CN114886134A - 一种双坐标式多材料食品3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双坐标式多材料食品3D打印机，包括机架部分、打印平台和挤出装置；机架部分包括主体框架及X轴传动模块、Y轴传动模块、Z轴传动模块；主体框架包括底面的水平放置的方形框架，方形框架中间竖直方向上设置中段铝型材，垂直于方形框架的两侧设置有俩根竖直的铝型材，两根竖直的铝型材之间设置丝杠支撑端；X轴传动模块通过Z轴传动模块设置在主体框架上，Y轴传动模块设置在主体框架底面的中段铝型材上，Z轴传动模块分别设置在主体框架的俩根竖直的铝型材上，打印平台通过Y轴传动模块设置在主体框架上。本发明采用三个料筒汇集到一个喷嘴实现多材料食品的打印，实现三维空间任意曲线的打印。

Description

一种双坐标式多材料食品3D打印机

技术领域

本发明属于食品3D打印技术领域，具体涉及一种双坐标式多材料食品3D打印机。

背景技术

目前应用于食品3D打印的成型方法有挤出成型、粉末烧结、粘结剂喷射和喷墨打印，其中挤出打印适用于糊状物，可以打印多种食材，尤其是新鲜食品配料，是目前最常用的方法。粉末烧结和粘结剂喷射适用于粉末材料，工艺比较复杂。喷墨打印一般处理低粘度的材料，适合在已有的平面食品上修饰打印。3D打印机的结构主要分为笛卡尔坐标结构、三角洲坐标结构、圆柱坐标结构和关节坐标结构，其中笛卡尔坐标和三角洲被用于传统食品工业加工，但其占用空间大且成本高，不适合家用。因此圆柱坐标和关节坐标形式的打印机逐渐被开发。

而目前食品3D打印机存在的主要问题包括：食品3D打印技术刚起步并不成熟，目前食品3D打印机仅能灵活运用在单一原材料的食品加工中，对于复杂的食品以及多材料食品3D打印加工还未深入研究；食品3D打印机的所打印的制品精度过低，主要受限于挤出方式与打印机结构；食品3D打印机所涉及的设备机构比较复杂，空间占比大且价格较高，不适合大部分小家庭的使用和推广，只能满足私人企业定制。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种双坐标式多材料食品3D打印机，采用三个料筒汇集到一个喷嘴实现多材料食品的打印，实现三维空间任意曲线的打印。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双坐标式多材料食品3D打印机，包括机架部分、打印平台32和挤出装置25；所述机架部分包括主体框架34及X轴传动模块、Y轴传动模块、Z轴传动模块；所述主体框架34包括底面的水平放置的方形框架，所述方形框架中间竖直方向上设置中段铝型材，垂直于方形框架的两侧设置有俩根竖直的铝型材，两根竖直的铝型材之间设置丝杠支撑端28；

所述X轴传动模块通过Z轴传动模块设置在主体框架34上，Y轴传动模块设置在主体框架34底面的中段铝型材上，Z轴传动模块分别设置在主体框架34的俩根竖直的铝型材上，打印平台32通过Y轴传动模块设置在主体框架34上。

所述打印平台32通过打印平台固定板33设置在导轨滑块52上，导轨滑块52设置在中段铝型材上，所述打印平台固定板33上设置有电机固定板10，电机19与轴承座固定板11设置在电机固定板10上，电机19输出轴通过梅花联轴器17与传动轴15相连接，传动轴15上设置有双列圆锥滚子轴承座16与集电环18，并通过键连接与热床固定板14相连接，热床固定板14上设置有四个调平螺钉13，热床12设置在调平螺钉13上。

