CN101301107A - 以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其使用三维计算机辅助设计(CAD)软件，或以逆向扫瞄或照相设备，建构一些三维计算机化实体对象，或者利用其原有的实体对象或立体字，安排与作CAD绘图组装与设计，再将上述实体对象建构成为三维计算机图文件，再将档案存成STL切层格式档；然后利用RP(快速原型)机器，配合可选择的食品粉末与胶合剂，制作出所要的立体造型食品。如此，不但使目前的计算机喷印的平面影像食品，从二维提升至三维立体制作领域，更能完全跳脱目前只能使用模具生产食品的制作方式，不但在设计上的多样化或制作高复杂度的艺术化食品件的能力上有很大的进步，并且在制作上能节省更多的制作时间。

Description

以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法

技术领域

本发明涉及三维立体造型食品的方法，特别指一种以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法。

背景技术

传统上制作立体形状食品的技术多利用雕刻师傅手工雕塑或制作模具转印等方法搭配来完成。例如糖果或糕饼，大多采用木刻浅碟形状的翻印模具制作或以人工快速捏塑而成，然而，由于受食品材料特性与拔模过程的限制，所翻制的成品在外型、大小...各方面，实际上可供选择的式样并不多，且大多数仅为半面立体的浮雕形状而已，若欲制作真正立体形状的食品，则需凭借人工捏制与雕刻方可为之，但又往往衍生雕刻费时、工资昂贵等问题，而且创新变化的速度与量产性都嫌不足，不仅如此，人工捏塑与雕刻的立体图形往往受食材限制而难有精致与复杂的造型变化也为美中不足的处。

但是，有鉴于时代进步神速，人类的欲望与需求又不断地扩大与翻新，因此对“美食必须色香味俱全”的要求，已经慢慢转变为食品本身必须具备的基本要件而已，且此一基本要件，终究有一天将被强调享乐、追求时髦与多变主义的新新人类所嫌不足。故放眼未来，所谓全方位的食品产品，除须具备色香味基本要件外，更须搭配多功能性的满足，引领流行、追求时尚、寓教于乐与彼此关怀，已成为传统饮食文化在未来所追求的目标。

此外，世界上的物体绝大多数是五颜六色的，因此以人为方式制成的物品也都尽量会在外表添加色彩以力求近似与逼真，而以一般由粉末状加工制成的食品来说，不管是以何种制造方法制作而成，若想使其成为色彩缤纷的美丽食品成品，大致上都是采用事后着色方式，由人工一笔一划绘制加工完成，但若欲使产品能唯妙唯肖的美丽呈现，就需凭借助专业美工着色人才精心地绘制，故常耗费多时又不合经济效益与量产，而且其制作质量与绘制美感又不容易获得控制与无法统一。

故目前各种食品商品除必须尽量符合客户对口味与质量的要求与快速的量产制作外，甚至于食品外观造型的多样、多变与创新性，都必须满足客制化要求，也就因此必须达到以上各项条件，才能吸引消费者登门购买。此外，更需搭配成熟的量产技术与制作质量的严格控制，才能进一步降低制造成本并从中获取较高利润。故如何在传统食品制造技术中，搭配新科技的精益求精列车，寻找传统食品产业的新出路与春天，已成为未来提升食品产业竞争力的必要条件。

在过去的十年里，由于计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)的进步，制造业发展了快速原型方法(Rapid Prototyping，RP)，能很迅速的将设计原始构想制造出来。快速原型(RP)技术可不受任何形状限制，而且越复杂的对象形状，越能显示RP技术的卓越性，同时节省人力与节省加工时间，在时间最短的要求下，将CAD上的对象图形，呈现到您的面前，让您摸得到、感受得到它的几何曲线。这些快速原型法有很多种，如三维印刷(3-Dprinting)，立体印刷(Stereo-lithography，SLA)，选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)，立体制版(Solider Process，SP)，熔合沉积模型(Fused Deposition Modeling，FDM)，层化物品制造(LaminatedObject Manufacturing，LOM)，与所谓的办公室原型(Office RP)-快速概念成型法(Rapid Concept Modeler，RCM)。其中快速概念成型法(RCM)，为一种最新、最经济的方法，能将设计者构想概念由设计图迅速的做出模型，改进其缺点，并直接开新模而生产。如此不但构想与成品的开发时间加速，而且节省相当可观的开发经费。

