本發明涉及用于食品加工的廚具領域，具體地指一種對谷物或面粉等原料進行擠壓膨化，并三維打印成型或簡易繞線成型的設備。

背景技術：
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擠壓式膨化是借助擠壓機螺桿的推動力，將物料向前擠壓，物料受到混合、攪拌和摩擦以及高剪切力作用而獲得和積累能量達到高溫高壓，并使物料膨化的過程。工業生產的擠壓膨化食品市場非常大，然而在廚具市場，膨化機限于微波加熱粒小的硬殼爆裂玉米。工業擠壓膨化機巨大的體積和功率，極強的專業性導致不適合家庭和餐飲業推廣。工業生產膨化食品時的強塑性也沒有合理利用，產品造型單一，僅限片狀或棍狀。

熔融沉積成型(FDM：“Fused Deposition Modeling”的縮寫)3D打印機是新近興起的技術，就是利用高溫將材料融化成液態，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。現有食品3D打印機亦使用FDM技術，多使用奶油、巧克力、面糊、糖果、醬料等易熔物或膏狀物為原料，成型食品較小。

技術實現要素：
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提出一種全新的“擠壓膨化成型”3D打印技術：螺桿擠壓機完成物料的混合、磨粉、加溫、加壓、熔融、熟化，物料通過出料模膨化成線形，再一層層堆積成型，完成立體模型的打印。以此技術為基礎，為家庭及餐飲業設計一種易用的小型擠壓膨化機，并提供自由的3D打印功能，本發明提出一種對谷物或面粉等原料進行擠壓膨化，并三維打印成型或簡易繞線成型的設備。

根據本發明的一種擠壓膨化成型3D打印機，原料使用谷物(大米、小米、黃米等)、碎碴(玉米碴)、各種面粉等淀粉含量50％以上的物料；可以添加各種調料；初級物料預粉碎加工處理，使物料的平均粒徑小于2mm；螺桿螺套用長徑比10：1～20：1的單螺桿或雙螺桿擠壓膨化機，螺桿與螺套的間隙約為0.5～1mm，不同的原料可以更換不同的螺桿以獲得更好的磨粉擠壓膨化效果；由于螺桿螺套的間隙逐漸減小，螺桿帶動原料進行磨粉、加溫、加壓，產生約3個大氣壓的壓強，130℃的高溫，物料中淀粉的物理和化學性質都發生改變，淀粉α化，成為可塑形的粘糊狀；原料從噴嘴小孔擠出瞬間，壓強驟降為0.1MPa，物料中的水分瞬間汽化，使得物料中的凝膠淀粉膨化，形成充滿無數微孔的海綿體，物料膨化為線型。

計算機三維建模，一般使用STL文件格式，例如動物模型、人物模型；專用的切片軟件將STL模型文件轉為針對本機優化的G-code代碼；電腦通過USB線、Wi-Fi無線連接主控，或者手機、PAD通過藍牙、Wi-Fi連接主控，或者主控直接讀取U盤、SD卡上的G-code代碼；主控按照G-code代碼控制底部XYZ三自由度滑臺(亦可采用極坐標滑臺)將線狀膨化食品逐層逐層打印成型為各種三維造型的膨化食品。

例如：可以打印一個“招財豬存錢罐”造型的膨化食品。當然3D打印也包含單層2D打印，比如打印一個大幅面可食用地圖。

在不需要三維打印時，也可以換下3D打印模塊，換上簡易的麻花模塊或核桃模塊應對日常食用。麻花模塊是通過圓周運動的阻力圈使線狀膨化食品纏繞成螺旋狀，再切割成指定的長度。核桃模塊通過凸輪控制球形膨化模具做復雜的震動，使線狀膨化食品纏繞成核桃狀，之后打開模具并切割，并重新合上模具。

附圖說明：

參照說明書以示例的方式描述的實施方式以及參照所述附圖,本發明的這些及其他方面將變得顯而易見,并且將被進一步說明,在所述附圖中:

