CN103932369A - 一种可控喷注式食品3d打印设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控喷注式食品3D打印设备及方法，包括空间三维定位装置和可旋转喷嘴的出料装置。其中，可在XY平面内自由移动的滑块以及可在Z方向上下运动的基板组成了该设备的三维定位装置。喷嘴固定装置通过可旋转圆盘安装在滑块上，同时转盘上安装有五个圆柱型喷嘴，每个喷嘴对应不同供料筒。同时，还配备了倾斜安装的扁平口喷嘴，该喷嘴可替换圆柱型喷嘴。本发明适用于任何可流动糊浆液体食物的3D打印，可以实现任意2D绘图和3D立体成型等功能，具有效率高，适用范围广，精度高等优点。

Description

一种可控喷注式食品3D打印设备及方法

技术领域

本发明属于食品加工技术领域，涉及一种食品加工方法和设备，特别涉及一种可控喷注式食品3D打印设备及方法。

背景技术

“3D打印”的学术名称为快速成型技术，也称为增材制造技术，是一种不需要传统的机床、夹具和刀具就可以制造出任意形状，根据物体的三维模型数据，通过成型设备以材料层层累加的方式制成实物模型的技术。3D打印可制作的物品越来越广泛，从机械零件到食品，再到人体器官等等。随着科学技术发展和社会进步，人们对食品的要求越来越高。消费者不仅要求食品卫生，更是越来越重视食品的美观外形。现有打印技术在打印食品材料上有很大限制和制约，本打印方法和设备适用于各种可制成浆料状的食物，从而大大扩展了3D打印食品的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控喷注式食品3D打印设备及方法，该方法结构简单、操作方便、高效实用，能够打印浆液糊状食物。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种可控喷注式食品3D打印设备，包括支持框架，支持框架上安装有三维定位装置，三维定位装置中X轴定位装置和Y轴定位装置安装在支持框架的顶端，Z轴定位装置安装在支持框架的侧面；X轴定位装置上安装有能够旋转的用于喷出浆液糊状食物的出料装置，出料装置位于支持框架顶部的中心；Z轴定位装置上安装有用于承接浆液糊状食物的基板，基板设置在支持框架内部，并位于出料装置的下方，且能够在Z轴定位装置的控制下沿Z轴方向运动；出料装置上连接有通过控制器控制浆液糊状食物喷出量及喷出速度的控制回路；出料装置上安装有若干喷嘴，喷嘴的压缩空气入口以及物料入口分别与控制回路以及相对应的供料筒相连。

所述的X轴定位装置包括位于X轴方向上的X轴传动丝杠以及套装在X轴传动丝杠上的喷嘴滑块；支持框架顶端Y轴方向的两个相对的支架上分别安装有Y轴滑块，其中一个Y轴滑块内安装有X轴步进电机，X轴步进电机的输出轴与X轴传动丝杠一端固定连接，X轴传动丝杠的另一端安装在另一个Y轴滑块上。

所述的Y轴定位装置包括套装在Y轴滑块上的Y轴丝杠；支持框架顶端X轴方向的一个支架上安装有电机座，电机座上安装有双轴伸步进电机，双轴伸步进电机两端的输出轴上均固定连接有传动轴，两个传动轴均通过锥齿轮分别与支持框架顶部的两个Y轴丝杠相连；两个Y轴丝杠分别套装在两个Y轴滑块内。

所述的Z轴定位装置包括Z轴丝杠，基板套装在Z轴丝杠上；Z轴丝杠的顶端安装在电机座的底部，底端与Z轴步进电机的输出轴固定连接，Z轴步进电机安装在支持框架底部X轴方向的一个支架上。

所述的出料装置还包括安装在喷嘴滑块底部的旋转连接圆盘以及为喷嘴提供动力的空气压缩机；若干喷嘴的空气入口均与空气压缩机相连；若干喷嘴安装在旋转连接圆盘上，喷嘴的喷口-位于基板的上方。

