并聯臂3D食品打印機

岳勝元，馬 博，楊克青，龍海濤，馮新杰

（新疆工程學院機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830000）

食品是日常生活不可缺少的高頻消費品，3D打印技術的發展也為推動了食品加工領域的發展。食品3D打印機原理相似于普通3D打印機，噴嘴的運動軌跡主要由單片機進行控制。但由于3D食品打印材料較少，衛生條件不高，營養價值也無法滿足客戶要求，因此3D食品打印機的研究出現了瓶頸。

1 并聯臂3D食品打印機控制系統設計

1.1 三臂并聯運動控制部分硬件系統設計

1.1.1 硬件的選擇

（1）主板的選擇。文章所設計的3D食品打印機造價便宜，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型打印機和Prusa型3D打印機，是一款專門針對3D打印機控制而設計的主板。

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

1.1.2 硬件的連接

Arduino mega 2560主板是一個開源的單片機設計平臺，有自己的IDE編程環境，可以在Windows操作系統上運行，在智能小車、智能家居、機械手、無人機、3D打印方面得到廣泛應用，電機驅動模塊插在ramps 1.4擴展板上，ramps 1.4擴展板可插在Arduino mega 2560主板上，擴展板上有4個步進電動機接口、3個限位開關接口、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個步進電動機和一個擠出步進電動機，X軸、Y軸、Z軸限位開關，熱敏電阻，12864 LCD顯示屏。

1.2 食物加熱部分硬件系統設計

食物加熱部分硬件系統由控制板，距離檢測模塊，溫度檢測模塊、顯示屏等組成，其主要的設計步驟如下：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，它能夠通過各樣的傳感器來感知環境，可控制LED小燈，直流電動機、電磁繼電器等裝置，在Arduino的開發環境中擁有大量的庫函數，可以直接用來調用，這樣大大方便了程序的編寫，非常適合設計師、工程師和非專業編程人員使用。其次，選用LM35型溫度傳感器輸出電壓為攝氏溫標，通過簡單的數學公式計算便可獲得溫度值，由于它采用內部補償，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境的溫度，測溫范圍大，測量精度高。

1.3 軟件系統設計

對于3D打印來說，3D模型是其打印的基礎，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，然后導出STL文件，再用cura切片軟件對模型進行切片轉化為打印機可識別的gcode指令，打印機接收到指令后，可根據指令進行打印。在打印過程中，可以預覽打印物體的效果圖與打印進度參數。

2 面粉作為3D打印材料的可行性研究

現有市場上的多數3D打印機都已PLA或ABS作為打印的材料，這兩種材料可在高溫下融化，變為能夠粘接在一起的粘性物質，然后在室溫冷卻后，便可以凝固成一定強度的固體。

對于大多數人來說都希望把面粉做簡單處理后變為有粘性的面糊，把它作為3D食品打印機的打印材料，而面糊卻在高溫時蒸發掉水分子變為固體，常溫下具有粘彈性，擠出后會發生應變，無法形成穩定的結構，這成為了制約3D食品打印機發展的瓶頸。

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，經過反復試驗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食品打印機需要打印像煎餅和糕點一樣的食物，要求食物在噴嘴處噴出后具有一定的粘性且彈性較低，不能粘結不到一起也不能很快發生變形，因此我們選擇低筋面粉作為本臺3D食品打印機的實驗材料。

3 并聯臂3D食品打印機可行性驗證實驗

由之前的分析可以得到，由于面團粘彈特性，面團在擠出的過程中會發生擠出脹大的現象，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將改變面的粘稠度和噴嘴距打印平臺間的距離來進行食品3D打印實驗。

首先要調制出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臂3D食品打印機打印出來。

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打印的實驗數據如表 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打印的實驗數據如表2所示。

表2

4 結 語

文章所述的三連臂3D食品打印機是在原有的Delta 3D打印機的基礎上，對普通的3D打印機進行重新改造，使其成為能夠打印食品的3D打印機，我們保留了原有的Delta 3D打印機的主體框架和三臂并聯控制部分，并創造性的設計了食物存儲部分、食物擠出部分、食物加熱部分和自動調平部分。