基于Arduino的小型膨化食品3D打印機開發(fā)

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，成為當今的熱門技術(shù)之一。該文設(shè)計了一種小型食品3D打印機，主要由原材料擠出裝置、輸送裝置、運動驅(qū)動裝置及控制系統(tǒng)等部分組成，步進電機的驅(qū)動使3個聯(lián)動控制更加靈活，通過電機直驅(qū)單螺桿擠出裝置擠出原材料，采用Arduino控制軟件實現(xiàn)食品打印運動與擠出動作的精確控制；配備錐形料斗可以儲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)的樣機產(chǎn)品具有良好的工作效果。

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

中圖分類號：TP334.8 文獻標志碼：A

0 前言

隨著經(jīng)濟的發(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打印成為其中一個重要發(fā)展方向。食品3D打印機是將3D打印技術(shù)與食品制作巧妙結(jié)合在一起的機器。

該文設(shè)計了一種基于Arduino的小型膨化食品3D打印機，主要由控制部分、原材料擠出裝置、原材料輸送裝置以及運動控制裝置等部分組成，同時還設(shè)計了食物擠出、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行熟化。實現(xiàn)現(xiàn)有3D食品打印機不能實現(xiàn)的立體打印。

1 小型膨化食品3D打印機成型原理

首先利用計算機輔助軟件，設(shè)計出食品的三維模型，再通過單螺桿擠出裝置將提前攪拌均勻的原材料進行逐層疊加，制造出與所建立三維模型對應(yīng)的可食用性食物。操作者可以根據(jù)需求自主設(shè)計食物的形狀、尺寸等，象房屋、生活用品、人物造型等。使用時，將食材加入螺桿擠出機，在擠出原動機的帶動下，面、米食材經(jīng)過料斗進入噴嘴，通過X、Y、Z 3個方向的進給運動來調(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)來加熱食材，從而得到打印食品。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為小型膨化食品3D打印機的三維結(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傳動部分、單螺桿擠出機構(gòu)及其他輔助機械部件等。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動位置。

打印機的主框架由為20 mm×20 mm的標準型材構(gòu)成，架構(gòu)簡單，拆裝方便。打印機的底部由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，保證了打印機在工作的過程中不會由于劇烈的振動而降低打印精度。

使用料斗儲料裝置能夠?qū)崿F(xiàn)一次加料，長時間連續(xù)打印，改進了現(xiàn)有3D食品打印機需要頻繁停機換料的不足。

擠出機構(gòu)采用螺桿機構(gòu)，通過螺桿不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對物料的均勻推進，還能夠?qū)ξ锪线M行攪拌，使粉料、液體混合均勻，輸送流暢，進一步提高熟化食品的均一性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

采用Arduino Mega 2560 作為主控板，Arduino Mega 2560 讀取輸入的數(shù)據(jù)以及計算機輔助設(shè)計軟件所繪制的食品三維模型并進行處理，由此計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X、Y、Z 3個軸的位置進行檢測反饋并調(diào)整各電機運動至初始化狀態(tài)，為即將進行的工作提前做好準備。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固件并對固件參數(shù)進行調(diào)整。Arduino 控制程序框圖如圖2所示。

4 樣機研制

所開發(fā)的小型膨化食品3D打印機樣機如圖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)檢測到信息并進行處理，再發(fā)送給傳動機構(gòu)，然后按照打印指令逐層進行打印。各個電機通過Arduino 控制系統(tǒng)實現(xiàn)各種動作，使擠出機以及各個方向的位移控制電機之間按照相應(yīng)的指令相互協(xié)調(diào)運動，同時擠出電機將錐形料斗里面的面糊或米糊材料擠出，進行打印工作。打印結(jié)束后，Arduino 控制系統(tǒng)發(fā)出指令各步進電機恢復(fù)初始化位置。經(jīng)過實驗以及對打印樣品的基本參數(shù)測量，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

該文開發(fā)的小型膨化食品3D打印機可以制作形狀復(fù)雜的食物，實現(xiàn)較高精度的立體食物打印，設(shè)計的食物擠出機構(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，可以個性化定制，更加便攜。

參考文獻

[1]吳世嘉，張輝，賈敬敦.3D打印技術(shù)在我國食品加工中的發(fā)展前景和建議[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2015，17（1）：1-6.

[2]陳妮.3D打印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應(yīng)用和發(fā)展前景[J].農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2014（16）：57-60.

[3]程偉，李向陽，戴俊平，等.基于Arduino桌面級折疊3D打印機的設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2016，29（4）：97-99.

[4]龔華超.設(shè)計思維語境下的分子料理3D打印新機遇[J].設(shè)計，2015（15）：49-51.