CN110087495A - 用于3d打印制品的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
为了克服早期设备和方法所遇到的限制和问题,提出了一种包括喷嘴(20;20A;20B)的3D打印头(18),其中,喷嘴(20;20A;20B)包括:材料挤出部分(22A;22B),以及与材料挤出部分(22A;22B)共同作用的至少一个保护气体注入部分(24A;24B)。还提出了一种相关的、用于3D打印制品(12)、特别是食品的设备(10)。还提出了一种相关的、用于3D打印制品(12)、特别是食品的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括喷嘴的3D打印头。
本发明还涉及一种用于3D打印制品、特别是食品的设备。
本发明还涉及一种用于3D打印制品、特别是食品的方法。
背景技术
三维(3D)打印的增材制造方法可包括层沉积或其它技术以产生制造的3D制品。这些方法能够藉由许多材料生产3D制品,并且可以使用颗粒状的固体或糊状的液体作为制造3D制品的起始材料。这些3D打印方法可以用于创建3D打印食物产品(3D食物打印)。
然而,3D食物打印会产生在其它制品的3D打印中不会遇到的问题。例如,3D食物打印在打印操作期间和/或之后造成打印材料的大量暴露的表面积,这可能导致变色、维生素或其它化合物的氧化和/或微生物的生长;后者特别地对人类安全不利。
因此,需要可至少部分地缓解这些问题的设备和方法。
发明内容
从如上所述的缺点和短处以及考虑到所讨论的现有技术开始,本发明的目的是克服早期设备和方法所经历的限制和问题。
该目的通过包括权利要求1的特征的设备以及包括权利要求4的特征的设备以及包括权利要求10的特征的方法来实现。本发明的有利实施例、有利的改进和其它可选特征在本文中阐述并在相应的从属权利要求中公开。
提供一种包括喷嘴的3D打印头,其中,喷嘴包括材料挤出部分和与所述材料挤出部分共同作用的至少一个保护气体注入部分。
在某些实施例中,至少一个保护气体注入部分可以布置成径向围绕材料挤出部分并且与材料挤出部分间隔开,以在它们之间提供递送空间,保护气体可以穿过该递送空间并且通过该空间被递送。
在某些实施例中,材料挤出部分尺寸设定且成形为以便通过出口递送待打印的材料,特别是至少一个保护气体注入部分形成有与出口间隔开的至少一个扩散端口。
还提供了一种用于3D打印制品、特别是打印食品的设备,包括:限定腔室的外壳;以及至少一个3D打印头,其配置在腔室内部,用于在该腔室内部3D打印制品;其中,喷嘴包括材料挤出部分和至少一个保护气体注入部分;并且其中,至少一个保护气体注入部分与保护气体的源流体连通。
还提供了一种3D打印制品的方法,包括:使用包括具有喷嘴的3D打印头的设备执行3D打印操作,其中,喷嘴包括材料挤出部分和与所述材料挤出部分共同作用的至少一个保护气体注入部分,所述3D打印操作包括:经由材料挤出部分挤出材料;并且经由至少一个保护气体注入部分注入保护气体,以基本上仅用保护气体围绕材料。
在设备和/或方法的某些实施例中,保护气体可包括至少一种惰性气体。
在设备和/或方法的某些实施例中,保护气体可包括氩气、氮气或二氧化碳中的至少一种。更具体地,基于保护气体的总体积,保护气体可包括体积为0%至约100%的氩气、体积为0%至约100%的氮气以及体积为0%至约30%的二氧化碳;甚至更具体地,体积为至少约70%的保护气体可包括氩气或氮气中的至少一种。
在设备和/或方法的某些实施例中,保护气体的温度可以为约2℃至约25℃。
在设备和/或方法的某些实施例中,保护气体可包括以下的至少一种:至少一种气体、至少一种悬浮液体和/或至少一种悬浮固体,其可至少部分地为保护气体提供抗微生物效果或其它有益性质。
如本文所使用,术语“基本上”是指偏差程度足够小从而不会明显地减损所识别的性质或环境。允许的确切偏差程度在某些情况下可取决于具体情况。
