宋　琦，劉　鵬，陳　雪，劉　通

(北華大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132013)

三維打印(Three-Dimensional Printing)又稱為3D打印，最早起源于19世紀末期[1].但由于受到數(shù)字技術(shù)發(fā)展程度低的制約，直到20世紀末期才開始應(yīng)用[2].3D打印作為一種新興的快速成型技術(shù)，具有加工便捷、快速等特點，尤其適用于加工小批量的高端定制化產(chǎn)品.近年來，受益于數(shù)字建模技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)也在短時間快速發(fā)展成熟，迅速應(yīng)用于航空、模具、醫(yī)療、藥物、食品、教育等領(lǐng)域[3-9].

巧克力作為深受大眾喜愛的休閑食品，不僅味道甜美、口感好，還具有獨特的光澤，并且可以通過加工獲得各種美觀的外形，逐漸成為一種個性化定制的特殊禮品.傳統(tǒng)的個性化定制巧克力，依賴于模具成型，形狀變化少，所用模具制作周期長，成本高，其應(yīng)用普及性受到了很大的限制.

為了適應(yīng)定制巧克力外形復(fù)雜化和個性化的發(fā)展趨勢，結(jié)合3D打印技術(shù)造型靈活多變的特點，2011年英國?？速愄卮髮W(xué)研究人員開發(fā)出了世界首臺巧克力3D打印機[10]，掀起了一股巧克力3D打印的研究熱潮.巧克力3D打印發(fā)展至今技術(shù)日漸成熟，但現(xiàn)有的巧克力3D打印機，存在連續(xù)送料難和打印精度低等問題，限制了巧克力3D打印產(chǎn)品的發(fā)展.本文針對以上問題進行研究并加以改進，設(shè)計了一款連續(xù)送料式高精度巧克力3D打印機.

1　巧克力3D打印整體設(shè)計

本文所設(shè)計的巧克力3D打印機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主控單元、定位裝置、加熱裝置、送料裝置和打印噴頭等部件構(gòu)成.采用12 V直流電源為動力，步進電機作為驅(qū)動原件，帶動打印噴頭在打印工作臺上移動并精確定位，打印噴頭與連續(xù)式送料裝置相連接，以保證在打印過程中可以不間斷的持續(xù)送料.打印噴頭和送料裝置上分別裝有加熱裝置以確保巧克力在合適的溫度進行送料和打印，打印過程中使用Arduino微控制器協(xié)調(diào)各部件動作[11].

圖1　巧克力3D打印機總體結(jié)構(gòu)

2　定位機構(gòu)設(shè)計

定位機構(gòu)是影響巧克力3D打印機精度的主要因素.目前市場上的巧克力3D打印機定位機構(gòu)主要有兩種，一種是并聯(lián)式三維平臺定位機構(gòu)，另一種是采用XYZ三軸定位的笛卡爾坐標(biāo)系定位機構(gòu).并聯(lián)式三維平臺定位機構(gòu)如圖2所示，由三根相互平行的并聯(lián)桿組成運動軌道，連接打印噴頭的三個滑塊分別在三個軌道上沿著軌道方向上下移動，由此帶動打印噴頭在垂直方向和水平方向進行移動和定位，完成打印工作.并聯(lián)式三維平臺定位機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，打印噴頭移動速度快，適合快速打印，但由于三根并聯(lián)桿的剛性限制，很難實現(xiàn)較高的打印精度.而且隨著打印尺寸的減小，其打印誤差會成倍的增大[12]，較難應(yīng)用于形狀復(fù)雜尺寸精細的巧克力模型打印.

圖2　并聯(lián)式三維平臺定位機構(gòu)

本文所設(shè)計的巧克力3D打印機主要針對形狀復(fù)雜的定制化禮品巧克力，為了提升打印精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，定位機構(gòu)采用了精度較高的笛卡爾坐標(biāo)系.笛卡爾坐標(biāo)系以互相垂直的X、Y、Z三軸定位，剛性好，定位精度高.X軸和Y軸使用同步帶和同步輪傳動，如圖3所示，能夠快速而精準地定位.Z軸采用滾珠絲杠進行精確定位和傳動，如圖4所示.X、Y、Z三軸的驅(qū)動原件均采用較高精度的小型步進電機，每步1.8度.使得裝置在快速進行3D打印的同時，保證了打印精度.

圖3　X、Y軸定位傳動機構(gòu)

3　送料裝置及打印噴頭設(shè)計

3.1　打印噴頭整體設(shè)計

本文所設(shè)計的打印噴頭集成了送料裝置和加熱裝置，主要由供料箱、加熱塊、送料軟管、送料箱、步進電機、聯(lián)軸器、送料絲杠、噴嘴等部件組成，如圖5所示.打印時將可可粉裝入供料箱中，利用供料箱上的加熱系統(tǒng)使可可粉融化，融化的可可粉通過連接軟管進入送料箱.送料箱內(nèi)的巧克力在送料絲杠的旋轉(zhuǎn)推動作用下進入打印噴嘴，并完成打印.噴嘴處帶有鋁制加熱塊，以確保噴嘴處的巧克力處于融化狀態(tài).

