En choklad 3D-skrivare med dubbla skrivhuvuden och hantering av två typer av choklad

EXAMENS ARBETE

Mekatronikingenjör 180hp

Chocolat3D

En choklad 3D-skrivare med dubbla skrivhuvuden och hantering av två typer av choklad

Carina Bui och Eric Oscarsson

Examensarbete 15hp

F¨ orord

Denna rapport avhandlar utf¨orandet av ett examensarbete p˚a 22 veckor (15 ECTS) som genomf¨orts p˚a halvfart under v˚arterminen 2017, och ¨ar ett frist˚aende arbete utan anknytning till n˚agot f¨oretag.

Examensarbetet ing˚ar som ett avslutande moment f¨or v˚ar h¨ogskoleingenj¨orsexamen inom mekatronik p˚a H¨ogskolan i Halmstad.

Vi vill b¨orja med att s¨aga tack till v˚ar handledare Tommy Salomonsson, f¨or ett bra st¨od genom examensarbetet.

Vi vill ¨aven ge s¨arskilda tack till:

Annika Bui, f¨or st¨od med uppsatsen och korrekturl¨asning.

Thomas Lith´en, f¨or st¨od med material och komponenter.

Rolf Oscarsson, f¨or st¨od med tillverkning av detaljer.

Halmstad, 4 juni 2017.

Sammanfattning

Hur l˚angt sp¨anner sig utvecklingen av 3D-skrivare?

Projektet Chocolat3D syftar till att expandera det hastigt v¨axande anv¨andningsomr˚adet f¨or 3D- skrivartekniken. Genom att utveckla ett nytt 3D-skrivarsystem d¨ar anv¨andaren enbart beh¨over tills¨atta choklad till systemet, b¨orjar skrivaren automatiskt sm¨alta och temperera choklad f¨or att sedan p˚ab¨orja en utskrift. Systemet kan g¨ora en utskrift med tv˚a typer av choklad, och ett koncept f¨or hur reng¨oring av skrivaren ¨ar framtagen.

Projektet best˚ar av tv˚a projektgrupper, d¨ar projektgrupperna har indelade fokusomr˚aden mot mekatronik, respektive data och elektronik. Rapporten avhandlar arbetet som utf¨ors av tv˚a h¨ogskoleingenj¨orsteknologer med inriktning inom mekatronik, p˚a H¨ogskolan i Halmstad.

M˚alet med arbetet ¨ar att identifiera och konstruera de delsystem som beh¨ovs f¨or att modifie- ra en 3D-skrivare framtagen f¨or utskrift med plast, till en 3D-skrivare f¨or utskrift med choklad.

Metoderna som gruppen unders¨oker, utv¨arderar och till¨ampar ¨ar befintliga l¨osningar inom chokla- dindustrin, samt dagens 3D-skrivarteknologi. Tester f¨or metoder presenteras f¨or att g¨ora kritska val f¨or de ing˚aende delsystemen.

Arbetet resulterade i utveckling av fyra delsystem. Skrivaren och designen, som bas f¨or projektet, ett extruderingssystem f¨or utskriften av choklad. Ett tempereringssystem, f¨or automatisk tempere- ring av choklad, samt ett koncept f¨or inv¨andig reng¨oring av skrivaren.

Det ¨ar en kombination av befintliga metoder som bidrar till en innovativ choklad 3D-skrivarprototyp f¨or marknaden inom additiv tillverkning.

Nyckelord: 3D-Skrivare, Additiv tillverkning, Choklad, Extruder, Mekanik, Mekatronik, Skrivare, Temperering, Tredimensionell.

Abstract

How far is it possible to take the 3D-printing technology?

The project Chocolat3D aims to expand the already rapid growing area of use within the 3D- printing technology. By developing a new 3D-printing system where the user only needs to add chocolate to the process, the printer will automatically to melt and temper chocolate and then start the printing process. The system is able to print in two different types of chocolate, and a concept of internal cleaning is developed.

The project consists of two project groups, where the project groups have divided areas of focus between mechatronics, respective software and electronics. This thesis cover the work of two engineering- graduates within mechatronics, at Halmstad University.

The aim of the work is to identify and design the subsystems needed to modify a 3D printer built for printing with plastic, into a 3D printer for printing chocolate. The methods the group investi- gates, evaluates and applies are existing solutions in the chocolate industry, as well as today’s 3D printing technology. Tests for methods are presented to make critical choices for the new subsystems.

The work resulted in the development of four subsystems. The printer and the design, acting as a base for the project. An extrusionsystem, for the printing of chocolate. A temperingsystem, for automatic tempering of chocolate, and aswell a concept for internal cleaning of the printer. It is a combination of existing methods that contribute to an innovative chocolate 3D printer prototype within the additive manufacturing market.

Keywords: 3D-Printer, Additive manufacturing, Chocolate, Extruder, Mechanics, Mechatronics, Printer, Tempering,Three dimensional

Inneh˚ all

F¨orord I

Sammanfattning II

Abstract III

Beteckningar 1

1 Inledning 3

1.1 Bakgrund . . . 3

1.1.1 Liknande produkter . . . 3

1.1.2 Liknande extruderingssystem . . . 4

1.1.3 Liknande tempereringssystem . . . 5

1.2 Syfte och m˚al . . . 6

1.3 Avgr¨ansningar . . . 6

1.4 Problemst¨allningar . . . 6

1.5 Disposition . . . 7

2 Teoretisk referensram 9 2.1 Manipulatorsystem . . . 9

2.1.1 Seriella system . . . 9

2.1.2 Parallella system . . . 10

2.2 Skrivararkitektur . . . 10

2.2.1 Kartesisk . . . 10

2.2.2 Delta . . . 11

2.2.3 Pol¨ar och Scara . . . 11

2.3 Temperering av choklad . . . 12

2.4 Peltierelement . . . 12

2.5 V¨arme¨overf¨oring . . . 13

2.5.1 Fourier’s Lag . . . 14

2.6 Industriell reng¨oringsprocess . . . 15

2.6.1 Clean-in-place . . . 15

2.6.2 Pipeline Inspection Gauge . . . 15

2.7 Motorer . . . 15

2.7.1 Likstr¨omsmotor . . . 15

2.7.2 Stegmotor . . . 16

2.8 Gr¨ansl¨agesgivare . . . 18

2.8.1 Mekanisk ¨andl¨agesbrytare . . . 18

2.8.2 Optisk givare . . . 18

2.8.3 Induktiv givare . . . 18

3 Metod 19

3.1 Allm¨ant . . . 19

3.1.1 Lips . . . 19

3.1.2 Dokumentation och m¨oten . . . 20

3.2 Skrivare och design . . . 20

3.2.1 Datainsamling . . . 21

3.2.2 Genomf¨orande . . . 21

3.3 Extruderingssystem . . . 24

3.3.1 Bowden/Direct . . . 24

3.3.2 Extruderingsmetod av choklad . . . 24

3.3.3 Postionering . . . 27

3.4 Tempereringssystem . . . 28

3.4.1 Omr¨orningsmetod . . . 28

3.4.2 Temperaturhantering . . . 29

3.5 Reng¨oringssystem . . . 30

3.5.1 Datainsamling . . . 30

3.5.2 Genomf¨orande . . . 30

4 Resultat 31 4.1 Resultat av choklad 3D-skrivare med dubbla skrivhuvuden . . . 31

4.2 Resultat av skrivare och design . . . 32

4.3 Resultat av extruderingssystem . . . 33

4.4 Resultat av tempereringssystem . . . 36

4.4.1 Temperaturhantering . . . 36

4.5 Resultat av reng¨oringssystem . . . 39

5 H˚allbar utveckling 41 5.1 Standarder . . . 41

5.2 Ekonomi . . . 42

5.3 Milj¨o . . . 42

5.3.1 Materialval . . . 42

5.3.2 Energif¨orbrukning . . . 42

6 Diskussion 45 6.1 Allm¨an diskussion om projektet . . . 45

6.2 Diskussion om extruderingssystem . . . 45

6.3 Diskussion om tempereringssystem . . . 46

7 Slutsats 49 7.1 F¨orslag p˚a vidareutveckling . . . 49

Referenser 51

Bilagor 51

Beteckningar

ABS Acrylnitril-Butadien-Styrene CAD Computer Aided Design CE Conformit´e Europ´eenne CNC Computer Numerical Control DC Direct Current

FDM Fused Deposition Modeling

ISO International Organization for Standardization PIG Pipeline Inspection Gauge

PLA Polylactic Acid

PLC Programmable Logic Controller RoHS Restriction of Hazardous Substances

Scara Selective Compliance Assembly Robotic Arm SFF Solid Freedom Fabrication

SLA Stereolithography

1 Inledning

Inledningen ger en kortfattad beskrivning av rapportens bakgrund, m˚al och syfte, problemst¨allningar, samt vilka avgr¨ansningar som projektet f¨orh˚aller sig till.

Avslutningsvis presenteras rapportens disposition.

1.1 Bakgrund

Tredimensionell utskrift ¨aven kallat 3D-utskrift ¨ar en additiv tillverkningsprocess, d¨ar produkten byggs lager p˚a lager f¨or att tillverka f¨orem˚al [1]. Additiv tillverkning har f˚att intresse i den akade- miska och industriella v¨arlden, som har resulterat till innovativ forskning och utveckling inom flera arbetsomr˚aden. Prototyper, nyproduktion och reservdelar f¨or b˚ade m¨anniskor och maskiner ¨ar flera exempel, och har i sin tur initierat nyt¨ankande tillverkning [2].

Chocolat3D ¨ar ett projekt f¨or att forts¨atta utveckla bredden av till¨ampningsomr˚aden f¨or 3D- skrivare. Projektet ska resultera en 3D-skrivare, med kapacitet att skriva ut med tv˚a typer av choklad som tempereras av skrivaren, samt ha en integrerad scanning-funktion. Scanning-funktionen grundas p˚a en kamera i skrivaren, d¨ar en ˚ask˚adare ska kunna h˚alla upp ett visitkort, d¨ar textens konturer analyseras, och skrivs ut p˚a en bas av choklad.

N¨ar choklad tempereras f¨or¨andras chokladens molekyl¨ara struktur, och p˚averkar chokladens egen- skaper, exempel sm¨altpunkt, glans och yta, samt dess textur. ¨Andring av materialet f¨or¨andrar till¨ampningsomr˚adet av 3D-skrivaren och med choklad inriktas marknaden mot konditorier, cho- kladtillverkare.

