CN104642684B - 3d食品打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D食品打印机，可以以简单的操作方式连续制作食品，尤其是巧克力食品。其技术方案为：这种3D食品打印机包括喷头、X轴驱动系统、Y轴驱动系统、Z轴驱动系统、工作台、机身和计算机控制系统，其中采用了料斗储料－螺杆挤压式喷头，这种打印机的料斗较大，可以储存较大数量的巧克力原料，并且可在打印机运行过程中，方便地将巧克力加入料斗，及时补充原料，也无需预先将巧克力加热熔融，因此可连续制作巧克力食品。

Description

3D食品打印机

技术领域

本发明涉及一种3D打印机，尤其涉及一种可制作食品尤其是巧克力食品的3D打印机。

背景技术

3D打印机是一种先进增材制造装备，这种打印机基于离散－堆积制造原理，根据设计的工件三维CAD模型，将工件的三维图形自下而上分为一系列的2D横截面薄层，然后一层层地成形这些截面薄层，并将其顺序叠加、粘接为三维工件实体。用3D打印机制作工件时，无需传统的切削加工机床和工模具，可直接成形复杂形状的三维实体，能大大节省工时与成本，特别适合于个性化生产，因此是现代重点发展的一种智能制造技术。

3D打印机不仅在制造业和生物医学领域有许多重要的应用，而且正在深入社会生活的方方面面，乃至可能进入家庭。其中一个值得重视的是食品的制作也开始采用3D打印机，例如3D巧克力食品打印机，其目标是不用模具，直接快速制作任意式样的个性化巧克力食品，明显不同于现在商店出售的用模具批量生产的有限简单式样的巧克力食品。

据报道，目前国外能制造3D巧克力食品打印机的只有英国Choc公司，该公司从2012年开始生产和销售Choc Creator1型巧克力食品打印机。从其产品介绍可见，打印机的核心部件—喷头用步进电机驱动的注射器改装而成，虽然结构较简单，但是由于注射器的容积有限（一般只能容纳几十毫升的熔融态巧克力），每装料一次只能制作有限个数的巧克力食品，而且装料不方便。每当注射器内巧克力原料的存量不足时，必须停止制作，由使用者操作打印机，提升注射器的活塞，使其高于注射筒的上开口，然后才能注入预先熔融的巧克力原料，再重新开始制作巧克力食品，因此操作麻烦，不便使用，难于推广。

具体而言，图1示出了现有的3D巧克力食品打印机的喷头的结构示意图。请参见图1，这种3D巧克力食品打印机的核心部件—喷头100由注射筒106、活塞105、针头108、直线步进电动机102和巧克力原料107等组成。安装在滑块103上的直线步进电机102运行时，通过其中作直线运动的输出螺杆101和连接板104，推动活塞105向下运动，迫使注射筒106中预先注入的熔融态巧克力原料107，经过针头108向外挤出，并沉积在工作台109上。由于在计算机的控制下，根据工件截面的图形要求，喷头100可相对打印机的机身（图1中未示出）沿X方向往复运动，工作台109可相对打印机的机身沿Y方向往复运动，因此，由针头108挤出的熔融态巧克力，能在工作台109上凝固并形成巧克力食品110的截面图形。

上述喷头100的注射筒106的容积有限（一般只能容纳几十毫升的熔融态巧克力107），每装料一次只能制作有限个数的巧克力食品，而且装料不方便。每当注射筒106内巧克力原料107的存量不足时，必须停止制作，由使用者操作打印机，提升喷头100中的活塞105，使其下端高于注射筒106的上开口，然后才能注入预先熔融的巧克力原料107，再重新开始制作巧克力食品，因此操作麻烦，不便使用，难于推广。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种3D食品打印机，可以以简单的操作方式连续制作食品，尤其是巧克力食品。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种3D食品打印机，包括：

喷头，喷射食品原料；

X轴驱动系统，驱动喷头相对工作台沿X方向往复运动；

Y轴驱动系统，驱动工作台相对喷头沿Y方向往复运动；

Z轴驱动系统，驱动工作台相对喷头沿Z方向往复运动；

工作台，处于所述喷头的下方，用于承载成形食品，并能相对所述喷头沿Y方向前后水平运动；

机身，用于承载所述3D食品打印机；

计算机控制系统，用于整机的自动控制。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述喷头是料斗储料－螺杆挤压式喷头，其包括步进电动机、联轴器、螺杆、料斗、料筒、环形电热器、喷嘴、喷孔塞和滑块，其中：

