并聯(lián)臂3D食品打印機(jī)

岳勝元，馬 博，楊克青，龍海濤，馮新杰

（新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

食品是日常生活不可缺少的高頻消費(fèi)品，3D打印技術(shù)的發(fā)展也為推動了食品加工領(lǐng)域的發(fā)展。食品3D打印機(jī)原理相似于普通3D打印機(jī)，噴嘴的運(yùn)動軌跡主要由單片機(jī)進(jìn)行控制。但由于3D食品打印材料較少，衛(wèi)生條件不高，營養(yǎng)價值也無法滿足客戶要求，因此3D食品打印機(jī)的研究出現(xiàn)了瓶頸。

1 并聯(lián)臂3D食品打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 三臂并聯(lián)運(yùn)動控制部分硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 硬件的選擇

（1）主板的選擇。文章所設(shè)計(jì)的3D食品打印機(jī)造價便宜，主板選擇通用主板，型號為Arduino mega 2560，搭載ATmega2560芯片，固件采用的為Marlin固件，通過串口燒錄到Arduino mega2560開發(fā)板上，該控制板具有良好的通用性，可以用來控制Delta 3D型打印機(jī)和Prusa型3D打印機(jī)，是一款專門針對3D打印機(jī)控制而設(shè)計(jì)的主板。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置選擇。通過分析，選擇的HR-A4988型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，此模塊價格便宜，很容易買到，并且可以控制中小型步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，廣泛用于3D打印機(jī)、3D掃描儀、激光雕刻機(jī)、繪圖儀的步進(jìn)電機(jī)的控制。

1.1.2 硬件的連接

Arduino mega 2560主板是一個開源的單片機(jī)設(shè)計(jì)平臺，有自己的IDE編程環(huán)境，可以在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行，在智能小車、智能家居、機(jī)械手、無人機(jī)、3D打印方面得到廣泛應(yīng)用，電機(jī)驅(qū)動模塊插在ramps 1.4擴(kuò)展板上，ramps 1.4擴(kuò)展板可插在Arduino mega 2560主板上，擴(kuò)展板上有4個步進(jìn)電動機(jī)接口、3個限位開關(guān)接口、2個熱敏電阻接口、1個LCD顯示屏接口，可分別接入X軸、Y軸、Z軸3個步進(jìn)電動機(jī)和一個擠出步進(jìn)電動機(jī)，X軸、Y軸、Z軸限位開關(guān)，熱敏電阻，12864 LCD顯示屏。

1.2 食物加熱部分硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

食物加熱部分硬件系統(tǒng)由控制板，距離檢測模塊，溫度檢測模塊、顯示屏等組成，其主要的設(shè)計(jì)步驟如下：首先，選用Arduino uno控制板采用ATmega 328微控制器，工作電壓5 V，晶振頻率16 MHz，是一款便捷靈活、方便上手的單片機(jī)，它能夠通過各樣的傳感器來感知環(huán)境，可控制LED小燈，直流電動機(jī)、電磁繼電器等裝置，在Arduino的開發(fā)環(huán)境中擁有大量的庫函數(shù)，可以直接用來調(diào)用，這樣大大方便了程序的編寫，非常適合設(shè)計(jì)師、工程師和非專業(yè)編程人員使用。其次，選用LM35型溫度傳感器輸出電壓為攝氏溫標(biāo)，通過簡單的數(shù)學(xué)公式計(jì)算便可獲得溫度值，由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，輸出可以從0℃開始，工作電壓為4~30 V，額定使用溫度范圍-55℃-+150℃，是一種廣泛使用的溫度傳感器，通過很簡短的程序，便能通過它讀取出環(huán)境的溫度，測溫范圍大，測量精度高。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于3D打印來說，3D模型是其打印的基礎(chǔ)，首先要通過UG、SOLIDWORKS等三維軟件將要打印食物的三維模型建立出來，然后導(dǎo)出STL文件，再用cura切片軟件對模型進(jìn)行切片轉(zhuǎn)化為打印機(jī)可識別的gcode指令，打印機(jī)接收到指令后，可根據(jù)指令進(jìn)行打印。在打印過程中，可以預(yù)覽打印物體的效果圖與打印進(jìn)度參數(shù)。

2 面粉作為3D打印材料的可行性研究

現(xiàn)有市場上的多數(shù)3D打印機(jī)都已PLA或ABS作為打印的材料，這兩種材料可在高溫下融化，變?yōu)槟軌蛘辰釉谝黄鸬恼承晕镔|(zhì)，然后在室溫冷卻后，便可以凝固成一定強(qiáng)度的固體。

對于大多數(shù)人來說都希望把面粉做簡單處理后變?yōu)橛姓承缘拿婧阉鳛?D食品打印機(jī)的打印材料，而面糊卻在高溫時蒸發(fā)掉水分子變?yōu)楣腆w，常溫下具有粘彈性，擠出后會發(fā)生應(yīng)變，無法形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這成為了制約3D食品打印機(jī)發(fā)展的瓶頸。

2.1 面粉的成分

面粉是一種由小麥磨成的粉狀物。淀粉和蛋白質(zhì)為其主要的成分，面粉放入水中攪拌，形成面糊，面糊是水、面筋、淀粉的混合物，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)可確定出面筋決定了面糊的彈性，淀粉決定了面糊的粘性。

2.2 面粉的選擇

由于所制作的3D食品打印機(jī)需要打印像煎餅和糕點(diǎn)一樣的食物，要求食物在噴嘴處噴出后具有一定的粘性且彈性較低，不能粘結(jié)不到一起也不能很快發(fā)生變形，因此我們選擇低筋面粉作為本臺3D食品打印機(jī)的實(shí)驗(yàn)材料。

3 并聯(lián)臂3D食品打印機(jī)可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由之前的分析可以得到，由于面團(tuán)粘彈特性，面團(tuán)在擠出的過程中會發(fā)生擠出脹大的現(xiàn)象，同時噴嘴距打印平臺的高度不同，也會影響模型的積淀成型因此本小節(jié)將改變面的粘稠度和噴嘴距打印平臺間的距離來進(jìn)行食品3D打印實(shí)驗(yàn)。

首先要調(diào)制出3種不同粘稠度的面糊，其中面粉和水的比例分別為 1∶1、3∶2、2∶1，然后設(shè)置好加熱底盤的溫度、噴嘴和底盤間距離，把3種不同粘稠度的面糊通過并聯(lián)臂3D食品打印機(jī)打印出來。

噴嘴距底盤間的距離為 0.4 mm，打印時加熱底盤的溫度為80℃，食品3D打印的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1所示。

表1

噴嘴距底盤間的距離為0.1 mm，打印時加熱底盤的溫度為90℃，食品3D打印的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2

4 結(jié) 語

文章所述的三連臂3D食品打印機(jī)是在原有的Delta 3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上，對普通的3D打印機(jī)進(jìn)行重新改造，使其成為能夠打印食品的3D打印機(jī)，我們保留了原有的Delta 3D打印機(jī)的主體框架和三臂并聯(lián)控制部分，并創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)了食物存儲部分、食物擠出部分、食物加熱部分和自動調(diào)平部分。