所述挤出装置25通过挤出装置固定板设置在导轨滑块42上，导轨滑块42设置在X轴传动模块的X轴滑轨45上，所述X轴滑轨45设置在俩根竖直的铝型材之间，所述挤出装置25包括呈三角形设置的三个电动缸5，电动缸5通过底部的电动缸固定板8设置在挤出装置固定板上，每个电动缸5均设置有步进电机6与减速器7，电动缸5的输出端通过螺纹连接与活塞3相连接，料筒固定板4设置在电动缸固定板8上，三个料筒2均通过螺纹设置在料筒固定板4上，料筒2下端通入喷嘴1中，喷嘴1通过喷嘴固定件9设置在电动缸固定板8上。

所述喷嘴1外部结构采用洋葱形结构，内部设有三个三角排列的漏斗形空腔，其下分别接流道最终汇集到一个共同的流道。

所述X轴传动模块包括设置在俩根竖直的铝型材上的导轨滑块41，导轨滑块41之间水平设置X轴滑轨45，导轨滑块41位于Z轴传动模块中的Z轴滑轨39上，Z轴滑轨39对应设置在竖直的铝型材上，X轴限位开关26设置X轴滑轨45上，步进电机31设置在电机安装板30，电机安装板30设置在X轴滑轨45上，步进电机31电机输出轴通过梅花联轴器29与X轴滚珠丝杠44相连接，X轴滚珠丝杠44设置在丝杠支撑固定端27与丝杠支撑端23上，丝杠支撑固定端27与丝杠支撑端23设置在X轴滑轨45上，滚珠丝杠螺母43设置在导轨滑块42上，导轨滑块42设置在X轴滑轨45上，与X轴滚珠丝杠44配合进行传动。

所述Y轴传动模块包括设置在主体框架34上的Y轴滑轨53，Y轴滑轨53设置在主体框架底部中段的铝型材上，Y轴滑轨53的侧面后端设置Y轴限位开关50，Y轴滑轨53上安装有电机安装板47，电机安装板47上设置步进电机46，步进电机46电机输出轴通过梅花联轴器48与Y轴滚珠丝杠36相连接，Y轴滚珠丝杠36设置在丝杠支撑固定端49与丝杠支撑端35上，丝杠支撑固定端49与丝杠支撑端35设置在Y轴滑轨53上，Y轴滑轨53上设置导轨滑块52，导轨滑块52上设置滚珠丝杠螺母51与Y轴滚珠丝杠36配合进行传动。

所述Z轴传动模块包括安装在主体框架34上的Z轴滑轨39上，Z轴滑轨39设置在俩根竖直铝型材上，Z轴滑轨39的侧面下端设置Z轴限位开关22，Y轴滑轨39上设置电机安装板37，电机安装板37上设置步进电机20，步进电机20输出轴通过梅花联轴器21与Z轴滚珠丝杠24相连接，Z轴滚珠丝杠24设置在丝杠支撑固定端38与丝杠支撑端28上，丝杠支撑固定端38与丝杠支撑端28设置在Z轴滑轨39上，Z轴滑轨39上设置导轨滑块41，滚珠丝杠螺母40设置在导轨滑块41上与Z轴滚珠丝杠24配合进行传动。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，占据空间小，方便卫生，精度高等特点；采用活塞挤出，可以适合各种性质原料的挤出，既可进行高粘度原料的稳定均匀挤出，也可实现低粘度材料的均匀稳定挤出。

采用三个料筒可以同时实现三种不同材料的装填打印，通过一个单喷嘴进行挤出，既可以解决多种材料的共点打印问题，避免多喷嘴造成的打印干涉，又可以进行复合原料的混合打印，使得打印材料具有更多的丰富性。

