CN107125280B - 一种混合食品3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合食品3D打印机。它包括电机驱动组件、滚珠丝杠组件、挤出针筒和挤出头组件，所述的电机驱动组件安装在滚珠丝杠组件的上方且与滚珠丝杠组件连接，所述的滚珠丝杠组件上设有针筒夹具，所述的挤出针筒包括蛋清针筒和面团针筒，所述的蛋清针筒和面团针筒均安装在针筒夹具上，所述的挤出头组件安装在滚珠丝杠组件上且置于设有面团针筒的针筒夹具下方，所述的蛋清针筒与挤出头组件连接。本发明的有益效果是：打印精度高，打印强度高，稳定可靠性高，适用范围广，便于拆卸与安装，使用灵活性高，安全性能高。

Description

一种混合食品3D打印机
技术领域
本发明涉及打印机相关技术领域，尤其是指一种混合食品3D打印机。
背景技术
面团作为典型的粘弹性材料，在通过内径较小的挤出头时，会发生大量弹塑性形变，挤出头内径越小，所需要的挤出力越大。同时，温度、含水量、调制方式等都会影响面团的粘性，进而改变挤出力的需求，所以挤出系统提供动力源应足够充足。面团挤出时储料筒中的压力较大，若要达到预计的挤出量，储料筒内壁必须具有较好的刚度，否则在活塞执行回抽-挤出动作时会带动内壁收缩膨胀，使得面团的流动产生时滞，则打印模型精度会受到严重影响。
常用的三维打印平台按坐标轴种类科分为XYZ打印机和并联型打印机。并联型打印机采用并联杆作为喷头的运动载台，打印材料通过单独的材料进给电机从远处输送，因此其打印头质量较轻运动灵活，是当前市场上比较受欢迎的品类。但面团作为典型的粘弹性食品材料，若采用远程输出的方法，在此过程中将产生大量、长时间的剪切应变，所需要的输送力较大，现有条件很难实现。
而在XYZ打印机中，目前根据挤出头的运动方式不同分为龙门式(挤出头能沿X和Z轴移动)、三轴联动式(挤出头XYZ方向均可移动)、升降式(挤出头只能沿Z轴移动)、通用式(挤出头沿XY方向移动)。其中，三轴联动式挤出头会受到各种动载荷作用，加工工件却能保持不动。龙门式和升降式上的加工工件都会受到X或Y方向上的动载荷作用，通用式的工件仅受到Z轴方向影响。对于面团打印，因为其粘弹特性，在挤出后的相当一段时间内，外界载荷都会对其尺寸造成影响，尤其是XY轴方向的载荷，可能会使面团模型倾斜甚至坍塌。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种打印精度高的混合食品3D打印机。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种混合食品3D打印机，包括电机驱动组件、滚珠丝杠组件、挤出针筒和挤出头组件，所述的电机驱动组件安装在滚珠丝杠组件的上方且与滚珠丝杠组件连接，所述的滚珠丝杠组件上设有针筒夹具，所述的挤出针筒包括蛋清针筒和面团针筒，所述的蛋清针筒和面团针筒均安装在针筒夹具上，所述的挤出头组件安装在滚珠丝杠组件上且置于设有面团针筒的针筒夹具下方，所述的蛋清针筒与挤出头组件连接。
本发明中通过电机驱动组件的设计，在保证该打印机能够提供足够动力源的同时，不会影响面团的粘性；通过滚珠丝杠组件的设计，能够精确控制挤出量；通过蛋清针筒和面团针筒的分别设计，为了保证蛋清和面团能够根据不同的需求选择不同的混合比例；通过挤出头的设计，能够保证正常打印需求的同时，保证挤出头不易被堵塞；这样设计达到了打印精度高的目的。
作为优选，所述的电机驱动组件包括步进电机和电机减速器，所述的电机减速器安装在步进电机上，所述的步进电机通过电机减速器安装在滚珠丝杠组件上，所述电机减速器的减速比为1∶19。通过步进电机和电机减速器的配合使用，能够确保为该打印机提供足够充足的动力源。
作为优选，所述的滚珠丝杠组件包括滚珠丝杆座、滚珠丝杆轴、轴承座和螺母固定块，所述的轴承座安装在滚珠丝杆座上，所述的滚珠丝杆轴安装在轴承座上，所述的螺母固定块安装在滚珠丝杆轴上，所述滚珠丝杆轴的一端通过联轴器与电机驱动组件连接。滚珠丝杠组件的结构设计，能够精确控制挤出量，其导程为5mm。
