基于3D打印技術(shù)的食品機設(shè)計與實現(xiàn)

莫 榮

(桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 廣西·桂林 541004)

1 技術(shù)路線及方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)基于3D打印技術(shù)，采用三軸并聯(lián)Kossel結(jié)構(gòu)，人機界面采用2.8寸的，中文彩色觸摸屏顯示操作。擠出機采用貫通步進電機，通過轉(zhuǎn)子帶動絲桿的伸縮，推動注射器將食材擠出。打印文件通過SD卡讀取，觸摸屏選擇打印文件，主控板根據(jù)切片軟件生成的G代碼指令，控制各個步進電機，完成軸位置的移動與擠出，通過三個軸的上下運動配合，控制噴頭的平面運動，在通過擠出機將食材擠出，打印出設(shè)定好形狀的食物。主控板核心采用STM32為核心的控制板，支持觸摸屏控制，功能豐富運行高效穩(wěn)定，步進電機驅(qū)動使用4988芯片，電流大精度高可細分。打印平臺可升降設(shè)計，方便打印高度的定位，無需復(fù)雜的手動校準方便用戶操作。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

1.2 機器結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器運動裝置采用三軸并聯(lián)設(shè)計，通過皮帶帶動三個軸的不同高度，實現(xiàn)點在空間坐標的移動。機器外形呈三棱柱結(jié)構(gòu)，鋁合金材料搭建。機器上方加裝食品加料裝置呈漏斗狀。漏斗中加裝螺旋泵由步進電機驅(qū)動，加料裝置與出料噴口用管道連接，采用可拆洗設(shè)計方便清理。可移動托盤設(shè)計，打印好的食物可以方便取出。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：3D食品打印機工程設(shè)計圖

1.3 打印噴頭運動設(shè)計

打印機采用的是三軸并聯(lián)的運動結(jié)構(gòu)，是基于現(xiàn)在的三角洲3D打印機結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于電機倒置安裝，目的就是為了增大工作區(qū)域。選用這樣的結(jié)構(gòu)是為了方便安裝擠出機裝置，而且三角洲結(jié)構(gòu)安裝與改造更加方便，運動方式看起來更加具有科技感。在三個運動軸上，每一個運動軸上有2根連桿與打印頭連接。連桿的另一端與滑塊連接可上下運動，建立的數(shù)學(xué)模型就是一個三角體，其數(shù)學(xué)原理實際上還是笛卡爾坐標系，只是通過三角函數(shù)將XY坐標映射到三臺垂直的軸上去。通過步進電機驅(qū)動螺旋泵的旋轉(zhuǎn)，不斷的帶動原料往管道里運送，螺旋泵將食材擠壓進管道形成壓力，使噴口擠出原料從而進行打印。并聯(lián)運動結(jié)構(gòu)帶動噴口在空間逐層進行打印運動，打印出預(yù)先設(shè)計好的規(guī)則的食物。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3：3D食品打印機擠出裝置結(jié)構(gòu)圖

1.4 加熱裝置設(shè)計

對于一些需要加熱的食材如巧克力、糖等就需要對食材進行加熱保證食材成流體狀態(tài)，保證螺旋泵的輸送。溫度的加熱用加熱棒進行加熱，在加料裝置外圍安裝加熱棒進行加熱，溫度的檢測用熱電阻檢測并通過單片機對其進行控制。

1.5 電路控制

采用成熟的3D打印機控制電路，采用高性能的ARM芯片對電機、加熱棒進行精確控制。保證打印食物的外觀，采用彩屏觸摸屏對機器進行設(shè)置，方便操作。中文顯示方便使用者操作。具體控制單元如圖4所示。

圖4：3D食品打印機控制單元

1.6 整機設(shè)計

系統(tǒng)整機采用三角洲結(jié)構(gòu)，其數(shù)學(xué)原理為基于笛卡爾坐標系，通過三角函數(shù)將XY坐標映射到三臺垂直的軸上去，其機械復(fù)雜程度要比傳統(tǒng)的直角坐標系結(jié)構(gòu)簡單很多，優(yōu)點有：打印精度、打印速度較高；安裝過程較為簡單、維修也較為簡單。整機具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5：3D食品打印機整體樣機圖

1.7 Cuar軟件的運用

在3D切片處理軟件中，最常見的兩個軟件分別為，Cura與Slic3r。Cura最大的特色，就是它的高速切片能力，以及合理的切片方案，人性化的界面參數(shù)，對于一個比較大且復(fù)雜的模型，在slic3r里緩慢的切片過程，常常需要幾十分鐘時間，可能最后還會內(nèi)存不足，影響工作效率。但是同樣的模型在Cura中，往往只需要幾十秒到幾分鐘，而且打印質(zhì)量沒有什么區(qū)別，成為很多3D打印行業(yè)的首選。Cura軟件界面與實際打印效果對比圖如圖6所示。

圖6：切片軟件效果與實際打印效果對比圖

2 結(jié)語

3D食品打印機集機電一體智能控制技術(shù)于一身，創(chuàng)新功能有：

（1）食品外觀繽紛多彩，精致精美，滿足個性化私人定制需求；

（2）食物營養(yǎng)搭配比例的精確實現(xiàn)，包括含糖量、熱量、酸甜度等比例的合理設(shè)置；

（3）采用水果泥3D打印技術(shù)，實現(xiàn)適合老年人食用的軟質(zhì)食物3D打印；

（4）打印機平臺底部加裝電加熱盤，可實現(xiàn)煎餅3D打印。

綜上所述，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，相信3D食品打印機的可成為家庭廚房的好幫手，滿足蛋糕食品店的個性化私人訂制需求，具有廣闊的商業(yè)市場前景。