自清潔食品3D打印機的設計

摘要：個性化、美觀化的健康飲食越來越受到歡迎，傳統食品加工技術很難完全滿足個性化需求。設計開發可自清潔的食品3D打印機，該設備可以用巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材進行打印。3D打印機的自清潔機構能夠及時清理食品加工過程中產生的各種碎屑、廢料，食材存儲與加熱裝置可以確保加工多種不同食材。此外，深入分析了巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材的粘稠度、流動性、受熱性等特性，相應設計了多種模塊化打印噴頭。本設計可以滿足個性化精準營養的配餐供應，為個性化、定制化餐飲行業提供了新的路徑，具有良好的市場前景和經濟效益。

關鍵詞：3D打??；個性化；精準營養；自清潔

中圖分類號：G717 文獻標志碼：A 文章編號：1674-2346 （2025） 01-0101-04

0 引言

隨著生活水平不斷提高，健康飲食理念深入人心，越來越多的人追求個性化、美觀化的營養飲食。傳統食品加工技術很難實現，而食品3D打印技術能夠切合個性化、定制化飲食需求，不僅能自主搭配、均衡營養實現個性化營養定制，還可以根據個人情感需求調整食物形狀，增加趣味性、提升情緒價值。食品3D打印采用多品種的原料混合搭配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質及其他功能因子等營養素成分按照需求比例加以平衡，在滿足原料3D打印適宜性的前提下，打印成為營養均衡、美味可口、外觀優美、方便食用的新型食品。因此，食品3D打印技術可以實現分類人群或個性化營養定制供餐，為健康個性化飲食提供了可能性。食品3D打印機適用于酒店自助餐廳、甜品店、蛋糕店等，市場需求十分廣闊，具有良好的經濟效益和發展前景。

近年來，諸多學者和研究人員針對食品3D打印進行相關研究，運用3D打印技術，以食物為原料，根據不同人群對飲食的需求，對食品形狀定制與營養優化。魏林林以馬鈴薯全粉為原料，設計了一種可用于打印高黏度MP的食品3D打印設備，以提高MP的打印質量和打印效率；盧麗姣等利用魔芋淀粉成膠特點，開發出一種可用于食品3D打印的凝膠體系，為食品創新和個性化營養食品定制提供新思路；葛正浩等研制了一種圓柱坐標式多材料食品3D打印設備，對其擠出、成型及多材料等工藝參數進行了試驗研究，為多材料食品3D打印設備的工藝參數提供了指導；肖帥磊等概述食品3D打印技術的基本原理和打印方式，研究了3D打印肉制品的應用，為肉制品3D打印研究方向提供了參考。

縱觀食品3D打印技術相關研究，已取得了一系列研究成果。但由于食物原材料在3D打印過程中會產生碎屑、殘渣、粉末等，此類殘料不易清理且影響食品衛生安全，目前市面上尚無一款3D打印設備能有效解決上述難題。本文開發了一款具有自清潔功能的3D打印設備，設計了能夠實現食品殘渣自清潔、3D打印和廢料收集等功能的產品結構，確保食材3D打印與殘料的高效清理，為多樣化、個性化安全食品開發提供了技術支撐，具有良好的應用前景與商業推廣價值。

1 自清潔機構

食品3D打印設備通常采用巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材進行打印，打印過程難免會產生各種碎屑、廢料等。這些食品碎屑、殘渣、粉末容易粘結到打印平臺、內壁等處，不易清理且容易變質，若不及時清理可能造成食品安全事故。本設計創新開發了自清潔機構，確保食品打印完成后自動進行設備內部自清潔，該機構主要由兩部分構成，包括調節裝置和自清潔裝置。

1.1 調節裝置設計

自清潔機構的調節裝置主要由絲杠和限位梁兩部分組成，如圖1所示。調節裝置主要行使傳動功能，可以將自清潔機構的自清潔裝置移動到目標位置。調節裝置中的絲杠主要行使該功能，絲杠可以通過轉動帶動自清潔裝置左右移動。限位梁主要保障自清潔機構的主體安全，使自清潔機構在工作和移動時保持平衡，確保自清潔機構主體不會發生側翻和傾斜。調節裝置的主體部分連接伸縮電缸，確保能夠清潔3D打印平臺的所有部位，保證自清潔機構的全面性和有效性。伸縮電缸兩端分別連接調節裝置和電動旋轉缸，電動旋轉缸的另一端延伸部分連接小型電動旋轉缸和小型伸縮電缸，所有這些驅動機構共同驅動上述調節裝置，用于調整整個自清潔機構的工作姿態，以保證其運行高效性。