若以RP的材料来区分，可以分为固体(如LOM)、液体(如SLA)、粉末(如SLS)等多种。然而，各种快速原型法搭配其应用的材料，以胶黏粉末方法的制作速度最快，而且不需额外支撑就能将任何三维立体形状成型。故我等发明人遂构思以适当的食品粉末配合食用水或食用油性液体，再搭配上述RP印刷技术，即可将任何形状、各种尺寸、任何色彩的三维立体造型食品，直接且快速地制作出来。并进一步发现，上千种价廉又可食用的微细粉末，只要在适当的条件与比例组合下，只要配合RP印刷技术就可快速地成型出各式各样符合国人形状要求的立体造型食品，如此一来，世界上吃的文化更可增添许多乐趣。

但就以RP的原来诉求而言，快速原型的目的，无论作为一种初期产品概念设计(Conceptual design)或作为先期模具的原型，所需材料即为一个相对昂贵的项目。而且就初期成型的概念，如果能以更经济与更安全且更快速的方式，结合适当食品粉末与胶合剂，不但能在办公室或是每个家庭里，若能应用RP机器在食品的制作上，再加上未来世界在设计创新的普及化的辅助下，每个人都可以自己生产出所喜爱的三维立体造型食品已成为未来趋势，而设计创新的普及化，必可促成食品文化进入科学艺术或更高的领域。

有鉴于此，为有效解决传统食品造型立体感不足与生产速度过在缓慢等问题，与促进食品文化与产业的发展，吾等发明人特地结合食品与RP快速原型技术并进行研发，进而有本制造方法的问世，同时在研发过程中也已有多项成品问世证明本发明的可实施性与具产业利用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，以此可以快速生产各式复杂形状的三维立体造型食品，进而具有可提升食品美感与艺术价值，以及促进食品文化与相关产业进步性的功效。

为达以上目的，本发明人研发一种以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，包含以下步骤：

(1)确定客户对立体造型与文字内容的需求；

(2)将客户的需求输入计算机；

(3)通过立体后处理软件将图文数据立体化与彩色化并进一步做运算处理；

(4)将最后图形予以联结与转换为切层档案格式；

(5)将切层数据传送到快速原型机准备开始制作；

(6)快速原型机依照切层软件送来的图形数据，驱动喷头快速来回喷胶与制作三维立体形状的食品；

(7)将立体形状的食品成品取离快速原型机与可再进行后处理。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的快速原型机内装填可食用的食品粉末为原物料，喷头中则装填可食用的胶合剂。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的食品粉末包括充填剂，稳定剂，强化剂、特殊黏剂与其它不同特性的食品粉末(如有调整口味的香料粉末或具健康特性的维他命、左旋C等食用粉末等)；而胶合剂则包含主溶剂、可食用染料、流动促进剂、凝固促进剂等。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的食品粉末可为食用石膏粉、面粉、糯米粉、玉米粉或巧克力粉。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的胶合剂的主溶剂可为食用水、食用油。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的主溶剂中可加入一种或一种以上的食用颜料。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的立体后处理软件可为CATIA、Pro-E、I-Deals、Solid work、Solid edge、AutoCAD、True Space、3DMAX或者Free Form。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的快速原型机是可为Z-Corp的3DPrinter系列、3Dsystem公司的Thermojet印刷机、SLA或SLS，或Stratasys公司的FDM。

据上所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其中，所述的后处理是在不破坏处理对象形状前提下，利用食品粉末的孔隙吸附特性，对对象表面喷洒可食用的添加物，以增添不同口味、色彩与提升美观性。

