基于3D打印的家用和面機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陶春生，薛霏，黃志剛

1.北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院（北京 100048）；2.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局（北京 100088）

面條等面制品是中國及世界眾多國家的傳統(tǒng)主食，因其制作簡單、食用方便、營養(yǎng)健康、種類眾多而深受人們喜愛[1-2]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對面制品的質(zhì)量提出更高要求，眾多學(xué)者在面粉、輔料及添加劑等原材料[3-6]和加工工藝[7-8]等對面制品品質(zhì)影響方面進(jìn)行研究。面制品的制作包括和面、熟化、壓延等工藝，和面是制作面制品的首要環(huán)節(jié)，和面使面粉與水充分混合，形成吸水合適、顆粒松散均勻、具有適宜延展性的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的面絮，和面工藝及和面方式[9-10]都會(huì)對面制品品質(zhì)產(chǎn)生影響。和面機(jī)分為立式和臥式，臥式和面機(jī)一般應(yīng)用于規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)；市場上的家用和面機(jī)主要為立式，有單軸或雙軸，容量4～6 L；立式和面機(jī)在攪拌時(shí)面粉易涌向容器壁，形成周邊高中心低的漩渦，使面粉分層離散，攪拌范圍小且存在攪拌死角，使水和面粉不能均勻充分地混合，不能形成顆粒松散均勻的面絮，影響面制品的成形及品質(zhì)，這種現(xiàn)象在和面量少的時(shí)候尤其明顯。為解決立式家用和面機(jī)存在的問題，設(shè)計(jì)一種臥式手自一體家用和面機(jī)。

3D打印技術(shù)是近些年得到迅速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，在課程教學(xué)[11]、生物醫(yī)藥及醫(yī)療[12-13]等領(lǐng)域得到應(yīng)用。利用3D打印技術(shù)試制設(shè)計(jì)和面機(jī)，并進(jìn)行和面試驗(yàn)，與傳統(tǒng)立式和面機(jī)進(jìn)行比較，驗(yàn)證試制的和面機(jī)的和面效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

和面機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)和新型攪拌結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或電動(dòng)自動(dòng)和面。和面機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電動(dòng)部分、滾筒部分、攪拌部分、支撐部分。電動(dòng)部分主要包括電機(jī)座、電機(jī)、聯(lián)軸器；滾筒部分為攪拌的容器，主要包括進(jìn)料口、滾筒、滾筒把手等；攪拌部分實(shí)現(xiàn)面粉與水的攪拌功能，可手動(dòng)或自動(dòng)攪拌，主要包括攪拌器、攪拌軸、攪拌把手等；支撐部分為其他部分零部件提供支撐和連接，主要包括底座、可拆卸擋板、擋粉板、固定擋板、支撐肋板等。

圖1 和面機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作流程

和面機(jī)工作流程：面粉和水從滾筒上的進(jìn)料口加入滾筒內(nèi)。電機(jī)通過聯(lián)軸器和攪拌軸連接時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌軸和攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和面；不安裝聯(lián)軸器，攪拌軸與電機(jī)分開，利用安裝在攪拌軸一端的攪拌把手實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和面。拔出可拆卸擋板并拆下聯(lián)軸器，將滾筒部分和攪拌部分從和面機(jī)上拆卸下來；擰開滾筒頂蓋，取出和好的面團(tuán)；支撐肋板支撐滾筒部分，轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒把手可使?jié)L筒部分旋轉(zhuǎn)，使沉淀在滾筒底部的面粉翻轉(zhuǎn)上來，使和面更均勻、更充分。

和面機(jī)具有手動(dòng)和電動(dòng)操作方式，可適用于多種攪拌情況。機(jī)器采用單軸臥式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，卸料及清洗方便，且可避免傳統(tǒng)立式和面機(jī)的潤滑劑可能泄露造成的食品污染。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)部分設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)選用裝有調(diào)速器的單相異步電動(dòng)機(jī)。攪拌速度分為低速、中速、高速和超高速，小型和面機(jī)以中速（60～80 r/min）攪拌可獲得較好效果[14]。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與和面效果具有一定相關(guān)性[15]。電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

電動(dòng)部分如圖2所示。電動(dòng)機(jī)通過螺栓安裝在電機(jī)座里，電機(jī)座下有固定電機(jī)用的4個(gè)吸盤。電動(dòng)和面時(shí)，電動(dòng)機(jī)與攪拌軸通過聯(lián)軸器連接。

圖2 電動(dòng)部分

2.2 攪拌部分設(shè)計(jì)

攪拌部分如圖3所示。攪拌部分由攪拌器、攪拌軸和攪拌把手組成。攪拌器是和面機(jī)的重要部分，攪拌器主要有渦輪式、漿葉式、螺旋式等，攪拌器的類型及攪拌工藝參數(shù)影響攪拌過程中面團(tuán)的受力和面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而影響最終面制品的品質(zhì)[16-17]。設(shè)計(jì)的攪拌器采用槳葉式和渦輪式相結(jié)合方式，7個(gè)互成90°的帶鉤狀結(jié)構(gòu)的楔形板依次安裝在空心軸上，前一個(gè)楔形板的后平面和后一個(gè)楔形板的前平面共面，楔板頂部與滾筒壁有8 mm的距離，保證水、面充分?jǐn)嚢杈鶆蚧旌?。帶鉤狀結(jié)構(gòu)的楔形板攪拌器增加軸向及徑向攪拌面積，增強(qiáng)對面團(tuán)的拉伸作用，且可避免槳葉式攪拌器等對面團(tuán)的強(qiáng)剪切作用而對面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞，有利于和面效果的改善。

