阅读说明：本技术 一种微波协同三维打印装置及用于植物凝胶体系的精确高效打印方法 (Microwave-assisted three-dimensional printing device and accurate and efficient printing method for plant gel system ) 是由 张慜 刘振彬 陈慧芝 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：一种微波协同三维打印装置及用于植物凝胶体系的精确高效打印方法,属于食品加工技术领域。装置包括三维打印机,内置的实时微波加热固化装置,柔性的微波屏蔽箱体,内嵌式在线微波实时控制器等。微波源为固态微波源,功率在20～200W范围内连续可调。采用旋转天线的方式实现微波馈能,可确保打印过程中微波被物料层的均匀吸收。该装置可实现在3D打印过程中微波的实时加热固化,达到快速固化提高打印精度,缩短全流程下3D打印生产食品的效率。根据物料性质,如流变特性和介电特性,将3D打印过程中物料的打印挤出速度和微波实时加热功率建立起匹配关系,实现物料的适速固化,从而实现95％以上的打印精度,且在后续过程中不发生变形。(A microwave-assisted three-dimensional printing device and an accurate and efficient printing method for a plant gel system belong to the technical field of food processing. The device comprises a three-dimensional printer, a built-in real-time microwave heating and curing device, a flexible microwave shielding box body, an embedded online microwave real-time controller and the like. The microwave source is a solid microwave source, and the power is continuously adjustable within the range of 20-200W. Microwave energy feedback is realized by adopting a rotary antenna mode, and the microwave can be uniformly absorbed by the material layer in the printing process. The device can realize the real-time heating solidification of printing in-process microwave at 3D, reaches the fast curing and improves and print the precision, shortens 3D under the full flow and prints the efficiency of production food. According to material properties such as rheological properties and dielectric properties, a matching relation is established between the printing extrusion speed of the material and the microwave real-time heating power in the 3D printing process, so that the material is cured at a proper speed, the printing precision of more than 95% is realized, and deformation does not occur in the subsequent process.)

一种微波协同三维打印装置及用于植物凝胶体系的精确高效 打印方法

技术领域

本领域属于食品技术领域，尤其涉及微波协同条件下食品的三维打印装置及精确高效打印方法。

背景技术

3D打印技术，又称增材制造技术、快速成型技术，是通过计算机建模，以连续的物理层叠形式来实现生产三维结构物体的技术。虽然3D打印用于食品领域可以很好的满足人们对个性化食物的需求，可以根据目标人群制作不同营养成分的食物，可以扩大食材的范围，但该项技术仍然面临一些技术难题，如怎样实现精确化打印、怎样利用常规的浆状物料来打印复杂的立体结构、怎样使打印食品在后续的加工过程中保持形状等，这些问题的解决将很好的促进打印食品工业的发展。

植物凝胶体系是3D打印用食品体系的一个重要组成部分。3D食品打印技术可以实现食品的形状质构定制化，开发易吞咽的老年食品，拓宽可用食材的范围等优点，但现在3D食品打印技术面临的一个最大问题是速度比较慢，打印效率比较低，这极大的限制了3D打印技术在食品领域的大规模应用。目前现在常用的提高3D打印效率的方法有加大打印喷嘴直径和提高打印时轴的移动速度，但加大打印喷嘴往往会导致3D打印精度的下降，提高移动速率往往会导致打印的稳定性下降，且二者在提高3D打印效率方面的作用是有限的。

微波加热技术是以物料吸收微波能使物料中极性分子与微波电磁场相互作用的结果，在外加交变电磁场作用下，物料内极性分子极化并随外加交变电磁场极性变更而交变取向，如此众多的极性分子因频繁相互间摩擦损耗，使电磁能转化为热能等为原理来加热物料的相关技术。微波加热很多优点。即时性，内外同时加热，加热速度快。整体性，其加热过程在整个物体内同时进行，升温迅速，温度均匀，温度梯度小，是一种“体热源”，大大缩短了常规加热中热传导的时间。选择性，不同材料由于其自身的介电特性不同，其对微波的反应也不相同。高效性，在常规加热中，设备预热、辐射热损失和高温介质热损失在总的能耗中占据较大的比例，而微波进行加热时，介质材料能吸收微波，并转化为热能，而设备壳体金属材料是微波反射型材料，它只能反射而不能吸收微波(或极少吸收微波。与常规电加热方式相比，它一般可以节电30％～50％。

