新型巧克力3D打印机的制作方法

本实用新型涉及一种3D打印机，尤其是一种巧克力3D打印机。

背景技术：

随着科技进步，国内外现有技术中已经出现多种巧克力3D打印设备，这些设备的技术特点主要包含以下一种或多于一种：

(1)巧克力打印头在运动装置上一起运动。

(2)应用了针筒式巧克力挤出装置(包括没有和有连续供料装置的)。国内有相关装置的专利文献，如授权公告号：CN 203789039 U以及CN 204104705 U。

(3)应用了蛟龙式巧克力送料和挤出装置。国内有相关装置的专利文献，授权公告号：CN 204217792 U。

其中绝大部分巧克力3D打印设备都具有特点(1)，可是巧克力打印头本身是个有较多的技术环节要求的复杂系统，且带有运动部件，而这样一个庞大的系统包括带加热装置的料桶或还拖着粗大送料管道、带驱动装置的活塞及针头，一方面自身在运动另一方面随着打印系统高速运动着，并且打印头里装的是对温度敏感的流态巧克力原料，加上响应迟缓的气压式挤压打印方式，其打印的质量显然不能要求太高。

特点(2)是巧克力打印头的设计的应用，它的缺点是明显的。巧克力的挂壁现象既影响活塞的运动效果又影响输送管道的效率，从而很快使打印质量下降，使用前的准备和使用后的维护及加料工作繁多，不利于实用。即便有自动供料系统，输料管道的维护也是不可忽视的，管道堵塞是常见的问题。

特点(3)也是巧克力打印头的设计的应用，能打印出半溶解的丝状巧克力，它克服了流态原料输料的弊端，也更利于3D成型。但是，它的每一层巧克力丝只是表面轻度溶解后，相互接触粘结在一起，而每条巧克力丝的芯是在压力作用下聚合在一起的巧克力微粒，其结合的形式仍是松散的。由于是干料挤压成的丝状,而且这丝要包含溶解的表皮和不溶解的芯，因此其精度局限在0.6mm～2mm，成品的层线纹路十分明显。另外蛟龙式送料对巧克力原料的要求也很高，而且这个挤压成型过程和巧克力自然结晶的原理相去甚远，实际应用也有局限性。

除了以上三个方面，还有一个之前所有巧克力3D打印机的共同缺点，就是用户使用难度高。因为先需要获得3D打印模型，即使有3D扫描设备，也要用专业软件才能修正或修改；即使有了适用的3D模型还要用专业的切片软件切片才能输出可上机打印的文件。而非专业人群不可能自己建模，也不会使用切片软件，也不会购买昂贵的专业3D扫描设备。所以这样的设备很难被一般用户普及接纳。

因此，我们需要研发一种新型巧克力3D打印机，解决以上提出的目前技术的困难和不足。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有的上述问题，提供一种新型巧克力3D打印机，本实用新型的新型巧克力3D打印机中的巧克力打印头系统为固定装置，结合3D移动机构的精巧设计，不需要考虑输料管道跟随打印头运动的问题，也不需要考虑输料管道温度维持，避免了输料管道易阻塞、难清理等的用户困扰；同时输出材料状态及输出量精确，做到对指令实时响应，从而达到提高打印精度的效果。3D移动机构使打印出来的巧克力原料堆积出更完美的立体形态。

为解决上述问题，本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型的新型巧克力3D打印机，包括机架、巧克力打印头系统、3D移动机构和打印辅助系统，其中：

巧克力打印头系统包括：加料仓、溶料仓和打印头；

其中加料仓包括：由驱动电机驱动的送料螺杆，加料仓底部为漏斗形，漏口连通溶料仓；

其中溶料仓包括：溶料仓主体、位于溶料仓下部的溶料斗、加热片和由驱动电机驱动的搅拌棒，加热片包裹在溶料仓主体外围的中下部，由加料仓送入溶料仓的原料在程序控制下加热溶化，同时溶料仓主体内的搅拌棒缓慢转动搅拌使巧克力溶解均匀细腻；

其中打印头包括：作为核心的齿轮泵结构内仓、齿轮泵结构内仓内包括由步进电机驱动的主动齿轮和相互啮合的从动齿轮、散热片、加热棒、温度传感器和喷料头；齿轮泵的主动齿轮由步进电机驱动；散热片设置在溶料仓底部与齿轮泵结构内仓底部的连接通道处，用于控制进入齿轮泵结构内仓的原料的温度；加热棒设置在靠近喷料头处，通过程序控制加热棒调节打印头不同部位的温度到适合打印的温度，并通过齿轮泵原理吸取溶料仓的原料溶液以及控制喷料头出料或回抽；

