基于巧克FDM力工艺的3D打印技术的研究

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　　摘  要： 现如今人民生活水平不断提高，巧克力的消费呈现数量的增长，同时食品个性化定制需求旺盛。3D打印技术的成熟和灵活性正符合满足个性化的需求。食品3D打印技术应用于巧克力定制这一领域，其融化与成型处理尤为关键。文章针对巧克力这种食品材料进行分析，确定巧克力打印成型的最佳条件;选取带有加热环的喷头作为热源，打印机左右两侧加装的半导体制冷器作为冷源;通过Fluent软件对3D打印机的喷头和打印机成型室进行建模分析，确定了适合巧克力3D打印的加热设备的有效发热功率为5W;在其基础上匹配半导体制冷系统的有效制冷功率为12W较为合理。在理论的基础上进行巧克力3D打印对比实验，与仿真结果相一致。
　　关键词： 食品3D打印技术;半导体制冷;数值模拟;Fluent;巧克力
　　中图分类号： TH122    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.008
　　本文著录格式：何芃，郭韵，欧阳叶郁，等. 基于巧克FDM力工艺的3D打印技术的研究[J]. 软件，2020，41（01）：3641
　　【Abstract】： Nowadays， people's living standards are constantly improving， the consumption of chocolate is increasing， and the demand for personalized food is strong. The maturity and flexibility of 3D printing technology is in line with the individual needs.Food 3D printing technology is applied to the field of chocolate customization， and its melting and forming process is particularly critical. The article analyzes the food material of chocolate to determine the best conditions for chocolate printing; selects the nozzle with heating ring as the heat source， the semiconductor refrigerator on the left and right sides of the printer as the cold source; the nozzle of the 3D printer through Fluent software and The modeling and analysis of the printer molding room determined that the effective heating power of the heating device suitable for chocolate 3D printing is 5W; it is reasonable to match the effective cooling power of the semiconductor refrigeration system to 12W. The chocolate 3D printing contrast experiment was carried out on the basis of theoretical simulation， which was consistent with the simulation results.
　　【Key words】： Food 3D printing technology; Semiconductor refrigeration; Numerical simulation; Fluent; Chocolate
　　0  引言
