多功能食品3D打印机的制作方法

本发明涉及机械加工制造设备技术领域，具体是一种多功能食品3d打印机。

背景技术：

目前3d打印的概念已经基本成熟，利用3d打印技术可打印出各种复杂的产品。但是食品3d打印机在国内还不成熟，大多数是单一的功能，设备通用性差，只能打印一种材料或一种食物，并不能实现一台机器打印多种食品，局限性依然太大，机器体积较大，运输、操作不方便。而且目前国内食品打印机，成本较高，并不能被普通大众接受。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种多功能食品3d打印机。其能够混合打印多种食物，并且可根据打印食物的成形温度选择开启热床或制冷器，实现制热或制冷，保证食物快速成型。

本发明通过以下技术方案实现：一种多功能食品3d打印机，包括外框架、热床结构和螺旋搅拌器式喷头机构；

所述外框架上安装有z轴导向运动机构、x轴导向运动机构和y轴导向运动机构；

所述z轴导向运动机构上安装所述热床结构；

所述y轴导向运动机构上安装所述x轴导向运动机构；

所述x轴导向运动机构上安装所述螺旋搅拌器式喷头机构；

所述外框架一侧还安装有储料输送机构，储料输送机构输出端通过软管连接至螺旋搅拌器式喷头机构。

其进一步是：所述外框架包括由4个x轴型材、4个y轴型材、4个z轴型材组成的立体方框结构；

所述z轴导向运动机构包括两个相对称布置的z轴丝杠，z轴丝杠的上下端转动安装有z轴轴承座，上下侧的z轴轴承座分别固定在上下侧的y轴型材上，两个z轴丝杠之间通过z轴同步带连接；所述外框架上固定安装有z轴步进电机，z轴步进电机输出端的z轴同步带轮与一个z轴丝杠之间通过z轴传动带连接；所述z轴丝杠前后侧分别设有一个与z轴丝杠平行的z轴大光杠，z轴大光杠的上下端分别固定连接有z轴固定座，上下侧的z轴固定座对应固定在上下侧的y轴型材上。

所述热床结构安装在z轴导向运动机构中的z轴丝杠和z轴大光杠上；

所述热床结构包括由2个前后型材、2个丝杠螺母安装板组成的方框结构，和一个热床；所述前后型材与丝杠螺母安装板之间通过螺栓ⅰ固定连接；所述丝杠螺母安装板中部通过螺栓ⅱ安装有丝杠螺母，丝杠螺母与所述z轴丝杠配合连接；丝杠螺母安装板两端分别通过螺栓ⅲ安装有直线轴承ⅰ，直线轴承ⅰ与所述z轴大光杠配合连接；

所述前后型材的两端分别安装有角铁ⅰ，两个前后型材的两端分别搭设一个左右型材，角铁ⅰ抵在左右型材的外侧；

所述热床放置在两个左右型材之间，热床的下端固定有支撑板；所述支撑板上开设有通孔，螺栓ⅳ从支撑板通孔下端穿入，螺栓ⅳ上端通过螺纹连接安装在前后型材下；所述螺栓ⅳ上套装有压缩弹簧ⅰ，压缩弹簧ⅰ的上下端抵在前后型材、支撑板之间。

所述热床连接有制冷器。

所述外框架包括由4个x轴型材、4个y轴型材、4个z轴型材组成的立体方框结构；

所述y轴导向运动机构包括两个对称的沿x轴布置的同步转抽，同步转抽两端转动连接有x轴固定座，x轴固定座固定安装在上侧的y轴型材的端部；在所述同步转抽的端部固定安装有中间同步带轮，相对的中间同步带轮之间通过y轴同步带连接；所述外框架上固定安装有y轴步进电机，y轴步进电机输出端与一个同步转抽之间通过y轴传动带连接；

所述y轴导向运动机构还包括两个对称的沿y轴布置的y轴导轨，y轴导轨两端固定连接有y轴固定座，y轴固定座固定安装在上侧的y轴型材的端部；y轴导轨位于y轴同步带的上侧，y轴导轨与y轴同步带平行。

