王巧蘭 尤曉萍

近年來，有關(guān)3D食品打印的研究較多，如基于熔融沉積技術(shù)(FDM)的奶酪[1-2]、巧克力[3]、谷物類零食[4]、餅干面團(tuán)和碎肉[5]等食品打印。也有關(guān)于食品的成分、打印特性等方面的研究，如打印材料能夠支撐自身重量的尺寸穩(wěn)定性[6]，打印材料內(nèi)的膠體研究[7]，打印參數(shù)對(duì)成品的影響等。由于打印物料的特殊性，對(duì)其安全性和衛(wèi)生都要有嚴(yán)格的要求。根據(jù)3D打印原理，適合于食品造型設(shè)計(jì)和材料加工需求的3D打印技術(shù)見表1[8-11]。

糖藝是指將糖、水等原料按照一定比例調(diào)和后制作的具有食用性和觀賞性的獨(dú)立食品或裝飾品，其制品形式多樣、色彩豐富、質(zhì)感剔透，具有三維立體造型。傳統(tǒng)的糖藝制品由制作者憑借經(jīng)驗(yàn)手工制作，因此制品的樣式、制作速度、成品質(zhì)量等都受到了限制。將3D打印技術(shù)與糖藝結(jié)合，可以提高制作效率，改善衛(wèi)生條件，能加工出復(fù)雜糖畫模型以滿足造型獨(dú)特的個(gè)性化糖藝制品的需求[12-16]。

1 工作原理

該設(shè)計(jì)是完成糖霜制品的3D打印，其打印原料由糖粉、脫脂奶粉、水果汁等按照一定比例混合，再利用攪拌器將混合物變成適于打印噴嘴的半流體性狀。因糖霜含有淀粉，該半流體混合物有一定的黏性，可以在室溫下順利擠出。打印完后可通過烘烤、油炸、蒸制等形式進(jìn)行熟化。綜合考慮打印機(jī)成本及性能等因素，結(jié)合表1選擇常溫?cái)D出的3D打印技術(shù)。常溫?cái)D出僅取決于糖霜混合物的流變性，其工作原理示意圖見圖1。該擠出方法通過控制電磁閥控制流質(zhì)材料的流量，非常適合于制作復(fù)雜造型、單一材料的糖制品。坐標(biāo)系選用下方底板不動(dòng)、上方打印噴頭按預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的笛卡爾坐標(biāo)。

表1 3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用Table 1 List of 3D printing techniques applied for food design

擠出型3D打印機(jī)的擠出方式主要有3種：注射器式擠出、氣壓式擠出和螺桿式擠出[12-13](圖2)。其中，注射器式擠出機(jī)構(gòu)由電機(jī)、注射器、柱塞和擠出噴頭構(gòu)成。

注射器式擠出的注射器腔用于貯存打印食料，通過編程控制步進(jìn)電機(jī)使得由其帶動(dòng)的柱塞線性向下運(yùn)動(dòng)，擠出噴頭均勻地?cái)D出食料。氣壓式擠出機(jī)構(gòu)由壓縮空氣的氣泵、密封的物料盒和擠出噴頭構(gòu)成，氣泵產(chǎn)生的壓縮空氣推動(dòng)物料從噴頭擠出。螺桿式擠出機(jī)構(gòu)由電機(jī)、擠出螺桿、原料裝載區(qū)、物料盒、擠出料管、擠出噴頭構(gòu)成，通過編程控制步進(jìn)電機(jī)使得由其帶動(dòng)的螺桿線性向下運(yùn)動(dòng)。

圖1 常溫?cái)D出型的工作原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of room temperature extrusion processes

圖2 適用于流質(zhì)/半流質(zhì)材料的擠出方式Figure 2 Extrusion mode for soft material

常溫?cái)D出型食品3D打印工藝流程見圖3，首先根據(jù)需求完成三維建模，然后生成打印路徑的G代碼，將該代碼加到3D打印機(jī)中進(jìn)行食物打印，最后對(duì)打印成品進(jìn)行后處理(烘烤、油炸等)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 擠出裝置設(shè)計(jì)

注射器式擠出方式適合于打印半固態(tài)或固態(tài)食料，一個(gè)電機(jī)只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)擠出噴頭，改變電機(jī)速度即可快速調(diào)整擠出速度，但應(yīng)避免柱塞與注射器間的摩擦。在氣壓式擠出方式中，氣泵可用于驅(qū)動(dòng)多擠出噴頭，通過調(diào)節(jié)閥獲得不同的擠出速率。因固體或半固體的材料容易附著在食物盒內(nèi)壁上，因此氣壓式擠出方式適合于打印液體材料。為了避免壓縮空氣污染食料，需在空氣入口處安裝過濾系統(tǒng)對(duì)其消毒。螺桿式擠出受氣泡干擾最小，由于螺桿、物料盒和料管均直接接觸食料，因此螺桿、物料盒和料管應(yīng)使用食品級(jí)不銹鋼。