圖1所示為根據本發明的膨化3D打印機框架示意圖；

圖2所示為根據本發明的膨化3D打印機結構示意圖；

圖3所示為膨化主機的結構示意圖；

圖4所示為打印平臺的三軸滑臺前視結構示意圖；

圖5所示為打印平臺的三軸滑臺側視結構示意圖；

圖6所示為打印底板的側視結構示意圖；

圖7所示為打印底板的前視結構示意圖；

圖8所示為噴頭的不同噴口示意圖；

圖9所示為麻花模塊結構示意圖；

圖10所示為3D打印效果圖；

圖11所示為麻花效果圖；

具體實施方式：

以下實施例進一步說明本發明的內容，但不應理解為對本發明的限制。

根據本發明的膨化3D打印機框架示意圖參見附圖1所示。分為膨化主機模塊與成型模塊，成型模塊有專業的3D打印模塊，及簡易的麻花模塊和核桃模塊，亦可開發更多成型模塊，隨意更換使用。膨化主機的控制面板通過變頻器控制電機轉速，經減速后驅動螺桿旋轉工作；通過讀取變頻器功率、溫度及轉速等反饋參數，優化轉速控制，并協調周邊的送料電機及水冷或預熱器工作。膨化主機帶有動力和電力輸出接口給成型模塊，并帶有通訊接口可以外部控制控制面板工作。

3D打印模塊的主控可以直接讀取U盤及SD卡中的G-code代碼，亦可讓手機、平板電腦通過藍牙及Wi-Fi控制，或者電腦通過USB線或無線控制。3D打印主控按照G-code代碼驅動膨化控制面板控制動力電機工作，并可讀取電機轉速、噴頭溫度優化打印效果，其控制三軸滑臺按指令運動，最終打印出成型的膨化食品。其他周邊包括：用于顯示工作狀態的屏幕，用于簡單控制的面板，用于散熱的風扇。

膨化主機控制面板程序含有如下功能：

1、膨化腔免清洗關機程序：停機時，控制面板先關閉螺旋喂料器(306)并繼續旋轉擠壓螺桿，直到內部物料大半擠出，噴頭不再出料，變頻器功率趨于最低；然后立即反向旋轉擠壓螺桿，關閉加熱器，全力水冷，并逐漸降低螺桿轉速，將物料帶離噴嘴位置，消除高壓，直到物料從反向卸壓出口(208，309)冷卻排出，便于再次開機或拆卸。此時，只有噴嘴剩余一點點物料，螺桿旋轉只有很小的阻力。

2、膨化腔免清洗開機程序：開機時，電機從最低轉速緩慢啟動，并逐漸加入少量物料，監測變頻器功率不超標，低溫狀態下物料阻力較大，表現為輸入功率高，直到噴頭溫度100℃后，再加料。關機時噴嘴剩余一點點固化物料，新加入的物料擠壓帶來的高溫和高壓自然軟化噴嘴處的物料，再次正常出料。也可以通過給預熱器通電來提高噴頭溫度，疏通關機剩余的物料，事實上擠壓加熱更快，更容易控制。溫度升高后，膨化主機正常工作，功率也降低。

3、定時定量的自動膨化模式：以上全智能的開關機程序，使得設備可以脫離使用人員監控，設置好需要膨化的時間或想要膨化食品的質量，即可完全自主膨化，并自動待機。

4、異常斷電后開機：當膨化主機非正常停機時，由于膨化腔內充滿高溫高壓物料，除非立即拆卸清理，否則冷卻凝固的物料將導致螺桿螺套堵塞，無法開機甚至無法拆卸；通過增加預熱器，在控制面板判斷為異常斷電時，再次開機，預熱器先對螺桿螺套高溫加熱10分鐘，軟化物料，再給變頻器通電，扭矩從低到高緩慢增加并隨時監測電機阻力。