所述喷嘴的喷口-的横截面与水平方向倾斜设置。

所述支持框架的***还设置有用于保护支持框架内部结构的机壳，机壳由玻璃材料制成；基板由镀络合金材料制成；旋转连接圆盘上固定安装有五个喷嘴。

所述的每一个喷嘴与空气压缩机之间均通过控制回路相连，其中每一组控制回路包括主压缩空气管路以及副压缩空气管路，主压缩空气管路以及副压缩空气管路的输入端均与作为压缩空气源的空气压缩机相连，输出端均与喷嘴相连。

所述的空气压缩机的出口连接有分接阀，空气压缩机与分接阀之间的管路上还连接有压力计，喷嘴的入口连接有三通阀；主压缩空气管路包括依次连接的用于控制进料量的调压比例阀和第一电磁阀-，副压缩空气管路包括依次连接第二电磁阀-、调气阀和分歧管；调压比例阀和第二电磁阀-入口分别连接到分接阀的两个入口上，第一电磁阀-和分歧管的出口分别连接到三通阀的两个入口上；其中，控制器的控制信号输出端分别与调压比例阀、第一电磁阀-、第二电磁阀-以及三通阀的控制信号输入端相连。

一种可控喷注式食品的3D打印方法，包括以下步骤：

1）选择相应的食物，加工成浓度合适的可流动浆液状，分别置于相应的供料筒中；

2）用酒精将基板清洗干净；

3）调整喷嘴和基板的距离，使参照喷嘴的液体流焦点处于基板表面；

4）根据每层食物的组分，设置相应的喷嘴运动速度以及空气压缩机功率的范围；

5）打开空气压缩机，调整气压以保证送料流场；

6）先后启动相应喷嘴的调压比例阀和电磁阀，喷嘴按照程序规定的轨迹进行扫描打印；

7）打印完成一层后，基板下降一层厚度的距离进行下一层的打印，并且成形过程中保持送粉筒的数量值总和不变，以保证每层的成形厚度均匀一致，最终实现可控喷注式食品3D打印成型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将三维定位装置通过合理设计安装在支持框架上，将出料装置安装在X轴定位装置上，通过三个方向的定位装置的配合，从而可以实现出料装置在空间的任意直线运动、圆弧运动和三维空间曲线运动等动作；同时出料装置通过控制器以及控制回路，控制物料的喷出速度以及喷出量，结合程序规定好的轨迹进行逐行扫描打印，实现绘制二维图形和三维立体成型等功能，具有效率高、操作简便和高精密度等优点。

进一步的，本发明为方便打印不同种类不同粘稠度的食物，设计了适合打印高粘度液体的喷嘴结构，将喷嘴的喷口设计为倾斜状，有利于增大喷出的糊状食物与下层基体的粘合度。该倾斜结构的设计不仅可以提高浆料与基板结合率，而且出口倾斜截面设计还可以减少喷口与浆料的接触面和表面张力，从而有效避免了打印终止时的拉丝现象。

进一步的，本发明X和Y的二维工作平台内定位装置由X轴传动丝杠、喷嘴滑块、X轴步进电机组成，X轴传动丝杠通过Y轴滑块连接在Y轴丝杠上，Y方向由双轴伸步进电机带动两Y轴丝杠传动。该结构不仅可以实现滑块在平面内任意点的运动，而且可以提高其运动的精确度。

进一步的，本发明通过调压比例阀控制食物进料口流量，可实时精确调节进料量。

进一步的，本发明出料装置的设置是根据打印物体梯度设计要求计算不同位置的组分配比，并将计算值作为食品3D打印机送粉器不同粉桶的数控变量值，成形过程中，通过控制器，给调压比例阀一个变量值，调压比例阀按照给定的值控制送粉量，实现按照不同位置与形状分配不同食物液体流量的精确控制。