圖3 常溫?cái)D出型食品3D打印工藝流程Figure 3 3D food printing process

試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用螺桿式擠出。為了滿足半流體食品打印的衛(wèi)生性、生產(chǎn)效率，以及便于耗材的更換等要求，對(duì)傳統(tǒng)的料罐進(jìn)行改良，改良后的料罐如圖4所示。將料罐與擠出裝置結(jié)合成一體，同時(shí)料罐的設(shè)計(jì)為快拆結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)耗材的快速更換。擠出裝置采用貫通絲桿電機(jī)，貫通式絲桿電機(jī)與絲桿之間的螺紋配合，橡膠內(nèi)塞在貫通式絲桿電機(jī)的推動(dòng)下將半流體耗材擠出。因貫通式絲桿電機(jī)之間的配合精度高，所以產(chǎn)品擠出及倒吸精度也高，從而提高了食品3D打印機(jī)的生產(chǎn)工藝精度。

打印步驟：在儲(chǔ)料罐11中放置食品耗材，儲(chǔ)料罐11與密封蓋2貼合配合，快拆管夾10將儲(chǔ)料罐11固定，通過絲桿法蘭螺母8與絲桿7連接的橡膠推進(jìn)內(nèi)塞9在貫通式絲桿電機(jī)5的推動(dòng)下螺旋向下將食品耗材擠出；電流檢測(cè)模塊檢測(cè)貫通式絲桿電機(jī)5的工作電流，并發(fā)送至運(yùn)算模塊；運(yùn)算模塊用于判斷貫通式絲桿電機(jī)5的工作電流是否超出所設(shè)定的電流范圍，判斷耗材的剩余量，若超出預(yù)設(shè)電流范圍，則生成并發(fā)送警告信號(hào)。同時(shí)接收接近開關(guān)4所發(fā)送的電氣信號(hào)；當(dāng)擋板離接近開關(guān)的感應(yīng)面一定距離時(shí)，發(fā)送電氣指令至運(yùn)算模塊。運(yùn)算模塊接收該信號(hào)一定單位時(shí)間后，生成減緩至停止裝載的指令并發(fā)送至貫通式絲桿步進(jìn)電機(jī)5。貫通式絲桿電機(jī)5根據(jù)該指令調(diào)整脈沖頻率調(diào)制貫通式絲桿電機(jī)5的轉(zhuǎn)速，減速至停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)運(yùn)算模塊發(fā)送耗材消耗完畢的警告信號(hào)，提醒生產(chǎn)工人快速更換耗材后，繼續(xù)重復(fù)執(zhí)行上述步驟。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖5，整體結(jié)構(gòu)為鋁型材搭建。4個(gè)同步帶模組采用龍門架結(jié)構(gòu)，相同面積內(nèi)，采用龍門架結(jié)構(gòu)可以使打印空間最大化。Y軸方向通過一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)平行的同步帶模組來進(jìn)行移動(dòng)；X軸則通過單個(gè)同步帶模組進(jìn)行移動(dòng)；Z軸同理。擠出機(jī)以及儲(chǔ)料罐固定在X軸的滑塊上，擠出機(jī)采用高精度的螺桿擠出結(jié)構(gòu)；儲(chǔ)料罐與擠出機(jī)通過食用級(jí)導(dǎo)管連接，并通過外置氣泵將耗材擠壓至擠出機(jī)，擠出機(jī)根據(jù)控制模塊發(fā)出的指令定量地?cái)D出耗材；圖像識(shí)別攝像頭識(shí)別托盤上需打印物體的相關(guān)坐標(biāo)以及輪廓等參數(shù)，并將這些信息發(fā)送至控制模塊；控制模塊處理這些信息后將打印參數(shù)轉(zhuǎn)化成X、Y、Z軸的脈沖信號(hào)并發(fā)送至3個(gè)伺服電機(jī)從而完成打印任務(wù)。

1. 擠出機(jī)連接板 2. 密封蓋 3. 電機(jī)座 4. 接近開關(guān) 5. 貫通式絲桿電機(jī) 6. 擋板 7. 絲桿 8. 絲桿法蘭螺母 9. 橡膠推進(jìn)內(nèi)塞 10. 快拆管夾 11. 儲(chǔ)料罐圖4 改良后的料罐示意圖Figure 4 Schematic of an reformed tank

1. 框架 2. X軸 3. 料罐 4. Z軸 5. 螺桿泵 6. 噴頭 7. 平臺(tái) 8. Y軸圖5 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Figure 5 Structure diagram of printing machine

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

糖霜制品打印機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制采用“工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”模式，其控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

利用PCIe高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線將3D糖霜模型的G代碼傳遞給運(yùn)動(dòng)控制卡，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制卡將指令傳送給X、Y、Z軸及擠出模塊的步進(jìn)電機(jī)，從而完成糖霜制品的打印過程。運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)X、Y、Z軸的方向運(yùn)動(dòng)，以及擠出頭的打印物料的輸送。六路限位開關(guān)主要負(fù)責(zé)定位和各向位置的限定，保護(hù)打印過程的安全性與準(zhǔn)確性。擠出模塊是運(yùn)動(dòng)的核心點(diǎn)，因此在檢測(cè)擠出模塊中耗材余量的同時(shí)，增加自動(dòng)檢測(cè)堵料功能。擠出模塊的檢測(cè)分為電流檢測(cè)模塊和運(yùn)算模塊，電流檢測(cè)模塊用來檢測(cè)貫通式絲桿電機(jī)的工作電流，并將工作電流數(shù)據(jù)發(fā)送至運(yùn)算模塊；運(yùn)算模塊根據(jù)電流檢測(cè)模塊發(fā)送的工作電流數(shù)據(jù)來判斷耗材的狀態(tài)，若超出預(yù)設(shè)電流范圍，則生成并發(fā)送警告信號(hào)。