　　食品3D打印机的问世，解决了人们对食品领域个性化定制的需求，具备数字化的精准性与可复制性等优点，并且可以为一些特殊人群带来便利[1]，3D打印机目前在食品方面已有應用。而节能减排和能源的高效利用是国家和社会发展的方向，包括食品在内的各个行业都有责任和义务提高能源的利用效率。Fluent作为目前最先进的有限元分析软件，对技术方案的制定和模型参数的优化起到至关重要的作用。文章就基于Fluent软件对巧克力的FDM 3D打印成型条件及较为优化的模型展开研究。
　　FDM即熔融沉积，将材料预热加热至半流体状态，预先在电脑上或打印机支持的软件上进行模型的分层，确定每一层的二维信息[2]。再经过喷嘴移动、挤出材料，层层固化，最终形成模型。FDM快速成型技术的过程：设计三维CAD模型、CAD模型的近似处理、对STL文件进行分层处理、造型、后处理[3]。
　　巧克力是食品3D打印一种较理想的材料，在常压下，通过加热手段易于达到其熔化的温度。FDM 3D打印制造成本低，易于实现，以巧克力作为打印原料，具备室内研究条件、良好的研究价值和良好的市场推广应用价值。
　　1  巧克力材料特性
　　依照温度与巧克力的特性的关系，其温度越高，越易挤出;温度越低，冷却时间越短，越容易堵塞喷头[4]。经过打印的巧克力已经被加热成熔融状态，打印机箱体内的温度需要满足巧克力落地后凝固的需求。巧克力需要进行加热才能打印出来，对加热设备要作出分析研究;喷头打印出的巧克力需要使用制冷设备使其快速冷却固化，因此制冷设备应放置于整个箱体的靠底层位置，制冷设备功率应足够以冷却箱体内空气温度到需求温度。 　　1.1  巧克力的挤出温度
　　FDM 3D打印中的巧克力成型温度取决于巧克力本身的材料特性。市面上的巧克力需要经过繁琐的调温工艺，最终达到不融于手、入口即化的美味口感[5]。巧克力的调温工艺需要经过四个阶段，分别是：融化、降温、回温、冷却。
　　加热温度应满足大部分巧克力变至半流体或流体，并可以从打印喷头中挤出的条件;这个温度也需要使巧克力在被挤出的同时，迅速失去流动性，在工作台上冷凝成型。表1为巧克力调温工艺温度表。
　　由上表可知：黑巧克力有较低的乳脂成分和较高的可可脂成分，因此需要最高的融化溫度，可以作为喷头挤出温度的衡量标准。S.Yella Reddy的两步调温法中也指出，回温温度为303-304K时，所成巧克力脱模性好，有色泽和光亮[6]。冷凝温度都为293K，与305K有12K的温差。因此以黑巧克力的回温温度作为挤出温度，对其他巧克力而言将需要设定更苛刻的冷却要求。
　　从上述条件分析，确定巧克力的挤出温度达到304K以上，为确保巧克力能落在工作台上快速冷凝成型，需要在箱体内安装制冷系统。
　　1.2  巧克力打印成型条件
　　巧克力经过加热至304K以上，覆盖在工作台上，需要确保巧克力能在下层巧克力到达之前失去一定的流动性，同时不能完全凝固，上层巧克力与下层巧克力粘合。在这个过程中，巧克力由液体转为固体或半凝固状态，类似上述冷凝过程，一般巧克力在293K可以保证其形状、色泽和口感，是最佳的冷却成型的温度。
　　为确保巧克力能够稳定成型，温度一定要低于293K，通过在箱体内安装制冷系统的方法使得巧克力可以迅速冷凝。巧克力的迅速凝固可能带来的问题就是上层巧克力打印出后来是否能与下层巧克力粘合，如果巧克力受冷却降温的效果适中，上层巧克力有着304K以上的温度足以融解下层巧克力表面。根据巧克力从低温状态到高温环境内会起霜的特性，需要对箱体内的温度条件加以判定。
　　巧克力的起霜是由于在大温差条件下，巧克力内的脂肪、油脂发生了迁移[7]。大部分巧克力在289K以下可以维持本来的状态进行保存，冷藏的最佳保存温度为279K-281K。因此，箱体内的冷却温度在281K到289K是一个合理的范围，可以使巧克力迅速失去流动性，完成3D打印的目标。
　　2  冷热源设备选取原则
　　熔融沉积分两部分来看就是加热物料使之成熔融状态，再挤出物料沉积冷却成型[8]。热源即为喷头，金属材质，导热性好，加热使得喷头内巧克力的温度达到期望的目标。冷源即打印机底部的半导体制冷系统，喷头加热势必造成打印机箱内整体温度升高，此时在打印机两侧加装半导体制冷系统，使用热电偶散热片以达到制冷目的[9]。
　　2.1  加热设备
　　FDM 3D打印机打印PLA材料的加热温度一般为478K-488K[10]，这个数值远远高于我们所需的巧克力加热温度304K以上，因此加热设备相较于制冷设备就相对简单。选用加热块环绕储料箱对其中的巧克力直接进行加热，保持巧克力一直处于流动状态即可。
