CN111543664A - 一种利用微波诱导自发形变实现4d打印艺术冷盘的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用微波诱导自发形变实现4D打印艺术冷盘的方法，属于新型食品加工领域。该方法首先将果葡糖浆、水、马铃薯全粉、马铃薯淀粉、食品胶体混合均匀后，对其分别进行均质、蒸煮、冷却、装料，随后选定3D打印模型和对应的3D打印参数在食品级PA/PE垫纸上进行3D打印，根据打印样品形状对垫纸进行适当裁剪得到马铃薯泥/纸双层结构。对打印样品进行微波诱导，样品将垂直于打印路径自发弯曲变形。在3D打印的基础上实现了第四维度的变化。本发明通过设计不同的模型和设置不同的打印参数，可以将物料打印出不同二维形状，经微波诱导转变为三维空间结构，使食品具有更丰富的视觉效果，实现产品的多元化、个性化、自动化制作。

Description

一种利用微波诱导自发形变实现4D打印艺术冷盘的方法
技术领域
本发明涉及一种利用微波诱导自发形变实现4D打印艺术冷盘的方法，涉及食品加工工艺，属于食品加工技术领域。
背景技术
3D打印技术按照“分层制造、逐层叠加”的原理来实现三维实体的制作。具体来说就是按照CAD、Rhino等计算机软件绘制好的模型图，由三维打印相关的控制软件切割成每个单层的轮廓线并控制计算机进行逐层打印实体的轮廓线，经过层与层相互叠加最终形成立体图案。与传统的减材制造方法不同，3D打印是一种增材制造技术。因此，3D打印技术不仅设计灵活，可以轻松的制作出高精度、高质量复杂形状的产品，还可以满足人们的个性化需求，同时实现批量定制生产，节约经济成本。所谓4D打印技术是指由3D打印出来的结构能够在预定的刺激下(温度、湿度、光照、电磁场等)发生自身物理属性的改变，这种变化通常涉及形状、颜色以及风味的变化。常规的4D打印变形过程一般由两种方式：1.采取不同材料构成工件的两层，经过同等程度的刺激(如热、光照、电磁场等)，工件两层呈现出不同的应变响应，从而达到4D变形效果；2.采用一种材料(以形状记忆材料为主)构成工件整体，利用材料的形状记忆特性实现4D变形。
食品干燥是借助水分蒸发或冰升华排除食品中部分水分的一种操作过程。食品干燥过程中物料的温度梯度和水分梯度产生的应力变化，以及物料内部结构成分的状态变化造成了物料的收缩变形，但大多数情况下，食品物料呈现出非均匀收缩，其收缩形态也各不相同。食品干燥方法多种多样，微波是最常用的干燥方法之一。
张慜等(2016)发明了一种通过添加功能性糖改善高纤维面团体系成型及3D精确打印性能的方法(CN 106259599 A)，该发明首先将烤制后的熟化面粉与用芦笋老茎制成的浓缩芦笋浆、黄油和功能性糖类混匀，然后用3D打印机进行打印，该发明提供的3D打印材料，主要成分为碳水化合物，同时含有丰富的膳食纤维，可以作为挤出型食物，为人们提供能量，同时通过调节不同打印参数如喷头直径、打印距离和打印温度可使打印物体的精确度大大提高。张慜等(2017)发明了一种即食调理土豆泥3D打印精确成型的调控方法(CN106805280A)，该发明是首先将土豆进行清洗、去皮后切片并蒸煮，然后打浆至浆体细腻发亮，加入胶体混合均匀后蒸煮，使土豆熟化并使胶体充分溶解，冷却至室温后加入白巧克力粉，然后选定打印喷头直径、打印距离、打印温度、喷头移动速度、出料速度进行打印，打印物体的精确度能够达到95％以上，且在打印后40-60min内不塌陷。周鹏等(2018)公开了一种高蛋白半流体即食食品精准3D打印的方法(CN 109090616 A)，该发明以优质的浓缩蛋白为主要原料，添加一些适当且适量的多糖胶体制备得到具有凝胶结构的混合物，并优化打印工艺参数来实现高蛋白半流体的精准化打印。以上几种发明主要涉及调节打印物料配方和打印工艺参数实现物料的精确成型，而本发明主要涉及通过微波诱导3D打印物来实现4D变形。
