IPC分类号：
A23P30/00 | A61J3/00 | B33Y30/00 | B33Y40/00
当前申请(专利权)人：
中国农业科学院农产品加工研究所
原始申请(专利权)人：
中国农业科学院农产品加工研究所
当前申请(专利权)人地址：
100193 北京市海淀区圆明园西路2号 (北京,北京,海淀区)
发明人：
张良 | 张泓 | 张春江 | 胡小佳 | 刘倩楠 | 黄峰 | 胡宏海 | 刘伟 | 张娜娜 | 魏文松 | 艾鑫 | 曲舒扬
摘要：
本发明涉及3D打印技术领域，提供胶体3D打印系统，包括：匀浆罐，用于混合得到胶体溶液；加热器，进液口连接匀浆罐的出液口，对得到的胶体溶液进行加热；冷却室，在冷却室内设置有打印头和打印平台；打印头通过供料管道连接加热器的出液口，打印头和/或打印平台连接三维驱动组件。该种胶体3D打印系统，通过匀浆罐得到胶体溶液。之后，将胶体溶液注入加热器当中，使得悬浊液融胶形成稳定溶液。胶体形成稳定溶液后，对应打印区间设置冷却室，将打印头和打印平台均设置于冷却室内，选择模型进行打印。该种胶体3D打印系统打印得到胶体形状多样且变化多，可以满足各种条件下对胶体形状的不同需求，实现胶体的自由成型。
技术问题语段：
如何设计一种具有均一打印特性、可相变沉积、成形稳定的胶体材料，以应用于3D打印支撑结构，并解决现有市场中食品胶体形状单一、需要定制不同的模具的问题。
技术功效语段：
本发明提供了一种胶体3D打印系统，可以通过匀浆罐得到胶体溶液，并将其注入加热器中，使其融胶形成稳定溶液。该系统可以打印得到胶体形状多样且变化多，可以满足各种条件下对胶体形状的不同需求，实现胶体的自由成型。该系统的技术效果在于实现了胶体的精准控制和3D打印，提高了胶体3D打印的效率和精度。
权利要求：
1.一种胶体3D打印系统，其特征在于，包括：
匀浆罐，用于混合得到胶体溶液；
加热器，进液口连接所述匀浆罐的出液口，对得到的胶体溶液进行加热；
所述加热器包括：壳体；加热棒，固定在所述壳体内部；螺旋通道，位于所述壳体内部，盘桓于所述加热棒的外周且沿着所述加热棒的轴向曲折延伸，且对进入所述螺旋通道的胶体溶液进行加热；
冷却室，在所述冷却室内设置有打印头和打印平台，且所述打印平台位于所述打印头下方；所述打印头通过供料管道连接所述加热器的出液口，所述打印头和/或所述打印平台连接三维驱动组件，使得所述打印头相对所述打印平台运动；
还包括：涡流管，所述涡流管包括冷风口和热风口，所述冷风口通过送风管道连通所述冷却室，所述热风口与所述壳体连通；
空压机，连接所述涡流管，向所述涡流管输入空气。
2.根据权利要求1所述的胶体3D打印系统，其特征在于，所述送风管道的出风口对应所述打印头。
3.根据权利要求1所述的胶体3D打印系统，其特征在于，还包括：
固定支架，用于固定所述匀浆罐、加热器、冷却室和三维驱动组件；
所述固定支架包括位于底部的第一支架，以及安装于所述第一支架上方的第二支架，所述匀浆罐和所述加热器固定于所述第二支架的背侧，所述冷却室固定于所述第一支架上方且位于所述第二支架的前侧。
4.根据权利要求3所述的胶体3D打印系统，其特征在于，
所述第二支架为双门型架；
所述三维驱动组件包括：
Z向光轴，固定于所述双门型架之间；
X向光轴，两端分别通过滑块安装于所述Z向光轴上；
Y向光轴，安装于所述第一支架上；
所述打印头通过滑块安装于所述X向光轴，所述打印平台通过滑块安装于所述Y向光轴；
所述冷却室的侧壁上形成有所述X向光轴的第一避让槽，所述冷却室的顶板上形成有所述供料管道的第二避让槽，所述冷却室的面板上形成有所述Y向光轴的避让孔；所述Z向光轴位于所述冷却室外部。
