巧克力3D打印机的机械结构设计

宋　琦，刘　鹏，陈　雪，刘　通

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132013)

三维打印(Three-Dimensional Printing)又称为3D打印，最早起源于19世纪末期[1].但由于受到数字技术发展程度低的制约，直到20世纪末期才开始应用[2].3D打印作为一种新兴的快速成型技术，具有加工便捷、快速等特点，尤其适用于加工小批量的高端定制化产品.近年来，受益于数字建模技术和软件技术的飞速发展，3D打印技术也在短时间快速发展成熟，迅速应用于航空、模具、医疗、药物、食品、教育等领域[3-9].

巧克力作为深受大众喜爱的休闲食品，不仅味道甜美、口感好，还具有独特的光泽，并且可以通过加工获得各种美观的外形，逐渐成为一种个性化定制的特殊礼品.传统的个性化定制巧克力，依赖于模具成型，形状变化少，所用模具制作周期长，成本高，其应用普及性受到了很大的限制.

为了适应定制巧克力外形复杂化和个性化的发展趋势，结合3D打印技术造型灵活多变的特点，2011年英国埃克赛特大学研究人员开发出了世界首台巧克力3D打印机[10]，掀起了一股巧克力3D打印的研究热潮.巧克力3D打印发展至今技术日渐成熟，但现有的巧克力3D打印机，存在连续送料难和打印精度低等问题，限制了巧克力3D打印产品的发展.本文针对以上问题进行研究并加以改进，设计了一款连续送料式高精度巧克力3D打印机.

1　巧克力3D打印整体设计

本文所设计的巧克力3D打印机总体结构如图1所示，由主控单元、定位装置、加热装置、送料装置和打印喷头等部件构成.采用12 V直流电源为动力，步进电机作为驱动原件，带动打印喷头在打印工作台上移动并精确定位，打印喷头与连续式送料装置相连接，以保证在打印过程中可以不间断的持续送料.打印喷头和送料装置上分别装有加热装置以确保巧克力在合适的温度进行送料和打印，打印过程中使用Arduino微控制器协调各部件动作[11].

图1　巧克力3D打印机总体结构

2　定位机构设计

定位机构是影响巧克力3D打印机精度的主要因素.目前市场上的巧克力3D打印机定位机构主要有两种，一种是并联式三维平台定位机构，另一种是采用XYZ三轴定位的笛卡尔坐标系定位机构.并联式三维平台定位机构如图2所示，由三根相互平行的并联杆组成运动轨道，连接打印喷头的三个滑块分别在三个轨道上沿着轨道方向上下移动，由此带动打印喷头在垂直方向和水平方向进行移动和定位，完成打印工作.并联式三维平台定位机构整体结构简单，制造成本低，打印喷头移动速度快，适合快速打印，但由于三根并联杆的刚性限制，很难实现较高的打印精度.而且随着打印尺寸的减小，其打印误差会成倍的增大[12]，较难应用于形状复杂尺寸精细的巧克力模型打印.

图2　并联式三维平台定位机构

本文所设计的巧克力3D打印机主要针对形状复杂的定制化礼品巧克力，为了提升打印精度，提高产品质量，定位机构采用了精度较高的笛卡尔坐标系.笛卡尔坐标系以互相垂直的X、Y、Z三轴定位，刚性好，定位精度高.X轴和Y轴使用同步带和同步轮传动，如图3所示，能够快速而精准地定位.Z轴采用滚珠丝杠进行精确定位和传动，如图4所示.X、Y、Z三轴的驱动原件均采用较高精度的小型步进电机，每步1.8度.使得装置在快速进行3D打印的同时，保证了打印精度.

图3　X、Y轴定位传动机构

3　送料装置及打印喷头设计

3.1　打印喷头整体设计

本文所设计的打印喷头集成了送料装置和加热装置，主要由供料箱、加热块、送料软管、送料箱、步进电机、联轴器、送料丝杠、喷嘴等部件组成，如图5所示.打印时将可可粉装入供料箱中，利用供料箱上的加热系统使可可粉融化，融化的可可粉通过连接软管进入送料箱.送料箱内的巧克力在送料丝杠的旋转推动作用下进入打印喷嘴，并完成打印.喷嘴处带有铝制加热块，以确保喷嘴处的巧克力处于融化状态.

图5　集成送料装置和加热装置的打印喷头

3.2　加热系统设计

本文设计的巧克力3D打印机设有两处加热装置，一是供料箱处，用来加热可可粉，使其成为融化状态的巧克力并通过软管流入送料箱内；二是打印喷嘴处，用来保证喷嘴处的巧克力温度，使其一直处于融化状态，以免堵塞喷嘴.加热装置主要由铝制的电阻加热块和温度传感器组成，温度传感器用以实时监测巧克力的温度并反馈给控制系统，再由加热块对温度进行调节，使巧克力适中处于适合打印的温度(34～46 ℃)[13].

3.3　送料系统设计

目前大部分巧克力3D打印机采用活塞挤出送料方式，其原理如图6所示.由活塞对缸体内的巧克力进行挤压来实现供料.但在料筒内的材料用完之后需要重复装填或者更换料管，影响打印速度，不便于持续打印.

图6　活塞挤出送料原理示意图

本文中设计的3D打印机采用旋转螺杆的送料方式，其原理如图7所示，让融化的巧克力流入螺杆与料桶壁的间隙，通过送料螺杆的旋转作用挤出融化的巧克力完成打印.在打印的过程中，可以从上方的供料箱处加入原料，换料的同时不需要暂停打印或更换送料部件，可实现连续供料，加快了整体的打印速度.送料螺杆通过联轴器与高精度步进电机相连，利用步进电机对送料丝杠的旋转速度进行调节，来精确地控制送料速度，以提高打印模型的精度.

图7　旋转丝杠送料原理示意图

4　结　　论

本文为了迎合巧克力个性化、定制化的发展趋势，结合3D打印技术的特点，设计了一款可持续供料的高精度巧克力3D打印机.

(1)打印机采用精度较高的笛卡尔坐标系进行定位，并采用高精度的步进电机进行控制，同步带和滚珠丝杠机构进行传动，保证了打印精度.

(2)打印机采用由铝制加热块和温度传感器组成的温控系统对供料箱和喷嘴处的温度进行控制，保证打印顺利进行.

(3)打印机使用旋转螺杆进行送料，将填料装置和送料装置分离，实现了巧克力3D打印的连续送料和持续打印.

参考文献：

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[3]张彦芳.3D打印技术及其应用[J].科技视界，2013：123-123.

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[13] 童晶.低成本个性化巧克力三维打印平台[J].计算机辅助设计与图形学学报，2015,6(27)：984-991.