Projektet ¨ar indelat i tv˚a projektgrupper. En projektgrupp ansvarar f¨or h˚ardvara och mekanik, med framtagning av design, konstruktion av skrivaren och utveckling av nya l¨osningar t.ex tankar f¨or choklad. Den andra projektgruppen ansvarar f¨or det inbyggda systemet, med temperaturregle- ring, motorstyrning, programmering och kamerafunktion.

Under utbildningen Mekatronikingenj¨or (180 hp) p˚a H¨ogskolan i Halmstad [3], har teknologernas in- tresse f¨or automatiska system vuxit fram. Automatiska system i olika former har varit centralt under utbildningen, d¨ar teknikutvecklingen har bidragit med innovativa l¨osningar och ett ingenj¨orsm¨assigt t¨ankande.

1.1.1 Liknande produkter

Under h¨ostterminen 2016 utvecklade gruppen ett koncept av en choklad 3D-skrivare i kursen Utvecklingsprojekt (MK6009) [4], p˚a uppdrag av H¨ogskolan i Halmstad. Projektets syfte var att ge gruppen en f¨ordjupad kunskap inom respektive teknikomr˚ade samt till¨agna f¨ardigheter i moderna organisationsformer, utvecklingsmetoder och verktyg som anv¨ands i produktutvecklingsarbete.

Projektet var uppdelat i tre delsystem med avseende p˚a data/elektronik och mekatronik.

Gruppen f¨or mekatronik hade prim¨art ansvar f¨or projektledning samt design och h˚ardvara. Den andra gruppen fokuserade p˚a programmering, och tillverkning av ett specifikt kretskort till skriva- ren. Utvecklingsprojektet resulterade i en skrivare som sm¨alte chokladen direkt i skrivhuvudet, och nyttjade tryckluft f¨or matning av choklad.

F¨oretaget ChocJet startades i Nederl¨anderna, och konstruerar en 3D-skrivare som skriver ut i choklad. Skrivaren ¨ar baserad p˚a flera komponenter med ¨oppen k¨allkod. Skrivhuvudet ¨ar uppbyggt av en chokladtank, d¨ar choklad automatiskt tempereras under kontinuerlig omr¨orning innan ut- skrift. Skrivaren anv¨andas b˚ade f¨or att skriva ut modeller av tredimensionella objekt i choklad, samt tv˚adimensionell text p˚a chokladkakor [5].

Fab@Home bildades ˚ar 2005, och ¨ar ett innovationsprojekt som startades av tv˚a forskare inom maskinteknik samt flyg- och rymdteknik p˚a Cornell University. Syftet med projektet ¨ar att fr¨amja SFF¹-tekniken, genom att ge hobbyister, konstn¨arer och uppfinnare m¨ojligheten att tillverka pro- dukter kostnadseffektivt i sina egna hem. Deras 3D-skrivare ¨ar en av de f¨orsta multiskrivare f¨or allm¨anheten med ¨oppen k¨allkod. Skrivarens verktygshuvud baseras p˚a en spruta, f¨or st¨orre flexibili- tet av material j¨amf¨ort med en extruder f¨or plast [6]. Projektet vidareutvecklades av studenter inom data-, elektro- och maskinteknik fram till 2012. Studenterna ¨oppnade m¨ojligheten att experimentera med olika material bland annat silikon, st˚al, lera och ¨aven mat [7].

1.1.2 Liknande extruderingssystem

I 3D-skrivare som skriver i plast, ¨ar extruderingssystemet det system som sm¨alter och pressar mate- rial genom munstycket, f¨or utskrift av de modeller som ¨ar inmatade. F¨or att skriva ut med choklad beh¨ovs ett nytt extruderingssystem utvecklas.

Gruppen identifierade tv˚a konstruktioner. Den ena konstruktionen kallas ‘ReprapPro Paste Ex- truder’, d¨ar kolven drivs ned˚at i sprutan med en sl¨ade, kopplad till trapettsskruv och motor [8], se figur 1. Den andra har en liknande konstruktion, och ¨ar inspirerad av ‘Syringe Universal Paste Extruder ’ [9], se figur 2. Dessa tv˚a konstruktioner till¨ampar extrudering med positionering utav trapetsskruvar och kan anv¨andas f¨or att g¨ora en utskrift med choklad.

Figur 1: ReprapPro Paste Extruder. Figur 2: Syringe Universal Paste Extruder.

1SFF - Solid Freedom Fabrication

1.1.3 Liknande tempereringssystem

Temperering² ¨ar ett s¨att att behandla choklad i olika temperaturniv˚aer f¨or att erh˚alla en finare textur, och f˚ar att stelna snabbare i rumstemperatur. Den f¨orsta produkten som unders¨oktes var tempereringsmaskiner som redan finns p˚a marknaden. Storleken och kapaciteten p˚a tempererings- maskiner varierar eftersom kommersiella tempereringsmaskiner finns i flera utf¨orande. Temperering kan anv¨andas b˚ade i hemmabruk och temperering p˚a industriell skala [10].

ChocoVision’s Rev 2, se figur 3, ¨ar ett exempel p˚a en mindre tempereringsmaskin med kontinuerlig omr¨orning. F¨or mellanstora tempereringsmaskiner unders¨oktes kontinuerliga tempereringsmaskiner som anv¨ands av exempelvis chokladverkst¨ader [11], se figur 4.

Figur 3: Tempereringsmaskin med rid˚a fr˚an ChocoVision.

Figur 4: Tempereringsmaskin med kontinuerlig temperering.

ChocoVisions Rev 2 ¨ar konstruerad kring en uppv¨armd sk˚al med v¨armarna monterade p˚a sk˚alens undersida. En rid˚a separerar sk˚alen ¨over mitten, som ¨ar kopplad till en motor som l˚angsamt driver rid˚an runt i sk˚alen att chokladen r¨ors om.

Kontinuerliga tempereringsmaskiner ¨ar konstruerade med att chokladen placeras i en liknande st¨orre sk˚al, med v¨armare p˚a undersidan. Chokladen dr¨aneras genom ett h˚al i sk˚alens botten, och drivs med skruvar genom tempereringsmaskinen. I maskinen passerar chokladen olika stadier av uppv¨armning och nedkylning f¨or att tempereras, och tappas sedan tillbaka till sk˚alen med den otempererade chokladen. P˚a s˚a s¨att uppn˚as ett kontinuerligt fl¨ode av tempererad choklad ur maskinens kran [12].

2Se kapitel 2.3 - Temperering av choklad

Kontinuerliga tempereringsmaskiner kan reng¨oras p˚a olika s¨att, exempelvis nyttjar vissa maski- ner is¨arplockning, d¨ar matarskruvar och r¨orliga delar plockas ut ur maskinen och reng¨ors f¨or hand.

Reng¨oringen kan ocks˚a utf¨oras med pumpar som installeras p˚a munstycket och k¨oras med kemika- lier, eller sm¨alt kakaosm¨or, som finns naturligt i choklad.

1.2 Syfte och m˚ al

Syftet med projektet ¨ar att teknologerna ska bevisa och bef¨asta sin kunskap inom mekatronik- omr˚adet, genom att med ingenj¨orsm¨assig metod kritiskt unders¨oka, utveckla och utv¨ardera ett system f¨or 3D-utskrift med choklad. Teknologerna ska kunna till¨ampa teoretiska l¨ardomar med praktiska kunskaper som inh¨amtats under utbildningen.

M˚alet med arbetet ¨ar att ta fram en 3D-skrivare f¨or att till¨ampa en bas f¨or projektet. Identifi- era och utveckla de delsystem som beh¨ovs att f¨or att modifiera en befintlig konstruktion f¨or utskrift av choklad. Minst ett delsystem f¨or motorstyrd extrudering av choklad, och ett f¨or hantering av choklad med sm¨altning, temperering och omr¨orning. Unders¨oka m¨ojligheter f¨or reng¨oring inf¨or eventuell vidareutveckling av projektet.

1.3 Avgr¨ ansningar

Projektet kommer att avgr¨ansas till

• Utveckling av projektet ¨ar huvudsakligen ur ett mekatroniskt perspektiv

Mjukvara och elektronik kommer prim¨art att utvecklas av en parallell projektgrupp.

• Utveckling av ett reng¨oringssystem kommer begr¨ansas till konceptniv˚a

Ett reng¨oringssystem ska enbart unders¨okas och utv¨arderas, kommer inte till¨ampas p˚a projektet.

• Projektet begr¨ansas till en budget av maximalt 15.000kr, f¨ordelat ¨over tv˚a examensarbeten Projektet ska utvecklas i samarbete med ytterligare ett projektarbete, d¨ar budgeten delas ¨over grupperna.

1.4 Problemst¨ allningar

I problemst¨allningar formuleras de fr˚agor och nyckelpunkter som projektarbetet kommer att avhandla.

• Unders¨oka och utveckla ett system f¨or 3D-utskrift av tv˚a typer av choklad.

Befintliga l¨osningar p˚a 3D-skrivare, extruderingssystem och tempereringssystem ska unders¨okas och utvecklas.

• Identifiera ett responsivt system f¨or uppv¨armning av choklad.

Tag fram fl¨odesanalyser och bed¨omningar f¨or olika materialval.

• Unders¨oka ett koncept f¨or ett reng¨oringssystem.

Befintliga metoder f¨or reng¨oring av choklad f¨or ledningar och munstycken ska unders¨okas och

1.5 Disposition

Rapporten delas in i f¨oljande disposition.

• Kapitel 1: Inledning

I detta kapitel presenteras en bakgrund och liknande produkter p˚a marknaden f¨or arbetet.

H¨ar specificeras ¨aven m˚al och syfte, vilka avgr¨ansningar som projektet g¨or, samt vilka upp- satsen riktar sig mot.

• Kapitel 2: Teoretisk referensram

I referensramen redovisas uppsatsens teoretiska bakgrund och ¨ar en insamling av skriftligt material.

• Kapitel 3: Metod

Det tredje avsnittet behandlar metoddelen f¨or rapporten. H¨ar beskrivs hur eventuella unders¨okningar ¨ar gjorda och vilka angreppss¨att som har anv¨ants. Tillv¨agag˚angss¨att och insamling av data presenteras h¨ar.

I avsnitten 3.3, 3.4 och 3.5 ¨ar det f¨ordelaktigt att ha bilaga D - Testspecifikation till hands.