如本文所使用,“流体连通”是指可通过直接或间接连接件输送流体,这允许流体从一个部件传递到另一个组件。这种连接件可包括导管或其它已知的手段,通过这些手段可连接两个部件以将流体从一个部件递送到另一个部件。
三维(3D)食物打印使用诸如新鲜的天然成分之类的材料(材料可包括一种或多种成分),经处理使得该材料可通过喷嘴挤出以形成3D打印食物产品。喷嘴是3D打印头的部分,其能够通过喷嘴挤出材料。
经由3D打印设备的3D打印头和/或其它部件的运动,由喷嘴顺序地打印或放置材料层以形成或生产3D食物产品。
在设备和/或方法的某些实施例中,至少一种食品级粘合剂可以使用以针对3D食物产品提供期望的稠度。
3D打印设备可能能够利用一种或多种材料来形成单个3D食物产品。
在3D食物打印操作期间,被打印的成分可能暴露于周围的空气、特别是空气的氧含量。在3D食物打印中,暴露于空气和/或氧气可能显著高于常规食物产品生产期间的暴露。
可选地或另外地,在3D食物打印中,暴露于空气和/或氧气对3D打印食物产品可能比对其它3D打印制品更有害。3D打印食物产品所经历的增加的暴露可能使得能够氧化并且可能导致产品失去营养价值,诸如食物产品中存在的维生素或其它有益化合物会降解。
在设备和/或方法的某些实施例中,保护3D打印食物产品的营养价值诸如对于具有特殊饮食要求的消费者群体,例如老年人或极端地点或条件下的人(例如潜艇人员或偏远科研人员)可能是特别重要的。
经由喷嘴注入保护气体围绕3D打印头产生保护气氛,并且通过将诸如连续气流之类的气流施加到打印头和打印产品的基板上来打印产品。
因此,保护气体的注入基本上从围绕3D打印头和被打印的产品的区域排出空气/氧气,以至少部分地防止在制造期间和/或之后空气/氧气接触3D食物产品的有害影响。
在设备和/或方法的某些实施例中,经由对象喷嘴注入保护气体可减少或消除将整个3D打印设备与外部环境隔离的需要,这可使保护气体的消耗减少以及与供给保护气体相关的成本降低。
在设备和/或方法的某些实施例中,气体流可以是诸如约0.5巴至约1.5巴的低压气体流。
特别地,本设备和方法实施例在3D食物打印操作期间,诸如通过使用工业气体提供保护气氛;更具体地,本设备和方法实施例提供和/或使用气体喷嘴,该气体喷嘴用于包括3D食物打印的食物制备。
虽然本文中可特别关于3D食物打印描述所述技术实施例,但可预期所述技术可用于3D打印任何可能遇到类似于如本文所述的3D食物打印中遇到的问题的制品。所述技术实施例可以与3D打印或3D食物打印之外的方面一起使用。例子包括但不限于药物、药品、防腐剂等。
附图说明
为了更完整地理解本实施例的公开内容并且如上所述的,有几种选择可以以有利的方式体现以及改进本发明的教导。为此目的,可以参考从属于权利要求1以及权利要求4以及权利要求10的权利要求;本发明的进一步的改进、特征和优势以非限制示例的方式参考特定和优选实施例并参考结合以下示例性实施例的说明所制的附图来阐述,其中:
图1示出了根据本发明的设备的说明性实施例的示意图,所述实施例根据本发明的方法工作;
图2示出了用于根据本发明的3D食物打印的并且用于例如图1所示的设备的喷嘴的说明性实施例的剖视图;并且
图3示出了用于根据本发明的3D食物打印的并且用于例如图1所示的设备的喷嘴的另一个说明性实施例的剖视图。
包括附图以提供对本文提供的设备和方法的进一步理解,并且附图包含在本说明书中并构成其一部分。附图示出了本文提供的设备和方法的实施例,并且与说明书一起用于解释本文描述的原理,但不旨在限制说明书或任何权利要求。在附图中,在整个图1至图3的描述中,相同的设备用相同的附图标记标示。
具体实施方式
实施本发明的最佳方式
在详细说明本发明实施例之前,应该理解,该实施例其应用不限于附图中所示的部件的结构和布置的细节,因为本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或实施。而且,应理解,本文采用的措辞或术语是出于描述的目的而非限制。
