CN105407746A - 通过使用3d打印技术制作食品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过使用3D打印技术制作食品。提供使用AM方法以通过使用多个材料打印产品的3D打印机系统，这些材料中的每一个容纳于相应的囊体中。囊体被可去除地插入到分别包含用于调整材料的温度的加热装置的各囊体保持器中，并且可释放地保持于多个站位中的一个中。工具从各单个囊体的站位取得各单个囊体并且将各单个囊体放置于其站位，并且通过使用伸缩挤出装置保持用于打印产品的各单个囊体。存储器存储囊体识别数据，处理器提供用于工具的定位的位置坐标，并且，控制器使工具移动到位置坐标。囊体保持器包括用于基于由处理器执行的算法控制材料的流变行为的加热系统。

Description

通过使用3D打印技术制作食品

技术领域

本发明涉及用于添加制造(“AM”)3D打印机中的囊体更改器的开发和用途。更具体而言，本发明涉及选择、挑选和更改用于使用AM3D打印机的打印处理中的囊体的系统和方法。在没有人介入的情况下根据打印的用户设计自动地完成选择。

本发明还涉及用于AM3D打印机中的囊体加热系统的开发和用途。更具体而言，本发明涉及将囊体加热到确定的温度并且在AM3D打印过程中保持该温度的系统和方法。加热过程和施加的温度由考虑以前的温度、容器构成、囊体的内容物(材料)和需要的加热速度的算法确定。

本发明还涉及用于AM3D打印机中的伸缩挤出机构的开发和用途。更具体而言，本发明涉及挤出用于使用AM3D打印机的打印过程中的材料的系统和方法。在没有人介入的情况下根据打印的用户设计执行挤出过程。

背景技术

a.囊体更改器

虽然3D打印机能够用不同的材料打印而不需要人介入来交换它们，但一般通过同时使用几个工具(每种材料一个)实现该功能，由此导致实现任务所需要不希望的额外的马达、重量和空间。可在fabhome(http://fabathome.org)或reprap(http://www.reprap.org)上找到通过使用多于一个的工具允许使用多于一种的材料的现有3D打印机的例子，两者均用活跃的社区开放了源方案。

授权给Kemplin等的美国专利No.4135245公开了具有自动笔更改机构的绘图仪，但Kemplin等的绘图仪中的笔明显与用于3D打印的盒子的类型不同，特别是对于食品的3D打印。因此，Kemplin等的自动笔更改机构不容易适用于3D打印。

b.囊体加热器

虽然3D打印机能够将打印材料(一般在打印机中仅使用一种材料)加热到熔点使得打印机可完成打印过程，但是食品加工需要精细控制不同成分的流变行为，因此，为了对各成分提供适当的加热过程和需要的加热温度，必须实现更复杂的系统。可在fabhome(http://fabathome.org)或reprap(http://www.reprap.org)上找到将材料加热到熔点的现有3D打印机的例子，两者均用活跃的社区开放了源方案。

c.挤出机构

虽然3D打印机能够用不同的材料进行打印，但是，根据使用的打印材料和打印机的目的，一般通过使用不同的方法实现该功能。使用采用不同的挤出机构的AM(添加制造)方法的现有3D打印机例子包括fabhome(http://fabathome.org)或reprap(http://www.reprap.org)，两者均用活跃的社区开放了源方案。

d.3D打印机在食品打印中的用途

对于一些类型的膳食的要求在一些区域中很难得到保证。例如，偏好或要求纯素或素食的人可能在他们的社区中得不到纯素或素食食物；或者，患有某些疾病或者具有健康问题的人，包括不耐受一些成分的人，在准备膳食时可能需要特殊的照顾。到目前为止，出于几种原因，3D打印机不能满足这种要求。

常规上，烹饪包括使用多种成分和用于准备这些成分的一系列的过程。虽然3D打印机被成功用于使用AM技术的食品打印中，但它们均不能用于自动过程中或者同时使用多于两种的材料。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供能够在不使用多个工具的情况下打印使用不同材料的设计的AM打印机系统。

本发明的另一目的是，提供能够对从多个材料打印的设计中的材料中的每一个提供适当的加热过程和需要的加热温度的AM打印机系统，例如，这些材料为食品的成分。

本发明的又一目的是，提供能够通过使用根据不同材料的参数调整的过程用不同的材料打印的AM打印机系统。

根据本发明的这些和其它目的由使用AM方法以在由一组指令限定的过程中通过使用多个材料打印产品的3D打印机系统实现，其中，材料中的每一个容纳于相应的囊体中并且具有与其相关的多个参数和流变特性，并且其中，参数限定打印机系统如何操作与参数相关的材料。打印机系统具有多个囊体保持器，囊体保持器中的每一个被配置为具有可去除地插入其中的材料容纳囊体，并且包括用于基于与材料相关的参数和特性以及指导调整容纳于插入在囊体保持器中的囊体中的材料的温度的加热装置。

打印机系统还包括能够取得、保持和放置囊体的工具和具有多个站位的囊体仓库，站位中的每一个包括用于可释放地保持囊体保持器中的一个的装置和用于检测站位是否被囊体中的一个占据的传感器。工具向位置坐标的移动导致工具将囊体保持器及其囊体放置到未占据的站位中并且从与用户供给数据或系统供给数据对应的站位取得囊体。设置利用驱动工具的马达(即，一般将工具移动到位置坐标的马达)以也执行囊体更改动作的自动囊体/材料交换器装置。这使得在同一过程中使用不同材料不需要额外的马达和空间。

单单通过工具向所述坐标的移动执行囊体交换作用(取得和放置)。

打印机系统还包括存储可由用户供给和/或自动供给的囊体识别数据的存储器、用于提供与未占据站位和通过最终用户供给数据或系统供给数据识别的站位对应的位置坐标的处理器、以及用于将工具移动到位置坐标的控制器。