3D移动机构包括：三臂联动机构和被其支撑且与其联动的三维运动打印平台；

其中三臂联动机构包括：呈等边三角形排列的固定立柱或呈等边三角形的固定架、直线运动模块、连杆和联动平台；直线运动模块包括三组，每组均包括：步进电机、传动机构、滑块和导轨；导轨安装在呈等边三角形排列的固定立柱或呈等边三角形的固定架的固定立柱上，步进电机通过传动机构带动滑块在导轨上做上下运动；连杆包括三组，每组均包括两根，每根的一端通过球节与滑块相连，另一端通过球节与联动平台相连；联动平台：用于连接三组连杆和固定三维运动打印平台；

打印辅助系统包括温控系统：其中温控系统包括加热控制单元；加热控制单元包括：前面所述的加热片和加热棒，以及温度传感器；温度传感器分别检测原料在溶料斗出口处、原料进入齿轮泵结构内仓前以及原料在喷料头内的温度。

本实用新型的进一步优化为：喷料头的喷嘴开口直径为0.08mm-0.3mm,为高精度打印创造基础条件。

本实用新型的进一步优化为：喷料头的喷嘴周边有保温圈，保温圈材质为陶瓷或硅胶,确保喷嘴部位的细小管道内的原料不会被打印室内的冷气冻结，以致阻塞。

本实用新型的进一步优化为：温控系统还包括打印室内冷气装置，其包括：半导体制冷装置和水冷散热装置。

本实用新型的进一步优化为：打印辅助系统还包括后台操作系统，其包括与控制主板连接的WIFI模块，可以通过WIFI连接互联网，由企业为用户提供云端服务。

本实用新型的新型巧克力3D打印机中的巧克力打印头系统为为整体固定装置，不参与3D运动，只专心完成上述温控和打印工作，工作稳定可靠且不需要原料输送管道，因此不需要考虑输料管道跟随打印头运动的问题，也不需要考虑输料管道温度维持，避免了输料管道易阻塞、难清理等的用户困扰。同时输出材料状态及输出量精确，做到对指令实时响应，从而达到提高打印精度的效果。

本实用新型的新型巧克力3D打印机中的3D移动机构通过程序计算，把三维运动打印平台的(x,y,z)坐标转换为三个滑块在固定立柱上的唯一位置点，当滑块由程序控制沿着三个固定立柱上的导轨做上下运动时，它的上下移动就通过连杆转化为三维运动打印平台的三维移动，这样，巧克力打印头在移动的三维运动打印平台上喷出的巧克力形成的轨迹加上层叠效应就形成了三维的实体产品，使打印出来的巧克力原料堆积出更完美的立体形态。

本实用新型的新型巧克力3D打印机具有温控系统，巧克力打印头系统上部有散热单元，下部装有加热单元。溶料仓的液态巧克力进入打印头上部时为降温过程，由步进电机驱动打印头中心腔内的两个齿轮的啮合传递运动，带动液态巧克力作有序可控的运行，液态巧克力运行到打印头底部时经过再升温后，在底部的打印喷料头喷出，喷出的液态新巧克力非常稀薄，经过打印室内冷气装置被急速降温，迅速结晶成为新的固态巧克力。这样，巧克力从溶料仓溶解到打印成型，经历了升温-降温-再升温-降温至结晶的过程。通过温控程序调节控制，可达到各个环节的温度指标，从而实现巧克力的β结晶的调温曲线过程，做到了传统工艺的制作要求。

温控系统中的打印室内冷气装置，其包括：半导体制冷装置和水冷散热装置。半导体制冷装置确保巧克力喷出喷嘴后进入一个适合结晶的低温环境中，并在需要急冷的情况下提供条件。水冷散热装置主要负责给半导体制冷芯片散热，提高制冷的效能。

本实用新型的新型巧克力3D打印机的后台操作系统使用户不用接触专业的3D建模软件及切片软件，直接通过手机实现选择图案和发送打印指令，为食品3D打印机家用化提供可行性方案。

附图说明

图1为本实用新型的巧克力3D打印机的整体结构示意图。

图2为本实用新型的巧克力3D打印机的正面结构示意图。

图3为本实用新型的巧克力3D打印机中的巧克力打印头系统的正面结构示意图。

图4为本实用新型的巧克力3D打印机中的巧克力打印头系统的侧面结构示意图。

图5为本实用新型的巧克力3D打印机中的巧克力打印头系统的剖面结构示意图。

图6为本实用新型的巧克力3D打印机的网络连接示意图。

1-加料仓 2-溶料仓 3-驱动电机 4-送料螺杆

5-溶料斗 6-加热片 7-搅拌棒 8-温度传感器

9-齿轮泵结构内仓 10-步进电机 11-主动齿轮 12-从动齿轮

13-散热片 14-加热棒 15-喷料头 16-电源系统

17-控制主板 18-WiFi模块 19-控制面板 20-SD卡插口

21-半导体制冷装置 22-出风口 23-三维运动打印平台 24-固定架

25-固定立柱 26-滑块 27-导轨 28-连杆

29-水冷散热装置 30-联动平台 31-保温圈

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型的新型巧克力3D打印机可大致分为上下两个区域，上面是非运动区，下面是运动区。上下两区通过由内机壳围蔽的一个独立的内部空间进行衔接互动。

