对称啮合双螺杆式3D食品打印机的研究

摘要

3D打印是新产业革命背景下的数字化制作标志之一，对人类生产制作方式产生深远影响，3D食品打印技术由于其设计自由、生产高效，艺术感强，可实现个性化订制等优点，成为一种新兴的3D打印技术。目前，相关研究机构基于注射泵式挤出方式，研发了多种3D食品打印机并取得一些成绩，但如何改善和开发新的挤出方式仍是研究的难题。本文针对上述问题展开深入研究，主要工作内容包括:
　　(1)通过对比分析单螺杆和双螺杆的类型、区别和优缺点，提出了一种新型对称啮合双螺杆挤出的3D食品打印技术。
　　(2)开发一种基于广西特色经济食材（木薯粉和玉米粉）的新型3D食品挤出喷头。该喷头设计包含双步进电机同步异向旋转驱动双螺杆的方案设计、同步带传动方案设计和对称双螺杆方案设计。
　　(3)基于ABAQUS有限元分析软件对部分挤出流道的流场进行应力及速率情况分析，为喷头挤出机构的设计提供依据。
　　(4)搭建并测试3D打印实验平台。首先研究食材相关特性，然后设计实验方案，通过改进控制程序，调整打印结果，最后得出本实验合理的打印参数并分析喷头挤出机构的运行结果。
　　研究结果表明该新型对称啮合双螺杆挤出的3D食品打印技术，可成功用于木薯粉和玉米粉等混合食材的打印，具备连续打印，挤出量大，体积小，运行平稳，可同时打印两种食材等优点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外3D食品打印机现状及潜在问题

1．2．1 国内外3D食品打印机现状

1．2．2 3D食品打印机潜在问题

1．3 本文3D食品打印机的创新点

1．4 论文的主要研究工作及章节安排

1．4．1 论文的主要研究工作

1．4．2 论文的结构安排

第二章 喷头挤出机构的设计与校核

2．1 喷头挤出机构的设计要求及参数

2．2 喷头挤出机构方案的确定

2．2．1 单螺杆挤出机和双螺杆挤出机的区别

2．2．2 双螺杆挤出机构的类型及区别

2．2．3 喷头挤出机构方案的最终确定

2．3 喷头挤出机构的设计与校核

2．3．1 电机选型

2．3．2 机械传动设计

2．3．3 螺杆挤出轴的设计

2．3．4 轴承选择与校核

2．3．5 螺筒的设计

2．4 本章小结

第三章 喷头挤出机构挤出通道的流场ABAQUS有限元分析

3．1 ABAQUS有限元软件简介

3．1．1 有限单元法的基本原理

3．1．2 ABAQUS介绍

3．2 基本模型的构建

3．2．1 基本假设

3．2．2 数学方程

3．3 ABAQUS有限元分析过程

3．3．1 ABAQUS挤出通道流场的物理模型

3．3．2 分析步

3．3．3 载荷与边界条件

3．3．4 单元网格划分

3．3．5 分析处理

3．4 应力和速度随距离与时间变化的分析

3．4．1 应力随时间变化的分析

3．4．2 应力随距离变化的分析

3．4．3 流场速率的变化分析

3．5 本章小结

第四章 实验测试与控制

4．1 打印实验所用软件

4．2 实验材料模型及特性

4．2．1 打印实验模型

4．2．2 物料特性

4．3 实验平台组装与调试

4．3．1 3D食品打印机所需模块和器件

4．3．2 打印的准备工作

4．3．3 装配后的整体平台

4．3．4 测试结果与分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