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，提供一种分配供料的3D胶体打印系统。分配供料的3D胶体打印系统，包括：匀浆罐，数量为多个，分别用于混合得到胶体溶液；加热器，加热器设置有多个加热通道，加热通道与匀浆罐一一对应设置，且加热通道连接匀浆罐的出液口并对得到的胶体溶液进行加热；定量组件，包括容积可调的定量容腔，定量容腔与多个加热通道之间至少择一导通；冷却室，连通定量容腔对胶体溶液进行冷却凝固得到凝胶；打印头，通过供料管道连通冷却室。本发明的分配供料的3D胶体打印系统，可以对胶体溶液分别进行冷却凝固得到凝胶，在不同胶体不相互混合影响的情况下进行分段、分区域精准成分分配。
技术问题语段：
如何制作具有均一打印特性、可相变沉积、成形稳定的3D打印支撑结构材料，以满足不同位置的成分不同的要求。
技术功效语段：
本发明的分配供料的3D胶体打印系统具有以下优点：该系统采用先凝胶、后搭配的思路，使得凝胶成分自由搭配成为可能，解决常规胶体溶液中“分子的布朗运动会导致不同溶液会彻底混合为一体，使得凝胶无法实现分区域不同成分搭配”的问题。同时，该系统还包括多个匀浆罐和对应的多条加热通道，可以在打印之前对胶体溶液进行冷却凝固得到凝胶，从而实现分段、分区域精准成分分配。该技术方案的优点是可以在不同胶体不相互混合影响的情况下进行分段、分区域精准成分分配。
权利要求：
1.一种分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，包括：
匀浆罐，数量为多个，分别用于混合得到胶体溶液；
加热器，所述加热器设置有多个加热通道，所述加热通道与所述匀浆罐一一对应设置，且所述加热通道连接所述匀浆罐的出液口并对得到的胶体溶液进行加热；
定量组件，包括容积可调的定量容腔，所述定量容腔与多个所述加热通道之间至少择一导通；
冷却室，连通所述定量容腔对所述胶体溶液进行冷却凝固得到凝胶；
打印头，通过供料管道连通所述冷却室。
2.根据权利要求1所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，所述定量组件包括容器以及位于所述容器当中的活塞头，所述容器与所述活塞头之间形成所述定量容腔，所述活塞头通过活塞杆连接驱动单元，所述驱动单元带动所述活塞头运动调节所述定量容腔容积。
3.根据权利要求2所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，所述活塞杆上形成有螺纹，所述螺纹连接螺母，所述螺母连接第一同步带轮，所述第一同步带轮通过同步带连接第二同步带轮，所述第二同步带轮连接驱动电机。
4.根据权利要求2所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，所述分配供料的3D胶体打印系统还包括四通头，所述四通头连接所述容器。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，所述匀浆罐与所述加热通道之间连接有驱动泵，所述匀浆罐和所述驱动泵之间设置有开关阀，所述定量容器与所述冷却室之间设置有定量阀。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，还包括：
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。
7.根据权利要求6所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，所述冷却室包括第一保温壳体和冷却通道，所述冷却通道位于所述第一保温壳体内且呈螺旋状盘桓，所述第一保温壳体设置有冷风通道，所述冷风通道与所述送风管道连通。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的分配供料的3D胶体打印系统，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。
9.根据权利要求1至4中任意一项所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，所述加热器包括第二保温壳体，所述第二保温壳体内设置有导热块，所述导热块中形成有所述加热通道，且所述加热通道呈螺旋状曲折延伸。