与现有技术相比较，采用上述技术方案的本实用新型具有的优点在于：不但使目前的计算机喷印的平面影像食品，从二维提升至三维立体制作领域，更能完全跳脱目前只能使用模具生产食品的制作方式，不但在设计上的多样化或制作高复杂度的艺术化食品件的能力上有很大的进步，并且在制作上能节省更多的制作时间。目前除可应用在提升食品的色香味外，对于餐桌上吃的品尝文化更增添了艺术美的秀色心灵飨宴；此外，通过适当的包装、设计与应用，更可拓展至相关产业，诸如广告宣传业、精致美食业、礼品业等，对未来食品世界的美化，与提升生活乐趣有极大的贡献。

附图说明

图1是快速原型机粉末堆栈与胶合过程示意图；

图2是以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法流程图。

附图标记说明：10-快速原型机；12-铺粉滚轮；14-进料区；16-粉末材料；18-工件区；20-回收槽；22-喷墨式印表头；24-进料区活塞；26-工件区活塞；28-工件。

具体实施方式

本发明所运用的技术其实与麻省理工学院早期针对快速原型的研究有若干相似的情境，但是，所述的相关研究虽已有多项美国专利权，例如USPN5,204,055、USPN5,340,656、USPN5,387,380、USPN5,902,441，然以上专利案的内容多着重三维成型方法技术及其设备做研究，对于所使用的粉末材料则仍在开发中，且所述的技术所运用的范畴与食品产业完全无关，而且，使用国外原始的技术并无法立即制造出三维立体造型食品。故可见本发明将快速原型技术与食品产业相结合，并进而研发出全新三维立体造型食品制造方法，乃前所未见的创举无误。承上所述，本发明自始即不预设立场，不作原始粉末的成份分析，完全跳脱成份分析的束缚，换言之，只要是可食用的粉末与可食用的液体即为可供本发明运用的原始材料，凭借我国若干古迹城墙的施工方式与材料为先例，以及实验室内自行实验研发成功的经验，本发明人遂按照可实施材料(即可食用粉末)进行组合调配，并以航天零件最困难成型的压缩器叶轮制造的成功与否，来判定材料成分是否可达到预期可用的目的。在本发明的研发与实验过程中，也经历相当多的失败，但也因此衍生不同应用的构想，可见原创性思维的重要性。

再者，诚如本发明的名称所述，本发明的研发重点是着重在“利用快速原型机生产三维立体造型食品的方法”，故本发明的重点是在于三维立体造型食品的制法与步骤，而非快速原型机的结构以及制作食品的粉末原料成分，虽是如此，然本发明人认为在本发明说明书中，实仍需针对一般快速原型机的结构与原理，以及可供运用的食品粉末原料成分作概略说明的必要，相信如此当可令人们更易于了解本发明的精髓并认同本发明，特予叙明。

(一)快速原型机设备与工艺：

以快速原型机而言，其主要是以喷墨式印表头来回喷印涂布方式来将胶合剂逐层涂在粉末之中，以达到令粉末胶合的目的，在原理上，胶合剂的目的即在使粉末之间产生结合作用，使粉末彼此产生较强的凡得瓦键(Vander Waals bond)，甚至可能产生若干的化学反应，产生离子键(Ionic bond)或共价键(Covalent bond)，促使键结更为强化，进而可以建构三维立体造型物品。

而在本发明的快速原型制作过程中，快速原型机10的喷墨式印表头以来回喷胶的方式将胶合剂(BINDER)喷在一层层的粉末之中，令喷胶区域的粉末彼此产生结合作用，有关快速原型机中粉末堆栈与胶合过程兹简述如下，并请参阅图1所示：

