巧克力3d打印机的研制开发
摘 要3D打印是一种快速成型技术，被称为“万能制造机”，目前该技术已被广泛应用于各个领域，特别是食品领域，3D打印机试探性的被应用在甜点打印上，其中主要以巧克力3D打印机为代表，被誉为21世纪最甜蜜的技术发明。本系统基于3D打印技术，实现对巧克力的个性化打印。本系统基于FDM技术的DIY3D打印机上进行改装，通过对巧克力材料物理性质的研究，重新开发设计了一套用于巧克力打印的3D打印机系统。本巧克力3D打印系统主要通过两个部分设计实现，分别是硬件设计部分及软件设计部分。硬件部分主要通过对机械结构的部分改装以及电路控制部分的设计，新增了加热模块及冷却模块，解决了打印过程中遇到的喷头堵塞和模型坍塌等问题。软件部分通过对切片参数的不断调试，找出影响打印的几个重要参数，经过不断的实验测试，最终得出一套打印比较稳定的巧克力切片参数。本系统硬件控制部分基于Arduino电路板进行设计，软件部分主要是理解Cura的切片过程，实现Cura的切片算法。最后本巧克力3D打印系统实现基于FDM3D打印原理技术的巧克力3D打印，实现了巧克力的个性化定制制作，并且实现了简单的操作设计。本系统采用模块化的设计与开发，具有很好的可维护性和可扩展性。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 课题目的与意义 1
1.2 3D打印发展现状及趋势 2
1.2.1 3D打印的概念 2
1.2.2 3D打印原理 2
1.2.3 切片引擎概述 5
1.2.4 3D打印的发展趋势 6
1.3 国内外巧克力3D打印机发展及趋势 7
1.4 研究工作及主要内容 7
第二章 巧克力3D打印机系统构成 10
2.1 系统总体架构设计 10
2.2 具体功能需求分析 10
2.3 巧克力3D打印机系统方案设计 12
2.3.1 温度控制设计 12
2.3.2 XYZ三方向控制电机设计 12
2.3.3 切片设计 12
2.4 巧克力3D打印机系统开发流程 13
第三章 系统
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
硬件设计与实现 15
3.1 系统机械结构的设计与实现 15
3.1.1 系统机械结构的整体框架选择与设计 15
3.1.2 系统喷头模块机械结构设计 16
3.2 系统电路开发与设计 17
3.2.1 主控板Melzi设计与实现 18
3.2.2 电机的选择 19
3.2.3 传感器的使用设计 20
3.4 本章小结 21
第四章 系统软件设计与实现 22
4.1 RepetierHOST概述 22
4.1.1 软件环境配置 22
4.1.2 各子界面功能设计 25
4.2 模型切片设计与实现 28
4.2.1 主流几款切片引擎 29
4.2.2 重要切片参数 30
4.2.3 切片参数测试与设计 31
4.2.4 部分代码实现 32
4.3 本章小结 36
第五章 项目实验效果与分析 37
5.1 项目测试效果 37
5.2 项目结果分析 39
第六章 总结与展望 41
6.1 工作总结 41
6.2 研究展望 41
参考文献 43
附录1 实物附图 45
附录2 攻读学士学位期间主要实践创新工作与成果 47
致 谢 48
第一章 绪论
1.1 课题目的与意义
近几年来，随着3D打印技术的飞速发展，人们对3D打印也越来越关注[1]。作为先进的数字模型文件为基础的快速成形技术，3D打印可以在短时间内“打印”出用户可定制的数字模型产品，但目前3D打印还未到完全普及的情况，要想购买一台3D打印机，其成本还是相对较高，该技术已经被应用于航空航天、生物医学、工业设计等研究领域。随着3D打印技术的不断推广和提升，3D打印从最开始的概念形式的发展也逐渐的在市场中占有了一定的比重。另一方面，开源硬件技术的推动使得长时间被作为概念性产品提出的3D打印机在家用和商用领域开始得到了实际的应用。这使得3D打印技术的发展达到了一个新的高峰。2013年6月，习近平在武汉东湖高新区进行考察时，就3D打印技术的研发和应用，对企业嘱咐道：这个技术很重要，要抓紧产业化。2015年2月，中国工业和信息化部印发了《国家增材制造产业发展推进计划（20152016）》的通知。随着3D打印机研究的进一步推进，巧克力3D打印也有了一定的发展，目前在市场上也有了小范围的应用。