10.根据权利要求1至4中任意一项所述的分配供料的3D胶体打印系统，其特征在于，还包括：
外罩，包裹所述匀浆罐、加热器、冷却室和打印头；
所述外罩内底部设置有多个定位槽，所述定位槽与所述匀浆罐一一对应，用于固定所述匀浆罐；所述外罩上形成有观察窗，所述外罩底部设置有至少减震垫。
技术领域：
[0001]本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种分配供料的3D胶体打印系统。
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，各种食品级的胶类在制作的时候，通常是以溶液形式注入特定形状的容器中，再进行冷却处理使之凝固为凝胶，如果某些物品同时需求不同的胶体且互相不混合，比如不同成分的药物或功能性成分以胶体为缓释剂，要求药物或功能性成分释放部位不同，这样对不同位置的成分有不同的要求，以常规的手段势必难以实现。
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：提供一种分配供料的3D胶体打印系统，解决现有技术中存在的无法实现不同组分的胶体在不相互混合影响的情况下进行分段、分区域精准成分分配的问题。
[0006]为了实现该目的，本发明提供了一种分配供料的3D胶体打印系统，包括：
[0007]匀浆罐，数量为多个，分别用于混合得到胶体溶液；
[0008]加热器，所述加热器设置有多个加热通道，所述加热通道与所述匀浆罐一一对应设置，且所述加热通道连接所述匀浆罐的出液口并对得到的胶体溶液进行加热；
[0009]定量组件，包括容积可调的定量容腔，所述定量容腔与多个所述加热通道之间至少择一导通；
[0010]冷却室，连通所述定量容腔对所述胶体溶液进行冷却凝固得到凝胶；
[0011]打印头，通过供料管道连通所述冷却室。
[0012]在一个实施例中，所述定量组件包括容器以及位于所述容器当中的活塞头，所述容器与所述活塞头之间形成所述定量容腔，所述活塞头通过活塞杆连接驱动单元，所述驱动单元带动所述活塞头运动调节所述定量容腔容积。
[0013]在一个实施例中，所述活塞杆上形成有螺纹，所述螺纹连接螺母，所述螺母连接第一同步带轮，所述第一同步带轮通过同步带连接第二同步带轮，所述第二同步带轮连接驱动电机。
[0014]在一个实施例中，所述分配供料的3D胶体打印系统还包括四通头，所述四通头连接所述容器。
[0015]在一个实施例中，所述匀浆罐与所述加热通道之间连接有驱动泵，所述匀浆罐和所述驱动泵之间设置有开关阀，所述定量容器与所述冷却室之间设置有定量阀。
[0016]在一个实施例中，还包括：
[0017]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。
[0018]在一个实施例中，所述冷却室包括第一保温壳体和冷却通道，所述冷却通道位于所述第一保温壳体内且呈螺旋状盘桓，所述第一保温壳体设置有冷风通道，所述冷风通道与所述送风管道连通。
[0019]在一个实施例中，所述匀浆罐包括：
[0020]罐体；
[0021]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。
[0022]在一个实施例中，所述加热器包括第二保温壳体，所述第二保温壳体内设置有导热块，所述导热块中形成有所述加热通道，且所述加热通道呈螺旋状曲折延伸。
[0023]在一个实施例中，还包括：
[0024]外罩，包裹所述匀浆罐、加热器、冷却室和打印头；
[0025]所述外罩内底部设置有多个定位槽，所述定位槽与所述匀浆罐一一对应，用于固定所述匀浆罐；所述外罩上形成有观察窗，所述外罩底部设置有减震垫。
[0026]本发明的技术方案具有以下优点：本发明的本发明的分配供料的3D胶体打印系统，由于其包括多个匀浆罐，并且对应的在加热器当中设置有多条加热通道，进而在打印之前，可以对胶体溶液分别进行冷却凝固得到凝胶。由此，该种分配供料的3D胶体打印系统可以在不同胶体不相互混合影响的情况下进行分段、分区域精准成分分配。也即本发明采用先凝胶、后搭配的思路，使凝胶成分自由搭配成为可能，解决常规胶体溶液中“分子的布朗运动会导致不同溶液会彻底混合为一体，使得凝胶无法实现分区域不同成分搭配