作为优选，所述滚珠丝杆座的横截面形状为U型，所述的滚珠丝杆座包括底板和两块侧板，所述滚珠丝杆轴的两端均设有轴承座，所述的轴承座安装在底板上，所述的针筒夹具包括固定夹具和移动夹具，所述的移动夹具安装在螺母固定块上，所述的固定夹具安装在滚珠丝杆座的下端且置于两块侧板之间，所述滚珠丝杆座的上端设有电机固定板，所述的电机驱动组件安装在电机固定板上。通过轴承座的设计，能够确保将滚珠丝杆轴定位在滚珠丝杆座内；通过针筒夹具的设计，能够更好的固定面团针筒和蛋清针筒，以保证该打印机的稳定可靠性。
作为优选，所述的挤出针筒包括筒体和活塞杆，所述的固定夹具和移动夹具均由PLA材料制作而成，所述的固定夹具包括固定座和固定板，所述的固定座安装在滚珠丝杆座的下端且置于两块侧板之间，所述的筒体安装在固定座上且通过固定板进行固定，所述的移动夹具包括移动座和移动板，所述的移动座安装在螺母固定块上，所述移动座的左右两边设有定位导轨，所述滚珠丝杆座的两块侧板置于定位导轨内且与定位导轨相接触，所述的活塞杆安装在移动座上且通过移动板进行固定，所述的固定座、固定板、移动座和移动板上均设有若干夹紧槽，所述夹紧槽的横截面形状为U型，所述的夹紧槽内设有紧固螺栓。通过PLA材料的设计，使其具有可降解、打印强度高等特点；因对不同成分和调配方法的面团需要进行不同的挤出实验研究，故而需要频繁更换打印材料，因此固定夹具和移动夹具的设计在保证加紧力的前提下需要兼具快速换料的能力，故而通过夹紧槽的设计可以实现螺栓的快速拆卸与安装。
作为优选，所述的面团针筒为金属注射器，所述面团针筒的筒体分为两层，其中筒体的外层为不锈钢层，筒体的内层为玻璃层，所述面团针筒的活塞杆为可调节活塞外径的活塞杆，所述的蛋清针筒为普通注射器。面团挤出时储料筒中的压力较大，若要达到预计的挤出量，储料筒内壁必须具有较好的刚度，否则在活塞执行回抽-挤出动作时会带动内壁收缩膨胀，使得面团的流动产生时滞，则打印模型精度会受到严重影响，故而选用了外壳为不锈钢、内层为玻璃的金属注射器作为面团针筒；同时，不同配比构成和配制方法的不同，面团的力学特性也不同，对活塞密封性的要求也不同，选用的金属注射器可通过末端的活塞调节头控制活塞的外径，有利于实验探究的灵活性。
作为优选，所述的挤出头组件包括蛋清喷嘴、面团合流块、蛋清加热块、蛋清腔体和针头，所述面团合流块的中间设有面团进料口，所述的面团针筒通过面团进料口置于面团合流块上，所述面团合流块的侧面设有蛋清进料口，所述的蛋清喷嘴安装在蛋清针筒上，所述的蛋清进料口与蛋清喷嘴之间通过食品硅胶管连接，所述的蛋清腔体置于面团合流块的下方，所述的蛋清加热块置于蛋清腔体的外侧，所述的针头置于蛋清腔体的底部中心处。通过蛋清喷嘴和食品硅胶管的配合使用，使得蛋清从蛋清针筒进入到面团合流块中；经过面团合流块的面团和蛋清于蛋清腔体中混合，并通过蛋清加热块对蛋清腔体内的混合物进行加热操作；之后通过针头挤出进行打印成型。
作为优选，所述的面团合流块由尼龙材料制作而成。通过尼龙材料的设计，使得面团合流块可以作为隔热层，防止蛋清加热块的热量影响到未挤出的面团和蛋清。
作为优选，所述的蛋清加热块上设有温度传感器和加热棒，所述的温度传感器和加热棒均连接有温度控制器。通过温度传感器、温度控制器和加热棒的三者结合，使得蛋清加热块能够实现智能温度控制，防止温度过高或者过低对打印机及打印结构造成不可预计的后果。
作为优选，所述的针头为锥形金属喷嘴。通过锥形金属喷嘴的设计，一方面能够实现热量的传递，另一方面能够保证针头不易堵塞。
本发明的有益效果是：打印精度高，打印强度高，稳定可靠性高，适用范围广，便于拆卸与安装，使用灵活性高，安全性能高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的正视图；
图3是图1的侧视图；
图4是图1的俯视图。
