CN108402506A - 一种食品3d打印机的智能热电加热喷头 - Google Patents

一种食品3d打印机的智能热电加热喷头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，包括喷嘴、CPU中控系统、与CPU中控系统分别连接的输料管、挤压装置和半导体制冷制热装置，所述的挤压装置与输料管的顶部连接，输料管的底部与半导体制冷制热装置连接，所述的喷嘴设于输料管的底部内侧，所述的半导体制冷制热装置包括设于输料管底部四周的半导体制冷片，所述的半导体制冷片包括依次设置的制冷端、半导体冷端导流条、N型和P型半导体区域、半导体热端导流条和制热端，所述的制热端与输料管连接，所述的制冷端背对输料管放置。与现有技术相比，本发明具有解决了喷头加热问题、加快喷嘴出料后打印模型的冷却、减小能耗、提高打印精度、降低食品产出的成本等优点。

Description

一种食品3D打印机的智能热电加热喷头
技术领域
本发明涉及一种3D打印机喷头，尤其是涉及一种食品3D打印机的智能热电加热喷头。
背景技术
随着科学技术的不断发展，越来越多新型的技术走进了人们的生活中，3D打印技术自其发明以来受到各方的关注，更被国外媒体誉为第四次工业革命。其中，以FDM打印技术应用最为广泛，熔融沉积制造工艺开始运用到食品的制作中，FDM3D打印原理是材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结而实现立体成型，这种打印机与其他方法相比，具有结构简单操作方便，成型速度快等诸多优点。打印并且挤出方法的优势在于可用于更广泛的食物材料。现阶段的食品级打印技术中打印喷头部位主要以加热为主，在打印过程中由于喷头温度的较高，喷头挤出食品材料后温度降速慢造成材料冷却结晶慢，造成打印精度不高等一系列问题。此外，对于现有技术中的打印喷头，在降温过程中需要很大的能耗，大大提高了食品产出的成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种食品3D打印机的智能热电加热喷头。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，包括喷嘴、CPU中控系统、与CPU中控系统分别连接的输料管、挤压装置和半导体制冷制热装置，所述的挤压装置与输料管的顶部连接，输料管的底部与半导体制冷制热装置连接，所述的喷嘴设于输料管的底部内侧，所述的半导体制冷制热装置包括设于输料管的底部四周的半导体制冷片，所述的半导体制冷片包括依次设置的制冷端、半导体冷端导流条、N型和P型半导体区域、半导体热端导流条和制热端，所述的制热端与输料管连接，所述的制冷端背对输料管放置。
3D打印机工作时，CPU中控系统发出指令，控制半导体制冷片运作，开始电流输入，半导体的内部瓷片开始加热，经过导热硅将热量传送至输料管外壁，热量均匀分散在输料管各个位置，并经输料管传导给内部食品材料，此时内部材料变为熔融状态，挤压装置将熔融状态的材料经输料管从喷嘴挤出；制冷端背对输料管及喷嘴放置，对打印出来的熔融状态的材料进行迅速冷却。
优选地，所述的制冷端的外部设有封闭的环状吸热板。
优选地，所述的半导体制冷制热装置还包括绝缘隔温骨架，所述的绝缘隔温骨架固定在环状吸热板与输料管之间，并架设在N型和P型半导体区域上方。
优选地，所述的喷嘴四周设有第一温度传感器，该第一温度传感器与CPU中控系统连接。
优选地，所述的输料管的管壁上设有用于感应管壁温度的第二温度传感器，该第二温度传感器与CPU中控系统连接。
优选地，所述的挤压装置包括固定肋板、移动滑块、活塞杆和微型电机，所述的固定肋板固定在输料管的顶部边缘，所述的支撑杆固定在固定肋板上，所述的移动滑块套设在支撑杆上，所述的活塞杆设于输料管内，并与移动滑块连接，所述的微型电机固定在输料管上，微型电机与移动滑块通过螺纹杆连接。
优选地，所述的CPU中控系统为mega2560单片机。
优选地，所述的输料管为陶瓷铝合金输料管。
优选地，所述的半导体制冷片的数量为四片。
优选地，所述的喷嘴上方设有用于感应输料管内部压力的压力传感器，该压力传感器与CPU中控系统连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在输料管外设有半导体制冷制热装置，通过将半导体制冷片的制热端与输料管连接，且输料管选用导热性好的陶瓷铝合金材料，可以将半导体制冷片的制热端的热量完全导入食品中，并沿着输料管向上下转移热量，不会使某一处热量急剧升高，保证了输料管中温度的恒定，防止出现流体结晶而堵塞；此外，半导体制冷片可以将热量传送至输料管上方，让输料管内部的食品材料都保持熔融状态，解决了喷头加热问题和喷嘴处快速冷却的问题，减小了能耗，降低了食品产出的成本；