根据本发明的装置允许控制诸如加热温度、加热曲线、对于囊体的构成的自适应和囊体的内容物(成分)的参数。因此，根据本发明，在各囊体保持器中设置自动囊体加热系统。各囊体保持器的自动囊体加热系统包括传导层、隔热层、热传感器和换能器。AM打印机系统利用传感器和换能器加上由控制器收集的关于囊体的构成和囊体内容物(成分)的信息。这允许打印机系统控制成分的流变行为并且提供更平稳的打印过程。

加热过程和加热温度通过使用考虑囊体的成分、囊体中的材料和用户偏好的算法由处理器确定，并且，可通过最终用户界面在打印过程被修改。

为了适当地执行挤出，工具配备有马达供电的伸缩挤出机构，该伸缩挤出机构与囊体加热系统一起工作以执行由最终用户选择的设计。伸缩挤出装置增加可用的垂直打印空间，而不需要更大的打印机系统。

附图说明

图1A是根据本发明的3D打印机系统的主要部件的顶视平面图。

图1B是图1所示的3D打印机系统的部件的透视图。

图2A～2C是示出图1的3D打印机系统的操作要素的框图。

图3A和图3B是工具从站位中的一个取得囊体之前和之后的、图1A、图1B和图1D的3D打印机系统的工具和站位的透视图。

图4A和图4B分别是接合机构处于第一和第二位置中的图3A和图3B的工具的部分透视图，图4C是通过接合机构接合囊体的图4B所示的工具的部分透视图。

图5A和图5B分别是执行囊体取得和囊体放置动作时的图3A和图3B的工具的移动的模式的图示。

图6A～6D是从站位取得囊体时的图3A和图3B的工具与站位的接合的图示。

图7A～7D是将囊体放置到站位中时的图3A和图3B所示的工具与站位的接合的图示。

图8示出部分示图8A和8B的布置，这两个部分示图一起作为由存储于存储器中的计算机程序指令实施并且由图2的3D打印机系统的处理器执行的例程的逻辑流程图，该例程用于产生工具移动到的位置坐标。

图9A是囊体保持器及其加热系统的部件的分解示图。

图9B和图9C分别是图1A和图1B所示的3D打印机系统的囊体保持器的透视和侧视立面图。

图10示出不同要素在典型的加热过程中的温度演化。

图11是存储于图2的3D打印机系统中的用于产生加热过程的例程的逻辑流程图。

图12A～12C分别是休止位置、中间伸展位置和完全伸展位置中的图1中的工具和挤出机构的放大示图。

图13是存储于图2的3D打印机系统中的用于由工具实现的挤出过程的例程的逻辑流程图。

图14是3D打印机系统的囊体识别系统的图示。

图15是囊体保持器及其加热系统的部件的顶视平面图。

具体实施方式

在描述附图所示的本发明的优选实施例时，为了清楚起见，使用特定的术语。但是，本发明不是要限于这样选择的特定的术语，并且，应当理解，各特定要素包括以类似的方式动作以实现类似的目的的所有技术等同。

以下，部分地参照根据本发明的实施例的方法的流程图、装置(系统)和计算机程序产品，描述本发明。应当理解，可通过计算机程序指令实现流程图的各块和流程图中的块的组合。这些计算机程序指令可被提供给一般用途计算机、特殊用途计算机或其它的可编程数据处理装置的处理器，以制成机器，使得通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现在流程图块中规定的功能的手段。

这些计算机程序指令也可被存储于计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可引导计算机或其它可编程数据处理装置以特定的方式起作用，使得存储于计算机可读存储器中的指令产生包括实现在流程图块中规定的功能的指令手段的制造物品。

计算机程序指令也可被加载到计算机或其它可编程数据处理装置上，以导致在计算机或其它可编程装置上执行一系列的动作步骤以产生计算机实现过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现在流程图块中规定的功能的步骤。

可编程数据处理装置可包括典型的部件，诸如用于传送信息的总线和与总线耦合的用于处理信息的处理器、与总线耦合的用于存储信息和由处理器执行的指令的随机存取存储器(随机存取存储器也可被用于在处理器执行指令的过程中存储暂时性变量或其它中间信息)、与总线耦合的用于存储静止信息和处理器的指令的只读存储器、以及与总线耦合的用于存储信息和指令的数据存储装置。并且，系统可通过总线与用于向用户显示信息的诸如LCD监视器或面板的显示装置耦合。可编程数据处理装置还包括键盘、光标控制或小键盘。

应当理解，本发明不限于示出的用户界面或者这里描述的用户界面的次序。根据本发明，可以没有限制地使用各种类型和样式的用户界面。

这里使用以下的定义：

控制器：与3D打印机系统模块通信并且协调和执行必要的指令以创建由用户选择的设计的3D打印机系统的一部分。它可以控制马达、传感器和换能器并且得到从模块中的每一个返回的信息。

控制面板：用作用户界面装置并且与控制器和3D打印机系统模块中的一些通信以使最终用户具有平稳的用户体验的3D打印机系统或外部装置的一部分。它也可与因特网或诸如智能电话或平板电脑的移动装置交互作用。

工具：工具是负责放置不同层的要素，其功能是保证以下方面：(1)材料以适当的形状和精度被铺设；(2)在铺设材料时任选地使材料保持在固定的温度；(3)以正确的速度且在正确的位置处放下材料；(4)任选地向控制器传送与其位置和挤出的材料有关的信息。

站位：站位是与囊体加热系统一起用于打印过程中的存放囊体的要素，其功能是保证以下方面：(1)囊体被适当地存放于囊体容器中；(2)识别各囊体并且确定容纳于其中的材料；(3)在铺设材料时任选地使材料保持在固定的温度；(4)任选地向控制器传送与其位置和挤出的材料有关的信息。

仓库：仓库是共同向在打印过程中使用的囊体提供托管的一组站位。

囊体保持器：囊体保持器是保持囊体并且嵌入执行诸如囊体加热、温度控制和囊体识别的任务的各种系统的容器。

系统：形成复杂整体的一组交互作用、相关或相互依赖的要素。

以下，在描述3D打印机系统通过添加制造方法根据配方制造食品的动作时，使用“成分”。但是，本领域技术人员可以理解，打印机系统及其使用方法可被用于通过使用食品成分以外的材料根据计划制造非食品产品(包括但不限于诸如肥皂、蜡和混凝土的各种产品)，并且，在以下的描述中使用的术语“配方”和“成分”不是要将本发明限于食品的打印，而是非限制性的。

