一種食品三維印表機的製作方法

2023-06-26 02:26:37

本發明涉及熔融沉積型三維列印技術，尤其是涉及一種食品三維印表機。

背景技術：

隨著科學技術的發展和社會進步，消費者對食品的要求也越來越高：不僅要求美味可口，還越來越注重食品的外觀造型。但是傳統的食品加工工藝受限於模具的形狀、工人的技藝水平，無法製作出形狀複雜的造型。

三維列印是近年來在製造業領域迅速發展的一項新興技術，與傳統製造業的去除材料加工不同，三維列印的製造方式是增加材料。其主要工藝是逐層列印。系統自動將三維造型以一定的層厚分層。列印頭根據每一層的數據逐層列印，最後就堆疊成為一個三維實體。相對於傳統製造手段，三維列印可以製造外形較為複雜的零件。在食品加工行業中，利用三維列印可以製造出傳統食品加工手段無法加工的造型。

中國專利ZL200720020715.9公開了一種蛋糕印表機，採用食用墨水直接在蛋糕列印圖文。它由列印裝置、三維空間定位滑軌、與三維空間定位滑軌連接的步進電機、可360度旋轉的物料臺和與物料臺連接的旋轉步進驅動機構組成，列印裝置安裝在三維空間定位滑軌內。中國專利ZL201320022312.3公開了一種多功能食品印表機。採用空氣壓縮機產生的壓縮空氣擠出列印噴頭內的材料，可以實現2D或3D繪圖。但是採用壓縮空氣的方法難以避免氣壓波動帶來的噴射不均勻，擠出力不夠，甚至噴頭堵塞的現象。上述兩份專利均沒有調溫系統。

生產美味可口的巧克力需要複雜的調溫工藝。巧克力的主要成分可可脂為多晶型產物，可可脂中的脂肪可以以6種不同形式的晶體存在，口味良好的巧克力中大部分都為穩定的βV晶體。為了形成大量βV晶體就需要給巧克力調溫。沒有經過良好調溫處理的巧克力凝固後容易產生「白霜」現象，不僅口感變差，而且起霜的外觀也難以令大眾接受。巧克力、奶油列印還需要特定的溫度，否則容易在噴嘴、管路處堵塞。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種新型的食品三維印表機，能夠穩定擠出食材，實現分段保溫，避免材料因冷凝而堵塞噴頭，尤其對需要加熱的食材進行溫度控制，形成良好口味的列印產品。

一種食品三維印表機，包括機架以及安裝在機架上的噴頭，所述機架包括提供X軸運動的列印臺、提供Z軸運動的升降臺、以及安裝在升降臺上且提供Y軸運動的橫移臺；

所述噴頭固定在橫移臺上且處在列印臺上方，所述X軸、Y軸和Z軸空間上兩兩垂直，其中X軸和Y軸水平布置，Z軸豎直布置；

所述噴頭包括料筒以及滑動安裝在料筒內的推料活塞，料筒底端具有出料口，料筒頂部安裝有驅動推料活塞的絲槓步進電機，所述料筒的外圍設有保溫套，在料筒與保溫套之間設有作用於料筒的加熱裝置。

本實用新型的噴頭相對列印臺而言，可在X軸、Y軸和Z軸三個方向上有相對位移，實現三維列印。列印臺、升降臺和橫移臺各自匹配有導向機構和驅動機構。

作為優選，所述列印臺包括：

底座；

安裝在底座上的X軸導杆；

沿X軸導杆運動的X軸導向滑塊；

與X軸導向滑塊固定連接的用於放置列印品的託板；

安裝在底座上的X軸步進電機；

安裝在底座上受X軸步進電機牽引的X軸同步帶，所述託板的底部固定在X軸同步帶上。

X軸步進電機精確控制託板在X軸向的位移，X軸導杆為兩根，X軸導向滑塊對稱布置在託板底面的兩側，託板沿X軸導杆平穩移動，保證列印精度。

作為優選，所述升降臺包括：

安裝在所述底座上的Z軸導杆；

沿Z軸導杆運動的Z軸導向滑塊；

與Z軸導向滑塊相固定連接的升降板；

安裝在所述底座上的Z軸步進電機；

安裝在所述底座上受Z軸步進電機驅動的Z軸絲杆，所述Z軸導向滑塊與該Z軸絲杆之間螺紋配合。

Z軸導杆為對稱布置的兩根，保證升降板沿Z軸導杆平穩滑動。

Z軸步進電機驅動Z軸絲杆轉動，由於絲槓運動勻速平穩，推力大，能夠精確控制安裝在升降板上的噴頭的Z軸位移，保證列印精度。

作為優選，所述橫移臺包括：

安裝在所述升降板上的Y軸導杆；

沿Y軸導杆運動的Y軸導向滑塊，所述噴頭固定在Y軸導向滑塊上；

安裝在所述升降板上的Y軸步進電機；

安裝在所述升降板上受Y軸步進電機牽引的Y軸同步帶，所述Y軸導向滑塊底部固定在Y軸同步帶上。

Y軸步進電機精確控制噴頭在Y軸向的位移，Y軸導杆為兩根，噴頭沿Y軸導杆平穩移動，保證列印精度。

所述X軸步進電機、Z軸步進電機和Y軸步進電機受控於控制系統。

本實用新型噴頭能夠對材料進行保溫，避免材料噴出時的噴頭堵塞，同時對食材調溫處理，形成良好口味的列印產品。另外可以對材料進行回抽，保證在列印的過程中避免材料的掛流問題。