(2)本发明的半导体制冷制热装置中的半导体制冷片远离输料管四周放置，并在其外部加装封闭的环状吸热板，环状吸热板的原理与散热片相同，均是扩大面积提高吸热速度，且每个面的中部为温度最低的地方，吸热板以环状分布，可以更好的让其周围保持低温状态，加速喷嘴附近温度下降，使刚刚打印出来的材料快速成型，加速材料冷却结晶，提高打印精度；
(3)本发明的环状吸热板与输料管之间安装有不导电、不传热的绝缘隔温骨架，既可用来作为半导体制冷片的安装支架，又可将半导体制冷片的制冷端与制热端隔绝开，保证喷嘴处温度能够满足食品3D打印中食品材料保持流体状态的要求，防止受到半导体制冷端辐射的影响，同时又可以将输料管的热量完全阻止在环状吸热板内，实现喷嘴出料后打印模型的快速冷却；
(4)本发明的喷嘴四周设有四个温度传感器，温度传感器可以独立控制所在面的半导体制冷片，此外，输料管的管壁上也设有用于感应输料管壁温度的温度传感器，各个传感器可将实际温度数据传送至CPU中控系统，CPU中控系统将温度数据与设定温度进行对比，智能调节半导体制冷片通过的电流，从而使半导体制冷片的温度达到要求，进而控制输料管内部温度，使打印过程中各部位温度恒定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖面结构示意图；
图中标号所示：
1、支撑杆，2、移动滑块，3、定位螺纹，4、活塞杆，5、输料管，6、绝缘隔温骨架，7、环状吸热板，8、半导体制冷片，801、制冷端，802、半导体冷端导流条，803、N型和P型半导体区域，804、半导体热端导流条，805、制热端，9、喷嘴，10、第一温度传感器，11、第二温度传感器，12、压力传感器，13、微型电机，14、固定肋板，15、螺纹杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1～图2所示，本发明涉及一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，包括输料管5、支撑杆1、移动滑块2、微型电机13、固定肋板14、活塞杆4、绝缘隔温骨架6、半导体制冷制热装置和CPU中控系统。
固定肋板14固定在输料管5的顶部边缘，支撑杆1固定在固定肋板14上，移动滑块2套设在支撑杆1上。活塞杆4设于输料管5内，并与移动滑块2连接。输料管5的底部内侧设有喷嘴9，用于控制食品物料的挤出。移动滑块2推动活塞杆4移动以挤压处食品流体，使流体从喷嘴9处挤出。喷嘴9上方设有压力传感器12，用于感应输料管5的内部压力，压力传感器12与CPU中控系统连接。微型电机13固定在输料管5上，微型电机13通过四个定位螺纹3固定在固定肋板14上，固定肋板14上还设有螺纹杆15，微型电机13通过螺纹杆15控制移动滑块2的移动。
输料管5的底部与半导体制冷制热装置连接。半导体制冷制热装置包括环状吸热板7和四个半导体制冷制热片8，四个半导体制冷片8分别设于输料管5四周，半导体制冷片8的制热端805面向输料管5放置，半导体制冷片8的制冷端801背对输料管放置。制热端805与制冷端801之间依次设有半导体热端导流条804、N型和P型半导体区域803和半导体冷端导流条802。半导体冷端基板的外部加装封闭的环状吸热板7，用于加速喷嘴9附近温度的下降。输料管5的底部外侧通过绝缘隔温骨架6与半导体制冷制热装置固定。绝缘隔温骨架6设于环状吸热板7与输料管5之间，并架设在N型和P型半导体区域803上方。
输料管5选用导热性好的材料，如陶瓷铝合金材料，可将半导体制冷片8的制热端805的热量完全导入食品中，且沿着输料管5向上下转移热量，不会使某一处热量急剧升高。能够保证输料管5中温度恒定不会出现流体结晶而堵塞，并且可以将热量传送至输料管5上方，让输料管5内部的食品材料都保持熔融状态。
喷嘴9的四周设有四个第一温度传感器10，且第一温度传感器10与CPU中控系统连接；输料管5的管壁上设有用于感应输料管5的管壁温度的第二温度传感器11。第一温度传感器10、第二温度传感器11分别与CPU中控系统连接，可将实际感知的温度数据传送至CPU中控系统，CPU中控系统将温度数据与设定温度的进行对比，智能调节半导体制冷片8通过的电流，从而使半导体制冷片8的温度达到要求，进而控制输料管5的内部温度，使打印过程中各部位温度恒定。
CPU中控系统优选mega2560单片机。本发明的3D打印喷头既可用于机械轴式打印机，也可用于三角爪形打印机或驼型转动型打印机上。
本发明的工作原理为：
3D打印机工作时，CPU中控系统给出指令，控制半导体制冷片8运作，开始电流输入，半导体的内部瓷片开始加热，经过导热硅将热量传送至输料管5外壁，输料管5为导热材料，将热量均匀分散在输料管5各个位置，经传导，将热量传递给内部食品材料。此时内部材料变为熔融状态，微型电机13带动移动滑块2向下运动，进而带动活塞杆4向下运动，将熔融态的材料经输料管5从喷嘴9挤压出来。因为输料管5为导热材料，因此在半导体制冷片8释放过多能量，可以保证喷嘴9处的温度足够不会出现非融化堵塞。其中一部分能量会向上传递，分散半导体制冷片8的能量，防止使局部温度因过热造成的食品营养成分破坏的现象。