进一步的，本发明在支持框架***设置了用于保护装置的内部结构并且使之更加美观的由玻璃材料制成的机壳。

进一步的，本发明副压缩空气管路采用分歧管，且分歧管与大气相连通，从而使得分歧管内的压力呈负压，另外活塞式喷口借助气压的推动和定时控制器的精确控制，使得食物液体从针头中挤出，同时负压对食物液体产生回吸作用，使得喷口不会有残滴现象。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明单个喷嘴的工作回路示意图；

图3为本发明喷嘴的分布结构示意图；

图4为本发明喷口的结构示意图。

其中：1为支持框架；2为Y轴丝杠；3为Y轴滑块；4为X轴步进电机；5为X轴传动丝杠；6为双轴伸步进电机；7为传动轴；8为锥齿轮；9为喷嘴滑块；10为旋转连接圆盘；11为喷嘴；11-1为喷口；12为基板；13为Z轴丝杠；14为空气压缩机；15为分接阀；16为调压比例阀；17-1为第一电磁阀；17-2为第二电磁阀；18为三通阀；19为分歧管；20为调气阀；21为控制器；22压力计。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图4，本发明一种可控喷注式食品3D打印设备，包括支持框架1，支持框架1的***还设置有用于保护支持框架1内部结构的机壳，机壳由玻璃材料制成；支持框架1上安装有三维定位装置，三维定位装置中X轴定位装置和Y轴定位装置安装在支持框架的顶端，Z轴定位装置安装在支持框架的侧面；X轴定位装置上安装有能够旋转的用于喷出浆液糊状食物的出料装置，出料装置位于支持框架顶部的中心；Z轴定位装置上安装有用于承接浆液糊状食物的基板12，基板12由镀络合金材料制成；基板12设置在支持框架1内部，并位于出料装置的下方，且能够在Z轴定位装置的控制下沿Z轴方向运动；出料装置上连接有通过控制器21控制浆液糊状食物喷出量及喷出速度的控制回路；出料装置上安装有若干喷嘴11，喷嘴11的压缩空气入口以及物料入口分别与控制回路以及相对应的供料筒相连。

X轴定位装置包括位于X轴方向上的X轴传动丝杠5以及套装在X轴传动丝杠5上的喷嘴滑块9；支持框架1顶端Y轴方向的两个相对的支架上分别安装有Y轴滑块3，其中一个Y轴滑块3内安装有X轴步进电机4，X轴步进电机4的输出轴与X轴传动丝杠5一端固定连接，X轴传动丝杠5的另一端安装在另一个Y轴滑块3上。

Y轴定位装置包括套装在Y轴滑块3上的Y轴丝杠2；支持框架1顶端X轴方向的一个支架上安装有电机座，电机座上安装有双轴伸步进电机6，双轴伸步进电机6两端的输出轴上均固定连接有传动轴7，两个传动轴7均通过锥齿轮8分别与支持框架1顶部的两个Y轴丝杠2相连；两个Y轴丝杠2分别套装在两个Y轴滑块3内。

Z轴定位装置包括Z轴丝杠13，基板12套装在Z轴丝杠13上；Z轴丝杠13的顶端安装在电机座的底部，底端与Z轴步进电机的输出轴固定连接，Z轴步进电机安装在支持框架1底部X轴方向的一个支架上。

出料装置还包括安装在喷嘴滑块9底部的旋转连接圆盘10以及为喷嘴11提供动力的空气压缩机14；旋转连接圆盘10上固定安装有五个喷嘴11，并设置一个参考喷嘴。每个喷嘴11空气入口均与空气压缩机14相连；喷嘴11的喷口11-1位于基板12的上方。喷嘴11的喷口11-1的横截面与水平方向倾斜设置。

