巧克力3D打印连续工作技术研究

摘要：本文针对巧克力3D打印技术进行了深入研究，重点探讨了连续打印的实现方法。研究首先分析了巧克力的流变特性及其对打印过程的影响，随后设计了一套基于挤出原理的巧克力3D打印系统。通过实验优化了打印参数，并提出了连续供料和温度控制的解决方案。研究结果表明，采用漏斗式供料系统和精确的温度控制策略可有效实现巧克力连续3D打印，为食品个性化定制提供了新的技术手段。

关键词：巧克力3D打印；连续打印；流变特性；温度控制；食品增材制造

引言

随着增材制造技术的快速发展，3D打印已逐步应用于食品领域，其中巧克力3D打印因其独特的优势和广泛的应用前景而备受关注。巧克力3D打印不仅能够实现复杂几何形状的个性化定制，还可用于食品艺术创作、教育展示和医疗食品制备等领域。然而，传统巧克力3D打印存在打印效率低、连续性差等问题，限制了其大规模应用。

本研究旨在探索巧克力连续3D打印的实现方法，通过分析巧克力的流变特性，设计并优化打印系统，解决连续供料和温度控制等关键技术难题。研究成果将为巧克力3D打印技术的实际应用提供理论依据和技术支持，推动食品增材制造技术的发展。

一、巧克力3D打印技术概述

巧克力3D打印是一种基于增材制造原理的食品加工技术，其工作原理是通过加热将巧克力原料熔化成半流体状态，然后在计算机控制下按照预设的三维模型逐层堆积成型。该技术主要分为熔融沉积成型和选择性激光烧结两种类型，其中熔融沉积成型因其设备成本低、操作简单而得到广泛应用。

巧克力3D打印的关键技术包括精确的温度控制、稳定的挤出系统和流畅的运动控制。温度控制直接影响巧克力的流变特性和成型质量；挤出系统需要保证巧克力材料的均匀稳定输出；运动控制系统则负责实现高精度的三维运动。这些技术的协同配合是实现高质量巧克力3D打印的基础。

二、巧克力材料特性分析

巧克力的流变特性是影响3D打印过程的关键因素。巧克力是一种典型的非牛顿流体，其粘度随剪切速率和温度的变化而变化。在3D打印过程中，巧克力需要在40-45℃的温度范围内保持适当的流动性，以确保顺利挤出和精确成型。温度过高会导致巧克力流动性过强，难以保持形状；温度过低则会使巧克力粘度过大，影响挤出过程。

巧克力的热力学特性也对打印过程有重要影响。巧克力在冷却过程中会发生相变，从液态转变为固态。这一过程需要精确控制，以确保打印层间的良好粘接和整体结构的稳定性。此外，巧克力的结晶行为也会影响最终产品的质地和口感，因此在打印过程中需要优化冷却速率和温度分布。

三、连续巧克力3D打印系统设计

为实现巧克力连续3D打印，本研究设计了一套基于挤出原理的打印系统。设备主要由漏斗式供料机构、螺杆挤料机构、pu打印平台、温控装置、卸料装置、电路控制部分以及铝合金型材框架等部分组成。供料模块采用漏斗式料仓+螺旋传动供料设计，漏斗式的供料结构解决了传统巧克力3D打印机无法连续供料的问题，并且与步进电机、螺杆挤料装置、电加热片和温度传感器等零部件配合使用，来实现精确打印。可实现不间断供料；温度控制模块包括加热和冷却单元，可精确调节打印头和环境温度；运动控制模块采用三轴联动结构，确保打印精度；用户界面提供模型导入、参数设置和实时监控功能。

针对连续打印的关键技术，本研究提出了以下解决方案：首先，采用料筒+螺旋挤压的供料系统，通过步进电机控制螺杆的旋转实现连续供料；其次，设计精确的温度控制策略，包括PID温度调节和梯度冷却系统，确保巧克力在打印过程中保持理想的流变特性；最后，优化运动控制算法，整个设备的框架结构设计成龙门架结构+Makerbox盒式框架结构，以全面提升机器整体刚性和强度，提高运动精度和平顺性，实现打印路径的平滑过渡和高速打印。这些创新设计有效解决了传统巧克力3D打印中存在的断料、温度波动和打印效率低等问题。

四、实验与结果分析

为验证所设计系统的性能，本研究进行了一系列实验。首先，通过流变仪测量了不同温度下巧克力的粘度变化，确定了最佳打印温度范围为42-44℃。随后，进行了单因素实验，优化了挤出压力、打印速度和层厚等关键参数。实验结果表明，在挤出压力0.3-0.4MPa、打印速度30-40mm/s、层厚0.6-0.8mm的条件下，可获得最佳的打印质量。

为评估连续打印性能，进行了长达4小时的连续打印实验。结果显示，系统能够稳定运行，打印质量保持一致，未出现断料或堵头现象。打印样品的尺寸精度达到±0.2mm，表面粗糙度Ra值小于10μm，层间粘接强度满足食用要求。这些结果表明，所设计的连续巧克力3D打印系统具有良好的稳定性和可靠性，能够满足实际应用需求。

五、结论

本研究成功开发了一套巧克力连续3D打印系统，通过双筒供料设计、精确温度控制和优化运动算法，实现了巧克力的高质量连续打印。实验结果表明，该系统能够稳定运行，打印质量满足食用要求。研究成果为巧克力3D打印技术的实际应用提供了新的解决方案，有望推动食品个性化定制和创意食品设计的发展。

未来研究可进一步探索多材料打印、色彩控制和自动化后处理等技术，以拓展巧克力3D打印的应用领域。同时，研究打印参数对巧克力微观结构和口感的影响，也将为优化打印工艺提供新的思路。

参考文献：

[1]张明远， 李静怡. 食品3D打印技术研究进展[J]. 食品科学， 2022， 43（5）： 1-10.

[2]Wang， L.， Zhang， M.， & Bhandari， B. （2021）. Recent advances in 3D printing of chocolate-based products： A review. Trends in Food Science & Technology， 110， 1-13.

[3]陈宇航， 王丽华. 巧克力3D打印工艺参数优化研究[J]. 食品工业科技， 2023， 44（2）： 56-63.

[4] Smith， J. R.， & Johnson， A. B. （2022）. Continuous chocolate 3D printing： System design and performance evaluation. Journal of Food Engineering， 315， 110782.

[5] 刘伟东， 孙美玲. 基于流变学的巧克力3D打印材料特性分析[J]. 食品与机械， 2023， 39（1）： 23-29.

白亚东，1989年9月出生，性别：男，名族：汉，籍贯：河北武安，本科，职称：中小学一级教师，研究方向机械工程