基于3D打印技術(shù)的個性化冰激凌成型機設計

洪 健 王棟彥 李 飛 秦國選

(天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387)

基于3D打印技術(shù)的個性化冰激凌成型機設計

洪 健 王棟彥 李 飛 秦國選

(天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387)

為滿足冰激凌消費者的個性化需求，基于快速成型技術(shù)設計了一臺冰激凌成型機，主要包括傳動機構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)。傳動機構(gòu)由Z軸傳動機構(gòu)和CoreXY二軸聯(lián)動機構(gòu)組成；機械結(jié)構(gòu)包括使原料均勻混合的攪拌機構(gòu)、實現(xiàn)原料逐層堆積固化成型的工作臺，以及可實現(xiàn)XOY平面移動的擠出機構(gòu)；控制系統(tǒng)包括機構(gòu)運動控制和溫度控制。該機器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，造價低，能實現(xiàn)任意復雜結(jié)構(gòu)的個性化冰激凌的成型。

3D打??；快速成型技術(shù)；冰激凌

3D打印(3D printing)，通常稱為快速成型(RP)，起源于 20 世紀 80 年代,它是以數(shù)字模型文件為基礎，采用粉末狀金屬、塑料等可黏合材料或者光敏樹脂等，通過逐層疊加的方式制造任意復雜形狀物體的技術(shù)[1-4]。3D打印技術(shù)使產(chǎn)品的個性化設計與生產(chǎn)成為可能。

隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們對3D打印技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷拓展，3D打印技術(shù)已在食品行業(yè)呈現(xiàn)全新的應用，基于3D打印技術(shù)的3D食品打印機可“打印”出各種各樣有創(chuàng)意的食品，如餅干、面包、巧克力、披薩、漢堡和糕點等[5]。消費者可根據(jù)自身條件、喜好甚至不同的使用情景自行設計產(chǎn)品并加工，實現(xiàn)產(chǎn)品的量身定做。

作為一種降溫消暑食品，冰激凌不僅是一種消費文化的載體，也是一種生活符號的文化表達[6]。近年來結(jié)構(gòu)新穎、口味多樣、富含文化內(nèi)涵的高端冰淇淋市場需求越來越多，成為消費者追求個性與品位的表現(xiàn)形式?，F(xiàn)有系統(tǒng)多采用模具加工不同結(jié)構(gòu)的冰激凌，需加工其相應的模具[7]，不能適應消費者對個性化產(chǎn)品的實時需求。目前國內(nèi)外對3D打印冰激凌機的研究應用還處于初級階段，僅在一些冰激凌展會上有展出，將3D打印技術(shù)引入冰激凌成型的研究文獻暫無。本研究基于3D 打印技術(shù)設計了一臺冰激凌成型機，打印結(jié)構(gòu)迥異的冰激凌，以滿足人們對冰激凌的個性化需求。

1 冰激凌3D打印機成型原理

圖1為冰激凌成型機結(jié)構(gòu)示意圖，整體為框式結(jié)構(gòu)，其外支撐架由20 mm×20 mm鋁型材搭建，尺寸為440 mm×280 mm×740 mm，利于各機構(gòu)的分布且能保證足夠的工作空間。冰激凌成型機機械結(jié)構(gòu)包括攪拌機構(gòu)、擠出機構(gòu)、工作臺及制冷系統(tǒng)三部分。攪拌機構(gòu)在框架頂端，擠出機構(gòu)自上而下輸送并擠出冰激凌原料。各運動機構(gòu)通過T型螺母定位安裝。成型工作臺位于框式結(jié)構(gòu)的中央，由4根光軸導向，保證其上下運動的平穩(wěn)性，雙同步帶驅(qū)動使其所受動力均衡。制冷系統(tǒng)的導熱散熱件安裝在框架外側(cè)，把熱量導至工作空間外，使框架內(nèi)冰激凌成型空間能保持一個相對穩(wěn)定的低溫環(huán)境，利于冰激凌成型。