• Kapitel 4: Resultat

H¨ar redovisas alla hittills n˚adda resultat av projektet, d¨ar samtliga fr˚agest¨allningar ¨ar besva- rade.

• Kapitel 5: H˚allbar utveckling

Detta kapitlet handlar om samh¨allskrav inom livsmedelproduktion. Standarder och milj¨ofr˚agor redovisas h¨ar.

• Kapitel 6: Diskussion

I diskussionen j¨amf¨ors metoder och referensramar med resultatet, och framh¨aver f¨or- och nackdelar med projektet. Alternativa l¨osningar presenteras ¨aven h¨ar.

• Kapitel 7: Slutsats

Egna slutsatser och reflektioner knyter ihop arbetet, och presenterar ¨aven f¨orslag p˚a f¨orb¨attring f¨or fortsatt vidareutveckling.

2 Teoretisk referensram

I detta kapitel presenteras relevanta teorier inom mekatronik d¨ar olika begrepp, modeller, processer och systemidentifiering behandlas. Teorin baseras p˚a b˚ade litteratur och vetenskapliga artiklar inom teknikomr˚adet.

2.1 Manipulatorsystem

Manipulatorsystem anv¨ands f¨or att styra positionering av ett objekt i relation till ett plan. Det ¨ar en viktig komponent f¨or tillverkning och anv¨ands brett inom industri, f¨or exempel positionering av ett svetsverktyg eller montering av komponenter. Ett manipulatorsystem har en best¨amd frihetsgrad, som beskriver hur r¨orligt ett system ¨ar. F¨or att f¨orflytta ett objekt utmed x-, y- och z-axlarna i ett rum kr¨avs minst tre frihetsgrader. Rotation kring de tre axlarna tillkommer som ytterligare tre frihetsgrader f¨or punkten.

2.1.1 Seriella system

Seriella manipulatorsystem best˚ar av en fixerad bas med en serie av axlar l¨ankade via leder och ut- rustas i den fria ¨anden med verktyg eller slutstycke. Till skillnad fr˚an parallella manipulatorsystem,

¨ar det seriella systemet inte en st¨angd loop. F¨or att uppn˚a tredimensionell orientering med slut- stycket, finns det st¨alldon som ¨ar kopplade till varje axel [13]. Det ¨oppna systemet ¨ar f¨ordelaktigt f¨or dess l˚anga r¨ackvidd, flexibilitet och f¨orm˚aga att komma ˚at relativt tr˚anga utrymmen, se figur 5.

Figur 5: Seriellt manipulatorsystem med 6 frihetsgrader.

Nackdelen med seriella manipulatorsystem ¨ar att de har l¨agre stelhet vid slutstycket, p˚a grund av h¨avarmskonstruktionen. Systemet kan vibrera vid slutstycket vid h¨oga hastigheter, vilket kan leda till minskad noggrannheten [14]. Seriella robotarmar med sex leder och sex frihetsgrader av r¨orlighet, anv¨ands ofta inom industrin och p˚a monteringslinjer. Scara³ ¨ar ¨annu ett exempel p˚a en seriell robotarm med fyra frihetsgrader av r¨orlighet [15][16].

3Scara - Selective Compliance Assembly Robotic Arm

2.1.2 Parallella system

I parallella manipulatorsystem agerar systemets leder parallellt med varandra, vilket resulterar i en styv och noggrann konstruktion som kan h˚alla f¨or stora laster. Den mest vanliga parallella ma- nipulatorn kallas f¨or Stewart Platform, och ¨ar kopplad med tv˚a stela kroppar via sex linj¨ara och parallella st¨alldon. R¨orelsen f¨or en av kropparna, specifikt f¨or plattformen, erh˚alls genom placering av de linj¨ara st¨alldonen, se figur 6. Det finns 3D-skrivare som nyttjar parallella manipulatorsystem f¨or utskrift, exempelvis Delta-skrivare eller CoreXY-systemet [14].

Figur 6: Parallellt manipulatorsystem med 3 frihetsgrader.

2.2 Skrivararkitektur

Det finns olika arkitekturer f¨or 3D-skrivare med FDM⁴ beroende p˚a anv¨andaromr˚ade. Begreppet FDM ¨ar en process som tar materialet, vanligtvis plast, och pressar ut det genom ett munstycke som

¨ar skrivhuvudet. Materialet l¨aggs sedan i tunna lager f¨or att skapa 3D-objekt som byggs nerifr˚an och upp p˚a en plattform. De tv˚a vanligaste systemen f¨or 3D-skrivare kallas f¨or Kartesiska systemet och Delta systemet. Det finns ¨aven systemen Pol¨ar och Scara. Skillnaden mellan arkitekturer ¨ar fr¨amst hur skrivaren arbetar p˚a olika s¨att att navigera skrivhuvudet [17].

2.2.1 Kartesisk

Det kartesiska koordinatsystemet anv¨ander sig av de tre dimensionerna X, Y och Z. Munstycket f¨orflyttas linj¨art utmed alla axlar, det vill s¨aga X-, och Y-led f¨orflyttas horisontellt utmed skriv- plattans plan, och r¨or sig i vertikalt i Z-led, se figur 7. Anv¨andningen av det kartesiska systemet

¨ar ett av de vanligaste systemen som avg¨or var och hur skrivhuvudet ska g˚a i relation till skriv- plattan. Detta systemet ¨ar enkelt f¨or den mekaniska konstruktionen, samt enklare att underh˚alla.

MakerGear Prusa Mendal, MakerBot och Ultimaker ¨ar flera exempel med egenskapen kartesiskt koordinatsystem [18].

4FDM - Fused Deposition Modeling

Figur 7: Illustration ¨over det kartesiska koordinatsystemet.

2.2.2 Delta

Delta-systemet ¨ar ett parallellt manipulatorsystem, som liknar pick-and-place applikationerna som till¨ampas i industrin. Denna arkitektur har en station¨ar plattform och en extruder som r¨or sig i tre axlar. Extrudern r¨or sig i triangul¨ar konfiguration med hj¨alp av ledst¨anger, som i sin tur har varsin arm som ¨ar anslutna till skrivhuvudet [19]. F¨ordelen med detta system ¨ar att den kan g¨ora h¨oga objekt med hj¨alp av dess armar. Systemet ¨ar ¨aven utformat f¨or hastighet och har en plattform som

¨

ar stillast˚aende [20].

2.2.3 Pol¨ar och Scara

Det pol¨ara koordinatsystemet liknar det kartesiska systemet. Skillnaden ¨ar att upps¨attningarna av koordinater beskriver punkter p˚a ett cirkul¨art rutn¨at ist¨allet f¨or kvadratiskt, se figur 8. Det inneb¨ar att skrivplattan kan rotera, samt vara f¨orsett med ett skrivhuvud som f¨orflyttar sig utmed de tre axlarna.

Figur 8: Illustration ¨over det pol¨ara koordinatsystemet.

Scara ¨ar ¨annu ett exempel p˚a arkitektur f¨or 3D-skrivare, best˚aende av en seriellt manipulerad robotarm, och kan j¨amf¨oras med en industrirobot p˚a exempelvis en monteringslinje f¨or bilar [21].

2.3 Temperering av choklad

Tempereringsprocessen best˚ar av tre grundl¨aggande steg. F¨orst startar en uppv¨armning av choklad och sm¨alter fettkristallerna i kakaosm¨oret, sedan kyls chokladen ned f¨or att bilda en mer strukture- rad upps¨attning av kristallerna. Chokladen v¨arms upp igen f¨or att sm¨alta instabila kristaller, s˚a att endast ¨onskv¨arda stabila kristaller ˚aterst˚ar. Genom att bearbeta chokladen i temperaturintervaller resulterar det till att kakaosm¨oret i chokladen kristalliseras j¨amnt. Beroende p˚a om det ¨ar m¨ork, mj¨olk eller vit choklad, varierar temperaturintervallerna [22], se tabell 1.

De stabila kristallerna i kakaosm¨oret styr chokladens egenskaper, exempelvis textur, utseende och kan bidra till en glansigare yta. Tempererad choklad ska f¨orst sm¨alta inne i munnen, d˚a de stabila kristallerna ska f¨orhindra att chokladen sm¨alter i rumstemperatur (15-28^◦C) [23].

Tabell 1: Temperatur f¨or temperering av olika typer av choklad.

Typ av choklad Sm¨alttemperatur Avsvalningstemperatur Tempereringsintervall

M¨ork 45-50^◦C 28-20^◦C 31-32^◦C

Mj¨olk 40-45^◦C 27-28^◦C 30-31^◦C

Vit 38-43^◦C 24-25^◦C 27-28^◦C

2.4 Peltierelement

Peltierelement ¨ar termoelektriska komponenter som nyttjar peltiereffekten f¨or att skapa en tempera- turdifferens mellan b˚ada sidorna av elementet. Genom att leda en elektrisk str¨om genom elementets skiljare, absorberar v¨arme-elementet fr˚an sin omgivning och blir kylt, medans p˚a andra sidan avger det sin v¨arme och blir varmt.

Den grundl¨aggande principen om peltiereffekten ¨ar att sammanfoga tv˚a ¨amnen, ett N-dopat och ett P-dopat, med olika elektrondensitet. Det N-dopade ¨amnet har en st¨orre koncentration av fria elektroner, och det P-dopade ¨amnet har fler h˚al, f¨or elektroner att bindas i, ¨an vad det har bundna elektroner [24]. N¨ar det P- och N-dopade ¨amnen kopplas samman i serie, och en sp¨anning tills¨atts, genereras str¨om fr˚an P till N beroende p˚a polaritet, via kopplingen, se figur 9. Elektroner ¨ar ne- gativt laddade och drar b˚ade elektroner och h˚al i respektive ¨amne n¨armare kopplingen. Det bidrar till att antalet sammanslagningar av h˚al och elektroner ¨okar, samt att energi avges i processen och omvandlas till v¨arme. Om polariteten ¨over kopplingen v¨axlas flyter elektronerna och h˚alen iv¨ag fr˚an kopplingen, och resulterar i f¨arre sammanslagningar och omr˚adet blir nedkyld.

Figur 9: Illustration av Peltiereffekten.