作為優選，所述加熱裝置為包裹在料筒外壁上的加熱膜。

加熱膜便於改變形狀，與料筒外壁有較好的貼合度，可以提高加熱效率。

作為優選，料筒頂部安裝有固定座，所述絲槓步進電機設置在該固定座上，絲槓步進電機的絲槓貫穿固定座與推料活塞連接。

本實用新型採用直線步進電機驅動絲槓擠出材料，絲槓運動勻速平穩；增加了電機的推力，可以避免造成噴頭堵塞的現象。

絲槓與推料活塞連接，能夠在列印過程中對食材進行回抽，減少了對材料的浪費與列印過程中的掛流問題，保證產品成型的觀賞性。

料筒與絲槓步進電機之間通過固定座連接和加強，該固定座固定安裝在Y軸導向滑塊上。

作為優選，所述絲槓步進電機的頂部立置有導向套，所述絲槓的頂部伸入導向套內且與導向套滑動配合。

導向套可以是筒狀或側壁開放的直立部件，絲槓的頂部可以沿導向套相對上下運動，導向套在一定程度上也起到了防護作用。

所述絲槓的頂部設有與導向套內壁滑動貼靠的防晃滑塊。

為了與導向套更好的貼合，絲槓的頂部可以另外設置部件即防晃滑塊，在導向套內壁的束縛下，可以更好的保持絲槓的平穩運動。防晃滑塊可以套設在絲槓的頂端或通過連接件固定在絲槓的頂部。

作為優選，所述導向套的側壁設有豎槽，所述絲槓的頂部設有沿豎槽滑動的導向柱。

為了進一步提高防晃和導向的效果，導向套的側壁開槽，導向柱橫向延伸入豎槽內，由於絲槓與推料活塞相連，因此還可以通過導向柱的位置判斷料筒內物料存量。

作為優選，所述在料筒與保溫套之間設有採集料筒溫度的傳感器，所述噴頭還設有採集傳感器信號以控制加熱裝置的溫控電路。

通過控溫電路可以對食材在列印過的程中進行調溫處理，以列印出最佳風味的產品，適用性更廣。

作為優選，所述絲槓步進電機的頂部以及四周設有防護罩。

防護罩可以進一步提高設備運行的安全性，也便於加設和安裝輔助部件。

作為優選，所述料筒的底部螺紋配合有出料段，所述出料口位於出料段的底端。

出料段採用螺紋配合的可拆卸結構，便於組裝和維護，所述出料口處安裝有噴嘴，當噴嘴出現故障時，可以拆卸出料段。

作為優選，所述保溫套的頂部與料筒外壁螺紋配合，料筒底部抵靠在保溫套底部的內壁。

料筒與保溫套相抵可以進一步提高部件的緊湊型，料筒頂部帶有外螺紋，以適應與保溫套的螺紋配合。

本實用新型具備的有益效果：(1)本實用新型通過提供X軸運動的列印臺、提供Z軸運動的升降臺、提供Y軸運動的橫移臺的協作能使噴頭完成三維空間上的直線、圓弧、三維空間曲線等運動，可實現二維或三維列印，可列印材料包括巧克力、餅乾、糖果、糕點等可配製成為軟性流質的食材。

(2)加裝溫控裝置，在列印過程對材料進行調溫，以列印出最佳風味的產品。

(3)由於採用直線步進電機驅動絲槓擠出材料，絲槓運動勻速平穩，推力大，可以避免造成噴頭堵塞的現象；絲槓與推料活塞連接，在列印過程中可以對食材進行回抽，減少了對材料的浪費與列印過程中的掛流問題，保證產品成型的觀賞性。

(4)料筒可拆卸，可隨時對料筒進行更換，採用按需換料的方式擠出食材，可根據個人喜好對材料進行組合。

附圖說明

圖1為本實用新型食品三維印表機的結構示意圖。

圖2為圖1中噴頭的剖面圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施過程對本實用新型作進一步的說明。但下述實施例僅僅為本實用新型的優選實施例，並非全部。基於實施方式中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得其它實施例，都屬於本實用新型的保護範圍。

如圖1所示，本實用新型的食品三維印表機，包括機架1以及安裝在機架上的噴頭2。機架1包括提供X軸運動的列印臺、提供Z軸運動的升降臺、以及安裝在升降臺上且提供Y軸運動的橫移臺。