所述x轴导向运动机构包括滑动安装在y轴导轨上的x轴导轨座；所述x轴导轨座下端与所述y轴同步带连接；两个x轴导轨座之间固定连接有一对x轴导轨，x轴导轨座中部安装有x轴带轮，两个x轴带轮之间安装有一条x轴同步带；所述外框架上固定安装有x轴步进电机，x轴步进电机输出端与一个x轴带轮之间通过x轴传动带连接。

所述螺旋搅拌器式喷头机构包括喷头机构固定架；所述喷头机构固定架两侧固定有直线轴承ⅱ，直线轴承ⅱ对应配合安装在所述x轴导轨上，喷头机构固定架与所述x轴同步带连接；

所述喷头机构固定架中部固定安装有搅拌槽，搅拌槽下端连接有喷嘴，搅拌槽中配合放置有搅拌器；所述搅拌器上端连接有搅拌步进电机。

所述喷头机构固定架中部开有安装通孔，喷头机构固定架下方通过螺栓ⅵ、螺母ⅵ固定连接有两个夹板；所述夹板通过螺栓ⅶ、螺母ⅶ相对接，两个夹板之间开有夹孔；所述搅拌槽呈圆柱筒形，搅拌槽上端呈锥形，搅拌槽下端夹在两个夹板之间，搅拌槽上端放置在喷头机构固定架中部的安装通孔中；

所述搅拌槽圆柱表面设有散热格栅，搅拌槽一侧固定连接有风扇；风扇两侧设有与搅拌槽同轴心配合的弧形板；

所述搅拌步进电机固定安装在搅拌步进电机座上；所述搅拌步进电机座通过搅拌步进电机座螺栓固定在喷头机构固定架上。

所述搅拌器包括螺旋搅拌轴和两个连接法兰；所述螺旋搅拌轴中心设有沉孔，沉孔中安装有加热棒；

两个所述连接法兰上下相对布置，两个连接法兰之间通过螺栓ⅷ、螺母ⅷ连接；所述螺栓ⅷ中部套装有压缩弹簧ⅱⅷ，压缩弹簧ⅱⅷ两端分别抵在两个连接法兰之间；

下侧的连接法兰与螺旋搅拌轴连接，上侧的连接法兰与搅拌步进电机连接；两个连接法兰的端面均设置有隔热垫片。

所述储料输送机构包括上端敞口的储料桶，储料桶上端连接有储料桶盖；所述储料桶下端设有出口，储料桶出口中安装有单向阀；储料桶出口通过三通接头分别连接缸筒和输料管道，三通接头与输料管道之间安装有单向阀；所述缸筒中安装有活塞，活塞外端连接有丝杠螺母副；所述丝杠螺母副另一端连接有输送步进电机，输送步进电机通过输送步进电机支架固定在外框架一侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

结构牢固可靠，模块化设计组装、维护方便；外框架可由铝合金型材构建，结构稳固、美观轻便，造价低；采用丝杠螺母副、直线导轨传动准确高效；

采用液压式的储料输送机构，通过安装在3d食品打印机下部的储料输送机构，将所需食品原料输送至搅拌槽进行搅拌；搅拌器挤压，通过安装在搅拌槽底端的喷嘴将具有流动性的食物原材料如面浆、鸡蛋液、巧克力、糖稀、冰激凌等挤出；作为成型平台的热床结构功能全面，可实现冷、热、常温多种环境下加工；在功能上有很大的拓展，满足现在消费者对多重口感的需求。

