一种便于供料的食品打印机

1.本实用新型属于食品3d打印领域，具体涉及一种便于供料的食品打印机。


背景技术：

2.3d打印又被称为增材制造，通过数字化控制，逐层打印的方式来构造物体，可以制造结构复杂的产品，主要应用于工业、航空航天、医学、服装、艺术等众多领域。在近几年，人们尝试将3d打印技术应用到食品领域，利用食品3d打印机打印出了巧克力、饼干、糕点等精美食品，满足人们的个性化需求。而目前单一材料打印的食品难以满足消费者对于食品的营养成分及味道的需求，因此多材料食品打印成为了现在研究的热点之一。
3.目前应用于食品3d打印的成型方法有挤出成型、粉末烧结、粘结剂喷射和喷墨打印，其中挤出打印适用于糊状物，可以打印多种食材，尤其是新鲜食品配料，是目前最常用的方法。粉末烧结和粘结剂喷射适用于粉末材料，工艺比较复杂。喷墨打印一般处理低粘度的材料，适合在已有的平面食品上修饰打印。3d打印机的结构主要分为笛卡尔坐标结构、三角洲坐标结构、圆柱坐标结构和关节坐标结构，其中笛卡尔坐标和三角洲被用于传统食品工业加工，但其占用空间大且成本高，不适合家用。因此圆柱坐标和关节坐标形式的打印机逐渐被开发。
4.而目前食品3d打印机存在的主要问题包括：食品3d打印技术刚起步并不成熟，食品3d打印机所涉及的设备机构比较复杂，空间占比大且价格较高，不适合大部分小家庭的使用和推广，只能满足私人企业定制；且现有螺杆活塞挤出型打印喷头料筒预存量小。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本实用新型提供了一种便于供料的食品打印机，利用圆柱坐标式运动机构，实现三维空间任意曲线的打印，采用三个喷头相互配合实现多材料食品的打印。
6.本实用新型是通过以下技术方案来实现：
7.一种便于供料的食品打印机，包括机架模块、喷头模块和供料装置；机架模块包括机架和安装在机架上的横向移动模块、打印平台模块及纵向移动模块；
8.横向移动模块用于带动喷头装置在横向移动；纵向移动模块用于带动喷头装置在竖直方向移动；
9.打印平台模块包括减速电机以及位于减速电机上方的呈水平方向布置的支撑板和打印板，减速电机输出轴与支撑板同轴相连接，打印板安装在支撑板上；
10.喷头模块包括位于打印平台模块上方的喷头装置，喷头装置包括外壳，外壳的底部连接存料段，外壳顶部安装有喷头电机，外壳内设置有外壳内丝杠，喷头电机输出轴与外壳内丝杠上端同轴连接，外壳内丝杠下端螺纹连接有螺母活塞，螺母活塞能伸入存料段内，存料段底部为喷嘴；
11.供料装置用于向存料段内供料。
12.优选的，打印板与支撑板中间装有加热板；存料段外设置有加热器安装板，存料段与加热器安装板间形成夹层，夹层内安装有加热器。
13.进一步的，外壳底部安装有进料管连接板，进料管连接板与加热器安装板连接，进料管连接板上设置有进料管，进料管伸入存料段内。
14.优选的，螺母活塞下端外径大于螺母活塞上端外径，外壳内同轴设置有环形的活塞挡板，活塞挡板的内径小于螺母活塞下端外径且大于螺母活塞上端外径。
15.进一步的，螺母活塞下端外周设置有环形槽，环形槽内设置有密封圈。
16.优选的，纵向移动模块包括第一伺服电机和第二伺服电机，以及竖直设置的第一丝杠、第二丝杠、第一纵向导轨和第二纵向导轨；第一伺服电机输出轴与第一丝杠一端连接，第二伺服电机输出轴与第二丝杠一端连接；第一纵向导轨上套设有第一螺母连接座，第二纵向导轨上套设有第二螺母连接座，第一螺母连接座与第一丝杠上的丝杠螺母连接，第二螺母连接座与第二丝杠上的丝杠螺母连接；横向导轨一端安装在第一螺母连接座上，另一端安装在第二螺母连接座上；喷头模块滑动安装在横向导轨上。
