技术领域
本发明涉及熔融沉积型三维打印技术，尤其是涉及一种食品三维打印机。
背景技术
随着科学技术的发展和社会进步，消费者对食品的要求也越来越高：不仅要求美味可口，还越来越注重食品的外观造型。但是传统的食品加工工艺受限于模具的形状、工人的技艺水平，无法制作出形状复杂的造型。
三维打印是近年来在制造业领域迅速发展的一项新兴技术，与传统制造业的去除材料加工不同，三维打印的制造方式是增加材料。其主要工艺是逐层打印。系统自动将三维造型以一定的层厚分层。打印头根据每一层的数据逐层打印，最后就堆叠成为一个三维实体。相对于传统制造手段，三维打印可以制造外形较为复杂的零件。在食品加工行业中，利用三维打印可以制造出传统食品加工手段无法加工的造型。
中国专利ZL200720020715.9公开了一种蛋糕打印机，采用食用墨水直接在蛋糕打印图文。它由打印装置、三维空间定位滑轨、与三维空间定位滑轨连接的步进电机、可360度旋转的物料台和与物料台连接的旋转步进驱动机构组成，打印装置安装在三维空间定位滑轨内。中国专利ZL201320022312.3公开了一种多功能食品打印机。采用空气压缩机产生的压缩空气挤出打印喷头内的材料，可以实现2D或3D绘图。但是采用压缩空气的方法难以避免气压波动带来的喷射不均匀，挤出力不够，甚至喷头堵塞的现象。上述两份专利均没有调温系统。
生产美味可口的巧克力需要复杂的调温工艺。巧克力的主要成分可可脂为多晶型产物，可可脂中的脂肪可以以6种不同形式的晶体存在，口味良好的巧克力中大部分都为稳定的βV晶体。为了形成大量βV晶体就需要给巧克力调温。没有经过良好调温处理的巧克力凝固后容易产生“白霜”现象，不仅口感变差，而且起霜的外观也难以令大众接受。巧克力、奶油打印还需要特定的温度，否则容易在喷嘴、管路处堵塞。
实用新型内容
本实用新型提供了一种新型的食品三维打印机，能够稳定挤出食材，实现分段保温，避免材料因冷凝而堵塞喷头，尤其对需要加热的食材进行温度控制，形成良好口味的打印产品。
一种食品三维打印机，包括机架以及安装在机架上的喷头，所述机架包括提供X轴运动的打印台、提供Z轴运动的升降台、以及安装在升降台上且提供Y轴运动的横移台；
所述喷头固定在横移台上且处在打印台上方，所述X轴、Y轴和Z轴空间上两两垂直，其中X轴和Y轴水平布置，Z轴竖直布置；
所述喷头包括料筒以及滑动安装在料筒内的推料活塞，料筒底端具有出料口，料筒顶部安装有驱动推料活塞的丝杠步进电机，所述料筒的外围设有保温套，在料筒与保温套之间设有作用于料筒的加热装置。
本实用新型的喷头相对打印台而言，可在X轴、Y轴和Z轴三个方向上有相对位移，实现三维打印。打印台、升降台和横移台各自匹配有导向机构和驱动机构。
作为优选，所述打印台包括：
底座；
安装在底座上的X轴导杆；
沿X轴导杆运动的X轴导向滑块；
与X轴导向滑块固定连接的用于放置打印品的托板；
安装在底座上的X轴步进电机；
安装在底座上受X轴步进电机牵引的X轴同步带，所述托板的底部固定在X轴同步带上。
X轴步进电机精确控制托板在X轴向的位移，X轴导杆为两根，X轴导向滑块对称布置在托板底面的两侧，托板沿X轴导杆平稳移动，保证打印精度。
作为优选，所述升降台包括：
安装在所述底座上的Z轴导杆；
沿Z轴导杆运动的Z轴导向滑块；
与Z轴导向滑块相固定连接的升降板；
安装在所述底座上的Z轴步进电机；
安装在所述底座上受Z轴步进电机驱动的Z轴丝杆，所述Z轴导向滑块与该Z轴丝杆之间螺纹配合。
Z轴导杆为对称布置的两根，保证升降板沿Z轴导杆平稳滑动。
Z轴步进电机驱动Z轴丝杆转动，由于丝杠运动匀速平稳，推力大，能够精确控制安装在升降板上的喷头的Z轴位移，保证打印精度。
作为优选，所述横移台包括：
安装在所述升降板上的Y轴导杆；
沿Y轴导杆运动的Y轴导向滑块，所述喷头固定在Y轴导向滑块上；
安装在所述升降板上的Y轴步进电机；
安装在所述升降板上受Y轴步进电机牵引的Y轴同步带，所述Y轴导向滑块底部固定在Y轴同步带上。