通过螺纹连接来固定料筒，可以实现更加方便快捷的填料换料，操作更加简单方便。

附图说明

图1为本发明挤出装置结构示意图。

图2为本发明挤出装置中喷嘴的结构示意图。

图3为本发明打印台结构示意图。

图4为本发明整机的主视图。

图5为本发明整机的轴测图。

主要符号说明：

1-喷嘴，2-料筒，3-活塞，4-料筒固定板，5-电动缸，6-步进电机，7-减速器，8-电动缸固定板，9-喷嘴固定件，10-电机固定板，11-轴承座固定板，12-热床，13-调平螺钉，14-热床固定板，15-传动轴，16-双列圆锥滚子轴承座，17-梅花联轴器，18-集电环，19-电机，20-步进电机，21-梅花联轴器，22-Y轴限位开关，23-丝杠支撑端，24-Z轴滚珠丝杠，25-挤出装置，26-X轴限位开关，27-丝杠支撑固定端，28-丝杠支撑端，29-梅花联轴器，30-电机安装板，31-步进电机，32-打印平台，33-打印平台固定板，34-主体框架，35-丝杠支撑端，36-Y轴滚珠丝杠，37-电机安装板，38-丝杠支撑固定端，39-Z轴滑轨，40-滚珠丝杠螺母，41-导轨滑块，42-导轨滑块，43-滚珠丝杠螺母，44-X轴滚珠丝杠，45-X轴滑轨，46-步进电机，47-电机安装板，48-梅花联轴器，49-丝杠支撑固定端，50-Y轴限位开关，51-滚珠丝杠螺母，52-导轨滑块，53-Y轴滑轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-图5所示：一种双坐标式多材料食品3D打印机,包括机架部分、打印平台32和挤出装置25。

机架部分主要包括主体框架34及X、Y、Z各轴传动模块。主体框架34由40*40的铝型材搭建；X轴传动主要包括设置在导轨滑块41上的X轴滑轨45，X轴限位开关26设置X轴滑轨45上在步进电机31设置在电机安装板30上，步进电机31电机输出轴通过梅花联轴器29与X轴滚珠丝杠44相连接，X轴滚珠丝杠44设置在丝杠支撑固定端27与丝杠支撑端23上，滚珠丝杠螺母43设置在导轨滑块42上，与X轴滚珠丝杠44配合进行传动；Y轴传动主要包括设置在主体框架34上的Y轴滑轨53，Y轴限位开关50设置在Y轴滑轨53上，步进电机46设置在电机安装板47上，步进电机46电机输出轴通过梅花联轴器48与Y轴滚珠丝杠36相连接，Y轴滚珠丝杠36设置在丝杠支撑固定端49与丝杠支撑端35上，滚珠丝杠螺母51设置在导轨滑块52上，与Y轴滚珠丝杠36配合进行传动；Z轴传动由两个相同的滚珠丝杠机构组成，主要包括安装在主体框架34上的Z轴滑轨39上，Z轴限位开关22设置在Z轴滑轨39上，步进电机20设置在电机安装板37上，步进电机20输出轴通过梅花联轴器21与Z轴滚珠丝杠24相连接，Z轴滚珠丝杠24设置在丝杠支撑固定端38与丝杠支撑端28上，滚珠丝杠螺母40设置在导轨滑块41上与Z轴滚珠丝杠36配合进行传动。

实现运动：步进电机31带动X轴滚珠丝杠44转动，从而使滚珠丝杠螺母43带动导轨滑块42及固定在导轨滑块42上的挤出装置24进行沿X轴的往复运动；步进电机46带动Y轴滚珠丝杠36转动，从而使滚珠丝杠螺母51带动导轨滑块52及安装在导轨滑块52上的打印平台32进行沿Y轴的往复运动；俩个步进电机20带动Z轴滚珠丝杠24转动，从而使滚珠丝杠螺母40带动导轨滑块41与安装在导轨滑块41上的X轴传动及固定在X轴传动导轨滑块42上挤出装置24进行沿Z轴的往复运动；三轴方向的往复运动共同构成了笛卡尔坐标的运动形式，实现完美直线的打印。

优点：将笛卡尔坐标机器人与食品3D打印相结合，在使用相同的硬件配置情况下，该种打印设备可以在打印直棱直角的模型时，拥有更高的打印精度和打印速度。采用丝杠螺母配合导轨滑块的模块结合来实现轴向的直线往复运动，与采用其他传动方式的打印机相比，有结构简单，稳定可靠，占据空间小，且运动精度较高等。