17.进一步的，纵向移动模块还包括固定在机架上的第一电机支架、第二电机支架、第一丝杠支架和第二丝杠支架；第一伺服电机固定在第一电机支架上，第一丝杠另一端与第一丝杠支架连接；第一纵向导轨一端与第一丝杠支架连接，另一端与第一电机支架连接；第二伺服电机固定在第二电机支架上，第二丝杠的另一端与第二丝杠支架连接；第二纵向导轨一端与第二丝杠支架连接，另一端与第二电机支架连接。
18.优选的，横向移动模块包括第三伺服电机、第三电机支架、同步带轮、同步带、第一从动带轮、第二从动带轮、滑块、连接板和喷头支架；第三电机支架固定在第一螺母连接座上，第三伺服电机安装在第三电机支架上，同步带轮安装在第三伺服电机的输出轴上，第一从动带轮固定在第二螺母连接座上；同步带一端安装在同步带轮上，另一端安装在第一从动带轮上；滑块滑动安装在横向导轨上，连接板与滑块相连接，喷头支架与连接板相连接；喷头装置安装在喷头支架上，第二从动带轮安装在喷头支架上，第二从动带轮与同步带啮合。
19.优选的，供料装置包括料筒架、储料筒、搅拌电机、减速器、固定板、食品泵安装架、食品泵、搅拌主轴；料筒架安装在食品泵安装架顶部，储料筒安装在料筒架上；搅拌电机输出轴与搅拌主轴连接，搅拌主轴伸入储料筒内；食品泵安装在食品泵安装架上，食品泵上设置有输料管接口；储料筒的底部出口与食品泵顶部入口相接。
20.优选的，喷头模块包括若干个喷头装置。
21.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
22.本实用新型食品3d打印采用圆柱坐标式，与直角坐标打印机相比较，圆柱坐标具有运动直观性强，占据空间小、结构紧凑、工作范围大等特点，可应用于家庭使用和推广；在使用相同的硬件配置情况下，该种打印设备打印旋转体模型时可以实现更高的打印精度和打印速度。采用丝杠、螺母活塞挤出方式，不受挤压材料的影响，适用于多种食材，且挤出量精确稳定；其挤出系统精度高、响应快、挤出力可控并且可实现回抽动作。并通过单独的供料装置给喷头装置供料，预存量大，解决了物料供应问题。
23.进一步的，打印板与支撑板中间装有加热板，可以对打印板进行预热。
24.进一步的，存料段与加热器安装板间夹层内安装加热器，可以避免物料温度降低
凝固而影响打印。
25.进一步的，活塞挡板的设置可以避免螺母活塞从存料段脱出。
26.进一步的，螺母活塞下端密封圈的设置可以保证密封性，避免物料进入外壳内。
27.进一步的，纵向移动模块的结构设置，可以保证喷头装置平稳的在竖直方向移动。
28.进一步的，供料装置设搅拌装置，可均匀搅拌物料，防止物料沉淀引起打印产品不均匀，精度不高；储料筒与食品泵可拆分设计，可以实现快速更换物料。
29.进一步的，设置若干喷头装置，相互配合实现将多种物料打印于同一个食品中，形成多材料、定制营养、个性化食品的打印，满足人们的需求。
附图说明
30.图1为本实用新型喷头装置结构图；(a)为剖面图，(b)为立体图；
31.图2为本实用新型供料装置结构图；(a)为立体图，(b)为剖面图；
32.图3、图4分别为本实用新型整机主视图和轴测图。
33.主要符号说明：
[0034]1‑
存料段，2
‑
加热器安装板，3
‑
进料管连接板，4
‑
外壳，5
‑
喷头电机，6
‑ꢀ
电机连接板，7
‑
进料管，8
‑
螺母活塞，9
‑
密封圈，10
‑
活塞挡板，11
‑
行星减速器，12
‑
第三联轴器，13
‑
外壳内丝杠，14
‑
输料管接口，15
‑
料筒架，16
‑
储料筒，17
‑
减速器，18
‑
搅拌电机，19
‑
减速机固定板，20
‑
料筒盖，21
‑
食品泵， 22
‑
食品泵安装架，23
‑
叶片，24
‑