Ett peltierelement anv¨ander peltiereffekten genom att konstrueras med alla kopplingar d¨ar str¨ommen flyter fr˚an P till N p˚a en sida av elementet, och alla kopplingar d¨ar str¨ommen flyter fr˚an N till P p˚a andra sidan av elementet. Det resulterar till att v¨arme f¨ors ¨over fr˚an ena sidan av elementet, till den andra, n¨ar elementet sp¨anningss¨atts och v¨axlar h˚all p˚a v¨arme¨overf¨oringen i samband med att polariteten skiftar [25].

2.5 V¨ arme¨ overf¨ oring

V¨arme¨overf¨oring ¨ar transport av v¨armeenergi som kan ske i tre olika s¨att som ledning, konvektion och str˚alning. V¨arme¨overf¨oring sker p˚a grund av temperaturskillnader mellan tv˚a kroppar eller inom samma kropps olika delar. Vid v¨armefl¨ode genom en plan v¨agg sker ¨overf¨oringen av v¨arme genom ledning och konvektion [26].

Konvektion ¨ar en process som sker n¨ar v¨atska eller gas kommer i kontakt med en solid yta med en temperaturskillnad, och sker mellan olika media. Ett exempel p˚a konvektion kan vara i en bastu, d¨ar den varma luften avger v¨arme. Den varma luften som str¨ommar mot huden k¨anns varmt, vilket beror p˚a att det kommer ny varm luft som ers¨atter den luft som redan avgivit v¨arme. V¨arme¨overf¨oringen genom konvektion kan ¨aven f¨orb¨attras genom ¨okad lufthastighet och resulterar att mer v¨arme kan

¨overf¨oras [27].

V¨arme¨overf¨oring genom ledning ¨ager rum i fasta, flytande eller gasformiga medier. Partiklar i ett medium som besitter h¨ogre temperatur och d¨armed har st¨orre r¨orelseenergi ¨overf¨or sin energi till n¨arliggande partiklar med l¨agre temperatur, vilket resulterar till en utj¨amning av temperaturen [28].

Transport av energi utan hj¨alp av n˚agot medium kallas f¨or str˚alning och beskrivs ofta som en v˚agr¨orelse eller som en partikelstr¨om. V¨armestr˚alning ¨ar elektromagnetisk str˚alning i ett specifikt v˚agl¨angdsintervall d¨ar energi ¨overf¨ors med ljusets hastighet.

2.5.1 Fourier’s Lag

V¨armeledning i plana skikt ¨ar en kombination av konvektion och ledning. V¨arme¨overf¨oring fr˚an det varma mediet till v¨aggen p˚a den varma sidan ¨ar konvektion. V¨armeledning genom v¨aggen ¨ar ledning [27]. Den klassiska linj¨ara teorin f¨or v¨armeledning i material b¨orjar med Fourier’s lag [29], se ekvation 1.

P =

Ekvation 1: Fourier’s Lag.

d¨ar:

P = m¨angden v¨armefl¨ode genom v¨aggen [W]

λ = v¨armekoefficienten [_m^W2 ∗ K]

A = Area [m²]

TH = temperaturen p˚a den varma sidan [K]

TC = temperaturen p˚a den kalla sidan [K]

δ = materialets tjocklek [m]

Antag en v¨agg av ett homogent skikt med tjockleken, och materialet i v¨aggen har en v¨armeledningsf¨orm˚aga.

P ¨ar v¨armefl¨odet ¨ar vinkelr¨att mot skiktet fr˚an den varma sidan till den kalla sidan, med en tem- peraturskillnad TH− TC, se figur 10 [30, 28].

Figur 10: Plant skikt med v¨arme¨overing fr˚an varm sida till kall sida.

2.6 Industriell reng¨ oringsprocess

2.6.1 Clean-in-place

Clean-in-place ¨ar en automatisk process f¨or reng¨oring av insidan av r¨or, tankar, processutrustning och tillh¨orande tillbeh¨or utan att operat¨oren ska beh¨ova demontera utrustningen [31]. Denna me- toden har funnits i cirka 50 ˚ar och anv¨ands vanligtvis inom hygien-kritiska industrier, s˚asom mat, dryck och l¨akemedel.

CIP -processen best˚ar vanligen av ett f¨orsta sk¨oljningssteg, ofta med vatten, f¨oljt av en eller tv˚a specifika kemiska tv¨attar med hj¨alp av tv¨attmedel, starka alkalier eller syror. Efter varje kemisk applikation ¨ar det vanligtvis en mellanliggande sk¨oljning f¨or att avl¨agsna rester av f¨oreg˚aende ke- mikalier eller reng¨oringsmedel. Olika produkter och processer kr¨aver anpassade reng¨oringsniv˚aer, reng¨oringstemperaturer, styrkor och m¨angder kemikalier som anv¨ands.

Till exempel anv¨ander flera processer vatten f¨or sk¨oljning, men f¨or chokladproduktion ¨ar vatten ol¨ampligt om det inte ¨ar installerat ett torksystem, d˚a vatten f˚ar choklad att klumpas och att bli grynig [32][33].

2.6.2 Pipeline Inspection Gauge

Pipeline Inspection Gauge, PIG, ¨ar en process som kan utf¨oras innan CIP-processen f¨or att grov- reng¨ora r¨or och ledningar. I r¨orsystemet f¨orvaras pigen i en av grenarna i en Y-korsning, d¨ar den tillsammans med sitt startstation ¨ar monterad. Pigen ¨ar en projektilformad cylinder, med en diame- ter som ¨overstiger r¨orets diameter, och materialet kan variera men g¨ors ofta i polyuretan-plast/skum eller i dornformerade st˚aldiskar [34].

Pigen dras genom r¨orsystemet med vajer, eller trycks igenom med tryckluft, och puttar med sig v¨atska och ¨overblivet material som fastnat p˚a r¨orens insida fram till en t¨omningsstation d¨ar v¨atskan dumpas och pigen ˚aterv¨ander sen till sin startstation. Att dra en pig genom r¨orsystemet samlar upp material som kan ˚ateranv¨andas, minskar m¨angden vatten och kemikalier som beh¨ovs f¨or CIP- processen och sparar tid. Pigen kan ¨aven utrustas med sensorer och m¨atinstrument som analyserar r¨orsystemet, och ger en detaljerad bild av r¨orens skick p˚a insidan samt vart eventuella problem- omr˚aden finns [32].

2.7 Motorer

2.7.1 Likstr¨omsmotor

En likstr¨omsmotor, ¨aven kallad DC⁵-motor, best˚ar av en fast del kallad stator och en r¨orlig del kallad rotor som kan rotera och ¨ar den del som kopplas till en axel f¨or att kunna utvinna mekanisk drivkraft. F¨or att tillf¨ora rotorn elektrisk energi kr¨avs borstar och en kommutator, se figur 11.

Statorn best˚ar av statorring, huvudpoler och kommuteringspoler. P˚a statorringen sitter den vrid- bara borstbryggan med borstarna. P˚a rotornaxeln sitter kommutatorn och ett laminerat pl˚atpaket i vars sp˚ar rotorlindningen ¨ar f¨orlagd [35].

5DC - Direct current

Lindningarna brukar delas upp i f¨alt- respektive armaturlindningar. F¨altlindningarnas uppgift ¨ar att generera ett magnetf¨alt f¨or att driva motorn. Armaturlindningarna skapar ett magnetf¨alt som beror p˚a motorns last. Kommutatorn ¨ar som ett band av ytor med ledande respektive isolerande material som l¨oper runt axeln, som ¨ar kopplade till olika delar av armaturlindningarna. Genom att borstarna glider mot kommutatorn uppst˚ar en kontakt, och startar fungera som en switch som har i uppgift med att periodiskt byta riktning p˚a str¨ommen i armaturlindningarna. Det finns olika typer av DC-motorer, exempelvis elektromagnetiska, permanentmagnetiserade, borstl¨osa motorer och seperatmagnetiserade [36].

Figur 11: Illustration av DC-motor.

F¨or att m¨ata en position kan en roterande avkodare till¨ampas p˚a DC-motorer. En avkodare ¨ar en elektromagnetisk anordning som omvandlar vinkelposition eller r¨orelsen hos en axel till en analog eller digital kod. Genom att m¨ota vinkelf¨or¨andringen i pulser kan d¨arf¨or en avkodare anv¨ands i applikationer som kr¨aver en exakt position [35].

2.7.2 Stegmotor

Stegmotorer ¨ar en likstr¨omsmotor som r¨or sig i steg med hj¨alp av dess spolar. Vid varje str¨ompuls som matas in i stegmotorn, vrider sig rotorn ett steg. R¨orelseriktningen best¨ams av hur pulserna matas in i motorn och hastigheten av antalet pulser per tidsenhet, se figur 12, 13. Den ¨ar b˚ade snabb p˚a att starta och stoppa och kan ge stora moment utan att beh¨ova utnyttja v¨axell˚ada [37].

Figur 12: Stegmotor NEMA 17.

Figur 13: Aktiverade spolar som motsva- rar ett steg.

En stegmotor anv¨ands vid precisionsr¨orelse eller hastighetsreglering, exempelvis 3D-skrivare och CNC⁶-fr¨asar, d¨ar det kr¨avs korta start- och stopptider. F¨ordelen med en stegmotor ¨ar att den kan hantera l˚aga varvtal i j¨amf¨orelse med likstr¨omsmotorer. En stegmotor har h¨ogsta vridmoment vid l˚aga hastigheter och d¨arf¨or till¨ampas motorn f¨or applikationer med h¨og precision. Nackdelen ¨ar att motorn ¨ar beroende av belastningen och har en tendens att bli ¨overhettad. D˚a l¨aget best¨ams av antalet pulser till motorn, beh¨ovs normalt ingen ˚aterkoppling f¨or kontroll av slutposition. Det st¨aller krav p˚a styrelektroniken som matar motorn med l¨ampliga pulser f¨or att kunna stega fram r¨att antal pulser. D¨arf¨or beh¨ovs fler komponenter, exempelvis mekaniska brytare f¨or att etablera en referenspunkt [38].

6CNC - Computer Numerical Control

2.8 Gr¨ ansl¨ agesgivare

2.8.1 Mekanisk ¨andl¨agesbrytare

En mekanisk brytare ¨ar en typ av momentkontaktbrytare och anv¨ands allm¨ant i fordon-, industri- och medicintekniska instrument som sensor. Genom att tillf¨ora en fysisk kontakt kan den mekaniska brytaren, ¨aven kallad mikrobrytare, k¨anna av ett f¨orem˚als n¨arvaro. Mikrobrytaren l¨ampar sig bra f¨or detektering av f¨orem˚al d¨ar mindre man¨overkraft kr¨avs. Man¨overdonet p˚a dessa omkopplare har ofta ett g˚angj¨arnshjul placerat ¨over en tryckknapp. Omkopplaren anv¨ands i stor utstr¨ackning i styrsystemstill¨ampningar som d¨orrl˚as, s¨akerhetsbrytare i hissar, automater, etc [39].