具体实施方式：
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]请参见图1至图3，根据本发明的实施例，提供一种分配供料的3D胶体打印系统，包括匀浆罐5、加热器6、定量组件1、冷却室2和打印头。其中，匀浆罐5的数量为多个，分别用于混合得到胶体溶液，一般情况下不同匀浆罐5用于混合不同的胶体溶液。加热器6当中设置有多个加热通道603，并且加热通道603与匀浆罐5一一对应设置，且加热通道603连接匀浆罐5的出液口，进而对由匀浆罐5进入加热通道603当中的胶体溶液进行加热。定量组件1包括容积可调的定量容腔，定量容腔与多个加热通道之间至少择一导通，也即定量容器101既可以只连通其中一个加热通道，也可以同时连通其中多个加热通道，具体视分配供料的3D胶体打印系统需求而定。当分配供料的3D胶体打印系统需要将多种胶体混合的时候，则定量容器101可以同时连通其中多个加热通道。当分配供料的3D胶体打印系统需要将多种胶体分开的时候，则定量容器101择一导通加热通道。冷却室2连通定量容腔对胶体溶液进行冷却凝固得到凝胶。打印头通过供料管道连通冷却室2，进而以凝胶为原料进行打印。
[0045]很显然，当打印头通过供料管道连通冷却室2的时候，打印头既可以设置在冷却室2内，也可以设置在冷却室2外。具体可以结合冷却室2的结构以及打印头的结构进行设计。例如，如果采用的冷却室2空间较大，那么就可以将打印头安装在冷却室2内部。如果冷却室2空间较小，无法满足打印头的安装需求，那么就将打印头安装在冷却室2外部。
[0046]本发明的分配供料的3D胶体打印系统，由于其包括多个匀浆罐5，并且对应的在加热器6当中设置有多条加热通道603，进而在打印之前，可以对胶体溶液分别进行冷却凝固得到凝胶。由此，该种分配供料的3D胶体打印系统可以在不同胶体不相互混合影响的情况下进行分段、分区域精准成分分配。也即本发明采用先凝胶、后搭配的思路，使凝胶成分自由搭配成为可能，解决常规胶体溶液中“分子的布朗运动会导致不同溶液会彻底混合为一体，使得凝胶无法实现分区域不同成分搭配”的问题。
[0047]在一个实施例中，请参见图4和图5，定量组件1包括容器101以及位于容器101当中的活塞头103，容器101与活塞头103之间形成定量容腔，活塞头103通过活塞杆104连接驱动单元，驱动单元带动活塞头103运动调节定量容腔容积。并且，在容器101上形成有和定量容腔连通的定量容腔入口110和定量容腔出口111。
[0048]图4和图5中，定量容腔为一个筒状零件，其上设置有一个定量容腔入口110和定量容腔出口111，活塞头103初始位置位于定量容腔最右侧，此时活塞头103和容器101之间形成的定量容腔的容积为零。按照打印模型切片要求，可以计算出定量容腔的体积，进而通过驱动单元带动活塞头103向左运动，使得定量容器101的体积满足需求。当然需要说明的是，定量容腔和结构形式以及活塞头103的结构形式均不作特殊要求，只要两者之间可以互相匹配以满足定量容腔容积调节需求即可。例如，定量容腔的横截面与活塞头103的横截面均可以呈矩形、椭圆形甚至异形等。
[0049]进一步的，活塞杆104上形成有螺纹，也即活塞杆104位于定量容腔外部的部分可以看成螺杆。螺杆上设置有螺母，螺母连接第一同步带轮105，第一同步带轮105通过同步带106连接第二同步带轮107，第二同步带轮107连接驱动电机。该种情况下，驱动电机转动带动第二同步带轮107转动，第二同步带轮107通过同步带106驱动第一同步带轮105同步转动。而第一同步带轮105转动将带动螺母转动，进而使得螺杆相对螺母做直线运动，进而螺杆直线运动带动活塞头103在容器101当中做直线运动。
[0050]其中，驱动电机优选但是不必须采用步进电机102。
[0051]当然，活塞杆104和驱动单元之间的连接形式不受上述举例的限制。例如，驱动单元也可以是液压缸、气缸等，进而将液压缸或者气缸的输出轴连接活塞杆104，以带动活塞杆104做直线运动。再或者，驱动单元也可以是直线电机，进而直线电机的输出轴直接连接活塞杆104，等等。
[0052]其中，活塞杆104的移动距离可以通过所需定量容腔的体积进行计算得出。具体的，依据胶体物料体积需求，控制主板8依据定量容腔的横截面面积，推算活塞头103往复运动的距离，进而推算步进电机102转动的角度或圈数。
