本發(fā)明涉及熔融沉積型三維打印技術(shù)，尤其是涉及一種食品三維打印機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，消費(fèi)者對(duì)食品的要求也越來越高：不僅要求美味可口，還越來越注重食品的外觀造型。但是傳統(tǒng)的食品加工工藝受限于模具的形狀、工人的技藝水平，無法制作出形狀復(fù)雜的造型。

三維打印是近年來在制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，與傳統(tǒng)制造業(yè)的去除材料加工不同，三維打印的制造方式是增加材料。其主要工藝是逐層打印。系統(tǒng)自動(dòng)將三維造型以一定的層厚分層。打印頭根據(jù)每一層的數(shù)據(jù)逐層打印，最后就堆疊成為一個(gè)三維實(shí)體。相對(duì)于傳統(tǒng)制造手段，三維打印可以制造外形較為復(fù)雜的零件。在食品加工行業(yè)中，利用三維打印可以制造出傳統(tǒng)食品加工手段無法加工的造型。

中國專利ZL200720020715.9公開了一種蛋糕打印機(jī)，采用食用墨水直接在蛋糕打印圖文。它由打印裝置、三維空間定位滑軌、與三維空間定位滑軌連接的步進(jìn)電機(jī)、可360度旋轉(zhuǎn)的物料臺(tái)和與物料臺(tái)連接的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，打印裝置安裝在三維空間定位滑軌內(nèi)。中國專利ZL201320022312.3公開了一種多功能食品打印機(jī)。采用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣擠出打印噴頭內(nèi)的材料，可以實(shí)現(xiàn)2D或3D繪圖。但是采用壓縮空氣的方法難以避免氣壓波動(dòng)帶來的噴射不均勻，擠出力不夠，甚至噴頭堵塞的現(xiàn)象。上述兩份專利均沒有調(diào)溫系統(tǒng)。

生產(chǎn)美味可口的巧克力需要復(fù)雜的調(diào)溫工藝。巧克力的主要成分可可脂為多晶型產(chǎn)物，可可脂中的脂肪可以以6種不同形式的晶體存在，口味良好的巧克力中大部分都為穩(wěn)定的βV晶體。為了形成大量βV晶體就需要給巧克力調(diào)溫。沒有經(jīng)過良好調(diào)溫處理的巧克力凝固后容易產(chǎn)生“白霜”現(xiàn)象，不僅口感變差，而且起霜的外觀也難以令大眾接受。巧克力、奶油打印還需要特定的溫度，否則容易在噴嘴、管路處堵塞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種新型的食品三維打印機(jī)，能夠穩(wěn)定擠出食材，實(shí)現(xiàn)分段保溫，避免材料因冷凝而堵塞噴頭，尤其對(duì)需要加熱的食材進(jìn)行溫度控制，形成良好口味的打印產(chǎn)品。

一種食品三維打印機(jī)，包括機(jī)架以及安裝在機(jī)架上的噴頭，所述機(jī)架包括提供X軸運(yùn)動(dòng)的打印臺(tái)、提供Z軸運(yùn)動(dòng)的升降臺(tái)、以及安裝在升降臺(tái)上且提供Y軸運(yùn)動(dòng)的橫移臺(tái)；

所述噴頭固定在橫移臺(tái)上且處在打印臺(tái)上方，所述X軸、Y軸和Z軸空間上兩兩垂直，其中X軸和Y軸水平布置，Z軸豎直布置；

所述噴頭包括料筒以及滑動(dòng)安裝在料筒內(nèi)的推料活塞，料筒底端具有出料口，料筒頂部安裝有驅(qū)動(dòng)推料活塞的絲杠步進(jìn)電機(jī)，所述料筒的外圍設(shè)有保溫套，在料筒與保溫套之間設(shè)有作用于料筒的加熱裝置。

本實(shí)用新型的噴頭相對(duì)打印臺(tái)而言，可在X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向上有相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)三維打印。打印臺(tái)、升降臺(tái)和橫移臺(tái)各自匹配有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述打印臺(tái)包括：

底座；

安裝在底座上的X軸導(dǎo)桿；

沿X軸導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)的X軸導(dǎo)向滑塊；

與X軸導(dǎo)向滑塊固定連接的用于放置打印品的托板；

安裝在底座上的X軸步進(jìn)電機(jī)；

安裝在底座上受X軸步進(jìn)電機(jī)牽引的X軸同步帶，所述托板的底部固定在X軸同步帶上。

X軸步進(jìn)電機(jī)精確控制托板在X軸向的位移，X軸導(dǎo)桿為兩根，X軸導(dǎo)向滑塊對(duì)稱布置在托板底面的兩側(cè)，托板沿X軸導(dǎo)桿平穩(wěn)移動(dòng)，保證打印精度。

