一种食用明胶3D打印装备及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种食用明胶3D打印装备及控制系统，食用明胶3D打印装备包括变压变温挤出单元、数控传动单元、挤出制冷单元以及控制箱，装备的保温箱内设有沿X轴、Y轴、Z轴以及U轴设置并联合驱动的装置，并联动3D打印控制系统对样件进行打印；控制系统包括PID加热控制单元、PID压力控制单元、PID制冷控制单元、3D打印轨迹运动及耦合控制单元以及上位机电脑；实现了挤出温度、挤出压力、成型室温度、成型平台温度以及轨迹运动速度的耦合控制。度以及轨迹运动速度的耦合控制。度以及轨迹运动速度的耦合控制。

【技术实现步骤摘要】
一种食用明胶3D打印装备及控制系统


[0001]本专利技术涉及一种食品加工技术及3D打印
，更具体地说，涉及一种食用明胶3D打印装备及控制系统。

技术介绍

[0002]3D打印是迅猛发展的快速成型技术催生而出的一项新兴技术。3D打印技术又称为“增材技术”，可将金属、塑料、橡胶、石膏等材料通过熔融挤出、粉末烧结、光敏反应等途径制造出预先设定的形状。由于该技术能将复杂的加工工艺进行数字化操作，具有精度高、速度快、成本低等优势，因此被认为是推动各领域发展的重要技术手段。
[0003]食品3D打印可通过数字化设计，以实现精准营养的个性化膳食，越来越受到孕乳妇、婴幼儿、老年人、肥胖症人、糖尿病人、高血脂病人等特殊人群的广泛青睐。由于不同人群身体状况不同，对各种营养素的需求不同，所需食品各异。利用3D打印技术制作不同人群所需的食品，可按照该人群所需的营养素配比进行原料配置，制定合理的膳食。首先根据该人群营养素比例的需要，合理地制定规划膳食食谱。将食谱中原料进行处理，使其适用于3D打印过程。然后，根据该人群所需营养素的质量以及能量，计算得到打印食品的体积。最后，根据体积建立相应的三维模型，将处理好的原料放入食品3D打印机，同时将建好的三维模型输入食品3D打印机，最终得到该人群所需的营养定制食品，因此食品3D打印技术在食品制造领域有十分广阔的前景。
[0004]明胶作为胶原蛋白的水解产物，属于大分子蛋白，是一种不含有胆固醇的天然蛋白质来源，明胶可作为一种强有力的保护胶体，乳化力强，进入胃后能抑制牛奶、豆浆等蛋白质因胃酸作用而引起的凝聚作用，从而有利于食物消化。由于其独特的功能特性，被广泛用于食品行业。明胶分子结构具有特殊性，当明胶水溶液浓度足够大，温度足够低时，可形成具有一定弹性的可逆凝胶，这是明胶特有的性能。因此明胶可通过自身凝胶化改善食品的硬度、弹性和咀嚼性。然而，明胶材料很难通过简单的挤出成型以实现3D打印，因此，通过变压热挤出与低温成型耦合控制，实现其打印成型将是3D打印食品的一大突破。
[0005]热挤出是目前食品3D打印的主流技术，但在3D打印挤出物料时，一般不对材料加装冷却装置，或简单的用风扇对目标物体吹风，由于热挤出物料的温度较高且3D打印机箱体内的温度大多高于室温，致使打印的产品需较长时间进行冷却凝固成型，此外也不具备挤出压力闭环控制、挤前加热温度控制、挤出快速冷却控制及三者耦合控制能力，所以在打印明胶材料时，由于材料流动性及可塑性均受温度影响，挤出材料常出现不连续、流淌、坍塌以及挤出滞后等情况，无法实现复杂结构的立体成形。
[0006]因此亟需研究一种能够实现快速、均匀、高质量的3D打印技术，使食用明胶体系(如明胶、明胶与鱼泥、肉泥复配物)流动态浆料沉积固化成形，提升挤出物料的机械强度，提升打印产品的成型质量，制造形状更复杂的立体结构。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决目前3D打印过程中食用明胶物料加热挤出后机械强度极低，无法打印出立体性强的复杂结构，挤出材料流淌、坍塌、不连续及挤出滞后等问题，提供一种食用明胶3D打印装备及控制系统。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种食用明胶3D打印装备，包括变压变温挤出单元、数控传动单元、挤出制冷单元以及控制箱。