5、對接3D打印主控功能：3D打印主控可以驅動膨化控制面板控制動力電機工作。

根據本發明的膨化3D打印機結構示意圖參見附圖2所示。其主要包括：原料(202)，可以是谷物、碎碴、面粉等淀粉含量50％以上的物料；料斗(201)，用于裝入物料；

擠壓螺桿(209)，螺桿和螺套是膨化主機的主要部件，用于粉碎、混合、揉搓、擠壓物料，通過高溫高壓使物料中的淀粉糊化，本例的擠壓螺桿螺套擁有更細的直徑，例如12～30mm。更細的螺桿直徑對應更低的阻力，可以顯著降低膨化機功率，滿足家用和廚具業的低功率要求。螺桿螺套可更換，為不同的原料特制不同的螺桿螺套，提供更好的粉碎、輸送、擠壓效果。在使用谷物原料時，較長的螺桿可以增加磨粉效果；然而使用面粉時，并不需要很強的粉碎功能，可以將螺桿螺套加工為較短較粗的結構，螺紋也不需要太多；噴嘴(210)，讓物料膨化為線形，是物料通過膨化主機的最后部件，對膨化物形狀、質地、密度、出料速度有很大影響。所用材料要求耐磨，耐高溫高壓，一般采用鉻鋼。噴口有小斜度的突起，以降低3D打印時的摩擦。噴頭前可以添加預調底板，提高出料穩定性。噴頭結構亦可采用圓錐形模孔，它可以降低腔內壓力要求，模孔內壓力無突變，生產出來的產品表面光滑，同時無死角，不易產生堵塞。噴頭可以增加溫控電熱，控制溫度在140攝氏度；打印底板(206)，用來承托打印成型的食品(205)；三軸滑臺(214)，可以帶動打印底板在XYZ三軸方向按代碼要求運動。或圓周運動的阻力圈(211)將線形膨化物纏繞，切刀(212)切割后，做成簡單的麻花(213)。

其他還包括：水冷塊(203)，用于冷卻螺桿前半段，避免過熱情況下摩擦力下降導致噴口處壓力下降；加熱塊(204)，如果出現異常斷電停機，由于主機沒有執行卸壓程序，螺桿會被物料堵塞，再開機時，應先由加熱塊高溫預熱螺桿10分鐘，疏通膨化腔；反向卸壓出口(208)，用戶停機后，螺桿先正向旋轉到不再出料，再反向旋轉，物料會到達卸壓出口排出；密封壓蓋(207)，類似水泵的密封結構，通過彈簧將密封壓蓋壓到螺套法蘭上，保證反向卸壓旋轉時原料不會進入軸承。

根據本發明的一種簡易膨化主機結構示意圖，參見附圖3所示，包括：電動機(301)，用于擠壓螺桿主動力；編碼器(302)，用于測轉速；減速機(303)，用于將較快的電機轉速降低至主軸轉速，提高扭矩；篩網(304)，用于過濾掉不適合膨化的大粒物料，避免堵塞；料斗(305)，用于裝入物料；螺旋喂料器(306)，用于混合及輸送物料，通過旋轉使得物料均勻進入擠壓螺桿，控制面板可以精確控制其轉速。剛開機時的進料速度根據電機阻力及噴頭溫度緩慢增加；穩定工作后，進料的穩定可以保證膨化室壓力穩定，從而得到穩定的膨化出料速度；雙向推力角接觸球軸承(307)，軸承箱的主要部件有軸承箱體、主軸、軸承、密封、端蓋。軸承使用雙向推力角接觸球軸承，提供足夠的軸向壓力；密封橡膠(308)，用于防止停機反向卸壓時，物料進入軸承；

反向卸壓出口(309)，用于關機時，螺桿反向旋轉，將膨化腔內的物料排出，避免再次開機時阻力過大。物料是經過壓縮熔融冷卻成塊狀的物料，在進料口后面開單獨的反向卸壓出口可以更好的排空螺桿螺套。排出的物料并非廢物，可以重新粉碎使用。在物料入口和反向卸壓出口臨近時，最好增加出口閘門，正常工作是關閉，反向卸壓時打開，避免物料浪費；

擠壓螺桿螺套(310)，使用高強度高耐磨的440c不銹鋼制作，螺桿可以是同徑的，最好是錐形的，在軸承端是更粗的直徑，不僅可以增加機械強度，還可以增加物料兼容性。螺套內表面可以是光滑的，也可以刻有部分或全部反向螺紋，加大物料摩擦從而加大膨化腔壓力；

