覃家金,寧雪梅
(廣西英華國際職業(yè)學院,廣西 欽州535000)
3D食品打印技術是在3D打印技術的基礎上發(fā)展的一種快速食品制造技術[1],其堆積成型技術在食品打印行業(yè)應用廣泛[2],因此,國內外很多研究機構基于3D食品打印技術開發(fā)了不同類型的3D食品打印機。2011年英國埃克塞特大學研究人員開發(fā)出世界首臺3D巧克力打印機[3],該打印機使用巧克力漿替代油墨,同時配備冷卻及保溫系統(tǒng),逐層打印,打印形狀豐富各異,深受廣大消費者喜愛。2015年,我國浙江大學研發(fā)了活塞式3D食品打印筆[4]。2016年,廣西大學研發(fā)了對稱嚙合雙螺桿式3D食品打印機[5],實現(xiàn)了連續(xù)打印。上述打印機雖可實現(xiàn)定量擠出,機構平穩(wěn),但擠出機構復雜,占用空間較大。為此,本文提出了一種外嚙合齒輪擠出機構,該機構可實現(xiàn)定量擠出、連續(xù)打印,且結構較為簡單。
3D食品打印機主要系統(tǒng)是由機械、控制及計算機技術等組成的機電一體化系統(tǒng),其主要模塊有:XY-Z運動控制模塊、食品擠出機構、數(shù)控模塊、成型環(huán)境模塊等組成。對于不同擠出食材來說,食品擠出機構是整個3D食品打印系統(tǒng)研究的核心。根據3D食品打印機的設計要求,擠出機擠出量必須定量;能夠實現(xiàn)定量打印的擠出機構類型,主要包括柱塞擠出機構、活塞擠出機構、螺桿擠出機構和齒輪擠出機構等。柱塞擠出機構和活塞擠出機構雖然可實現(xiàn)定量擠出,但打印中途需要停機加料,操作不方便,且設備占用空間較大;螺桿擠出機構和齒輪擠出機構無需停機加料,設備結構簡單。目前,螺桿擠出機構可分為單螺桿擠出機構和雙螺桿擠出機構,單螺桿擠出機構相比于雙螺桿擠出機構,擠出效率不高,齒輪擠出機構相比于雙螺桿擠出機構,設備結構更為簡單。從零件加工工藝和擠出系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮,還從實驗驗證要求考慮,選擇齒輪擠出機構。齒輪按照嚙合形式,可分為外嚙合和內嚙合兩種類型。內嚙合齒輪相比于外嚙合齒輪,加工工藝復雜,因此最終選擇外嚙合齒輪擠出機構,所設計的外嚙合齒輪結構如圖1。該外嚙合齒輪結構包含一個主動擠出齒輪和一個從動擠出齒輪。齒輪與擠出機端蓋及擠出機殼接合處應留有一定間隙,保證齒輪的正常運行,如果間隙太小,將可能導致齒輪無法轉動或轉動不順暢。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 外嚙合齒輪結構
外嚙合齒輪3D食品打印擠出機構的結構如圖2,其主要由齒輪擠出模塊、機械傳動模塊、同步控制模塊、X軸驅動模塊組成。其中,齒輪擠出模塊包括擠出機端蓋、擠出機殼、主動擠出齒輪軸、從動擠出齒輪軸、擠出嘴和料斗,實現(xiàn)物料的定量擠出;機械傳動模塊包括擠出電機、同步帶、小同步輪和大同步輪;實現(xiàn)扭矩的傳遞及同步控制;X軸驅動模塊包括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、X軸光桿、擠出機固定架和直線軸承,實現(xiàn)擠出機構X方向運行控制;同步控制模塊包括同步控制軟件和控制板,實現(xiàn)擠出機構的同步打印控制。
圖2 外嚙合齒輪3D食品打印擠出機構
外嚙合齒輪擠出機構的工作原理如圖3?;镜墓ぷ鬟^程如下:控制模塊發(fā)出控制信號驅動擠出電機,擠出電機通過小同步輪和大同步輪放大扭矩,控制主動擠出齒輪軸轉動,主動擠出齒輪軸轉動帶動從動擠出齒輪軸轉動,使得擠出機內部產生容積可變化的密封腔,從而引導物料從吸料口(料斗)進入出料口(擠出嘴),實現(xiàn)食品3D圖案的打印。
圖3 外嚙合齒輪擠出機構的原理
為驗證擠出機構設計的合理性,搭建圖4所示的外嚙合齒輪擠出實驗平臺并進行測試。實驗控制平臺包括控制電腦和3D打印機??刂齐娔X主要實現(xiàn)3D圖案的設計、打印參數(shù)的設置、代碼編程和固件的上傳;3D打印機主要任務是接受控制電腦發(fā)出的控制信號,驅動X、Y、Z三軸同步運動以及同步控制擠出機構實現(xiàn)物料擠出。
圖4 外嚙合齒輪擠出實驗平臺
具體實驗步驟:
(1)組建3D實驗打印控制平臺。
(2)固件的編輯及上傳,調試機構運行狀態(tài)。
(3)使用Proe三維軟件設計3D圖案并轉換為STL格式打印模型。
(4)使用Repetier-Host軟件導入STL格式打印模型,設置切片軟件CuraEngine的打印參數(shù)(見表1),編輯3D打印代碼gcode。
(5)按比例制作實驗材料(見表2),加料,啟動打印。
表1 打印參數(shù)
表2 材料比例
實驗打印結果如圖5所示,由圖中可看出實驗成品均勻,達到預期效果。由于實驗過程不需要溫度加熱控制,因此編輯固件當中相應的溫度控制命令行,設置溫度為0℃(即超過設定溫度即可運行,一般設定溫度為100℃以上)。運行中其它設置均勻無問題,但出現(xiàn)執(zhí)行電機不動的情況,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,完成后重新啟動打印,實驗可繼續(xù)進行。經過多次實驗測試可知,該機構具有運行平穩(wěn),擠出量穩(wěn)定,加料方便等優(yōu)勢。
圖53 D食品實驗打印結果
針對國內外3D食品打印機存在的不連續(xù)打印、擠出機構結構復雜等問題,設計一種外嚙合齒輪擠出機構,搭建3D實驗打印平臺并進行打印測試,得到主要結論:外嚙合齒輪3D食品打印機構可實現(xiàn)定量擠出,連續(xù)打印,且具有機構運行平穩(wěn)、結構簡單等優(yōu)點。