1、非运动区通过与外机壳连接的机架固定，分别安装了巧克力打印头系统以及部分打印辅助系统；

巧克力打印头系统包括：加料仓1、溶料仓2和打印头；

其中加料仓1包括：由驱动电机3驱动的送料螺杆4，加料仓1底部为漏斗形，漏口连通溶料仓2，在溶料仓2内的原料减少时，加料仓1内的原料通过被驱动电机3驱动旋转的送料螺杆4推送进入溶料仓2内；加料仓1顶部与机顶壳或机外壳的合适位置相连接，在外部机外壳处可以打开密封仓盖，随意添加巧克力原料；

其中溶料仓2包括：溶料仓2主体、位于溶料仓2下部的溶料斗5、加热片6和由驱动电机3驱动的搅拌棒7，加热片6包裹在溶料仓2主体外围的中下部，由加料仓1送入溶料仓2的原料在程序控制下加热溶化，同时溶料仓2主体内的搅拌棒7缓慢转动搅拌使巧克力溶解均匀细腻。

溶料仓2优选材料为不锈钢，主体为圆柱罐体，外周中部围绕着加热片6及温度传感器8组成的加热单元，加热单元依据温度传感器8感应到所在部件的温度以及程序设定的温度控制标准实施启动或关闭，控制溶料仓2内的温度。溶料仓2内装置的搅拌棒7，不停地匀速搅拌，以确保仓内巧克力受热均匀，这一点与传统巧克力制作工艺要求一致。搅拌棒7由固定在溶料仓2上方的驱动电机3驱动。溶料仓2底部部与打印头顶部相连，经过溶解的液态巧克力通过这里注满打印头内部腔室。溶料仓2部件及打印头均固定在与机箱联结的机架构件上。

其中打印头包括：作为核心的齿轮泵结构内仓9、齿轮泵结构内仓9内包括由步进电机10驱动的主动齿轮11和相互啮合的从动齿轮12、散热片13、加热棒14、温度传感器8和喷料头15；齿轮泵的主动齿轮11由步进电机10驱动；散热片13设置在溶料仓2底部与齿轮泵结构内仓9底部的连接通道处，用于控制进入齿轮泵结构内仓9的原料的温度；加热棒14设置在靠近喷料头15处，通过程序控制加热棒14调节打印头不同部位的温度到适合打印的温度，并通过齿轮泵原理吸取溶料仓2的原料溶液以及控制喷料头15出料或回抽。

打印头优选由不锈钢整体铸造，上部有散热单元，下部装有加热单元。溶料仓2的液态巧克力进入打印头上部时为降温过程，由步进电机10驱动打印头中心腔内的两个齿轮的啮合传递运动，带动液态巧克力作有序可控的运行，液态巧克力运行到打印头底部时经过再升温后，在底部的打印喷料头15喷出，喷出的液态新巧克力非常稀薄，经过随后被急速降温，迅速结晶成为新的固态巧克力。这样，巧克力从溶料仓2溶解到打印成型，经历了升温-降温-再升温-降温至结晶的过程。通过温控程序调节控制，可达到各个环节的温度指标，从而实现巧克力的β结晶的调温曲线过程，做到了传统工艺的制作要求。

巧克力打印头系统为整体固定装置，不参与3D运动，只专心完成上述温控和打印工作，工作稳定可靠且不需要原料输送管道，输出材料状态及输出量精确，做到对指令实时响应，从而达到提高打印精度的效果。

在这个非运动区里，如附图所示的相对位置还可以选择安装部分打印辅助系统，包括：温控系统、电源系统16、控制主板17、WiFi模块18，还有装在机壳上的控制面板19和SD卡插口20；电源系统16和控制主板17均固定在与机箱内部联结的支架构件上；电源系统16为各个部件提供匹配的电力支持。控制主板17采用的是Mks base主板。WIFI模块18的接入，把3D巧克力打印机接入网络，通过云端后台服务平台，使用户可以在手机上实现傻瓜打印操作。但在物联网时代，手机APP操控电器已经是标配了，而本实用新型的的新型巧克力3D打印机的WIFI模块18配置不仅仅是手机操控打印，其重要意义是服务商通过运营服务平台提供了专业的技术支持，使非专业用户跨越技术障碍，轻松使用高新科技；用户无需知道如何构建实体的3D模型、如何切片，只需要提出有效的条件要求、作选择以及发出打印指令。控制面板19和SD卡插口20提供给用户直接把做好切片的3D打印文件通过SD卡，接入并控制打印。