附图说明

图1是多功能食品3d打印机结构示意图；

图2是外框架结构示意图；

图3是热床机构结构示意图；

图4是螺旋搅拌器式喷头结构示意图；

图5是螺旋搅拌器结构示意图；

图6是x轴导轨座结构示意图；

图7是热床结构示意图；

图8是丝杠螺母安装板结构示意图；

图9是控制板结构示意图；

图10是夹板结构示意图；

图11是喷头机构固定架结构示意图；

图12是搅拌步进电机座结构示意图；

图13是连接法兰结构示意图；

图14是隔热垫片结构示意图；

图15是螺旋搅拌轴结构示意图；

图16是搅拌槽结构示意图；

图17是风扇结构示意图；

图18是储料输送机构结构示意图；

图19是储料输送机构结构简图；

图20是活塞结构示意图。

图中：1、外框架；1-1、控制板；1-2、储料桶盖；1-3、储料桶；1-4、x轴型材；1-5、活塞；1-6、电源；1-7、丝杠螺母副；1-8、输送步进电机支架；1-9、输送步进电机；1-10、z轴型材；1-11、角铁ⅱ；1-12、y轴型材；1-13、z轴步进电机；1-14、z轴轴承座；1-15、z轴同步带轮；1-16、z轴传动带；1-17、z轴固定座；1-18、z轴丝杠；1-19、z轴大光杠；1-20、x轴固定座；1-21、y轴固定座；1-22、中间同步带轮；1-23、y轴同步带；1-24、y轴导轨；1-25、同步转抽；1-26、x轴导轨座；1-27、x轴导轨；1-28、x轴同步带；2、热床结构；2-1、角铁ⅰ；2-2、丝杠螺母安装板；2-3、螺栓ⅰ；2-4、前后型材；2-5、螺栓ⅱ；2-6、热床；2-7、丝杠螺母；2-8、螺栓ⅲ；2-9、直线轴承ⅰ；2-10、支撑板；2-11、压缩弹簧ⅰ；2-12、螺栓ⅳ；2-13、左右型材；3、螺旋搅拌器式喷头机构；3-1、喷嘴；3-2、搅拌槽；3-3、螺栓ⅵ；3-4、螺母ⅵ；3-5、螺栓ⅶ；3-6、螺母ⅶ；3-7、夹板；3-8、风扇；3-9、直线轴承ⅱ；3-10、喷头机构固定架；3-11、搅拌器；3-12、搅拌步进电机座；3-13、搅拌步进电机座螺栓；3-14、搅拌步进电机；3-11-1、螺旋搅拌轴；3-11-2、螺母ⅷ；3-11-3、隔热垫片；3-11-4、螺栓ⅷ；3-11-5、连接法兰；3-11-6、压缩弹簧ⅱ。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，现结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一

结合图1至图4所示，一种多功能食品3d打印机，外框架1包括由4个x轴型材1-4、4个y轴型材1-12、4个z轴型材1-10组成的立体方框结构，各型材之间通过角铁ⅱ固定连接。外框架1下安装有电源1-6，电源1-6用于对整个装置提供电压。外框架1上安装有z轴导向运动机构、x轴导向运动机构和y轴导向运动机构。热床结构2安装在z轴导向运动机构上，热床结构2由z轴导向运动机构带动，实现热床结构2在z轴向的运动。x轴导向运动机构安装在y轴导向运动机构上，x轴导向运动机构由y轴导向运动机构带动，实现x轴导向运动机构在y轴向的运动。螺旋搅拌器式喷头机构3安装在x轴导向运动机构上，螺旋搅拌器式喷头机构3由x轴导向运动机构带动，实现螺旋搅拌器式喷头机构3在x轴向的运动。储料输送机构固定在外框架1一侧，储料输送机构输出端通过软管连接至螺旋搅拌器式喷头机构3，通过储料输送机构向螺旋搅拌器式喷头机构3输送原料。

z轴导向运动机构：

两个z轴丝杠1-18相对称布置，z轴轴承座1-14转动安装在z轴丝杠1-18的上下端。上下侧的z轴轴承座1-14分别固定在上下侧的y轴型材1-12的中部，两个z轴丝杠1-18之间通过z轴同步带连接，保证两个z轴丝杠1-18同步运动。z轴步进电机1-13固定安装在外框架1一侧，z轴步进电机1-13输出端的z轴同步带轮1-15与一个z轴丝杠1-18之间通过z轴传动带1-16连接。z轴丝杠1-18前后侧分别设有一个与z轴丝杠1-18平行的z轴大光杠1-19，z轴大光杠1-19的上下端分别固定连接有z轴固定座1-17，上下侧的z轴固定座1-17对应固定在上下侧的y轴型材1-12上。

热床结构2：

再结合图7、图8所示，两个前后型材2-4与两个丝杠螺母安装板2-2之间通过螺栓ⅰ2-3固定连接，整体组成一个方框结构。丝杠螺母安装板2-2中部通过螺栓ⅱ2-5安装丝杠螺母2-7，丝杠螺母2-7与z轴丝杠1-18配合连接；丝杠螺母安装板2-2两端分别通过螺栓ⅲ2-8安装有直线轴承ⅰ2-9，直线轴承ⅰ2-9与z轴大光杠1-19配合连接。通过z轴步进电机1-13的正反转带动热床结构2上下运动。