5.根据权利要求4所述的胶体3D打印系统，其特征在于，所述第一避让槽和/或第二避让槽处设置有风琴罩。
6.根据权利要求3所述的胶体3D打印系统，其特征在于，所述匀浆罐包括：
罐体；
罐盖，安装于所述罐体开口处，且在所述罐盖上安装有搅拌轴，所述搅拌轴位于所述罐体内部的一端安装有桨叶；
抱箍，安装于所述罐体，并将所述罐体安装至所述固定支架。
7.根据权利要求3所述的胶体3D打印系统，其特征在于，所述壳体通过安装架固定至所述第二支架。
8.根据权利要求1所述的胶体3D打印系统，其特征在于，还包括：
外罩，包裹所述匀浆罐、加热器、冷却室和三维驱动组件。
9.根据权利要求8所述的胶体3D打印系统，其特征在于，所述冷却室的正面板上形成有第一观察窗，所述外罩上设置有第二观察窗，所述第二观察窗与所述第一观察窗对应。
技术领域：
[0001]本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种胶体3D打印系统。
背景技术：
[0002]胶体是具有均一打印特性、可相变沉积、成形稳定的3D打印支撑结构材料。
[0003]以食品胶体为例，作为常用食物添加剂，食品胶体经常应用在不同的食物里，比如甜点、慕斯、果冻、龟苓膏之类的食物，且食品胶体也可以用作药品的“缓释剂”，但是在当前市场里常见的食品胶体更多的是利用模具成型，形状单一，如果想修改其形状则需要定制不同的模具。
发明内容：
[0004]本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一
[0005]本发明的其中一个目的是：提供一种胶体3D打印系统，解决现有技术中存在的模具成型胶体得到的胶体形状单一的问题。
[0006]为了实现该目的，本发明提供了一种胶体3D打印系统，包括：
[0007]匀浆罐，用于混合得到胶体溶液；
[0008]加热器，进液口连接所述匀浆罐的出液口，对得到的胶体溶液进行加热；
[0009]冷却室，在所述冷却室内设置有打印头和打印平台，且所述打印平台位于所述打印头下方；所述打印头通过供料管道连接所述加热器的出液口，所述打印头和/或所述打印平台连接三维驱动组件，使得所述打印头相对所述打印平台运动。
[0010]在一个实施例中，还包括：
[0011]涡流管，所述涡流管包括冷风口，所述冷风口通过送风管道连通所述冷却室；
[0012]空压机，连接所述涡流管，向所述涡流管输入空气。
[0013]在一个实施例中，所述送风管道的出风口对应所述打印头。
[0014]在一个实施例中，还包括：
[0015]固定支架，用于固定所述匀浆罐、加热器、冷却室和三维驱动组件；
[0016]所述固定支架包括位于底部的第一支架，以及安装于所述第一支架上方的第二支架，所述匀浆罐和所述加热器固定于所述第二支架的背侧，所述冷却室固定于所述第一支架上方且位于所述第二支架的前侧。
[0017]在一个实施例中，所述第二支架为双门型架；
[0018]所述三维驱动组件包括：
[0019]Z向光轴，固定于所述双门型架之间；
[0020]X向光轴，两端分别通过滑块安装于所述Z向光轴上；
[0021]Y向光轴，安装于所述第一支架上；
[0022]所述打印头通过滑块安装于所述X向光轴，所述打印平台通过滑块安装于所述Y向光轴；
[0023]所述冷却室的侧壁上形成有所述X向光轴的第一避让槽，所述冷却室的顶板上形成有所述供料管道的第二避让槽，所述冷却室的面板上形成有所述Y向光轴的避让孔；所述Z向光轴位于所述冷却室外部。
[0024]在一个实施例中，所述第一避让槽和/或第二避让槽处设置有风琴罩。
