外嚙合齒輪3D食品打印機擠出機構的設計

覃家金，寧雪梅

（廣西英華國際職業學院，廣西 欽州535000）

3D食品打印技術是在3D打印技術的基礎上發展的一種快速食品制造技術[1]，其堆積成型技術在食品打印行業應用廣泛[2]，因此，國內外很多研究機構基于3D食品打印技術開發了不同類型的3D食品打印機。2011年英國埃克塞特大學研究人員開發出世界首臺3D巧克力打印機[3]，該打印機使用巧克力漿替代油墨，同時配備冷卻及保溫系統，逐層打印，打印形狀豐富各異，深受廣大消費者喜愛。2015年，我國浙江大學研發了活塞式3D食品打印筆[4]。2016年，廣西大學研發了對稱嚙合雙螺桿式3D食品打印機[5]，實現了連續打印。上述打印機雖可實現定量擠出，機構平穩，但擠出機構復雜，占用空間較大。為此，本文提出了一種外嚙合齒輪擠出機構，該機構可實現定量擠出、連續打印，且結構較為簡單。

1 擠出機構的確定

3D食品打印機主要系統是由機械、控制及計算機技術等組成的機電一體化系統，其主要模塊有：XY-Z運動控制模塊、食品擠出機構、數控模塊、成型環境模塊等組成。對于不同擠出食材來說，食品擠出機構是整個3D食品打印系統研究的核心。根據3D食品打印機的設計要求，擠出機擠出量必須定量；能夠實現定量打印的擠出機構類型，主要包括柱塞擠出機構、活塞擠出機構、螺桿擠出機構和齒輪擠出機構等。柱塞擠出機構和活塞擠出機構雖然可實現定量擠出，但打印中途需要停機加料，操作不方便，且設備占用空間較大；螺桿擠出機構和齒輪擠出機構無需停機加料，設備結構簡單。目前，螺桿擠出機構可分為單螺桿擠出機構和雙螺桿擠出機構，單螺桿擠出機構相比于雙螺桿擠出機構，擠出效率不高，齒輪擠出機構相比于雙螺桿擠出機構，設備結構更為簡單。從零件加工工藝和擠出系統的穩定性考慮，還從實驗驗證要求考慮，選擇齒輪擠出機構。齒輪按照嚙合形式，可分為外嚙合和內嚙合兩種類型。內嚙合齒輪相比于外嚙合齒輪，加工工藝復雜，因此最終選擇外嚙合齒輪擠出機構，所設計的外嚙合齒輪結構如圖1。該外嚙合齒輪結構包含一個主動擠出齒輪和一個從動擠出齒輪。齒輪與擠出機端蓋及擠出機殼接合處應留有一定間隙，保證齒輪的正常運行，如果間隙太小，將可能導致齒輪無法轉動或轉動不順暢。由于打印所需的食材具有一定的黏性，齒輪間隙在一定程度上被密封，防止了物料的回流，間接提高了定量擠出效率。

圖1 外嚙合齒輪結構

2 外嚙合齒輪擠出機構的結構及工作原理

2.1 外嚙合齒輪3D食品打印擠出機構的結構

外嚙合齒輪3D食品打印擠出機構的結構如圖2，其主要由齒輪擠出模塊、機械傳動模塊、同步控制模塊、X軸驅動模塊組成。其中，齒輪擠出模塊包括擠出機端蓋、擠出機殼、主動擠出齒輪軸、從動擠出齒輪軸、擠出嘴和料斗，實現物料的定量擠出；機械傳動模塊包括擠出電機、同步帶、小同步輪和大同步輪；實現扭矩的傳遞及同步控制；X軸驅動模塊包括X軸光桿固定架、X軸同步帶、小同步輪、大同步輪、同步帶、X軸控制電機、X軸光桿、擠出機固定架和直線軸承，實現擠出機構X方向運行控制；同步控制模塊包括同步控制軟件和控制板，實現擠出機構的同步打印控制。

圖2 外嚙合齒輪3D食品打印擠出機構

2.2 外嚙合齒輪擠出機構的工作原理

外嚙合齒輪擠出機構的工作原理如圖3。基本的工作過程如下：控制模塊發出控制信號驅動擠出電機，擠出電機通過小同步輪和大同步輪放大扭矩，控制主動擠出齒輪軸轉動，主動擠出齒輪軸轉動帶動從動擠出齒輪軸轉動，使得擠出機內部產生容積可變化的密封腔，從而引導物料從吸料口（料斗）進入出料口（擠出嘴），實現食品3D圖案的打印。

圖3 外嚙合齒輪擠出機構的原理

3 實驗測試

為驗證擠出機構設計的合理性，搭建圖4所示的外嚙合齒輪擠出實驗平臺并進行測試。實驗控制平臺包括控制電腦和3D打印機。控制電腦主要實現3D圖案的設計、打印參數的設置、代碼編程和固件的上傳；3D打印機主要任務是接受控制電腦發出的控制信號，驅動X、Y、Z三軸同步運動以及同步控制擠出機構實現物料擠出。

圖4 外嚙合齒輪擠出實驗平臺

具體實驗步驟：

（1）組建3D實驗打印控制平臺。

（2）固件的編輯及上傳，調試機構運行狀態。

（3）使用Proe三維軟件設計3D圖案并轉換為STL格式打印模型。

（4）使用Repetier-Host軟件導入STL格式打印模型，設置切片軟件CuraEngine的打印參數（見表1），編輯3D打印代碼gcode。

（5）按比例制作實驗材料（見表2），加料，啟動打印。

表1 打印參數

表2 材料比例

實驗打印結果如圖5所示，由圖中可看出實驗成品均勻，達到預期效果。由于實驗過程不需要溫度加熱控制，因此編輯固件當中相應的溫度控制命令行，設置溫度為0℃（即超過設定溫度即可運行，一般設定溫度為100℃以上）。運行中其它設置均勻無問題，但出現執行電機不動的情況，可能是程序執行了“M104 T0 S0”和“M109 T0 S0”代碼，將這兩行代碼刪除，完成后重新啟動打印，實驗可繼續進行。經過多次實驗測試可知，該機構具有運行平穩，擠出量穩定，加料方便等優勢。

圖53 D食品實驗打印結果

4 結束語

針對國內外3D食品打印機存在的不連續打印、擠出機構結構復雜等問題，設計一種外嚙合齒輪擠出機構，搭建3D實驗打印平臺并進行打印測試，得到主要結論：外嚙合齒輪3D食品打印機構可實現定量擠出，連續打印，且具有機構運行平穩、結構簡單等優點。