摘 要

本文主要针对传统活塞式巧克力浆体3D打印受环境温度影响较大，成型高度不理想以及3D打印连续进料的需求，根据材料特性，设计基于螺杆的固体巧克力连续进料机构，实现巧克力3D打印的进料控制，主要的研究内容如下：

（1）根据打印原料巧克力材料的基本物理特性、温度敏感性、其粘度随剪切速率变化等方面的特性，分析巧克力 3D 打印成型的原理。针对巧克力材料3D打印的工艺特性，研究保证巧克力三维成型质量的工艺条件，以确保巧克力在打印过程中可以实现连续的熔融挤出。

（2）在分析多种挤出机构的基础上，针对巧克力3D打印成型的工艺需求，设计巧克力3D打印机的整体结构，包括3D打印机机身，三轴运动结构以及基于螺杆的挤料机构，并对其完成三维建模，完成了巧克力3D打印机机械系统的设计。

（3）对巧克力3D打印机的主要支撑结构与移动结构进行静力学有限元分析，对连续挤出的进料螺杆机构进行温度场仿真分析，确保巧克力3D打印机的结构稳定性，以及巧克力连续挤出的可实现性。

（4）对设计的巧克力3D打印机进行调试组装，并进行巧克力连续挤料及模型打印实验，并分析打印中出现的问题，提出打印机修改与完善的方法建议。

综上，通过对巧克力3D打印工艺、成型条件的研究及巧克力3D打印机总体结构、螺杆挤料结构的设计，验证了巧克力3D打印连续挤料的可行性，得到了一种基于螺杆挤料的巧克力3D打印机设计方法，为后续巧克力3D打印机连续挤料提供了一种新的设计思路。

关键词：3D打印；巧克力3D打印机；螺杆挤出；巧克力材料

Abstract

This article mainly aims at the traditional piston chocolate paste 3D printing which is influenced by the ambient temperature, the forming height is not ideal and the 3D printing needs continuous feeding. According to the material characteristics, the solid chocolate continuous feeding mechanism based on screw is designed to achieve the feed control of the chocolate 3D printing. The main research contents are as follows:

(1) according to the characteristics of basic physical properties, temperature sensitivity and viscosity of printing raw materials, the principle of chocolate 3D printing is analyzed. In view of the technological characteristics of 3D printing of chocolate materials, the technological conditions to ensure the quality of chocolate's three dimensional molding are studied to ensure that chocolate can be continuously melted and extruded in printing process.

(2) on the basis of analyzing various extrusion mechanisms, aiming at the technological requirements of the chocolate 3D printing process, the overall structure of the 3D printer is designed, including the 3D printer fuselage, the three axis motion structure and the screw extruding mechanism, and the three-dimensional modeling is completed, and the design of the mechanical system of the chocolate 3D printer is completed.

(3) the static and finite element analysis of the main supporting structure and mobile structure of the chocolate 3D printer is carried out, and the temperature field simulation analysis of the continuous extruding feed screw mechanism is carried out to ensure the structural stability of the chocolate 3D printer and the realization of the continuous extrusion of the chocolate.

(4) debug and assemble the designed chocolate 3D printer, carry out continuous extrusion and model printing experiments on chocolate, analyze the problems in printing, and put forward methods and suggestions for printer modification and improvement.

In summary, through the study of the chocolate 3D printing process, the forming conditions, the overall structure of the chocolate 3D printer and the design of the screw extruding structure, the feasibility of continuous extrusion of 3D 3D printing is verified. A design method of the chocolate 3D printer based on screw extrusion is obtained, which provides a new design idea for continuous chocolate 3D printer continuous extrusion..

