摘 要

随着现代化工业的不断发展，现代制造技术越来越发达，制造方法也变得更加多样化。而3D打印机技术作为一种新型成型技术，受到了人们的广泛关注。3D 打印技术是集机电一体化、计算机和信息等技术一体的快速成型技术，而这项技术正在迅速发展着，在汽车、航空航天、医学方面、食品工业、建筑行业和土木工程等行业上都有所应用。本文以食品工业的巧克力3D打印为目标，研究了3D打印的成型方法和巧克力的3D成型技术，主要设计和实现了一个用于巧克力3D打印的连续进料装置，并进行了相关实验和分析工作。主要研究工作如下：

1. 针对3D打印技术了解了3D打印的相关历史，并且了解掌握了3D打印的多种成型技术。
2. 针对巧克力材料的多样性，选择了合适种类的巧克力来进行挤出，并且选了适于巧克力3D打印的成型方法，便于设计用于巧克力3D打印的连续进料装置。
3. 对巧克力3D打印的连续进料装置进行了结构设计，设计了进料漏斗、进料套筒、螺杆、喷头和固定支撑件等结构，其中主要设计螺杆的相关参数，并且对螺杆进行了强度校核。然后对喷头进行了温度场和流场的分析。
4. 将整个结构做出了实物，并进行了相关实验和分析。

为巧克力3D打印机提供一种连续进料的装置，为新型的巧克力打印机提供一种新思路。

关键词：3D打印，巧克力连续进料，螺杆，巧克力材料。

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Abstract

With the continuous development of modern industry, modern manufacturing technology become more and more developed, and manufacturing methods have become more diversified. As a new molding technology, 3D printer technology has been widespread concerned. 3D printing technology is a rapid molding technology, which is integrated of mechanical, electrical, computer and information. And this technology is rapidly developing, it has been applied to the automotive, aerospace, medical, food industry, construction industry and civil engineering and other industries. In this paper, we focus on the 3D printing of chocolate in the food industry, and study the 3D forming method and the 3D molding technology of chocolate. We mainly design a continuous feeding device for chocolate 3D printing and make it out, we also have carried out relevant experiments and analyzed the work. The main research work is as follows:

(1) According to 3D printing technology, I have understood the relevant history of 3D printing, and understood a variety of molding technology which used for 3D printing.

(2) For the diversities of chocolate materials, I select the appropriate type of chocolate which is able to be squeezed out, and select molding method which can be used for chocolate 3D printing. After doing these jobs, I can make it easy to design a continuous feeding device for chocolate 3D printing.

(3)I design the structure of the continuous feeding device which used for chocolate 3D printing. And I design the structure of the feed funnel, feed sleeve, screw, nozzle and fixed support. According all of these structures, I mainly design the parameters of the screw and check the intensity of the screw. Then I analyze the nozzle by temperature field and flow field.

(4)I make the whole structure, and carry out the relevant experiments and analysis.

What I do provides a continuous feeding device for chocolate 3D printers and provides a new idea for new chocolate printers.

Key words: 3D printing, Chocolate continuous feeding, Screw, The materials of chocolate.