2.8.2 Optisk givare

En optisk sensor m¨ater den fysikaliska kvantiteten av ljus, fr˚an en eller flera k¨allor, och ¨overs¨atter den uppm¨atta m¨angden till elektroniska signaler som kan tolkas av integrerad m¨atutrustning. Sensorn detekterar f¨orem˚al genom att s¨anda ut ljus fr˚an en fotodiod eller laser, och j¨amf¨ors kontinuerligt av sensorn. N¨ar ett f¨orem˚al bryter eller reflekterar sensorns str˚ale sl˚as en brytarkrets till eller fr˚an, och en elektrisk signal sl˚as p˚a. Fotokonduktiva sensorer m¨ater skillnaden i ljus, och ger signal i form av skillnad i resistans, medans fotodioder tolkar inkommande ljus till en utg˚aende str¨om. Fotosensorer anv¨ands d¨ar kontaktl¨os detektering, ber¨akning eller positionering av f¨orem˚al beh¨ovs [40].

2.8.3 Induktiv givare

Induktiva givare ¨ar kontakt-, och ber¨oringsl¨osa givare. Dem har inga interna mekaniska delar, vilket g¨or dem robusta och ger dem en l˚ang livstid. Sensorn matar str¨om genom en oscillator som genererar ett h¨ogfrekvent magnetiskt f¨alt framf¨or givaren. N¨ar ett f¨orem˚al n¨armar sig magnetf¨altet s˚a genererar f¨altet en induktiv elekromagnetisk str¨om i f¨orem˚alet och oscillatonerna d¨ampas. En krets j¨amf¨or de d¨ampade oscillationerna, och n¨ar ett tr¨oskelv¨arde uppn˚as sl˚ar en brytarkrets till och en signal skickas fr˚an sensorn, se figur 14. En induktiv str¨om beh¨over fl¨oda genom f¨orem˚alet f¨or att f¨orem˚alet ska kunna detekteras, vilket begr¨ansar induktiva givare till att k¨anna f¨orem˚al av exempelvis metall. Sensorn fungerar bra i dammiga och smutsiga milj¨oer, och anv¨ands i stor utstr¨ackning inom bland annat tillverkningsindustrin, milit¨ara applikationer och inom flyg. [41].

3 Metod

I metodavsnittet beskrivs studiens tillv¨agag˚angss¨att och hur insamling av data har genomf¨orts. En presentation om till¨ampning av metodval och beslut kommer ¨aven att presenteras i detta avsnitt.

3.1 Allm¨ ant

Arbetet best˚ar av h˚ardvara och systemidentifiering f¨or framtagning av ny design, konstruktion av skrivare och tillverkning av de ing˚aende systemen, se bilaga A - Projektplan. En ¨overgripande tids- plan ¨over arbetet skapades med hj¨alp av ett gantt-schema⁷, f¨or en grov planering och utformning av kommande arbete, se bilaga C - Tidsplan.

F¨or att b˚ada grupperna skulle f˚a insyn i varandras arbeten utformades en system¨oversikt, som togs fram tillsammans av grupperna med hj¨alp av systemskisser. En gemensam kravspecifikation har tagits fram, d¨ar funktionella samt icke-funktionella krav f¨or hela systemet redovisas, se bila- ga B - Kravspecifikation. Kraven kommer att testas och utv¨arderas med hj¨alp av en gemensam testspecifikation, som gruppen tagit fram, se bilaga D - Testspecifikation.

3.1.1 Lips

Arbetet har anv¨ant sig av projektmodellen, Lips, f¨or att driva utvecklingen fram˚at. En projektmo- dell ¨ar ett ramverk f¨or hur en organisation ska hantera och utf¨ora ett projekt. Den kan inneh˚alla regler, roller, fl¨oden, aktiviteter och dokument [42]. Modellen inneh˚aller tre olika faser, f¨ore, under och efter utf¨orandet av projektet, d¨ar beslutspunkter⁸och milstolpar⁹ best¨ams f¨or att f˚a projektet n˚a sitt m˚al.

Fasen f¨ore handlar om att planera krav och f¨orstudier genomf¨ors. Under projektets g˚ang, utf¨ors design och implementering, samt eventuella tester av metod f¨or att f˚a fram b¨asta l¨osning. Efter projektet ¨ar f¨ardigst¨allt sker levereras av utf¨ort arbete och arbetet utv¨arderas [43], se figur 15.

Figur 15: Lips-modellen.

7gantt-schema - tidsplan i ett projekt

8beslutspunkter - s¨atts av projektledare och best¨allare, avg¨or riktning f¨or projektet

9milstolpar - m¨atbar h¨andelse i projektet, s¨atts av projektledare och medlemmar

3.1.2 Dokumentation och m¨oten

Gruppen har anv¨ant en gemensam Google Drive f¨or att p˚a enkla m¨ojliga s¨att ha tillg˚ang till samtlig dokumentation, projektplanering och arbetsresurser, exempelvis ritningsarbete och loggbok. Hand- ledarm¨ote intr¨affade i samr˚ad med handledare f¨or rapportering av veckans arbete samt r˚adgivning.

Detta genomf¨ordes minst en g˚ang i veckan d¨ar deltagarna bestod av studenter inom data, elektro och mekatronik.

Alla m¨oten och beslut ¨ar gemensamt framtagna och dokumenterade av samtliga medlemmar. He- la gruppen har haft ett till flera m¨oten per vecka, f¨or att ta beslut eller f¨or att l¨osa uppst˚aende problem. Projektet har utvecklats p˚a FabLab, H¨ogskolan i Halmstad.

3.2 Skrivare och design

Design och konstruktion f¨or skrivaren har delats upp i fyra delsystem:

• Mekanisk konstruktion - Arkitektur och r¨orelse av skrivare.

• Tempereringssystem - Konstruktion f¨or omr¨orning och temperaturhantering av choklad.

• Extruderingssystem - System och konstruktion f¨or extrudering.

• Reng¨oringssystem - Framtagning av koncept f¨or intern reng¨oring av skrivaren.

Systemet ska hantera tv˚a typer av choklad, se bilaga A - krav 11. F¨or att uppn˚a hantering av tv˚a typer av choklad underl¨attades arbetsfl¨odet inom projektet genom att l¨agga fokus p˚a att utveckla en konstruktion av respektive delsystem, utv¨ardera den och d¨arefter duplicera.

Arbetsprocessen f¨or varje delsystem kan delas upp i tre stadier, design, ritning och utf¨orande.

F¨orsta stadiet handlar om id´eframtagning, skisser och f¨orslag av principer, f¨or att sedan diskute- ras och grunda ett gemensamt beslut f¨or fortsatt arbete. M˚atts¨attning och CAD¹⁰-arbetet tillh¨or ritningsstadiet, d¨ar delarna ¨ar ritade i SolidWorks¹¹, f¨or att ritningsprogrammet ingick som ett delmoment i kursen, Design av mekatroniska system [44], under h¨ostterminen 2016. Prototypdetal- jer f¨or testning togs fram med 3D-skrivare p˚a FabLab, f¨or att sedan utv¨arderas och anpassas till respektive delsystemen, se figur 16.

Figur 16: Arbetsprocessen f¨or framtagning av delsystem.

10CAD - Computer Aided Design

11SolidWorks - konstruktion-programvara

3.2.1 Datainsamling

Under h¨ostterminen 2016 utf¨orde gruppen en f¨orunders¨okning av principer f¨or remdragning i 3D- skrivare, f¨or f¨orflyttning av skrivhuvud. Systemet D-bot CoreXY till¨ampades p˚a den skrivaren, som

¨

ar ett parallellt manipulatorsystem, och inspirerades fr˚an open source-projektet, “D-Bot CoreXY 3D Printer”[45]. Inf¨or detta arbete beslutade gruppen att anv¨anda sig av en annan metod, d˚a gruppen kunde dra l¨ardomar och slutsatser fr˚an f¨oreg˚aende utvecklingsprojekt.

F¨or Chocolat3D beslutades att det kartesiska koordinatsystemet skulle anv¨andas, p˚a grund av att systemet ¨ar enkelt f¨or den mekaniska konstruktionen. Det var ¨aven ett av gruppens design krav, se bilaga A - krav 28, samt ett bekant system som anv¨ants i tidigare projekt. Prototypen har inte som prioritet att skriva ut snabba eller h¨oga figurer, s˚aledes beslutades att Delta inte var en skrivare som ans˚ags l¨amplig f¨or kommande arbete.

3.2.2 Genomf¨orande

Vid ink¨op av en 3D-skrivare identifierade grupperna ett par egenskaper som ans˚ags viktiga f¨or utf¨orandet av projektarbetet. Det som fr¨amst j¨amf¨ordes var priset, f¨or att kunna till¨agna en st¨orre del av budgeten p˚a de komponenter och system som skulle utvecklas. Ytterligare synpunkter ang˚aende skrivarens modifiering unders¨oktes, f¨or att kunna byta ut och konstruera exempelvis nya skrivhuvuden, installera delsystem och anpassa skrivaren f¨or den andra gruppens elektronik samt processor. Storlek och vikt v¨agdes in i j¨amf¨orelse f¨or transport och f¨orflyttning av skrivaren.

Beslutet om att skrivaren skulle vara m¨ojlig att kapsla in best¨amdes ur ett h¨alsoperspektiv, med avseende f¨or vidareutveckling och f¨or att kunna uppfylla standarder f¨or livsmedelshantering. Efter f¨orunders¨okningarna reducerades valet till prim¨art tv˚a modeller av 3D-skrivare som ans˚ags l¨ampliga f¨or projektet. Valet stod mellan ‘3D-skrivare FlashForge Finder’ och ‘3D-skrivare byggsats Velle- man K8200’, d˚a b˚ada konstruktionerna var inom projektets budget f¨or skrivare och ¨ar baserat p˚a det kartesiska koordinatsystemet. Nedan finns en j¨amf¨orelse mellan det tv˚a typerna f¨or att kunna j¨amf¨ora val av skrivare, se tabell 2.