根据本发明的X-Y-Z3D打印机系统11包括囊体更改系统(包括囊体仓库25其及部件)(在图2A中示意性表示)、囊体加热系统500(在图2B中示意性地表示)和挤出机构511(在图2C中示意性地表示)，将在后面更详细地描述所有这些部分。

如后面更详细地描述的那样，作为囊体更改系统、囊体加热系统和挤出机构的共享部件，在系统11中还包括处理器17、用于通过使用伸缩机构511(在后面详细描述)从囊体59挤出材料(即，成分)的工具23和用于根据存储于系统11的读写存储器(RWM)19中的计算机程序指令控制工具23的移动的控制器21。优选地，系统11具有嵌入其中的处理器17，但系统11可被配置为允许用户的外部装置(例如，计算机或平板电脑)与处理器17通信，使得用户可通过其自身的装置控制系统11。

a.囊体更改系统

图2A以框图的形式示出具有囊体更改器的要素的打印机系统11。系统11包括具有位置与打印表面相邻的用于在其中存放囊体29的五个囊体存放站位(狭缝)27(单独地表示为27A、27B、27C、27D、27E)的囊体仓库25，每个站位27配有用于检测其状态(未占据或占据)的传感器29。各站位27还配有在其中嵌入各种系统并且具有保持囊体59(单独地表示为59A、59B、59C、59D和59E)的功能的囊体保持器53(在后面描述)。

从囊体识别系统41(后面描述)自动地或者通过固定于系统上的用户界面15(在图2A～2C中示意性地表示为附图标记15)由最终用户手动键入识别囊体59的数据。键入的数据存储于读写存储器19中并且识别仓库25中的站位，从而允许选择或取得该站位中的用于制造打印中的囊体59。

图3A和图3B示出具有用于存放囊体59(单独地表示为59A、59B、59C、59D和59E)和它们的囊体保持器53(单独地表示为53A、53B、53C、53D和53E)的多个站位27的囊体仓库25和用于在站位27中的一个与工具23之间交换囊体保持器53中的一个的交换器机构(在后面详细描述)。囊体存放站位27(单独地表示为27A、27B、27C、27D和27E)分别容纳其中插入具有用于实施打印过程的希望的成分中的一种的各囊体59A、59B、59C、59D和59E的一个囊体保持器53A、53B、53C、53D和53E；因此，打印过程中的不同站位27的选择允许通过使用不同的成分打印设计。

仍然参照图3A和图3B，交换器机构包括用于在站位27中的一个与工具23之间实现囊体保持器53中的一个与插入其中的囊体59之间的交换并且用于在已发生交换时保持囊体保持器53及其囊体59的位于各站位27处的接合机构57和位于工具23中的接合机构49。工具23的接合机构49包括在不与囊体保持器53接合时处于未张紧状态中且在与囊体保持器53接合时处于张紧状态中的一对夹子，例如，设置在工具23中的张紧弹簧臂67、69。如后面更详细地描述的那样，图6A、图6B、图7A和图7B所示的站位27中的每一个处的接合机构57也包括通过弹簧臂67、69在工具23上施加压力的一对夹子，例如，张紧弹簧臂73、75。

现在参照图5A和图5B，在从站位27中的选择的一个取得囊体保持器53和插入其中的囊体59时，工具23首先从其占据的位置、例如从由坐标(X0,Y0,Z0)代表的初始位置移动到选择的站位(在图3A所示的例子中，为站位27C)前面的位置(X1,Y1,Z1)。从位置(X1,Y1,Z1)，工具23然后移动到图5A所示的用于从选择的站位27C取得囊体59C及其囊体保持器53C的位置(X4,Y4,Z4)。

为了从站位27C取得囊体59C及其囊体保持器53C(如图3A中的例子所示)，如图5A所示，工具23从位置(X1,Y1,Z1)到位置(X2,Y2,Z2)移动到站位27C中，使得工具23的接合机构49接合站位27C的接合机构57并且按压弹簧臂73、75。如图5A所示，工具23然后沿横向从位置(X2,Y2,Z2)移动到站位27C内的位置(X3,Y3,Z3)。如图6所示，该横向移动导致接合机构49接触囊体保持器53C并且在囊体保持器53C周围连续地前进，由此部分地包围和保持囊体保持器53。在包围和保持囊体保持器53C之后，工具23从位置(X3,Y3,Z3)移动到位置(X4,Y4,Z4)，从而从站位27C内撤走囊体保持器53C和囊体59C。该囊体和保持器撤走移动导致工具23的接合机构49的张紧弹簧臂67、69从撤走的囊体保持器53C和囊体59C的路径内移动(与它们的自身的弹簧张紧相对)，如图6所示，由此导致站位27C释放囊体保持器53C。工具23从位置(X3,Y3,Z3)移动到位置(X4,Y4,Z4)也允许接合机构49变得脱离囊体保持器53C。工具23从位置(X4,Y4,Z4)移动到其原始位置(X0,Y0,Z0)。

如果工具23已在其中保持囊体保持器53和囊体59，那么在取得其它的囊体59及其囊体保持器53之前，工具23变得必须首先将它保持的囊体保持器53及其囊体59放置到可用(未占据)站位27中。在将囊体59及其囊体保持器53放置到可用的站位27中之前，工具23从当前的位置(X0,Y0,Z0)移动到可用的站位27的前面的位置(X4,Y4,Z4)。然后，如图5B所示，工具23从位置(X4,Y4,Z4)移动到L形状图案中的位置(X1,Y1,Z1)(放置动作基本上是取得动作的颠倒)。在从位置(X4,Y4,Z4)移动到位置(X3,Y3,Z3)以将囊体59及其囊体保持器53放置到可用的站位27中时，例如，为了将囊体59C及其囊体保持器53C放置到图3B所示的站位27C中，工具23的接合机构49接合站位27的接合机构57并且在准备将囊体59C及其囊体保持器53C放置(插入)到站位27C中时按压工具23的接合机构49。通过使囊体保持器53C经过弹簧臂73、75的移动，实现将囊体59C及其囊体保持器53C放置到站位27C中。当囊体保持器53C连同其囊体59C从位置(X4,Y4,Z4)行进到站位27C内的位置(X3,Y3,Z3)时，它接触弹簧臂73、75并且连续地移动经过它们；这导致弹簧臂73、75首先从囊体保持器53C的路径后退并然后折返，从而部分地包围囊体保持器53C并且将其保持在站位29C中的适当的位置。

