外啮合齿轮3D食品打印机挤出机构的设计

覃家金，宁雪梅

（广西英华国际职业学院，广西 钦州535000）

3D食品打印技术是在3D打印技术的基础上发展的一种快速食品制造技术[1]，其堆积成型技术在食品打印行业应用广泛[2]，因此，国内外很多研究机构基于3D食品打印技术开发了不同类型的3D食品打印机。2011年英国埃克塞特大学研究人员开发出世界首台3D巧克力打印机[3]，该打印机使用巧克力浆替代油墨，同时配备冷却及保温系统，逐层打印，打印形状丰富各异，深受广大消费者喜爱。2015年，我国浙江大学研发了活塞式3D食品打印笔[4]。2016年，广西大学研发了对称啮合双螺杆式3D食品打印机[5]，实现了连续打印。上述打印机虽可实现定量挤出，机构平稳，但挤出机构复杂，占用空间较大。为此，本文提出了一种外啮合齿轮挤出机构，该机构可实现定量挤出、连续打印，且结构较为简单。

1 挤出机构的确定

3D食品打印机主要系统是由机械、控制及计算机技术等组成的机电一体化系统，其主要模块有：XY-Z运动控制模块、食品挤出机构、数控模块、成型环境模块等组成。对于不同挤出食材来说，食品挤出机构是整个3D食品打印系统研究的核心。根据3D食品打印机的设计要求，挤出机挤出量必须定量；能够实现定量打印的挤出机构类型，主要包括柱塞挤出机构、活塞挤出机构、螺杆挤出机构和齿轮挤出机构等。柱塞挤出机构和活塞挤出机构虽然可实现定量挤出，但打印中途需要停机加料，操作不方便，且设备占用空间较大；螺杆挤出机构和齿轮挤出机构无需停机加料，设备结构简单。目前，螺杆挤出机构可分为单螺杆挤出机构和双螺杆挤出机构，单螺杆挤出机构相比于双螺杆挤出机构，挤出效率不高，齿轮挤出机构相比于双螺杆挤出机构，设备结构更为简单。从零件加工工艺和挤出系统的稳定性考虑，还从实验验证要求考虑，选择齿轮挤出机构。齿轮按照啮合形式，可分为外啮合和内啮合两种类型。内啮合齿轮相比于外啮合齿轮，加工工艺复杂，因此最终选择外啮合齿轮挤出机构，所设计的外啮合齿轮结构如图1。该外啮合齿轮结构包含一个主动挤出齿轮和一个从动挤出齿轮。齿轮与挤出机端盖及挤出机壳接合处应留有一定间隙，保证齿轮的正常运行，如果间隙太小，将可能导致齿轮无法转动或转动不顺畅。由于打印所需的食材具有一定的黏性，齿轮间隙在一定程度上被密封，防止了物料的回流，间接提高了定量挤出效率。

图1 外啮合齿轮结构

2 外啮合齿轮挤出机构的结构及工作原理

2.1 外啮合齿轮3D食品打印挤出机构的结构

外啮合齿轮3D食品打印挤出机构的结构如图2，其主要由齿轮挤出模块、机械传动模块、同步控制模块、X轴驱动模块组成。其中，齿轮挤出模块包括挤出机端盖、挤出机壳、主动挤出齿轮轴、从动挤出齿轮轴、挤出嘴和料斗，实现物料的定量挤出；机械传动模块包括挤出电机、同步带、小同步轮和大同步轮；实现扭矩的传递及同步控制；X轴驱动模块包括X轴光杆固定架、X轴同步带、小同步轮、大同步轮、同步带、X轴控制电机、X轴光杆、挤出机固定架和直线轴承，实现挤出机构X方向运行控制；同步控制模块包括同步控制软件和控制板，实现挤出机构的同步打印控制。

图2 外啮合齿轮3D食品打印挤出机构

2.2 外啮合齿轮挤出机构的工作原理

外啮合齿轮挤出机构的工作原理如图3。基本的工作过程如下：控制模块发出控制信号驱动挤出电机，挤出电机通过小同步轮和大同步轮放大扭矩，控制主动挤出齿轮轴转动，主动挤出齿轮轴转动带动从动挤出齿轮轴转动，使得挤出机内部产生容积可变化的密封腔，从而引导物料从吸料口（料斗）进入出料口（挤出嘴），实现食品3D图案的打印。

图3 外啮合齿轮挤出机构的原理

3 实验测试

为验证挤出机构设计的合理性，搭建图4所示的外啮合齿轮挤出实验平台并进行测试。实验控制平台包括控制电脑和3D打印机。控制电脑主要实现3D图案的设计、打印参数的设置、代码编程和固件的上传；3D打印机主要任务是接受控制电脑发出的控制信号，驱动X、Y、Z三轴同步运动以及同步控制挤出机构实现物料挤出。

图4 外啮合齿轮挤出实验平台

具体实验步骤：

（1）组建3D实验打印控制平台。

（2）固件的编辑及上传，调试机构运行状态。

（3）使用Proe三维软件设计3D图案并转换为STL格式打印模型。

（4）使用Repetier-Host软件导入STL格式打印模型，设置切片软件CuraEngine的打印参数（见表1），编辑3D打印代码gcode。

（5）按比例制作实验材料（见表2），加料，启动打印。

表1 打印参数

表2 材料比例

实验打印结果如图5所示，由图中可看出实验成品均匀，达到预期效果。由于实验过程不需要温度加热控制，因此编辑固件当中相应的温度控制命令行，设置温度为0℃（即超过设定温度即可运行，一般设定温度为100℃以上）。运行中其它设置均匀无问题，但出现执行电机不动的情况，可能是程序执行了“M104 T0 S0”和“M109 T0 S0”代码，将这两行代码删除，完成后重新启动打印，实验可继续进行。经过多次实验测试可知，该机构具有运行平稳，挤出量稳定，加料方便等优势。

图53 D食品实验打印结果

4 结束语

针对国内外3D食品打印机存在的不连续打印、挤出机构结构复杂等问题，设计一种外啮合齿轮挤出机构，搭建3D实验打印平台并进行打印测试，得到主要结论：外啮合齿轮3D食品打印机构可实现定量挤出，连续打印，且具有机构运行平稳、结构简单等优点。