Key Words：3D printing; Chocolate 3D printer; Screw extrusion; Chocolate material

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 设计任务及要求 1

1.2 研究背景、目的及意义 1

1.3 巧克力3D打印技术的国内外研究现状分析 2

1.4 论文研究内容和全文组织结构 3

第2章 巧克力3D打印成型原理与方法研究 5

2.1 3D打印技术基本原理 5

2.2 巧克力材料的基本特性 6

2.3 巧克力3D打印成型原理 6

2.4 巧克力3D打印成型的技术方法研究 7

2.5 本章小结 8

第3章 巧克力3D打印机机械及螺杆挤出结构设计 9

3.1 引言 9

3.2 巧克力3D打印机挤出结构分析 9

3.2.1 活塞型 9

3.2.2 气压型 10

3.2.3 螺杆型 11

3.3 巧克力3D打印机总体结构 11

3.3.1 巧克力 3D打印机机身结构 12

3.3.2 XYZ三轴移动结构 13

3.3.3 XOY平面复合移动结构 14

3.3.4 Z轴移动结构 16

3.4 螺杆挤料结构设计 18

3.4.1螺杆结构设计 19

3.4.2 挤出结构设计 24

3.5 打印平台设计 24

3.6 本章小结 25

第4章 巧克力3D打印机关键零部件分析 26

4.1 有限元法与分析软件 26

4.2 关键结构的静应力核验 26

4.2.1 X方向滑动结构 26

4.2.2 Y方向滑动结构 28

4.2.3 打印底板支撑板 29

4.2.4 螺杆挤出结构 31

4.3 螺杆挤料机构温度场有限元分析 34

4.4 本章小结 36

第5章 巧克力3D打印机实验测试与分析 37

5.1 实验准备 37

5.2巧克力3D打印机连续挤料的实现与分析 38

5.3 本章小结 43

第6章 总结与展望 44

6.1 全文总结 44

6.2 未来展望 44

参考文献 46

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 设计任务及要求

本次毕业设计的任务主要是针对传统巧克力浆体3D打印对温度敏感性的不足以及3D打印连续进料的需求，根据材料特性，设计基于螺杆的固体巧克力连续进料机构，能够与控制系统配合，实验巧克力3D打印的精确进料控制，并进行3D打印测试。主要设计任务及要求如下：

（1）调研收集并分析相关资料，了解巧克力3D打印机的机械结构、工作原理、打印过程；分析巧克力的材料特性，设计连续进料装置的工作过程；

（2）结合目前已有的巧克力3D打印机的进料结构进行分析，分析螺杆的挤出原理，设计螺杆、螺杆挤出机构，以及与巧克力3D打印机整体结构、控制系统的配合装置；

（3）对设计的巧克力3D打印机进行实验，机械结构与控制系统相配合，进行巧克力3D打印的进料测试，能够打印基础模型。

1.2 研究背景、目的及意义

3D 打印技术（3D printing）诞生于20世纪 80 年代，是一项革命性的标志新技术，目前正处于蓬勃发展时期^[1]。3D打印技术是集机电一体化、计算机和信息等技术于一体的快速成型技术，被誉为“具有工业革命意义的制造技术”，是制造领域中正迅猛发展的一项新兴技术，作为第三次工业革命的重要标志之一^[2]。3D打印相对于传统的机加工也就是减材制造技术而言，在零件制造的速度，复杂程度以及环保程度上都有着无可比拟的优势，3D打印技术目前来说已经发现在医疗，食品，航天航空多个高端制造领域的潜在运用能力十分巨大。

由于目前社会经济的提高，人民的消费程度也在不断进步。越来越多的人不再满足于保证日常的温饱，开始注重食品的营养结构与样式的多样性等方面。而且随着人们精神生活的丰富，越来越多的人开始谋求个性化的生活。而3D打印技术作为新兴的一种食品加工技术，得到了普遍的运用。其具备高效率，生产简单，产品质量高，能够满足用户个性打印等优点，应该大力发展。巧克力3D打印作为食品3D打印的一种标志性技术，改变原料的配比，可以打印不同口味的巧克力，可以满足大部分用户的要求，但是，相对于其余的3D打印技术而言，巧克力3D打印仍旧有一些问题需要解决：

（1）巧克力是一种对温度十分敏感的材料，熔融的巧克力的粘度会随着温度及剪切速率的变化而变化。巧克力材料在温度越高时，其流动性越强，粘度越小，这导致了挤出的巧克力无法快速凝固成型。但并不是打印温度越低越好，巧克力材料在温度越低的时候，它的流动性就越差，粘度越大，甚至会凝固，这会导致巧克力在打印时无法顺利的挤出。所以，需要找到一个最合适的加热温度，此时的熔融巧克力材料具有最佳的粘度及较好的流动性。

（2）当熔融的巧克力材料从喷头挤出到打印底板上之后，巧克力材料的表层需要在较短的时间内固化。因为只有半固态的巧克力才有足够的硬度来支撑上层的巧克力继续堆积，若下层的巧克力没有凝固到足以支撑上层巧克力的重量，则打印的模型必然会坍塌。现有的一些巧克力3D打印机，因为无法解决巧克力快速凝固的问题，对于打印的层高有的较大的限制，无法打印高度较高的模型。

