3D裱花機的結構設計

成瑾才++周陽++錢家豪++沈雙++陳曉鋒

摘 要在這個快速消費的時代，人們對食品的質量和制作速度提出了越來越高的要求。同時，隨著時代的自動化程度越來越高，結合微機的技術，設計了一臺自動化的3D裱花設備，縮短加工時間，提高食品的質量安全。

【關鍵詞】3D技術 蛋糕裱花 結構設計

1 3D裱花機的生產前景及意義

3D打印作為一項新興的快速成型技術，被認為是推動第三次工業革命的重要因素之一。3D打印按照“逐層打印，堆疊成型”的方式生產產品，其具有方便、靈活、速度快、精度高等特點，在航天、醫學、食品、建筑、生化、工業、文物保護、配件飾品等諸多領域得以廣泛應用。

3D食品打印機是將3D打印技術應用到食品制造層面上的一種機器，主要由控制電腦、自動化食材注射器、輸送裝置等幾部分組成，它所制作出的食物形狀、大小和用量都由電腦操控，其工作原理和操作方法與3D打印機相似。其使用的打印材料是可食用的食物材料和相關配料，將其預先放入容器內，將食譜輸入機器，開啟按鍵后，注射器上的噴頭就會將食材均勻噴射出來，按照“逐層打印、堆疊成型”制作出立體食物產品。

現行的裱花操作都是采用手工操作，如同廚房作業。有資料表明：與同樣原材料的糕點相比，人工勞動量增加了3～4倍，可是，價格只增加了1.5～3倍，成本昂貴卻得利甚微。將機械技術運用到蛋糕裱花上，這樣既減少制做過程中人與食品的接觸，防止細菌俊入，保證成品的衛生要求，又減少了運輸、貯存等中間環節，避免了不必要的污染。使顧客買得稱心，吃得放心。

2 機械結構設計思路

市面商店需要降低生產成本，其中最重要的是減少制作蛋糕過程中的人力成本，減少必要勞動時間，因而機械化生產是最優選擇。與此同時，還可以嚴格貫徹食品衛生法，實行無菌生產、無菌包裝，延長儲存期。既保護人民健康，又解決禮品糕點時節性強及忙時供不應求的問題。

目前，蛋糕房制作糕點，大多是是將單色的奶油物質裝在帶噴嘴的軟袋里面，由師傅進行手工的蛋糕裱花，根據不同的蛋糕模型，多次交替軟袋，完成一個蛋糕的制作。

為了滿足蛋糕設計的顏色需求，我們將以白，藍，紅，作為三種基礎顏色進行裱花過程。在機器的運行過程上，我們將其分成兩個階段。

（1）奶油準備階段——主要完成奶油從儲藏盒到達噴嘴的過程。

（2）奶油上料階段——主要完成奶油按照要求對蛋糕修飾的過程。

3 機械結構設計方案

3.1 自動蛋糕裱花機的功能結構圖

蛋糕裱花機的程序運行圖如圖1所示。開機之后的第一個工位是對機構的復位，確保每次的運行都不會受到前一個工作任務的干擾，重置初始點，保證裱花的精度。程序中兩個關鍵判斷，一個是蛋糕是否放置的檢測，一個是指令檢測，保證奶油擠出的前提條件。

3.2 自動蛋糕裱花機的總體設計草圖

圖2所示是設備的機械結構框架示意圖（無包裝外殼）。

3.3 絲桿組的布局設計

XYZ軸絲桿組的組成構件見圖3。

3.4 設備的氣泵控制布局圖

蛋糕裱花機中的控制氣閥、氣泵等原件的設計圖，根據程序設計需要，安排如圖4所示。

4 主要解決的兩個問題

4.1 如何控制植脂奶油的進量

一般餅房中的鮮奶油，通常為植脂奶油，是從植物中提煉的物質由人工合成的，近似奶油口感的物質，與我們通常食用的“牛奶”沒有關系，它溶點相對動物脂（淡）奶油較高不容易溶化，不易被人體吸收，但穩定性好，所以裱花效果較好，且成本低廉，在國內被普遍使用，粘稠度相對動物脂奶油略低，對其進行分析時，可以將其作為一種粘滯性較高的流體。

控制流體的出入，現行有兩種方案，一是通過絲桿將電機的轉動扭矩變成直線運動，將力輸出在密封端面上，進而對密封端面產生可控制的壓力，內部的奶油物質在外力的作用下，從擠出端擠出；二是改變密封容器內部的氣壓，當容器內部氣壓大于外部氣壓時，則內部的奶油被壓出。以上兩種方案均可以完成對奶油進出的控制，但是考慮到顏色的變化，倘若僅適用第一種方案，機械結構過于冗雜，笨重，不如第二種方案增加機電控制元件，減少重復機械結構的使用，進而簡化機器。

4.2 如何使奶油按照要求修飾蛋糕

現在市面上有許多3D打印機，核心技術是：3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D蛋糕裱花機就是利用3D打印機器的機械結構（即XYZ三軸聯動），將一個擠出動作分成多個不同的層次，先后執行，就可以按照一定的運動軌跡擠出所需要的奶油造型，完成奶油對蛋糕的修飾過程。

運動軌跡的實現是通過電腦上編寫的代碼實現的，每一次的動作分為XYZ三個方向之后，相當于執行了三次操作，X軸，Y軸，Z軸依次接收到代碼命令進行移動，一個模型的堆疊是由若干次的移動實現的，子程序中也就包含了多行對應的代碼，至此，完成奶油模型的堆疊及蛋糕修飾過程。

5 結束語

本文主要闡述了3D蛋糕裱花機器的設計。從設備的工作流程圖，結構設計圖入手，提供了一種合理且實用的設備設計。其中，機械的運作主要采用滾珠絲桿，單片機系統采用Arduino Mega2560進行設計，同時結合氣泵控制系統，組成整個設備。文中所有模型均為作者使用SOILDWORKS建模設計完成，數據使用合理，實踐性很強，可以實現整機的制作。

參考文獻

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作者單位

南京工程學院 江蘇省南京市 211167