基于Arduino的小型膨化食品3D打印机开发

梁晓博 张广鹏 王飞

摘 要：3D打印技术的问世改变了传统生产的模式，成为当今的热门技术之一。该文设计了一种小型食品3D打印机，主要由原材料挤出装置、输送装置、运动驱动装置及控制系统等部分组成，步进电机的驱动使3个联动控制更加灵活，通过电机直驱单螺杆挤出装置挤出原材料，采用Arduino控制软件实现食品打印运动与挤出动作的精确控制；配备锥形料斗可以储存更多的面糊或米糊原料，所打印的食品直接通过烘烤箱熟化，并具有保鲜保温作用。所开发的样机产品具有良好的工作效果。

关键词：食物3D打印机；螺杆挤出机；3D打印技术；Arduino

中图分类号：TP334.8 文献标志码：A

0 前言

随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，3D打印技术迅速发展，食品3D打印成为其中一个重要发展方向。食品3D打印机是将3D打印技术与食品制作巧妙结合在一起的机器。

该文设计了一种基于Arduino的小型膨化食品3D打印机，主要由控制部分、原材料挤出装置、原材料输送装置以及运动控制装置等部分组成，同时还设计了食物挤出、烘焙等新型结构，编写了相应的控制程序，采用面食或米食作为材料，能制作出多种食物，象花馍、蛋糕、饼干等食品。打印出的食品可以立即食用，无须在打印成型后将样品转移到烤箱或者煎饼挡中熟化或采用油炸形式进行熟化。实现现有3D食品打印机不能实现的立体打印。

1 小型膨化食品3D打印机成型原理

首先利用计算机辅助软件，设计出食品的三维模型，再通过单螺杆挤出装置将提前搅拌均匀的原材料进行逐层叠加，制造出与所建立三维模型对应的可食用性食物。操作者可以根据需求自主设计食物的形状、尺寸等，象房屋、生活用品、人物造型等。使用时，将食材加入螺杆挤出机，在挤出原动机的带动下，面、米食材经过料斗进入喷嘴，通过X、Y、Z 3个方向的进给运动来调整食材挤入烤箱的位置，通过Arduino Mega2560控制板控制烤箱上的热电偶温控开关来加热食材，从而得到打印食品。

2 机械结构设计

图1为小型膨化食品3D打印机的三维结构图，主要包括Arduino 控制系统、热电偶温度控制系统、位置控制系统、同步带以及丝杠螺母传动部分、单螺杆挤出机构及其他辅助机械部件等。X、Y、Z各方向轴都装有行程开关，以控制烤箱和喷头的运动位置。

打印机的主框架由为20 mm×20 mm的标准型材构成，架构简单，拆装方便。打印机的底部由6根型材拼接而成，在需要连接的地方通过角码两两固定，这样可以保证整体框架更加稳固可靠，保证了打印机在工作的过程中不会由于剧烈的振动而降低打印精度。

使用料斗储料装置能够实现一次加料，长时间连续打印，改进了现有3D食品打印机需要频繁停机换料的不足。

挤出机构采用螺杆机构，通过螺杆不仅能够实现对物料的均匀推进，还能够对物料进行搅拌，使粉料、液体混合均匀，输送流畅，进一步提高熟化食品的均一性。

3 控制系统设计

采用Arduino Mega 2560 作为主控板，Arduino Mega 2560 读取输入的数据以及计算机辅助设计软件所绘制的食品三维模型并進行处理，由此计算出挤出头的加工轨迹、挤出量大小，并传送到控制部分，Arduino控制系统发出初始化的调节指令后，开始对X、Y、Z 3个轴的位置进行检测反馈并调整各电机运动至初始化状态，为即将进行的工作提前做好准备。使用 Arduino IDE作为打印上传固件软件以及Mega 2560 的软件控制集成电路板板RAMPS1.4 的相关附加控制板，识别控制代码的软件用Slic3r，控制软件用Printrun3D，采用开源Marlin固件并对固件参数进行调整。Arduino 控制程序框图如图2所示。

4 样机研制

所开发的小型膨化食品3D打印机样机如图3所示，根据挤出材料设定相应的烤箱烘焙温度，打开控制软件，Arduino 控制系统检测到信息并进行处理，再发送给传动机构，然后按照打印指令逐层进行打印。各个电机通过Arduino 控制系统实现各种动作，使挤出机以及各个方向的位移控制电机之间按照相应的指令相互协调运动，同时挤出电机将锥形料斗里面的面糊或米糊材料挤出，进行打印工作。打印结束后，Arduino 控制系统发出指令各步进电机恢复初始化位置。经过实验以及对打印样品的基本参数测量，打印结果基本符合要求，图4为食品打印效果图。

5 结语

该文开发的小型膨化食品3D打印机可以制作形状复杂的食物，实现较高精度的立体食物打印，设计的食物挤出机构以及烘焙装置等结构与编写的控制程序相互结合，食材搭配灵活方便，可以个性化定制，更加便携。

参考文献

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