张慜等(2018)发明了一种易吞咽的双色土豆泥/紫薯泥冷盘3D精确打印方法(CN108477545 A)，该发明将日常食用的土豆和紫薯清洗、去皮后切片，蒸煮并打浆，之后在土豆泥和紫薯泥中分别加入黄原胶和果胶的复配体系，经过保温、冷却等步骤后在土豆泥中加入适量盐、调料和橄榄油，而在紫薯泥中加入蜂蜜和橄榄油，借助于双喷头打印机，接着在确定双喷头的相对位置、确定打印时的填充比和填充模式之后，运用双颜色3D打印模型将土豆泥和紫薯泥打印成型。该发明主要是运用双喷头打印机制作双色土豆泥/紫薯泥冷盘，这与本发明的单喷头打印技术不同。
张慜等(2019)发明了一种利用蓝莓花青素自发变色实现彩色果冻4D打印的方法(CN 110122813 A)。该发明分别将两份原料充分混合，对其分别进行调配、均质、凝胶化、冷却、装料、脱气，随后使用双喷头打印机根据建立好的3D打印模型进行多物料的载色层和控色层逐层交替的3D打印。打印完成的载色层果冻的颜色将从紫红色在2min内根据接触的变色层的pH值分别变化为：红色、紫色、蓝色，在3D打印的基础上实现第四维度的变化。该发明研究的是4D打印技术中的自发变色的范畴，与本发明打印物的自发变形不同。
冯毅雄等(2019)发明了一种基于温度响应的三角纹-wiggle双层结构的4D打印方法(CN 109774120 A)，该发明选取形状记忆聚合物材料以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，每组填充图案层中的各个单层均打印为相同填充图案，上下方填充图案层为三角纹和wiggle图案，三角纹图案由三组直线阵列非平行相互交叉排布构成的纹理图案，wiggle由一组正弦曲线阵列而成的纹理图案；精确温度加热使粗产品变形4D变形完成。此外，冯毅雄等人还发明了一种基于温度响应的横-半蜂窝双层结构的4D打印方法(CN 109664497 A)，一种基于温度响应的横-三角双层结构的4D打印方法(CN 109664498 A)，一种基于温度响应的横-网双层结构的4D打印方法(CN 109664499 A)，一种基于温度响应的横-wiggle双层结构的4D打印方法(CN109664500 A)，一种基于温度响应的全蜂窝-wiggle双层结构的4D打印方法(CN 109774122A)。以上几种发明克服了目前温度驱动的4D打印材料制备困难，对小功率变形响应程度差的问题，实现了通过设计参数编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法，突破了4D打印技术制备材料的繁琐过程。但以上几种发明主要侧重于非食品行业的4D打印变形，与本发明中的食品领域土豆泥的自发变形有很大不同。
发明内容
本发明的目的是在食品3D打印的基础上开发一种通过微波诱导实现打印食品自发变形的4D食品打印方法，丰富食品3D打印的思路和种类的同时给用户带来新奇的体验。
本发明的技术方案：
一种利用微波诱导自发形变实现4D打印艺术冷盘的方法，首先将制备好的马铃薯泥装入到3D打印机的物料筒中，选定3D打印模型和对应的打印参数进行3D打印，然后将马铃薯泥打印在垫纸上，对垫纸按照打印产品的形状进行适量裁剪以获得马铃薯泥/纸双层结构，最后对马铃薯泥/纸双层结构进行微波诱导实现打印样品的变形。具体步骤如下：
(1)马铃薯泥的制备：将果葡糖浆与水混合均匀得到果浆溶液；加入食品胶体并使其充分溶解；将马铃薯全粉和马铃薯淀粉加入溶液中充分混合，并用均质机均质2-5min，蒸煮25-40min，放置于室温下冷却至常温，得到马铃薯泥；
