìn)行換向運(yùn)動時，微型電磁換向閥同時作用，始終保持一個出料口的材料經(jīng)過電磁換向閥之后可以通過恒溫送料管從筆頭噴出，不斷循環(huán)，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的連續(xù)供料。由于打印材料的溫度是處于中低溫的，溫度下降容易凝固造成打印過程不能正常進(jìn)行，因此作為3D打印筆重要工作部件的活塞缸需要有較好的保溫性能，即活塞缸內(nèi)的溫度與打印材料的溫度保持一致，防止打印材料溫度下降較快，這樣活塞缸內(nèi)部的摩擦阻力也會降低，打印材料本身對系統(tǒng)也有一定的潤滑作用，并且活塞缸采用質(zhì)量較輕的材料從而降低打印筆本身的重量，使得此款3D打印筆使用更加方便靈活。

圖3 3D打印筆工作結(jié)構(gòu)簡圖Figure 3 The hydraulic structure diagram of 3D－print pen

圖3中的活塞推桿是由微型直線電機(jī)驅(qū)動的，在電機(jī)的驅(qū)動下進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動。當(dāng)微型直線電機(jī)正轉(zhuǎn)時，活塞推桿向液壓缸底部運(yùn)動，微型電磁換向閥處于右位，端口P與端口A接通，打印材料從端口P進(jìn)，從端口A出，然后經(jīng)恒溫送料管從筆頭噴出，而此時端口O處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)微型直線電機(jī)反轉(zhuǎn)時，活塞推桿做回程運(yùn)動，微型電磁換向閥處于左位，端口O與端口A接通，打印材料從端口O進(jìn)，從端口A出，然后經(jīng)恒溫送料管從筆頭噴出，此時端口P處于關(guān)閉狀態(tài)［4－9］。

3 液壓系統(tǒng)方向控制原理

液壓系統(tǒng)動力源由微型電機(jī)提供，電機(jī)由電路板控制，電路板與傳感器聯(lián)接，通過活塞推桿上的線圈感應(yīng)傳感器，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。電機(jī)輸出軸與聯(lián)軸器、微型減速裝置以及小推力軸承聯(lián)接，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動和微型減速裝置的減速作用帶動小推力軸承上的聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)并一同做直線運(yùn)動，以實現(xiàn)活塞缸的推動桿不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動［10］。電機(jī)正轉(zhuǎn)時，活塞在外力的作用下壓縮液壓缸，向液壓缸的底部運(yùn)動，打印材料經(jīng)過輸料管從筆頭噴出，進(jìn)行打印，活塞推桿底端有磁感應(yīng)線圈5，當(dāng)活塞推桿運(yùn)動到液壓缸底傳感器6位置時，電信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信號傳遞給電機(jī)，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，活塞推桿開始做回程運(yùn)動，打印材料再次經(jīng)過輸料管從筆頭噴出，當(dāng)活塞推桿底端運(yùn)動到液壓缸頂部傳感器4位置時，電信號再次傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)反應(yīng)后再次將信號傳遞給電機(jī)，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，如此往復(fù)，實現(xiàn)筆頭的送料持續(xù)不間斷，直至打印工作結(jié)束。

4 活塞式液壓缸建模

數(shù)學(xué)模型的建立對研究的順利進(jìn)行是非常重要的，以微型直線電機(jī)正轉(zhuǎn)為例分析建模。活塞式液壓缸的工作原理（見圖4），口1由于微型單向閥的作用，材料不能在如圖4所示的活塞推桿運(yùn)動情況下回到原料箱。

考慮到液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模常用節(jié)點(diǎn)容腔法，此設(shè)計在該方法基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析。由于設(shè)計主要考慮流量以及活塞力的問題，因此只需要建立活塞推桿運(yùn)動方程即可，得出驅(qū)動3D打印筆內(nèi)部液壓系統(tǒng)活塞推桿運(yùn)動所需的作用力［11，12］：