如图2所示，每一个喷嘴11与空气压缩机14之间均通过控制回路相连，其中每一组控制回路包括主压缩空气管路以及副压缩空气管路，主压缩空气管路以及副压缩空气管路的输入端均与作为压缩空气源的空气压缩机14相连，输出端均与喷嘴11相连。空气压缩机14的出口连接有分接阀15，空气压缩机14与分接阀15之间的管路上还连接有压力计22，喷嘴11的入口连接有三通阀18；主压缩空气管路包括依次连接的用于控制进料量的调压比例阀16和第一电磁阀17-1，副压缩空气管路包括依次连接第二电磁阀17-2、调气阀20和分歧管19；调压比例阀16和第二电磁阀17-2入口分别连接到分接阀15的两个入口上，第一电磁阀17-1和分歧管19的出口分别连接到三通阀18的两个入口上；其中，控制器21的控制信号输出端分别与调压比例阀16、第一电磁阀17-1、第二电磁阀17-2以及三通阀18的控制信号输入端相连。

本发明还公开了一种可控喷注式食品3D打印方法，包括以下步骤：

1）选择相应的食物，加工成可流动浆液状，分别置于相应的供料筒中；

2）用酒精将基板清洗干净；

3）调整喷嘴和基板的距离，使参照喷嘴的液体流焦点处于基板表面；

4）根据每层食物的组分，设置相应的喷嘴运动速度以及空气压缩机功率的范围；

5）打开空气压缩机，调整气压以保证送料流场；

6）先后启动相应喷嘴的调压比例阀和电磁阀，喷嘴按照程序规定的轨迹进行扫描打印；

7）打印完成一层后，基板下降一层厚度的距离进行下一层的打印，并且成形过程中保持送粉筒的数量值总和不变，以保证每层的成形厚度均匀一致，最终实现可控喷注式食品3D打印成型。

本发明的原理：

本发明可控喷注的食品3D打印设备，包括空间三维定位装置和可旋转喷嘴的出料装置。其中，可在X、Y平面内自由移动的喷嘴滑块9、Y轴滑块3以及可在Z方向上下运动的基板12组成了该设备的三维定位装置。喷嘴11通过旋转连接圆盘10安装在喷嘴滑块9上；如图3所示，旋转连接圆盘10上安装有五个喷嘴，每个喷嘴对应不同供料筒。出料装置的动力由空气压缩机14提供。

图4所示，为方便打印不同种类不同粘稠度的食物，还设计了适合打印高粘度液体的喷嘴结构，喷口设计为倾斜状有利于增大喷出的糊状食物与下层基体的粘合度。喷口横截面为倾斜设计，该设计结构设计不仅可以提高浆料与基板结合率，而且出口倾斜截面设计还可以减少喷口与浆料的接触面和表面张力，从而有效避免了打印终止时的拉丝现象。食物进料口流量由调压比例阀16控制，可实时精确调节进料量。喷口可以使食物与基体实现更大黏结率。而且，喷嘴的进料口和出口设计有可调节流量大小的装置。每个喷嘴都有配套的一系列可替换的大小不同喷嘴，对于打印不同粒径的不同浓度的食物浆液，可以替换喷嘴以达到最好效果。

其中出料装置的设置是根据打印物体梯度设计要求计算不同位置的组分配比，并将计算值作为食品3D打印机送粉器不同粉桶的数控变量值，成形过程中，通过控制器21，给调压比例阀16一个变量值，调压比例阀16按照给定的值控制送粉量，实现按照不同位置与形状分配不同食物液体流量的精确控制。各个粉桶数控变量值的总和不变，以使每层的打印厚度保持一致，最终实现激光的食品3D打印成型的食品。

另外，二维工作平台内定位装置由X轴传动丝杠5、喷嘴滑块9、X轴步进电机4组成，X轴传动丝杠5通过Y轴滑块3连接在Y轴丝杠2上，Y方向由双轴伸步进电机6带动两Y轴丝杠2传动。该布置方法不仅可以实现滑块在平面内任意点的运动，而且可以提高其运动的精确度。