图中：1.步进电机，2.电机固定板，3.联轴器，4.轴承座，5.滚珠丝杆座，6.移动座，7.定位导轨，8.螺母固定块，9.移动板，10.滚珠丝杆轴，11.固定座，12.固定板，13.蛋清针筒，14.蛋清喷嘴，15.食品硅胶管，16.面团合流块，17.蛋清加热块，18.蛋清腔体，19.针头，20.面团针筒，21.电机减速器，22.侧板，23.底板，24.活塞杆，25.筒体，26.夹紧槽，27.螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1、图2、图3、图4所述的实施例中，一种混合食品3D打印机，包括电机驱动组件、滚珠丝杠组件、挤出针筒和挤出头组件，电机驱动组件安装在滚珠丝杠组件的上方且与滚珠丝杠组件连接，滚珠丝杠组件上设有针筒夹具，挤出针筒包括蛋清针筒13和面团针筒20，蛋清针筒13和面团针筒20均安装在针筒夹具上，挤出头组件安装在滚珠丝杠组件上且置于设有面团针筒20的针筒夹具下方，蛋清针筒13与挤出头组件连接。
电机驱动组件包括步进电机1和电机减速器21，电机减速器21安装在步进电机1上，步进电机1通过电机减速器21安装在滚珠丝杠组件上，电机减速器21的减速比为1：19。
滚珠丝杠组件包括滚珠丝杆座5、滚珠丝杆轴10、轴承座4和螺母固定块8，轴承座4安装在滚珠丝杆座5上，滚珠丝杆轴10安装在轴承座4上，螺母固定块8安装在滚珠丝杆轴10上，滚珠丝杆轴10的一端通过联轴器3与电机驱动组件连接。滚珠丝杆座5的横截面形状为U型，滚珠丝杆座5包括底板23和两块侧板22，滚珠丝杆轴10的两端均设有轴承座4，轴承座4安装在底板23上，针筒夹具包括固定夹具和移动夹具，移动夹具安装在螺母固定块8上，固定夹具安装在滚珠丝杆座5的下端且置于两块侧板22之间，滚珠丝杆座5的上端设有电机固定板2，电机驱动组件安装在电机固定板2上。挤出针筒包括筒体25和活塞杆24，固定夹具和移动夹具均由PLA材料制作而成，固定夹具包括固定座11和固定板12，固定座11安装在滚珠丝杆座5的下端且置于两块侧板22之间，筒体25安装在固定座11上且通过固定板12进行固定，移动夹具包括移动座6和移动板9，移动座6安装在螺母固定块8上，移动座6的左右两边设有定位导轨7，滚珠丝杆座5的两块侧板22置于定位导轨7内且与定位导轨7相接触，活塞杆24安装在移动座6上且通过移动板9进行固定，固定座11、固定板12、移动座6和移动板9上均设有若干夹紧槽26，夹紧槽26的横截面形状为U型，夹紧槽26内设有紧固螺栓27。
面团针筒20为金属注射器，所述面团针筒20的筒体25分为两层，其中筒体25的外层为不锈钢层，筒体25的内层为玻璃层，面团针筒20的活塞杆24为可调节活塞外径的活塞杆，蛋清针筒13为食品级注射器。
挤出头组件包括蛋清喷嘴14、面团合流块16、蛋清加热块17、蛋清腔体18和针头19，面团合流块16的中间设有面团进料口，面团针筒20通过面团进料口置于面团合流块16上，面团合流块16的侧面设有蛋清进料口，蛋清喷嘴14安装在蛋清针筒13上，蛋清进料口与蛋清喷嘴14之间通过食品硅胶管15连接，蛋清腔体18置于面团合流块16的下方，蛋清加热块17置于蛋清腔体18的外侧，针头19置于蛋清腔体18的底部中心处。面团合流块16由尼龙材料制作而成。蛋清加热块17上设有温度传感器和加热棒，温度传感器和加热棒均连接有温度控制器。针头19为锥形金属喷嘴。
使用时，首先，将蛋清和面团分别置于蛋清针筒13和面团针筒20内，由于温度、含水量、调制方式等都会影响面团的粘性，进而改变挤出力的需求，所以该打印机提供动力源应足够充足，故而本发明选择了步进电机1与电机减速器21相配合，以满足上述需求；其次，通过联轴器3与滚珠丝杆轴10连接，为达到精确控制挤出量的目的，本发明将滚珠丝杆轴10作为运动导轨，配合固定夹具和移动夹具一起动作，其导程为5mm；之后，由于面团挤出时面团针筒20中的压力较大，若要达到预计的挤出量，筒体25内壁必须具有较好的刚度，否则在活塞杆24执行回抽-挤出动作时会带动筒体25内壁收缩膨胀，使得面团的流动产生时滞，则打印模型精度会受到严重影响，故而选用了外壳为不锈钢、内层为玻璃的金属注射器作为面团针筒20，不同配比构成和配制方法的不同，面团的力学特性也不同，对活塞密封性的要求也不同，选用的金属注射器可通过末端的活塞调节头控制活塞的外径，有利于实验探究的灵活性，通过移动夹具上的夹紧槽26将活塞杆24固定在其上，通过固定夹具上的夹紧槽26将筒体25固定在其上；再后，蛋清针筒13通过蛋清喷嘴14和食品硅胶管15连接到面团合流块16上，面团和蛋清经面团合流块16进入到蛋清腔体18内进行混合，并通过蛋清加热块17对混合物进行加热；最后，混合物经锥形喷嘴挤出，沿着XY轴方向在打印平台进行打印成型。