第四联轴器，25
‑
搅拌主轴，26
‑
第一电机支架，27
‑
第一伺服电机，28
‑
平台支架，29
‑
第一联轴器，30
‑
支撑板，31
‑
打印板，32
‑
第一丝杠，33
‑
喷头装置，34
‑
第一螺母连接座，35
‑
第三伺服电机， 36
‑
同步带轮，37
‑
第一纵向导轨，38
‑
第一丝杠支架，39
‑
机架，40
‑
连接板， 41
‑
第二丝杠支架，42
‑
第二纵向导轨，43
‑
第二螺母连接座，44
‑
第二丝杠， 45
‑
减速电机，46
‑
第二联轴器，47
‑
第二电机支架，48
‑
第二伺服电机，49
‑
横向导轨，50
‑
喷头支架，51
‑
滑块，52
‑
第二从动带轮，53
‑
供料装置。
具体实施方式
[0035]
下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
[0036]
如图3和图4所示，一种便于供料的食品打印机，主要包括机架模块、喷头模块和供料装置53。
[0037]
机架模块主要包括机架39、横向移动模块、打印平台模块及左右对称布置的纵向移动模块。
[0038]
纵向移动模块包括第一伺服电机27、第二伺服电机48、第一电机支架 26、第二电机支架47、第一联轴器29、第二联轴器46、第一丝杠32、第二丝杠44、第一丝杠支架38、第二丝杠支架41、第一纵向导轨37、第二纵向导轨42和横向导轨49。第一丝杠32、第二丝杠44、第一纵向导轨37、第二纵向导轨42均沿竖直设置。
[0039]
第一伺服电机27通过螺钉固定在第一电机支架26上，第一伺服电机 27的输出轴通过第一联轴器29与第一丝杠32的底端连接，第一丝杠32的顶端与第一丝杠支架38连接，实现丝杠的旋转运动。第一丝杠支架38和第一电机支架26固定在机架39上。第一纵向导轨37一端与第一丝杠支架38 连接，另一端与第一电机支架26连接，起导向作用。第二伺服电
机48通过螺钉固定在第二电机支架47上，第二伺服电机48的输出轴通过第二联轴器 46与第二丝杠44的底端连接，第二丝杠44的顶端与第二丝杠支架41连接，实现丝杠的旋转运动。第二丝杠支架41和第二电机支架47固定在机架39 上。第二纵向导轨42一端与第二丝杠支架41连接，另一端与第二电机支架 47连接，起导向作用。
[0040]
第一纵向导轨37上套设有第一螺母连接座34，第二纵向导轨42上套设有第二螺母连接座43，第一螺母连接座34与第一丝杠32上的丝杠螺母通过螺钉连接，第二螺母连接座43与第二丝杠44上的丝杠螺母通过螺钉连接。横向导轨49一端安装在第一螺母连接座34上，另一端安装在第二螺母连接座43上。横向导轨49随着丝杠螺母实现上下往复运动。
[0041]
横向移动模块包括第三伺服电机35、第三电机支架、同步带轮36、同步带、第一从动带轮、第二从动带轮、滑块51、连接板40、喷头支架50。第三电机支架固定在第一螺母连接座34上，并随其整体运动。第三伺服电机35通过螺钉安装在第三电机支架上，同步带轮36安装在第三伺服电机 35的输出轴上，实现旋转运动，第一从动带轮固定在第二螺母连接座43上。同步带一端安装在同步带轮36上，另一端安装在第一从动带轮上。滑块51 滑动安装在横向导轨49上，连接板40通过螺钉与滑块51相连接，喷头支架50通过螺钉与连接板40相连接。喷头装置33通过螺钉安装在喷头支架 50上，第二从动带轮通过螺钉安装在喷头支架50上，第二从动带轮与同步带啮合。同步带与同步带轮36、第一从动带轮、第二从动带轮相互配合实现喷头装置33在横向导轨49上的横向滑动。
[0042]