Y轴步进电机精确控制喷头在Y轴向的位移，Y轴导杆为两根，喷头沿Y轴导杆平稳移动，保证打印精度。
所述X轴步进电机、Z轴步进电机和Y轴步进电机受控于控制系统。
本实用新型喷头能够对材料进行保温，避免材料喷出时的喷头堵塞，同时对食材调温处理，形成良好口味的打印产品。另外可以对材料进行回抽，保证在打印的过程中避免材料的挂流问题。
作为优选，所述加热装置为包裹在料筒外壁上的加热膜。
加热膜便于改变形状，与料筒外壁有较好的贴合度，可以提高加热效率。
作为优选，料筒顶部安装有固定座，所述丝杠步进电机设置在该固定座上，丝杠步进电机的丝杠贯穿固定座与推料活塞连接。
本实用新型采用直线步进电机驱动丝杠挤出材料，丝杠运动匀速平稳；增加了电机的推力，可以避免造成喷头堵塞的现象。
丝杠与推料活塞连接，能够在打印过程中对食材进行回抽，减少了对材料的浪费与打印过程中的挂流问题，保证产品成型的观赏性。
料筒与丝杠步进电机之间通过固定座连接和加强，该固定座固定安装在Y轴导向滑块上。
作为优选，所述丝杠步进电机的顶部立置有导向套，所述丝杠的顶部伸入导向套内且与导向套滑动配合。
导向套可以是筒状或侧壁开放的直立部件，丝杠的顶部可以沿导向套相对上下运动，导向套在一定程度上也起到了防护作用。
所述丝杠的顶部设有与导向套内壁滑动贴靠的防晃滑块。
为了与导向套更好的贴合，丝杠的顶部可以另外设置部件即防晃滑块，在导向套内壁的束缚下，可以更好的保持丝杠的平稳运动。防晃滑块可以套设在丝杠的顶端或通过连接件固定在丝杠的顶部。
作为优选，所述导向套的侧壁设有竖槽，所述丝杠的顶部设有沿竖槽滑动的导向柱。
为了进一步提高防晃和导向的效果，导向套的侧壁开槽，导向柱横向延伸入竖槽内，由于丝杠与推料活塞相连，因此还可以通过导向柱的位置判断料筒内物料存量。
作为优选，所述在料筒与保温套之间设有采集料筒温度的传感器，所述喷头还设有采集传感器信号以控制加热装置的温控电路。
通过控温电路可以对食材在打印过的程中进行调温处理，以打印出最佳风味的产品，适用性更广。
作为优选，所述丝杠步进电机的顶部以及四周设有防护罩。
防护罩可以进一步提高设备运行的安全性，也便于加设和安装辅助部件。
作为优选，所述料筒的底部螺纹配合有出料段，所述出料口位于出料段的底端。
出料段采用螺纹配合的可拆卸结构，便于组装和维护，所述出料口处安装有喷嘴，当喷嘴出现故障时，可以拆卸出料段。
作为优选，所述保温套的顶部与料筒外壁螺纹配合，料筒底部抵靠在保温套底部的内壁。
料筒与保温套相抵可以进一步提高部件的紧凑型，料筒顶部带有外螺纹，以适应与保温套的螺纹配合。
本实用新型具备的有益效果：(1)本实用新型通过提供X轴运动的打印台、提供Z轴运动的升降台、提供Y轴运动的横移台的协作能使喷头完成三维空间上的直线、圆弧、三维空间曲线等运动，可实现二维或三维打印，可打印材料包括巧克力、饼干、糖果、糕点等可配制成为软性流质的食材。
(2)加装温控装置，在打印过程对材料进行调温，以打印出最佳风味的产品。
(3)由于采用直线步进电机驱动丝杠挤出材料，丝杠运动匀速平稳，推力大，可以避免造成喷头堵塞的现象；丝杠与推料活塞连接，在打印过程中可以对食材进行回抽，减少了对材料的浪费与打印过程中的挂流问题，保证产品成型的观赏性。
(4)料筒可拆卸，可随时对料筒进行更换，采用按需换料的方式挤出食材，可根据个人喜好对材料进行组合。
附图说明
图1为本实用新型食品三维打印机的结构示意图。
图2为图1中喷头的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施过程对本实用新型作进一步的说明。但下述实施例仅仅为本实用新型的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实用新型的食品三维打印机，包括机架1以及安装在机架上的喷头2。机架1包括提供X轴运动的打印台、提供Z轴运动的升降台、以及安装在升降台上且提供Y轴运动的横移台。