作為優(yōu)選，所述升降臺(tái)包括：

安裝在所述底座上的Z軸導(dǎo)桿；

沿Z軸導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)的Z軸導(dǎo)向滑塊；

與Z軸導(dǎo)向滑塊相固定連接的升降板；

安裝在所述底座上的Z軸步進(jìn)電機(jī)；

安裝在所述底座上受Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Z軸絲桿，所述Z軸導(dǎo)向滑塊與該Z軸絲桿之間螺紋配合。

Z軸導(dǎo)桿為對(duì)稱布置的兩根，保證升降板沿Z軸導(dǎo)桿平穩(wěn)滑動(dòng)。

Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)Z軸絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，由于絲杠運(yùn)動(dòng)勻速平穩(wěn)，推力大，能夠精確控制安裝在升降板上的噴頭的Z軸位移，保證打印精度。

作為優(yōu)選，所述橫移臺(tái)包括：

安裝在所述升降板上的Y軸導(dǎo)桿；

沿Y軸導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)的Y軸導(dǎo)向滑塊，所述噴頭固定在Y軸導(dǎo)向滑塊上；

安裝在所述升降板上的Y軸步進(jìn)電機(jī)；

安裝在所述升降板上受Y軸步進(jìn)電機(jī)牽引的Y軸同步帶，所述Y軸導(dǎo)向滑塊底部固定在Y軸同步帶上。

Y軸步進(jìn)電機(jī)精確控制噴頭在Y軸向的位移，Y軸導(dǎo)桿為兩根，噴頭沿Y軸導(dǎo)桿平穩(wěn)移動(dòng)，保證打印精度。

所述X軸步進(jìn)電機(jī)、Z軸步進(jìn)電機(jī)和Y軸步進(jìn)電機(jī)受控于控制系統(tǒng)。

本實(shí)用新型噴頭能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行保溫，避免材料噴出時(shí)的噴頭堵塞，同時(shí)對(duì)食材調(diào)溫處理，形成良好口味的打印產(chǎn)品。另外可以對(duì)材料進(jìn)行回抽，保證在打印的過程中避免材料的掛流問題。

作為優(yōu)選，所述加熱裝置為包裹在料筒外壁上的加熱膜。

加熱膜便于改變形狀，與料筒外壁有較好的貼合度，可以提高加熱效率。

作為優(yōu)選，料筒頂部安裝有固定座，所述絲杠步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在該固定座上，絲杠步進(jìn)電機(jī)的絲杠貫穿固定座與推料活塞連接。

本實(shí)用新型采用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠擠出材料，絲杠運(yùn)動(dòng)勻速平穩(wěn)；增加了電機(jī)的推力，可以避免造成噴頭堵塞的現(xiàn)象。

絲杠與推料活塞連接，能夠在打印過程中對(duì)食材進(jìn)行回抽，減少了對(duì)材料的浪費(fèi)與打印過程中的掛流問題，保證產(chǎn)品成型的觀賞性。

料筒與絲杠步進(jìn)電機(jī)之間通過固定座連接和加強(qiáng)，該固定座固定安裝在Y軸導(dǎo)向滑塊上。

作為優(yōu)選，所述絲杠步進(jìn)電機(jī)的頂部立置有導(dǎo)向套，所述絲杠的頂部伸入導(dǎo)向套內(nèi)且與導(dǎo)向套滑動(dòng)配合。

導(dǎo)向套可以是筒狀或側(cè)壁開放的直立部件，絲杠的頂部可以沿導(dǎo)向套相對(duì)上下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向套在一定程度上也起到了防護(hù)作用。

所述絲杠的頂部設(shè)有與導(dǎo)向套內(nèi)壁滑動(dòng)貼靠的防晃滑塊。

為了與導(dǎo)向套更好的貼合，絲杠的頂部可以另外設(shè)置部件即防晃滑塊，在導(dǎo)向套內(nèi)壁的束縛下，可以更好的保持絲杠的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。防晃滑塊可以套設(shè)在絲杠的頂端或通過連接件固定在絲杠的頂部。

作為優(yōu)選，所述導(dǎo)向套的側(cè)壁設(shè)有豎槽，所述絲杠的頂部設(shè)有沿豎槽滑動(dòng)的導(dǎo)向柱。

為了進(jìn)一步提高防晃和導(dǎo)向的效果，導(dǎo)向套的側(cè)壁開槽，導(dǎo)向柱橫向延伸入豎槽內(nèi)，由于絲杠與推料活塞相連，因此還可以通過導(dǎo)向柱的位置判斷料筒內(nèi)物料存量。