圖3 攪拌部分

楔形板主要尺寸如圖4所示。楔形板材料為高密度聚乙烯（HDPE）。楔形板在根部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，且在攪拌過程中根部所受彎矩大，楔形板的根部應(yīng)力最大[18]。設(shè)面粉與容器的摩擦角為60°，每個(gè)楔形板需攪拌0.2 kg的面粉與水的混合物。

圖4 楔形板尺寸

楔形板強(qiáng)度校核如式（1）～（4）所示。

式中：F為楔形板頂部受力，N；μ為摩擦因素；M為楔形板根部彎矩，N·mm；σmax為楔形板根部應(yīng)力，MPa。

楔形板的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

攪拌軸與空心軸通過過盈方式裝配，攪拌軸直徑12 mm，材料45鋼；空心軸外徑20 mm，材料為HDPE。攪拌把手根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，與攪拌軸通過方形的型面方式連接，便于操作。

2.3 滾筒部分設(shè)計(jì)

滾筒部分如圖5所示，包括滾筒頂蓋、滾筒把手、滾筒、進(jìn)料口。臥式和面機(jī)滾筒為圓柱形，滾筒外徑150 mm、厚2 mm、長300 mm，設(shè)計(jì)容積5 L。裝料系數(shù)取0.7，滾筒公稱容積3.5 L。和面過程中能利用滾筒把手使?jié)L筒旋轉(zhuǎn)一定角度，使沉淀在滾筒底部的面粉在重力和離心力作用下離開滾筒壁，避免面粉沉積在底部不能充分?jǐn)嚢?，保證和面更均勻、充分。滾筒材料為透明的HDPE，便于在密封容器內(nèi)和面同時(shí)觀察和面效果，既保證操作環(huán)境衛(wèi)生，又利于對和面過程的實(shí)時(shí)控制。

圖5 滾筒部分

2.4 支撐部分設(shè)計(jì)

支撐部分如圖6所示，包括底座、可拆卸擋板、擋粉板、固定擋板、支撐肋板。2個(gè)支撐肋板安裝在底座上的槽中，支撐滾筒?？刹鹦稉醢宀逶诘鬃系拈L方形槽中，限制滾筒軸向移動(dòng)。擋粉板通過螺栓安裝在固定擋板上，限制滾筒軸向移動(dòng)及面粉的溢出。固定擋板通過螺栓連接固定在底座上。支撐部分零部件主要采用插拔式或螺紋連接及定位方式，便于機(jī)器的拆裝與維護(hù)。

圖6 支撐部分

3 樣機(jī)制作及試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)制作

樣機(jī)制作采用3D打印技術(shù)，滾筒部分采用透明PC材料打印。用3D打印技術(shù)制作樣機(jī)可快速、精確地將設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)體化，便于樣機(jī)的調(diào)試和設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證。樣機(jī)如圖7所示。

圖7 和面機(jī)樣機(jī)

3.2 樣機(jī)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)材料

高筋面粉[中糧面業(yè)營銷管理（北京）有限公司]；麥麩粉（福之源面業(yè)有限公司食用麥麩粉）。

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

電子精密天平[EM203，梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司]；家用立式電動(dòng)和面機(jī)（HM502，永康市紅太陽機(jī)電有限公司）；臥式家用手自一體和面機(jī)樣機(jī)（自制）。

3.2.3 試驗(yàn)方法

稱取0.282 kg高筋面粉、0.018 kg麥麩粉、0.12 kg純凈水，將面粉、麥麩及水分別用家用立式和面機(jī)與樣機(jī)進(jìn)行混合攪拌。面粉與麥麩一次性放入滾筒，攪拌開始時(shí)加入約0.06 kg水，攪拌1 min后加入約0.06 kg的水[19]。立式和面機(jī)速度調(diào)至最低檔，樣機(jī)用手動(dòng)式攪拌，攪拌速度約60 r/min，攪拌時(shí)間均為8 min，攪拌后觀察和面效果。

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

和面效果如圖8所示。圖8（a）為家用立式和面機(jī)的攪拌狀態(tài)，圖8（b）為樣機(jī)的攪拌狀態(tài)。由圖8可見立式和面機(jī)攪拌時(shí)產(chǎn)生漩渦，面粉分層離散，攪拌范圍小且存在攪拌死角，樣機(jī)則攪拌均勻。圖8（c）為家用立式和面機(jī)的攪拌面團(tuán)，容器底部的面絮顏色更深，說明此部分面絮的含水量比上半部分面絮的高，上半部分有大塊且干燥的面團(tuán)及未能完全吸收水的面粉，攪拌不充分、不均勻。圖8（d）為樣機(jī)攪拌的面團(tuán)，攪拌的面絮的大小基本一致，攪拌均勻，只有少部分大的面塊。研究表明和面過程中面絮吸水是否適當(dāng)均勻，對面筋結(jié)構(gòu)和面制品品質(zhì)有重要影響[20]，小顆粒棉絮含量多，則和面均勻且面筋指數(shù)和面制品品質(zhì)會(huì)提高[21]。試驗(yàn)結(jié)果可得，樣機(jī)的和面效果良好，可以提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與3D打印先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并制作可自動(dòng)或手動(dòng)和面的手自一體家用和面機(jī)。和面機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，主要包括電動(dòng)部分、滾筒部分、攪拌部分及支撐部分。攪拌部分采用設(shè)計(jì)的新型攪拌器。設(shè)計(jì)的和面機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、合理，操作及維護(hù)方便。試驗(yàn)結(jié)果表明基于3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作的和面機(jī)能明顯改善傳統(tǒng)立式小型和面機(jī)和面不充分、不均勻現(xiàn)象，具有良好的效果。