前后型材2-4的两端分别安装有角铁ⅰ2-1，两个前后型材2-4的两端分别搭设一个左右型材2-13，角铁ⅰ2-1抵在左右型材2-13的外侧。热床2-6放置在两个左右型材2-13之间，热床2-6由前后型材2-4和左右型材2-13夹紧，角铁ⅰ2-1可调节左右位置，适应不同大小的热床。热床2-6的下端固定有支撑板2-10；支撑板2-10上开设有通孔，螺栓ⅳ2-12从支撑板2-10通孔下端穿入，螺栓ⅳ2-12上端通过螺纹连接安装在前后型材2-4下。螺栓ⅳ2-12上套装有压缩弹簧ⅰ2-11，压缩弹簧ⅰ2-11的上下端抵在前后型材2-4、支撑板2-10之间。通过转动螺栓ⅳ2-12可以调整热床2-6。热床2-6连接有制冷器，实现冷、热、常温多种环境下加工。

y轴导向运动机构：

包括两个对称的沿x轴布置的同步转抽1-25，x轴固定座1-20转动安装在同步转抽1-25两端，x轴固定座1-20固定安装在上侧的y轴型材1-12的端部。在同步转抽1-25的两端分别固定安装中间同步带轮1-22，相对的中间同步带轮1-22之间通过y轴同步带1-23连接；这两条平行的中间同步带轮1-22可保证两个同步转抽1-25同步运转。y轴步进电机固定安装在外框架1一侧，y轴步进电机输出端通过y轴传动带与一个同步转抽1-25连接。y轴导向运动机构还包括两个对称的沿y轴布置的y轴导轨1-24，y轴导轨1-24两端固定连接有y轴固定座1-21，y轴固定座1-21固定安装在上侧的y轴型材1-12的端部；y轴导轨1-24位于y轴同步带1-23的上侧，y轴导轨1-24与y轴同步带1-23平行。

x轴导向运动机构：

再结合图6所示，x轴导轨座1-26滑动安装在y轴导轨1-24上，x轴导轨座1-26下端与y轴同步带1-23连接。通过y轴步进电机带动y轴同步带1-2的正反转，进而带动x轴导轨座1-26沿着y轴导轨1-24前后运动。

两个x轴导轨座1-26之间固定连接一对x轴导轨1-27，x轴导轨座1-26中部安装有x轴带轮，两个x轴带轮之间安装一条x轴同步带1-28。x轴步进电机固定安装在外框架1一侧，x轴步进电机输出端通过x轴传动带与一个x轴带轮连接。

螺旋搅拌器式喷头机构3：

喷头机构固定架3-10两侧固定有直线轴承ⅱ3-9，直线轴承ⅱ3-9对应配合安装在x轴导轨1-27上，喷头机构固定架3-10与x轴同步带1-28连接。通过x轴步进电机带动x轴传动带正反转，进而带动喷头机构固定架3-10沿着x轴导轨1-27左右运动。

再结合图10至图17所示，喷头机构固定架3-10中部开有安装通孔，喷头机构固定架3-10下方通过螺栓ⅵ3-3、螺母ⅵ3-4固定连接有两个夹板3-7；夹板3-7通过螺栓ⅶ3-5、螺母ⅶ3-6相对接，两个夹板3-7之间开有夹孔，夹板为隔热材料，可以阻止热量的移动。搅拌槽3-2呈圆柱筒形，搅拌槽3-2中配合放置有搅拌器3-11；搅拌槽3-2上端呈锥形，用于稳定放置输料管道。搅拌槽3-2下端夹在两个夹板3-7之间，搅拌槽3-2下部外壁可以粘贴加热片，防止加热棒失效无法加热材料。搅拌槽3-2底部为螺纹孔，用于和喷嘴3-1连接；