水冷塊(311)；異常斷電預熱器(312)；預調底板(313)，用于減緩物料速度，均勻物料流速；噴頭(314)；溫度傳感器(315)，用于測量噴頭的工作溫度，工作中噴頭外表面溫度大約110攝氏度；未塑形的線形膨化料(316)。

根據本發明的一個膨化主機實施例，主要參數如下：

螺桿直徑：16mm-12mm

螺桿長徑比：15：1(壓縮段占12：1，反向卸壓口占3：1)

噴口直徑：1mm

正常輸入轉速：2800RPM

最低輸入轉速：280RPM

正常輸出轉速：280RPM

最低輸出轉速：28RPM

減速傳動比：10：1

輸出功率：400～800W(正常工作狀態400W)

膨化物粗細：3～5mm

實測膨化物出料速度：60mm/s～80mm/s

按照上訴要求配置的電機為1.1kW兩級變頻電機。

上面所訴膨化主機實施例對原料膨化的一些總結：

原料膨化特性：

玉米碴、小米：最佳原料，香味濃郁，熟化度高，膨化率高；

大米：12mm的螺桿對大米粉碎效果一般，需要預粉碎，或換更粗的螺桿；

綠豆：皮較難磨碎，最好開啟輔助加熱，溫度和膨化速度難掌握。但膨化熟化好了，非常好吃。

調料特性：

適量白糖或紅糖，膨化率略微降低，粘度增高，適合3D打印時添加；

適量方便面調料：簡單塑形的完美調料。但高鹽導致粘度低，不適合3D打印；

適量芥末：可以增加芥末口味，但高溫破壞很嚴重，辛辣味消失，不再嗆鼻；

適量食鹽：對膨化率和膨化速度沒什么影響，最好預先粉碎，避免咸味集中；

辣椒等纖維素高的調料：適量時正常工作，過量的辣椒會導致摩擦增大，出料變慢，過熱等問題。

切片軟件主要設置參數：

層厚：膨化物料直徑的50％左右，本例設為2.6mm，過大會造成飛線，過小會壓潰打印物；

第一層厚度：按照硬件配置更改，本例設為0.6mm；

擠出寬度：按照實際測試結果更改，本例設為5mm；

打印速度：約為出料速度的60％，速度慢些膨化寬度大，粘的更牢，但膨化率會降低；

拐角速度：約為出料速度的40％，開啟風扇急冷；

搭橋速度：速度為出料速度的105％，開啟風扇急冷；

“擠壓膨化成型”3D打印機特殊注意事項：

1、準備階段，三軸歸零，噴嘴對完錨點后，將Z軸滑臺調到Z＝30mm處，前期廢料自然垂下不會堆積。

2、溫度高時打印效果更好，所以關掉水冷甚至清空水冷，開機后穩定膨化一段時間再打印。

3、現有分層軟件不能滿足“擠壓膨化成型”3D打印技術的特殊性，需要開發新的分層軟件。

3、膨化物擠出速度與螺桿轉速成正比，為了實現3D打印中的跳線要求，可以關閉主電機，并通過全力加熱維持物料的熔融。由于膨化主機的特殊性，應該少停最好不停機。

4、傾斜角過大時需要支撐結構：支撐結構直接用膨化物料即可，例如生成距離主體結構2mm的支撐材料，并盡量減少主體結構與支撐結構間的實線連接。

5、打印大轉折時，正常的速度容易造成收縮粘不牢并卷起，可以多走3mm以便回縮，并暫停0.2秒以便膨化物冷卻固化粘牢下層，此時開啟風扇急冷。

6、膨化擴棱(圖8)，在打印模型斜度過大處時，在切片軟件中，將坐標向有支撐處偏移，并降低打印速度，通過更寬的膨化物來實現更大的斜度，此時開啟風扇急冷。

“擠壓膨化成型”3D打印技術的特點：

1、原料成本極低，范圍廣，廢料可簡易粉碎重新使用；

2、適合大中型模型，小型簡易模型，不適合小型精致的食品；

3、成型件的表面有較明顯的條紋，后期可以涂布奶油等消除表面的條紋；

4、成型食品很脆；

5、使用維護簡單，成本中等，系統復雜度中等；