本实施例中横向导轨49设置两个，滑块51设置四个，每个横向导轨 49穿过两个滑块51，四个滑块同时连接一连接板40。
[0043]
打印平台模块包括平台支架28、减速电机45、支撑板30和打印板31，平台支架28通过螺母固定在机架39上，减速电机45通过螺钉安装在平台支架28上，减速电机45输出轴与支撑板30同轴相连接，实现支撑板30的旋转运动。打印板31安装在支撑板30上，打印板31与支撑板30中间装有加热板，可以实现打印板的预热。
[0044]
实现运动：第一伺服电机27、第二伺服电机48带动第一丝杠32、第二丝杠44转动，从而使丝杆螺母通过第一螺母连接座34、第二螺母连接座 43带动横向导轨49及安装在横向导轨49上的喷头装置33进行上下的往复运动，实现打印高度的调节。第三伺服电机35带动同步带轮，实现旋转运动，第二从动带轮52通过与同步带相啮合，从而带动滑块51在横向导轨 49上做水平往复运动，实现打印半径的调节。减速电机45带动打印板31 做旋转运动，实现完美圆弧的打印。
[0045]
优点：将圆柱坐标机器人与食品3d打印相结合，与直角坐标打印机相比较，圆柱坐标具有运动直观性强，占据空间小、结构紧凑、工作范围大等特点，可应用于家庭使用和推广。在使用相同的硬件配置情况下，该种打印设备打印旋转体模型时可以实现更高的打印精度和打印速度。
[0046]
如图1所示，喷头模块包括三个挤出头直径不相同的喷头装置。对于单个喷头装置，包括外壳4、存料段1、喷头电机5、行星减速器11、电机连接板6、进料管连接板3、加热器安装板2、外壳内丝杠13、第三联轴器12、螺母活塞8、密封圈9和进料管7。加热器安装板2包裹在存料段1外，存料段1与加热器安装板2间形成夹层，存料段1与加热器安装板2间的夹层内安装加热器。外壳4底部与进料管连接板3通过螺钉连接，同时进料管连接板3与加热器安装板2通过螺钉相连接。外壳4顶部安装有电机连接板6，喷头电机5和行星减速器11均安装
在电机连接6上，喷头电机5输出轴与减速器11输入轴连接，通过键连接装配，实现同步转动；行星减速器11输出轴通过第三联轴器12与外壳内丝杠13一端连接，实现旋转运动，螺母活塞8与丝杠13相配合，将旋转运动转换为直线运动，实现物料的喷出；螺母活塞8下端外径大于螺母活塞8上端外径，外壳4内同轴设置有环形活塞挡板10，活塞挡板10的内径小于螺母活塞8下端外径且大于螺母活塞8上端外径。螺母活塞8下端外周设置有环形槽，环形槽内设置有密封圈9，保证密封；进料管7一端穿过进料管连接板3安装入存料段1，另一端与输送软管相连接，实现物料的输送。螺母活塞8为桶装结构，内表面设置有内螺纹。存料段1底部为喷嘴。
[0047]
加热器安装板2和外壳4共同安装在喷头支架50上；三个喷头并列固定在喷头支架50上，随横向导轨及丝杠进行运动。
[0048]
喷头装置实现运动：电机5驱动螺母活塞8实现物料的均匀挤出。
[0049]
优点：1)通过三个喷头之间的相互配合，根据特定营养配方打印出精美的个性化食品。2)存料段前端的喷嘴部分安装有加热丝，避免了食品原料冷凝导致的喷嘴堵塞。3)螺母活塞挤出方式，不受挤压材料的影响，适用于多种食材，且挤出量精确稳定。其挤出系统精度高、响应快、挤出力可控并且可实现回抽动作。
[0050]
如图2所示，供料装置53包括料筒架15、储料筒、搅拌电机18、减速器17、固定板19、食品泵安装架22、食品泵21、搅拌主轴25。料筒架15 通过螺栓安装在食品泵安装架22顶部，储料筒安装在料筒架15上。搅拌电机18输出轴与减速器17输入轴连接，减速器17输出轴通过第四联轴器24 与搅拌主轴25连接，搅拌主轴25伸入储料筒内，搅拌主轴25上安装有叶片23。电机18装在减速器17上方，通过螺钉相连接，减速器17通过固定板19与料筒盖20通过螺钉连接，起固定作用(储料筒由筒身16与料筒盖 20构成，筒身16与料筒盖20用螺纹连接起密封作用)。食品泵21安装在食品泵安装架22上，食品泵21上设置有输料管接口14。储料筒的底部出口与食品泵21顶部入口相接。