[0053]当活塞杆104和驱动单元之间采用图4和图5当中结构形式的时候，可以计算出步进电机102所需转动的角度，步进电机102驱动其输出轴上的第二同步带轮107进行旋转，依次带动同步带106以及第一同步带轮105一起运动，与螺杆同心装配的带内螺纹的第一同步带轮105转动后，将驱动螺杆进行旋转和平移。结合图5也即在步进电机102的驱动下，螺杆会沿着图5左右方向平移。
[0054]结合图4和图5，在螺杆尾端安装了一个方形滑块108，方形滑块108嵌入定向槽109中进而只能左右滑动，于是螺杆的旋转自由度被禁止，从而当步进电机102运动时，螺杆进行往复平移运动。由于螺杆仅仅沿着直线方向做平移运动，进而设置在螺杆一端的活塞头103也不会发生旋转，有利于减小活塞头103和定量容腔之间的阻力，减小两者之间的磨损。
[0055]胶体溶液被输入定量容腔内之后，根据模型的分配需求，在不同的高度、区间分配不同的物料，于是每个不同的区间段对应的物料体积是不一样的，相对应的需要动态修改定量容腔的容积。
[0056]具体的，假设A胶体溶液所需凝胶总体积A1ml，将A胶体溶液所处匀浆罐5对应驱动泵3前的微型电磁阀17打开，定量电磁阀关闭，定量电机(活塞杆104连接的步进电机102)自原点旋转A2圈，活塞杆104回抽A3mm，形成A ml的定量容腔，对应的驱动泵3将溶液注入定量容腔中，微型电磁阀17关闭，定量电磁阀打开，活塞头103顶出A4mm至原点，溶液全部被推出至定量容腔前方管道内。
[0057]同样的，假设B胶体溶液所需凝胶总体积B1ml，将B胶体溶液所处匀浆罐5对应驱动泵3前的微型电磁阀17打开，定量电磁阀(后文会提到，定量容器101与冷却室2之间)关闭，定量电机(活塞杆104连接的步进电机102)自原点旋转B2圈，活塞杆104回抽B3mm，形成B ml的定量容腔，对应的驱动泵3将溶液注入定量容腔中，微型电磁阀17关闭，定量电磁阀打开，活塞头103顶出B4mm至原点，溶液全部被推出至定量容腔前方管道内。
[0058]同样的，假设C胶体溶液所需凝胶总体积C1ml，将C胶体溶液所处匀浆罐5对应驱动泵3前的微型电磁阀17打开，定量电磁阀关闭，定量电机(活塞杆104连接的步进电机102)自原点旋转C2圈，活塞杆104回抽C3mm，形成C ml的定量容腔，对应的驱动泵3将溶液注入定量容腔中，微型电磁阀17关闭，定量电磁阀打开，活塞头103顶出C4mm至原点，溶液全部被推出至定量容腔前方管道内。
[0059]在定量组件1当中制备得到的凝胶将会被活塞头103挤出产生的压力向前输送，从分配供料的3D胶体打印系统的打印头针孔挤出进行层叠成型。
[0060]请参见图6，分配供料的3D胶体打印系统还包括四通头12，四通头12连接容器101。前序多个流道的溶液进入一个四通头12，四通头12既可以对各种胶体溶液进行混合，也可以使得各种胶体溶液维持独立。
[0061]请再次参见图1至图3，在匀浆罐5与加热通道603之间连接有驱动泵3，匀浆罐5和驱动泵3之间设置有开关阀，定量容器101与冷却室2之间设置有定量阀。
[0062]其中，开关阀一般都采用微型电磁阀17，当微型电磁阀17闭合后，驱动泵3无法从匀料罐料罐内抽取溶液；定量阀采用定量电磁阀的形式。
[0063]在一个实施例中，分配供料的3D胶体打印系统还包括涡流管4。涡流管4包括冷风口401，冷风口401通过送风管道9(请参见图12)连通冷却室2，也即通过向冷却室2当中通入冷却气体达到制冷目的。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。
[0064]其中，当采用涡流管4对冷却室2进行制冷的时候：
[0065]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。可以采用气泵11驱动涡流管4产生的冷空气进入到冷却室2。当然，也可以采用空压机替代气泵11。
[0066]对于产生热空气的热风口402，可以将热风口402的热风排出至分配供料的3D胶体打印系统之外。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包括后续提及的第二保温壳体601的时候，可以将涡流管4产生的热空气通入到第二保温壳体601内部，并对第二保温壳体601内部的加热通道603进行加热。