（3）现有的大部分巧克力打印机都采用了活塞式挤料，这样的挤料方式虽然可以实现巧克力材料的挤出，但是当活塞内部的巧克力材料用尽后，就无法继续打印，必须要停止打印，重新填料，这样可能导致模型打印的失败。

基于以上问题，本文研究了巧克力材料打印时的成型原理及条件，设计了基于螺杆结构的巧克力打印连续进料机构。为巧克力3D打印机连续挤料提供了一种新的设计办法。

1.3 巧克力3D打印技术的国内外研究现状分析

近年来，随着3D打印技术的不断进步，其可以的领域也不断增多，其中的一个新兴邻域就是食品3D打印技术。从21世纪开始，通过近20年的发展，食品3D打印技术已经有了很多新的研究成果，并且这些研究成果正在不断的转化为相应的设备，造福人类。随着人类社会的不断进步，科学技术的不停地提高，食品3D打印技术能够打印的食材品种也会越加丰富。

就巧克力3D打印技术来说，在国外，2012 年世界首款商业化巧克力3D 打印机 Choc Creator（如图1-1） 由英国埃克塞特大学分拆出来的 Choc Edge 公司研制推出，该巧克力 3D 打印机采用的是“针筒注射式”的方式进行挤出，使用巧克力浆料为打印材料，一层一层的将三维模型层层堆积出料，直至整个巧克力实体^[3]。该公司于2014年在中国召开的世界3D打印技术行业会议展上推出了该系列的第二代产品Choc Creator V2，虽然第二代产品的打印精度得到了很大的提高，但是，仍有很多缺陷限制着它的推广，例如高昂的价位，略低的打印成型速度，较少的原料储存量等。在2015年一月，美国3D Systems（3DS）公司与好时（Hershey）食品公司合作研发了新型巧克力3D打印机CocoJet^[3]（如图1-2），该款巧克力3D打印机大大提升了巧克力的打印速度，并且该款巧克力3D打印机对于巧克力材料的温度控制十分精准，可以快速冷却熔融的巧克力浆体，方便巧克力材料的打印成型但是没有解决打印颜色单一的问题^[4]。

在国内，巧克力3D打印技术也没有落下脚步，2013年，从英国回到中国的郝亮先生和他的妻子郑艳君创立了武汉巧意科技有限公司，同年5月该公司在武汉光谷发布了全球最新款 3D 巧克力打印机-ChocCreator2.0^[5]。2014年2月郑州乐彩科技股份有限公司推出一种巧克力 3D 打印机，此款打印机的特殊之处是将恒温加热设备设计为圆管状并套设在巧克力容器的外表面，可使巧克力容器的外表面每个部分都能受热，即确保巧克力材料受热均匀，使巧克力溶液粘稠度保持稳定，从而提高打印品质^[6]。2015 年5月华东理工大学开发出一款巧克力3D打印机，这台巧克力 3D 打印机附带了一套冷却系统，其冷却原理为在3D 打印机的底板上连接水冷设施，当熔融的巧克力附着在打印机底板上时，下方温度较低的水会增加熔融巧克力的散热，从而达到巧克力快速凝固成型目的。此款打印机因冷水装置等条件的影响，受到较大限制^[7]。2016 年7月，北京沃夫森科技有限责任公司发布生产的Wolfson-C1 巧克力打印机，该打印机采用了“活塞注射式”挤料层层堆积，针对的是超细线状平面打印，打印喷嘴最小可以为 0.3mm，打印精度高，该款打印机的特色为人物细节打印，辨识度高，打印效果好，但没有考虑立体打印模型高度受限的问题^[8]。

通过对比国内外巧克力3D打印技术的现状，都获得了一定的成绩，但仍有很多方面的问题限制着巧克力3D打印技术的进步，例如巧克力食材体积较大，不方便存储，无法打印较大体积的模型，还有就是打印层高的问题，熔融的巧克力需要短时间内硬化才能保证在打印高度较大的模型时候不发生坍塌。而现有的巧克力打印机多数都无法完成立体三维打印，其次还有打印速度的问题，由于巧克力的材料特性，无法快速的连续挤出，这就导致巧克力3D打印的耗时较多。从以上的分析可以看出，巧克力3D打印相对于其他的3D打印技术还有很多地方需要进一步的创新与研究。

1.4 论文研究内容和全文组织结构

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