CN115462545B - 一种单喷头双料口彩色3d打印装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种单喷头双料口彩色3D打印装置及其工作方法。所述打印装置包括喷头主体、物料桶和出料管道；所述喷头主体由空心圆柱体和空心倒锥体一体化构成；在空心倒锥体的两侧设有出料管道，出料管道的出料口处设有铂片电极，与编程直流电源设备电性连接；所述物料桶设于喷头主体上方，且物料桶底部设有螺纹插管与喷头主体相连通；本发明的打印喷头装置可根据需要实现多色彩的3D打印，克服了目前彩色打印机的多喷头、颜色单一、结构复杂、成本高的局限，同时打印两个不同色调的实体物，灵活性强、提高了彩色打印的速率和材料的利用率；并克服了一般打印设备在打印物料时废料口同时出料，造成了食材浪费的问题。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种单喷头双料口彩色3D打印装置及其工作方法。
背景技术
3D打印技术是一种以计算机数字技术为基础，经过三维建模、模型切片、信息加工、逐层打印等步骤并最终形成三维实体的技术，集合了数字处理技术、计算机技术、数控技术、材料技术等多种现代技术。3D打印技术作为一种新兴技术应用于食品领域，可以迅速将设计者的想法转变为实体物，定制化生产出满足消费者要求的个性化食品。
颜色是人们感知外界事物最基本的属性，也是对人们食欲影响最深的一个因素，所以3D打印技术的研究逐渐趋向于如何制造彩色食品。目前，食品彩色3D打印通常使用多种材料或者多色的打印方法，利用多通道的方式挤出不同颜色的食材，赋予食品有限的色彩。但是这种方式所实现的多颜色打印严重依赖打印机装配的喷头或挤出装置的数量，不能够实现单一物质的彩色打印，其本质是一种组合彩色打印。也有文献报道了一种彩色3D打印机挤出装置，该设备是将电化学机理应用于3D打印机，利用单通道实现单色原料的彩色3D打印；在工作过程中，通过控制喷嘴处的电压控制水分子在喷嘴处电解为H+和OH-的速度，从而调节pH敏感型色素在不同酸碱环境中的变色情况。虽然该设备及方法能够使用单通道3D打印机满足食品的彩色个性化定制，但是该设备不能自动调控打印电压和打印时长，而且该打印设备在打印物料时废料口同时出料，且废料口的出料经过挤出后会发生颜色变化，不能二次利用，造成了食材浪费。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明旨在解决所述问题，提供了一种基于单喷头、双料口实现彩色3D打印的喷头装置及其工作方法。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种用于实现单喷头双料口彩色3D打印功能的喷头装置，包括喷头主体、物料桶、活塞挤压杆、铂片电极一、出料管道一、铂片电极二、出料管道二、电导线、可编程直流电源设备和螺纹插管；
所述物料桶为中空圆柱体，底部设有螺纹插管；所述活塞挤压杆设置在物料桶内部，并与3D打印机电机电性连接，通过3D打印机内置电机的控制，活塞挤压杆可进行上、下移动，实现物料的挤压推送；
所述喷头主体由空心圆柱体和空心倒锥体构成；所述空心圆柱体设于空心倒锥体的上方，两者一体化连接；所述空心圆柱体通过螺纹插管与物料桶连通；
所述空心倒锥体的两侧连通有出料管道，分别记为出料管道一和出料管道二；所述出料管道一和出料管道二均设有出料口，且出料口的方向与空心倒锥体尖端方向一致；
所述出料管道一的出料口处设有铂片电极一；所述出料管道二的出料口处设有铂片电极二；所述铂片电极一和铂片电极二均为空心圆柱状，紧贴出料口内壁，形成出料通道；