　　食品3D打印机的喷头即有储物功能，这使得加热的设备简化，只需一个加热块对喷头进行加热，加热块可以连接嵌入在喷头与控制喷头运动的机械臂间，实现一边打印巧克力，一边加热流动巧克力的功能。
　　2.2  制冷设备
　　制冷设备选用半导体制冷系统。半导体制冷可以用于小范围的制冷，制冷强度不需很高，不会耗费太大的成本[11]。半导体制冷器原理如图1所示。
　　3  热源的模型建立及仿真模拟
　　3.1  喷头的建模
　　设计并构建热源模型，加热环直径为38 mm，高45 mm，如图2。
　　由于带有热源的打印喷头在打印机工作时放置的位置在成型室垂直方向的中心位置，为最大程度避免打印加热温度对模型的影响，加热环外部设置绝热材料。设定0.0005为Max element，自动划分出非结构网格，经网格无关性检验，确定最佳网格数为278379。
　　3.2  喷头的边界条件与加热参数设置
　　模型边界基本可以分为四部分，暴露在空气中的对流换热壁面，加热块外壁面，加热面与喷头壁面贴合的壁面及其影子壁面（贴合面为两面，自动形成对称边界）。喷头壁面和加热块材质为不锈钢，选取不锈钢的对流换热系数为16 W/（m2·K），加热表面为铜，流体在喷头内部。Fluent自动按照壁面划分生成两个区块，加热块区块作为体热源。壁面厚度都是1.5 mm，初始壁面温度为283K。由于所加热的固体尺寸不大，假定生热速率为1000 W/m2。生热速率即为：
　　3.3  喷头的仿真模拟热力分析
　　图3和图4分别是喷头外壁和内部温度场分布图。
　　
　　从图中可以看出迭代后已经基本ure Field 满足所需要的温度条件（304K以上），最高温度319K在加热面位置，喷头底部为最低温度大约为309K，满足条件。巧克力在此温度下足以融化，从喷头打印出来，所以可以确定环形加热的方式以及5W 的有效加热功率。
　　4  冷源的模型建立与仿真分析
　　4.1  打印机成型室建模
　　根据食品3D打印机的箱体外壳尺寸400 mm 400 mm550 mm，半导体制冷片尺寸40 mm40 mm，巧克力在挤压过程中本身就会靠下方流动，上方形成固体热源，作出简化直接将上半部分看作一个体热源，下半部分依然是装有流体的喷头容器。机械臂的中段部分原先做成了可伸缩的元件，简化成圆柱体即可。对其进行建模并优化处理后，如图5。
　　4.2  成型室的初始条件及边界条件设置 　　4.2.1  热流体控制方程
　　在巧克力3D打印中，喷头处发生散热，成型室两端发生半导体吸热制冷。此时在成型室内空气流体因为温度场的不均匀而引起密度差，在重力的作用下形成一种自发的流动。在热对流过程中，流体在成型室内流动，并且流体分子在热端和冷端之间进行不规则的热运动，因此热对流必然伴随着热传导现象。不均匀的温度场造成不均匀密度场产生浮升力是运动的动力来源[12]。在成型室中，靠近热源的流体会因受热而受热上升，靠近冷源的流体会向因温度降低而向下运动，从而产生自然对流的现象。流体在与固体壁面之间接触过程中的热量传导称其为对流换热。这个过程主要满足質量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程[13]。
　　外层因作隔热保温处理，最终结果乘以隔热系数0.3，由此得体热源生热速率E2 = 29391.49 W/m3。整体材料为PC材料，密度为1.2×103 kg/m3，比热容为1170 J/（kg·K），选取热导率为2.5 W/（m·K），创建并输入材料特性。选择对流换热壁面应用此材料，设置初始温度300 K，壁面厚度20 mm。
　　设置左右两侧40 mm×40 mm的壁面为吸热壁面，初步判定使用有效制冷功率为10W的制冷设备试验，制冷效率为0.25，也就是需要两个功率为40W 的半导体制冷器。计算得有效制冷速率为6250 W/m2。
　　4.3  打印机成型室仿真模拟热力分析
　　设置温度的监视器为一个窗口，截取X轴的中截面方便查看内部温度分布情况，默认温度300K，迭代次数20步。
　　图6和图7为打印机外壁热力分布图和打印机X轴中截面热力分布图。