1、利用铺粉滚轮12从进料区14中收集足够的粉末材料16；

2、将粉末材料16铺平在工件区18上；

3、将多余的粉末材料16转移至回收槽20中加以收集；

4、喷墨式印表头22依照图样喷胶；

5、进料区活塞24上升，工件区活塞26下降；

6、重复1至5步骤，直到工件28建构完成；

7、工件区活塞26上升，去除工件28周围未黏着的粉末材料16。

(二)粉末与胶合剂：

本发明是使用可快速成型的食品粉末作为粉末原料，其中，所述的食品粉末材料可为食用石膏粉、面粉、糯米粉、玉米粉、巧克力粉与其它可食用粉末；此外，本发明所使用的食品粉末实际上必存有粉粒度的大小差异，以及依照其中不同成分所扮演不同的功能，其中，各种粉末主要是分别扮演充填剂(即食品粉末中的主要成份)，稳定剂(即食品粉末中的次要成份)，以及强化剂(结合促进剂)，以及特殊黏剂(协助BINDER结合)与其它不同特性的食品粉末(如有调整口味的香料粉末或具健康特性的维他命、左旋C等食用粉末等)。在胶合剂方面，其主溶剂可为食用水或食用油，其次为可食用染料，可增加胶合剂流动性的可食用流动促进剂，其主要目的在调整使喷墨式印表头的微小孔隙不致在容易受到堵塞的影响，增加喷墨头的使用寿命。另外，还有可食用的凝固促进剂与纳米促进充填剂，凝固促进剂的主要功能为增快熟化过程，使完成产品能尽快的取离快速原型机，不致一直占用机器，而纳米促进充填剂则是利用辅助黏着剂析出的微小颗粒填充孔隙，增进食品粉末与胶合剂之间的结合能力，使成型后的三维立体造型食品的强度可以受到控制，不但供外型观看与食用，更能进一步控制对象的尺寸精度，达到配合实际包装的需要。

(三)三维立体造型食品的方法与流程，请参阅图2所示：

1、确定客户对立体图形与文字内容的需求：由于本发明的立意旨在满足市场或客制化的需求，因此可针对由客户自行设计的3D图档，或依照客户的设计理念，通过语言或样本或图面方式沟通取得共识，以绘制或逆向扫描方式代客设计3D图档，再将设计的结果转换为可供执行快速原型机的格式档案，并选定所要的粉末材料口味，即可进行快速立体形状食品制造。

2、将客户的需求输入计算机：依照客户所建立的书面数据，从计算机系统中搜寻已经内建的图形或文字，也可读取由客户自行建立的图形或文字，以建立完全由客户自行设计的立体图案或设计文字。必要时更可借助扫瞄或照相器，将客户自行设计的文字或图形数据扫瞄入计算机。

3、通过立体后处理软件将图文数据立体彩色化并进一步做运算处理：对取得的图文数据，计算机软件通常无法直接应用，需对所述的图文数据凭借其它立体后处理软件予以后处理，建立周围边缘的点资料，贴合成点面、曲面至实体，才能予以建立三维立体化的图形。必要时，也可将立体化后的模型处理或加入彩色化。接下来更可利用三维软件的进一步功能，对前述已建立三维图文数据予以执行联集、交集、差集等布尔运算，使达到客户所需的字体与字型、凹凸等三维图形与文字结合的效果。甚至再利用三维软件的功能，对局部建立的图文数据予以复制、排列、翻转、镜射等等功能，使原创的图文更加生动活泼，增加客户的满意程度。

4、将最后图形予以联结与转换为切层档案格式：对所建立的立体实体，转换成无数的网格封闭平面所组成的织面格式档(*.stl)、asciiVRMLfile(*.wr1)、SolidViewSFXfile(*.sfx)、BinaryPLYfile(*.ply)格式档等，如此，才能进一步进行由下而上的程序化适应控制符合计算机数字的很多切层面的运算，并得到物体各个高度的切层剖面形状数据。

5、将切层数据传送到快速原型机准备开始制作：快速原型机需要*.stl等格式才能读取，并显示出产品形状在屏幕上，此快速原型机可为本发明团队自行研发成功并已获准发明专利的三维快速成型机(请参阅申请第93118961号发明专利案)和Z-CorpZ402、Z310、Z406与Z5103Dprinter或3Dsystem公司的Thermojet、SLA或SLS，与Stratasys公司的FDM印刷机等，唯若产品需加以彩色，则只能以Z402C、Z4063D与Z510printer将产品予以制造，或制作完成再请专人予以上色。