所述铂片电极一和铂片电极二通过电导线分别与可编程直流电源设备电性连接。
优选的，所述螺纹插管设于物料桶底部的中心位置。
优选的，所述空心圆柱体的截面直径与空心倒锥体的锥底平面直径相同。
优选的，所述出料管道一和出料管道二的出料口，由出口端至管道内部方向为由窄到宽的类锥形结构，口径由出口处至管道方向平滑增大；出料口窄端的口径为0.8mm～1.5mm，宽端口径为3-5mm。
优选的，所述铂片电极一和铂片电极二的纯度为999‰，厚度均为0.2mm～0.5mm，长度均为3mm～6mm。
优选的，所述出料管道一和出料管道二以空心倒锥体为轴对称设置；所述出料管道一和出料管道二的管道形状为直角形，且管道直角区域平滑设计。
优选的，所述可编程直流电源设备电压范围为-30V～+30V，电流限制为1A。
本发明还提供一种单喷头双料口彩色3D打印装置的工作方法，包括以下步骤：
S1.色素的筛选：筛选出具有pH敏感型的天然色素，并在不同pH梯度的缓冲液中进行显色，选择变色区域广阔的天然色素作为变色对象；所述pH敏感型天然色素包括花青素、姜黄素、类胡萝卜素；
S2.打印物料的准备：将所筛选的pH敏感型天然色素与选定的打印材料混合得到打印物料，然后启动3D打印机，通过控制打印机的电机使活塞挤压杆拉升至物料桶的上方，将此打印物料装进物料桶中，在真空腔内抽真空，排除气泡；
S3.通过电机控制活塞挤压杆向下运动，打印物料在活塞挤压杆的挤压下缓慢进入喷头主体，并分别经过出料管道一和出料管道二，最终通过出料口以细线条的形式挤出；
S4.电压U-色调值H关系的建立：在打印过程中打印物料经过出料管道一和出料管道二的出料口时，启动可编程直流电源设备提供电压，通过电导线和相对应的铂片电极一和铂片电极二与打印物料形成闭合电路，通过水分子电解使铂片电极一和铂片电极二附近形成不同的pH环境，从而使物料变色，可从两侧的出料口挤出不同颜色的线条；同时，采集不同电压下物料的色调值H，绘制U-H关系曲线；
S5.3D打印模型识别：将打印模型放入切片软件中进行打印参数设置以完成切片工作；同时，读取打印模型中不同色调下的打印时长数据，并将其色调值及所对应的打印时长输入可编程电源的LabView控制界面，依据S4中建立的U-H关系曲线，实现色调值及其打印时长与电压之间的自动匹配，以调控打印过程中出料口处的电压；
S6.彩色打印：将S5中切片完成的模型载入3D打印机，可编程直流电源设备根据S5中提取的信息与S3中的建立的电压U-色调值H关系自动匹配程序，调节打印所需电压和打印时长，实现彩色打印物的颜色控制。
优选的，步骤S2所述中pH敏感型色素与打印物料的质量比为0.05～0.5：100；所述真空腔中真空环境为0.065MPa～0.08MPa，抽真空时间为3min～5min。
优选的，步骤S5中所述打印参数设定包括层高为0.2mm～1mm、打印温度为20℃～70℃、打印速度为15mm/s～25mm/s。
优选的，所述打印物料中还可以加盐物质，提高物料导电性；所述盐物质包括NaCl、Na2SO4、Na2CO3、NaHCO3，所述盐物质的用量占打印物料总质量的2％～5％。
基本工作原理是含有pH敏感型色素的物料与铂电极相接触时，两块铂片电极之间所形成的电路闭合，物料中的水分子发生电解，在左、右两喷头处分别形成不同酸碱度的环境，使物料中的色素分子结构发生变化，显示出不同的颜色变化，从而实现单喷头、双料口彩色3D打印。
本发明的优点和技术效果是：
1、本发明提供一种单喷头双料口彩色3D打印喷头装置和方法，可以克服目前彩色打印机的多喷头、颜色单一、结构复杂、成本高的局限。