[0025]在一个实施例中，所述匀浆罐包括：
[0026]罐体；
[0027]罐盖，安装于所述罐体开口处，且在所述罐盖上安装有搅拌轴，所述搅拌轴位于所述罐体内部的一端安装有桨叶；
[0028]抱箍，安装于所述罐体，并将所述罐体安装至所述固定支架。
[0029]在一个实施例中，所述加热器包括：
[0030]壳体，通过安装架固定至所述支架；
[0031]加热棒，固定在所述壳体内部；
[0032]螺旋通道，位于所述壳体内部，盘桓于所述加热棒的外周且沿着所述加热棒的轴向曲折延伸，且对进入所述螺旋通道的胶体溶液进行加热。
[0033]在一个实施例中，还包括：
[0034]外罩，包裹所述匀浆罐、加热器、冷却室和三维驱动组件。
[0035]在一个实施例中，所述冷却室的正面板上形成有第一观察窗，所述外罩上设置有第二观察窗，所述第二观察窗与所述第一观察窗对应。
[0036]本发明的技术方案具有以下优点：本发明的该种胶体3D打印系统，通过匀浆罐得到胶体溶液，此时的胶体溶液一般为悬浊液。之后，将胶体溶液注入加热器当中，使得悬浊液融胶形成稳定溶液。胶体形成稳定溶液后，如果再将其置于低温环境，则溶液将会凝固成胶体，故对应打印区间设置冷却室，将打印头和打印平台均设置于冷却室内，选择模型进行打印。该种胶体3D打印系统打印得到胶体形状多样且变化多，可以满足各种条件下对胶体形状的不同需求，实现胶体的自由成型。
具体实施方式：
[0050]下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0051]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0052]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]请参见图1至图3，实施例的胶体3D打印系统，包括匀浆罐5、加热器6和冷却室2。其中，匀浆罐5用于混合得到胶体溶液；加热器6进液口连接匀浆罐5的出液口，对得到的胶体溶液进行加热；冷却室2内设置有打印头7和打印平台32，且打印平台32位于打印头7下方。打印头7通过供料管道8连接加热器6的出液口，打印头7和/或打印平台32连接三维驱动组件，使得打印头7相对打印平台32运动。
[0054]其中，“三维驱动组件”指代的是可以在三维空间当中带动打印头7和/或打印平台32运动的任何组件。例如，三维驱动组件可以是若干驱动电机的组合，也可以是若干驱动液压缸的组合，还可以是若干驱动电机和驱动液压缸的组合等等，只要满足“在三维驱动组件作用下打印头7相对打印平台32做三维运动”。并且，三维驱动组件可以只连接打印头7，也可以只连接打印平台32，还可以既连接打印头7又连接打印平台32。
[0055]该种胶体3D打印系统，通过匀浆罐5得到胶体溶液，此时的胶体溶液一般为悬浊液。之后，将胶体溶液注入加热器6当中，使得悬浊液融胶形成稳定溶液。胶体形成稳定溶液后，如果再将其置于低温环境，则溶液将会凝固成胶体，故对应打印区间设置冷却室2，将打印头7和打印平台32均设置于冷却室2内，选择模型进行打印。该种胶体3D打印系统打印得到胶体形状多样且变化多，可以满足各种条件下对胶体形状的不同需求，实现胶体的自由成型。
[0056]在一个实施例中，胶体3D打印系统还包括涡流管4，请参见图2。其中，涡流管4包括冷风口401，冷风口401通过送风管道9连通冷却室2。进而，通过向冷却室2中通入冷风，涡流管4可以达到对冷却室2制冷的目的。当然，除了采用涡流管4对冷却室2进行制冷，还可以采用任何现有技术中的制冷方式对冷却室2进行制冷。