Tabell 2: J¨amf¨orelse mellan Velleman K8200 och FlashForge Finder.

FlashForge Finder

FlashForge Finder ¨ar en l¨attanv¨and och kompakt 3D-skrivare av arkitekturen H-bot. Chassit best˚ar av ABS¹²-plast f¨or att ge optimal stabilitet och funktion. Skrivaren har en inbyggd LCD-sk¨arm och modeller ¨overf¨ors via USB-kabel, USB-minne eller WiFi. Den anv¨ander sig av det kartesiska koordinatsystemet, d¨ar skrivhuvudet r¨or sig i x- och y-led [46]. Utskriftsplattan r¨or sig i z-led och

¨ar ¨aven l¨ostagbar, se figur 17.

Figur 17: FlashForge Finder r¨orelem¨onster.

FlashForge Finder best¨alls f¨ardigmonterad, och ¨ar delvis inkapslad. Det inneb¨ar mindre arbete f¨or att fullf¨olja inkapslingen, men begr¨ansar h¨ojden f¨or ett nytt skrivhuvud. LCD-displayen ing˚ar till skrivaren med en touch-funktion. Den befintliga skrivaren ans˚ags inte modifierbar p˚a grund av den formsprutade konstruktionen. Skrivhuvudet kunde inte till¨ampa extrudering av choklad, samt att skrivplattan var begr¨ansad till den befintliga mekaniska konstruktionen.

Velleman

3D-skrivaren fr˚an Velleman K8200 levereras som en byggsats och kr¨aver montering innan anv¨andning.

Den ¨ar konstruerad med ett ramverk av aluminiumprofil, vilket till˚ater f¨orenklad modifiering, och ger utrymme f¨or gruppen att fritt anpassa ramen efter tillkommande delsystem. Skrivaren anv¨ander sig av det kartesiska koordinatsystemet och har en uppv¨armd utskriftsplatta som r¨or i x- och y- led, medan skrivhuvudet r¨or sig i z-led, se figur 18. Skrivhuvudet f¨orflyttas endast i z-led, vilket ans˚ags f¨ordelaktigt f¨or projektet. Detta resulterar att noggrannheten vid f¨orflyttning av x-led och y-led inte p˚averkas av skrivhuvudets massa, samt till˚ater beh˚allare f¨or choklad att positioneras p˚a skrivhuvudet.

Figur 18: Velleman K8200 r¨orelsem¨onster.

Det befintliga skrivhuvudet ¨ar avsett f¨or 3 mm PLA¹³ och ABS-plast, och ans˚ags inte modifierbar f¨or att effektivt kunna till¨ampa extrudering av choklad. Den uppv¨armda utskriftsplattan ersattes av en glasskiva, och till˚ater extra kylning f¨or chokladen ifall extruderingen inte stelnar inom tillr¨acklig tid.

13PLA - Polylactic Acid

3.3 Extruderingssystem

En extruder ¨ar den delen p˚a skrivaren som driver fram materialet f¨or att bygga lager p˚a plattformen.

I en 3D-skrivare best˚ar extruderingen av tv˚a steg, kall-extrudering och varm-extrudering. Den kalla extruderingen tvingar fram plast med hj¨alp av ett kugghjul, kullager och en stegmotor. Plasten f¨ors vidare genom den varma extruderingen, d¨ar den matas in i ett sm¨alt-omr˚ade och v¨arms upp till 180-220 grader. som sedan deponeras ut ur munstycket. Denna metoden kan utf¨oras p˚a tv˚a s¨att, vilka ¨ar direct- och bowden-metoden [47].

3.3.1 Bowden/Direct

Bowden-metoden ¨ar den varma extruderingen fysiskt skild fr˚an extrudern, och ¨ar vanligtvis mon- terad p˚a baksidan eller insidan av 3D-skrivaren. Bowden-metoden fungerar p˚a samma s¨att som direct-metoden, skillnaden ¨ar att materialet m˚aste f¨ardas en l¨angre str¨acka, genom en ledning, f¨or att slutligen komma fram till den varma extruderingen, se figur 19 [48].

Direct-metoden inneb¨ar att extrudern ¨ar direkt monterad p˚a den varma extruderingen, se figur 20. Stegmotorn driver kugghjulet som matar materialet fram˚at till den varma extruderingen. Detta medger ett kort avst˚and och en enklare indrivning av material som leder till b¨attre utskriftskvalitet.

Vid en indrivningsprocess roterar kugghjulet bak˚at och drar in materialet i munstycket, exempelvis vid stopp av materialfl¨ode [48].

Figur 19: Bowden-metod. Figur 20: Direct-metod

3.3.2 Extruderingsmetod av choklad

Unders¨okningar kring metoder f¨or extrudering av choklad togs inspiration fr˚an liknande produk- ter p˚a marknaden. I gruppens f¨oreg˚aende utvecklingsprojekt anv¨ande sig skrivarens extrudering av lufttryck och med direct-metod, och i utv¨arderingen var gruppen ¨overens om att lufttryck inte

Syftet med unders¨okningen var att identifiera vilka l¨osningar som ger ett j¨amnt fl¨ode av choklad, hur storleken av munstycke p˚averkade chokladens extruderade tjocklek, samt om choklad droppade ut ur munstycket. Nedan beskrivs tre experiment som till¨ampades vid val av metod f¨or extrudering.

Kocentriskt tryck

Det f¨orsta testet utf¨ordes f¨or att unders¨oka det tryck som chokladens massa skapar av gravitatio- nens kraft, i syfte att f˚a en baslinje vilket de andra testerna kunde j¨amf¨oras med. Under testet provades ¨aven olika storlekar av munstycken. En tillsats tillverkades f¨or att passa in i basen av sprutans cylinder, med ett koniskt h˚al i centrum f¨or att fokusera trycket i linje med munstycket.

Arkimedes skruv

Arkimedes skruv ¨ar en metod som anv¨ands till viss utstr¨ackning idag f¨or extrudering av visk¨osa material, och inspirerades av Claystruder 2 [49]. En lodr¨at skruv kopplades till en motor, och place- rades med rotationsriktningen ned˚at inuti en cylinder med 50 ml sm¨alt choklad, se figur 21. Syftet med testet var att unders¨oka hur v¨al en arkimedes skruv kunde anv¨andas f¨or b˚ade omr¨orning och extrudering i tankarna p˚a skrivhuvudet.

Figur 21: Arkimedes skruv.

Spruta med kolv

Den tredje principen baseras p˚a sprutor som tankar f¨or choklad, monterade p˚a skrivhuvudet, se figur 22. En spruta och en kolv ¨ar en metod som finns p˚a marknaden, och anv¨ands av exempelvis 3Drag [50]. I detta testet fylldes en spruta av plast med 50 ml sm¨alt choklad. Kolven placerades vid sprutans ¨oppning, och metoden testades genom att pressa kolven ned i sprutan med konstant tryck.

Figur 22: Spruta med kolv.

Respektive l¨osningar testades under tidtagning, genom att extrudera en linje p˚a 12 cm i choklad.

Samtliga test genomf¨ordes med tv˚a storlekar p˚a munstycket, 1.0 och 2.0 [mm]. Utifr˚an metodtester- na kunde gruppen dra slutsatserna att sprutan var snabbare och mer konsistent med chokladfl¨odet ur munstycket, vilket f¨orh˚aller sig till det krav f¨or extrudering, se bilaga A - krav 35. Gruppen uppt¨ackte ¨aven att kolven skapade ett vakuum vid insugning, vilket resulterade till minimal dropp av choklad ur munstycke j¨amf¨ort med respektive metoder, se tabell 3. Spruta med kolv beslutades som extrudering p˚a skrivaren.

Tabell 3: Resultat av metoder f¨or extrudering, ur bilaga D - Testspecifikation.

3.3.3 Postionering

Positionering och linj¨ar r¨orelseteknik av mekaniska konstruktioner f¨or skrivhuvuden har inspire- rats av flera skrivare p˚a marknaden. Konstruktionen var tvungen att h˚alla sig till specifika krav f¨or att anpassas efter vald skrivare, samt f¨orh˚alla sig till de tillkommande delarna. Teknikerna som unders¨oktes f¨or linj¨ar r¨orelse, f¨or den valda metoden, var kuggrems-, kuggst˚angs- och tra- petsskruvsdrift. F¨ordelen med kuggrem ¨ar att det till˚ater h¨oga hastigheter, men begr¨ansningen ¨ar noggrannheten. Elastiskt material t¨ojer sig med tiden och f¨orhindrar exakt positionering. Det kr¨avs inte h¨oga hastigheter vid utskrift av choklad, men en h¨og noggrannhet, d¨arf¨or var kuggrem inte ett alternativ. ¨Aven kuggst˚ang utesl¨ots, d˚a det inte var anpassbart f¨or skrivaren p˚a grund av dess h¨ojd.

Drivs¨attet som uppfyller gruppens krav var trapetsskruvsdrift. En rotationsr¨orelse fr˚an en motor kan omvandlas till en linj¨ar r¨orelse genom att rotera en trapetsskruv, vilket f˚ar muttern p˚a skruven att r¨ora sig l¨angsled. Med denna metod kan en effektiv kraft¨overf¨oring g¨oras med h¨og precision.

H¨ojden minimeras och r¨orelsen kan bli relativt l˚angsamt vid h¨ogt varvtal p˚a grund av stigningen av skruven. Till skillnad mot trapetsskruv, har trapetsskruv h¨ogre verkningsgrad vilket leder till l¨agre friktion mellan g¨angad st˚ang och mutter. Valet blev en trapetsg¨angad st˚ang vilket g¨or den betydligt billigare - ungef¨ar halva priset mot kulskruv [51].

Valet av motor blev en stegmotor f¨or styrning av trapetsskruv, ist¨allet f¨or likstr¨omsmotor. Detta berodde fr¨amst p˚a priset, samt att extruderingssystemet inte beh¨ovde en exakt positionering eller repeterbarhet.

Gruppen beslutade att till¨ampa en linj¨ar r¨orelseteknik med en trapetsskruv kopplad till en stegmo- tor, samt en linj¨ar styrning av glidledsskenor och sl¨ade, se figur 23. Linj¨arstyrningar i y-led, som l¨oper p˚a sl¨aden, ska vara l¨attast m¨ojligt eftersom den direkt bidrar till momentet som m˚aste upptas av x-leden. Det leder i sin tur till minimal friktion och motverkar glapp.

