基于3D打印的家用和面机的设计与试验

陶春生，薛霏，黄志刚

1.北京工商大学人工智能学院（北京 100048）；2.国家知识产权局专利局（北京 100088）

面条等面制品是中国及世界众多国家的传统主食，因其制作简单、食用方便、营养健康、种类众多而深受人们喜爱[1-2]。随着社会的发展，人们对面制品的质量提出更高要求，众多学者在面粉、辅料及添加剂等原材料[3-6]和加工工艺[7-8]等对面制品品质影响方面进行研究。面制品的制作包括和面、熟化、压延等工艺，和面是制作面制品的首要环节，和面使面粉与水充分混合，形成吸水合适、颗粒松散均匀、具有适宜延展性的面筋网络结构的面絮，和面工艺及和面方式[9-10]都会对面制品品质产生影响。和面机分为立式和卧式，卧式和面机一般应用于规模化的工业生产；市场上的家用和面机主要为立式，有单轴或双轴，容量4～6 L；立式和面机在搅拌时面粉易涌向容器壁，形成周边高中心低的漩涡，使面粉分层离散，搅拌范围小且存在搅拌死角，使水和面粉不能均匀充分地混合，不能形成颗粒松散均匀的面絮，影响面制品的成形及品质，这种现象在和面量少的时候尤其明显。为解决立式家用和面机存在的问题，设计一种卧式手自一体家用和面机。

3D打印技术是近些年得到迅速发展的先进制造技术，在课程教学[11]、生物医药及医疗[12-13]等领域得到应用。利用3D打印技术试制设计和面机，并进行和面试验，与传统立式和面机进行比较，验证试制的和面机的和面效果。

1 整机结构与工作流程

1.1 整机结构

和面机采用卧式结构和新型搅拌结构，可以实现手动或电动自动和面。和面机结构如图1所示，主要包括电动部分、滚筒部分、搅拌部分、支撑部分。电动部分主要包括电机座、电机、联轴器；滚筒部分为搅拌的容器，主要包括进料口、滚筒、滚筒把手等；搅拌部分实现面粉与水的搅拌功能，可手动或自动搅拌，主要包括搅拌器、搅拌轴、搅拌把手等；支撑部分为其他部分零部件提供支撑和连接，主要包括底座、可拆卸挡板、挡粉板、固定挡板、支撑肋板等。

图1 和面机结构图

1.2 工作流程

和面机工作流程：面粉和水从滚筒上的进料口加入滚筒内。电机通过联轴器和搅拌轴连接时，电机转动带动搅拌轴和搅拌器的转动，实现电动和面；不安装联轴器，搅拌轴与电机分开，利用安装在搅拌轴一端的搅拌把手实现手动和面。拔出可拆卸挡板并拆下联轴器，将滚筒部分和搅拌部分从和面机上拆卸下来；拧开滚筒顶盖，取出和好的面团；支撑肋板支撑滚筒部分，转动滚筒把手可使滚筒部分旋转，使沉淀在滚筒底部的面粉翻转上来，使和面更均匀、更充分。

和面机具有手动和电动操作方式，可适用于多种搅拌情况。机器采用单轴卧式结构，结构简单，卸料及清洗方便，且可避免传统立式和面机的润滑剂可能泄露造成的食品污染。

2 关键零部件设计

2.1 电动部分设计

电动机选用装有调速器的单相异步电动机。搅拌速度分为低速、中速、高速和超高速，小型和面机以中速（60～80 r/min）搅拌可获得较好效果[14]。电机的转矩与和面效果具有一定相关性[15]。电动机参数如表1所示。

表1 电动机参数

电动部分如图2所示。电动机通过螺栓安装在电机座里，电机座下有固定电机用的4个吸盘。电动和面时，电动机与搅拌轴通过联轴器连接。

图2 电动部分

2.2 搅拌部分设计

搅拌部分如图3所示。搅拌部分由搅拌器、搅拌轴和搅拌把手组成。搅拌器是和面机的重要部分，搅拌器主要有涡轮式、浆叶式、螺旋式等，搅拌器的类型及搅拌工艺参数影响搅拌过程中面团的受力和面筋蛋白网络结构，从而影响最终面制品的品质[16-17]。设计的搅拌器采用桨叶式和涡轮式相结合方式，7个互成90°的带钩状结构的楔形板依次安装在空心轴上，前一个楔形板的后平面和后一个楔形板的前平面共面，楔板顶部与滚筒壁有8 mm的距离，保证水、面充分搅拌均匀混合。带钩状结构的楔形板搅拌器增加轴向及径向搅拌面积，增强对面团的拉伸作用，且可避免桨叶式搅拌器等对面团的强剪切作用而对面筋蛋白网络结构的破坏，有利于和面效果的改善。

