對稱嚙合雙螺桿式3D食品擠出機構(gòu)的設(shè)計

覃家金，林 志

（1.廣西英華國際職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣西 欽州535000；2.廣西大學(xué)機械學(xué)院工程實訓(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]，所以國內(nèi)外基于堆積成型技術(shù)對3D食品打印機進行不同類型的研發(fā)。全球第一款3D食品打印機“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3D巧克力打印機由英國埃克塞特大學(xué)研究人員于2011年開發(fā)[5]，該打印機包含冷卻系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，每一層巧克力經(jīng)過打印后再經(jīng)歷凝固過程。美國宇航局于2013年研究開發(fā)了一款適合飛行攜帶的3D食品打印機[6]，此3D食品打印機設(shè)備占用空間非常小。2015年，我國浙江大學(xué)等研究機構(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食品打印機存在打印容量小（中途停機加料），擠出效率不高等問題。為此，本文提出一種對稱嚙合雙螺桿擠出機構(gòu)，該機構(gòu)可實現(xiàn)連續(xù)打印，無需中途停機加料；且通過采用雙螺桿擠出方式，使其運行工作效率更高。

1 擠出機構(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，物料在輸送過程中會將螺棱間隙密封，此時整個系統(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，兩根螺桿采用對稱放置的形式，減少了異向旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的橫向力和軸向推力分別對螺桿和軸承的影響。

圖1 對稱嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿

1.2 雙螺桿式3D食品擠出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

雙螺桿式3D食品擠出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由機械傳動部分、雙螺桿擠出部分、同步控制部分和X軸驅(qū)動部分組成。其中，機械傳動部分包括大同步輪、小同步輪和同步帶，實現(xiàn)步進電機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、對稱雙螺桿、噴嘴和擠出螺筒，實現(xiàn)對物料的輸送；同步控制部分包括控制模塊、擠出步進電機、步進電機架、基座，完成對兩個擠出步進電機的同步控制；X軸驅(qū)動部分包括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)動步進電機、X軸同步輪，實現(xiàn)對擠出裝置的X軸方向的移動。在工作過程中，控制模塊驅(qū)動步進電機同步運行，通過同步帶傳動驅(qū)動對稱雙螺桿進行異向旋轉(zhuǎn)嚙合，此時由進料口進入擠出螺筒的物料，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 對稱嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機構(gòu)

2 擠出通道流場ABAQUS有限元分析

擠出機構(gòu)的擠出通道流場由兩根螺桿與機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)鍵部位進行有限元分析，建立PRO/E流場模型，并轉(zhuǎn)成ABAQUS軟件識別的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)鍵部位簡化模型如圖3所示。

圖3 流道關(guān)鍵部位簡化模型

模型邊界是有限元分析的重要一步，該流場主要邊界有入口、出口、流場與螺桿接觸面及流場與螺筒接觸面。其中，入口處無壓力，而出口受物料擠壓，故其壓力值分別設(shè)定為0 MPa和10 MPa；流場與螺筒接觸面是靜止的，設(shè)定其狀態(tài)為無滑移狀態(tài)；流場與螺桿接觸面受螺桿的轉(zhuǎn)動影響，設(shè)定螺桿的轉(zhuǎn)動速率為10 r/min.與此同時，流場其它基本參數(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表示，藍色代表應(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軸負方向到Z軸正方向顏色均勻區(qū)分為四個區(qū)域，依次為橙色、黃色、綠色和淡藍色，均勻分布的原因在于流場由四個各自獨立封閉的“C”型物料室均勻隔開。物料入口處顏色是淺藍色為負低壓，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)置對稱的四個角接觸軸承是合理的。ABAQUS有限元分析結(jié)果表明，該對稱嚙合雙螺桿式3D食品擠出機構(gòu)設(shè)計合理，有利于物料的吸入與擠出。

3 實驗測試

為驗證擠出噴頭機構(gòu)設(shè)計的合理性，搭建圖6所示的對稱嚙合雙螺桿3D食品打印實驗平臺對其進行性能測試。該平臺由控制系統(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)動軟件；執(zhí)行系統(tǒng)包括X、Y、Z三軸步進機構(gòu)和噴頭擠出機構(gòu)。

圖63 D食品打印實驗平臺

具體實驗步驟如下：

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

（2）編輯固件并上傳至上位機，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行相應(yīng)設(shè)置，最后進行打印實驗測試。

表1 打印參數(shù)設(shè)置

實驗打印結(jié)果如圖7所示，由圖中可看出實驗成品中外圈出現(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，物料擠出不穩(wěn)定，故在打印開始前，須先手動擠出物料前面不均勻的部分，方可達到良好的打印效果。經(jīng)過多次的測試可知該機構(gòu)具有運行較為平穩(wěn)、擠出物粘度范圍大、擠出量大、進料方便等優(yōu)勢。

圖73 D食品打印機實驗打印結(jié)果

4 結(jié)束語

針對國內(nèi)外3D食品打印機存在打印容量小、不能連續(xù)加料和擠出效率不高等問題，設(shè)計一種對稱嚙合雙螺桿3D食品擠出機構(gòu)，進行了仿真分析和搭建3D打印實驗平臺進行實驗測試，得到如下主要結(jié)論：3D食品擠出機構(gòu)采用對稱嚙合雙螺桿的設(shè)計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。