Figur 23: Linj¨ar r¨orelse med trapetsskruv och styrning med glidledsskenor.

Konstruktionen f¨or skrivhuvudena har inspirerats av liknande produkter f¨or extruderingssystem¹⁴. F¨or att kunna f˚a skrivhuvudet att g˚a fri fr˚an tv¨arbalk i toppen av Vellemans K8200 skrivare, kunde inte motorn placeras bakom skrivhuvudet, utan designades om med en motorplacering vid sidan av sprutan. Anledningen till att ¨andra motorplaceringen var att ˚astadkomma ett avst˚and mellan de b˚ada munstyckena med potential till att kunna f¨astas n¨ara varandra p˚a z-axeln. Enligt gruppens generella krav skulle systemet prestera en utskrift p˚a 900 cm³, se bilaga A - krav 3, vilket skulle resultera en maximal utskriftsarea f¨or skrivaren.

Genom att anv¨anda en spruta med kolv som extruderingsmetod tillsammans med den linj¨ara r¨orelsetekniken tillkom fler komponenter. Gruppen skapade ett fl¨odesschema¹⁵ ¨over en utskrifts- process och identifierade ett behov av ¨andl¨agesgivare, se bilaga E - Fl¨odesschema. Det finns flera typer av ¨andl¨agesgivare, exempelvis mekanisk brytare, hallelement, induktiva/kapacitiva givare, op- tisk givare etc. En mekanisk brytare anv¨andes f¨or systemet i tv˚a fall, d˚a sl¨aden hamnade i toppen, samt n¨ar sl¨aden var i botten av skrivhuvudet. Gruppen beslutade ¨aven att tillf¨ora en avk¨anning av choklad i sprutorna och till¨ampade d¨armed en optisk givare f¨or att vara medveten om att det alltid fanns choklad i extruderingssystemet.

3.4 Tempereringssystem

Tempereringssystemet ¨ar det delsystem som sk¨oter behandlingen av chokladen, vilket inneb¨ar en sm¨altprocess och f¨or att se till att chokladen blir j¨amnt tempererad. Systemet ska uppn˚a en j¨amn temperering under kontinuerlig omr¨orning f¨or att f¨ordela v¨armen. V¨armef¨orlusterna ska minimeras mellan v¨armare och choklad, f¨or att skapa ett snabbare reglersystem med mindre tidskonstant.

3.4.1 Omr¨orningsmetod

Syftet med omr¨orning ¨ar att ta fram en metod d¨ar temperaturen p˚a chokladen g˚ar att reglera och att kunna t¨omma inneh˚allet och transporteras till skrivhuvudet. Metoden ska ¨aven kunna tem- perera choklad under en p˚ag˚aende utskrift. M˚alet med unders¨okningen var att ta reda p˚a vilka metoder f¨or omr¨orning som gav en bra v¨armef¨ordelning av chokladen, och om l¨osningen kan bi- dra till extrudering. Nedan beskrivs tv˚a experiment som unders¨oktes f¨or val av omr¨orningsmetod i tempereringstanken.

Arkimedes skruv

Den f¨orsta metoden som unders¨oktes f¨or omr¨orning var en matarskruv, ¨aven kallas arkimedes skruv, se figur 21. Chokladindustrin till¨ampar roterande skruvar f¨or omr¨orning, och principen till¨ampas

¨aven i produkter som chokladfont¨aner f¨or att transportera choklad vertikalt.

F¨or testning av omr¨orning monterades en arkimedes skruv till en motor, inuti en cylinder som fyllts med sm¨alt choklad. Syftet med skruven var inte vertikal transport av chokladen, utan enbart f¨or omr¨orning. Cylindern tillverkades med st¨orre diameter ¨an skruven, f¨or att chokladen inte skulle kunna transporteras vertikalt. Testet utf¨ordes i samband med unders¨okningen under metoder av extrudering av choklad med hj¨alp av arkimedes skruv¹⁶.

14Se kapitel 1.1.2 Liknande produkter

Rid˚a

F¨or att temperera choklad unders¨oktes och utv¨arderades en rid˚a som finns i maskiner f¨or hantering av choklad, exempelvis mindre tempereringsmaskiner. Rid˚an testades genom att fylla chokladpellets i en beh˚allare av rostfri pl˚at. En motor monterades under beh˚allaren med en axel kopplad till rid˚an som separerar sk˚alen p˚a mitten, f¨or att rotera om chokladen. Rid˚an designades med avseende p˚a beh˚allarens form, se figur 24.

Figur 24: Beh˚allare med rid˚a.

Gruppen unders¨okte vilken av direct- eller bowden-metoderna som kunde till¨ampas f¨or att sam- mankoppla tempereringssystemet med extruderingssystemet. F¨or projektet ¨oversattes direct- och bowden-metod till vart chokladen skulle f¨orvaras och sm¨altas. Rid˚an utesl¨ots p˚a grund av flera aspekter, och skulle f¨orsv˚ara inkapsling ur ett h¨alsoperspektiv, samt utrymme och den automatis- ka hanteringen av choklad. Metoden skulle ¨aven begr¨ansa alternativen f¨or extrudering och endast kunna anv¨anda sig av metoden bowden, d¨arf¨or beslutades en arkimedes skruv att anv¨andas som metod f¨or omr¨orning.

Kravet ¨ar att systemet ska till¨ampa en kontinuerlig motordriven omr¨orning av choklad, se bila- ga A - krav 36, vilket g¨or direct-metoden besv¨arlig. Gruppen valde en spruta med kolv som metod f¨or extrudering, vilket f¨orhindrade anv¨andningen av b˚ada delsystemen i en modul. Det medf¨orde att tempereringssystemet beh¨ovde bli en egen extern modul p˚a skrivaren och d¨arav anv¨anda sig av bowden-metoden. Med bowden-metod tillkommer slangar och chokladen ¨ar tvungen att f¨ardas innan den n˚ar munstycket. Det kan leda till flera nackdelar, exempel att chokladen stelnar i r¨oren vid, och efter anv¨andning. En l¨osning p˚a detta ¨ar att anv¨anda sig av uppv¨armning av slangarna, med v¨armeledande tejp och v¨armefolie, f¨or att f¨orhindra stelning.

3.4.2 Temperaturhantering

F¨or att tempereringen skulle ske snabbare och vara noggrant var det viktigt med ett system d¨ar in- matad v¨arme bevarades i systemet och minska v¨armef¨orlusterna fr˚an konvektion eller v¨armestr˚alning.

Gruppen beh¨ovde anpassa tempereringssystemet f¨or att minska v¨armef¨orlusterna som uppstod fr˚an peltier-elementen, samt anpassa komponenterna till systemet. Kravet var ett kompakt system, med effektiv bortledning av v¨arme.

Eftersom det kr¨avs specifika intervaller f¨or att temperera choklad till¨ampades peltiereffekten som temperaturhantering. Anledningen var att minimera komponenterna i systemet, d˚a peltier har funk-

tionalitet att anv¨andas som v¨armeelement och kylelement. ABS-plast, aluminium och st˚al var de material som fanns tillg¨angligt f¨or konstruktionen av den v¨armeledande detaljen, som i detta fall motsvarar en beh˚allare f¨or choklad. Eftersom materialvalet var en viktig aspekt f¨or detta moment till¨ampades aluminium. Aluminium hade fr¨amst v¨armeledningsf¨orm˚aga, samt h¨ogre tolerans och h˚allfastighet [52]. Syftet med att ta fram m¨angden v¨armefl¨ode i respektive material var fr¨amst f¨or att vara medveten om hur mycket effekt, som peltier-elementen skulle generera och kr¨avdes till systemet f¨or att n˚a maxtemperatur i f¨orloppet f¨or temperering. d¨arf¨or var Fourier’s lag anv¨andbar inf¨or detta moment.

3.5 Reng¨ oringssystem

En analys f¨or olika metoder har gjorts f¨or att kunna till¨ampa ett reng¨oringssystem. Syftet med den- na unders¨okning f¨or att kunna identifiera en l¨amplig metod f¨or reng¨oring av choklad fr˚an slangar och munstycke. Reng¨oring inom livsmedel ¨ar en viktig del under produktionen, och f¨or projektet att kunna milj¨oanpassa 3D-skrivaren i framtiden. Det finns automatiska och manuella metoder f¨or reng¨oring som skulle kunna till¨ampas p˚a systemet vid hantering av choklad.

F¨or reng¨oringssystemet unders¨oktes hur industrier till¨ampar reng¨oring av r¨orsystem och ledningar i kontext f¨or 3D-skrivare. Is¨arplockning f¨or att reng¨ora 3D-skrivaren ans˚ags inte till¨ampningsbart till projektet, d˚a det ¨ar flera detaljer som ¨ar fastmonterade p˚a skrivaren. Ledningar och slang kan dessutom inte spolas med vatten utan ett torksystem, d˚a choklad blir klumpig, gr˚a och grynig vid kontakt med vatten och fukt.

3.5.1 Datainsamling

Clean-in-place processen, med ett installerat system som automatiskt sk¨oter reng¨oringen av led- ningar var intressant f¨or projektet. Att installera moduler samt unders¨oka vilka kemikalier och reng¨oringsmedel som l¨ampar sig f¨or 3D-skrivare och choklad, ans˚ags ligga utanf¨or unders¨okningens omfattning. F¨or hur CIP-processen skulle till¨ampas till 3D-skrivare unders¨oktes reng¨oring f¨or tem- pereringsmaskiner, med fokus p˚a delar som inte var l¨ostagbara s˚asom skruvmatningar, ledningar och munstycken. Att reng¨ora en st¨orre modell av tempereringsmaskin fullst¨andigt ¨ar sv˚art och tidskr¨avande [53]. Flera brukar ha ett s¨arskilt reng¨oringsprogram som maskinen k¨or, fast utan uppv¨armning, med vatten och syra som reng¨oringskemikalier. Alternativt kan maskinen k¨oras med flera iterationer av flytande kakaosm¨or f¨or att rensa genom systemet fr˚an ¨overbliven choklad. Ka- kaosm¨or finns naturligt i choklad och kakao, och p˚averkar d¨arf¨or inte chokladens egenskaper efter att systemet fylls med choklad igen.

