梁曉博 張廣鵬 王飛

摘 要：3D打印技術的問世改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)的模式，成為當今的熱門技術之一。該文設計了一種小型食品3D打印機，主要由原材料擠出裝置、輸送裝置、運動驅動裝置及控制系統(tǒng)等部分組成，步進電機的驅動使3個聯(lián)動控制更加靈活，通過電機直驅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。

關鍵詞：食物3D打印機；螺桿擠出機；3D打印技術；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打印技術與食品制作巧妙結合在一起的機器。

該文設計了一種基于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，同時還設計了食物擠出、烘焙等新型結構，編寫了相應的控制程序，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的可食用性食物。操作者可以根據(jù)需求自主設計食物的形狀、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來加熱食材，從而得到打印食品。

2 機械結構設計

圖1為小型膨化食品3D打印機的三維結構圖，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、單螺桿擠出機構及其他輔助機械部件等。X、Y、Z各方向軸都裝有行程開關，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的標準型材構成，架構簡單，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實現(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。

擠出機構采用螺桿機構，通過螺桿不僅能夠實現(xiàn)對物料的均勻推進，還能夠對物料進行攪拌，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)擠出材料設定相應的烤箱烘焙溫度，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，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。打印結束后，Arduino 控制系統(tǒng)發(fā)出指令各步進電機恢復初始化位置。經(jīng)過實驗以及對打印樣品的基本參數(shù)測量，打印結果基本符合要求，圖4為食品打印效果圖。

5 結語

該文開發(fā)的小型膨化食品3D打印機可以制作形狀復雜的食物，實現(xiàn)較高精度的立體食物打印，設計的食物擠出機構以及烘焙裝置等結構與編寫的控制程序相互結合，食材搭配靈活方便，可以個性化定制，更加便攜。

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