外啮合齿轮3D食品打印挤出机构的制作与调试

覃家金　宁雪梅

摘  要：文章设计了一种外啮合齿轮3D食品打印挤出机构，展示了外啮合齿轮挤出机构的结构，描述了外啮合齿轮挤出机构主要组件的设计过程，阐述了外啮合齿轮挤出机构组装与调试过程。

关键词：3D食品打印;外啮合齿轮;挤出机构;组装与调试

中图分类号：TH122 文献标识码： 文章编号：2095-2945（2020）07-0020-03

Abstract： In this paper， a 3D food printing and extrusion mechanism of external meshing gear is designed， the structure of external meshing gear extrusion mechanism is shown， and the design process of main components of external meshing gear extrusion mechanism is described. The assembly and debugging process of external meshing gear extrusion mechanism are described.

Keywords： 3D food printing; external meshing gear; extrusion mechanism; assembly and debugging

3D食品打印技術是在3D打印技术的基础上发展的一种快速食品制造技术[1]。自2011年英国开发出世界首台3D巧克力打印机以来[2]，很多研究机构相继研发了各式各样的3D食品打印机，如2015年我国浙江大学研发了活塞式3D食品打印笔[3]，2016年我国广西大学研发了对称啮合双螺杆式3D食品打印机[4]。食品打印机样式主要包括活塞挤出式、螺杆挤出式、柱塞挤出式和齿轮挤出式等。本文设计了一种外啮合齿轮挤出机构，下面将介绍外啮合齿轮挤出机构的设计制作及组装调试过程。

1 外啮合齿轮挤出机构结构

外啮合齿轮挤出机构（见图1），主要由同步打印控制模块、机械传动模块、挤出模块等组成。同步打印控制模块主要由XYZ三轴打印控制板和步进电机等组成，机械传动模块主要由挤出电机、同步带、同步轮等组成，挤出模块主要由外啮合齿轮组、挤出嘴和料斗等组成。

2 挤出机构各组件的设计

外啮合齿轮挤出机构设计内容包括挤出电机选择、机械传动部件的设计、外啮合挤出齿轮组件。

2.1 挤出电机选择

电机一般分为普通电机和步进电机。普通电机仅作为一般的电力拖动，步进电机用于精度控制。3D打印的基本要求是挤出量要可控，必须实现精确控制，因此这种场合非步进电机莫属。步进电机的类型主要有混合式、永磁式和反应式三种。混合式综合了永磁式和反应式的输出力矩大和步距角小两大优点，且性价比最高，最受市场欢迎。因此，挤出设备中XYZ三轴控制电机和挤出喷头控制电机都采用混合式步进电机。机构采用两相四线制步进电机，其型号为17HD34008-22B。

2.2 机械传动设计

挤出机构的功率要求不高，步进电机力矩较小且要实现同步控制，需采用放大扭矩方式和同步带动方式，才能精确控制和带动主动挤出齿轮。机械传动联动方式是由挤出步进电机带动小同步带轮，小同步带轮通过同步带联接方式带动大同步带轮，大同步带轮与主动挤出齿轮联接，从而实现定量挤出功能。本设备采用同步带型号为 T5-190，其节线长度190mm、宽10mm、齿数38;小同步带轮型号为T5-10，齿两面平、槽宽11 mm、内孔直径5 mm;大同步带轮型号为T5-24，齿两面平、槽宽11mm、内孔直径16mm。

2.3 外啮合挤出齿轮组件

外啮合挤出齿轮组件包括主动挤出齿轮和从动挤出齿轮，主动挤出齿轮有伸出轴与大同步轮联接。挤出齿轮组件采用CBN-F304左转平键型齿轮泵改造而成，齿轮泵长宽116 mm *86 mm，平键轴为16 mm，齿轮泵油口有法兰连接与螺纹连接，理论压力为20MPa，公称排量4ml/r，容积效率达90%。齿轮泵两端盖与机壳间有橡胶密封圈，由于端盖与两挤出齿轮侧面有较大摩擦力，为了让齿轮运转更顺畅，应适当加大齿轮侧面与端盖间的间隙，调整方式是适当松开两端盖间的联接紧固螺钉。

3 外啮合齿轮挤出机构的组装与调试过程

外啮合齿轮挤出机构的组装与调试过程：首先，组装外啮合齿轮3D食品打印机实验控制平台;其次，使用Ard

uino-IDE软件编辑固件并上传至Ramps1.4主控板;最后，使用Repetier-Host软件连接Ramps1.4主控板并打印测试。具体组装调试过程详细描述如下：

3.1 打印平台组装

3.1.1 所需模块与器件（见表1）

3.1.2 组装过程

第1步：主体框架结构的组装。主体结构由亚克力板制作，硬度不是很高。在紧固螺钉的时候，注意内六角扳手力度，防止支架由于用力过猛，出现爆裂现象。安装时特别注意支架间的垂直度和水平度，以免影响打印质量。