打印平台32通过打印平台固定板33设置在导轨滑块52上，打印平台固定板33上设置有电机固定板10，电机19与轴承座固定板11设置在电机固定板10上，电机19输出轴通过梅花联轴器17与传动轴15相连接，传动轴15上设置有双列圆锥滚子轴承座16与集电环18，并通过键连接与热床固定板14相连接，热床固定板14上设置有四个调平螺钉13，热床12设置在调平螺钉13上。

实现运动：电机19转动带动传动轴15与设置在传动轴15上的热床固定板14及通过四个调平螺钉13设置在热床固定板14上的热床12进行旋转运动，与X轴与Z轴传动共同构成了圆柱坐标的运动形式。

优点：将圆柱坐标机器人与食品3D打印相结合，在使用相同的硬件配置情况下，该种打印设备打印旋转体模型时可以实现更高的打印精度和打印速度。调平螺钉的设置能够有效的提高打印的精度及可靠性。

挤出装置25通过挤出装置固定板设置在导轨滑块42上，三个电动缸5通过电动缸固定板8设置在挤出装置固定板上，每个电动缸5均设置有步进电机6与减速器7，电动缸5的输出端通过螺纹连接与活塞3相连接，料筒固定板4设置在电动缸固定板8上，三个料筒2均通过螺纹设置在料筒固定板4上，料筒2下端通入喷嘴1中，喷嘴1通过喷嘴固定件9设置在电动缸固定板8上。

实现运动：步进电机6在减速器7的减速下，通过电动缸5将旋转运动转化为直线往复运动，电动缸5的输出端带动活塞3进行往复运动来进行物料的均匀挤出。

优点：通过设置减速机来控制物料挤出，更容易控制活塞的低速下行，实现物料的顺利均匀挤出；使用电动缸来驱动活塞，可以保证较高的运动精度，从而降低物料挤出所造成的精度损失；料筒通过螺纹固定，可实现更加方便快捷的换料填料。

本发明主要实施方式：

笛卡尔坐标：首先俩个步进电机20转动，带动Z轴滚珠丝杠24转动，从而使滚珠丝杠螺母40带动导轨滑块41与安装在导轨滑块41上的X轴传动及固定在X轴传动导轨滑块42上挤出装置24进行沿Z轴的向下运动，是打印喷头到达Z轴指定高度；与此同时，步进电机31带动X轴滚珠丝杠44转动，从而使滚珠丝杠螺母43带动导轨滑块42及固定在导轨滑块42上的挤出装置24进行沿X轴的运动，使打印喷头到达X轴指定位置；步进电机46带动Y轴滚珠丝杠36转动，从而使滚珠丝杠螺母51带动导轨滑块52及安装在导轨滑块52上的打印平台32进行沿Y轴的运动，打印平台到达Y轴指定位置。然后开始打印工作，X轴传动机构驱动挤出装置25进行沿X轴的运动，Y轴传动机构驱动打印平台32进行沿Y轴的运动，通过X轴和Y轴传动机构的相互配合运动，完成第一层一定轨迹的打印；完成后俩个步进电机20同时反向转动，通过丝杠传动使打印喷头沿Z轴向上移动一个打印层距离，然后再进行第二层一定轨迹的打印，依次重复，直到打印出整个食品模型，打印机恢复初始位置，停止工作。

圆柱坐标：首先俩个步进电机20转动，带动Z轴滚珠丝杠24转动，从而使滚珠丝杠螺母40带动导轨滑块41与安装在导轨滑块41上的X轴传动及固定在X轴传动导轨滑块42上挤出装置24进行沿Z轴的向下运动，是打印喷头到达Z轴指定高度；与此同时，步进电机31带动X轴滚珠丝杠44转动，从而使滚珠丝杠螺母43带动导轨滑块42及固定在导轨滑块42上的挤出装置24进行沿X轴的运动，使打印喷头到达X轴指定位置。然后开始打印工作，通过X轴传动机构驱动挤出装置25进行沿X轴的运动，实现打印半径的调节，同时电机19带动打印热床12实现旋转运动，完成第一层一定轨迹的打印；完成后俩个步进电机20同时反向转动，通过丝杠传动使打印喷头沿Z轴向上移动一个打印层距离，然后再进行第二层一定轨迹的打印，依次重复，直到打印出整个食品模型，打印机恢复初始位置，停止工作。