打印出来的材料为熔融状态，需要迅速冷却，本发明将半导体制冷片8的制冷端801背对打印机的喷嘴9放置，使喷嘴9内部为高温部分，外部为冷却区域，中间为了保证空气不流通，利用不导电、不传热的绝缘隔温骨架6作为半导体制冷片8的安装支架，再一次将半导体制冷片8的制冷端801与制热端805隔绝开，保证喷嘴9处温度能够满足食品3D打印中食品材料保持流体状态的要求，不会受到制冷端801辐射的影响。同时又可以将输料管5的热量完全阻止在环状吸热板7之内，实现喷嘴9挤出部分快速冷却成型。半导体制冷片8的制冷端801的外部设有环状吸热板7，吸热板按环状分布可以更好的让其周围保持低温状态，加速打印材料的快速成型。
在整个打印过程中，喷嘴9四面加装了四个第一温度传感器10，输料管5的管壁上设有第二温度传感器11。第一温度传感器10、第二温度传感器11将实际温度数据传送至CPU中控系统，CPU中控系统将温度数据与设定温度的比对，智能调节半导体制冷片8通过的电流，从而使半导体制冷片8温度达到要求，使输料管5的四面内部的温度相同，进而使打印过程中各部位温度恒定。当温度和压力异常时，CPU中控系统通过调节半导体制冷片8的供给电流以及调节微型电机13的转算，从而实现喷头内温度和压力的智能化控制，进而提高打印精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，包括喷嘴(9)、CPU中控系统、与CPU中控系统分别连接的输料管(5)、挤压装置和半导体制冷制热装置，所述的挤压装置与输料管(5)的顶部连接，输料管(5)的底部与半导体制冷制热装置连接，所述的喷嘴(9)设于输料管(5)的底部内侧，所述的半导体制冷制热装置包括设于输料管(5)的底部四周的半导体制冷片(8)，所述的半导体制冷片(8)包括依次设置的制冷端(801)、半导体冷端导流条(802)、N型和P型半导体区域(803)、半导体热端导流条(804)和制热端(805)，所述的制热端(805)与输料管(5)连接，所述的制冷端(801)背对输料管(5)放置；
3D打印机工作时，CPU中控系统发出指令，控制半导体制冷片(8)运作，开始电流输入，半导体的内部瓷片开始加热，经过导热硅将热量传送至输料管(5)外壁，热量均匀分散在输料管(5)各个位置，并经输料管(5)传导给内部食品材料，此时内部材料变为熔融状态，挤压装置将熔融状态的材料经输料管(5)从喷嘴(9)挤出；制冷端(801)背对输料管(5)及喷嘴(9)放置，对打印出来的熔融状态的材料进行迅速冷却。
2.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的制冷端(801)的外部设有封闭的环状吸热板(7)。
3.根据权利要求2所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的半导体制冷制热装置还包括绝缘隔温骨架(6)，所述的绝缘隔温骨架(6)固定在环状吸热板(7)与输料管(5)之间，并架设在N型和P型半导体区域(803)上方。
4.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的喷嘴(9)四周设有第一温度传感器(10)，该第一温度传感器(10)与CPU中控系统连接。
5.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的输料管(5)的管壁上设有用于感应管壁温度的第二温度传感器(11)，该第二温度传感器(11)与CPU中控系统连接。
6.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的挤压装置包括固定肋板(14)、移动滑块(2)、活塞杆(4)和微型电机(13)，所述的固定肋板(14)固定在输料管(5)的顶部边缘，所述的支撑杆(1)固定在固定肋板(14)上，所述的移动滑块(2)套设在支撑杆(1)上，所述的活塞杆(4)设于输料管(5)内，并与移动滑块(2)连接，所述的微型电机(13)固定在输料管(5)上，微型电机(13)与移动滑块(2)通过螺纹杆(15)连接。
7.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的CPU中控系统为mega2560单片机。
8.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的输料管(5)为陶瓷铝合金输料管。
9.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的半导体制冷片(8)的数量为四片。
10.根据权利要求1所述的一种食品3D打印机的智能热电加热喷头，其特征在于，所述的喷嘴(9)上方设有用于感应输料管(5)内部压力的压力传感器(12)，该压力传感器(12)与CPU中控系统连接。
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