1.2 自清潔裝置設計

食材碎屑冷卻后粘合在工作臺頂面、底座頂面或者凹槽頂面，導致清理難度較大。自清潔裝置采用噴氣清理模式，由噴氣口和橡膠撥片構成。自清潔裝置的噴氣口可以噴射出熱空氣，高速流動的熱空氣作用于各種食材碎屑上，使其快速熔化，再利用橡膠撥片使其移動進入漏料口，最終落入廢料盒內，從而完成設備內部各部位的自清潔。

2 丁印平臺

打印平臺是食品3D打印設備的核心部件之一，由打印臺與升降裝置構成，食品打印整個過程在打印平臺上完成，整體設計如圖2所示。

2.1 打印臺設計

食品3D打印臺的結構設計不僅影響食品打印過程的食品形狀和打印效率，影響設備使用過程的復雜度和便利性，尤其是設備自清潔效率。綜合考慮結構的功能性和經濟性，設計了“中間平，兩邊斜”打印臺，該臺面不僅滿足了食品打印過程中打印的便攜性、形狀的多樣性、成型的高效性，而且實現了設備自清潔的便捷性、快速性和有效性，從而達到高效打印和自動清潔。

2.2 打印平臺升降裝置設計

要實現打印的高效性及多樣性，需要平臺升降裝置的優化設計。所設計的升降裝置可以實現打印臺的移動功能，同時有助于提高食品打印及完成后清潔的高效性。升降裝置由兩對導桿與一對絲桿組成，電機驅動絲桿帶動平臺的升降，兩對導桿確保導向穩定和保持平臺移動平衡。

3 3D打印機構

打印機構是食品3D打印設備的最核心機構，該機構主要由三大部分構成，分別為食材存儲與加熱裝置、擠出打印裝置和機構移動裝置，食品3D打印機的打印機構具體結構，如圖3所示。

3.1 食材存儲與加熱裝置

食品3D打印過程中，巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材加熱狀態下均呈現半凝固狀態易形成堵塞。根據食材性狀特點，為防止擠出打印前食材過早凝固，進而堵塞打印噴頭，針對性設計了食材存儲與加熱裝置，如圖4所示。該裝置穩定密封保存食材，并在食材打印前可以進行加熱，確保食材處于待打印狀態，保證打印過程的均勻流暢。經過不斷試驗和改良驗證，該結構具有很好的可靠性和有效性，能夠有效避免打印過程中的噴頭堵塞問題。

3.2 擠出打印裝置

擠出打印裝置是食品3D打印設備的重要部件之一，合理的結構設計可以更容易實現目標打印形狀，同時兼顧打印精度和打印速度。根據巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材不同特性，設計了多模塊化擠出打印噴頭，可針對不同食材進行選擇替換，以此保證每種食材均有最適合的噴頭進行打印，兩種典型的擠出打印機構方案，如圖5所示。所有打印裝置均采用螺旋進給結構，結合食材存儲與加熱裝置，能夠確保食材受熱均勻，從而共同保證食品打印過程能夠平穩、流暢、均勻地擠出，順利打印成型。

3.3 打印機構的移動裝置

打印機構的移動裝置采用X-Y軸的平面二維移動方式，以步進電機作為動力源進行驅動，采用帶輪方式實現動力傳送。每個方向都設有金屬桿，保證了擠出打印裝置的結構穩定性和打印過程的一致性。

4 廢料收集機構

廢料收集機構位于打印平臺底部，中間設有廢料槽，便于收集食材打印過程中產生的碎屑、廢料。底部有可拆卸廢料槽插口，可以取出廢料槽進行清理，廢料槽插口底部設有滾輪，便于廢料槽的抽取與放回。廢料收集機構設有槽滿提示，槽內傳感器檢測到廢料槽裝滿則發出提示音提醒及時處理。

5 結語

本文研發的自清潔食品3D打印設備相較于普通食品3D打印機，創新性地設計了高效、便捷的自動清理機構，能夠有效避免設備清理難、清理不及時、殘渣易變質等問題。根據巧克力類、淀粉類、親水膠體類等食材不同特性，設計了多模塊化擠出打印噴頭，可針對不同食材選擇替換噴頭，實現多類型食材的打印。該設備清理裝置多處采用伸縮結構，結構緊湊、機構靈活、執行高效，可以根據具體需求變換姿態進行自動清理碎屑，完成后只需要將廢料槽中的廢料盒取出處理即可。自清潔食品3D打印機適用于酒店自助餐廳、甜品店、蛋糕店、家庭自用、自主創業等，3D食品打印技術不僅有助于食品多元化、提升食品品質，還能滿足時尚需求、特殊群體精準營養配餐等，如運動員、老年人、嬰幼兒等，便于實現個性化食物和自主選擇營養。自清潔食品3D打印機有助于建立健康飲食理念，能夠提供健康個性化飲食，具有良好的社會效益和推廣價值。

基金項目：浙江省新苗計劃（2023R467A004）