圖5　集成送料裝置和加熱裝置的打印噴頭

3.2　加熱系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的巧克力3D打印機設(shè)有兩處加熱裝置，一是供料箱處，用來加熱可可粉，使其成為融化狀態(tài)的巧克力并通過軟管流入送料箱內(nèi)；二是打印噴嘴處，用來保證噴嘴處的巧克力溫度，使其一直處于融化狀態(tài)，以免堵塞噴嘴.加熱裝置主要由鋁制的電阻加熱塊和溫度傳感器組成，溫度傳感器用以實時監(jiān)測巧克力的溫度并反饋給控制系統(tǒng)，再由加熱塊對溫度進行調(diào)節(jié)，使巧克力適中處于適合打印的溫度(34～46 ℃)[13].

3.3　送料系統(tǒng)設(shè)計

目前大部分巧克力3D打印機采用活塞擠出送料方式，其原理如圖6所示.由活塞對缸體內(nèi)的巧克力進行擠壓來實現(xiàn)供料.但在料筒內(nèi)的材料用完之后需要重復(fù)裝填或者更換料管，影響打印速度，不便于持續(xù)打印.

圖6　活塞擠出送料原理示意圖

本文中設(shè)計的3D打印機采用旋轉(zhuǎn)螺桿的送料方式，其原理如圖7所示，讓融化的巧克力流入螺桿與料桶壁的間隙，通過送料螺桿的旋轉(zhuǎn)作用擠出融化的巧克力完成打印.在打印的過程中，可以從上方的供料箱處加入原料，換料的同時不需要暫停打印或更換送料部件，可實現(xiàn)連續(xù)供料，加快了整體的打印速度.送料螺桿通過聯(lián)軸器與高精度步進電機相連，利用步進電機對送料絲杠的旋轉(zhuǎn)速度進行調(diào)節(jié)，來精確地控制送料速度，以提高打印模型的精度.

圖7　旋轉(zhuǎn)絲杠送料原理示意圖

4　結(jié)　　論

本文為了迎合巧克力個性化、定制化的發(fā)展趨勢，結(jié)合3D打印技術(shù)的特點，設(shè)計了一款可持續(xù)供料的高精度巧克力3D打印機.

(1)打印機采用精度較高的笛卡爾坐標(biāo)系進行定位，并采用高精度的步進電機進行控制，同步帶和滾珠絲杠機構(gòu)進行傳動，保證了打印精度.

(2)打印機采用由鋁制加熱塊和溫度傳感器組成的溫控系統(tǒng)對供料箱和噴嘴處的溫度進行控制，保證打印順利進行.

(3)打印機使用旋轉(zhuǎn)螺桿進行送料，將填料裝置和送料裝置分離，實現(xiàn)了巧克力3D打印的連續(xù)送料和持續(xù)打印.

參考文獻：

[1]黃健, 姜山.3D打印技術(shù)將掀起 “第三次工業(yè)革命”[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013：62-68.

[2]楊小玲，周天瑞.三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報，2009：21.

[3]張彥芳.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用[J].科技視界，2013：123-123.

[4]王安琪，馮曉明，楊昭鵬.3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].中國醫(yī)療器械信息，2014(8)：1-7.

[5]Enquan Y.The influence of 3D printing to the Development of Aviation Manufacturing[J].aeronautical science & technology，2013(1)：13-17.

[6]Rengier F，Mehndiratta A，Von Tengg-Kobligk H.3D printing based on imaging data：review of medical applications[J].International Journal Of Computer Assisted Radiology And Surgery，2010，5(4)：335-341.

[7]Carter Y，Allard T T，Moore N C.The role of 3D printing in teaching and ducation in human skeletal anatomy[J].Faseb Journal，2009：23.

[8]Mazzoleni G，Di Lorenzo D，Steimberhg N.Modelling tissues in 3D：the next future of pharmaco-toxicology and food research[J].Genes And Nutrition，2009，4(1)：13-22.

[9]邵翌鑫. 家用3D打印機設(shè)計方向[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2016,11(16)68-71.

[10] 筠芳.3D巧克力打印機問世[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2011：33-33.

[11] 李天旭.基于Arduino的便攜式空氣凈化裝置的設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2017，7(34)：34-40.

[12] 褚雪松.3D食品打印關(guān)鍵技術(shù)研究[D].銀川：寧夏大學(xué)，2016.

[13] 童晶.低成本個性化巧克力三維打印平臺[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2015,6(27)：984-991.