外嚙合齒輪3D食品打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

覃家金，寧雪梅

（廣西英華國際職業(yè)學(xué)院，廣西 欽州535000）

3D食品打印技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種快速食品制造技術(shù)[1]，其堆積成型技術(shù)在食品打印行業(yè)應(yīng)用廣泛[2]，因此，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)基于3D食品打印技術(shù)開發(fā)了不同類型的3D食品打印機(jī)。2011年英國?？巳卮髮W(xué)研究人員開發(fā)出世界首臺(tái)3D巧克力打印機(jī)[3]，該打印機(jī)使用巧克力漿替代油墨，同時(shí)配備冷卻及保溫系統(tǒng)，逐層打印，打印形狀豐富各異，深受廣大消費(fèi)者喜愛。2015年，我國浙江大學(xué)研發(fā)了活塞式3D食品打印筆[4]。2016年，廣西大學(xué)研發(fā)了對(duì)稱嚙合雙螺桿式3D食品打印機(jī)[5]，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)打印。上述打印機(jī)雖可實(shí)現(xiàn)定量擠出，機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，但擠出機(jī)構(gòu)復(fù)雜，占用空間較大。為此，本文提出了一種外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)定量擠出、連續(xù)打印，且結(jié)構(gòu)較為簡單。

1 擠出機(jī)構(gòu)的確定

3D食品打印機(jī)主要系統(tǒng)是由機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等組成的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其主要模塊有：XY-Z運(yùn)動(dòng)控制模塊、食品擠出機(jī)構(gòu)、數(shù)控模塊、成型環(huán)境模塊等組成。對(duì)于不同擠出食材來說，食品擠出機(jī)構(gòu)是整個(gè)3D食品打印系統(tǒng)研究的核心。根據(jù)3D食品打印機(jī)的設(shè)計(jì)要求，擠出機(jī)擠出量必須定量；能夠?qū)崿F(xiàn)定量打印的擠出機(jī)構(gòu)類型，主要包括柱塞擠出機(jī)構(gòu)、活塞擠出機(jī)構(gòu)、螺桿擠出機(jī)構(gòu)和齒輪擠出機(jī)構(gòu)等。柱塞擠出機(jī)構(gòu)和活塞擠出機(jī)構(gòu)雖然可實(shí)現(xiàn)定量擠出，但打印中途需要停機(jī)加料，操作不方便，且設(shè)備占用空間較大；螺桿擠出機(jī)構(gòu)和齒輪擠出機(jī)構(gòu)無需停機(jī)加料，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。目前，螺桿擠出機(jī)構(gòu)可分為單螺桿擠出機(jī)構(gòu)和雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)，單螺桿擠出機(jī)構(gòu)相比于雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)，擠出效率不高，齒輪擠出機(jī)構(gòu)相比于雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)更為簡單。從零件加工工藝和擠出系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，還從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證要求考慮，選擇齒輪擠出機(jī)構(gòu)。齒輪按照嚙合形式，可分為外嚙合和內(nèi)嚙合兩種類型。內(nèi)嚙合齒輪相比于外嚙合齒輪，加工工藝復(fù)雜，因此最終選擇外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)如圖1。該外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)包含一個(gè)主動(dòng)擠出齒輪和一個(gè)從動(dòng)擠出齒輪。齒輪與擠出機(jī)端蓋及擠出機(jī)殼接合處應(yīng)留有一定間隙，保證齒輪的正常運(yùn)行，如果間隙太小，將可能導(dǎo)致齒輪無法轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)不順暢。由于打印所需的食材具有一定的黏性，齒輪間隙在一定程度上被密封，防止了物料的回流，間接提高了定量擠出效率。

圖1 外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)

2 外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 外嚙合齒輪3D食品打印擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

