论文部分内容阅读
[摘 要]3D饼干打印机是一种采用三维立体式打印原理将面粉和水混合在一起的悬浊液为原料打印饼干的设备，它具有灵活、方便、富有个性化等特点，对于传统的饼干加工以及人们的生活方式正产生着巨大影响，系统地介绍了3D饼干打印机的技术原理、操作系统和硬件原理，全面探讨了3D饼干各方面特性，对未来食品3D技术开发前景作出展望。
[关键词]3D饼干打印；技术原理；操作系统；硬件原理；饼干特性
中图分类号：G634.98 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0083-01
1 3D饼干打印技术原理及打印流程
3D饼干就是在普通的二维打印的基础上再加一维，3D饼干打印机则利用了原理之一的粉末层喷头3D打印，采取原料加层方法形成3D物体，每次打印一层材料只有0.1mm～0.2mm厚，将原料逐渐堆积而成，而充当“墨汁”的自然是加工饼干的原料了，如面粉、淀粉、水等等。粉末层喷头和FDM最适合食品和生物材料的3D打印，因为喷涂的位置、次数、速度可以随意控制，不同材料可以采用不同的喷头喷涂，用不断重复“打印”替代多个传统的加工单元，真正体现了快速成型技术的优势。
3D饼干打印机的操作方法和常用的普通3D打印机相类似，具体实施方式是运用三维绘图软件（proe、ug等）画好所需要的饼干造型，然后保存为.stl格式的文件，导入cura切片软件，在里面调好打印速度，加热器温度等各种参数，然后保存为.gcode格式的文件，将该文件保存在打印机的内存卡内。调节打印机的参数如下：
1.层高（mm）：每打印一层饼干的厚度；
2.外壳厚度（mm）：饼干表面夹层的厚度；
3.底部/顶部厚度（mm）：饼干打印时，饼干支撑基座的厚度；
4.填充密度（%）：饼干内部的充盈度，可调节这个值来打印口味不同的饼干；
5.打印速度（mm/s）：可根据需要进行适当的调节，速度太快则影响饼干质量，太慢则效率太低；
6.热床温度：即饼干的烘烤温度；
7.材料直径（mm）：面粉挤出管的直径；
8.流量（%）：面粉挤出流量补偿；
选定好上述参数的值后，在原料桶9中加入面粉和饮用水，调试好之后，读取内存卡的模型，开始打印。粘流状的面粉在螺旋输送机构的作用下，不断地挤出面粉，一层层的堆成所需形状的饼干，与此同时，加热烘烤板严格的根据预先设定好的程序，科学的控制烘烤时间和温度，进行烘烤。
2 3D饼干打印的卫生与安全性
食品安全是一个关系到千家万户的重大民生问题，越来越多的消费者开始注重食品质量。3D食品的安全性成了食客们首要关注的问题，由于整台机器是由电力所驱动完成工作，所以是相当安全卫生的，它和我们日常生活中的电饭煲、一样安全无毒，而且省去了我们揉面、捏出饼干形状的工序，污染源一般不易进入到机器内部，只要食品原料本身没有变质，那么加工出来的饼干也一定是安全无污染的，机器生产只会比手工生产更加安全可靠，如果不放心定时清洗机器能够让加工出的饼干品质更有保障。
3 3D饼干打印机机身介绍及工作原理
本创新型“3D饼干打印机”是一种颠覆传统饼干制作工艺且具有多功能的饼干打印机。部件包括：X，Y，Z轴和电机，挤压式面粉器，加热板（自动加热到适合的温度烘干饼干）。主要组合件包括：工作框架，坐标轴，电机，电路板，可移动的自动加热电热器，散热器，电路板。3D饼干打印机主要组合件包括：1四脚架平台，2长方形的连接杆套，3.1 X轴电机，3.2Y轴电机，3.3Z轴左电机，3.4Z轴右电机，4平台的加热烘烤板，5电路板，6.1X轴限位开关，6.2Y轴，6.3Z轴限位开关，7散热器，8压力挤面粉，9面粉箱，10打印头。
其中四脚架是由四个合金杆拼接而成，底座四个角分别镶了四个底柱。底柱的中间又链接了一个长方形的杆件，以便于实现Z轴的打印。X，Y，Z轴上分别装有电机实现转动。平台的打印机和X轴相连这样既方便打印又方便烘烤。压力机运用压力挤压的方式进行挤料。挤压式面粉器的原理为：通电后，通过电机的转动带动螺杆的旋转，螺杆将旋转运动挤压面粉向前运动，与此同时，螺杆还能起到或面粉的作用，使面粉更加均匀，将面粉挤入打印头管道中，通过喷头喷出进行打印（图1）。
