并联臂3D食品打印机

岳胜元，马 博，杨克青，龙海涛，冯新杰

（新疆工程学院机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

食品是日常生活不可缺少的高频消费品，3D打印技术的发展也为推动了食品加工领域的发展。食品3D打印机原理相似于普通3D打印机，喷嘴的运动轨迹主要由单片机进行控制。但由于3D食品打印材料较少，卫生条件不高，营养价值也无法满足客户要求，因此3D食品打印机的研究出现了瓶颈。

1 并联臂3D食品打印机控制系统设计

1.1 三臂并联运动控制部分硬件系统设计

1.1.1 硬件的选择

（1）主板的选择。文章所设计的3D食品打印机造价便宜，主板选择通用主板，型号为Arduino mega 2560，搭载ATmega2560芯片，固件采用的为Marlin固件，通过串口烧录到Arduino mega2560开发板上，该控制板具有良好的通用性，可以用来控制Delta 3D型打印机和Prusa型3D打印机，是一款专门针对3D打印机控制而设计的主板。

（2）步进电机驱动装置选择。通过分析，选择的HR-A4988型步进电机驱动模块，此模块价格便宜，很容易买到，并且可以控制中小型步进电动机运转，广泛用于3D打印机、3D扫描仪、激光雕刻机、绘图仪的步进电机的控制。

1.1.2 硬件的连接

Arduino mega 2560主板是一个开源的单片机设计平台，有自己的IDE编程环境，可以在Windows操作系统上运行，在智能小车、智能家居、机械手、无人机、3D打印方面得到广泛应用，电机驱动模块插在ramps 1.4扩展板上，ramps 1.4扩展板可插在Arduino mega 2560主板上，扩展板上有4个步进电动机接口、3个限位开关接口、2个热敏电阻接口、1个LCD显示屏接口，可分别接入X轴、Y轴、Z轴3个步进电动机和一个挤出步进电动机，X轴、Y轴、Z轴限位开关，热敏电阻，12864 LCD显示屏。

1.2 食物加热部分硬件系统设计

食物加热部分硬件系统由控制板，距离检测模块，温度检测模块、显示屏等组成，其主要的设计步骤如下：首先，选用Arduino uno控制板采用ATmega 328微控制器，工作电压5 V，晶振频率16 MHz，是一款便捷灵活、方便上手的单片机，它能够通过各样的传感器来感知环境，可控制LED小灯，直流电动机、电磁继电器等装置，在Arduino的开发环境中拥有大量的库函数，可以直接用来调用，这样大大方便了程序的编写，非常适合设计师、工程师和非专业编程人员使用。其次，选用LM35型温度传感器输出电压为摄氏温标，通过简单的数学公式计算便可获得温度值，由于它采用内部补偿，输出可以从0℃开始，工作电压为4~30 V，额定使用温度范围-55℃-+150℃，是一种广泛使用的温度传感器，通过很简短的程序，便能通过它读取出环境的温度，测温范围大，测量精度高。

1.3 软件系统设计

对于3D打印来说，3D模型是其打印的基础，首先要通过UG、SOLIDWORKS等三维软件将要打印食物的三维模型建立出来，然后导出STL文件，再用cura切片软件对模型进行切片转化为打印机可识别的gcode指令，打印机接收到指令后，可根据指令进行打印。在打印过程中，可以预览打印物体的效果图与打印进度参数。

2 面粉作为3D打印材料的可行性研究

现有市场上的多数3D打印机都已PLA或ABS作为打印的材料，这两种材料可在高温下融化，变为能够粘接在一起的粘性物质，然后在室温冷却后，便可以凝固成一定强度的固体。

对于大多数人来说都希望把面粉做简单处理后变为有粘性的面糊，把它作为3D食品打印机的打印材料，而面糊却在高温时蒸发掉水分子变为固体，常温下具有粘弹性，挤出后会发生应变，无法形成稳定的结构，这成为了制约3D食品打印机发展的瓶颈。

2.1 面粉的成分

面粉是一种由小麦磨成的粉状物。淀粉和蛋白质为其主要的成分，面粉放入水中搅拌，形成面糊，面糊是水、面筋、淀粉的混合物，经过反复试验可确定出面筋决定了面糊的弹性，淀粉决定了面糊的粘性。

2.2 面粉的选择

由于所制作的3D食品打印机需要打印像煎饼和糕点一样的食物，要求食物在喷嘴处喷出后具有一定的粘性且弹性较低，不能粘结不到一起也不能很快发生变形，因此我们选择低筋面粉作为本台3D食品打印机的实验材料。

3 并联臂3D食品打印机可行性验证实验

由之前的分析可以得到，由于面团粘弹特性，面团在挤出的过程中会发生挤出胀大的现象，同时喷嘴距打印平台的高度不同，也会影响模型的积淀成型因此本小节将改变面的粘稠度和喷嘴距打印平台间的距离来进行食品3D打印实验。

首先要调制出3种不同粘稠度的面糊，其中面粉和水的比例分别为 1∶1、3∶2、2∶1，然后设置好加热底盘的温度、喷嘴和底盘间距离，把3种不同粘稠度的面糊通过并联臂3D食品打印机打印出来。

喷嘴距底盘间的距离为 0.4 mm，打印时加热底盘的温度为80℃，食品3D打印的实验数据如表 1所示。

表1

喷嘴距底盘间的距离为0.1 mm，打印时加热底盘的温度为90℃，食品3D打印的实验数据如表2所示。

表2

4 结 语

文章所述的三连臂3D食品打印机是在原有的Delta 3D打印机的基础上，对普通的3D打印机进行重新改造，使其成为能够打印食品的3D打印机，我们保留了原有的Delta 3D打印机的主体框架和三臂并联控制部分，并创造性的设计了食物存储部分、食物挤出部分、食物加热部分和自动调平部分。