外嚙合齒輪3D食品打印擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2，其主要由齒輪擠出模塊、機(jī)械傳動(dòng)模塊、同步控制模塊、X軸驅(qū)動(dòng)模塊組成。其中，齒輪擠出模塊包括擠出機(jī)端蓋、擠出機(jī)殼、主動(dòng)擠出齒輪軸、從動(dòng)擠出齒輪軸、擠出嘴和料斗，實(shí)現(xiàn)物料的定量擠出；機(jī)械傳動(dòng)模塊包括擠出電機(jī)、同步帶、小同步輪和大同步輪；實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞及同步控制；X軸驅(qū)動(dòng)模塊包括X軸光桿固定架、X軸同步帶、小同步輪、大同步輪、同步帶、X軸控制電機(jī)、X軸光桿、擠出機(jī)固定架和直線軸承，實(shí)現(xiàn)擠出機(jī)構(gòu)X方向運(yùn)行控制；同步控制模塊包括同步控制軟件和控制板，實(shí)現(xiàn)擠出機(jī)構(gòu)的同步打印控制。

圖2 外嚙合齒輪3D食品打印擠出機(jī)構(gòu)

2.2 外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的工作原理

外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的工作原理如圖3?；镜墓ぷ鬟^程如下：控制模塊發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)擠出電機(jī)，擠出電機(jī)通過小同步輪和大同步輪放大扭矩，控制主動(dòng)擠出齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)擠出齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)擠出齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得擠出機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生容積可變化的密封腔，從而引導(dǎo)物料從吸料口（料斗）進(jìn)入出料口（擠出嘴），實(shí)現(xiàn)食品3D圖案的打印。

圖3 外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的原理

3 實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，搭建圖4所示的外嚙合齒輪擠出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)包括控制電腦和3D打印機(jī)?？刂齐娔X主要實(shí)現(xiàn)3D圖案的設(shè)計(jì)、打印參數(shù)的設(shè)置、代碼編程和固件的上傳；3D打印機(jī)主要任務(wù)是接受控制電腦發(fā)出的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)X、Y、Z三軸同步運(yùn)動(dòng)以及同步控制擠出機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料擠出。

圖4 外嚙合齒輪擠出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

具體實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）組建3D實(shí)驗(yàn)打印控制平臺(tái)。

（2）固件的編輯及上傳，調(diào)試機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)。

（3）使用Proe三維軟件設(shè)計(jì)3D圖案并轉(zhuǎn)換為STL格式打印模型。

（4）使用Repetier-Host軟件導(dǎo)入STL格式打印模型，設(shè)置切片軟件CuraEngine的打印參數(shù)（見表1），編輯3D打印代碼gcode。

（5）按比例制作實(shí)驗(yàn)材料（見表2），加料，啟動(dòng)打印。

表1 打印參數(shù)

表2 材料比例

實(shí)驗(yàn)打印結(jié)果如圖5所示，由圖中可看出實(shí)驗(yàn)成品均勻，達(dá)到預(yù)期效果。由于實(shí)驗(yàn)過程不需要溫度加熱控制，因此編輯固件當(dāng)中相應(yīng)的溫度控制命令行，設(shè)置溫度為0℃（即超過設(shè)定溫度即可運(yùn)行，一般設(shè)定溫度為100℃以上）。運(yùn)行中其它設(shè)置均勻無問題，但出現(xiàn)執(zhí)行電機(jī)不動(dòng)的情況，可能是程序執(zhí)行了“M104 T0 S0”和“M109 T0 S0”代碼，將這兩行代碼刪除，完成后重新啟動(dòng)打印，實(shí)驗(yàn)可繼續(xù)進(jìn)行。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試可知，該機(jī)構(gòu)具有運(yùn)行平穩(wěn)，擠出量穩(wěn)定，加料方便等優(yōu)勢。

圖53 D食品實(shí)驗(yàn)打印結(jié)果

4 結(jié)束語

針對(duì)國內(nèi)外3D食品打印機(jī)存在的不連續(xù)打印、擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)一種外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)，搭建3D實(shí)驗(yàn)打印平臺(tái)并進(jìn)行打印測試，得到主要結(jié)論：外嚙合齒輪3D食品打印機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)定量擠出，連續(xù)打印，且具有機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。