6、快速原型机开始喷胶与制作三维立体形状的食品：详细过程请参阅前文相关说明以及图1所示。

7、将三维立体形状的食品成品取离快速原型机与进行后处理：目前以粉末堆栈方式制作三维立体造型食品，因各种食品粉末不同的熟化时间与本身设计结构强度等因素，故在制作前可先在工件区放置一刚性平板，在制作完成后直接以人力取出，但必须小心取件与去粉(关于本发明经实验试作完成的三维立体造型食品的样品则请参阅附件一所示)；或可由自行设计自动化一贯作业工艺，缩减由机器取件至熟化的时间；或可以采取密封包装设计，在快速成型过程中，以食品粉末材料与胶合剂同步制作一外盒与三维立体造型食品，并将三维立体造型食品及其周围未经喷胶的松散粉末原封不动地封闭在同一食品粉末制成的外盒中，如此不仅可以防止外在因素破坏内部三维立体造型食品，更可制造开启外盒后的惊喜感并提升食用过程的趣味性。而拿出来后也可再经合适的后处理，例如加以烘焙，或在以不破坏三维立体造型食品结构的前提下，利用食品粉末的孔隙吸附特性，在三维立体造型食品表面喷洒添加物，以添加不同的口味、色彩与提升美观性等。

经上述详细说明可知本发明主要具有以下若干优点与功效：

1、跳脱传统食品的刻板造型巢臼，增添食品造型的多样性与创新性，可配合客户的设计需求以满足客制化要求，不仅提升食品吸引力并可促进食品产业升级与世界竞争力。

2、可利用快速原型技术生产三维立体造型食品以外，也可利用本发明通过计算机作业的快速设计技术，缩短设计与实际开模时间，再加上食品模具无须高强度的考虑，故可直接利用快速原型机制作翻制食品材料用的模具，可在短时间内先行生产多组不同形状的模具再交付模制量产，而不必花长时间与高成本开发人工木雕或金属模具，进而可达致量产目的。

3、可进一步结合其它不同的创意技术(如快速设计与制造三维立体字与图样的制作流程技术、正逆向整合工程技术、三维动画多媒体取像设计技术、铸造技术等)，更甚至能符合各种寓教在乐或铸造业的需求。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的权利要求可限定的范围之内。

Claims (9)

1、一种以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)确定客户对立体图形与文字内容的需求；

(2)将客户的需求输入计算机；

(3)通过立体后处理软件将图文数据立体、彩色化并进一步做运算处理；

(4)将最后图形予以联结与转换为切层档案格式；

(5)将切层数据传送到快速原型机；

(6)快速原型机依照切层软件送来的图形数据，驱动喷头快速来回喷胶与制作三维立体形状的食品；

(7)将立体形状的食品成品取离快速原型机再进行后处理。

2、根据权利要求1所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的快速原型机内装填可食用的食品粉末作为原物料，喷头中则装填可食用的胶合剂。

3、根据权利要求2所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的食品粉末包括充填剂、稳定剂、强化剂、特殊黏剂与其它不同特性的食品粉末；而胶合剂则包含主溶剂、可食用染料、流动促进剂、凝固促进剂。

4、根据权利要求2所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的食品粉末是食用石膏粉、面粉、糯米粉、玉米粉、巧克力粉与其它可食用粉末。

5、根据权利要求2所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的胶合剂的主溶剂是食用水或食用油。

6、根据权利要求5所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的主溶剂中加入一种或一种以上的食用颜料。

7、根据权利要求1所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的立体后处理软件是CATIA、Pro-E、I-Deals、Solidwork、Solidedge、AutoCAD、TrueSpace、3DMAX或者FreeForm。

8、根据权利要求1所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的快速原型机是Z-Corp的3DPrinter系列、3Dsystem公司的Thermojet印刷机、SLA或SLS，或者Stratasys公司的FDM。

9、根据权利要求1所述的以快速原型技术生产三维立体造型食品的方法，其特征在于：所述的后处理是在不破坏处理对象形状的前提下，利用食品粉末的孔隙吸附特性，对处理对象表面喷洒可食用的添加物。

Images