X轴运动原理为：X轴电机上连有皮带，皮带固定在进料电机所在的滑块上。电机转动带动皮带转动进而使滑块移动，X轴电机的正反转就控制了进料电机所在滑块的往复运动。
Y轴运动原理为：与X轴运动原理相同，皮带固定在加热烘烤板上，Y轴电机正反转使烘烤板做往复运动。
Z轴运动原理为：Z轴电机通过联轴器与螺杆链接，Z轴电机通电后转动同时也带动螺杆转动，螺杆能将转动转化为直线运动，进而使X轴电机所在滑块做直线运动，同样电机的正反转控制X轴电机所在滑块上下往复运动。
4 3D饼干“打印”生产的优越性
在3D饼干的制作与加工过程中数据的测量通常有3D扫描技术来完成，将3D打印技术与3D扫描技术相融合能收获一加一大于二的成效，生产出来的产品也会更加多样化。用3D打印机加工饼干会更加方便快捷，而且操作上与传统方式相比也会简单很多，我们可以彻底“解放”双手，不再用双手去搅拌和面，不再需要去揉捏出许多形状或者制造模具，只需要电机启动按钮，它自会帮我们搞定一切，因此它适应了现代社会的快节奏，在机器不断挤出面粉的同时加热板严格地根据预先设定好的程序科学地控制烘烤时间和温度，保证更快地做出口感更酥脆的饼干。
5 结语
新科技总是会悄然无声地闯入大众视野，发挥其巨大作用影响甚至改变人的生活方式，3D打印技术亦是如此，它看似与我们平常人遥不可及，但在不久的将来它会变得像平面打印那样随处可见，从有机物到无机物，几乎所有的材料都可以用来3D打印，它的材料广泛适应性极强，从工业制造到文化创意再到航空航天、国防军工和生物医疗，食品加工领域仅仅只是它的冰山一角。3D扫描技术的融入更是让它如虎添翼。3D食品打印技术的市场潜力同样不容小觑，一项全新的技术总会带来经济效益，国家应高度重视这一技术，投入更多的资金深入研究，望其在食品加工领域蓬勃发展的同时在新兴领域会有更加辽阔的一片新天地，人类的发展也正是在这一步步开拓尝试中才得以进步。
参考文献
[1] 黄蓉.《技术哲学视野中的3D打印技術探析》.TP391.73.
[关键词]3D饼干打印；技术原理；操作系统；硬件原理；饼干特性
中图分类号：G634.98 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0083-01
1 3D饼干打印技术原理及打印流程
3D饼干就是在普通的二维打印的基础上再加一维，3D饼干打印机则利用了原理之一的粉末层喷头3D打印，采取原料加层方法形成3D物体，每次打印一层材料只有0.1mm～0.2mm厚，将原料逐渐堆积而成，而充当“墨汁”的自然是加工饼干的原料了，如面粉、淀粉、水等等。粉末层喷头和FDM最适合食品和生物材料的3D打印，因为喷涂的位置、次数、速度可以随意控制，不同材料可以采用不同的喷头喷涂，用不断重复“打印”替代多个传统的加工单元，真正体现了快速成型技术的优势。
3D饼干打印机的操作方法和常用的普通3D打印机相类似，具体实施方式是运用三维绘图软件（proe、ug等）画好所需要的饼干造型，然后保存为.stl格式的文件，导入cura切片软件，在里面调好打印速度，加热器温度等各种参数，然后保存为.gcode格式的文件，将该文件保存在打印机的内存卡内。调节打印机的参数如下：
1.层高（mm）：每打印一层饼干的厚度；
2.外壳厚度（mm）：饼干表面夹层的厚度；
3.底部/顶部厚度（mm）：饼干打印时，饼干支撑基座的厚度；
4.填充密度（%）：饼干内部的充盈度，可调节这个值来打印口味不同的饼干；
5.打印速度（mm/s）：可根据需要进行适当的调节，速度太快则影响饼干质量，太慢则效率太低；
6.热床温度：即饼干的烘烤温度；
7.材料直径（mm）：面粉挤出管的直径；
8.流量（%）：面粉挤出流量补偿；