打印平臺三軸滑臺的結構參見附圖4與附圖5所示。本發明的3D打印平臺可以平行地面或90度豎立：平放可以得到更大體積的打印結果，但較重的膨化主機頂置會增加穩定性要求、清理膨化主機也不方便；豎立放置方便膨化主機的清洗、結構更穩定，但會增加固定打印物的難度。本例采用豎立方式，即Z軸平行于地面。X軸和Y軸采用高速的皮帶或絲桿傳動，Z軸采用絲桿傳動。其中：打印底板(401)，用來承托打印成型的食品(410)；Y軸滑臺(402)；Y軸步進電機(403)；X軸絲桿(404)；X軸導軌(405)；X軸步進電機(406)；側面立柱(407)；Z軸臺面(408)；底板(409)。

特殊設計的打印底板的結構參見附圖6與附圖7所示。簡單的打印底板可以使用一定厚度(1mm即可)和彈性的食品級雙面膠固定成型膨化食品，然而存在雙面膠不易清理、成型食品不易取下的問題。特殊設計的打印底板(603)上刻有窄口的環形凹槽(605)，打印時，先在Z＝0略高的平面沿著預設路徑(609)在凹槽內膨化出用于支撐打印物(601)的底層。底板應該方便拆卸清洗。彈簧(606)不僅可以調平打印底板(603)，還可以提供一定的彈性，適當的彈性能夠給噴頭和膨化食品一定的緩沖，避免打印失敗。其他還包括：平機頭螺釘(602)，支撐底板(604)，手擰螺母(607)，滑塊(608)。

參見附圖8所示，在根據本發明的擠壓膨化3D打印機中，出料模有0.5～1.5mm的圓形孔(801)、一字孔(802)、十字孔(803)、雙孔(804)，其主要用于使物料按設計要求膨化成型。同時，開孔面積限制出料速度，從而影響膨化率。

噴頭(805)正面并不是平的，噴嘴略微突起，與外圍有一個小角度α。打印時，物料從噴嘴出來后，向下向四面膨化，形成扁平的打印線條(806)。在打印單壁模型時，垂直截面或傾斜角β比較小時可以很好的粘合；打印模型傾斜角β為45°左右時，底部虛支撐會造成的打印飛線問題。在切片軟件中，斜度過大處，將坐標向有支撐處偏移，并降低打印速度，通過更寬的膨化物來實現更大的斜度。此時需要風扇進行急冷，固化膨化物。當傾斜角β大于60°時，需要在模型中添加支撐結構。

參見附圖9所示，麻花模塊中，包括：驅動電機(901)，用于提供動力，這里可以直接使用膨化主機提供的動力輸出，節省電動機，轉速用出料速度除以阻力圈內壁周長獲得；電機帶動偏心輪(902)旋轉，通過連接桿(903)，驅動阻力圈(906)在噴頭(905)上做圓周運動，膨化物自然纏繞成麻花型；支撐環(904)，用于約束連接桿(903)；彈性壓簧(907)，向內收縮，用于提供阻力迫使膨化物成型；切刀(908)，其由電機驅動，根據需要將成型的膨化食品分段。最終得到成型的膨化食品(909)。

參見附圖10所示，根據本發明的擠壓膨化3D打印機，打印單層旋轉心型花瓶。

參見附圖11所示，根據本發明的擠壓膨化3D打印機，使用麻花模塊做出的麻花效果圖。

另外，除以上所清楚表述的內容外，本發明的膨化3D打印機還包括那些一般情況下對于實現一定功能所應包含的部件和組成，其對于本領域技術人員是能夠理解和實現的。

雖然已經在附圖和前述描述中詳細示出和描述本發明，但是這些圖示和描述被認為是說明性的或者典型的而非限制性的；本發明不限于所公開的實施例。在實踐所要求保護的本發明過程中，本領域技術人員通過研究附圖、公開內容和所附權利要求可以理解并實現對所公開的實施例進行的其他改變。在權利要求中，單詞“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中敘述某些方法的僅有事實不表示不能有利地使用這些方法的組合。權利要求中的任何附圖標記不應當被解釋為限制范圍。