圖像識(shí)別攝像頭對(duì)準(zhǔn)打印托盤上的打印食品，通過識(shí)別和定位得到打印食品的相對(duì)坐標(biāo)和角度；經(jīng)RS485串口連接設(shè)備，使用DTU透傳功能，將食品打印機(jī)的信息提供給云平臺(tái)；實(shí)時(shí)信息反饋模塊可以將生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)成本和耗材剩余量等信息同步至服務(wù)端以及手機(jī)客戶端。通過圖像識(shí)別模塊以及耗材檢測(cè)模塊能實(shí)時(shí)反饋產(chǎn)品的生產(chǎn)情況。一旦發(fā)生故障，可第一時(shí)間查找故障原因及位置。

若要實(shí)現(xiàn)多工位的食品生產(chǎn)線，通過CAN總線擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制卡即可。

3.2 主程序流程圖

糖霜制品3D打印機(jī)的程序按照模塊化思路設(shè)計(jì)，主要分為繪圖、打印主程序和圖像處理流程，具體見圖7。

若在糖霜餅干上繪圖，先要有樣圖，具體流程見圖7(a)。新建圖層后，導(dǎo)入繪制的圖形，經(jīng)繪圖和重心標(biāo)定后，即可導(dǎo)出XML格式的軌跡文件。

3D打印主程序中，首先導(dǎo)入繪制圖的軌跡文件，根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)定，然后讀取攝像頭的圖像；配置打印參數(shù)，如打印溫度、打印速度等；系統(tǒng)調(diào)零后開始分層擠出打印繪圖。在分層擠出中需要判斷每個(gè)圖層是否繪制完成。當(dāng)全部圖層均已打印完成，則打印機(jī)各軸回零并結(jié)束打印工作。

打印中需要對(duì)托盤上的餅干進(jìn)行識(shí)別與定位，獲得餅干的真實(shí)坐標(biāo)后方能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打印。該糖霜打印的圖像識(shí)別是采用分水嶺算法對(duì)密集擺放的餅干進(jìn)行區(qū)分；提取餅干的骨架作為掩膜與原圖相減，使餅干內(nèi)部具有局部最小值以此來生成分水嶺的谷底。距離變換即非0像素點(diǎn)的像素值取決于其與像素值為0的像素點(diǎn)之間的最小距離，因此在像素均勻分布的餅干上能提取出餅干的骨架。

圖6 控制系統(tǒng)框圖Figure 6 Control system block diagram

圖7 糖霜制品3D打印機(jī)主要程序流程圖Figure 7 Main flow chart

4 結(jié)果及分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的糖霜打印機(jī)是常溫?cái)D出型，因此只要保持合適的環(huán)境溫度和濕度(溫度在18～25 ℃，濕度不高于50%)即可確保打印機(jī)正常工作。

按質(zhì)量比5∶30∶3準(zhǔn)備好涼開水、糖粉、蛋白粉。在容器中加入過篩后的蛋白粉，加水?dāng)嚢柚翢o顆粒；將糖粉過篩加入容器中，攪拌至無顆粒光滑狀態(tài)；提起刮刀觀察糖霜打印物料狀態(tài)(應(yīng)處于流暢狀態(tài))，高速打發(fā)至硬尖峰狀態(tài)即可，即用刮刀提起時(shí)糖霜可以保持一定角度立住的狀態(tài)；將物料加入儲(chǔ)料罐即可開始打印。

由調(diào)試過程及打印成品(圖8)可知，對(duì)于字母、數(shù)字、大線條的圖形等均能夠清晰打印。

圖8 成品圖Figure 8 Pictures of printed objects

5 結(jié)論

改良后的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速更換料罐(30 s內(nèi))；成型速度快(≥5 000 mm/min)，速度可調(diào)；成型精度控制在1 mm以內(nèi)，成型件的強(qiáng)度、膨脹率和表面粗糙度指標(biāo)均較好；自帶光源的圖像識(shí)別及處理系統(tǒng)，能夠識(shí)別產(chǎn)品形狀、個(gè)數(shù)及完整性等。該糖霜制品3D打印機(jī)還可通過CAN總線實(shí)現(xiàn)打印工位的擴(kuò)展，適用于大批量的生產(chǎn)。研究設(shè)計(jì)的糖霜制品3D打印機(jī)仍存在許多局限，如打印物料單一及打印線條不夠精細(xì)。為了豐富和拓寬打印機(jī)的應(yīng)用范圍，后續(xù)研究將著眼于不同打印物料的試驗(yàn)和通過改良打印技術(shù)尋求打印精度和噴頭堵塞的最優(yōu)解。