[0051]
由搅拌电机18驱动搅拌主轴25转动，带动叶片23的转动，起到搅拌的作用。对于推动部分，因为叶片23的转动使料液更加容易从储料筒底部出口进入食品泵21中，最终使料液从输料管接口14流出进入进料管7中。食品泵21给料液起增压的作用，使得液料从输料管接口14中输出进入喷头装置的进料管7，从而实现物料的传送；此外，料筒架15通过螺母固定在机架29上。
[0052]
实现运动：搅拌电机驱动叶片23的转动对物料进行搅拌，防止因物料冷凝引起的打印不均匀；食品泵工作输出食物墨水。
[0053]
优点：1)储料筒内设有搅拌装置，可均匀搅拌物料，防止物料沉淀引起打印产品不均匀，精度不高；2)设计料筒盖可拧开，便于盛装食材原料； 3)储料筒与食品泵可拆分设计，可以实现快速更换物料。
[0054]
机架模块：首先第一伺服电机27、第二伺服电机48同时转动，带动第一丝杠32、第二丝杠44转动，从而实现第一螺母连接座34、第二螺母连接座43连接的横向导轨49及喷头装置沿z轴向下运动，使喷头装置准确到达指定打印位置。然后开始打印工作，第三伺服电机35驱动同步带轮，通过同步带传动实现喷头装置x轴运动，进行打印半径的调节。同时减速电机 45带动打印板实现旋转运动，完成第一层一定轨迹的打印；完成后第一伺服电机27、第二伺服电机48同时反向转动，通过丝杠传动使喷头装置沿z 轴向上移动一定距离，然
后再进行第二层一定轨迹的打印，依次重复，直到打印出整个食品模型，打印机恢复初始位置，停止工作。
[0055]
喷头装置：首先是螺母活塞9置于最上端，通过供料装置53沿进料管7向存料段1中输入物料；其次喷头电机5通过联轴器12驱动外壳内丝杠 13旋转，通过螺纹将旋转运动转换为直线运动，使螺母活塞8向下运动，压缩物料，实现物料的喷出，同时存料段1与加热器安装板2间的夹层内的加热器对喷头进行加热，防止喷头堵塞；物料挤出完成后可通过喷头电机5 反转使螺母活塞8向上运动(存料段1上方置有一活塞挡板10，防止螺母活塞8脱出)，当运动到最上方时，供料装置再次进行填料，如此往复。
[0056]
供料装置：当喷头装置需要供料时，首先将所需物料的储料筒16安装在料筒架15上，用食品级输送软管一端与输料管接口14连接，另一端与喷头上进料管7连接；然后搅拌电机18驱动搅拌主轴旋转，实现物料的均匀搅拌，同时启动食品泵实现物料的输送。
[0057]
工作过程：首先对打印板进行预热，到达指定温度后，伺服电机驱动丝杠带动喷头装置下降，到达指定的平面位置。然后喷头装置按照制定轨迹完成打印动作，同时喷头电机驱动外壳内丝杠带动螺母活塞向下运动，进行材料的挤出。打印不同营养配方的多材料食品，是通过控制系统控制不同的喷头实现挤出动作，将不同的材料打印于一个食品中。完成一层的打印后，伺服电机再次驱动丝杠带动喷头装置上升一定距离，重复上述动作，至完成整个食品的打印。当打印物料不足时，启动供料装置，完成特定打印喷头的供料。最后3d打印机完成工作后，取出物体，做后期处理。
[0058]
本实用新型便于供料的食品打印机的设计，结构紧凑、占用面积小且成本低，适用于家庭厨房使用；能实现高精度、高效率(尤其对于回转体)打印；可将多种营养成分按一定比例均匀打印于一个制品中，满足人们的个性化需求。对加快食品3d打印产业的技术进步，进一步提升3d打印产品质量和附加值具有十分重要的现实意义。