搅拌槽3-2圆柱表面设有散热格栅，提高散热效果。搅拌槽3-2一侧固定连接有风扇3-8；风扇3-8两侧设有与搅拌槽3-2同轴心配合的弧形板；

搅拌步进电机3-14固定安装在搅拌步进电机座3-12上；搅拌步进电机座3-12通过搅拌步进电机座螺栓3-13固定在喷头机构固定架3-10上。

搅拌器3-11包括螺旋搅拌轴3-11-1和两个连接法兰3-11-5。螺旋搅拌轴3-11-1中心设有沉孔，沉孔中安装有加热棒。两个连接法兰3-11-5上下相对布置，两个连接法兰3-11-5之间通过螺栓ⅷ3-11-4、螺母ⅷ3-11-2连接；螺栓ⅷ3-11-4中部套装有压缩弹簧ⅱⅷ3-11-6，压缩弹簧ⅱⅷ3-11-6两端分别抵在两个连接法兰3-11-5之间，可以通过拧动螺母ⅷ3-11-2调节喷头高度。下侧的连接法兰3-11-5与螺旋搅拌轴3-11-1连接，上侧的连接法兰3-11-5与搅拌步进电机3-14连接；两个连接法兰3-11-5的端面均设置有隔热垫片3-11-3。隔热垫片3-11-3用于保证搅拌步进电机3-14的正常工作。

搅拌槽3-2、搅拌器3-11中材料可以是面浆、鸡蛋液等常温为流体、高温为固体的材料。此时加热棒不工作，热床加热面浆、鸡蛋液，使其高温成形。搅拌槽3-2、搅拌器3-11中材料也可以是巧克力、糖稀、冰激凌等常温为流体、低温为固体的材料。此时热床不工作，加热棒工作使搅拌槽3-2中材料熔化，制冷器工作使材料低温成形。

储料输送机构：

结合图18至图20所示，储料输送机构包括上端敞口的储料桶1-3，储料桶1-3上端连接有储料桶盖1-2；储料桶1-3下端设有出口，储料桶1-3出口中安装有单向阀。储料桶1-3出口通过三通接头分别连接缸筒和输料管道，三通接头与输料管道之间安装有单向阀；输料管道连接至搅拌槽3-2。缸筒中安装有活塞1-5，活塞1-5外端连接有丝杠螺母副1-7；丝杠螺母副1-7另一端连接有输送步进电机1-9，输送步进电机1-9通过输送步进电机支架1-8固定在外框架1一侧。输送步进电机1-9通过丝杠螺母副1-7活塞1-5沿着缸筒左右移动。

储料输送机构利用两个单向阀的单向流通实现：活塞向右移动时，竖直单向阀开启，液体材料被吸入缸筒，水平单向阀关闭，防止输料管道内材料被吸回；活塞向左移动时，料桶内单向阀关闭，水平单向阀开启，液体材料流动通过输料管道，被压入搅拌槽。

上述实施例可以看出，本发明结构牢固可靠，模块化设计组装、维护方便；外框架可由铝合金型材构建，结构稳固、美观轻便，造价低；采用丝杠螺母副、直线导轨传动准确高效。

采用液压式的储料输送机构，通过安装在3d食品打印机下部的储料输送机构，将所需食品原料输送至搅拌槽进行搅拌；搅拌器挤压，通过安装在搅拌槽底端的喷嘴将具有流动性的食物原材料如面浆、鸡蛋液、巧克力、糖稀、冰激凌等挤出；作为成型平台的热床结构功能全面，可实现冷、热、常温多种环境下加工。打印时，热床可以更换，若打印巧克力、糖稀、冰激凌等低温成形的食物，可关闭热床，打开加热棒、制冷器。若打印面浆、鸡蛋液等高温成形的食物，可关闭加热棒、制冷器，打开热床。本发明在功能上有很大的拓展，满足现在消费者对多重口感的需求。

实施例二

在外框架1一侧设于控制器1-1，用于对各个步进电机，以及加热棒、制冷器进行控制；控制器1-1中包括wifi/蓝牙模块，可以保证在不受网络影响的情况下实现模型从移动端的正常输入，提高打印效率。控制器中加入并编程外加模块如：断电续打；断料检测；打完断电；故障报警；超负荷断电等功能，保证打印机工作的安全性和提高打印的效率。