[0067]在一个实施例中，请参见图7，冷却室2包括第一保温壳体201和冷却通道203，冷却通道203位于第一保温壳体201内且呈螺旋状盘桓，第一保温壳体201设置有冷风通道202，冷风通道202与送风管道9连通。
[0068]其中，第一保温壳体201相当于是一个隔热夹层，在隔热夹层内设置一个实体块，该实体块可以导热，并且其设置在第一保温壳体201内可以起到制冷的效果。结合图7，在冷却室2外延四周密布冷风通道202，冷空气冷却了该实体块，从而将冷却通道203中的溶液冷却凝固为凝胶。在冷却室2的凝胶出口208处可以设置第一温度传感器204，用以检测终端输出温度。除此以外，在冷却室2上还形成有冷风入口205、冷风出口206和胶体溶液入口207。进一步的，冷却室2出口接上其它附属管道，连上任意机型的3D打印机的打印头上，设置好切片参数，即可应用打印。
[0069]对于上述冷却室2而言，在其出口料管内，将会形成以下描述的物料构成：
[0070]凝胶直径固定不变，由管道内径决定；
[0071]假设设不同凝胶组分分别为A、B、C，假设某种情况下按模型切片要求不同区域段长度分别为x(包括x1、x2、x3……)、y(包括y1、y2、y3……)、z(包括z1、z2、z3……)，则料管内物料组成为Ax1By1Cz1Ax2By2Cz2Ax3By3Cz3...............长度为0的时候，即代表此组分不存在。
[0072]在一个实施例中，请参见图8，匀浆罐5包括罐体501和罐盖502。其中罐盖502安装于罐体501开口处，且在罐盖502上安装有搅拌轴503，搅拌轴503位于罐体501内部的一端安装有桨叶504。并且，通过图8发现，匀浆罐5的罐体501上还形成有刻度，进而便于把握何时该添加物料，搅拌轴503连接用于实现均质效果的均质电机505。
[0073]在一个实施例中，请参见图9，加热器6包括第二保温壳体601，第二保温壳体601内设置有导热块，导热块中形成有加热通道603，且加热通道603呈螺旋状曲折延伸。其中，第二保温壳体601相当于一个隔热夹层，形成有加热器入口605和加热器出口606；导热块内部形成有加热管602安装孔、第二温度传感器604孔等空腔，除此之外皆为导热实体，因此当加热管602加热时，能加热曲线管道内的液体，第二温度传感器604反馈加热器出口606端的温度，以确保出口处的溶液温度符合要求。
[0074]当然，加热器6的结构形式不受此处举例的限制，例如加热器6内部也可以不设置导热块，仅通过加热棒、加热丝或者加热管等实现对加热通道603内部胶体溶液的加热。
[0075]在一个实施例中，分配供料的3D胶体打印系统还包括外罩13，请参见图10至图12，外罩13包裹匀浆罐5、加热器6、冷却室2和打印头，进而通过外罩13保护分配供料的3D胶体打印系统内部的所有部件。
[0076]进一步的，外罩13内底部设置有多个定位槽7，定位槽7与匀浆罐5一一对应，用于固定匀浆罐5。定位槽7的形状依据匀浆罐5而定，进而将匀浆罐5放置于定位槽7之后，匀浆罐5不会偏移和移动。
[0077]具体的，去除外罩13之后，位于分配供料的3D胶体打印系统正面下方为匀浆罐5放置区域，根据不同的组分要求，在不同匀浆罐5中提前配置好不同配方的胶体溶液，匀浆罐5内装入水和原料胶粉末，匀浆罐5内的桨叶504由匀浆电机(匀浆电机连接搅拌轴503一端，搅拌轴503另一端连接桨叶504)驱动旋转，使匀浆罐5内悬浊液持续被搅动(因为胶体溶液容易分层)，在匀浆罐5内一侧设置一根直通罐底的排液管506(结合图8)伸出匀浆罐5外，由软管接至微型电磁阀17入口端，微型电磁阀17出口端接至驱动泵3的入口端，驱动泵3的出口端接上软管连至加热器6的入口处。
[0078]进一步的，外罩13上形成有取放式的观察窗1301，可以实时观察匀浆罐5溶液液位高度，也可以进行原料补充。并且，在外罩13底部设置有减震垫15，例如减震垫15的数量为三个以上，用于分配供料的3D胶体打印系统的支撑。此外，外罩13上还设置有操作屏1302，在操作屏1302上可以对分配供料的3D胶体打印系统进行参数设置、组件控制等功能。其中，取放式观察窗1301可以设置在操作屏1302下方。并且，还可以在外罩13上形成有散热孔14，散热孔14连通涡流管4的热风口402，进而涡流管4产生的热风可以通过散热孔14排出。