2、本发明采用单喷头、双料口设计出料，可以同时打印两个不同色调的实体物，提高了彩色打印的速率和材料的利用率；并克服了一般打印设备在打印物料时废料口同时出料，造成了食材浪费的问题。
3、本发明基于水电解技术，设计单喷头、双料口彩色3D打印喷头，可以通过控制电压大小和保持时间，调节出料口处的pH，使pH敏感型色素发生不同的颜色变化，根据需要实现多色彩的3D打印，灵活性强、变色范围广。
4、本发明基于挤压式输出线条进行彩色打印，适用于大部分挤压型材料，降低了材料的要求。
附图说明
图1为本发明实施例的喷头装置整体结构示意图；附图标记：1-1-空心圆柱体，1-2空心倒锥体，2-物料桶，3-活塞挤压杆，4铂片电极一，5-出料管道一，6-铂片电极二，7-出料管道二，8-电导线，9-可编程直流电源设备，10-螺纹插管。
图2为实施例1打印出的实物图片。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，一种用于实现单喷头双料口彩色3D打印功能的喷头装置，包括喷头主体、物料桶2、活塞挤压杆3、铂片电极一4、出料管道一5、铂片电极二6、出料管道二7、电导线8、可编程直流电源设备9和螺纹插管10；
所述物料桶2为中空圆柱体，圆柱体内径为4.5cm，底部中心设置内径为1cm的螺纹插管10；所述活塞挤压杆3设置在物料桶2内部，并与3D打印机的电机电性连接，通过电机的控制，活塞挤压杆3可进行上、下移动，实现物料的挤压推送；
所述喷头主体由空心圆柱体1-1和空心倒锥体1-2构成；所述空心圆柱体1-1设于空心倒锥体1-2的上方，两者一体化连接，空心圆柱体1-1的截面直径与锥底平面直径相同，都为4cm，二者的中空内径皆为1cm；所述空心圆柱体1-1通过螺纹插管10与物料桶2连通；
所述空心倒锥体1-2的两侧以空心倒锥体1-2为轴对称位置连通有两直角形出料管道，分别记为出料管道一5和出料管道二7；所述出料管道一5和出料管道二7均设有出料口，且出料口的方向与空心倒锥体1-2尖端方向一致；且出料管道一5和出料管道二7的管道直角处(即拐角)为平滑设计，便于物料流动；
所述出料管道一5和出料管道二7的出料口，由出口端至管道内部方向为由窄到宽的类锥形结构，口径由出口处至管道方向平滑增大；所述窄端，即出料口处的口径为1.2mm，宽口径为3mm。
所述出料管道一5的出料口处设于铂片电极一4，所述铂片电极一的厚度为0.2mm，长度为5mm，纯度为999‰；所述出料管道二7的出料口处设于铂片电极二6，所述铂片电极二的厚度为0.2mm，长度为5mm，纯度为999‰；所述铂片电极一4和铂片电极二6均为空心圆柱状，空心内径为0.8mm，紧贴出料口内壁，形成出料通道。
所述铂片电极一4和铂片电极二6通过电导线8分别可编程直流电源设备9电性连接，所述可编程直流电源设备9工作电压量程为-30V～+30V，工作电流为1A。
打印原料可选择土豆泥、山药泥、山芋泥、淀粉、米粉、亲水胶等浅色食材；本实施例选择的打印原料为土豆泥，以土豆泥的彩色打印为例，对本发明实施过程进行详细说明，具体包括以下步骤：
(1)pH敏感型色素的制备及表征：紫薯粉使用75％乙醇水溶液进行提取，料液比为1:10(g/mL)，60℃水浴2h；然后提取液离心过滤，保留上清液，使用旋转蒸发仪去除乙醇，得到紫薯花青素原液，冷冻干燥得到冻干紫薯花青素粉末；
使用0.1mol/L柠檬酸溶液、0.2mol/L磷酸氢二钠溶液和0.2mol/L磷酸二氢钠溶液调配出pH在2-12的缓冲液，梯度为0.5，使用相机记录紫薯花青素在不同pH下的显色；