第2步：XYZ三轴电机的组装。XYZ三轴电机控制线的联接顺序一定要正确，否则出现电机不动或反转现象。电机不动的原因是四线制的电机四根线不按顺序联接，内部两组线圈出现了两个相反磁场，导致电机不动;电机反转现象不是问题，可以通过调换联接线的相序解决。X轴和Y轴的运动控制分别由一台步进电机完成，Z轴控制是由两个步进电机串联而成完成控制的。

第3步：挤出喷头的组装。外啮合齿轮3D食品打印机喷头由挤出电机和齿轮挤出部件组成。齿轮挤出部件的前后端盖夹紧要适当，其内置有密封圈，紧固螺钉联接前后端盖并锁紧，若螺钉力度过大，前后端盖会对内部齿轮产生较大摩擦，将导致齿轮运行困难，无法进行打印，间接导致控制板温度上高，可能烧毁电路板。挤出电机与主动齿轮间通过同步带联接，松紧度不好调整，可以采用预加垫片，再锁紧紧固螺钉。

第4步：各元器件的电气线路联接。Ramps1.4拓展板与三个限位开关连接时，限位参数端应选择最小位置端，因打印坐标以原点开始。Ramps1.4拓展板与A4988步进电机驱动控制板连接时，特别注意管脚联接顺序，接反易造成烧毁，操作时应在脱电状态下进行。A4988步进电机在调试运行过程中，可能会碰到动力不足、电机噪声过大、发热过量等问题，可调整驱动控制板上的微调电位计来解决。温度检测管脚端无需将温度探头连上，若机器报错，可以通过设置固件中的参数来解决。Ramps1.4拓展板与步进电机连线时，注意接线相序，防止接反;若接反，可通过修改Repetier-Host软件控制参数来解决。

3.2 编辑固件参数

3D打印设备组装完成后，需要调整打印软件的参数来实现优化结果。需调整的固件参数包括：挤出头数量、温度控制、挤出速度等。本打印设备只需一个喷头，所以需要修改对应控制软件的参数。参数调整方法：使用Arduino-IDE打开Marlin.ino文件，将Configuration.h中的“#define MOTHERBOARD 某数字”修改成“#define MOTHERBOARD 33”。若改成双喷头打印，“#define MOTHERBOARD 某数字”修改成“#define MOTHERBOARD 34”。系统默认的打印温度一般是0-80摄氏度，低于0摄氏度或超出80摄氏度，打印机会停止工作，本设备无需温度控制，地域常温25摄氏度左右，为了保证打印设备能时刻正常工作，特意将最低温度设定为0摄氏度，意味着只要超过0摄氏度，打印设备即可正常起動。

3.3 设计3D打印模型

本实验中以木薯粉为原料，考虑到打印食材的特性、挤出喷头直径和打印效果，应以单层打印为佳，所以在设计Pro/e模型时，层高不能太高，以免物料受重力影响发生坍塌，塑料材料不用考虑这种问题。Pro/e模型图案制作完成后，应将其转换成打印软件识别的通用STL格式。

3.4 设置CuraEngine打印参数

将STL格式的打印模型导入Repetier-Host V1.6.0软件，设置切片软件CuraEngine的打印参数。CuraEngine的打印参数：层号（1mm）、层高（1mm）、材料直径（1mm）、缺省质量（0.2mm）。

3.5 制作打印材料

按体积比例制作实验材料：水（2）、木薯粉（1）、玉米粉（1）。加热食材温度至70-80摄氏度，保证食材均匀，黏度适中，并将制作好的食料加至加料斗中。

3.6 编辑3D打印代码

温度是控制的重要参数，由于实验过程不需要温度加热控制，因此编辑切片软件CuraEngine中3D打印代码（gcode），注释温度检测命令行，并删除“M104 T0 S0”和“M109 T0 S0” 两行代码，完成重启并开始测试打印。

4 结束语

本文设计了一种外啮合齿轮挤出机构，为了让大家更好理解该设备的设计和制作过程，本文简单介绍了外啮合齿轮挤出机构的结构，详细描述了外啮合齿轮挤出机构中主要组件的设计过程，详细阐述了外啮合齿轮挤出机构组装与调试过程，希望本文能为大家提供一些打印挤出机构方面的设计思路。

参考文献：

[1]陈妮.3D打印技术在食品行业的研究应用和发展前景[J].农产品加工（学刊），2014（16）：57-60.

[2]潜彬思.打印机打造个性化三维立体巧克力[J].世界科学，2011（11）：53-53.

[3]王金磊，王晓军，任衍涛.一种基于活塞连续工作原理的3D食品打印笔[J].食品与机械，2015（5）：136-138.

[4]覃家金，林志.对称啮合双螺杆式3D食品挤出机构的设计[J].装备制造技术，2018（10）：48-50+84.

[5]覃家金，宁雪梅.外啮合齿轮3D食品打印机挤出机构的设计[J].装备制造技术，2019（09）：101-103.