作為優(yōu)選，所述在料筒與保溫套之間設(shè)有采集料筒溫度的傳感器，所述噴頭還設(shè)有采集傳感器信號(hào)以控制加熱裝置的溫控電路。

通過控溫電路可以對(duì)食材在打印過的程中進(jìn)行調(diào)溫處理，以打印出最佳風(fēng)味的產(chǎn)品，適用性更廣。

作為優(yōu)選，所述絲杠步進(jìn)電機(jī)的頂部以及四周設(shè)有防護(hù)罩。

防護(hù)罩可以進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，也便于加設(shè)和安裝輔助部件。

作為優(yōu)選，所述料筒的底部螺紋配合有出料段，所述出料口位于出料段的底端。

出料段采用螺紋配合的可拆卸結(jié)構(gòu)，便于組裝和維護(hù)，所述出料口處安裝有噴嘴，當(dāng)噴嘴出現(xiàn)故障時(shí)，可以拆卸出料段。

作為優(yōu)選，所述保溫套的頂部與料筒外壁螺紋配合，料筒底部抵靠在保溫套底部的內(nèi)壁。

料筒與保溫套相抵可以進(jìn)一步提高部件的緊湊型，料筒頂部帶有外螺紋，以適應(yīng)與保溫套的螺紋配合。

本實(shí)用新型具備的有益效果：(1)本實(shí)用新型通過提供X軸運(yùn)動(dòng)的打印臺(tái)、提供Z軸運(yùn)動(dòng)的升降臺(tái)、提供Y軸運(yùn)動(dòng)的橫移臺(tái)的協(xié)作能使噴頭完成三維空間上的直線、圓弧、三維空間曲線等運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)二維或三維打印，可打印材料包括巧克力、餅干、糖果、糕點(diǎn)等可配制成為軟性流質(zhì)的食材。

(2)加裝溫控裝置，在打印過程對(duì)材料進(jìn)行調(diào)溫，以打印出最佳風(fēng)味的產(chǎn)品。

(3)由于采用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠擠出材料，絲杠運(yùn)動(dòng)勻速平穩(wěn)，推力大，可以避免造成噴頭堵塞的現(xiàn)象；絲杠與推料活塞連接，在打印過程中可以對(duì)食材進(jìn)行回抽，減少了對(duì)材料的浪費(fèi)與打印過程中的掛流問題，保證產(chǎn)品成型的觀賞性。

(4)料筒可拆卸，可隨時(shí)對(duì)料筒進(jìn)行更換，采用按需換料的方式擠出食材，可根據(jù)個(gè)人喜好對(duì)材料進(jìn)行組合。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型食品三維打印機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中噴頭的剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施過程對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。但下述實(shí)施例僅僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，并非全部?；趯?shí)施方式中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本實(shí)用新型的食品三維打印機(jī)，包括機(jī)架1以及安裝在機(jī)架上的噴頭2。機(jī)架1包括提供X軸運(yùn)動(dòng)的打印臺(tái)、提供Z軸運(yùn)動(dòng)的升降臺(tái)、以及安裝在升降臺(tái)上且提供Y軸運(yùn)動(dòng)的橫移臺(tái)。

打印臺(tái)包括：底座31，底座上沿X軸平行安裝有兩根X軸導(dǎo)桿32，兩根X軸導(dǎo)桿處在同一水平上，每根X軸導(dǎo)桿上滑動(dòng)安裝有X軸導(dǎo)向滑塊33，X軸導(dǎo)向滑塊33可沿X軸導(dǎo)桿32來回滑動(dòng)。X軸導(dǎo)向滑塊33上固定安裝有用于放置打印品的托板34，底座上安裝有X軸同步帶35，托板34的底部固定在X軸同步帶35上，由X軸步進(jìn)電機(jī)36牽引X軸同步帶35帶動(dòng)托板34沿X軸方向來回移動(dòng)。

升降臺(tái)包括：安裝在底座31上的Z軸導(dǎo)桿41，Z軸導(dǎo)桿41為兩根，且對(duì)稱豎直布置，每根Z軸導(dǎo)桿41上滑動(dòng)安裝有Z軸導(dǎo)向滑塊42，Z軸導(dǎo)向滑塊42可沿Z軸導(dǎo)桿41上下滑動(dòng)。Z軸導(dǎo)向滑塊42上固定安裝有升降板43，Z軸導(dǎo)向滑塊42上設(shè)有帶有內(nèi)螺紋的通孔，通孔的軸向沿Z軸，通孔內(nèi)配合有帶外螺紋的Z軸絲桿45，底座上的Z軸步進(jìn)電機(jī)44驅(qū)動(dòng)Z軸絲桿45轉(zhuǎn)動(dòng)，Z軸導(dǎo)向滑塊42帶動(dòng)升降板43沿Z軸導(dǎo)桿滑動(dòng)。