本发明中，将微波技术和3D打印技术结合起来，在3D打印过程中根据打印的速度和物料本身的介电特性适时调节微波功率以实现物料的实时固化，这既可以防止打印过程中由于重力作用导致3D打印物体的精确性下降，同是可以将3D打印过程和后期固化/熟化阶段统一与同一个过程中，这可以极大的提高3D打印效率。

石学智(2018)发明了一种微波辅助3D食物打印装置及方法(CN109363221A)，该装置包括3D打印箱体，3D打印箱体内部上方分别设有扫描区、混料区，扫描区与混料区下方分别对应冷却区、打印区，3D打印箱体上端两侧分别安装有磨料装置与储料罐，储料罐入料口设于混料区上方，3D打印箱体一侧设有计算机数字控制面板。该发明虽然引入了微波作为热源，但装置无论从结构还是从微波作用方面都与本发明有显著差异。本发明在强调微波熟化的同时强调微波加热固化物料层以提高3D打印精度，同时微波功率可根据物料的介电和固化特性进行适时的调节控制。而对照专利则侧重于冷却区冷却固化打印物体以提高打印精度，微波仅仅作为一种熟化手段。综上，二者之间有显著差异。

郭韵等(2018)发明了一种智能化食品3D热电打印机(CN109645538A)，该装置内置有半导体制冷制热控制系统，用于对喷头系统进行加热和制冷。这与本发明采用微波作为热源有显著不同。

陈斌等(2016)发明了一种3D食品打印方法及3D食品打印机(CN105595386A),主要解决现有打印机不能即打即熟且物料输送困难等问题。该发明通过3D食品打印机将物料制成特定形状，在所述物料的输送路线上，对物料进行加热以使得物料熟化，能够实现物料从生到熟的快速转变，即时连续的获得熟化的食品。该发明与本发明采用微波作为热源有明显不同。此外，该发明是3D打印过程完成后再进行加热熟化，这与本发明打印过程中适时加热也有明显不同。

张泓等(2018)发明了一种协同式精准营养食品3D打印系统及方法，可以实现多种食品原料构筑而成的精准营养3D打印食品的自动化加工，该发明没有引入加热装置，这与本发明引入微波适时加热有明显不同。

臧鹏(2016)发明了“一种3D食品打印机”(CN206403183U)，在食品打印机内置有加热熟化装置，可将打印出的食品熟化，提高食品的口感和成型性。但本发明主要侧重于常规的电加热熟化，与本发明中采用可实现内源性快速加热的微波加热具有明显不同。此外，本发明中微波作为熟化手段的同时，更多的是侧重于微波的快速固化性能以提高3D打印的精度。

朱大千(2017)公布了一种“食品打印机”的实用新型专利(CN207140357U)，将打印机分为X轴组件，Y轴组件和Z轴组件，旨在解决食品3D打印设备结构复杂，体积大，打印精度低的缺点。此发明与本发明借助于微波的快速固化性能而实现高精度3D打印有明显不同。

郭韵(2018)公布了“一种食品3D打印机的智能热电加热喷头”(CN108402506A)，其结构包括半导体制冷制热装置，能加快喷嘴出料后打印模型的冷却，减少能耗，提高打印精度。而本发明中微波源并不是内置在打印喷嘴内，而是嵌套在打印平台上是实现即时加热的效果，二者在思路上有明显不同。

