[发明专利]一种食品微波3D打印设备、系统及打印方法

说明书

本发明公开了一种食品微波3D打印设备、系统及打印方法，属于食品技术领域。通过设置两极式微波加热天线，实现了挤出喷嘴内物料的聚焦式加热；同时两极式微波加热天线突破了传统多模腔体加热方式，极大缩小了加热腔体积，便于与桌面级3D打印机进行集成；通过挤出指令控制微波开关，实现了挤出与加热的同步，提升了加热的均匀性；通过将三维扫描仪、切片软件、3D打印机联合操作，实现了模型制作、切片、3D打印过程的一体化；本发明提供的食品微波3D打印系统和打印方法可快速、集中加热挤出喷嘴中的物料，实现挤出物料的即时固化，使挤出物料具有较高的机械强度，提升打印制品的成型质量，有效解决打印制品形变、坍塌等问题。

技术领域

本发明涉及一种食品微波3D打印设备、系统及打印方法，属于食品技术领域。

背景技术

3D打印是一种增材制造技术，它区别于车床、雕刻等传统减材制造，根据控制系统的指令通过层层叠加的方式实现零件的制造。近年来，3D打印技术在工业领域发展迅速，并得到广泛的研究和应用。在食品领域，由于体系水分大多较高，食品3D打印主要采用熔融沉积(Fused Deposition Modeling，FDM)技术进行成型。一般将食品物料制成熔融状态或者浆状，置于挤出料筒中，通过活塞、空气或者螺杆的挤压将食品浆料从料筒中挤出，在打印平台上堆积成型。巧克力、奶酪、糖等食品具有较低的熔点，浆料挤出后会固化成型，固化的浆料具有较高的机械强度，所以此类食品的3D打印成型效果较好。

相对来说，鱼糜、肉糜和面团等高水分食品浆料挤出后仍为流动态，机械强度较低，易发生流淌或坍塌，成型效果较差。因此，此类食品多集中在二维平面、简单非镂空造型等低立体性结构的制造。同时，此类食品浆料打印前未经熟化，成型的制品不能直接食用。目前主要采用先打印后熟化的方案，但是打印成型的制品在加热时极易发生形变，难以保持原有的形状。

由于鱼糜、肉糜和面团等高水分食品浆料受热会发生流动态到固态的转变，为了解决此类食品浆料3D打印成型质量较差的问题，加热式食品3D打印的方式得到了研究者们的广泛关注。已公开的一种固态食材3D打印装置(201610864170.3)，原料桶底部设置电加热管，通过导热块将原料桶内的固态原料融化为液态，再由打印头输出。在食品3D打印过程中，为了提升打印精度，3D打印机打印头流道直径一般仅有1-2mm左右，并且物料挤出速度达到每秒几十毫米。同时物料具有一定的传热阻力，所以采用电加热管可能很难将高速挤出的鱼糜、肉糜、面团等食品浆料加热均匀。

已公开的一种制作煎饼的3D打印机(201720021832.0)采用了在打印平台安装加热板的方式实现对挤出的物料的加热熟化。但是由于3D打印为逐层打印、层层叠加的过程，此类加热方式会导致先沉积在打印平台的物料加热过度，而后沉积的物料加热不足，造成产品熟化不均匀的现象。并且物料具有一定的导热阻力，所以此类加热方式也难以熟化具有一定高度或者厚度的产品。

已公开的一种3D打印的微波加热机构(201711206387.6)，通过磁控管产生微波，并通过上下微波屏蔽框限制微波的加热范围，对挤出的塑料、金属熔融丝加热，使物料保持熔融状态便于成型。但是微波在空气中会发生散射、折射、消散，因此并不能确保微波能够以均匀且充足的能量作用于挤出物料，使食品物料受热不均匀，造成最终产品质地不均一。同时，由于微波在打印腔体内发生反射、散射，难以靶向作用于挤出物料，会使打印平台上已经沉积的制品过度受热。

已公开的一种食品微波三维打印方法及打印机(201910089465.1)，通过嵌入料筒内壁的微波加热探头在前端释放微波，结合非吸波材料的尺寸设置，实现了挤出物料即时熟化的效果，微波加热探头由同轴线构成。但是此设备需要根据物料的介电性质计算微波加热探头与挤出头之间的距离，打印不同材料时需更换加热探头较为繁琐。通过有限元仿真模拟发现，此种加热形式微波电场主要集中在加热探头前端附近，难以对挤出头进行有效加热，加热效果较差。

因此亟需研究一种能够实现快速、均匀、聚焦式加热的3D打印技术，使鱼糜、肉糜、面团等流动态浆料沉积固化，从而提升挤出物料的机械强度，提升打印制品成型质量，制造立体性更强的结构。