所述步进电动机，其下伸的输出轴通过所述联轴器与所述螺杆连接，用于驱动所述螺杆；

所述螺杆，其上端与通过所述联轴器与所述步进电动机的输出轴连接，用于挤压原料；

所述料斗，其下端与所述料筒连接，正中贯穿所述螺杆，用其内腔储存原料；

所述料筒，其上端与所述料斗连接，正中贯穿所述螺杆，下端与所述下滑块连接，中段与所述环形电热器连接，用于与所述螺杆配合挤压原料；

所述环形电热器，其内径与所述料筒中段外径配合，用于加热所述料筒及其中的原料；

所述喷嘴，其上端与所述料筒连接，下端与所述喷孔塞连接，用作挤出原料的过渡缓冲区；

所述喷孔塞，其用外螺纹与所述喷嘴的下喷孔连接，使所述螺杆挤出的原料成为细小直径的流体；

所述滑块，其上端与所述料筒的凸缘连接，内侧与所述料筒下端连接，内孔与所述X轴驱动系统的导向杆配合，用于使所述喷头固定和导向。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述螺杆的外径沿长度向下方向逐渐略有增大，使所述螺杆的外径与所述料筒的内径之间的间隙逐渐减小。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述料斗的上方有2个半圆形料盖和2个销柱，使所述各个料盖围绕所述相应销柱向外旋转时，料斗的上方呈敞开加料状。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述滑块支承所述喷头的质量。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述喷头用两端固定在所述机身并通过所述滑块上的X轴驱动系统的2个导向杆导向。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述工作台由基板、台板和托板组成。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述基板为玻璃板，用真空吸盘吸附于所述台板上。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述台板为铝质辐射状镂空结构。

根据本发明的3D食品打印机的一实施例，所述食品为巧克力，所述原料为巧克力原料。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的3D食品打印机，采用了料斗储料－螺杆挤压式喷头，这种打印机的料斗较大，可以储存较大数量的巧克力原料，并且可在打印机运行过程中，方便地将巧克力加入料斗，及时补充原料，也无需预先将巧克力加热熔融，因此可连续制作巧克力食品，操作简单，易于推广应用，甚至可进入家庭。

附图说明

图1示出了现有的3D食品打印机的喷头的结构示意图。

图2示出了本发明的3D食品打印机的实施例的组成示意图。

图3示出了本发明的3D食品打印机的实施例的工作台的结构示意图。

图4示出了本发明的3D食品打印机的实施例的喷头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图2示出了本发明的3D巧克力食品打印机的实施例的组成示意图。请参见图2，本实施例的3D巧克力食品打印机200主要包括：喷头201，喷头的X向驱动步进电动机203和齿形皮带传动机构212，台板207和基板204的Y向驱动步进电动机209和齿形皮带传动机构210，台板207、基板204和托板211的Z向驱动步进电动机214和滚珠丝杆传动机构213，机身202和计算机数控系统205等。

对于打印机中的X轴驱动系统、Y轴驱动系统和Z轴驱动系统，其具体结构如下所述。X轴驱动系统包括X向驱动步进电动机、齿形皮带传动机构和导向杆，其中X向驱动步进电动机的外壳与机身连接，输出轴与齿形皮带传动机构连接，用于驱动所述喷头的X向运动。齿形皮带传动机构包括两个齿形皮带轮和齿形皮带，其中一个齿形皮带轮的内径与X向驱动步进电动机的输出轴外径连接，齿形皮带轮的轮齿与齿形皮带啮合；另一个齿形皮带轮的内孔通过滚动轴承与机身连接，齿形皮带轮的轮齿与齿形皮带啮合；齿形皮带的中段与喷头的下安装块连接，用于将X向驱动步进电动机的运动传递至喷头。导向杆外径与滑块的内孔配合，两端固定在机身上，用于支承喷头和喷头的运动导向。