打印台包括：底座31，底座上沿X轴平行安装有两根X轴导杆32，两根X轴导杆处在同一水平上，每根X轴导杆上滑动安装有X轴导向滑块33，X轴导向滑块33可沿X轴导杆32来回滑动。X轴导向滑块33上固定安装有用于放置打印品的托板34，底座上安装有X轴同步带35，托板34的底部固定在X轴同步带35上，由X轴步进电机36牵引X轴同步带35带动托板34沿X轴方向来回移动。
升降台包括：安装在底座31上的Z轴导杆41，Z轴导杆41为两根，且对称竖直布置，每根Z轴导杆41上滑动安装有Z轴导向滑块42，Z轴导向滑块42可沿Z轴导杆41上下滑动。Z轴导向滑块42上固定安装有升降板43，Z轴导向滑块42上设有带有内螺纹的通孔，通孔的轴向沿Z轴，通孔内配合有带外螺纹的Z轴丝杆45，底座上的Z轴步进电机44驱动Z轴丝杆45转动，Z轴导向滑块42带动升降板43沿Z轴导杆滑动。
横移台包括：安装在升降板43上的Y轴导杆51，Y轴导杆51为两根，且平行布置，每根Y轴导杆51上滑动安装有Y轴导向滑块52，喷头2固定在Y轴导向滑块52上。升降板43上安装有受Y轴步进电机53牵引的Y轴同步带54，Y轴同步带54沿Y轴传动，Y轴导向滑块52底部固定在Y轴同步带54上。Y轴步进电机53牵引的Y轴同步带54带动喷头2沿Y轴移动。
X轴步进电机36、Z轴步进电机44和Y轴步进电机53受控于控制系统。
如图2所示，喷头2，包括料筒21以及滑动安装在料筒内的推料活塞22。
料筒21顶部安装有固定座23，料筒21顶部的外螺纹与固定座23上的内螺纹孔配合，实现料筒的安装与拆卸。固定座23上安装有驱动推料活塞22的丝杠步进电机24，丝杠步进电机24的丝杠25贯穿固定座23与推料活塞22连接。丝杠步进电机24连接控制电路，通过精确控制丝杠的运动行程进而控制物料的挤出量。丝杠步进电机24的顶部以及四周设有防护罩26。
丝杠步进电机24的顶部立置有导向套27，丝杠25伸入导向套27且与导向套滑动配合，导向套27的侧壁上设有竖直布置的导向槽271，丝杠25的顶部设有沿导向槽271上下滑动的导向柱251。在导向槽271的束缚下，可以更好的保持丝杠25的平稳运动。同时，通过导向柱251的位置判断料筒内物料存量。
料筒21的外围设有保温套28，在料筒21与保温套28之间设有作用于料筒的加热膜29。加热膜29与料筒21外壁有较好的贴合度，可以提高加热效率。在料筒21与保温套28之间设有采集料筒温度的传感器，加热膜29由一个简易的数字温度控制器控制，其供电电路上设有受控于传感器信号的开关。
保温套28的顶部与料筒21外壁螺纹配合，料筒底部抵靠在保温套底部的内壁。当需要更换料筒时，解开螺纹配合，取出料筒。
料筒21的底部螺纹配合有出料段210，出料口位于出料段的底端。出料口安装有喷嘴211，当喷嘴出现故障时，可以拆卸出料段。
本实用新型的工作过程如下：
1、准备阶段
a、在计算机内将一个或多个三维造型转化成STL格式，经由数据线连接打印机。通过CAM软件将其转化为可供本三维打印机运行的G代码；其打印方式是逐层打印。
b、将提前装好食材的料筒放入设有加热膜的保温套内。根据待加工食材的温度要求，设定温度。
2、开始打印
a、喷头2处在第一层的高度上，Z轴保持高度不变，X、Y轴依据程序移动，当丝杠步进电机24启动，丝杠25沿导向槽向下移动，从而挤压料筒21内处在推料活塞22下面位置的物料从喷嘴挤出。挤出材料按需沉积在托板上，直至这一层打印完毕。丝杠步进电机24停止。
b、喷头沿Z轴上升一个高度，重复上述步骤开始新一层的打印。
当料筒内材料用尽，此时程序暂停，Z轴步进电机启动，将喷头抬升到指定高度，丝杠步进电机24启动，丝杆25回到原始位置，手工更换料筒。
c、继续打印，待所有层都打印完毕，各部件回原点。取出打印完毕的工件。
打印过程中，可以启动丝杠步进电机24反方向驱动丝杠25，对食材进行回抽，减少对材料的浪费与打印过程中的挂流问题，保证产品成型的观赏性。