在下面的描述中,诸如水平、直立、竖直、上方、下方、在下方等的术语仅用于清楚说明本发明的目的,而不应被视为限制性的词语。附图是为了说明本发明的目的,并且不是按比例的。
特别地并且参考图1,示出了用于3D打印包括但不限于食品的制品12的说明性设备10,设备10包括其内部限定腔室16的外壳14。
包括喷嘴20的至少一个3D打印头18配置在腔室16内部,打印头18可操作地用于打印制品12。打印头18可在腔室16内部移动以生产制品12。喷嘴20(在图2和图3中更详细地描绘)通过流动路径或管道19与保护气体的源26流体连通,可选地,其中,阀28(或其它流动控制装置)置于在流动路径或管道19内部以控制保护气体从源26到喷嘴20的流动。
具体地并且参考图2,示出了说明性喷嘴20A,喷嘴20A包括材料挤出部分22A和至少一个保护气体注入部分24A,该至少一个保护气体注入部分24A径向布置成围绕上述部分22A并且与上述部分22A间隔开,以在它们之间提供递送空间23A,保护气体可以穿过该递送空间23A并且被递送。
材料挤出部分22A尺寸设定且成形为以便通过出口25A递送待打印的材料。至少一个保护气体注入部分24A经由3D打印头18与保护气体的源26流体连通,如图1所示。
图2中描绘的喷嘴20A可以适于与基本上为固体和/或对压力不敏感的打印材料一起使用,因为保护气体注入到材料挤出物附近和之上,以保护其免受腔室16中对制品12有害的任何气氛的影响。
图2中描绘的喷嘴20A还可提供更具指向性的保护气体流,该保护气体流不会从打印头18和/或从待由材料打印的制品12分散得很远。
具体地并且参考图3,示出了另一个说明性喷嘴20B,喷嘴20B包括材料挤出部分22B和至少一个保护气体注入部分24B,该至少一个保护气体注入部分24B径向布置成围绕上述部分22B并且与上述部分22B间隔开,在它们之间提供递送空间23B,保护气体可以穿过该递送空间23B并且递送。
材料挤出部分22B尺寸设定且成形成以便通过出口25B递送待打印的材料。至少一个保护气体注入部分24B经由3D打印头18与保护气体的源26流体连通,如图1所示。
气体注入部分24B形成有与出口25B间隔开的至少一个扩散端口26B或孔。扩散端口26B在保护气体冲击从材料挤出部分22B挤出的材料之前释放保护气体,以相应地减小冲击待打印材料的气体的压力和力。
图3中描绘的喷嘴20B可以适于与稍微不那么固体并且因此更脆弱的打印材料,和/或对压力有些敏感的打印材料一起使用。
图3中描绘的喷嘴20B还可提供具有较少指向性的保护气体流,该保护气体流会从打印头18和/或从待由材料打印的制品12分散得更远,但仍然提供防止材料或打印制品12氧化的必要保护。
应当理解,这里所述的实施例仅是示例性的,且本领域技术人员可进行变型和修改而不偏离本发明的精神和范围。所有这些变型和修改都会包括在这里所述并要求保护的本发明范围内。此外,由于本发明的各种实施例可被组合从而提供期望的结果,因而所公开的所有实施例并非必要的替代方案。
附图标记列表:
10 设备
12 制品,特别是食品
14 外壳
16 腔室
18 3D打印头
19 从保护气体的源26到3D打印头18的流动路径或管道
20 喷嘴
20A 喷嘴(第一实施例;见图2)
20B 喷嘴(第二实施例;见图3)
22A 材料挤出部分(第一实施例;见图2)
22B 材料挤出部分(第二实施例;见图3)
23A 递送空间(第一实施例;见图2)
23B 递送空间(第二实施例;见图3)
24A 保护气体注入部分(第一实施例;见图2)
24B 保护气体注入部分(第二实施例;见图3)
25A 出口(第一实施例;见图2)
25B 出口(第二实施例;见图3)
26 保护气体的源
26B 扩散端口或孔(第二实施例;见图3)
28 流动控制装置,特别是阀,在流动路径或管道中
Claims (15)