Y轴驱动系统包括Y向驱动步进电动机、齿形皮带传动机构和直线滚珠导轨，其中Y向驱动步进电动机的外壳与工作台的托板连接，输出轴与齿形皮带传动机构连接，用于驱动工作台的Y向运动。齿形皮带传动机构包括两个齿形皮带轮和齿形皮带，其中一个齿形皮带轮的内径与Y向驱动步进电动机的输出轴外径连接，齿形皮带轮的轮齿与齿形皮带啮合；另一个齿形皮带轮的内孔通过滚动轴承与工作台的托板连接，齿形皮带轮的轮齿与齿形皮带啮合。齿形皮带的中段与工作台的台板连接，用于将Y向驱动步进电动机的运动传递至工作台的台板。直线滚珠导轨的滑座的下表面与所述工作台的托板连接，滑块与工作台的台板连接，用于支承工作台的台板和基板，并实现台板的运动导向。

Z轴驱动系统包括Z向驱动步进电动机、滚珠丝杆和滚珠导轨，其中Z向驱动步进电动机的外壳与机身连接，输出轴与滚珠丝杆的上端连接，用于驱动工作台的Z向运动。滚珠丝杆的上端与Z向驱动步进电动机的输出轴连接，下端通过滚珠轴承与机身连接，中部通过滚珠螺母与工作台的托板连接，用于将Z向驱动步进电动机的旋转运动转换为工作台的上下往复运动。滚珠导轨的滚珠导套与工作台的托板连接，导杆的上下两端分别与机身连接。

机身202包括底座、立柱和上横梁，分别由若干块铣削加工的铝板连接而成。计算机控制系统包括了计算机，X、Y、Z位置控制器，步进电动机驱动器和相关软件。

工作台包括台板、真空吸盘、基板和托板，其中台板为铝质辐射状镂空结构，上部装有4个真空吸盘，下部通过滚珠导轨支承在托板上，用于放置基板。真空吸盘安装于所述台板上，用于吸附基板。基板置于台板之上，用真空吸盘定位，用于支承打印成形的巧克力食品。托板的下表面与Y向驱动步进电动机的外壳连接，上表面与直线滚珠导轨的滑座连接，侧面与Z轴驱动系统的滚珠螺母连接，用于将滚珠螺母的上下运动传递至台板。

图3示出了本发明的3D巧克力食品打印机的实施例的工作台的结构示意图。请参见图3，本实施例的工作台的台板207为铝质辐射状镂空结构，既有足够的强度和刚度，自重又轻，便于在步进电动机209和齿形皮带传动机构210的驱动下，在直线滚珠导轨208的导向下沿Y方向快速移动。基板204为便于清洁的玻璃结构，用固定在台板207上的4个小真空吸盘215吸牢，巧克力食品堆积成形在此基板204的上表面后，只需轻轻用力向上抬起基板204，就可从台板207上方便地取下基板204和已制作的巧克力食品。

图4示出了本发明的3D巧克力食品打印机的实施例的喷头结构图。请参见图4，本实施例的3D巧克力食品打印机的喷头201为料斗储料－螺杆挤压式，这种喷头主要包括：步进电动机317、螺杆314、料筒308、料斗306、环形电热器309、喷嘴311、喷孔塞312和滑块310等。

其中，螺杆314用滚珠轴承303导向和定位，螺杆314的外径沿长度向下方向逐渐略有增大，使得螺杆314的外径与料筒308的内经之间的间隙逐渐减小，以便对螺杆314的螺槽中的巧克力原料施加挤压力，迫使巧克力原料沉积在基板204的表面。

步进电动机317的外壳通过支架301固定在支承板304上，步进电动机317的输出轴318通过联轴器316与螺杆314的上端连接。

当步进电动机317和螺杆314在计算机的控制下旋转时，料斗306中的巧克力原料307（巧克力粉、巧克力豆、巧克力薄片）进入螺杆314的螺槽中并向下运动，由于环形电热器309的加热作用，低熔点的巧克力原料逐渐成为熔融态，并由喷嘴311和喷孔塞312喷射至基板204的表面，随即冷却固化。

料斗306的上方有2个半圆形料盖305，使料盖305围绕销柱315向外旋转时，料斗306的上方敞开，可方便地注入巧克力原料。

喷孔塞312用螺纹与喷嘴311相连接，便于更换拆装，喷孔塞312的内孔直径有多种尺寸，通常选用0.2～0.5mm。

喷头201中与巧克力原料接触的零件（如料斗306、螺杆314、料筒308、喷嘴311、喷孔塞312）用不锈钢制作，不会污染巧克力原料。

清洗喷头201时，可将步进电动机317、支架301、支承板304和螺杆314整体从料筒308中抽出后，再进行清洗，操作十分方便。

喷头201用滑块310定位，2个导向杆313穿过滑块310并与机身202连接，在步进电动机203和齿形皮带传动机构212的驱动下，喷头201可沿2个导向杆313在X方向往复运动。