[0009]挤出制冷单元包括保温箱，保温箱设有箱门，保温箱内正对箱门的一侧固定装有成型室壁挂制冷板，保温箱内一侧安装成型室温度传感器，保温箱内底部装有制冷压缩机，制冷压缩机与制冷液循环泵相连接，制冷液循环泵安装在保温箱内底部，制冷液循环泵上固定装有第一支撑板，第一支撑板上装有数控传动单元。
[0010]数控传动单元包括X轴电机，X轴电机的旋转端固定安装X轴丝杠，X轴丝杠的另一端通过轴承转动连接在第一轴承座上，第一轴承座安装在第一支撑板上，X轴丝杠上装有可沿X轴丝杠移动的X轴丝母，X轴丝母上固定装有第二支撑板，X轴丝杠的两侧对称安装两个X轴导向柱，每个X轴导向柱分别由两个支撑座固定在第一支撑板上，每个X轴导向柱上滑动连接一个导向柱支撑块，导向柱支撑块固定在第二支撑板的下平面上。
[0011]第二支撑板上靠近保温箱箱门的一侧固定安装一个Y轴电机，Y轴电机的旋转端固定安装Y轴丝杠，Y轴丝杠与X轴丝杠在水平方向互相垂直，Y轴丝杠的另一端通过轴承转动连接在第二轴承座上，第二轴承座安装在第二支撑板上，Y轴丝杠上装有可沿Y轴丝杠移动的Y轴丝母，Y轴丝母上固定装有成型平台制冷板，Y轴丝杠的两侧对称安装两个Y轴导向柱，每个Y轴导向柱分别由两个支撑座固定在第二支撑板上，每个Y轴导向柱上滑动连接一个导向柱支撑块，导向柱支撑块固定在成型平台制冷板的下平面上，成型平台制冷板内装有成型平台温度传感器，成型平台制冷板的一侧装有冷却管，冷却管通过成型平台制冷板循环冷却液管道与制冷液循环泵相连接。
[0012]第一支撑板上相对于保温箱的箱门一侧竖直安装一条传送槽，传送槽内垂直安装一条导轨，导轨上滑动连接滑块，滑块上固定安装U轴电机，U轴电机内穿接一条U轴丝杠，U轴丝杠的两端固定在传送槽的上下两端，U轴电机上固定安装Z轴连接架，Z轴连接架的自由端上平面装有变压变温挤出单元。
[0013]变压变温挤出单元包括支撑架，支撑架安装在Z轴连接架的自由端上平面，连接架的自由端下平面装有变温料筒，支撑架上端设有通孔，支撑架上安装Z轴电机，Z轴电机内穿设Z轴丝杠，Z轴丝杠的另一端穿过Z轴连接架并连接变压活塞，变压活塞置于变温料筒内，变压活塞的活塞杆上装有气压传感器连接阀，气压传感器连接阀通过导管连接气压传感器，气压传感器安装在支撑架的一侧。
[0014]变温料筒包括不锈钢料筒，不锈钢料筒外侧套接硅胶加热筒，硅胶加热筒外侧套接保温套，保温套下平面螺接挤出喷嘴，挤出喷嘴的另一端穿设在不锈钢料筒内，保温套上安装料筒温度传感器，料筒温度传感器的测温端穿过保温套与硅胶加热筒连接在不锈钢料筒外侧。
[0015]控制箱安装在保温箱的顶端，控制箱前侧装有总机开关、急停开关以及多通道PID控制器，控制箱内安装直流电源，直流电源与固态继电器连接，固态继电器分别与多通道PID控制器、电机驱动器以及运动控制器连接。
[0016]上述食用明胶3D打印装备，优选方式下，成型平台制冷板内有密排水路，并采用循环冷却液制冷方式。
[0017]上述食用明胶3D打印装备，优选方式下，U轴电机以及Z轴电机均为精密丝杠贯通式电机。
[0018]上述食用明胶3D打印装备，优选方式下，变压活塞的活塞杆为中空结构，气压传感器连接阀与中空结构连接。
[0019]一种食用明胶3D打印装备的控制系统，包括PID加热控制单元、PID压力控制单元、PID制冷控制单元、3D打印轨迹运动及耦合控制单元以及上位机电脑。
[0020]PID加热控制单元包括PID温控器、固态继电器、使用220V交流电的硅胶加热筒、料筒温度传感器，PID温控器设置在多通道PID控制器内，PID温控器通过485总线与上位机电脑主机双向连接并实时通讯，PID温控器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种食用明胶3D打印装备，其特征在于，包括变压变温挤出单元、数控传动单元、挤出制冷单元以及控制箱；所述挤出制冷单元包括保温箱(1)，所述保温箱(1)前部设有箱门，所述保温箱(1)内正对所述箱门的一侧固定装有成型室壁挂制冷板(15)，所述保温箱(1)内一侧安装成型室温度传感器(14)，所述保温箱(1)内底部装有制冷压缩机(20)，