圖4 活塞缸的工作原理圖Figure 4 The principle diagram of piston cylinder

式中：

F——活塞推桿作用力，N；

m——液壓缸活塞的等效質(zhì)量，kg；

X——活塞推桿的運(yùn)動距離，mm；

PS、P0——分別為液壓缸有桿腔和無桿腔的壓力，Pa；

AS、A0——分別為液壓缸有桿腔和無桿腔的有效受力面積，mm2；

βC——活塞的粘性阻尼系數(shù)，N·S/m；

A——液態(tài)食品打印材料截面積，mm2；

τ——流動食品打印材料內(nèi)部的內(nèi)摩擦應(yīng)力，Pa。

根據(jù)設(shè)計可知，打印筆頭的噴出流量與筆頭截面面積、電機(jī)轉(zhuǎn)換成的推動活塞推桿運(yùn)動的直線速度和活塞面積有關(guān)，這幾個參數(shù)之間存在著一定的關(guān)系，由于技術(shù)的限制，目前無法準(zhǔn)確確定幾個參數(shù)之間的關(guān)系。在研究這幾個參數(shù)的同時，溫度也是一個至關(guān)重要的研究參數(shù)，打印材料內(nèi)部的摩擦力隨著打印材料溫度的變化而變化，驅(qū)動活塞推桿運(yùn)動的作用力大小同時改變，打印流量也會受到相關(guān)影響。作為液壓系統(tǒng)動力源的微型直線電機(jī)，只要輸出力大于作用力F，克服打印筆正常工作時如摩擦阻力等力的影響，電機(jī)的功率便能滿足要求，使得打印筆可以正常穩(wěn)定的工作。

5 3D打印筆使用環(huán)境

本試驗介紹的3D打印筆與普通的3D打印筆在使用方面有一定的相似點(diǎn)，但是也有其獨(dú)特之處。3D打印筆是基于3D打印，打開開關(guān)之后，手持筆筒（圖5），打印筆開始工作，從筆頭噴出的材料量由流速控制開關(guān)控制，材料噴出后在空氣中迅速冷卻，最后固化成穩(wěn)定的狀態(tài)。

此款3D打印筆獨(dú)特之處在于，它既可以手持進(jìn)行打印，也可以在筆筒上安裝可拆卸式卡環(huán)，將其固定在3D打印機(jī)上作為打印機(jī)噴頭使用（圖6），不影響打印質(zhì)量。

手持式工作時，接上“電源接口”，插上電源，將筆外送料管管口放入恒溫供料箱中，此款3D打印筆的所有送料管均為恒溫管，打印材料在管內(nèi)輸送過程中熱量損失可以忽略不計。按下“on”鍵開始工作，同時“≤、≥”鍵控制微型直線電機(jī)開始工作時的正反轉(zhuǎn)，以此控制活塞推桿做進(jìn)給和回程運(yùn)動，隨著筆內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行，打印材料從筆頭噴出，如果需要加快、暫停、減慢打印，可以按下“＋、‖、－”按鍵進(jìn)行選擇。打印結(jié)束之后，按下“off”鍵打印筆停止工作。

圖5 手持工作模式Figure 5 The handheld working mode of 3D－print pen

圖6 作為3D打印機(jī)噴頭使用Figure 6 Applied to 3Dprinter as its head

與3D打印機(jī)聯(lián)用時，電源開關(guān)設(shè)置有自動（auto）模式，筆殼上設(shè)計有嵌合結(jié)構(gòu)，可將本設(shè)計的3D打印筆安裝在3D打印機(jī)上作為噴頭使用。同時筆殼頂部設(shè)置有數(shù)據(jù)接口，可用數(shù)據(jù)線將計算機(jī)與3D打印筆連接，計算機(jī)控制3D打印筆中微型直線電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而自動控制打印的開始、停止和流量。

打印工作結(jié)束之后，需要對3D打印筆進(jìn)行清潔處理，這對打印筆能否再次正常工作至關(guān)重要。清潔時，將接在打印筆外面的送料管插入清水槽中，打開打印筆工作開關(guān)，清水通過送料管進(jìn)入3D打印筆內(nèi)，將殘留在打印筆內(nèi)的打印材料沖洗后通過筆頭噴出，從而實現(xiàn)打印筆的清洗工作。

6 結(jié)論

采用活塞連續(xù)工作原理設(shè)計出來的3D打印筆，通過液壓系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、微型直線電機(jī)合理控制，可實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)供應(yīng)打印材料，解決了目前市場上3D打印筆無法打印液體材料的問題，同時它又設(shè)計簡約精致，輕量化，打印過程穩(wěn)定，特別是根據(jù)使用習(xí)慣而采用人體工程學(xué)設(shè)計，這都使得這種類型食品領(lǐng)域應(yīng)用的3D打印筆得到很大的發(fā)展。然而由于微型電磁換向閥等微型部件尺寸小，需要特別制造，成本比較高，同時機(jī)械微型化目前還存在難以解決的科學(xué)難題，因此本設(shè)計仍處于試驗階段，但也為后續(xù)對此領(lǐng)域的研究打下了一定的基礎(chǔ)。

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