从位置(X3,Y3,Z3)，如图5B所示，工具23然后沿横向移动到位置(X2,Y2,Z2)。该横向移动导致弹簧臂67、69在囊体保持器53C周围连续地移动并且远离它，由此如图7B所示的那样释放囊体保持器53C。工具23然后从位置(X2,Y2,Z2)移动到位置(X1,Y1,Z1)，从而导致工具23的接合机构49变得脱离站位27的接合机构57。在囊体59C被释放之后，工具23然后从位置(X1,Y1,Z1)移动到其初始位置(X0,Y0,Z0)，由此完成放置动作。

本领域技术人员可以理解，这里对囊体保持器53C及内部的囊体59C描述的站位27C与工具23之间的交换过程是示例性的，对所有的囊体保持器53和内部的囊体59，在所有站位27与工具23之间，类似的交换过程是适用的。

现在参照图2A，数据可从自动囊体识别系统41(后面描述)或者从由最终用户通过固定于系统11上的用户界面15输入的数据被键入到系统11的读写存储器(RWM)19中。

囊体识别系统41在图14中被示出，并且包括集成到各囊体59中的标签37(单独地表示为37A、37B、37C、37D、37E)和各站位27中的标签读取器39(单独地表示为39A、39B、39C、39D、39E)。标签37存储与存储于系统11外面的数据库中的数据关联的唯一代码。该外部存储的数据关联囊体59与容纳于其中的成分以及成分的过期日期、在前面已使用容纳于囊体中的成分中的多少以及囊体的来源(包括但不限于制造商和装运日期)。各站位27中的标签读取器39从集成于囊体59中的标签37检索数据，并且，RWM19接收和存储通过标签读取器39检索的数据。系统11还允许最终用户通过用户界面15键入关联囊体59与容纳于其中的成分的数据。

处理器17使用存储于RWM19中的该数据以识别哪个囊体59处于各站位27中。因此，系统11获知在各站位27中哪种成分可用以及哪些站位27被占据；并且可检测当前的打印作业所需要的成分在站位27中是否可用。

如果需要的成分是可用的，那么系统11可开始打印过程，该打印过程可自动运行到其完成，除非需要的成分中的一种被耗尽，在这种情况下，系统11要求最终用户更换容纳所述成分的囊体59。在存在一些缺失成分的情况下，系统11要求最终用户将容纳这些成分的适当的囊体59放在站位27中。然后，通过系统11选择使用的第一囊体59，打印过程开始；为了从其相关的站位27取得其囊体保持器53中的囊体59，控制器21移动工具23。在囊体59被使用之后，控制器21为了将其囊体保持器53中的囊体59放置回到其相关的站位27中移动工具23，并且前进以取得其囊体保持器53中的下一需要的囊体59。在取得作用之前，如果工具23已在其中保持另一囊体保持器53和囊体59，那么，如上所述，处理器17导致控制器21将它们放置到其相关的未占据的站位27中。以下描述并且在图8A和图8B中的流程图(逻辑流程图)中表示在存储于系统11的读写存储器(RWM)19中的例程的控制下执行的放置和取得的这些交换动作。

现在一起参照图8A和图8B，描述存储于存储器19中的用于实施放置和取得的交换动作的例程的逻辑流程图。该例程产生位置坐标，当在站位27与工具23之间交换其中的囊体保持器53和囊体59时，工具23移动到这些位置坐标。在以下的描述中，特定的囊体59和囊体站位27仅是示例性的，并且一般不是过程的限制。并且，在以下的描述中，流程图的块被称为“步骤”，原因是它们代表根据本发明实施过程的步骤。

在步骤81开始，每当要求囊体更改的打印命令被键入到处理器17中，就进入例程。在步骤81中，与原始囊体站位27C相关的位置坐标被检索，因此，处理器17获知在哪里放置囊体。从步骤81，控制转移到步骤83，在该步骤83中，工具23的当前位置(X0,Y0,Z0)被检索并然后存储于处理器17的存储器19中，以供以后使用。

在步骤97中，为了开始放置动作，从控制器21访问囊体59的相关站位27的位置坐标(X4,Y4,Z4)。通过处理器17产生一系列的四个位置坐标。在下表1中使用用于关于图2所示的五个站位27A、27B、27C、27D、27E开始放置动作的这些位置坐标值。例如，当开始将具有其囊体59C的囊体保持器53C放置到站位27C(图2A所示的第三站位)中时工具23必须移动到的坐标(X4,Y4,Z4)会是(1100,500,400)。这些坐标与在表1中使用的第三站位(站位27C)的坐标对应。

在步骤97中的步骤之后，控制然后转移到步骤99。如步骤99所示，X坐标和Y坐标的值被调整，并且，Z坐标的值不被调整，以产生作为位置坐标(X3,Y3,Z3)发送到控制器21(图2A)的位置坐标(X3,Y3,Z3)。在图8A的步骤101中，工具23移动到由位置坐标(X3,Y3,Z3)指定的该新位置。在步骤103中，X坐标被调整且Y坐标和Z坐标保持不变，以产生作为(X2,Y2,Z2)被发送到控制器21(图2A)的位置坐标对(X2,Y2,Z2)。在图8A的步骤104中，工具23移动该新位置。在步骤105中，Y坐标被调整且X坐标和Z坐标值保持不变，以产生被发送到控制器21(图2A)的位置坐标(X1,Y1,Z1)。在图8的步骤107中，工具23移动该新位置。

