一種推桿活塞式奶油打印頭的設計與實現(xiàn)

孫露娜 陳友芹 李勇海 周慶 張坤鵬

摘 要：近年來3D打印的快速發(fā)展，推動了建筑、醫(yī)療、食品等行業(yè)的變革。本文以食品行業(yè)中的3D奶油打印為背景，簡要介紹了奶油打印原理，并結(jié)合已有的3D打印頭的結(jié)構(gòu)特點詳盡得介紹了一種基于推桿活塞式結(jié)構(gòu)的3D打印頭的設計與實現(xiàn)，并給出一種打印頭實際應用中送料問題的解決方案，最后還對該打印噴頭實際打印效果進行了驗證總結(jié)。

關(guān)鍵詞：推桿活塞式結(jié)構(gòu)；奶油打印頭；3D打印

Abstract：The rapid development of 3D printing in recent years has promoted the transformation of the construction， medical and food industries. In the background of 3D cream printing， this paper first provides a brief introduction about the principle of cream printing. Then based on the structural features of existing print heads， the design and implement of a putterpiston print head is described in detail. The feeding problem in practical application is also solved. At last， the printing effect is verified and summarized.

Key words： Putterpiston structure ；Cream print head； 3D Printing

3D打印技術(shù)興起于上世紀80年代末，本世紀初，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，其應用領(lǐng)域不斷擴大，從3D打印建筑模型到醫(yī)療器械，近年來，3D打印食品也逐漸進入大眾視野，隨著3D打印技術(shù)的不斷突破，3D打印食品的種類逐漸多元化，速度、尺寸在不斷增加。目前可實現(xiàn)打印的食材有巧克力、淀粉糊、菜蔬等，如圖1所示為3D餅干打印成品圖。

本文簡要介紹了奶油打印原理，主要介紹了推桿活塞式奶油打印頭的結(jié)構(gòu)與實際打印效果。

1 3D奶油打印原理

3D奶油打印基于傳統(tǒng)熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling）的打印的原理，融合食品加工技術(shù)，對打印擠出頭進行了創(chuàng)新。傳統(tǒng)FDM打印，通過加熱絲將硬性線材加熱到一定溫度，再由噴頭擠出直徑為50至100微米的絲狀材料，層疊堆積實現(xiàn)打印目標。然而奶油具有黏稠性和推擠滯后性，是一種完全不同于塑料的材料，3D奶油打印的實現(xiàn)，需要以3D打印機的機械平臺為基礎，配合使用本文設計的推桿活塞式奶油打印頭。

2 噴頭實現(xiàn)方案對比

3D奶油打印頭是控制奶油打印速度和成型的關(guān)鍵所在，目前市面上常見的打印頭結(jié)構(gòu)有推桿傳動活塞式[1]和氣動活塞式[2]兩種。

推桿傳動活塞式結(jié)構(gòu)如圖2，其結(jié)構(gòu)簡單，因此在3D食品打印領(lǐng)域被廣泛采用。在采用此種裝置時，為達到奶油打印的柔性控制，可采用7段S曲線法控制電機[3]，相較于氣動活塞式，推桿傳動活塞式很大程度上減小了奶油黏稠性引起的打印控制滯后時間，降低了滯后補償時間的復雜度。

氣動活塞式整體結(jié)構(gòu)如圖3，整體涉及的裝置較多，氣壓通斷頻率的控制需要借助電磁閥和專門的主控板，整套裝置的造價高，相比較于推桿傳動活塞式，氣動活塞式更適合于粘稠和阻力更大的物料，而奶油在選取合適的乳化劑和打發(fā)速度時，打發(fā)奶油具有一定程度的細膩性，氣動活塞式用于奶油打印，更適合于一些大中型蛋糕加工坊，而基于推桿活塞式的3D奶油打印頭具有更強的靈活性，適用于小型的工坊。

3 推桿活塞式奶油打印噴頭的設計

綜合分析，奶油擠出頭采用推桿傳動活塞式，如圖4所示，本套裝置的設計關(guān)鍵點有：（1）料筒A、B采用塑料料筒，研究表明植脂奶油在冷凍16h后，晶體結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品質(zhì)量最好，在2℃—6℃時打發(fā)可獲得較好的塑性和膨脹率，[4]因此奶油打印頭在推桿提供足夠動力推擠奶油的條件下，不需要加熱裝置，所以采用塑料料筒；（2）打印由步進電機和傳動機構(gòu)實現(xiàn)，步進電機的旋轉(zhuǎn)位移通過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的上下位移，推動活塞向下將奶油擠出；（3）外設續(xù)料系統(tǒng)，不同于市場上流行的更換打印料筒的方法，筆者采用了料筒開設送料口，外部連續(xù)送料的方案，以節(jié)約生產(chǎn)中料筒的資本投入，在一次打印結(jié)束后，利用電腦端程序控制活塞復位（活塞原點在送料孔上方），并啟動外部微型氣泵推動料筒B為打印料筒A續(xù)料。

本設計基于200*200*200的3D打印平臺，打印頭料筒參數(shù)為：筒徑31mm，筒長為121mm，打印頭出料直徑為2mm，料筒有效長度為50mm，推桿直徑為1.5mm，計算常溫打發(fā)奶油料筒最大壓力差約為200Kpa，利用下述公式，計算奶油最大擠出速度[5]（r=0）為 34.1mm/s。

4 實際打印效果

通過不同樣式的打印試驗，測試新制噴頭的性能。綜合實驗效果來看，推桿活塞式噴頭打印是切實可行的，不過在打印過程中，還存在以下幾個問題：推桿選材要求苛刻，推桿的摩擦推動完全利用兩個齒輪間的協(xié)同作用，這就要求推桿具有一定的紋理粗糙度，以配合齒輪上下移動；奶油的擠出滯后性，因奶油黏稠特性的實際存在，所以需要重新設計G 代碼，以補償奶油滯后性，也可以通過對料管奶油進行建模，試驗出奶油打印參數(shù)的補償范圍。

綜上所述，此種奶油打印頭還有很大優(yōu)化空間，通過改選電機類型，從根本解決推桿選材苛刻的問題，通過建模，在軟件端補償奶油打印滯后，提高奶油打印的精美度。

5 結(jié)語

目前受限于材料、機器和成本，3D奶油打印還僅停留在實驗室和個別蛋糕工坊，未得到普及，但筆者相信隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，整個打印的過程中的諸多難題將會被攻克，操作將會更加簡單，體驗更加良好，讓使用者不必學CAD、不必全面了解硬件知識就能正常使用。此外，技術(shù)的發(fā)展也必將使3D奶油打印機價格更加親民。

參考文獻：

[1]孔楚海.一種氣動活塞式3D巧克力打印頭設計[J].包裝與食品機械，2017，35（04）：5154.

[2]姚青華.3D打印技術(shù)應用在奶油食品工業(yè)中的方案設計[J].食品與機械，2016，32（02）：98100+110.

[3]褚雪松.3D食品打印關(guān)鍵技術(shù)研究.

[4]金俊艷.植脂鮮奶油穩(wěn)定性的研究.

[5]Michaeli W.ExtrusionDies FOR PLASTICS ANDRUBBER（塑料橡膠擠出模頭設計）[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2000：2729.

項目：江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201710295050X）