图3 搅拌部分

楔形板主要尺寸如图4所示。楔形板材料为高密度聚乙烯（HDPE）。楔形板在根部有应力集中现象，且在搅拌过程中根部所受弯矩大，楔形板的根部应力最大[18]。设面粉与容器的摩擦角为60°，每个楔形板需搅拌0.2 kg的面粉与水的混合物。

图4 楔形板尺寸

楔形板强度校核如式（1）～（4）所示。

式中：F为楔形板顶部受力，N；μ为摩擦因素；M为楔形板根部弯矩，N·mm；σmax为楔形板根部应力，MPa。

楔形板的设计满足强度要求。

搅拌轴与空心轴通过过盈方式装配，搅拌轴直径12 mm，材料45钢；空心轴外径20 mm，材料为HDPE。搅拌把手根据人机工程学设计，与搅拌轴通过方形的型面方式连接，便于操作。

2.3 滚筒部分设计

滚筒部分如图5所示，包括滚筒顶盖、滚筒把手、滚筒、进料口。卧式和面机滚筒为圆柱形，滚筒外径150 mm、厚2 mm、长300 mm，设计容积5 L。装料系数取0.7，滚筒公称容积3.5 L。和面过程中能利用滚筒把手使滚筒旋转一定角度，使沉淀在滚筒底部的面粉在重力和离心力作用下离开滚筒壁，避免面粉沉积在底部不能充分搅拌，保证和面更均匀、充分。滚筒材料为透明的HDPE，便于在密封容器内和面同时观察和面效果，既保证操作环境卫生，又利于对和面过程的实时控制。

图5 滚筒部分

2.4 支撑部分设计

支撑部分如图6所示，包括底座、可拆卸挡板、挡粉板、固定挡板、支撑肋板。2个支撑肋板安装在底座上的槽中，支撑滚筒。可拆卸挡板插在底座上的长方形槽中，限制滚筒轴向移动。挡粉板通过螺栓安装在固定挡板上，限制滚筒轴向移动及面粉的溢出。固定挡板通过螺栓连接固定在底座上。支撑部分零部件主要采用插拔式或螺纹连接及定位方式，便于机器的拆装与维护。

图6 支撑部分

3 样机制作及试验

3.1 样机制作

样机制作采用3D打印技术，滚筒部分采用透明PC材料打印。用3D打印技术制作样机可快速、精确地将设计产品实体化，便于样机的调试和设计效果的验证。样机如图7所示。

图7 和面机样机

3.2 样机试验

3.2.1 试验材料

高筋面粉[中粮面业营销管理（北京）有限公司]；麦麸粉（福之源面业有限公司食用麦麸粉）。

3.2.2 试验设备

电子精密天平[EM203，梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司]；家用立式电动和面机（HM502，永康市红太阳机电有限公司）；卧式家用手自一体和面机样机（自制）。

3.2.3 试验方法

称取0.282 kg高筋面粉、0.018 kg麦麸粉、0.12 kg纯净水，将面粉、麦麸及水分别用家用立式和面机与样机进行混合搅拌。面粉与麦麸一次性放入滚筒，搅拌开始时加入约0.06 kg水，搅拌1 min后加入约0.06 kg的水[19]。立式和面机速度调至最低档，样机用手动式搅拌，搅拌速度约60 r/min，搅拌时间均为8 min，搅拌后观察和面效果。

3.2.4 试验结果

和面效果如图8所示。图8（a）为家用立式和面机的搅拌状态，图8（b）为样机的搅拌状态。由图8可见立式和面机搅拌时产生漩涡，面粉分层离散，搅拌范围小且存在搅拌死角，样机则搅拌均匀。图8（c）为家用立式和面机的搅拌面团，容器底部的面絮颜色更深，说明此部分面絮的含水量比上半部分面絮的高，上半部分有大块且干燥的面团及未能完全吸收水的面粉，搅拌不充分、不均匀。图8（d）为样机搅拌的面团，搅拌的面絮的大小基本一致，搅拌均匀，只有少部分大的面块。研究表明和面过程中面絮吸水是否适当均匀，对面筋结构和面制品品质有重要影响[20]，小颗粒棉絮含量多，则和面均匀且面筋指数和面制品品质会提高[21]。试验结果可得，样机的和面效果良好，可以提高产品的品质。

图8 试验结果

4 结论

将传统设计方法与3D打印先进制造技术相结合，设计并制作可自动或手动和面的手自一体家用和面机。和面机采用卧式结构，主要包括电动部分、滚筒部分、搅拌部分及支撑部分。搅拌部分采用设计的新型搅拌器。设计的和面机结构简单、合理，操作及维护方便。试验结果表明基于3D打印技术设计制作的和面机能明显改善传统立式小型和面机和面不充分、不均匀现象，具有良好的效果。