喷嘴11与喷嘴滑块9通过旋转连接圆盘10连接，旋转连接圆盘10上固定安装五个喷嘴，每个喷嘴分别连接不同的供料筒。每个喷嘴由各自的一套***控制，主要包括压缩空气源，主压缩空气管路、副压缩空气管路、喷嘴。主压缩空气管路中依次设有调压比例阀16、压力计22、第一电磁阀17-1和三通阀18，且其一端与压缩空气源连接，另一端与软管连接。与压缩空气源连接的副压缩空气管路中依次设有第二电磁阀17-2、调气阀20和分歧管19，分歧管19与大气连通，从而使得分歧管19内的压力呈负压。另外活塞式喷口借助气压的推动和定时控制器的精确控制，使得食物液体从针头中挤出，同时负压对食物液体产生回吸作用，使得喷口不会有残滴现象。

如图1所示，该打印装置喷嘴可在一个二维工作平台上实现平面内的任意运动，基板可以上下运动。喷嘴与滑块之间通过一个可旋转的圆盘连接，圆盘上固定安装了五个喷嘴，每个喷嘴连接不同的供料筒。若以喷嘴为打印参考位置，则通过圆盘顺时针或者逆时针转动72°、144°可以实现切换打印其他喷嘴的食物材料。若使时间压力式喷嘴，喷嘴不工作时，调压比例阀和电磁阀为关闭状态。当喷嘴开始工作时，调压比例阀打开，气压通过各自的调压比例阀调节压力，以控制喷嘴喷射的流量，与此同时，其相对应的电磁阀打开，喷嘴在压力作用下，开始喷出食物，进行打印工作。当打印停止时，与气压相连的电磁阀关闭，同时开启连有真空器的电磁阀，对喷嘴产生真空回吸作用，以瞬间中断喷嘴喷射食物，而不产生液体滑流和拉丝现象。开始打印前，事先根据打印物体的设计要求分析不同位置的组分配比，计算出作为食品3D打印机送粉器不同粉筒的送粉量相对应的压力值，实现打印件不同位置的流量精确控制。各个粉筒数控变量值的总和不变，以使每层的打印厚度保持一致，最终实现食品3D打印成型。具体步骤如下：

A、选择相应的食物，加工成浓度合适的可流动浆液状，分别置于相应的供料筒中。

B、为了保证成形效果和卫生要求，基板采用激光吸收率较好且安全卫生的镀络合金材料，打印前用酒精清洗干净。

C、调整喷嘴和基板的距离，使参照喷嘴11-1的液体流焦点处于基板表面。

D、根据每层食物组分不同，设置喷嘴运动速度、空气压缩机功率的范围。

E、打开空气压缩机，调整气压，保证送料流场。

F、先后启动相应喷嘴的调压比例阀和电磁阀，喷嘴按照程序规定的轨迹进行扫描打印。

G、打印完成一层后，工作台下降一层厚度的距离来进行下一层的打印，并且成形过程中保持送粉筒的数量值总和不变，以保证每层的成形厚度均匀一致。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：包括支持框架（1），支持框架（1）上安装有三维定位装置，三维定位装置中X轴定位装置和Y轴定位装置安装在支持框架的顶端，Z轴定位装置安装在支持框架的侧面；X轴定位装置上安装有能够旋转的用于喷出浆液糊状食物的出料装置，出料装置位于支持框架顶部的中心；Z轴定位装置上安装有用于承接浆液糊状食物的基板（12），基板（12）设置在支持框架（1）内部，并位于出料装置的下方，且能够在Z轴定位装置的控制下沿Z轴方向运动；出料装置上连接有通过控制器（21）控制浆液糊状食物喷出量及喷出速度的控制回路；出料装置上安装有若干喷嘴（11），喷嘴（11）的压缩空气入口以及物料入口分别与控制回路以及相对应的供料筒相连。

2.根据权利要求1所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述的X轴定位装置包括位于X轴方向上的X轴传动丝杠（5）以及套装在X轴传动丝杠（5）上的喷嘴滑块（9）；支持框架（1）顶端Y轴方向的两个相对的支架上分别安装有Y轴滑块（3），其中一个Y轴滑块（3）内安装有X轴步进电机（4），X轴步进电机（4）的输出轴与X轴传动丝杠（5）一端固定连接，X轴传动丝杠（5）的另一端安装在另一个Y轴滑块（3）上。