如图5B所示，工具23向位置坐标(X1,Y1,Z1)的这种移动导致保持于工具23中的囊体保持器53C及其囊体59C放置于27C中，站位27C是分配给容纳于工具23中的囊体保持器53C及其囊体59C的站位。在以上的囊体放置动作之后，控制从步骤107转移到步骤109，在该步骤109中，工具23移动回到位置(X2,Y2,Z2)，并且在步骤111中移动回到工具23等待进一步的指令的位置(X3,Y3,Z3)。

控制然后转移到步骤113，在该步骤113中，进行试验，以确定是否完成了打印过程或者要从站位27取得另一囊体59。如果已完成打印过程，那么不需要取得另一囊体59并且控制转移到步骤127。在没有完成打印过程的情况下，必须取得另一囊体保持器53及其囊体59；并且，控制转移到步骤115。在步骤115中，从控制器访问用于开始取得动作的站位27C的位置(X1,Y1,Z1)。通过处理器17产生一系列的四个位置坐标值。在下表3中使用用于关于图2A所示的五个站位27A、27B、27C、27D、27E开始放置动作的这些位置坐标。例如，当从站位27D(图2A所示的第四站位)取得囊体保持器53D及其囊体59D时工具23必须移动到的坐标(X1,Y1,Z1)会是(1200,500,400)。这些坐标与在表2中使用的第四站位(站位27D)的坐标对应。

然后，如图5A和图8B所示，在步骤117中，X坐标的值被调整，并且，X坐标和Z坐标的值保持不变，以产生作为(X2,Y2,Z2)发送到控制器21(图2A)的位置坐标(X2,Y2,Z2)。在步骤119中，工具23移动到新位置坐标(X2,Y2,Z2)。然后，如步骤121所示，(X1,Y1,Z1)被发送到控制器21，由此，工具23移动到这些坐标，由此取得站位27D中的囊体保持器53D和囊体59D。

随后，在步骤123中，坐标(X2,Y2,Z2)被发送到控制器21，并且，工具23被移动回到(X2,Y2,Z2)；在步骤125中，坐标(X3,Y3,Z3)被发送到控制器21，并且，工具23移动回到(X3,Y3,Z3)。

在步骤125中执行的动作之后，在步骤127中，工具23返回到(X0,Y0,Z0)；该原始位置与如步骤83所示的那样事先存储于处理器17的内部存储器19中的位置坐标的值对应。

从步骤127，从例程退出。

通过工具23移动到原始位置(0,0,0)，工具23的状态也在开始使用系统11时(即，在初始化或“电力接通”时间)被检查。

b.囊体加热系统

自动囊体加热系统500(单独地表示为500A、500B、500C、500D和500E)被设置在囊体保持器53中。如后面更详细地讨论的那样，用于各囊体保持器53的自动囊体加热系统500在图3A、图3B和图15中被示出，并且包括囊体保持器53的内部的传导层36、囊体保持器53的外部的隔热层35、热传感器29和插入在囊体保持器53的内部的换能器31。

图2B以框图的形式示出具有加热系统500的要素的打印机系统11。UI/UX15、处理器17、控制器21、工具23和站位27A、27B、27C、27D和27E如以上关于图2A描述的那样。图3B和图3C更详细地示出加热系统500A、500B、500C、500D和500E的部件，包括用于囊体保持器53A、53B、53C、53D和53E中的每一个的各热传感器29A、29B、29C、29D和29E；和用于囊体保持器53A、53B、53C、53D和53E中的每一个的各换能器(热网)31A、31B、31C、31D和31E。热传感器29测量囊体保持器53的温度，可从该温度推断囊体59中的成分的温度。热传感器29和换能器(热网)31均被嵌入各囊体保持器53中，并且，如果囊体保持器53的囊体59空闲则通过弹簧连接器33与站位27连接，或者，如果囊体保持器53的囊体59处于使用中则与工具23连接。弹簧连接器33负责接收来自控制器21的电力并且从热传感器29向控制器传送囊体温度信息。

当控制器11向换能器31推送电流时，换能器31升温。隔热层35限制换能器31对囊体59的影响，并且防止来自换能器31的热泄漏到系统11的其余部分。传导层36确保由换能器31产生的热被传送到容纳于囊体保持器53中的囊体59。打印机系统11利用热传感器29和换能器31以及通过控制器21收集的关于囊体59的组成和囊体59的内容(成分)的信息，以控制成分的流变行为并且提供更平稳的打印过程。

图10示出典型加热过程中的换能器31的温度演化和囊体59的温度演化，每个具有不同的曲线。

容纳于囊体59中的成分中的每一种具有与其相关的一组的十五个参数，包括但不限于打印温度、加热曲线、挤出速度、挤出乘数、层放置之间的等待时间、轴速度、最佳喷嘴直径、垂直精度、水平精度、粘度曲线、密度、冷凝温度、熔融温度等，这些参数限定打印机系统11如何处理成分。注意，成分的加热温度未必与其打印温度相同。一些成分可在处于站位27中时通过加热系统500被预热，并然后在打印开始时在通常更高的不同温度下通过加热系统500被加热。

用于各成分的参数均存储于RWM19中。在加热选择的站位27中的囊体59时，处理器17使用与由最终用户选择的配方有关的信息(即，温度演化曲线，比如图10所示的那些)耦合的存储参数，以通过使用存储于系统11的读写存储器(RWM)19中的算法确定处于站位27中以及处于工具23中的成分的最佳加热过程。算法与本领域技术人员可容易地确定的成分的流变特性有关。该算法调整加热曲线，以使在不更改成分的特性的情况下达到希望温度所需要的时间最少。例如，首先将囊体59加热到比成分的希望温度高的温度并且等待成分达到希望温度(例如，当成分是巧克力时，囊体59被加热到40℃并然后作为巧克力回火过程的一部分冷却到28℃)可能更有效。囊体59的这种较高的温度不能太高以至于产生成分的化学变化。还存在这样一些成分，这些成分由于其差的电导率而妨碍使用这种类型的过程(其中，囊体59被首先加热到比成分的希望温度高的温度)。因此，算法考虑所有这种信息(各成分的存储参数和换能器31、囊体59和喷嘴510的温度演化曲线)以对各成分确定最佳加热曲线。