3D打印技术的不断发展使得整体技术成本不断下降，不少的厂商将目光聚焦到了零件和硬件设备的3D打印上。相比而言，以食材为原料的3D打印还相对少见。另一方面，由于其较高的技术难度和生产成本，手工定制的巧克力在市场上价格始终居高难下。出于降低定制巧克力成本的考虑，3D打印技术开始试探性的被引入到巧克力生产和加工当中。但目前推出的巧克力3D打印机只能打印一些厚度较薄的三维模型，从用户角度来说，极大的降低了用户体验。
为了解决当今市面上传统巧克力生产的诸多不足和潜在问题，我们结合当今备受人们关注的3D打印技术，拟利用3D打印的快速成型原理，改善和缓解巧克力生产中潜在存在的问题和矛盾，对巧克力的定制和低成本生产进行相关研究。
1.2 3D打印发展现状及趋势
1.2.1 3D打印的概念
3D打印技术，是一种快速成型制造技术，又叫增材制造技术（Additive?Manufacturing）[2]，主要是利用塑料丝、金属粉末、光敏树脂、细胞等为原材料，通过计算机或者扫描仪获取三维数据，将数据通过串口或者无线等方式传给3D打印机，3D打印机经过高温融化、激光照射、化学剂凝固等方式对原材料进行分层加工、层层叠加的方式制造出实体模型。3D打印机又被称为万能制造机，如图1.1，是目前市场上的一些型号的3D打印机，3D打印技术被称为第三次工业革命的标志[3]。目前3D打印技术已被应用到航空航天、建筑、工业设计、教育、医疗、服装、汽车等各个领域[4]。
图1.1 目前市场上一些型号的3D打印机
1.2.2 3D打印原理
3D打印是一种快速累积制造技术[5]，3D打印机是依托快速成型技术的实现的打印的机器，3D打印机的打印最初思想是将三维打印转换为二维打印，它通过逐层打印、层层堆叠的方式来实现三维物体的制造。它的原理是通过计算机或者扫描仪等设备来获取模型的数字文件，利用金属粉末、塑料线材、光敏树脂等为原材料，通过激光照射、喷头加热、化学剂粘合等方式将原材料一层一层的粘合在一起，最终得到失误模型，3D打印机堆叠的方式多种多样，使得其原理又有所不同。以下介绍目前主流的几种3D打印技术原理：
FDM熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling）
熔融沉积成形工艺是普及最广的3D 打印技术，主要使用ABS、PLA 等材料，其工作原理是将ABS、PLA等材料通过加热熔化，再凝固成形，如图1.2所示。材料电机的驱动下，进入到喷头处，喷头已经提前将温度加热到指定温度，当材料到达喷头时，经过高温融化被挤出，喷头在坐标轴电机的带动下，让喷头沿着既定轨迹进行挤出，挤出后通过风扇迅速将塑料冷却，就这样层层堆叠，最终得到实物模型。
图1.2 熔融沉积成形工艺
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 课题目的与意义 1
1.2 3D打印发展现状及趋势 2
1.2.1 3D打印的概念 2
1.2.2 3D打印原理 2
1.2.3 切片引擎概述 5
1.2.4 3D打印的发展趋势 6
1.3 国内外巧克力3D打印机发展及趋势 7
1.4 研究工作及主要内容 7
第二章 巧克力3D打印机系统构成 10
2.1 系统总体架构设计 10
2.2 具体功能需求分析 10
2.3 巧克力3D打印机系统方案设计 12
2.3.1 温度控制设计 12
2.3.2 XYZ三方向控制电机设计 12
2.3.3 切片设计 12
2.4 巧克力3D打印机系统开发流程 13
第三章 系统
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
硬件设计与实现 15
3.1 系统机械结构的设计与实现 15
3.1.1 系统机械结构的整体框架选择与设计 15
3.1.2 系统喷头模块机械结构设计 16
3.2 系统电路开发与设计 17
3.2.1 主控板Melzi设计与实现 18
3.2.2 电机的选择 19
3.2.3 传感器的使用设计 20
3.4 本章小结 21
第四章 系统软件设计与实现 22
4.1 RepetierHOST概述 22
4.1.1 软件环境配置 22
4.1.2 各子界面功能设计 25
4.2 模型切片设计与实现 28
4.2.1 主流几款切片引擎 29
4.2.2 重要切片参数 30