选定好上述参数的值后，在原料桶9中加入面粉和饮用水，调试好之后，读取内存卡的模型，开始打印。粘流状的面粉在螺旋输送机构的作用下，不断地挤出面粉，一层层的堆成所需形状的饼干，与此同时，加热烘烤板严格的根据预先设定好的程序，科学的控制烘烤时间和温度，进行烘烤。
2 3D饼干打印的卫生与安全性
食品安全是一个关系到千家万户的重大民生问题，越来越多的消费者开始注重食品质量。3D食品的安全性成了食客们首要关注的问题，由于整台机器是由电力所驱动完成工作，所以是相当安全卫生的，它和我们日常生活中的电饭煲、一样安全无毒，而且省去了我们揉面、捏出饼干形状的工序，污染源一般不易进入到机器内部，只要食品原料本身没有变质，那么加工出来的饼干也一定是安全无污染的，机器生产只会比手工生产更加安全可靠，如果不放心定时清洗机器能够让加工出的饼干品质更有保障。
3 3D饼干打印机机身介绍及工作原理
本创新型“3D饼干打印机”是一种颠覆传统饼干制作工艺且具有多功能的饼干打印机。部件包括：X，Y，Z轴和电机，挤压式面粉器，加热板（自动加热到适合的温度烘干饼干）。主要组合件包括：工作框架，坐标轴，电机，电路板，可移动的自动加热电热器，散热器，电路板。3D饼干打印机主要组合件包括：1四脚架平台，2长方形的连接杆套，3.1 X轴电机，3.2Y轴电机，3.3Z轴左电机，3.4Z轴右电机，4平台的加热烘烤板，5电路板，6.1X轴限位开关，6.2Y轴，6.3Z轴限位开关，7散热器，8压力挤面粉，9面粉箱，10打印头。
其中四脚架是由四个合金杆拼接而成，底座四个角分别镶了四个底柱。底柱的中间又链接了一个长方形的杆件，以便于实现Z轴的打印。X，Y，Z轴上分别装有电机实现转动。平台的打印机和X轴相连这样既方便打印又方便烘烤。压力机运用压力挤压的方式进行挤料。挤压式面粉器的原理为：通电后，通过电机的转动带动螺杆的旋转，螺杆将旋转运动挤压面粉向前运动，与此同时，螺杆还能起到或面粉的作用，使面粉更加均匀，将面粉挤入打印头管道中，通过喷头喷出进行打印（图1）。
X轴运动原理为：X轴电机上连有皮带，皮带固定在进料电机所在的滑块上。电机转动带动皮带转动进而使滑块移动，X轴电机的正反转就控制了进料电机所在滑块的往复运动。
Y轴运动原理为：与X轴运动原理相同，皮带固定在加热烘烤板上，Y轴电机正反转使烘烤板做往复运动。
Z轴运动原理为：Z轴电机通过联轴器与螺杆链接，Z轴电机通电后转动同时也带动螺杆转动，螺杆能将转动转化为直线运动，进而使X轴电机所在滑块做直线运动，同样电机的正反转控制X轴电机所在滑块上下往复运动。
4 3D饼干“打印”生产的优越性
在3D饼干的制作与加工过程中数据的测量通常有3D扫描技术来完成，将3D打印技术与3D扫描技术相融合能收获一加一大于二的成效，生产出来的产品也会更加多样化。用3D打印机加工饼干会更加方便快捷，而且操作上与传统方式相比也会简单很多，我们可以彻底“解放”双手，不再用双手去搅拌和面，不再需要去揉捏出许多形状或者制造模具，只需要电机启动按钮，它自会帮我们搞定一切，因此它适应了现代社会的快节奏，在机器不断挤出面粉的同时加热板严格地根据预先设定好的程序科学地控制烘烤时间和温度，保证更快地做出口感更酥脆的饼干。
5 结语
新科技总是会悄然无声地闯入大众视野，发挥其巨大作用影响甚至改变人的生活方式，3D打印技术亦是如此，它看似与我们平常人遥不可及，但在不久的将来它会变得像平面打印那样随处可见，从有机物到无机物，几乎所有的材料都可以用来3D打印，它的材料广泛适应性极强，从工业制造到文化创意再到航空航天、国防军工和生物医疗，食品加工领域仅仅只是它的冰山一角。3D扫描技术的融入更是让它如虎添翼。3D食品打印技术的市场潜力同样不容小觑，一项全新的技术总会带来经济效益，国家应高度重视这一技术，投入更多的资金深入研究，望其在食品加工领域蓬勃发展的同时在新兴领域会有更加辽阔的一片新天地，人类的发展也正是在这一步步开拓尝试中才得以进步。
参考文献
[1] 黄蓉.《技术哲学视野中的3D打印技術探析》.TP391.73.