即使对不处于使用中的囊体59，也对囊体59中的每一个执行加热过程，并且，加热过程从通过处理器17从RWM19接收的成分打印温度开始。处理器17然后使用由热传感器29测量的囊体59的温度作为比例积分微分(PID)算法的输入，以控制加热系统500，以在囊体59中实现稳定的目标温度。

一旦加热过程已被限定，处理器17就向控制器21分配命令，该控制器21前进以向换能器31推送电流并且实时从热传感器29A、29B、29C、29D和29E接收温度信息。该温度信息被发送回到处理器17，该处理器17根据从热传感器29接收的新温度信息自动调整加热过程，并且前进以在连续的过程中向控制器21发送新命令。

最终用户具有修改(通过用户界面15)必须施加到各成分的温度和与给定的成分相关的参数的选项。如果最终用户输入新温度和/或新参数，那么处理器17前进以更新要施加的加热过程并因此对更新的加热过程向控制器21发送命令。

在由存储于读写存储器(RWM)19中的计算机程序指令实现的用于实施加热过程算法的例程的控制下执行该加热过程，并且以下描述并且在图11中以流程图(逻辑流程图)形式表示该加热过程。对存在于系统11中的囊体59中的每一个实施该例程，即使它们在给定的时刻不在使用中。

从步骤181开始，每当包括加热成分的数据或命令被键入到处理器17中，就进入用于实施加热过程的例程。在步骤181中，从嵌入处理器17中的系统11的读写存储器(RWM)19取得配方信息。对囊体59中的每一个实施例程，即使它们不处于使用中。该配方信息包括在配方中使用的成分以及将以什么次序使用成分。从步骤181，控制转移到步骤183，在该步骤183中，还从RWM19取得与容纳于囊体59中的成分有关的信息，包括确定加热过程所需要的温度信息。对系统11中的每个囊体59执行该信息取得步骤183，因此，系统11获知下一个应使用哪个囊体59。一旦与加热过程有关的所有信息已被收集，控制就转移到通过使用容纳于工具23(在图2C中表示)中的传感器512进行试验以确定囊体59是否已处于使用中的步骤185。

如果囊体59处于使用中，那么进入控制从步骤185转移到步骤187的打印温度控制子例程，在该步骤187中，进行进一步的试验以根据先前在步骤183和185中取得的信息确定囊体温度是否已达到希望温度。如果试验的结果是温度低于希望的打印温度，那么控制转移到温度升高到希望的水平的步骤189；然后，控制转移到打印作业继续的步骤191。另一方面，如果囊体温度已足够，那么控制直接转移到步骤191。在该打印温度控制子例程之后，控制转移到步骤201，在该步骤201中，执行试验以确定是否已完成囊体59的打印作业。如果该试验的结果是还没有完成打印作业，那么控制转移回到步骤187并且再次开始打印温度控制子例程。否则，如果已完成囊体59的打印作业，那么控制转移到步骤203，在该步骤203中，囊体59被释放并且控制转移回到步骤185。

如果步骤185中的试验的结果是囊体不在使用中，那么控制在步骤205中转移到站位准备子例程，在这里，进行进一步的试验以根据先前在步骤183和185中取得的信息确定囊体温度是否已达到希望的站位温度。如果试验的结果是温度低于希望的站位温度，那么控制转移到温度升高到希望的水平的步骤207，然后控制转移到温度状态被更新的步骤209。另一方面，如果囊体温度已足够，那么控制直接转移到步骤209。一旦完成了站位准备子例程，控制就转移到执行试验以确定是否完成了打印作业的步骤211。如果该试验的结果是还没有完成打印作业，那么控制转移回到步骤185，并且，用于实施加热过程的例程如前面描述的那样继续。否则，如果完成了打印作业，那么控制转移到装置等待直到囊体冷却到安全温度的步骤213。从步骤131，从用于实施加热过程的例程退出。

c.挤出机构

图2C以框图的形式示出具有挤出机构的要素的打印系统11。挤出机构包括与上述的热传感器29和换能器31组合的伸缩机构511的形式的致动器，该致动器是工具23的一部分。伸缩机构511驱动材料从保持于囊体保持器中的囊体的挤出。

图12A～12C在三个不同的位置即静止(缩回)位置(图12A)、中间伸展位置53(图12B)和完全伸展位置(图12C)更详细地示出工具23的伸缩机构511。当伸缩机构511伸展时，它推动囊体59的上端处的囊体活塞51，由此产生成分从囊体59的下端的挤出。通过包含于挤出机构中的马达61实现伸缩机构511的伸展和缩回。

为了执行打印作业，工具23必须通过加热系统500调整打印材料(囊体59中的成分)的温度，并且通过使用加入的伸缩机构511挤出成分。通过考虑使用的成分、正被打印的设计并且最终考虑最终用户输入(如果有的话)的算法通过处理器17确定与通过加热系统500实现的最佳囊体温度和伸缩机构511必须部署的速度对应的参数。温度控制系统从由处理器17接收的成分打印温度开始。热传感器29然后测量囊体59的温度。通过评价加热曲线的斜率(梯度)的比例积分微分(PID)算法，处理器17控制加热系统500以在囊体59中实现稳定的目标温度。通过梯形移动算法由处理器17确定伸缩机构511速度。该梯形移动算法使用正被打印的设计和成分特定挤出乘数参数作为输入，这允许根据诸如粘度、密度和/或厚实性(chunkiness)的成分特定特性在整个打印过程中线性修改挤出速度；并且，它以正确的速度和位移输出伸缩机构511的适当的部署。伸缩机构511还具有用于检测挤出的成分是否被耗尽的传感器512，在这种情况它通知控制器21，该控制器21向处理器17转送令牌。处理器17将根据先前描述的算法确定要执行的下一个行动。

为了继续打印作业，工具23常常必须在从其站位27取得另一囊体59及其囊体保持器53之前将囊体59及其囊体保持器53放置到相应的站位27中。在将囊体59及其保持器53放置到其相应的站位27中时，工具23必须将伸缩机构511缩回到其静止位置，使得囊体保持器53连同囊体59可被释放。通过控制器21命令马达将伸缩机构511缩回到其回缩(静止)位置实现这一点，在该回缩位置中，其伸展最短。