[0057]其中，当采用涡流管4对冷却室2进行制冷的时候：
[0058]涡流管4只需要输入通用压力的压缩空气，通过涡流管4转换，进而在涡流管4的一端产生冷空气，另一端产生热空气。冷空气在干燥空气的前提下最低温度可达-46℃，热空气最高温度可达127℃。涡流管4可以通过调节热气端的阀来调节气体的流量和冷气端温度的高低，得到中意的冷气参数。
[0059]对于产生热空气的热风口402，可以将热风口402的热风排出至胶体3D打印系统之外。除此以外，也可以将涡流管4产生的热空气用于加热器6的加热，进而达到能量的充分利用。例如，当加热器6包括后续提及的壳体601的时候，可以将涡流管4产生的热空气通入到壳体601内部，并对壳体601内部的螺旋通道603进行加热。
[0060]此外，可以采用空压机3连接涡流管4，进而通过空压机3向涡流管4输入空气。具体的，可以采用一个小型空压机3提供压缩空气给涡流管4，压缩空气进入涡流管4之后，一端热空气排出胶体3D打印系统之外，冷空气进入冷却室2，持续对冷却室2内进行降温。为了对冷却室2的温度进行控制，可以在冷却室2内设置温度传感器。此外，胶体3D打印系统配置一个主板，主板的PID控制策略控制空压机3的启停，并通过控制空压机3的启停达到控制冷却室2内温度的目的。
[0061]通过图3发现，送风管道9的出风口对应打印头7。如此设置可以保证打印头7部分的成型效果。
[0062]通过图1至图3发现，胶体3D打印系统还包括固定支架1，用于固定匀浆罐5、加热器6、冷却室2和三维驱动组件。通过固定支架1固定匀浆罐5、加热器6、冷却室2和三维驱动组件，使得胶体3D打印系统高度集成，保证胶体3D打印系统占用较小的空间。
[0063]在一个实施例中，固定支架1包括位于底部的第一支架101，以及安装于第一支架101上方的第二支架102，匀浆罐5和加热器6固定于第二支架102的背侧，冷却室2固定于第一支架101上方且位于第二支架102的前侧。其中，冷却室2位于第二支架102的前侧，可以便于观察冷却室2内的打印情况。并且，由于冷却室2固定在第一支架101上方，进而可以保证冷却室2安装的可靠性。当然需要说明的是，为了实现匀浆罐5、加热器6、冷却室2和三维驱动组件的安装，第一支架101和第二支架102的位置关系并非一定要如图1至图3中所示，并且固定支架1并非一定要包括第一支架101和第二支架102。只不过采用图1至图3中固定支架1结构形式可以保证胶体3D打印系统内各部件分布更加合理。
[0064]此外，第一支架101还可以用于安装包括开关电源30、PWM模块33(脉冲宽度调制模块)等在内的电器部件。
[0065]请再次参见图1至图3，第二支架102为双门型架。并且结合图4和图5，发现三维驱动组件包括Z向光轴19、X向光轴25和Y向光轴21。其中，Z向光轴19固定于双门型架之间；X向光轴25的两端分别通过滑块20安装于Z向光轴19上；Y向光轴21安装于第一支架101上。在此基础上，打印头7通过滑块20安装于X向光轴25，打印平台32通过滑块20安装于Y向光轴21。
[0066]该种情况下，Z向光轴19转动可以带动X向光轴25沿着Z向光轴19上下运动；X向光轴25转动可以使得打印头7沿着X向光轴25移动；Y向光轴21转动可以使得打印平台32沿着Y向光轴21移动。进而，该种情况下，打印平台32和打印头7可以相对做三维运动，进而满足任意造型的打印要求。
[0067]其中，为了满足上述三维驱动组件的安装，在冷却室2的侧壁上形成有X向光轴25的第一避让槽，冷却室2的顶板上形成有供料管道8的第二避让槽；冷却室2的面板(包括正面板和背面板)上形成有Y向光轴21的避让孔；Z向光轴19位于冷却室2外部。进而，X向光轴25的两端穿过第一避让槽之后安装于Z向光轴19，供料管道8穿过第二避让槽之后连接加热器6的出液口。