Claims (5)

1.一种混合食品3D打印机，其特征是，包括电机驱动组件、滚珠丝杠组件、挤出针筒和挤出头组件，所述的电机驱动组件安装在滚珠丝杠组件的上方且与滚珠丝杠组件连接，所述的滚珠丝杠组件上设有针筒夹具，所述的挤出针筒包括蛋清针筒(13)和面团针筒(20)，所述的蛋清针筒(13)和面团针筒(20)均安装在针筒夹具上，所述的挤出头组件安装在滚珠丝杠组件上且置于设有面团针筒(20)的针筒夹具下方，所述的蛋清针筒(13)与挤出头组件连接，所述的挤出头组件包括蛋清喷嘴(14)、面团合流块(16)、蛋清加热块(17)、蛋清腔体(18)和针头(19)，所述面团合流块(16)的中间设有面团进料口，所述的面团针筒(20)通过面团进料口置于面团合流块(16)上，所述面团合流块(16)的侧面设有蛋清进料口，所述的蛋清喷嘴(14)安装在蛋清针筒 (13)上，所述的蛋清进料口与蛋清喷嘴(14)之间通过食品硅胶管(15)连接，所述的蛋清腔体(18)置于面团合流块(16)的下方，所述的蛋清加热块(17)置于蛋清腔体(18)的外侧，所述的针头(19)置于蛋清腔体(18)的底部中心处，所述的滚珠丝杠组件包括滚珠丝杆座(5)、滚珠丝杆轴(10)、轴承座(4)和螺母固定块(8)，所述的轴承座(4)安装在滚珠丝杆座(5)上，所述的滚珠丝杆轴(10)安装在轴承座(4)上，所述的螺母固定块(8)安装在滚珠丝杆轴(10)上，所述滚珠丝杆轴(10)的一端通过联轴器(3)与电机驱动组件连接，所述滚珠丝杆座(5)的横截面形状为U型，所述的滚珠丝杆座(5)包括底板(23)和两块侧板(22)，所述滚珠丝杆轴(10)的两端均设有轴承座(4)，所述的轴承座(4)安装在底板(23)上，所述的针筒夹具包括固定夹具和移动夹具，所述的移动夹具安装在螺母固定块(8)上，所述的固定夹具安装在滚珠丝杆座(5)的下端且置于两块侧板(22)之间，所述滚珠丝杆座(5)的上端设有电机固定板 (2)，所述的电机驱动组件安装在电机固定板(2)上，所述的挤出针筒包括筒体 (25)和活塞杆(24)，所述的固定夹具和移动夹具均由PLA材料制作而成，所述的固定夹具包括固定座(11)和固定板(12)，所述的固定座(11)安装在滚珠丝杆座(5)的下端且置于两块侧板(22)之间，所述的筒体(25)安装在固定座(11)上且通过固定板(12)进行固定，所述的移动夹具包括移动座(6)和移动板(9)，所述的移动座(6)安装在螺母固定块(8)上，所述移动座(6)的左右两边设有定位导轨(7)，所述滚珠丝杆座(5)的两块侧板(22)置于定位导轨(7)内且与定位导轨(7)相接触，所述的活塞杆(24)安装在移动座(6)上且通过移动板(9)进行固定，所述的固定座(11)、固定板(12)、移动座(6)和移动板(9)上均设有若干夹紧槽 (26)，所述夹紧槽(26)的横截面形状为U型，所述的夹紧槽(26)内设有紧固螺栓(27)，所述的面团针筒(20)为金属注射器，所述面团针筒(20)的筒体(25)分为两层，其中筒体(25)的外层为不锈钢层，筒体(25)的内层为玻璃层，所述面团针筒(20)的活塞杆(24)为可调节活塞外径的活塞杆，所述的蛋清针筒(13)为食品级注射器。
2.根据权利要求1所述的一种混合食品3D打印机，其特征是，所述的电机驱动组件包括步进电机(1)和电机减速器(21)，所述的电机减速器(21)安装在步进电机(1)上，所述的步进电机(1)通过电机减速器(21)安装在滚珠丝杠组件上，所述电机减速器(21)的减速比为1∶19。
3.根据权利要求1所述的一种混合食品3D打印机，其特征是，所述的面团合流块(16)由尼龙材料制作而成。
4.根据权利要求1所述的一种混合食品3D打印机，其特征是，所述的蛋清加热块(17)上设有温度传感器和加热棒，所述的温度传感器和加热棒均连接有温度控制器。
5.根据权利要求1所述的一种混合食品3D打印机，其特征是，所述的针头(19)为锥形金属喷嘴。
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