3.5.2 Genomf¨orande

Gruppen tog beslut om att kakaosm¨or var en l¨amplig metod f¨or reng¨oring av systemet, f¨or att undvika att anv¨andare ska hantera kemikalier. Projektets omfattning till˚ater inte heller testning av choklad efter en reng¨oringscykel efter sp˚ar av kemikalier. F¨or att testa om kakaosm¨or reng¨or munstycken tillr¨ackligt, sm¨altes kakaosm¨or i mikrov˚agsugn. D¨arefter kyldes kakaosm¨oret ned i vat- tenbad f¨or att ¨oka sm¨orets viskositet. En spruta fylldes med flytande choklad, varp˚a den pressades ut f¨or att simulera en tom spruta efter utskrift. D¨arefter fylldes sprutan p˚a nytt med det flytande kakaosm¨oret, och pressades ut genom sprutans munstycke. Liknande test utf¨ordes f¨or reng¨oring av

4 Resultat

Resultatdelen inleds med ett slutresultat f¨or hela systemet.

D¨arefter f¨oljer resultaten av de ing˚aende delsystemen med tydlig koppling till fr˚agest¨allningarna.

4.1 Resultat av choklad 3D-skrivare med dubbla skrivhuvuden

Resultatet ¨ar en skrivare som kan hantera tv˚a typer av choklad med ett system f¨or extrudering och temperering, se figur 25 och figur 26. Temperering och omr¨orning sker i tankarna f¨or vit respektive m¨ork choklad. Chokladen transporteras med hj¨alp av slangar ned till b˚ada skrivhuvudena f¨or att sedan kunna g¨ora en utskrift.

Figur 25: Rendering av komplett choklad 3D- skrivare.

Figur 26: Verkliga resultatet av komplett cho- klad 3D-skrivare.

Nedan visas resultatet p˚a en utskrift av det f¨orsta lagret tillsammans med delsystemen. En ¨onskad modell ¨ar modellerad i SolidWorks och ¨ar inmatad i systemet. F¨orsta lagret blev ¨over f¨orv¨antan, men hann inte stelna helt och h˚allet innan n¨asta lager. Det slutliga resultatet av den inmatade modellen blev en kvadrat i vit chocklad med storlek 60x60x10mm, se figur 28 och 27.

Figur 27: Inmatade modellen ritad i SolidWorks. Figur 28: Modellen under utskrift.

4.2 Resultat av skrivare och design

Basen till projektet f¨or skrivare och design ¨ar en byggsats Velleman K8200. Arkitekturen ¨ar karte- sisk, och basplattan ¨ar flyttbar i x och y led. Skrivarens horisontella axel r¨or sig enbart i h¨ojdled, vilket ¨ar ¨onskv¨art f¨or projektet, d˚a det till˚ater f¨or en st¨orre tyngd att monteras p˚a axeln, utan att skrivarens precision minskar, se figur 29.

Figur 29: Rendering av skrivarens st¨allning som nyttjades som bas f¨or pro- jektet.

Figur 30: 3D-skrivaren med inkapsling i plexiglas.

St¨allningen ¨ar tillverkad i elektriskt isolerad aluminiumprofil, som till˚ater f¨or enkelt montering av de nya delsystemen. En avtagbar inkapslingshuv ¨ar tillverkad i plexiglas, f¨or att skydda den utskrivna chokladen fr˚an kontaminering, se figur 30.

4.3 Resultat av extruderingssystem

Extruderingssystemet best˚ar av tv˚a skrivhuvuden f¨or vit och m¨ork choklad. Metoden f¨or extru- dering ¨ar uppbyggd med en spruta med kolv med ett munstycke med diameter 1 mm. Kolven ¨ar ansluten med sl¨aden och kroppen i skrivhuvudets f¨asten. Systemet f¨or extrudering anv¨ander sig av en linj¨ar r¨orelseteknik med en trapetsskruv kopplad till en stegmotor NEMA 17. Den linj¨ara styrningen sker med hj¨alp av en sl¨ade som styrs av glidledsskenor, se figur 31.

F¨astena till skrivhuvudet ¨ar tillverkat i ABS-plast och ¨ar anpassat efter systemet. Systemet ¨ar utrustat med tv˚a mekaniska ¨andl¨agesbrytare f¨or sl¨adens topp och botten, samt en optisk givare f¨or niv˚an vid 10 ml p˚a vardera skrivhuvud.

Figur 31: Extruderingssystemet med dubbla skrivhuvuden.

Uppl¨osningen p˚a varje motor ¨ar inst¨alld med stegl¨angden ₁₆¹ del med 200 steg/varv per motor.

Det resulterar i att motorerna f˚ar 200 ∗ 16 = 3200 mikrosteg per varv. Motorerna som styr x- och y-r¨orelsen f¨orflyttar skrivplattan med remmar, kopplade till remhjul. Uppl¨osningen best¨ams av omkretsen p˚a remhjulen med hj¨alp av remhjulens radie. Motorn g¨or 3200 mikrosteg p˚a ett varv, d¨ar ett varv p˚a remhjulet motsvarar remhjulets omkrets i f¨orflyttning, se ekvation 3.

rremhjul= 8mm Cremhjul= 50mm

steg/varv = 3200

Uppl¨osningen = ₃₂₀₀⁵⁰ [^mm_steg] = 0, 015625[^mm_steg] = 15, 625[_steg^µm] (ekvation 3)

Motorn f¨or z-led, samt motorerna f¨or skrivhuvudena ¨ar kopplade till en g¨angad st˚ang, med en stig- ning p˚a 1, 25mm/varv. Med 3200 mikrosteg/varv, blir uppl¨osningen:

1,25

3200[^mm_steg] = 0, 000390625[^mm_steg] = 0, 390625[_steg^µm]

Den totala utskriftsarean p˚a skrivplattan resulterade till 333cm²vid anv¨andning av b˚ada skrivhu- vuden, se figur 32. Vid anv¨andning av det v¨anstra skrivhuvudet (bl˚a) kan utskriftsarean bli 387cm², medan det h¨ogra skrivhuvudet (orange) har en area p˚a 398cm², se figur 33 och tabell 4.

Figur 32: Utskriftsarea f¨or varje skrivhuvud. Figur 33: Kombinerad utskriftsarea.

Tabell 4: Utskriftsarea.

Skrivhuvud X-axel Y-axel Total utskriftsarea

Bl˚a 18cm 21,5cm 387cm²

Orange 18,5cm 21,5cm 397,25cm²

Kombinerat 15,5cm 21,5cm 333,25cm²

4.4 Resultat av tempereringssystem

Till metoden f¨or omr¨orning av choklad i tempereringstankarna anv¨ands arkimedes skruvar. L¨osningen f¨or tempereringssystemet ¨ar en kombination av en chokladfont¨an och en tempereringsmaskin, d¨ar skruvarna ¨ar inspirerades av chokladfont¨aner, och uppv¨armningen fr˚an tempereringsmaskiner. Sy- stemet best˚ar av en inkapslad box med beh˚allare av aluminium med slanganslutningar kopplade till b˚ada skrivhuvuden. Skruvarna ¨ar kopplade till DC-motorer, och ett plexiglasr¨or som skydd f¨or chokladen, se figur 34.

Figur 34: Rendering och exploderad vy av tempereringssystemet.

4.4.1 Temperaturhantering

Genom att konstruera en inkapsling av ABS-plast f¨or tempereringssystemet, se figur 36, resulterade det till en effektiv temperering samt bortledning av v¨arme. Komponenterna i inkapslingen best˚ar av peltier-element, kylfl¨ansar och tv˚a 80 mm fl¨aktar p˚a vardera sida av st¨allningen. Nedan visar resultatet luftfl¨odet genom boxen, se figur 35.

Figur 35: FEM-analys ¨over luftfl¨odet genom st¨allningen.

Figur 36: Spr¨angskiss ¨over Tempererings- st¨allningen.

F¨or att testa v¨armef¨ordelningen och omr¨orningsf¨orm˚agan i omr¨orningstankarna, v¨armdes choklad upp till 40^◦C och h¨olls p˚a stabil temperaturniv˚a, se figur 37. D¨arefter tillsattes rumstempererade chokladpellets, och omr¨orningsskruvarna i chokladtanken sattes ig˚ang med intervaller om 10 sekun- der. Resultatet av omr¨orningen och v¨armef¨ordelningen identifierades med en termisk kamera. Efter 10 sekunders omr¨orning har majoriteten av pellets till stor del sm¨alts, se figur 38. Efter 20 sekunder

¨

ar den flytande chokladen visuellt homogen, se figur 39.

Figur 37: Chokladpellets i sm¨alt choklad.

Figur 38: V¨armef¨ordelning efter 10 sekunder.

Figur 39: V¨armef¨ordelning efter 20 sekunder.

Vid ber¨akning med Fouriers lag resulterade det en maxeffekt f¨or peltier-elementen, se ekvation 2.

M¨angden v¨armefl¨ode genom aluminiumsk˚alen, q, resulterade till en effekt p˚a 27W och motsvarar en str¨om p˚a 2.27A vid en sp¨anning 12V, se figur 40.

P = k ∗ 2.83 ∗ 10

∗ 46

Figur 40: V¨armef¨ordelning i aluminiumtanken vid maxeffekt.

4.5 Resultat av reng¨ oringssystem

Resultatet av ett koncept f¨or reng¨oringssystem har analyserats om en till¨ampning skulle ske. F¨or en k¨orning av reng¨oringsprogrammet, se figur 41, blir anv¨andaren tillsagd att l¨agga i kakaosm¨or i de t¨omda tempereringstankarna, d¨arefter v¨arms kakaosm¨oret upp till 33^◦C f¨or att samtligt sm¨or ska sm¨alta. Peltierelementen kyler d¨arefter ner sm¨oret till 28^◦C f¨or att h¨oja viskositeten och g¨ora sm¨oret tjockare. N¨ar sm¨oret ¨ar redo g¨ors en kontroll av att sprutorna ¨ar t¨omda p˚a choklad, och sen b¨orjar reng¨oringsfasen.

I reng¨oringsfasen sker uppsugning av sm¨or med sprutorna fr˚an tempereringstankarna, genom slang- arna. N¨ar sprutorna v¨al ¨ar fyllda med choklad och sm¨or, st¨alls skrivarhuvudet i t¨oml¨aget och t¨ommer b˚ada sprutorna. P˚a detta s¨att kan b˚ade sprutorna och munstycket reng¨oras. Reng¨oringsfasen upp- repas tv˚a g˚anger f¨or att f˚a med sig alla rester av choklad.

Figur 41: Fl¨odesschema f¨or en reng¨oringscykel av skrivaren.