发明内容

本发明旨在提供一种微波协同三维打印装置及用于植物凝胶体系的精确高效打印方法。

本发明的技术方案：

一种微波协同三维打印装置，该装置包括3D打印箱体、X轴水平移动轴1、Z轴上下移动箱架2、打印喷头3、微波箱4、打印物体5、打印平台6、微波发生器及天线7和内嵌式微波在线控制器8，所述的微波发生器及天线7设置于3D打印箱体底部，位于打印平台6下方，微波发生器及天线7均匀释放微波，对打印平台6上的打印物体5进行加热。在3D打印过程中，打印物体5能随打印平台6移动；3D打印箱体内设置X轴水平移动轴1和Z轴上下移动箱架2；微波箱4采用柔性屏蔽材料以防止微波泄露，同时能随着打印平台6和Z轴上下移动架2的前后左右上下移动；内嵌式微波在线控制器8设置于3D打印箱体中，用于控制微波发生器的微波功率并直观显示工作状态。

所述微波箱4采用柔性屏蔽材料，能够随着Z轴上下移动架2，即打印喷头3的上下移动而伸缩拉长，随着打印平台6的前后左右移动而移动，从而防止整个打印过程中的微波泄露现象。

所述3D打印箱体中设置红外在线测温传感器，用于实时监测打印温度，其测温范围：0-500度。

所述微波发生器采用固态微波源，频率2450MHz，功率20—200W连续可调，电源功率为500VA，220V/50Hz。

一种微波协同三维打印装置的植物凝胶体系的精确高效打印方法，步骤为：首先制备植物凝胶体系，然后选择合适的打印喷头直径、打印距离、打印速度、挤出速度、微波功率，最后通过内嵌式微波在线控制器8控制打印过程，完成打印。

所述的当挤出速度为0.002～0.005cm³/s时，微波功率为25～45W；当挤出速度为0.005～0.008cm³/s时，微波功率为45～65W；当挤出速度为0.008～0.010cm³/s时，微波功率为65～80W。

所述的打印喷头直径为1.0～1.5mm；打印距离为1.0～2.0mm。

所述的喷头移动速度为20～30mm/s。

本发明的有益效果：在3D打印机中内置有微波发生器和内嵌式微波在线控制器以实现3D打印过程的实时加热和固化，并可以根据物料的性质(如介电特性)来实时调节微波功率以实现物料的适速固化。在3D打印过程中，采用旋转天线的方式输入微波能量，微波发生器及天线实时的均匀释放微波，确保打印工件得到均匀微波加热。为实现物料的实时固化，在给定打印速度和挤出速度下，根据物料的性质(如介电特性，流变特性等)，可通过内嵌式微波在线控制器实时调节微波功率，以使物料的适速固化。如果微波功率和物料打印挤出速度不相匹配的话可能会导致物料过快固化脱水收缩导致后续物料层不能很好的沉积在先前挤出层上，从而导致打印失败。此外，微波功率的实时调节控制也与物料性质关系很大，吸收能力强的物料往往需要较小的微波功率就可以实现适速固化，而微波吸收能力弱的物料反之需要较高的微波功率。本发明将3D打印过程和固化/熟化过程统一与一个过程中，提高整个3D打印过程的效率。

本发明采用固态微波源，能够精确控制功率在20—200W连续可调，线性度好，控制更精确，重现性好。此外，采用连续可调的小功率水平可防止3D打印过程中物料水分的快速蒸发导致前后打印物料层的不连续粘连，导致打印的失败。