橫移臺(tái)包括：安裝在升降板43上的Y軸導(dǎo)桿51，Y軸導(dǎo)桿51為兩根，且平行布置，每根Y軸導(dǎo)桿51上滑動(dòng)安裝有Y軸導(dǎo)向滑塊52，噴頭2固定在Y軸導(dǎo)向滑塊52上。升降板43上安裝有受Y軸步進(jìn)電機(jī)53牽引的Y軸同步帶54，Y軸同步帶54沿Y軸傳動(dòng)，Y軸導(dǎo)向滑塊52底部固定在Y軸同步帶54上。Y軸步進(jìn)電機(jī)53牽引的Y軸同步帶54帶動(dòng)噴頭2沿Y軸移動(dòng)。

X軸步進(jìn)電機(jī)36、Z軸步進(jìn)電機(jī)44和Y軸步進(jìn)電機(jī)53受控于控制系統(tǒng)。

如圖2所示，噴頭2，包括料筒21以及滑動(dòng)安裝在料筒內(nèi)的推料活塞22。

料筒21頂部安裝有固定座23，料筒21頂部的外螺紋與固定座23上的內(nèi)螺紋孔配合，實(shí)現(xiàn)料筒的安裝與拆卸。固定座23上安裝有驅(qū)動(dòng)推料活塞22的絲杠步進(jìn)電機(jī)24，絲杠步進(jìn)電機(jī)24的絲杠25貫穿固定座23與推料活塞22連接。絲杠步進(jìn)電機(jī)24連接控制電路，通過精確控制絲杠的運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)而控制物料的擠出量。絲杠步進(jìn)電機(jī)24的頂部以及四周設(shè)有防護(hù)罩26。

絲杠步進(jìn)電機(jī)24的頂部立置有導(dǎo)向套27，絲杠25伸入導(dǎo)向套27且與導(dǎo)向套滑動(dòng)配合，導(dǎo)向套27的側(cè)壁上設(shè)有豎直布置的導(dǎo)向槽271，絲杠25的頂部設(shè)有沿導(dǎo)向槽271上下滑動(dòng)的導(dǎo)向柱251。在導(dǎo)向槽271的束縛下，可以更好的保持絲杠25的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過導(dǎo)向柱251的位置判斷料筒內(nèi)物料存量。

料筒21的外圍設(shè)有保溫套28，在料筒21與保溫套28之間設(shè)有作用于料筒的加熱膜29。加熱膜29與料筒21外壁有較好的貼合度，可以提高加熱效率。在料筒21與保溫套28之間設(shè)有采集料筒溫度的傳感器，加熱膜29由一個(gè)簡易的數(shù)字溫度控制器控制，其供電電路上設(shè)有受控于傳感器信號(hào)的開關(guān)。

保溫套28的頂部與料筒21外壁螺紋配合，料筒底部抵靠在保溫套底部的內(nèi)壁。當(dāng)需要更換料筒時(shí)，解開螺紋配合，取出料筒。

料筒21的底部螺紋配合有出料段210，出料口位于出料段的底端。出料口安裝有噴嘴211，當(dāng)噴嘴出現(xiàn)故障時(shí)，可以拆卸出料段。

本實(shí)用新型的工作過程如下：

1、準(zhǔn)備階段

a、在計(jì)算機(jī)內(nèi)將一個(gè)或多個(gè)三維造型轉(zhuǎn)化成STL格式，經(jīng)由數(shù)據(jù)線連接打印機(jī)。通過CAM軟件將其轉(zhuǎn)化為可供本三維打印機(jī)運(yùn)行的G代碼；其打印方式是逐層打印。

b、將提前裝好食材的料筒放入設(shè)有加熱膜的保溫套內(nèi)。根據(jù)待加工食材的溫度要求，設(shè)定溫度。

2、開始打印

a、噴頭2處在第一層的高度上，Z軸保持高度不變，X、Y軸依據(jù)程序移動(dòng)，當(dāng)絲杠步進(jìn)電機(jī)24啟動(dòng)，絲杠25沿導(dǎo)向槽向下移動(dòng)，從而擠壓料筒21內(nèi)處在推料活塞22下面位置的物料從噴嘴擠出。擠出材料按需沉積在托板上，直至這一層打印完畢。絲杠步進(jìn)電機(jī)24停止。

b、噴頭沿Z軸上升一個(gè)高度，重復(fù)上述步驟開始新一層的打印。

當(dāng)料筒內(nèi)材料用盡，此時(shí)程序暫停，Z軸步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，將噴頭抬升到指定高度，絲杠步進(jìn)電機(jī)24啟動(dòng)，絲桿25回到原始位置，手工更換料筒。

c、繼續(xù)打印，待所有層都打印完畢，各部件回原點(diǎn)。取出打印完畢的工件。

打印過程中，可以啟動(dòng)絲杠步進(jìn)電機(jī)24反方向驅(qū)動(dòng)絲杠25，對(duì)食材進(jìn)行回抽，減少對(duì)材料的浪費(fèi)與打印過程中的掛流問題，保證產(chǎn)品成型的觀賞性。