其中温控系统包括加热控制单元；加热控制单元包括：前面所述的加热片6和加热棒14，以及温度传感器8；温度传感器8分别检测原料在溶料斗5出口处、原料进入齿轮泵结构内仓9前以及原料在喷料头15内的温度。

非活动区域还可以设置温控系统系统中的半导体制冷装置21(也可以根据实际需要设置在活动区域内)，半导体制冷装置21的出风口22在机器内壳围蔽的打印空间内(出风口22在活动区域内)，确保巧克力喷出喷嘴后进入一个适合结晶的低温环境中，并在需要急冷的情况下提供条件。

2、在运动区，安装了3D移动机构和另一部分打印辅助系统。

3D移动机构包括：三臂联动机构和被其支撑且与其联动的三维运动打印平台23；

其中三臂联动机构包括：呈等边三角形排列的固定立柱25或呈等边三角形的固定架24、直线运动模块、连杆28和联动平台30；直线运动模块包括三组，每组均包括：步进电机10、传动机构、滑块26和导轨27；导轨27安装在呈等边三角形排列的固定立柱25或呈等边三角形的固定架24的固定立柱25上，步进电机10通过传动机构带动滑块26在导轨27上做上下运动；连杆28包括三组，每组均包括两根，每根的一端通过球节与滑块26相连，另一端通过球节与联动平台30相连；联动平台30：用于连接三组连杆28和固定三维运动打印平台23。传动机构可以采用链轮、链条传动、皮带传动、同步带、丝杆、或者滚珠丝杆等适用的常用方式。其中呈等边三角形排列的固定立柱25或呈等边三角形的固定架24可以选用铝合金型材联结构建，固定在机箱的底部；步进电机10固定在机箱内底部；固定立柱25或固定架24以及步进电机10的安装可以根据实际情况采用常规方式进行适应性安装。

三维运动打印平台23优选不锈钢材料，结构为空心保温型。通过程序计算，把三维运动打印平台23的(x,y,z)坐标转换为三个滑块26在固定立柱25上的唯一位置点，当滑块26由程序控制沿着三个固定立柱25上的导轨27做上下运动时，它的上下移动就通过连杆28转化为三维运动打印平台23的三维移动，这样，巧克力打印头在移动的三维运动打印平台23上喷出的巧克力形成的轨迹加上层叠效应就形成了三维的实体产品。

所述另一部分打印辅助系统指的是在机箱下半部的温控系统系统中的水冷散热装置29。水冷散热装置29安装在三臂联动机构的呈等边三角形排列的固定立柱25或呈等边三角形的固定架24的固定立柱25外侧与外机壳内侧之间的空位，它主要负责给半导体制冷芯片散热，提高制冷的效能。

本实用新型的进一步优化为：喷料头15的喷嘴开口直径为0.08mm-0.3mm。

本实用新型的进一步优化为：喷料头15的喷嘴周边有保温圈31，保温圈31材质为陶瓷或硅胶。

本实用新型的新型巧克力3D打印机的运动区为内机壳围蔽出的一个独立的腔室。打印头及半导体制冷装置21的出风口22在运动区的顶部向下进入这个空间，以及三臂联动的打印平台也在这个空间里工作。独立的腔室缩小了制冷的空间，降低了制冷的损耗，有效的提高了制冷能效的利用率。当高速打印头喷出稀薄的液态巧克力时，即可遇冷降温，从而可以迅速结晶，并为打印头喷出下一层稀薄的液态巧克力打下坚实的基础，进而构筑出传统无法达到的精美产品。

本实用新型的新型巧克力3D打印机对程控响应是灵敏而准确的，可以实时变换输出的状态，比如搭桥时加大输出量，过桥后恢复正常；比如在面积小的切片层延长冷却时间，甚至将重点送至冷气口“急冻”；又比如跳跃打印时准确的回抽和复位。这些强大的功能使它能打印出高质量、高难度的艺术精品巧克力，如镂空的花饰工艺，弥补了传统制作工艺不能达到的空缺。

综上所述，仅为本实用新型的较佳实例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制；本申请文件中涉及到的各种上下左右等位置描述仅为方便描述，并非对本实用新型方案的限制；凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，利用以所揭示的技术内容而做出的些许变更、修饰与演变的等同变化，均视为本实用新型的等效实例；同时，凡根据本实用新型的实质技术对以上实施例所作出的任何等同变化的变更、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。