对称啮合双螺杆式3D食品挤出机构的设计

覃家金，林 志

（1.广西英华国际职业学院 信息技术学院，广西 钦州535000；2.广西大学机械学院工程实训中心，广西 南宁 530004）

3D食品打印技术是在3D打印技术发展的同时而产生的一种新兴食品制作加工技术[1]。因堆积成型技术在食品打印行业中应用最广[2]，所以国内外基于堆积成型技术对3D食品打印机进行不同类型的研发。全球第一款3D食品打印机“Foodini[3]”，由西班牙一家名为Natural Machines的创业公司研发[4]。世界首台3D巧克力打印机由英国埃克塞特大学研究人员于2011年开发[5]，该打印机包含冷却系统和温控系统，每一层巧克力经过打印后再经历凝固过程。美国宇航局于2013年研究开发了一款适合飞行携带的3D食品打印机[6]，此3D食品打印机设备占用空间非常小。2015年，我国浙江大学等研究机构开发了一种活塞注射式3D食品打印笔，可打印巧克力等液态食材[7]。以上3D食品打印机存在打印容量小（中途停机加料），挤出效率不高等问题。为此，本文提出一种对称啮合双螺杆挤出机构，该机构可实现连续打印，无需中途停机加料；且通过采用双螺杆挤出方式，使其运行工作效率更高。

1 挤出机构的结构原理

1.1 双螺杆结构

双螺杆类型依照啮合形式可分为全部啮合与部分啮合。从双螺杆的加工工艺和3D食品打印机物料挤出系统的稳定性考虑，选择部分啮合异向旋转双螺杆作为挤出装置，所设计的双螺杆结构如图1所示。其中双螺杆间保留有一定的螺棱间隙，物料在输送过程中会将螺棱间隙密封，此时整个系统由部分啮合异向旋转纵向和横向皆封闭的挤出系统转变为全啮合异向旋转纵向和横向皆封闭的系统。与此同时，两根螺杆采用对称放置的形式，减少了异向旋转时产生的横向力和轴向推力分别对螺杆和轴承的影响。

图1 对称啮合异向旋转双螺杆

1.2 双螺杆式3D食品挤出机构的结构

双螺杆式3D食品挤出机构的结构如图2所示，其主要由机械传动部分、双螺杆挤出部分、同步控制部分和X轴驱动部分组成。其中，机械传动部分包括大同步轮、小同步轮和同步带，实现步进电机与螺杆之间的扭矩传递；双螺杆挤出部分包括端盖兼轴承座、对称双螺杆、喷嘴和挤出螺筒，实现对物料的输送；同步控制部分包括控制模块、挤出步进电机、步进电机架、基座，完成对两个挤出步进电机的同步控制；X轴驱动部分包括X轴光杆固定架、X轴光杆、直线轴承、小滚轮、吊架、X轴同步带、X轴驱动步进电机、X轴同步轮，实现对挤出装置的X轴方向的移动。在工作过程中，控制模块驱动步进电机同步运行，通过同步带传动驱动对称双螺杆进行异向旋转啮合，此时由进料口进入挤出螺筒的物料，在双螺杆的不断旋转啮合挤压下由喷嘴挤出，从而完成3D图案的打印。

图2 对称啮合异向旋转双螺杆挤出机构

2 挤出通道流场ABAQUS有限元分析

挤出机构的挤出通道流场由两根螺杆与机筒之间的间隙和螺杆与螺杆之间的间隙组成。为更清楚地了解流场内物料的输送情况及双螺杆的受力情况，选取异向双螺杆挤出流道关键部位进行有限元分析，建立PRO/E流场模型，并转成ABAQUS软件识别的IGS格式的零件模型，在不影响数据分析的前提下，所选取的流道关键部位简化模型如图3所示。

图3 流道关键部位简化模型

模型边界是有限元分析的重要一步，该流场主要边界有入口、出口、流场与螺杆接触面及流场与螺筒接触面。其中，入口处无压力，而出口受物料挤压，故其压力值分别设定为0 MPa和10 MPa；流场与螺筒接触面是静止的，设定其状态为无滑移状态；流场与螺杆接触面受螺杆的转动影响，设定螺杆的转动速率为10 r/min.与此同时，流场其它基本参数：声速为 1 483 m/s；密度为 1 500 kg/m3；粘度为 0.000 1 kg/ms.通过上述参数的设置，最终仿真分析得到流道的应力云图如图4和图5所示，其中应力值从大到小以不同颜色来表示，蓝色代表应力最小，数值为-8.361e+06Pa，红色代表应力最大数值为+1.386e+07Pa.

图4 流道整体应力云图

图5 流道Z方向视图

从图4的Y方向视图中可看出，应力变化非常明显，从Z轴负方向到Z轴正方向颜色均匀区分为四个区域，依次为橙色、黄色、绿色和淡蓝色，均匀分布的原因在于流场由四个各自独立封闭的“C”型物料室均匀隔开。物料入口处颜色是浅蓝色为负低压，有利于物料的吸入；物料出口处颜色是橙色为高压，有利于物料的挤出。

从图5的Z方向视图中可看出，螺杆压延效应区域位于螺杆啮合区中心线偏置处，此处应力最大，导致双螺杆受往两边的横向力，所以双螺杆两端设置对称的四个角接触轴承是合理的。ABAQUS有限元分析结果表明，该对称啮合双螺杆式3D食品挤出机构设计合理，有利于物料的吸入与挤出。

3 实验测试

为验证挤出喷头机构设计的合理性，搭建图6所示的对称啮合双螺杆3D食品打印实验平台对其进行性能测试。该平台由控制系统和执行系统两大部分组成，其中控制系统包括电脑以及相关驱动软件；执行系统包括X、Y、Z三轴步进机构和喷头挤出机构。

图63 D食品打印实验平台

具体实验步骤如下：

（1）组装3D打印机平台，调节好X、Y、Z各轴的位置关系，连接电机线及组装喷头。

（2）编辑固件并上传至上位机，并在软件中设置层高、喷嘴直径和丝的直径等参数如表1所示。

（3）使用软件（Repetier-Host）连接 RAMPS 1.4主控板，完成连接后，导入文件格式为STL的三维打印模型并进行相应设置，最后进行打印实验测试。

表1 打印参数设置

实验打印结果如图7所示，由图中可看出实验成品中外圈出现打印不均的现象，而中间部分则比较均匀，打印效果较好，原因在于外圈为挤出头刚启动，物料挤出不稳定，故在打印开始前，须先手动挤出物料前面不均匀的部分，方可达到良好的打印效果。经过多次的测试可知该机构具有运行较为平稳、挤出物粘度范围大、挤出量大、进料方便等优势。

图73 D食品打印机实验打印结果

4 结束语

针对国内外3D食品打印机存在打印容量小、不能连续加料和挤出效率不高等问题，设计一种对称啮合双螺杆3D食品挤出机构，进行了仿真分析和搭建3D打印实验平台进行实验测试，得到如下主要结论：3D食品挤出机构采用对称啮合双螺杆的设计方式提高了打印容量和挤出效率，且具有打印稳定，可连续加料等优点。