1. 攪拌電機 2. 攪拌器 3. 攪拌桶 4. XY軸同步帶 5. 同步輪 6. 擠出頭 7. 工作臺 8. 工作要支撐板 9. 蠕動泵 10. 導管 11. 風扇 12. 光軸 13. 電源 14. Z軸同步帶 15. 雙軸電機

該機器成型原理見圖2，采用X、Y兩軸聯(lián)動，Z軸單獨運動的方式作為傳動機構(gòu)的設計方案，冰激凌擠出頭在XOY平面內(nèi)運動，成型工作臺在Z軸方向逐層向下運動，實現(xiàn)冰激凌的逐層堆積成型。

1. 光軸 2. 滑塊 3. 擠出頭 4. 工作臺

2 冰激凌成型機傳動系統(tǒng)設計

2.1 XOY平面擠出頭二軸聯(lián)動方案

XOY平面內(nèi)擠出頭運動方案基于CoreXY定位原理[8]設計實現(xiàn)，如圖3所示，擠出頭在X、Y方向運動分別由兩根光軸導向。Y方向?qū)蚬廨S7通過固定塊9固定在機架上，滑塊1內(nèi)裝有直線軸承，帶動擠出頭在光軸上沿Y方向移動。同時X方向?qū)蚬廨S3也固定在滑塊1上，擠出頭滑塊4通過直線軸承固定在X軸導向光軸。各運動件上均設計有連接同步帶的同步帶卡，同步帶2和同步帶8把所有運動件和42步進電機6按一定順序相連。兩條同步帶看上去是相交的，其實是在兩個平面上，構(gòu)造出CoreXY形式的傳動方案。此定位方式能有效地縮小定位誤差，使得滑塊的移動更加精確而穩(wěn)定。

1. Y軸滑塊 2. 同步帶2 3. X向?qū)蚬廨S 4. 擠出頭滑塊 5. 鋁材 6. 步進電機 7. Y向?qū)蚬廨S 8. 同步帶1 9. 固定塊 10. 同步輪

當同步帶2和同步帶8在步進電機的驅(qū)動下分別沿圖中△1、△2箭頭所指方向發(fā)生方向相反、數(shù)值相等的位移，則擠出頭朝著Y方向運動，同步帶1和同步帶2沿△1、△2箭頭所指方向發(fā)生方向相同等值運動，則擠出頭將會朝著X方向水平運動。若△1、△2大小不相同，則擠出頭將會實現(xiàn)XY軸聯(lián)動。其中，△1、△2與擠出頭的位移量△X、△Y的數(shù)學關(guān)系為[9]：

(1)

(2)

△1=△X+△Y，

(3)

△2=△X-△Y，

(4)

式中：

△X——擠出頭沿X軸位移量，mm；

△Y——擠出頭沿Y軸位移量，mm；

△1——同步帶沿△1箭頭所指方向的位移量，mm；

△2——同步帶沿△2箭頭所指方向的位移量，mm。

2.2 Z軸傳動方案

Z軸傳動機構(gòu)設置目的是驅(qū)動工作臺層層向下運動，實現(xiàn)冰激凌的逐層堆積。工作臺重量大小，是其穩(wěn)定性設計的重要因素。該設備要求較高的打印速度，而精度要求不嚴格，所以采用雙同步帶驅(qū)動方式，如圖4所示，同步帶1和同步帶11承載工作臺10的重量，使用雙軸42步進電機7作為驅(qū)動。步進電機通過電機座6安裝在機架上，一端裝有同步輪5，與一條同步帶1相連，另一端通過聯(lián)軸器8與傳動軸9相連。傳動軸上裝有同步輪，與另一條同步帶11相連。兩條同步帶分別固定于工作臺10兩端。工作臺上裝有直線軸承3，通過4根光軸導向。該結(jié)構(gòu)中工作臺兩端同時受力，利于工作臺平穩(wěn)運動，且工作臺尺寸不受限，能獲得較大的工作空間。

