一种推杆活塞式奶油打印头的设计与实现

孙露娜 陈友芹 李勇海 周庆 张坤鹏

摘 要：近年来3D打印的快速发展，推动了建筑、医疗、食品等行业的变革。本文以食品行业中的3D奶油打印为背景，简要介绍了奶油打印原理，并结合已有的3D打印头的结构特点详尽得介绍了一种基于推杆活塞式结构的3D打印头的设计与实现，并给出一种打印头实际应用中送料问题的解决方案，最后还对该打印喷头实际打印效果进行了验证总结。

关键词：推杆活塞式结构；奶油打印头；3D打印

Abstract：The rapid development of 3D printing in recent years has promoted the transformation of the construction， medical and food industries. In the background of 3D cream printing， this paper first provides a brief introduction about the principle of cream printing. Then based on the structural features of existing print heads， the design and implement of a putterpiston print head is described in detail. The feeding problem in practical application is also solved. At last， the printing effect is verified and summarized.

Key words： Putterpiston structure ；Cream print head； 3D Printing

3D打印技术兴起于上世纪80年代末，本世纪初，随着计算机技术的发展，其应用领域不断扩大，从3D打印建筑模型到医疗器械，近年来，3D打印食品也逐渐进入大众视野，随着3D打印技术的不断突破，3D打印食品的种类逐渐多元化，速度、尺寸在不断增加。目前可实现打印的食材有巧克力、淀粉糊、菜蔬等，如图1所示为3D饼干打印成品图。

本文简要介绍了奶油打印原理，主要介绍了推杆活塞式奶油打印头的结构与实际打印效果。

1 3D奶油打印原理

3D奶油打印基于传统熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling）的打印的原理，融合食品加工技术，对打印挤出头进行了创新。传统FDM打印，通过加热丝将硬性线材加热到一定温度，再由喷头挤出直径为50至100微米的丝状材料，层叠堆积实现打印目标。然而奶油具有黏稠性和推挤滞后性，是一种完全不同于塑料的材料，3D奶油打印的实现，需要以3D打印机的机械平台为基础，配合使用本文设计的推杆活塞式奶油打印头。

2 喷头实现方案对比

3D奶油打印头是控制奶油打印速度和成型的关键所在，目前市面上常见的打印头结构有推杆传动活塞式[1]和气动活塞式[2]两种。

推杆传动活塞式结构如图2，其结构简单，因此在3D食品打印领域被广泛采用。在采用此种装置时，为达到奶油打印的柔性控制，可采用7段S曲线法控制电机[3]，相较于气动活塞式，推杆传动活塞式很大程度上减小了奶油黏稠性引起的打印控制滞后时间，降低了滞后补偿时间的复杂度。

气动活塞式整體结构如图3，整体涉及的装置较多，气压通断频率的控制需要借助电磁阀和专门的主控板，整套装置的造价高，相比较于推杆传动活塞式，气动活塞式更适合于粘稠和阻力更大的物料，而奶油在选取合适的乳化剂和打发速度时，打发奶油具有一定程度的细腻性，气动活塞式用于奶油打印，更适合于一些大中型蛋糕加工坊，而基于推杆活塞式的3D奶油打印头具有更强的灵活性，适用于小型的工坊。

3 推杆活塞式奶油打印喷头的设计

综合分析，奶油挤出头采用推杆传动活塞式，如图4所示，本套装置的设计关键点有：（1）料筒A、B采用塑料料筒，研究表明植脂奶油在冷冻16h后，晶体结构以及产品质量最好，在2℃—6℃时打发可获得较好的塑性和膨胀率，[4]因此奶油打印头在推杆提供足够动力推挤奶油的条件下，不需要加热装置，所以采用塑料料筒；（2）打印由步进电机和传动机构实现，步进电机的旋转位移通过传动机构转变为推杆的上下位移，推动活塞向下将奶油挤出；（3）外设续料系统，不同于市场上流行的更换打印料筒的方法，笔者采用了料筒开设送料口，外部连续送料的方案，以节约生产中料筒的资本投入，在一次打印结束后，利用电脑端程序控制活塞复位（活塞原点在送料孔上方），并启动外部微型气泵推动料筒B为打印料筒A续料。

本设计基于200*200*200的3D打印平台，打印头料筒参数为：筒径31mm，筒长为121mm，打印头出料直径为2mm，料筒有效长度为50mm，推杆直径为1.5mm，计算常温打发奶油料筒最大压力差约为200Kpa，利用下述公式，计算奶油最大挤出速度[5]（r=0）为 34.1mm/s。

4 实际打印效果

通过不同样式的打印试验，测试新制喷头的性能。综合实验效果来看，推杆活塞式喷头打印是切实可行的，不过在打印过程中，还存在以下几个问题：推杆选材要求苛刻，推杆的摩擦推动完全利用两个齿轮间的协同作用，这就要求推杆具有一定的纹理粗糙度，以配合齿轮上下移动；奶油的挤出滞后性，因奶油黏稠特性的实际存在，所以需要重新设计G 代码，以补偿奶油滞后性，也可以通过对料管奶油进行建模，试验出奶油打印参数的补偿范围。

综上所述，此种奶油打印头还有很大优化空间，通过改选电机类型，从根本解决推杆选材苛刻的问题，通过建模，在软件端补偿奶油打印滞后，提高奶油打印的精美度。

5 结语

目前受限于材料、机器和成本，3D奶油打印还仅停留在实验室和个别蛋糕工坊，未得到普及，但笔者相信随着3D打印技术不断发展，整个打印的过程中的诸多难题将会被攻克，操作将会更加简单，体验更加良好，让使用者不必学CAD、不必全面了解硬件知识就能正常使用。此外，技术的发展也必将使3D奶油打印机价格更加亲民。

参考文献：

[1]孔楚海.一种气动活塞式3D巧克力打印头设计[J].包装与食品机械，2017，35（04）：5154.

[2]姚青华.3D打印技术应用在奶油食品工业中的方案设计[J].食品与机械，2016，32（02）：98100+110.

[3]褚雪松.3D食品打印关键技术研究.

[4]金俊艳.植脂鲜奶油稳定性的研究.

[5]Michaeli W.ExtrusionDies FOR PLASTICS ANDRUBBER（塑料橡胶挤出模头设计）[M].北京：中国轻工业出版社，2000：2729.

项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201710295050X）