挤出装置：首先步进电机6转动通过减速机7驱动三个电动缸5使活塞3处于最上方极限位置。然后将三种不同的物料分别加入三个料筒2，将料筒2安装到料筒安装板4上，并装上喷嘴1，然后步进电机6向相反方向转动，开始挤出。当单种材料打印完毕需切换材料时，活塞先进行回抽动作，然后再进行另一种材料的挤出，如此往复切换，实现多材料挤出；也可多个电机6共同工作，通过控制活塞3的速度来实现梯度复合材料的挤出。

工作过程：首先对打印板进行预热，到达指定温度后，电机驱动丝杠带动打印喷头下降，到达指定的平面位置。然后打印喷头按照制定轨迹完成打印动作，同时电机驱动电动缸带动活塞向下运动，进行材料的挤出。打印不同形状的食品，可以采用不同的坐标形式，当打印的是单独的直棱直边的模型时，采用笛卡尔坐标；当打印的是回转体模型时，采用圆柱坐标；当打印的时俩种形状都有的复杂模型时，采用俩种坐标相配合的打印方式。打印不同营养配方的多材料食品，是通过控制系统控制不同的喷头实现挤出动作，将不同的成分打印于一个食品中。完成一层的打印后，电机再次驱动丝杠带动喷头上升一定距离，重复上述动作，至完成整个食品的打印。最后3D打印机完成工作后，取出物体，做后期处理。

本次双坐标单喷嘴多材料食品3D打印机的设计，结构紧凑、占用面积小且成本低，适用于家庭厨房使用；能实现高精度、高效率打印，适用于各种复杂形状的模型；可将多种营养成分按一定比例均匀打印于一个制品中，满足人们的个性化需求。对加快食品3D打印产业的技术进步，进一步提升3D打印产品质量和附加值具有十分重要的现实意义。

Claims (7)

1.一种双坐标式多材料食品3D打印机，其特征在于，包括机架部分、打印平台(32)和挤出装置(25)；所述机架部分包括主体框架(34)及X轴传动模块、Y轴传动模块、Z轴传动模块；所述主体框架(34)包括底面的水平放置的方形框架，所述方形框架中间竖直方向上设置中段铝型材，垂直于方形框架的两侧设置有俩根竖直的铝型材，两根竖直的铝型材之间设置丝杠支撑端(28)；

所述X轴传动模块通过Z轴传动模块设置在主体框架(34)上，Y轴传动模块设置在主体框架(34)底面的中段铝型材上，Z轴传动模块分别设置在主体框架(34)的俩根竖直的铝型材上，打印平台(32)通过Y轴传动模块设置在主体框架(34)上。

2.根据权利要求1所述的一种双坐标式多材料食品3D打印机，其特征在于，所述打印平台(32)通过打印平台固定板(33)设置在导轨滑块(52)上，导轨滑块(52)设置在中段铝型材上，所述打印平台固定板(33)上设置有电机固定板(10)，电机(19)与轴承座固定板(11)设置在电机固定板(10)上，电机(19)输出轴通过梅花联轴器(17)与传动轴(15)相连接，传动轴(15)上设置有双列圆锥滚子轴承座(16)与集电环(18)，并通过键连接与热床固定板(14)相连接，热床固定板(14)上设置有四个调平螺钉(13)，热床(12)设置在调平螺钉(13)上。