采用本发明的上述实施例的结构后，根据巧克力食品的CAD模型206，计算机控制系统205预先对巧克力食品的CAD模型206进行分层切片处理，得到巧克力食品的一层层截面图形，然后，按照巧克力食品每层截面图形的要求，使喷头201挤出巧克力原料，并使喷头201相对基板204作X-Y方向的运动，喷头201挤至基板204上的巧克力原料形成巧克力食品的一层截面。随后，计算机控制系统205使基板204和其上的巧克力食品截面层向下移动一层高度，继续进行下一层巧克力食品截面的打印成形，如此循环，直到整个巧克力食品打印成形完成。

采用上述本发明后，不仅可打印成形个性化的巧克力食品，还可用果冻粉、奶油等打印成形其他个性化食品。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种3D食品打印机，包括：

喷头，喷射食品原料；

X轴驱动系统，驱动喷头相对工作台沿X方向往复运动；

Y轴驱动系统，驱动工作台相对喷头沿Y方向往复运动；

Z轴驱动系统，驱动工作台相对喷头沿Z方向往复运动；

工作台，处于所述喷头的下方，用于承载成形食品，并能相对所述喷头沿Y方向前后水平运动；

机身，用于承载所述3D食品打印机；

计算机控制系统，用于整机的自动控制；

其中所述喷头是料斗储料－螺杆挤压式喷头，其包括步进电动机、联轴器、螺杆、料斗、料筒，其中所述步进电动机下伸的输出轴通过所述联轴器与所述螺杆的上端连接，用于驱动所述螺杆，所述螺杆用于挤压原料，所述料斗的下端与所述料筒的上端连接，所述料斗和所述料筒的正中贯穿所述螺杆，所述料斗的内腔储存原料，所述料筒用于与所述螺杆配合挤压原料，所述步进电动机和所述螺杆在所述计算机控制系统的控制下旋转，所述料斗中的原料进入所述螺杆的螺槽中并向下运动。

2.根据权利要求1所述的3D食品打印机，其特征在于，所述喷头还包括环形电热器、喷嘴、喷孔塞和滑块，其中：

所述环形电热器，其内径与所述料筒中段外径配合，用于加热所述料筒及其中的原料；

所述喷嘴，其上端与所述料筒连接，下端与所述喷孔塞连接，用作挤出原料的过渡缓冲区；

所述喷孔塞，其用外螺纹与所述喷嘴的下喷孔连接，使所述螺杆挤出的原料成为细小直径的流体；

所述滑块，其上端与所述料筒的凸缘连接，内侧与所述料筒下端连接，内孔与所述X轴驱动系统的导向杆配合，用于使所述喷头固定和导向。

3.根据权利要求2所述的3D食品打印机，其特征在于，所述螺杆的外径沿长度向下方向逐渐略有增大，使所述螺杆的外径与所述料筒的内径之间的间隙逐渐减小。

4.根据权利要求2所述的3D食品打印机，其特征在于，所述料斗的上方有2个半圆形料盖和2个销柱，使所述各个料盖围绕所述相应销柱向外旋转时，料斗的上方呈敞开加料状。

5.根据权利要求2所述的3D食品打印机，其特征在于，所述滑块支承所述喷头的质量。

6.根据权利要求2所述的3D食品打印机，其特征在于，所述喷头用两端固定在所述机身并通过所述滑块上的X轴驱动系统的2个导向杆导向。

7.根据权利要求1所述的3D食品打印机，其特征在于，所述工作台由基板、台板和托板组成。

8.根据权利要求7所述的3D食品打印机，其特征在于，所述基板为玻璃板，用真空吸盘吸附于所述台板上。

9.根据权利要求7所述的3D食品打印机，其特征在于，所述台板为铝质辐射状镂空结构。

10.根据权利要求1－9中任一项所述的3D食品打印机，其特征在于，所述食品为巧克力，所述原料为巧克力原料。