覃家金，林 志

（1.廣西英華國(guó)際職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣西 欽州535000；2.廣西大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程實(shí)訓(xùn)中心，廣西 南寧 530004）

3D食品打印技術(shù)是在3D打印技術(shù)發(fā)展的同時(shí)而產(chǎn)生的一種新興食品制作加工技術(shù)[1]。因堆積成型技術(shù)在食品打印行業(yè)中應(yīng)用最廣[2]，所以國(guó)內(nèi)外基于堆積成型技術(shù)對(duì)3D食品打印機(jī)進(jìn)行不同類型的研發(fā)。全球第一款3D食品打印機(jī)“Foodini[3]”，由西班牙一家名為Natural Machines的創(chuàng)業(yè)公司研發(fā)[4]。世界首臺(tái)3D巧克力打印機(jī)由英國(guó)?？巳卮髮W(xué)研究人員于2011年開發(fā)[5]，該打印機(jī)包含冷卻系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，每一層巧克力經(jīng)過(guò)打印后再經(jīng)歷凝固過(guò)程。美國(guó)宇航局于2013年研究開發(fā)了一款適合飛行攜帶的3D食品打印機(jī)[6]，此3D食品打印機(jī)設(shè)備占用空間非常小。2015年，我國(guó)浙江大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種活塞注射式3D食品打印筆，可打印巧克力等液態(tài)食材[7]。以上3D食品打印機(jī)存在打印容量?。ㄖ型就C(jī)加料），擠出效率不高等問(wèn)題。為此，本文提出一種對(duì)稱嚙合雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印，無(wú)需中途停機(jī)加料；且通過(guò)采用雙螺桿擠出方式，使其運(yùn)行工作效率更高。

1 擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理

1.1 雙螺桿結(jié)構(gòu)

雙螺桿類型依照嚙合形式可分為全部嚙合與部分嚙合。從雙螺桿的加工工藝和3D食品打印機(jī)物料擠出系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，選擇部分嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿作為擠出裝置，所設(shè)計(jì)的雙螺桿結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中雙螺桿間保留有一定的螺棱間隙，物料在輸送過(guò)程中會(huì)將螺棱間隙密封，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)由部分嚙合異向旋轉(zhuǎn)縱向和橫向皆封閉的擠出系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿珖Ш袭愊蛐D(zhuǎn)縱向和橫向皆封閉的系統(tǒng)。與此同時(shí)，兩根螺桿采用對(duì)稱放置的形式，減少了異向旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的橫向力和軸向推力分別對(duì)螺桿和軸承的影響。

圖1 對(duì)稱嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿

1.2 雙螺桿式3D食品擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

雙螺桿式3D食品擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由機(jī)械傳動(dòng)部分、雙螺桿擠出部分、同步控制部分和X軸驅(qū)動(dòng)部分組成。其中，機(jī)械傳動(dòng)部分包括大同步輪、小同步輪和同步帶，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與螺桿之間的扭矩傳遞；雙螺桿擠出部分包括端蓋兼軸承座、對(duì)稱雙螺桿、噴嘴和擠出螺筒，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的輸送；同步控制部分包括控制模塊、擠出步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)架、基座，完成對(duì)兩個(gè)擠出步進(jìn)電機(jī)的同步控制；X軸驅(qū)動(dòng)部分包括X軸光桿固定架、X軸光桿、直線軸承、小滾輪、吊架、X軸同步帶、X軸驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、X軸同步輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出裝置的X軸方向的移動(dòng)。在工作過(guò)程中，控制模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)同步運(yùn)行，通過(guò)同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)稱雙螺桿進(jìn)行異向旋轉(zhuǎn)嚙合，此時(shí)由進(jìn)料口進(jìn)入擠出螺筒的物料，在雙螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)嚙合擠壓下由噴嘴擠出，從而完成3D圖案的打印。

圖2 對(duì)稱嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)

2 擠出通道流場(chǎng)ABAQUS有限元分析

擠出機(jī)構(gòu)的擠出通道流場(chǎng)由兩根螺桿與機(jī)筒之間的間隙和螺桿與螺桿之間的間隙組成。為更清楚地了解流場(chǎng)內(nèi)物料的輸送情況及雙螺桿的受力情況，選取異向雙螺桿擠出流道關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析，建立PRO/E流場(chǎng)模型，并轉(zhuǎn)成ABAQUS軟件識(shí)別的IGS格式的零件模型，在不影響數(shù)據(jù)分析的前提下，所選取的流道關(guān)鍵部位簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 流道關(guān)鍵部位簡(jiǎn)化模型