列印臺包括：底座31，底座上沿X軸平行安裝有兩根X軸導杆32，兩根X軸導杆處在同一水平上，每根X軸導杆上滑動安裝有X軸導向滑塊33，X軸導向滑塊33可沿X軸導杆32來回滑動。X軸導向滑塊33上固定安裝有用於放置列印品的託板34，底座上安裝有X軸同步帶35，託板34的底部固定在X軸同步帶35上，由X軸步進電機36牽引X軸同步帶35帶動託板34沿X軸方向來回移動。

升降臺包括：安裝在底座31上的Z軸導杆41，Z軸導杆41為兩根，且對稱豎直布置，每根Z軸導杆41上滑動安裝有Z軸導向滑塊42，Z軸導向滑塊42可沿Z軸導杆41上下滑動。Z軸導向滑塊42上固定安裝有升降板43，Z軸導向滑塊42上設有帶有內螺紋的通孔，通孔的軸向沿Z軸，通孔內配合有帶外螺紋的Z軸絲杆45，底座上的Z軸步進電機44驅動Z軸絲杆45轉動，Z軸導向滑塊42帶動升降板43沿Z軸導杆滑動。

橫移臺包括：安裝在升降板43上的Y軸導杆51，Y軸導杆51為兩根，且平行布置，每根Y軸導杆51上滑動安裝有Y軸導向滑塊52，噴頭2固定在Y軸導向滑塊52上。升降板43上安裝有受Y軸步進電機53牽引的Y軸同步帶54，Y軸同步帶54沿Y軸傳動，Y軸導向滑塊52底部固定在Y軸同步帶54上。Y軸步進電機53牽引的Y軸同步帶54帶動噴頭2沿Y軸移動。

X軸步進電機36、Z軸步進電機44和Y軸步進電機53受控於控制系統。

如圖2所示，噴頭2，包括料筒21以及滑動安裝在料筒內的推料活塞22。

料筒21頂部安裝有固定座23，料筒21頂部的外螺紋與固定座23上的內螺紋孔配合，實現料筒的安裝與拆卸。固定座23上安裝有驅動推料活塞22的絲槓步進電機24，絲槓步進電機24的絲槓25貫穿固定座23與推料活塞22連接。絲槓步進電機24連接控制電路，通過精確控制絲槓的運動行程進而控制物料的擠出量。絲槓步進電機24的頂部以及四周設有防護罩26。

絲槓步進電機24的頂部立置有導向套27，絲槓25伸入導向套27且與導向套滑動配合，導向套27的側壁上設有豎直布置的導向槽271，絲槓25的頂部設有沿導向槽271上下滑動的導向柱251。在導向槽271的束縛下，可以更好的保持絲槓25的平穩運動。同時，通過導向柱251的位置判斷料筒內物料存量。

料筒21的外圍設有保溫套28，在料筒21與保溫套28之間設有作用於料筒的加熱膜29。加熱膜29與料筒21外壁有較好的貼合度，可以提高加熱效率。在料筒21與保溫套28之間設有採集料筒溫度的傳感器，加熱膜29由一個簡易的數字溫度控制器控制，其供電電路上設有受控於傳感器信號的開關。

保溫套28的頂部與料筒21外壁螺紋配合，料筒底部抵靠在保溫套底部的內壁。當需要更換料筒時，解開螺紋配合，取出料筒。

料筒21的底部螺紋配合有出料段210，出料口位於出料段的底端。出料口安裝有噴嘴211，當噴嘴出現故障時，可以拆卸出料段。

本實用新型的工作過程如下：

1、準備階段

a、在計算機內將一個或多個三維造型轉化成STL格式，經由數據線連接印表機。通過CAM軟體將其轉化為可供本三維印表機運行的G代碼；其列印方式是逐層列印。

b、將提前裝好食材的料筒放入設有加熱膜的保溫套內。根據待加工食材的溫度要求，設定溫度。

2、開始列印

a、噴頭2處在第一層的高度上，Z軸保持高度不變，X、Y軸依據程序移動，當絲槓步進電機24啟動，絲槓25沿導向槽向下移動，從而擠壓料筒21內處在推料活塞22下面位置的物料從噴嘴擠出。擠出材料按需沉積在託板上，直至這一層列印完畢。絲槓步進電機24停止。

b、噴頭沿Z軸上升一個高度，重複上述步驟開始新一層的列印。

當料筒內材料用盡，此時程序暫停，Z軸步進電機啟動，將噴頭抬升到指定高度，絲槓步進電機24啟動，絲杆25回到原始位置，手工更換料筒。

c、繼續列印，待所有層都列印完畢，各部件回原點。取出列印完畢的工件。

列印過程中，可以啟動絲槓步進電機24反方向驅動絲槓25，對食材進行回抽，減少對材料的浪費與列印過程中的掛流問題，保證產品成型的觀賞性。