以下描述并且在图13中以流程图(逻辑流程图)形式示出在存储于处理器17的RWM19中的挤出动作算法的控制下执行的挤出动作。在挤出动作之前，作为打印过程的一部分，确定要使用哪种成分以及成分处于哪个囊体59中，并且，从存储器(即，从RWM19)检索成分的参数。

每当通过处理器17接收或执行包含挤出动作或囊体53及其囊体保持器59的动作(诸如从其站位27取得或者返回其站位27)的数据或命令，进入用于挤出动作的算法。挤出例程以准备子例程在步骤281中开始。在步骤281中，从处理器17中的RWM19取得配方信息。该配方信息包括在配方中使用的所有成分和使用它们的次序。从步骤281，控制转移到步骤283，在该步骤283中，也取得与容纳于囊体59中的成分有关的挤出参数(挤出速度、挤出乘数)。一旦所有相关挤出参数已被收集，控制就转移到控制器21将伸缩机构511置于其静止位置的步骤285。然后，控制转移到取得囊体59及其保持器53的步骤287。在步骤289中，伸缩机构511通过使用传感器512确定囊体59中的成分的水平。控制然后转移到步骤291，在该步骤291中，控制器21将伸缩机构511定位于适当的开始位置，因此，打印过程可开始。更具体而言，在步骤291中，控制器21向工具23提供包含开始位置的坐标的一系列的指令，因此，工具23移动到适当的(x,y,z)位置。在挤出过程中，为了以配方需要的模式挤出成分，控制器21也向工具23提供关于工具23必须跟随的移动的指令和各移动中的挤出速度的指令。

在该准备子例程结束之后，在步骤293中进行试验，以确定系统11是否准备好开始挤出过程。如果系统11没有准备好，那么控制转移到挤出机构等待直到系统11准备好进行挤出过程的步骤295。一旦系统11准备好，控制就转移到挤出过程开始的步骤297。否则，如果系统11准备好了，那么控制直接转移到步骤297。一旦挤出过程开始，控制就从步骤297转移到进行进一步的试验以确定囊体59中的成分是否已被耗尽的步骤299。如果成分被耗尽了，那么控制转移到通过将伸缩机构511置于其静止位置开始囊体更换子例程的步骤301。控制然后转移到其囊体保持器53中的囊体59返回到其站位27的步骤303，并且，控制转移到进行试验以确定是否需要最终用户更换囊体59的步骤305。如果存在这种需要，那么控制转移到系统11等待用户更换囊体59的步骤307。然后，控制转移回到再次开始准备子例程的步骤281。如果作为在步骤305中进行的试验的结果用户不需要更改囊体59，那么控制直接转移到步骤283。

如果在步骤299中进行的试验的结果是仍然存在残留于囊体59中的一些成分，那么在步骤309中进行进一步的试验以确定通过容纳于囊体59中的成分的打印过程是否已结束。如果打印过程还没有结束，那么控制转移回到步骤297。否则，控制转移到步骤310，在该步骤310中，通过简单的马达激活机械吸回元件513以拉回活塞以避免成分从囊体59滴落。控制然后转移到伸缩机构511置于其静止位置中的步骤311，并且，控制转移到步骤313，在步骤313中，其囊体保持器53中的囊体59放置回其站位27中并且退出例程。

d.过程概要

现在将描述由打印食品的系统11实施的整个过程的概要。过程以最终用户经由Wi-Fi通过最终用户可通过嵌入系统11中的UI/UX15或者通过与系统11连接的任何其它装置(平板电脑、智能电话、pc等)访问的应用程序来选择、下载或设计(以下，统称为“规定”)配方开始。与规定的配方有关的所有相关信息(包含配方的适当的成分)然后存储于RWM19中。一旦配方已被规定并且与其相关的信息已存储于RWM19中，UI/UX15就向最终用户显示请求以加载容纳适当的成分的囊体59；并且，处理器21前进以实现指令以通过囊体识别系统41检查所有的囊体59处于适当的位置中，并且，还以这种方式识别哪个站位27容纳哪个囊体59。系统11然后从RWM19检索与配方和使用的成分有关的所有相关信息，因此，打印过程可被设置。

然后，处理器17前进以向控制器21发送指令，因此，加热系统500可将使用的各囊体59加热到适当的温度(即，其稳定的目标温度)。如上所述，一旦囊体59处于它们的稳定的目标温度，处理器17就向控制器21发送指令，使得工具23从适当的站位27取得具有保持首先对配方使用的成分的囊体59的囊体保持器53，并且，囊体59中的成分的挤出作业可开始。

在具有保持第一成分的囊体59的挤出作业结束之后，工具23如前面描述的那样交换囊体59及其囊体保持器53与其囊体保持器53中的下一囊体59，并且，该下一囊体59被用于继续打印过程，直到完成打印过程。换句话说，控制器21关于从仓库25中的站位27取得囊体59和它们的囊体保持器53以及使囊体59和它们的囊体保持器返回到仓库25中的站位27控制工具23，并且根据由配方指示的模式依次从囊体59挤出成分。一旦完成打印过程，所有的囊体59返回到它们的初始的囊体站位27和囊体加热系统500，并且，挤出机构511返回到它们的初始状态。

本领域技术人员可以理解，该过程可被应用于打印由多个材料构成并且可根据一组指令通过AM打印技术打印的食品以外的产品。

e.其它实现细节

1.术语

部分地关于通过常规的可编程数据处理装置的动作的过程和符号表现表达这里包含的详细描述。由可编程数据处理装置执行的过程和动作包括通过处理器的信号的操作、以及数据包内的这些信号和驻留于存储器装置内的一个或更多个介质内的数据结构的维护。一般地，“数据结构”是应用于数据或对象的组织化方案，使得可在该数据或数据模块上执行特定的动作，使得在数据结构的组织化部分之间建立特定的关系。