1.一种包括喷嘴(20;20A;20B)的3D打印头(18),其中,所述喷嘴(20;20A;20B)包括:
-材料挤出部分(22A;22B),以及
-与所述材料挤出部分(22A;22B)共同作用的至少一个保护气体注入部分(24A;24B)。
2.根据权利要求1所述的3D打印头,其特征在于,所述至少一个保护气体注入部分(24A;24B)布置成径向围绕所述材料挤出部分(22A;22B)并且与所述材料挤出部分(22A;22B)间隔开,以在它们之间提供递送空间(23A;23B),保护气体能穿过所述递送空间(23A;23B)并且被递送。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印头,其特征在于,所述材料挤出部分(22A;22B)尺寸设定且成形为以便通过出口(25A;25B)递送待打印的材料,特别是所述至少一个保护气体注入部分(24B)形成有与所述出口(25B)间隔开的至少一个扩散端口(26B)。
4.一种用于3D打印制品(12)、特别是食品的设备(10),所述设备(10)包括:
限定腔室(16)的外壳(14);以及
-至少一个3D打印头(18),所述至少一个3D打印头(18)包括根据权利要求1至4中的至少一项所述的喷嘴(20;20A;20B),所述至少一个3D打印头(18)配置在所述腔室(16)内部,以用于在所述腔室(16)内部3D打印所述制品(12);
其中,所述至少一个保护气体注入部分(24A;24B)与保护气体的源(26)流体连通。
5.根据权利要求4所述的设备,其特征在于,所述保护气体包括至少一种惰性气体。
6.根据权利要求4或5所述的设备,其特征在于,所述保护气体包括氩气、氮气或二氧化碳中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,基于所述保护气体的总体积,所述保护气体包括体积为0%至约100%的氩气、体积为0%至约100%的氮气以及体积为0%至约30%的二氧化碳,具体地,体积为至少约70%的所述保护气体包括氩气或氮气中的至少一种。
8.根据权利要求4至7所述的设备,其特征在于,所述保护气体的温度为约2℃至约25℃。
9.根据权利要求4至8所述的设备,其特征在于,所述保护气体包括至少一种悬浮液体和/或至少一种悬浮固体。
10.一种用于3D打印制品(12)、特别是食品的方法,所述方法包括:使用包括具有根据权利要求1至4中至少一项所述的喷嘴(20;20A;20B)的3D打印头(18)的设备(10)执行3D打印操作以生产制品(12),所述3D打印操作包括:
-经由所述材料挤出部分(22A;22B)挤出材料;以及
-经由至所述少一个保护气体注入部分(24A、24B)注入所述至少一种保护气体,以基本上仅以用于保护所述制品(12)的所述保护气体围绕所述材料。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述保护气体包括至少一种惰性气体。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,所述保护气体包括氩气、氮气或二氧化碳中的至少一种。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,基于所述保护气体的总体积,所述保护气体包括体积为0%至约100%的氩气、体积为0%至约100%的氮气以及体积为0%至约30%的二氧化碳,具体地,体积为至少约70%的所述保护气体包括氩气或氮气中的至少一种。
14.根据权利要求10至13所述的方法,其特征在于,所述保护气体的温度为约2℃至约25℃。
15.根据权利要求10至14所述的方法,其特征在于,所述保护气体包括至少一种悬浮液体和/或至少一种悬浮固体。
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