«Кондитерский трехмерный принтер»

Муниципальное бюджетное учреждение

дополнительного образования «Станция юных техников»

города Каменск Шахтинский

Муниципальный этап областного слета-конкурса

«Юные конструкторы Дона – третьему тысячелетию»

Раздел «Техническое творчество»

«Кондитерский трехмерный принтер»

Автор: Иванова Мария Александровна

учащаяся 9 класса МБОУ СОШ № 10,

объединение «Робототехника»

Руководитель: Барышев Евгений Валентинович

педагог дополнительного образования

МБУ ДО «СЮТ»

2021 год

Оглавление

Аннотация

Объём проектной работы составляет 20 страниц, на которых размещены 17 рисунков. Для сбора и анализа информации использовали 6 источников.

В проектную работу входит: введение, три главы, список используемой литературы и интернет ресурсов, итоговое заключение и приложение.

Во введении раскрывается актуальность исследования по выбранному направлению, ставится проблема, цель и задачи исследования, определяется объект и предмет научных поисков.

В первой главе исследуется и анализируется существующая 3D печатающая техника, возможность печати сладостей любых форм, формируются выводы по дальнейшей работе над проектом.

Во второй главе описывается принцип работы будущего кондитерского трехмерного принтера.

В третьей главе осуществляется опытно-практическая работа, выбирается материал для изготовления, выполняются чертежи в компьютерных программах, описывается изготовление механической и электронной частей принтера.

Заключение посвящено основным выводам и предложениям, полученные при испытаниях кондитерского трехмерного принтера.

В приложении находятся фотография и 3D детали кондитерского трехмерного принтера.

Введение

Сладости любят практически все. В детстве никто не откажется от вкусной конфеты, да и, повзрослев, мы не прочь порадовать себя вкусным пирожным или кусочком торта. На тему 3D-принтеров, печатающих шоколадом, уже много сказано, написано и сделано. К сожалению, наиболее способные специализированные модели имеют слишком высокую стоимость для обыденного сладкоежки.

История кондитерского дела насчитывает сотни лет и за это время набралось немало интересных фактов о конфетах, тортах и самих кондитерах, которые известны немногим.

3D принтер это устройство для создания физического объекта на основе компьютерной 3D модели. 3D принтеры называют устройствами быстрого прототипирования (rapid prototyping), потому что с их помощью можно в кратчайшие сроки пройти путь от идеи до работающего прототипа.

Желание иметь в кафе кондитерский 3D принтер встречается у многих, но возможность приобрести такой аппарат есть не у всех.

Целью данного проекта является создание кондитерского трехмерного принтера для печати шоколадом и кондитерским кремом.

Задачи проекта:

- познакомиться с процессом выпечки кондитерских изделий и изготовление отделочных полуфабрикатов;

- рассмотреть виды 3D принтеров, технические характеристики;

- определить способы печати жидким материалом (шоколад, крем);

– разработать чертежи рамы и механизмов, схемы электроники.

При всем этом стоит учитывать безопасность и экологическую составляющую.

Для выполнения поставленной цели и задач проекта необходимо изучить виды и разновидности принтеров для 3D печати, техническую литературу, способы использования нестандартного материала для печати.

1. Исследование и анализ

Кондитерские изделия представляют собой группу продукции широкого ассортимента, значительно различающегося по рецептурному составу, технологии приготовления и потребительским свойствам [1].

Наверное, если не все, то многие, кто ел «Эклер», задумывались, о том, как это пирожное попадает крем?! А вот с помощью такого аппарата - на иглы надеваются по одному пирожному, затем сотрудница нажимает ногой на педаль и в пирожное из конусообразной ёмкости подаётся крем (рисунок 1). С первого взгляда операция не сложная, однако, требует определённой сноровки - если в определённый момент не убрать ногу с педали, то крем будет не только в пирожных, но и везде вокруг.

Рисунок 1. Аппарата для начинки пирожного кремом.

Нанесение глазури на пирожные, возможно, самое автоматизированное на производстве (рисунок 2). На сетчатую транспортёрную ленту кладутся пирожные, которые поливаются тёплой, жидкой глазурью.

Рисунок 2. Нанесение глазури на пирожные.

В век бурного развития промышленности, появления высокоэффективных технологий постоянно растет потребность в использовании новой техники, способной выполнить любые сложные задачи. И главным требованием, которое предъявляется к ней сегодня, является ее практичность и универсальность.

3D принтеров, как и технологий печати - великое множество. И печатать принтеры могут разными материалами - от пластика до нержавеющей стали и биологических тканей [3].

Больше всего для этого подходят принтеры использующие технологию FDM - Fused Deposition Modelling. Суть её в том, что трёхмерный объект создается путём последовательного нанесения слоев расплавленного материала (чаще всего - пластика). В интернете очень много статей по сборке, настройке и калибровке 3D принтера [4].

Рисунок 3. 3D принтер использующийq технологию FDM.

RepRap Prusa Mendel это полноразмерный принтер с подвижным столом, при разработке которого фокусировались на простоте сборки и настройки, а также доступности запчастей (рисунок 3). Стоимость такого набора составляет 25000 рублей.