目录

第1章 绪论 1

1.1 毕业设计任务与要求 1

1.2 设计目的意义 1

1.3 国内外研究现状及发展趋势 2

第2章 整体方案设计 6

2.1 设计方案一 6

2.2 设计方案二 7

2.3 方案的比较与选择 8

第3章 巧克力3D打印成型方法 9

3.1 3D打印技术的基本原理 9

3.2 巧克力材料的属性 11

3.2.1 巧克力材料的基本特性 11

3.2.2 巧克力材料的分类及选用 11

3.3 巧克力3D打印成型方法 12

第4章 巧克力连续进料装置结构设计 14

4.1 进料漏斗的设计 14

4.2 进料螺杆的设计 15

4.2.1 螺杆的材料选择 15

4.2.2 螺杆的类型选择 15

4.2.3 螺杆直径D和长径比L/D的确定 16

4.2.4 螺杆螺杆的分段 16

4.2.5 螺槽深度和压缩比的确定 17

4.2.6 其他相关参数的确定 17

4.2.7 挤出流量的计算 18

4.2.8 螺杆的强度计算6 19

4.2.9 螺杆的整体结构图 19

4.3 进料套筒的设计 20

4.4 打印喷头的结构设计 22

4.4.1 喷头的加热系统的设计 22

4.4.2 喷头的结构设计 22

4.5挤料装置的温度场分析 24

4.5.1 温度热传学理论 24

4.5.2 温度场分析 24

4.6挤料装置的流场分析 28

4.7 电机的选型及相关计算 31

4.8 固定结构的设计 33

4.8.1 固定套筒的结构设计 33

4.8.2 电机支撑架的结构设计 34

4.8.3 固定支撑板的结构设计 35

4.9 整体结构图 36

第5章 巧克力连续进料装置控制系统设计 37

5.1 控制系统流程图 37

5.2 控制系统基本构成 38

第6章 实验验证与分析 39

6.1 实验系统 39

6.2 实验系统 39

6.3 测试分析 40

第7章 结论与展望 42

7.1 总结 42

7.2 展望 42

参考文献 44

致谢 46

第1章 绪论

1.1 毕业设计任务与要求

针对巧克力材料，设计一种适于3D打印的巧克力连续进料装置。要求能够掌握巧克力属性和输送特性及其3D打印原理和打印机结构，并且要设计巧克力连续进料的原理方案及其装置，最后要分析巧克力连续进料装置的传输特性，主要是流场和温度场的特性。

1.2 设计目的意义

3D打印技术是快速成型技术的一种，这项技术以粉末状或条状块状的塑料或金属等可粘合的材料为原料，通过相关建模软件建立出数字化模型，通过逐层打印的方法来创建出物体^[1]。这项技术诞生于上世纪的80年代，是一项具有标志性的革命技术。这项技术由于在制造工艺方面有着独特的创新，因此3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要标志”，并被列为当前促进数字化制造发展的关键技术。作为一种新型技术，3D打印技术正在迅速发展着，并且让越来越多的人了解到了3D打印技术，而这项技术也越来越普及。在学术上3D打印技术又被称作“添加制造”技术，也被称作增量制造或增材制造技术。与传统的材料制造技术截然不同，3D打印技术是以三维模型为基础，通过不断输送材料来逐层打印的技术^[2]。而3D打印机根据制造规模及应用场所分为工业型和桌面型两种^[3]。工业上，3D打印机常在模具制造、产品设计等领域被用于制造相关模型，后逐渐用于直接制造相关产品，在建筑和建材行业、医疗行业、航空航天技术、汽车行业和土木工程等行业都有所应用。而另一种桌面型3D打印机则被市场广泛接受，因为其具有尺寸小、结构简单、易于操作等优点，更面向个性化产品的设计、定制，使得普通的民众拥有独立设计与制造简单产品的能力。由于社会关注度和投入资源的提升，3D打印技术将更加快速发展，整个产业将迎来更大的机遇和挑战以及更好的前景，而这项技术也将会广泛应用到各个行业。

民以食为家，食品在生活中占有着非常重要的地位，而食品行业现在正处于快速发展期间，但同时也存在着产量不足、利润低、缺乏自主研发技术等许多问题。作为一种新型的食品生产技术，3D食品打印技术具有生产简易、可制作的食品多样化、外形丰富、质量高等众多优点^[4]。3D食品打印技术可以通过使用者自身想法来改变食物外形样式，改变食物质量，满足使用者个性化的要求，使用者使用时可以得到乐趣，并且可以得到科学合理的饮食，同时使用者可以根据自身需要对食物原料进行配置，进行营养定制，从而满足各个人群的营养需求。并且由于3D打印技术不断发展和完善，以及越来越多的人群对3D食品打印的好奇与热爱，3D食品打印技术有望在人们生活中更加普及。而巧克力作为人们日常生活中常见的食品，由于巧克力口感很好，味道甜美，里面包含着丰富的营养，它慢慢成为了一种健康并且高贵的食品。而巧克力的打印就可以通过3D食品打印机来进行实现，使用者可以利用它进行制造、设计出个性化的巧克力食品，这使得巧克力的生产可以变得更加普及和常见，而3D食品打印将会成为一种常态。而现在3D食品打印处于发展阶段，相信在未来这项技术会得到更多发展和推广。

1.3 国内外研究现状及发展趋势

3D打印根据技术和打印材料的不同，3D打印可以分为很多类别，例如熔融沉积成型、电子束自由成型、光固化和选择性激光烧结等等^[5]。其发展史如下表格^[6]：