[0068]通过图4和图5发现：
[0069]在第一支架101上安装两根Y向光轴21，在打印平台32下方对应安装有两个直线轴承套合在Y向光轴21上进行滑动，在打印平台32的下方正中的凸台上固定连接Y向同步带23的开口端两端，Y向同步带23一端绕在位于操作屏10上方的一个同步带轮24(被遮蔽)上，另一端绕在Y向步进电机22的输出轴同步带轮24上，从而当Y向步进电机22转动时，打印平台32即可沿Y向前后移动。
[0070]在Z向光轴19上安装有滑块20，滑块20上固定一个X向步进电机26，在X向步进电机26的输出轴安装一个同步带轮24；同样的，对于另外一根Z向光轴19而言，同样在Z向光轴19上安装滑块20，在滑块20上固定一个X向步进电机26，在X向步进电机26的输出轴安装一个同步带轮24。X向同步带27绕在此两个同步带轮24上，开口两端固定在打印头7连接的滑块20。
[0071]此外，对于在Z向光轴19而言，其滑块20内部布置两个直线轴承，套合在Z向光轴19上，在滑块20上安装丝杆螺母，丝杆螺母套合在丝杆上，于是当Z向步进电机18驱动丝杆转动时，Z向滑块20即可上下自由滑动。Z向限位开关16被触发后，触发后的信号将意味着Z向滑块20运行到了Z向上方的极限位置，此时Z向步进电机18应该停机，如果Z向限位开关16未被触发，则Z向步进电机18将会驱动滑块20继续沿着Z向光轴19上行，为了保护胶体3D打印系统上部空间内的其它部件，特设置Z向限位板17，当Z向限位开关16失效后，Z向限位板17充当机械限位的作用，阻止Z向光轴19上的滑块20继续上行。
[0072]当连接Z向光轴19的进电机启动后，Z向光轴19转动，进而X向光轴25及其X向步进电机26、同步带轮24、X向同步带27、打印头7及其滑块20等同步上升下降。
[0073]当Y向步进电机22启动后，打印平台32沿Y向前后移动。
[0074]当X向步进电机26启动后，打印头7沿X向左右移动。
[0075]通过图6和图7发现，在第一避让槽和第二避让槽处均设置有风琴罩202。当然，也可以仅仅在第一避让槽和第二避让槽的其中之一设置有风琴罩202。其中，风琴罩202的可折叠性即可保证冷却室2的密封性。并且，可以在第一避让槽和第二避让槽处安装加厚的风琴罩202，以进一步保证冷却室2的密封性，防止外部热空气进入冷却室2内部。当然，为了保证冷却室的密封效果，除了设置风琴罩202，也可以采用其它密封结构形式。
[0076]其中，为了保证供料管道8和X向光轴25的安装以及移动，在风琴罩202上需要钻开若干孔洞，再以点胶等手段进行局部密封。
[0077]此外，请参见图8，在冷却室2内部设置有V形的均流槽28，使冷空气均匀徐徐向下吹拂，从而保证冷却室2内温度均匀降低，温度场稳步趋于一致。
[0078]在一个实施例中，请参见图9，匀浆罐5包括罐体501和罐盖502。罐盖502安装于罐体501开口处，且在罐盖502上安装有搅拌轴504，搅拌轴504位于罐体501内部的一端安装有桨叶505。进一步的，罐体501通过抱箍503安装于固定支架1。
[0079]匀浆罐5内装入水和原料胶粉末，罐内的桨叶505由匀浆电机驱动旋转，使罐内悬浊液持续被搅动(因为胶体溶液容易分层)，在罐体501内一侧设置一根直通罐体501底部的排液管506伸出罐体501外，也即通过排液管506连通匀浆罐5的出液口与外部。