“数据包”是具有一个或更多个有关栏的数据结构的类型，这些栏被统一定义为从一个装置或程序模块向另一个传送的信息的单位。因此，动作的符号表现是计算机编程和计算机构成的领域内的技术人员用于最有效地向领域内的其它的技术人员传递教导和发现的手段。

为了本讨论的目的，过程一般构想为由可编程数据处理装置执行并且导致希望的结果的一系列的步骤。这些步骤一般需要物理量的物理操作。通常，但未必，这些量采取能够存储、传送、组合、比较或另外操作的电气、磁或光学信号的形式。本领域技术人员通常将这些信号表达为位、字节、词语、信息、数据、包、节点、数量、点、条目、对象、图像或文件等。但是，应当记住，这些和类似的术语与计算机动作的适当的物理量相关，并且，这些术语仅是应用于存在于可编程数据处理装置内和动作中的物理量的常规标签。

应当理解，常常关于诸如发出、发送、修改、添加、禁用、确定、比较和报告等的术语提到可编程数据处理装置内的操作，这些术语常常与由操作员执行的手动动作相关。这里描述的动作是结合由与可编程数据处理装置交互作用的操作人员或用户提供的各种输入执行的机器动作。

2.硬件

应当理解，可与根据这里描述的教导构成的程序模块一起使用各种类型的可编程数据处理装置。构成专用装置以通过存储于诸如只读存储器的非易失性存储器中的硬接线逻辑或程序执行这里描述的方法步骤可能证明是有利的。

3.程序

在优选实施例中，本发明的步骤体现于机器可执行指令中。指令可被用于导致通过指令编程的通用或专用处理器执行本发明的步骤。作为替代方案，可通过包含用于执行所述步骤的硬接线逻辑的特定硬件部件或者通过编程的计算机部件和定制硬件部件的任意组合执行本发明的步骤。

可方便地在基于本说明书中的示图和描述的程序或程序模块中实现以上的系统。实施以上描述的过程不需要特定的编程语言，原因是，考虑到以上描述以及在附图中示出的动作、步骤和过程被充分地公开了以允许本领域技术人员实施本发明。

并且，存在可在实施本发明时使用的许多类型的可编程数据处理装置、计算机语言和操作系统，因此，不能提供适用于所有这些许多不同系统的详细的计算机程序。

因此，本领域的程序人员在理解这里的描述之后可以在没有过度实验的情况下实现用于实施本发明的编程。

4.产品

可作为可包括上面存储有指令的机器可读介质的计算机程序产品提供根据本发明的方法，这些指令可被用于将可编程数据处理装置(或其它电子设备)编程以执行根据本发明的过程。机器可读介质可包括但不限于软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁或光卡或适于存储电子指令的其它类型的介质/机器可读介质。

5.部件

计算机实现任选地包括至少一个具有处理器、内存、存储器、输入装置和显示装置的常规的可编程数据处理装置。在通过可编程数据处理装置实现任何块或块的组合的情况下，任选地通过常规的手段完成它，由此，计算机实现领域的技术人员可利用常规的算法、部件和装置以实现这里提供的本发明的要求和设计。但是，本发明也包括任何新的非常规的实现手段。

本领域技术人员鉴于以上的教导可以理解，本发明的上述的实施例的修改和变更是可能的。因此，应当理解，在所附的权利要求和它们的等同的范围内，可通过具体描述方式以外的方式实施本发明。

Claims (4)

1.一种添加制造打印机系统，用于在由一组指令限定的过程中通过使用多个材料打印产品，其中，材料中的每一个容纳于相应的囊体中并且具有与其相关的多个参数和流变特性，并且其中，所述参数限定打印机系统如何处理与其相关的材料，所述打印机系统包括：

多个囊体保持器，囊体保持器中的每一个被配置为：具有可去除地插入其中的材料容纳囊体，并且包括用于基于与成分相关的参数和特性以及指令调整容纳于插入在囊体保持器中的囊体中的材料的温度的加热装置；

具有多个站位的仓库，所述站位中的每一个具有：用于可释放地保持囊体保持器中的一个的装置，以及用于检测站位是否被囊体中的一个占据的传感器；

可移动到X-Y面中的不同位置坐标、并且具有用于可释放地保持从所述站位中的一个取得的囊体保持器中的一个的装置及用于驱动材料从保持于囊体保持器中的囊体的挤出的致动器的工具；

用于在所述站位中的一个与所述工具之间实现囊体保持器中的一个的交换的交换器机构；

用于控制所述工具的移动和动作的控制器；

用于向所述控制器提供用于移动所述工具的位置坐标、用于在站位与所述工具之间交换囊体保持器的指令、加热装置的调整和致动器的动作的处理器；和

用于存储由所述控制器收集的数据和与各材料相关的参数的数据存储器。

2.根据权利要求1所述的打印机系统，其中，各囊体保持器包括能够被处理器控制以在囊体中实现稳定的目标温度的囊体加热系统。

3.根据权利要求2所述的打印机系统，其中，各囊体加热系统包括用于将热能以外的一些形式的能量转换成热能的换能器、被定位为将热能传导到插入在囊体保持器中的囊体的传导层、被定位为防止热能从囊体保持器泄漏的隔热层、热传感器和连接器，所述连接器用于在囊体保持器被所述工具保持时将所述热传感器和所述换能器可释放地连接到所述工具、并且用于在囊体保持器保持于站位中时将所述热传感器和所述换能器可释放地连接到站位中的一个。

4.一种用于通过使用权利要求1的添加制造打印机系统打印产品的方法，包括以下的步骤：

响应于用户对要被打印的产品规定一组指令，在数据存储器中存储与产品的打印相关的信息；

使用处理器以识别容纳于各囊体中的材料、关联各囊体与相应的站位、并且确定在站位中是否有可用的用于产品的所有材料；

使用处理器以向控制器发送指令以将要在产品中使用的各囊体加热到稳定的目标温度；

从处理器向控制器发送指令，以使工具从仓库取得囊体和它们的各自的囊体保持器以及使囊体和它们的各自的囊体保持器返回到仓库、并且以由一组指令指示的次序从囊体挤出材料。