3D打印保健食品成型设备设计及试验研究

摘要

在生活节奏紧凑的今天，较大的工作压力、有限的运动时间、严重的挑食现象等因素导致了很大一部分人身体处于营养不良或过剩的亚健康状态。而当今市场上的保健食品并不能满足每个人对营养的不同需求，人们迫切需要针对自身身体状况，定制个性化保健食品。3D食品打印技术自面市以来就因其鲜明的个性化特点而广受瞩目，因其可以满足不同人群的个性化食品定制需求，成为各国竞相研究的前沿技术。但是，该技术尚处于起步阶段，还有许多科学问题与技术难关尚未突破，为此，研究3D打印保健食品成型设备具有现实意义。
　　本文研究了3D打印保健食品成型机理，并设计了成型设备，开展了试验分析。对流场中的颗粒进行详细的受力分析，在理论分析的基础上，通过模块化设计方法对成型设备进行了结构设计，利用ANSYS Workbench对其进行了静动态分析，并研制了末端执行器样机，利用LMS测振仪对样机进行了振动模态实验，验证了仿真分析结果的可靠性。同时，对末端执行器进行电气控制系统设计，用C++语言设计了控制系统及人机互动界面。最后，通过黏度计、密度计、精密电子天平等测量仪器测试了七组原料的黏度、密度及挤出量等指标，完成了样机的精度试验，试验结果表明所设计的样机达到了精度要求。研究的具体内容与相应的结果如下:
　　(1)阐述了保健食品3D打印技术的基本概念，分析了保健食品3D打印技术的工作机理，研究了保健食品原料流场中颗粒的受力情况，探讨了保健食品原料流体控制技术，并确定了3D打印保健食品成型设备的工作原理。
　　(2)根据成型设备工作要求确定整体结构，利用模块化设计思想，将整机划分为末端执行器、机架与外壳三个模块分别进行具体化设计，利用Pro/e软件建立了三维模型，将每个模块分别装配后组装成整机。
　　(3)将模型导入ANSYS软件中进行静动态分析，仿真分析结果为:末端执行器的最大形变量与最大应力值分别为0.13mm和5.37Pa，机架的最大形变量与最大应力值分别为0.17mm与164.98MPa，仿真结果表明达到成型设备设计要求。在此基础上，用LMS测振仪对末端执行器样机进行了自由模态实验，并将实验结果与仿真结果进行了比较，得到其误差范围在12％以内，验证了有限元分析的可靠性。
　　(4)设计了末端执行器的电气控制系统，选用STM32单片机为控制板，用Microsoft Visual C++6.0软件编写程序，实现末端执行器运动功能，再利用串口上位机控制模块编写上位机界面，安装USB转串口的CH340驱动后，将信息传输口与电源输入口简化成一个USB插口。
　　(5)搭建3D打印保健食品成型设备挤出成型精度试验平台，用黏度计、密度计、精密电子天平等测量设备，测量了七组不同成分原料的黏度、密度及挤出量等指标，完成了样机的挤出成型精度试验，结果表明每种原料的实际挤出量相对误差均小于3％，低于卫生部门规定的误差标准，表明所设计的样机达到了挤出成型精度要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 3D打印食品技术国内外发展应用概况

1．3．1 课题研究目标

1．3．2 课题主要研究内容

第二章 工作机理分析

2．1 3D打印保健食品技术介绍

2．2 流体颗粒受力分析

2．3 圆管内液体流动模型

2．5 胶体颗粒的稳定与凝聚

2．6 流体原料输送控制技术

2．7 3D打印保健食品流体控制与分析

2．8 本章小结

第三章 总体结构设计

3．1 总体设计

3．1．1 总体设计要求

3．1．2 设备驱动与传动方式的选择

3．1．3 总体结构及工作过程

3．2 末端执行器模块设计

3．2．1 喷头尺寸确定

3．2．2 电机与丝杆型号选定

3．2．3 传感与连接

3．3 机架模块设计

3．3．1 机架电机与丝杆型号确定

3．3．2 连接与装配

3．4 外壳模块设计

3．4．1 各轴壳体设计

3．4．2 总体外壳设计

3．5 整机总体装配

3．6 本章小结

第四章 机械结构静、动态特性分析

4．1 机械结构静态特性分析介绍

4．1．1 机械结构静力学分析基础

4．1．2 有限元分析基础

4．2 试验台结构静态特性分析

4．2．1 末端执行器及机架静力分析设定

4．2．2 末端执行器及机架静力分析结果

4．3 实验平台动态特性仿真

4．3．1 动态模态特性仿真介绍

4．3．2 模态特性仿真结果

4．4 动态特性实验

4．4．1 实验部件与仪器

4．4．2 实验过程与结果

4．5 结果比较与分析

4．6 本章小结

第五章 末端执行器电气控制

5．1 3D打印保健食品成型装备控制结构

5．2．1 硬件工作流程

5．2．2 硬件选择

5．2．3 硬件连线图

5．3．1 程序流程

5．3．2 主程序控制编程

5．3．3 上位机界面编程

5．4 本章小结

第六章 出料精度试验及试验数据分析

6．1 试验用品与过程

6．2 试验数据及分析

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

附录

致谢