3.根据权利要求2所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述的Y轴定位装置包括套装在Y轴滑块（3）上的Y轴丝杠（2）；支持框架（1）顶端X轴方向的一个支架上安装有电机座，电机座上安装有双轴伸步进电机（6），双轴伸步进电机（6）两端的输出轴上均固定连接有传动轴（7），两个传动轴（7）均通过锥齿轮（8）分别与支持框架（1）顶部的两个Y轴丝杠（2）相连；两个Y轴丝杠（2）分别套装在两个Y轴滑块（3）内。

4.根据权利要求3所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述的Z轴定位装置包括Z轴丝杠（13），基板（12）套装在Z轴丝杠（13）上；Z轴丝杠（13）的顶端安装在电机座的底部，底端与Z轴步进电机的输出轴固定连接，Z轴步进电机安装在支持框架（1）底部X轴方向的一个支架上。

5.根据权利要求1所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述的出料装置还包括安装在喷嘴滑块（9）底部的旋转连接圆盘（10）以及为喷嘴（11）提供动力的空气压缩机（14）；若干喷嘴（11）的空气入口均与空气压缩机（14）相连；若干喷嘴（11）安装在旋转连接圆盘（10）上，喷嘴（11）的喷口（11-1）位于基板（12）的上方。

6.根据权利要求5所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述喷嘴（11）的喷口（11-1）的横截面与水平方向倾斜设置。

7.根据权利要求5所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述支持框架（1）的***还设置有用于保护支持框架（1）内部结构的机壳，机壳由玻璃材料制成；基板（12）由镀络合金材料制成；旋转连接圆盘（10）上固定安装有五个喷嘴（11）。

8.根据权利要求5所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述的每一个喷嘴（11）与空气压缩机（14）之间均通过控制回路相连，其中每一组控制回路包括主压缩空气管路以及副压缩空气管路，主压缩空气管路以及副压缩空气管路的输入端均与作为压缩空气源的空气压缩机（14）相连，输出端均与喷嘴（11）相连。

9.根据权利要求8所述的可控喷注式食品3D打印设备，其特征在于：所述的空气压缩机（14）的出口连接有分接阀（15），空气压缩机（14）与分接阀（15）之间的管路上还连接有压力计（22），喷嘴（11）的入口连接有三通阀（18）；主压缩空气管路包括依次连接的用于控制进料量的调压比例阀（16）和第一电磁阀（17-1），副压缩空气管路包括依次连接第二电磁阀（17-2）、调气阀（20）和分歧管（19）；调压比例阀（16）和第二电磁阀（17-2）入口分别连接到分接阀（15）的两个入口上，第一电磁阀（17-1）和分歧管（19）的出口分别连接到三通阀（18）的两个入口上；其中，控制器（21）的控制信号输出端分别与调压比例阀（16）、第一电磁阀（17-1）、第二电磁阀（17-2）以及三通阀（18）的控制信号输入端相连。

10.一种基于权利要求1至9任意一项所述可控喷注式食品3D打印设备的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）选择相应的食物，加工成浓度合适的可流动浆液状，分别置于相应的供料筒中；

2）用酒精将基板清洗干净；

3）调整喷嘴和基板的距离，使参照喷嘴的液体流焦点处于基板表面；

4）根据每层食物的组分，设置相应的喷嘴运动速度以及空气压缩机功率的范围；

5）打开空气压缩机，调整气压以保证送料流场；

6）先后启动相应喷嘴的调压比例阀和电磁阀，喷嘴按照程序规定的轨迹进行扫描打印；

7）打印完成一层后，基板下降一层厚度的距离进行下一层的打印，并且成形过程中保持送粉筒的数量值总和不变，以保证每层的成形厚度均匀一致，最终实现可控喷注式食品3D打印成型。