Технические характеристики:

Рисунок 4. 3D-принтер Ultimaker 3

Ultimaker 3 - 3D-принтер нового поколения от компании Ultimaker (рисунок 4). Устройство оснащено двумя экструдерами, обеспечивающими возможность работы с широким ассортиментом инженерных материалов, включая нейлон и водорастворимый PVA-пластик, а также позволяющей печатать двумя цветами. Область построения составляет 215x215x200 - при печати одним соплом и 197x215x200 при печати двумя соплами. Ultimaker 3 оснащен системой распознавания расходных материалов, основанной на технологии ближней бесконтактной связи (NFC), системой автоматической калибровки, подогреваем столом и дисплеем.

Технические характеристики:

Вывод:

Стоимость всех перечислимых принтеров составляет от 21000 рублей и выше.

Самостоятельная сборка 3D принтера требует много усилий, времени, инструментов, а в результате нам удастся сэкономить средства, качество печати, должно получиться не хуже, чем у заводского принтера. Кроме того, самостоятельно собранный принтер можно совершенствовать практически бесконечно, улучшая качество и увеличивая скорость печати, или вообще - превратить его в сверлильный станок или кулинарный трехмерный принтер.

Чертежи основания корпуса разработаем сами, основываясь на известные марки 3D принтеров. Детали кондитерского принтера смоделируем в компьютерной программе и распечатаем на 3D принтере. Раму изготовим из металлопластика толщиной 4 мм [4].

Электронику выберем готовую, контроллер марки ARDUINO MEGA 2560, силовую плату будем использовать RAMPS 1.4 с одним экструдером, и двумя вентиляторами. Четыре шаговых двигателя формата NEMA17 для позиционирования каретки, и еще один двигатель для подачи кулинарной массы в экструдер.

Панель управления LCD12864 одна из самых популярных при сборке принтера, она имеет большой экран 128х64, динамик для сигналов и SD карту с помощью, которой можно будет работать с 3D принтером без подключения к ноутбуку или компьютеру.

Основным элементом принтера является экструдер, его мы построим на кондитерском шприце с подогревом кулинарной массы.

2. Принцип работы принтера

Принцип работы 3D принтера достаточно прост - расходный материал дозировано подается в экструдер, в котором он плавится и тонкой струйкой выходит через сопло экструдера [4].

Принцип работы экструдера кондитерского трехмерного принтера такой, медицинский шприц 20 миллилитров заполняется кусочками шоколада, включается нагрев шприца до 38-40 градусов. Когда масса нагрета до определенной температуры, то двигатель подачи начинает давить на поршень шприца, а поршень давит массу в сопло диаметром 0,8 мм на определенной скорости. Первый слой шоколада ложится на поверхность стола для печати (рисунок 5). Последующие слои ложатся поверх предыдущего, в результате получается цельный объект. Чтобы шоколад не растекался, используем обдув слоев вентилятором. При замене шприца нужно просто отклонить шприц и потянуть на себя.

Рисунок 5. Первый слой шоколада на поверхность стола.

Принцип работы экструдера кондитерского трехмерного принтера при работе с кондитерским кремом точно такой же, как и с шоколадом, но без нагрева шприца.

3. Этапы изготовления принтера

Материалы и инструменты

Фотография кондитерского трехмерного принтера находится в приложении, рисунок 11.

Для изготовления принтера применялся следующий инструмент и материал:

1. Компьютер;

2. 3D принтер;

3. Пластиковая нить PLA для печати диаметром 1.75 мм;

4. Метоллопластик толщиной 4мм;

5. Кровельная жесть толщиной 0,5 мм;

6. 5 шаговых двигателей марки SY42STH47-1684B;

7. RAMPS v1.4 с установленными драйверами шаговых двигателей;

8. Компьютерный блок питания;

9. Направляющие стержни, 8 мм;

10. Плата Arduino Mega 2560;

11. Подшипник LM8UU 12 шт;

12. Крепежный материал различного диаметра и длины;

13. Припой ПОС – 40;

14. Паяльник 40Вт, слесарный инструмент, токарный и сверлильный станки, чертежные принадлежности.

Механическая начинка принтера

Конструкция рамы позволяет собрать принтер без использования клея, части собраны с помощью механических соединений и винтов. Перед вырезанием элементов рамы, необходимо просверлить отверстия для двигателей в соответствии с направляющими. Фотографии распечатанных деталей находятся в приложении, рисунок 12 – 17 [3].

Изюминкой нового экструдера стал специальный нагреватель, адаптированный для использования с обычными шприцами.

Нагреватель, полностью охватывающий шприц с шоколадом для равномерного нагревания. В комбинации с термистором экструдер позволяет надежно удерживать температуру материала чуть выше температуры плавления, сокращая время застывания после экструзии. Шприц помещается в алюминиевую оболочку, нагреваемую до температуры в 33°С. Алюминиевый цилиндр, в свою очередь, заворачивается в слой каптоновой пленки, служащей в качестве термоизолятора, предотвращающего рассеивание тепла.

Электронная начинка принтера

Основной причиной выбора именно связки Arduino+RAMPS в качестве контроллера послужила её большая популярность, самый популярный и проверенный вариант (рисунок 6) [5].