3 冰激凌成型機結(jié)構(gòu)設計

3.1 攪拌機構(gòu)

冰激凌由乳脂肪、非脂乳固體、甜味劑固形物、穩(wěn)定劑、乳化劑、總固體、等成分組成，可通過控制穩(wěn)定劑的配比使其黏度為120～140 mPa·s[10]。為了使含有多成分配料的冰激凌原料保持良好的流動性，需要一個攪拌機構(gòu)對冰激凌進行攪拌，使其各成分均勻混合。如圖5所示，攪拌機構(gòu)能儲存一定的原料，由步進電機驅(qū)動攪拌器旋轉(zhuǎn)運動。

1. 同步帶1 2. 光軸 3. 直線軸承 4. 同步帶卡 5. 同步輪1 6. 電機座 7. 雙軸42步進電機 8. 聯(lián)軸器 9. 傳動軸 10. 工作 11. 同步帶2

1. 電機 2. 攪拌器 3. 攪拌桶

3.2 擠出機構(gòu)

擠出機構(gòu)的功能是把液態(tài)冰激凌擠出成細流，然后層層疊加固化成型。本機構(gòu)基于柱塞式擠出成型原理，采用蠕動泵實現(xiàn)使料流源源不斷地供給。蠕動泵具有可空轉(zhuǎn)、可防止回流、雙向同等流量輸送能力等功能，利于擠出頭平穩(wěn)地輸送料流。

擠出頭設計的合理性直接決定料流是否能順暢擠出，對于冰激凌食物，擠出頭的擠出精度要求為±1 mm，主要實現(xiàn)外觀形狀的復雜性。由于冰激凌成分和配料的流動性差，原料的順暢擠出成為擠出頭設計的關(guān)鍵。為了提高冰激凌成型精度，要求擠出的料流直徑不能太大，即擠出頭的孔徑不能太大。如圖6所示，擠出頭的內(nèi)孔呈錐形，料流在向前推進的過程中液體壓力逐漸增大。冰激凌具有一定黏度，內(nèi)孔錐度過大，使料流與孔內(nèi)壁的摩擦力增大，冰激凌擠出困難。為了得到擠出效果最佳的內(nèi)孔尺寸，設定了3組試驗，利用3D打印機加工出錐度為1∶6小端直徑為0.4 mm、錐度為1∶8 小端直徑為0.6 mm、錐度為1∶10小端直徑為0.8 mm 的擠出頭進行對比試驗，最后得出擠出效果最佳的內(nèi)孔尺寸為錐度為1∶8小端直徑為0.6 mm。使擠出頭具有良好增壓效果的同時，料流能順暢擠出，并具有一定的成型精度。

圖6 擠出頭示意圖Figure 6 Extrusion head schematic

3.3 工作臺及制冷系統(tǒng)

成型工作臺為冰激凌打印提供載物平臺，設置制冷機構(gòu)，使冰激凌由液態(tài)凝固成固態(tài)。如圖7所示，其主要結(jié)構(gòu)包括散熱塊、制冷塊、支撐板及水冷塊。在滿足工作臺剛度、強度要求的同時，為使工作臺的重量減輕，支撐板采用1.5 mm 厚的鋁合金板材，進行折彎加工。

制冷模塊是制冷系統(tǒng)中的核心部分。采用半導體熱電偶制冷塊，配合散熱板、水冷塊、儲液器，共同實現(xiàn)導熱散熱的作用。循環(huán)導熱液體通過軟管流動，經(jīng)風扇、儲液器及循環(huán)泵流至制冷塊，構(gòu)成循環(huán)回路。

1. 儲液器 2. 風扇 3. 循環(huán)泵 4. 冷卻液回路 5. 散熱塊 6. 制冷塊 7. 水冷塊 8. 支撐臺

4 控制系統(tǒng)