[0080]进一步的，匀浆罐5的排液管506由软管接至水泵29的入口端，水泵29的出口端接上软管连至加热器6上方的进液口，胶体溶液在加热器6当中加热之后，由具有保温效果的夹层管道31连接至后续部件当中。
[0081]在一个实施例中，请参见图10，加热器6包括壳体601、加热棒602和螺旋通道603。其中，壳体601通过安装架605固定至支架；加热棒602固定在壳体601内部；螺旋通道603位于壳体601内部，盘桓于加热棒602的外周且沿着加热棒602的轴向曲折延伸，进而对得到的胶体溶液进行加热。
[0082]其中，可以在加热器6的壳体601外部包覆隔热材料，并在壳体601上设置进液口和出液口，进液口和出液口连接螺旋通道603的两端，使得胶体溶液从进液口进入螺旋通道603，并通过出液口离开加热器6。当胶体溶液经过螺旋通道603的时候，加热棒602对螺旋通道603内部的胶体溶液进行加热。当然，除了采用加热棒602对螺旋通道603内的胶体溶液进行加热，也可以采用加热丝、加热块等其它形式的加热单元替换加热棒602。并且，可以在加热器6出液口附近设置一个温度传感器604，监测加热器6出口温度。
[0083]由于胶体(如卡拉胶、褐藻胶、瓜尔豆胶等)的特性是需要对悬浊液进行加热，使之融胶形成稳定溶液，故对于胶体3D打印系统而言，加热环节是必不可少的。
[0084]待胶体形成稳定溶液后，此时将稳定溶液置于低温环境可以使得溶液凝固成胶体。而在冷却室2中便可形成所需的低温环境。
[0085]在一个实施例中，胶体3D打印系统还包括外罩13。其中，外罩13包裹匀浆罐5、加热器6、冷却室2和三维驱动组件。
[0086]其中，为了便于对胶体3D打印系统工作过程的观察，在冷却室2的正面板上形成有第一观察窗201，外罩13上设置有第二观察窗1301，第二观察窗1301与第一观察窗201对应。进而，通过第一观察窗201和第二观察窗1301观察冷却室2内部的打印情况。
[0087]此外，请参见图1、3、5和11，在第一支架101上固定有操作屏10，外罩13上还形成有所述操作屏10的操作窗口1302。
[0088]进一步的，参见图11，胶体3D打印系统的外罩13圆润美观，罩住内部部件，外罩13上的第二观察窗1301为一个可拆卸式密封观察窗，在第二观察窗1301下方为操作窗口1302。
[0089]并且，图11中，在外罩13右侧为空压机气压开关12及空压机的压力表11，用于控制以及测量空压机3的气压。在空压机气压开关12及其压力表11下侧设置有散热孔14，进而涡流管4的热空气可以通过散热孔14排出至胶体3D打印系统外部，并且胶体3D打印系统内部的热量也可以通过该散热孔14外排。
[0090]进一步的，在外罩13底部共有四个底脚15，进而得到一个便于摆放、使用方便的胶体3D打印系统。
[0091]采用上述胶体3D打印系统打印大致包括以下步骤：
[0092]打开匀浆罐5在匀浆罐5中加入胶体粉末、水、以及其它的配方原料；
[0093]匀浆罐5内部的桨叶505搅拌制备悬浊液；
[0094]水泵29启动将悬浊液输入加热器6内；
[0095]胶体溶液进入供料管道8；
[0096]选择模型进行打印；
[0097]胶体溶液在冷却环境内定量挤出，进行成型打印；
[0098]打印完成，取下第一观察窗201和第二观察窗1301，取出打印得到的模型。
[0099]上述胶体3D打印系统，可以用于进行胶体食物、胶体药物的成型，尤其对于原位凝胶而言，其利用3D打印技术实现胶体的自由成型，成型方法简单。
[0100]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。