Контроллер непосредственно управляет работой принтера, а именно - крутит шаговые двигатели, управляет температурой экструдера, скоростью вращения вентиляторов.

Рисунок 6. Плата RepRap и Arduino Mega2560.

Обычно для питания принтера используют напряжение 12В. Для питания самого микроконтроллера нужно 5В, но он может питаться и от USB.

Самый простой и практичный вариант - обычный компьютерный блок питания (рисунок 7). Его просто найти, он дешево стоит, и выдает нужные нам напряжения (12В и 5В), способный отдавать ток около 20А.

Рисунок 7. Блок питания FSP ATX-400PNR.

В кулинарном принтере используются четыре шаговых двигателя для позиционирования каретки (по одному на оси X и Y, и два на ось Z), и один для подачи кулинарной массы в экструдер.

Теперь о том, как всё вышеперечисленное соединить воедино. Описание подключения подробно можно прочитать в статье о RAMPS 1.4.[5]

Программное обеспечение для управления принтером

Управление принтером осуществляется программой Repetier Host. (рисунок 8) [3].

Рисунок 8. Окно программы Repetier Host.

Генерация G-code, соединение секций в слои осуществляется программой Slicer (рисунок 9).

Рисунок 9. Окно подпрограммы Slic3r.

С технической точки зрения генерация G-code, самая сложная часть всего процесса 3D печати на FDM принтерах. Суть её в следующем: сначала модель объекта нарезается на тонкие слои (отсюда и название - slicing). Высота слоя, как и огромное количество других параметров, указывается в настройках программы выполняющей слайсинг. Затем каждый слой анализируется, и для него генерируется маршрут, по которому будет перемещаться сопло экструдера, выдавливая кулинарную массу. И наконец, на основе информации обо всех маршрутах генерируется код программы на специальном языке - G-code, который, собственно, и описывает необходимые перемещения каретки, экструдера, температуры экструдера и т.п. То есть на вход в программу -слайсер подается модель объекта в формате STL, а на выходе мы получаем программу на языке G-code, выполнив которую принтер должен напечатать этот самый объект (рисунок 10).

Рисунок 10. Процесс создания модели

4. Заключение

Для наглядной демонстрации принципа работы 3D принтера с нестандартными материалами, и выполнение поставленных задач, была создана модель кулинарного трехмерного принтера.

Было проведено множество опытов, использовали разный шоколад, растапливали его и заливали в шприц. Но с течением времени шоколад густел в шприце, параметры печати менялись. Для тестдрайва конструкции шоколадного принтера мы использовали вечно жидкий шоколад — жидкую пасту Nutella.

Следующим этапом мы добавили нагрев сопла, чтобы шоколад находился при постоянной температуре и не твердел, но и не был совсем жидким.

Молочный шоколад быстрее засоряет сопло, но можно печатать и им, главное требование - отсутствие посторонних включений и содержание какао не менее 33%. Мы использовали темный шоколад для фондю с содержанием какао 53%.

Доступна печать и другими материалами - кондитерскими кремами, бутербродными смесями, паштетами, пастами.

В результате работы был построен мелко форматный кондитерский трехмерный принтер стоимостью меньше 5000 рублей.

Направлений для улучшения качества печати много, некоторые из них: модернизация конструкции принтера, использование более сложного по конструкции экструдера, более тонкая настройка параметров слайсера и прошивки (или использование более продвинутого слайсера). Но это все, по большей части, индивидуально, зависит от принтера, а результат часто оказывается хорошим.

Кондитерский трехмерный принтер будет полезен в первую очередь кондитерам, для создания шоколадных изделий разной формы и украшений для тортов.

5. Библиографический список

1. Кондитерские изделия и товары. Электронный ресурс. Режим доступа //https://znaytovar.ru/new945.html

2. 3D печать шоколадом: преимущества и подводные камни. Электронный ресурс. Режим доступа //https://make-3d.ru/news/3d-pechat-shokoladom-preimushhestva-i-podvodnye-kamni

3. Процесс создания 3D моделей. Электронный ресурс. Режим доступа //http://reprap.org/wiki/Useful_Software_Packages

4. Как сделать недорогой принтер. Электронный ресурс. Режим доступа //http://usamodelkina.ru/6829-kak-sdelat-nedorogoy-3d-printer-s-pomoschyu-arduino.html

5. RAMPS-электроника 3D-принтера. Электронный ресурс. Режим доступа //http://livelyminds.ru/content/ramps-elektronika-3d-printera

6. Модификация RepRap-принтера для печати шоколадом. Электронный ресурс. Режим доступа //https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/modification-of-the-reprap-printer-to-print-chocolate

1. Приложение

Рисунок 11. Фотография кулинарного трехмерного принтера.

Рисунок 12. Левая каретка оси Z.

Рисунок 13. Правая каретка оси Z.

Рисунок 14. Каретка оси Х.

Рисунок 15. Основание для установки двигателей оси Z.

Рисунок 16. Корпус для контроллера принтера.

Рисунок 17. Обойма для линейного подшипника.

20