4.2.3 切片参数测试与设计 31
4.2.4 部分代码实现 32
4.3 本章小结 36
第五章 项目实验效果与分析 37
5.1 项目测试效果 37
5.2 项目结果分析 39
第六章 总结与展望 41
6.1 工作总结 41
6.2 研究展望 41
参考文献 43
附录1 实物附图 45
附录2 攻读学士学位期间主要实践创新工作与成果 47
致 谢 48
第一章 绪论
1.1 课题目的与意义
近几年来，随着3D打印技术的飞速发展，人们对3D打印也越来越关注[1]。作为先进的数字模型文件为基础的快速成形技术，3D打印可以在短时间内“打印”出用户可定制的数字模型产品，但目前3D打印还未到完全普及的情况，要想购买一台3D打印机，其成本还是相对较高，该技术已经被应用于航空航天、生物医学、工业设计等研究领域。随着3D打印技术的不断推广和提升，3D打印从最开始的概念形式的发展也逐渐的在市场中占有了一定的比重。另一方面，开源硬件技术的推动使得长时间被作为概念性产品提出的3D打印机在家用和商用领域开始得到了实际的应用。这使得3D打印技术的发展达到了一个新的高峰。2013年6月，习近平在武汉东湖高新区进行考察时，就3D打印技术的研发和应用，对企业嘱咐道：这个技术很重要，要抓紧产业化。2015年2月，中国工业和信息化部印发了《国家增材制造产业发展推进计划（20152016）》的通知。随着3D打印机研究的进一步推进，巧克力3D打印也有了一定的发展，目前在市场上也有了小范围的应用。
3D打印技术的不断发展使得整体技术成本不断下降，不少的厂商将目光聚焦到了零件和硬件设备的3D打印上。相比而言，以食材为原料的3D打印还相对少见。另一方面，由于其较高的技术难度和生产成本，手工定制的巧克力在市场上价格始终居高难下。出于降低定制巧克力成本的考虑，3D打印技术开始试探性的被引入到巧克力生产和加工当中。但目前推出的巧克力3D打印机只能打印一些厚度较薄的三维模型，从用户角度来说，极大的降低了用户体验。
为了解决当今市面上传统巧克力生产的诸多不足和潜在问题，我们结合当今备受人们关注的3D打印技术，拟利用3D打印的快速成型原理，改善和缓解巧克力生产中潜在存在的问题和矛盾，对巧克力的定制和低成本生产进行相关研究。
1.2 3D打印发展现状及趋势
1.2.1 3D打印的概念
3D打印技术，是一种快速成型制造技术，又叫增材制造技术（Additive?Manufacturing）[2]，主要是利用塑料丝、金属粉末、光敏树脂、细胞等为原材料，通过计算机或者扫描仪获取三维数据，将数据通过串口或者无线等方式传给3D打印机，3D打印机经过高温融化、激光照射、化学剂凝固等方式对原材料进行分层加工、层层叠加的方式制造出实体模型。3D打印机又被称为万能制造机，如图1.1，是目前市场上的一些型号的3D打印机，3D打印技术被称为第三次工业革命的标志[3]。目前3D打印技术已被应用到航空航天、建筑、工业设计、教育、医疗、服装、汽车等各个领域[4]。
图1.1 目前市场上一些型号的3D打印机
1.2.2 3D打印原理
3D打印是一种快速累积制造技术[5]，3D打印机是依托快速成型技术的实现的打印的机器，3D打印机的打印最初思想是将三维打印转换为二维打印，它通过逐层打印、层层堆叠的方式来实现三维物体的制造。它的原理是通过计算机或者扫描仪等设备来获取模型的数字文件，利用金属粉末、塑料线材、光敏树脂等为原材料，通过激光照射、喷头加热、化学剂粘合等方式将原材料一层一层的粘合在一起，最终得到失误模型，3D打印机堆叠的方式多种多样，使得其原理又有所不同。以下介绍目前主流的几种3D打印技术原理：
FDM熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling）
熔融沉积成形工艺是普及最广的3D 打印技术，主要使用ABS、PLA 等材料，其工作原理是将ABS、PLA等材料通过加热熔化，再凝固成形，如图1.2所示。材料电机的驱动下，进入到喷头处，喷头已经提前将温度加热到指定温度，当材料到达喷头时，经过高温融化被挤出，喷头在坐标轴电机的带动下，让喷头沿着既定轨迹进行挤出，挤出后通过风扇迅速将塑料冷却，就这样层层堆叠，最终得到实物模型。
图1.2 熔融沉积成形工艺
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