附图说明

图1本发明示意图。

图中：1X轴水平移动轴；2Z轴上下移动箱架；3打印喷头；4微波箱；5打印物体；6打印平台；7微波发生器及天线；8内嵌式微波在线控制器。

具体实施方式

实施实例1.山药粉凝胶体系的精确化高效微波三维打印

将市售山药粉，黄油和自来水进行混合均匀形成均一的糊状，山药粉为自来水的50％，黄油在室温下软化打发后加入到体系中，重量为山药粉和自来水总重的25％。利用3D打印机将其打印成型。选定打印喷头直径为1.5mm，打印距离为1.5mm，喷头移动速度为25mm/s，挤出速度为0.007cm³/s的条件下进行打印。在打印过程中，打印物随着打印平台的移动而移动，微波发生器的功率设定为63W，并相对均匀的被正在打印的物料层吸收，在固化的同时是山药粉糊化。在此过程中，微波功率的控制至关重要，较大的微波功率会导致先前打印层的物料快速脱水皱缩，使后续打印层不能很好的衔接。如果微波功率过小又会导致已打印层物料不能快速固化，在重力作用下发生变形，这也会影响打印效果。经测试，在上述条件下打印的精度能达到95％以上，且在后续储藏过程中不发生变形。此外，与采用先打印再后续微波熟化处理的方式相比，采用打印过程中的微波实时加热熟化方法可以提高全流程下生产效率20％～30％。

实施实例2.土豆泥体系的精确化高效微波打印

首先将土豆进行清洗、去皮后切成厚度为5mm左右的薄片，蒸煮22min，然后进行打浆5.5min至浆体细腻发亮。以打浆后的土豆泥为基准，加入3％的胶体(果胶、卡拉胶等)混合均匀后蒸煮23min以使胶体充分溶解，改善土豆泥的流变特性和相应的成型特点。选定打印喷头直径为1.5mm，打印距离为1.7mm，喷头移动速度为25mm/s，挤出速度为0.009cm³/s。由于打印时土豆泥已经预先熟化，因此较小的微波功率就可以实现正在打印物料层的加速固化。经过试验，微波发生器的功率设定为78W，此条件下既可以保证物料的快速固化，又可以防止较大的微波功率导致先前打印层的物料快速脱水皱缩，使后续打印层不能很好的衔接。在打印过程中，打印物随着打印平台的移动而移动，以保证物料均匀的吸收微波。此方案下打印精度在95％以上，且在后续的储藏过程中不变形。

实施实例3.紫薯粉凝胶体系的精确化高效微波三维打印

将市售紫薯粉，黄油和自来水进行混合均匀形成均一的糊状，紫薯粉为自来水的48％，黄油在室温下软化打发后加入到体系中，重量为紫薯粉和自来水总重的17％。利用3D打印机将其打印成型。选定打印喷头直径为1.0mm，打印距离为1.2mm，喷头移动速度为24mm/s，挤出速度为0.006cm³/s的条件下进行打印。在打印过程中，打印物随着打印平台的移动而移动，微波发生器的功率设定为48W，并相对均匀的被正在打印的物料层吸收。在此过程中，微波功率的控制至关重要，较大的微波功率会导致先前打印层的物料快速脱水皱缩，使后续打印层不能很好的衔接。如果微波功率过小又会导致已打印层物料不能快速固化，在重力作用下发生变形，这也会影响打印效果。经测试，在上述条件下打印的精度能达到95％以上，且在后续储藏过程中不发生变形。

实施实例4.大豆分离蛋白凝胶体系的精确化高效微波三维打印

将市售大豆分离蛋白粉和自来水混合均匀形成均一的糊状，水与蛋白粉的比例为2.3：1。加入1％的食盐并混合均匀后蒸煮18min使蛋白质充分变性，冷却至室温后形成凝胶体系用于3D打印。选定打印喷头直径为1.0mm，打印距离为1.1mm，喷头移动速度为24mm/s挤出速度为0.010cm³/s的条件下进行打印。在打印过程中，打印物随着打印平台的移动而移动，微波发生器的功率设定为80W，并相对均匀的被正在打印的物料层吸收。在此过程中，微波功率的控制至关重要，较大的微波功率会导致先前打印层的物料快速脱水皱缩，使后续打印层不能很好的衔接。如果微波功率过小又会导致已打印层物料不能快速固化，在重力作用下发生变形，这也会影响打印效果。经测试，在上述条件下打印的精度能达到95％以上，且在后续储藏过程中不发生变形。