機構(gòu)運動控制和成型溫度是系統(tǒng)關(guān)鍵控制因素，總體控制方案見圖8，機構(gòu)運動控制由主控CPU讀取運行軌跡指令，控制驅(qū)動芯片，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)擠出頭XOY平面送進、承料臺Z向升降。溫度控制模塊控制冰激凌成型溫度在-3～-8℃。

5 結(jié)束語

(1) 根據(jù)冰激凌成型特點，基于CoreXY定位原理設計的框架式個性化冰激凌成型機，該設備框架結(jié)構(gòu)牢固緊湊，機械傳動穩(wěn)定準確，傳動速度快， 可成型冰激凌最大尺寸為90 mm×60 mm×150 mm。

(2) 通過試驗得出，該設備能保證料流順暢擠出，料流能及時固化成型，并具有一定的成型精度。

圖8 冰激凌成型機系統(tǒng)控制方案Figure 8 Control system of ice-cream molding machine

(3) 制冷機構(gòu)是該機器的重要機構(gòu)，試驗過程中，制冷速率能否緊跟打印速率決定了冰激凌的成型質(zhì)量。該機器還需要在制冷系統(tǒng)方面進行優(yōu)化，該系統(tǒng)設計是一種通用設計，可以移植到其他性質(zhì)類似的流態(tài)食品的3D打印設備中，推進3D打印技術(shù)在食品行業(yè)的發(fā)展。

[1] 朱艷青. 3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 制造技術(shù)與機床, 2015(12): 50-57.

[2] EVANS B. 解析3D打印機[M]. 程晨, 譯. 北京: 北京工業(yè)出版社, 2014: 1-3.

[3] GIBOSN L, ROSEN D W, STUCKER B. Additive manufacturing technologies[M]. Berlin: Springer Science, Business Media, 2010: 2-5.

[4] 李光玲. 食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)[J]. 食品與機械, 2015, 31(1): 231-234.

[5] 陳妮. 3D打印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應用和發(fā)展前景[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工: 學刊, 2014(8): 57-76.

[6] 文志宏. 冰激凌體驗的“立體化”升級[J]. 銷售與市場: 管理版, 2012(7): 92-93.

[7] 張爽華. 基于Pro/E的食品加工容器成型模具設計[J]. 裝備制造技術(shù), 2010(10): 172-174.

[8] SOLLMANN K S. Dynamic modeling of a two-axis, parallel, h-frame-type xy positioning system[J]. National Geographic, 2012(6): 132-156.

[9] 陰賀生. 基于三臂并聯(lián)結(jié)構(gòu)的桌面3D打印機[J]. 機械, 2015, 42(2): 36-40.

[10] 劉梅森. 4種穩(wěn)定劑對軟冰淇淋品質(zhì)協(xié)同作用的研究[J]. 中國乳業(yè)工程, 2005(12): 19-21.

Design of personalized ice cream machine based on 3D printing

HONG JianWANGDong-yanLIFeiQINGuo-xuan

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to meet the personalized needs of the individual’s desiring of ice cream, an ice cream machine was designed based on the rapid prototyping technology. This machine included transmission, mechanical structures and control system. A Z-axis drive module and a Core XY two-axis one were adopted by the transmission module. Moreover, the mechanical structure was constructed by a stirring module to mix the raw material uniformly, combining a platform to enable raw material to stack layer by layer and an extrusion mechanism moving in XOY plane. The control system composed of a mechanism motion and a temperature control. It was found that this machine was easy to operate and cost lower, and realized arbitrarily the complex structures of personalized ice cream molding.

3D printing; rapid prototyping technology; ice cream

天津工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(編號：201510058014)

洪健(1993—) ，男，天津工業(yè)大學在讀本科生。E-mail:1565715885@qq.com

2016-07-12

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.024