　　从图6、7热力分布中可以看出：使用两个有效制冷功率为10W 的半导体制冷器，成型室内部达稳态后，喷头下方即模型打印区域的温度大约在 286K-289K，离所需温度281K-289K相比，符合巧克力成型的条件要求。可以适当加强制冷功率取得更好温度结果。经过多次修改制冷功率，尝试运算，最终调整到有效制冷功率为12W的制冷器，算得E=7500 W/m2，重复进行实验。图8为12W制冷功率下的打印机热力分布图。
　　从图8中可以得知：喷头下方模型成型温度下降到了282-286K，是巧克力较为理想的成型温度条件。通过试算的方法多次改变了半导体制冷功率，最终调整为两个12W的半导体制冷器，选取有效加热功率为5W的加热设备，使得巧克力的加热温度满足在308K以上，成型室内模型打印区域的温度在282K- 286K，其温度分布情况符合理想预期：成型室中心模型塑造台上方（打印喷头下方）的温度在282K-286K，巧克力可以在短时间内迅速凝固成型，最终完成打印目标。图9、图10为打印设备优化前后打印巧克力对比。
　　
　　观察图9、10可知：优化打印设备前，巧克力达不到冷却温度，打印出的模型出现了坍塌、粘结、打印不流畅等情况;优化之后打印出的巧克力模型流畅、平滑、均匀。验证了模拟的正确性。
　　5  结论
　　（1）分析了巧克力的成型条件，确定巧克力的熔点温度在304K和加热的温度为308K能够保证其融化。分析巧克力的起霜温度条件，确定281K -289K的成型室内模型成型温度。
　　（2）建立喷头模型，通过前处理软件划分网格和区域，在Fluent求解器中模拟仿真了喷头部分的温度场分布情况，确定环形加热的方式以及5W 的有效加热功率，由于需要达到的加热温度为308K左右，温度较低，喷头容积较小，整体加热上下温差不超过2K，受热情况良好。
　　（3）基于喷头热源5W有效加热功率，建立3D打印机成型室模型，通过前处理软件对模型进行了简化、优化和网格及区域的划分。通过仿真模拟的方式试算了两个有效制冷功率为10W 的半导体制冷器对环境温度的影响，得到了壁面温度、内部截面温度热力分布情况。多次试验最终确定使用有效功率为12W的制冷器，其温度分布情况符合理想预期：成型室中心模型塑造台上方（打印喷头下方）的温度在 282K-286K，满足喷嘴下方模型打印位置处的温度在282K-286K 的条件。
　　（4）对比优化打印设备前后巧克力打印效果，与仿真结果一致。
　　参考文献
　　[1] 陈殊慧. 3D打印在食品中的运用[J]. 数码设计， 2017， 6（07）： 107-109.
　　[2] 刘洋子健， 夏春蕾， 张均. 熔融沉积成型3D打印技术应用进展及展望[J]. 工程塑料应用. 2017， 45（03）， 130-133.
　　[3] 赵萍， 蒋华， 周芝庭. 熔融沉积快速成型工艺的原理及过程[J]. 机械制造与自动化， 2003（05）： 17-18+23.
　　[4] 周世浩， 谭跃刚， 张帆， 陈飞， 蒋世齐. 基于半导体制冷的巧克力3D打印成型条件研究[J]. 机电工程， 2017， 34（04）： 351-356.
　　[5] 伍胜. 巧克力调温技术发展[J]. 中国食品工业， 2000（06）： 33-34.
　　[6] 魏强华， 高荫榆， 何小立. 巧克力调温工艺及其发展[J]. 食品与机械， 2003， （1））： 10-11.
　　[7] 王风艳， 王兴国， 陶冠军， 周胜利， 金青哲， 刘元法. 巧克力起霜研究进展[J]. 食品科学， 2011， 32（05）： 301-305.
　　[8] 聂明争. 熔融沉积成型技术的挤出与成型件冷却过程研究[D]. 武汉科技大学. 2018.
　　[9] 郭朝有， 吴雄学. 基于PICl2C672的半导体制冷系统过热保护装置[J]. 电气技术， 2010， （6）： 44-46.
　　[10] 吕蒙， 牛晨旭， 杨辰飞. FDM型3D打印机喷头温度场仿真[J]. 机械， 2018， （7）： 28-31.
　　[11] 贾艳婷， 徐昌贵， 闫献， 国田志峰. 半导体制冷研究综述[J]. 制冷， 2012， 31（1）： 49-55.
　　[12] 杨世铭， 陶文栓. 传热学[M]. 北京： 高等教育出版社， 1998.
　　[13] 周梦， 虞斌， 涂善东. 封闭腔内置倾斜换热管的自然对流数值模拟[J]. 化工机械， 2018， 45（05）： 636-642.
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