3.根据权利要求1所述的一种双坐标式多材料食品3D打印机，其特征在于，所述挤出装置(25)通过挤出装置固定板设置在导轨滑块(42)上，导轨滑块(42)设置在X轴传动模块的X轴滑轨(45)上，所述X轴滑轨(45)设置在俩根竖直的铝型材之间，所述挤出装置(25)包括呈三角形设置的三个电动缸(5)，电动缸(5)通过底部的电动缸固定板(8)设置在挤出装置固定板上，每个电动缸(5)均设置有步进电机(6)与减速器(7)，电动缸(5)的输出端通过螺纹连接与活塞(3)相连接，料筒固定板(4)设置在电动缸固定板(8)上，三个料筒(2)均通过螺纹设置在料筒固定板(4)上，料筒(2)下端通入喷嘴(1)中，喷嘴(1)通过喷嘴固定件(9)设置在电动缸固定板(8)上。

4.根据权利要求3所述的一种双坐标式多材料食品3D打印机，其特征在于，所述喷嘴(1)外部结构采用洋葱形结构，内部设有三个三角排列的漏斗形空腔，其下分别接流道最终汇集到一个共同的流道。

5.根据权利要求1所述的一种双坐标式多材料食品3D打印机，其特征在于，所述X轴传动模块包括设置在俩根竖直的铝型材上的导轨滑块(41)，导轨滑块(41)之间水平设置X轴滑轨(45)，导轨滑块(41)位于Z轴传动模块中的Z轴滑轨(39)上，Z轴滑轨(39)对应设置在竖直的铝型材上，X轴限位开关(26)设置X轴滑轨(45)上，步进电机(31)设置在电机安装板(30)，电机安装板(30)设置在X轴滑轨(45)上，步进电机(31)电机输出轴通过梅花联轴器(29)与X轴滚珠丝杠(44)相连接，X轴滚珠丝杠(44)设置在丝杠支撑固定端(27)与丝杠支撑端(23)上，丝杠支撑固定端(27)与丝杠支撑端(23)设置在X轴滑轨(45)上，滚珠丝杠螺母(43)设置在导轨滑块(42)上，导轨滑块(42)设置在X轴滑轨(45)上，与X轴滚珠丝杠(44)配合进行传动。

6.根据权利要求1所述的一种双坐标式多材料食品3D打印机，其特征在于，所述Y轴传动模块包括设置在主体框架(34)上的Y轴滑轨(53)，Y轴滑轨(53)设置在主体框架底部中段的铝型材上，Y轴滑轨(53)的侧面后端设置Y轴限位开关(50)，Y轴滑轨(53)上安装有电机安装板(47)，电机安装板(47)上设置步进电机(46)，步进电机(46)电机输出轴通过梅花联轴器(48)与Y轴滚珠丝杠(36)相连接，Y轴滚珠丝杠(36)设置在丝杠支撑固定端(49)与丝杠支撑端(35)上，丝杠支撑固定端(49)与丝杠支撑端(35)设置在Y轴滑轨(53)上，Y轴滑轨(53)上设置导轨滑块(52)，导轨滑块(52)上设置滚珠丝杠螺母(51)与Y轴滚珠丝杠(36)配合进行传动。

7.根据权利要求1所述的一种双坐标式多材料食品3D打印机，其特征在于，所述Z轴传动模块包括安装在主体框架(34)上的Z轴滑轨(39)上，Z轴滑轨(39)设置在俩根竖直铝型材上，Z轴滑轨(39)的侧面下端设置Z轴限位开关(22)，Y轴滑轨(39)上设置电机安装板(37)，电机安装板(37)上设置步进电机(20)，步进电机(20)输出轴通过梅花联轴器(21)与Z轴滚珠丝杠(24)相连接，Z轴滚珠丝杠(24)设置在丝杠支撑固定端(38)与丝杠支撑端(28)上，丝杠支撑固定端(38)与丝杠支撑端(28)设置在Z轴滑轨(39)上，Z轴滑轨(39)上设置导轨滑块(41)，滚珠丝杠螺母(40)设置在导轨滑块(41)上与Z轴滚珠丝杠(24)配合进行传动。

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