(2)打印物料的制备：取200g土豆于蒸锅中蒸煮45min，熟后取出，使用均质机将土豆打成泥；取熟制土豆泥100g、Na2SO4 5g和步骤(1)中冻干紫薯花青素粉末0.2g，均质机混匀成泥，即为打印物料。通过3D打印机的电机控制活塞挤压杆拉出至物料桶2上方，将打印物料装进物料桶2中，在0.07MPa的真空腔中抽真空3min，排除物料桶中的气泡；
(3)通过电机控制活塞挤压杆3向下运动，土豆泥在活塞挤压杆3的挤压下缓慢进入喷头主体，并分别经过出料管道一5和出料管道二7，最终通过出料口以细线条的形式挤出；
(4)电压U-色调H关系的建立：在打印过程中打印物料经过出料管道一5和出料管道二7的出料口时，可编程直流电源设备9提供电压，以5V为梯度，使电压从-30V增长至30V，通过电导线8和相对应的铂片电极一4和铂片电极二6与打印物料形成闭合电路，与打印物料形成闭合电路，通过水分子电解使铂片电极一4和铂片电极二6附近形成不同的pH，从而使物料变色，经过出料管道一5和出料管道二7的出料口挤出不同颜色的线条；同时，采集不同电压下物料的色调H，绘制U-H关系曲线。
(4)3D打印模型识别：将打印模型放入切片软件中进行打印参数设置以完成切片工作，该模型的打印温度为25℃，打印速度为15mm/s，层高为0.6，喷嘴直径为0.8。同时，读取模型中不同色调下的打印时长数据，并将其色调值及所对应的打印时长输入可编程直流电源设备9的LabView控制界面，依据S4中建立的U-H关系曲线，实现色调值及其打印时长与电压之间的自动匹配，以调控打印过程中喷头的电压。
(5)彩色打印：再次将步骤(2)中制备的打印材料装进物料桶2中，在0.07Mpa的真空腔中抽真空3min，排除物料桶中的气泡；打印物料在活塞挤压杆3的挤压下缓慢进入喷头主体，待打印物料通过经过出料管道一5和出料管道二7的出料口时，开启LabView中已设置好的电压调节按钮，该可编程电源会根据步骤(3)和(4)建立的打印过程中电压、保留时间和色度值的关系自动调节电压和打印时间，使打印机按照已设计的模型进行打印，从而实现颜色控制，最终获得打印物实体图如图2，实现了从打印物红色、紫色到绿色的颜色变化，颜色自然协调，富有美感。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (4)
1.一种单喷头双料口彩色3D打印装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法采用单喷头双料口彩色3D打印装置，所述装置由喷头主体、物料桶（2）、活塞挤压杆（3）、铂片电极一（4）、出料管道一（5）、铂片电极二（6）、出料管道二（7）、电导线（8）、可编程直流电源设备（9）和螺纹插管（10）组成；
所述物料桶（2）为中空圆柱体，底部设有螺纹插管（10）；所述活塞挤压杆（3）设置在物料桶（2）内部，并与3D打印装置内置的电机电性连接，通过内置电机的控制，活塞挤压杆（3）可进行上、下移动，实现物料的挤压推送；
所述喷头主体由空心圆柱体（1-1）和空心倒锥体（1-2）构成；所述空心圆柱体（1-1）设于空心倒锥体（1-2）的上方，两者一体化连接；所述空心圆柱体（1-1）通过螺纹插管（10）与物料桶（2）连通；
所述空心倒锥体（1-2）的两侧连通有出料管道，分别记为出料管道一（5）和出料管道二（7）；所述出料管道一（5）和出料管道二（7）均设有出料口，且出料口的方向与空心倒锥体（1-2）尖端方向一致；所述出料管道一（5）和出料管道二（7）的出料口，为出口端至管道内部方向为由窄到宽的类锥形结构，口径由出口处至管道方向平滑增大；出料口窄端的口径为0.8mm～1.5mm，宽端口径为3-5mm；所述出料管道一（5）和出料管道二（7）以空心倒锥体（1-2）为轴对称设置；所述出料管道一（5）和出料管道二（7）的管道形状为直角形，且管道直角区域平滑设计；