所述制冷压缩机(20)与制冷液循环泵(22)相连接，所述制冷液循环泵(22)安装在所述保温箱(1)内底部，所述制冷液循环泵(22)上固定装有第一支撑板，所述第一支撑板上装有数控传动单元；所述数控传动单元包括X轴电机(26)，所述X轴电机(26)的旋转端固定安装X轴丝杠(21)，所述X轴丝杠(21)的另一端通过轴承转动连接在第一轴承座上，所述第一轴承座安装在所述第一支撑板上，所述X轴丝杠(21)上装有可沿所述X轴丝杠(21)移动的X轴丝母，所述X轴丝母上固定装有第二支撑板，所述X轴丝杠(21)的两侧对称安装两个X轴导向柱，每个所述X轴导向柱分别由两个支撑座固定在所述第一支撑板上，每个所述X轴导向柱上滑动连接一个导向柱支撑块，所述导向柱支撑块固定在所述第二支撑板的下平面上；所述第二支撑板上靠近所述保温箱(1)箱门的一侧固定安装一个Y轴电机(25)，所述Y轴电机(25)的旋转端固定安装Y轴丝杠(18)，所述Y轴丝杠(18)与所述X轴丝杠(12)在水平方向互相垂直，所述Y轴丝杠(18)的另一端通过轴承转动连接在第二轴承座上，所述第二轴承座安装在所述第二支撑板上，所述Y轴丝杠(18)上装有可沿所述Y轴丝杠(18)移动的Y轴丝母，所述Y轴丝母上固定装有成型平台制冷板(2)，所述Y轴丝杠(18)的两侧对称安装两个Y轴导向柱，每个所述Y轴导向柱分别由两个支撑座固定在所述第二支撑板上，每个所述Y轴导向柱上滑动连接一个导向柱支撑块，所述导向柱支撑块固定在所述成型平台制冷板(2)的下平面上，所述成型平台制冷板(2)内装有成型平台温度传感器，所述成型平台制冷板(2)的一侧装有冷却管，所述冷却管通过成型平台制冷板循环冷却液管道(19)与所述制冷液循环泵(22)相连接；所述第一支撑板上相对于所述保温箱(1)的箱门一侧竖直安装一条传送槽，所述传送槽内垂直安装一条导轨，所述导轨上滑动连接滑块，所述滑块上固定安装U轴电机(24)，所述U轴电机(24)内穿接一条U轴丝杠(16)，所述U轴丝杠(16)的两端固定在所述传送槽的上下两端，所述U轴电机(24)上固定安装Z轴连接架，所述Z轴连接架的自由端上平面装有变压变温挤出单元；所述变压变温挤出单元包括支撑架，所述支撑架安装在所述Z轴连接架的自由端的上平面，所述连接架的自由端的下平面装有变温料筒(3)，所述支撑架上端设有通孔，所述支撑架上安装Z轴电机(23)，所述Z轴电机(23)内穿设Z轴丝杠(6)，所述Z轴丝杠(6)的另一端穿过所述Z轴连接架并连接变压活塞(17)，所述变压活塞(17)置于所述变温料筒(3)内，所述变压活塞(17)的活塞杆上装有气压传感器连接阀(4)，所述气压传感器连接阀(4)通过导管连接气压传感器(5)，所述气压传感器(5)安装在所述支撑架的一侧；所述变温料筒(3)包括不锈钢料筒(27)，所述不锈钢料筒(27)外侧套接硅胶加热筒(28)，所述硅胶加热筒(28)外侧套接保温套(29)，所述保温套(29)下平面螺接挤出喷嘴(30)，所述挤出喷嘴(30)的另一端穿设在所述不锈钢料筒(27)内，所述保温套(29)上安装料筒温度传感器(31)，所述料筒温度传感器(31)的测温端穿过所述保温套(29)与所述硅胶加热筒(28)连接在所述不锈钢料筒(27)外侧；
所述控制箱安装在所述保温箱(1)的顶端，所述控制箱前侧装有总机开关(12)、急停开关(13)以及多通道PID控制器(7)，所述控制箱内安装直流电源(10)，所述直流电源与固态继电器(9)连接，所述固态继电器(9)分别与所述多通道PID控制器(7)、电机驱动器(8)以及运动控制器(11)连接。2.根据权利要求1所述食用明胶3D打印装备，其特征在于，所述成型平台制冷板(2)内有密排水路，并采用循环冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：童强，国泰榕，于婉莹，董秀萍，庞桂兵，张慧，魏鸿磊，李明颖，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
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