模型邊界是有限元分析的重要一步，該流場(chǎng)主要邊界有入口、出口、流場(chǎng)與螺桿接觸面及流場(chǎng)與螺筒接觸面。其中，入口處無(wú)壓力，而出口受物料擠壓，故其壓力值分別設(shè)定為0 MPa和10 MPa；流場(chǎng)與螺筒接觸面是靜止的，設(shè)定其狀態(tài)為無(wú)滑移狀態(tài)；流場(chǎng)與螺桿接觸面受螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)影響，設(shè)定螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為10 r/min.與此同時(shí)，流場(chǎng)其它基本參數(shù)：聲速為 1 483 m/s；密度為 1 500 kg/m3；粘度為 0.000 1 kg/ms.通過(guò)上述參數(shù)的設(shè)置，最終仿真分析得到流道的應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示，其中應(yīng)力值從大到小以不同顏色來(lái)表示，藍(lán)色代表應(yīng)力最小，數(shù)值為-8.361e+06Pa，紅色代表應(yīng)力最大數(shù)值為+1.386e+07Pa.

圖4 流道整體應(yīng)力云圖

圖5 流道Z方向視圖

從圖4的Y方向視圖中可看出，應(yīng)力變化非常明顯，從Z軸負(fù)方向到Z軸正方向顏色均勻區(qū)分為四個(gè)區(qū)域，依次為橙色、黃色、綠色和淡藍(lán)色，均勻分布的原因在于流場(chǎng)由四個(gè)各自獨(dú)立封閉的“C”型物料室均勻隔開。物料入口處顏色是淺藍(lán)色為負(fù)低壓，有利于物料的吸入；物料出口處顏色是橙色為高壓，有利于物料的擠出。

從圖5的Z方向視圖中可看出，螺桿壓延效應(yīng)區(qū)域位于螺桿嚙合區(qū)中心線偏置處，此處應(yīng)力最大，導(dǎo)致雙螺桿受往兩邊的橫向力，所以雙螺桿兩端設(shè)置對(duì)稱的四個(gè)角接觸軸承是合理的。ABAQUS有限元分析結(jié)果表明，該對(duì)稱嚙合雙螺桿式3D食品擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，有利于物料的吸入與擠出。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證擠出噴頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，搭建圖6所示的對(duì)稱嚙合雙螺桿3D食品打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。該平臺(tái)由控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)兩大部分組成，其中控制系統(tǒng)包括電腦以及相關(guān)驅(qū)動(dòng)軟件；執(zhí)行系統(tǒng)包括X、Y、Z三軸步進(jìn)機(jī)構(gòu)和噴頭擠出機(jī)構(gòu)。

圖63 D食品打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）組裝3D打印機(jī)平臺(tái)，調(diào)節(jié)好X、Y、Z各軸的位置關(guān)系，連接電機(jī)線及組裝噴頭。

（2）編輯固件并上傳至上位機(jī)，并在軟件中設(shè)置層高、噴嘴直徑和絲的直徑等參數(shù)如表1所示。

（3）使用軟件（Repetier-Host）連接 RAMPS 1.4主控板，完成連接后，導(dǎo)入文件格式為STL的三維打印模型并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，最后進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

表1 打印參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)打印結(jié)果如圖7所示，由圖中可看出實(shí)驗(yàn)成品中外圈出現(xiàn)打印不均的現(xiàn)象，而中間部分則比較均勻，打印效果較好，原因在于外圈為擠出頭剛啟動(dòng)，物料擠出不穩(wěn)定，故在打印開始前，須先手動(dòng)擠出物料前面不均勻的部分，方可達(dá)到良好的打印效果。經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試可知該機(jī)構(gòu)具有運(yùn)行較為平穩(wěn)、擠出物粘度范圍大、擠出量大、進(jìn)料方便等優(yōu)勢(shì)。

圖73 D食品打印機(jī)實(shí)驗(yàn)打印結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外3D食品打印機(jī)存在打印容量小、不能連續(xù)加料和擠出效率不高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種對(duì)稱嚙合雙螺桿3D食品擠出機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了仿真分析和搭建3D打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到如下主要結(jié)論：3D食品擠出機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱嚙合雙螺桿的設(shè)計(jì)方式提高了打印容量和擠出效率，且具有打印穩(wěn)定，可連續(xù)加料等優(yōu)點(diǎn)。