所述出料管道一（5）的出料口处设有铂片电极一（4）；所述出料管道二（7）的出料口处设有铂片电极二（6）；所述铂片电极一（4）和铂片电极二（6）均为空心圆柱状，紧贴出料口内壁，形成出料通道；所述铂片电极一（4）和铂片电极二（6）的纯度为999‰，厚度均为0.2mm～0.5mm，长度均为3mm～6mm；
所述铂片电极一（4）和铂片电极二（6）通过电导线（8）分别与可编程直流电源设备（9）电性连接；所述可编程直流电源设备（9）电压范围为-30V～+30V，电流限制为1A；
所述工作方法具体包括如下步骤：
S1.筛选出具有pH敏感型的天然色素，并在不同pH梯度的缓冲液中进行显色，选择变色区域广阔的天然色素作为变色对象；其中pH敏感型色素的制备：紫薯粉使用75%乙醇水溶液进行提取，料液比为1 g:10mL，60℃水浴2h；然后提取液离心过滤，保留上清液，使用旋转蒸发仪去除乙醇，得到紫薯花青素原液，冷冻干燥得到冻干紫薯花青素粉末，即为pH敏感型色素；
S2.将所筛选的pH敏感型天然色素与打印材料混合得到打印物料，然后启动3D打印装置，通过控制3D打印装置的电机使活塞挤压杆（3）拉升至物料桶（2）的上方，将打印物料装进物料桶（2）中，在真空腔内抽真空，排除气泡；
所述pH敏感型色素与打印材料的质量比为0.05-0.5：100；其中打印材料为土豆泥；所述真空腔中真空环境为0.065MPa～0.08MPa，抽真空时间为3min～5min；在所述打印物料中加入盐物质提高物料导电性；所述盐物质为NaCl、Na2SO4、Na2CO3或NaHCO3，所述盐物质的用量占打印物料质量的2%~5%；
S3.通过电机控制活塞挤压杆（3）向下运动，打印物料在活塞挤压杆（3）的挤压下缓慢进入喷头主体，并分别经过出料管道一（5）和出料管道二（7），最终通过出料口以细线条的形式挤出；
S4.在打印过程中打印物料经过出料管道一（5）和出料管道二（7）的出料口时，启动可编程直流电源设备（9）提供电压，通过电导线（8）和相对应的铂片电极一（4）和铂片电极二（6）与打印物料形成闭合电路，通过水分子电解使铂片电极一（4）和铂片电极二（6）附近形成不同的pH环境，从而使物料变色，可从两侧的出料口挤出不同颜色的线条；同时，采集不同电压下物料的色调值H，绘制U-H关系曲线；
S5.将打印模型放入切片软件中进行打印参数设置以完成切片工作；同时，读取打印模型中不同色调下的打印时长数据，并将其色调值及所对应的打印时长输入可编程电源的LabView控制界面，依据S4中建立的U-H关系曲线，实现色调值及其打印时长与电压之间的自动匹配，以调控打印过程中出料口处的电压；
S6.将S5中切片完成的模型载入3D打印装置，可编程直流电源设备（9）根据S5中提取的信息与S4中的建立的U- H关系自动匹配程序，调节打印所需电压和打印时长，实现彩色打印物的颜色控制。
2.根据权利要求1所述单喷头双料口彩色3D打印装置的工作方法，其特征在于，所述螺纹插管（10）设于物料桶（2）底部的中心位置。
3.根据权利要求1所述单喷头双料口彩色3D打印装置的工作方法，其特征在于，所述空心圆柱体（1-1）的截面直径与空心倒锥体（1-2）的锥底平面直径相同。
4.根据权利要求1所述单喷头双料口彩色3D打印装置的工作方法，其特征在于，步骤S5中所述打印参数设定包括层高为0.2mm～1mm、打印温度为20℃～70℃、打印速度为15mm/s～25mm/s。
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