(2)3D打印：选定3D打印模型，将步骤(1)所得的马铃薯泥装入打印机的物料筒中，设置3D打印参数后在打印垫纸上进行打印；选择打印在垫纸上是因为一般挤出型3D打印所用的物料是糊状或泥状等软材料，物料具有一定的流动性和粘性，容易粘在打印平台上，打印成型后在移动过程中容易破坏打印样品，而将物料打印在垫纸上，有利于打印样品从打印平台上转移下来；
(3)修剪：按照步骤(2)所得打印产品的轮廓对打印垫纸进行修剪去除多余的垫纸，得到马铃薯泥/纸的双层结构；将马铃薯泥和垫纸的双层结构看作一个由不同材料构成完整工件，该工件的马铃薯泥部分在微波处理时会发生脱水、收缩等变化，而垫纸无明显变化，上下两层的差异导致样品的变形；
(4)微波：将步骤(3)所得的马铃薯泥/纸放入微波干燥器中微波诱导10-30min，由于马铃薯泥和垫纸在微波处理时收缩率不同导致马铃薯泥/纸的自发变形。
所述微波诱导的模型确定：RBF神经网络模型采用Matlab平台编程实现，使用Matlab自带的神经网络工具箱建立三层神经网络模型，分别为输入层，隐层，输出层，数学表达式如下：
Figure BDA0002460483290000051
其中，Yout为RBF神经网络的输出；h为RBF神经网络的隐层数；n为RBF神经网络输入/输出数据样本数；Wij为RBF神经网络的权值矩阵；φ为RBF神经网络的径向基函数，选用高斯核函数；X＝[X1,X,…,Xk]是输入数据，C＝[cij]是非线性基函数φ的中心，bj是隐层第j个神经元高斯基函数的宽度；
将实验获取输入数据X和Yout输入RBF神经网络进行训练，得到RBF神经网络的Wij,C,bj；则微波功率P、微波诱导时间t及样品自发弯曲度y之间的非线性关系数学模型表示如下：
Figure BDA0002460483290000052
所述步骤(1)中，各物质的质量添加之比为：果浆溶液:食品胶体:马铃薯全粉和马铃薯淀粉＝400:1:72。
所述步骤(1)中，果葡糖浆和水的质量比例为15:85-60:40；食品胶体为黄原胶、果胶或海藻酸钠中的一种；马铃薯全粉和马铃薯淀粉的质量比例为1:1-3:1。
所述步骤(2)中，3D打印模型一般为二维薄片，高为1.2mm、2.4mm或4.8mm。
所述步骤(2)打印时，喷嘴直径为1.2mm，层高1.2mm，打印速度为15-20mm/s，填充模式为直线打印模式(Rectilinear)，填充角度0-180°，填充率15％-100％。填充角度实际上是打印路径与打印坐标系X轴之间的夹角，填充率过高(>75％)不利于打印样品的变形，打印样品是垂直于打印路径发生弯曲变形；
所述步骤(2)中，打印所用的垫纸为食品级PA/PE塑料纸，厚度为0.2mm，耐热，能承受121℃的高温，马铃薯泥脱水后粘性降低很容易从垫纸上脱落。
所述步骤(4)中，微波功率1W/g-5W/g。
所述步骤(5)中，模型的建立是基于打印模型为高度为2.4mm的长方体、填充角度为90°条件。
本发明的有益效果：本发明首次通过微波诱导实现3D打印食品的自发变形，设计不同的模型，可以将物料打印的不同二维形状变为三维立体结构，使食品具有丰富的视觉效果，并为打印物体的变形提供了一定的理论基础。本发明所用的主要原料是马铃薯全粉和果葡糖浆，最终的产品也是具有精美、复杂的形状，可以作为餐饮艺术冷盘用的点心。
附图说明
图1为实施例1中打印样品的变形过程前后对比图。
图2为实施例2中打印样品的变形过程前后对比图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
实施例1：3D打印的二维平面蝴蝶经微波诱导自发变形成三维立体蝴蝶
首先将30g果葡糖浆与70g纯净水混合均匀，然后加入0.25g黄原胶并使其充分溶解；之后，将9g马铃薯全粉和9g马铃薯淀粉加入溶液中充分混合，并用均质机均质2min，放入蒸锅的蒸屉上蒸煮30min，放置于室温下冷却至常温得到马铃薯泥备用；
将马铃薯泥装入打印机物料筒中，选定3D打印模型，该模型由蝴蝶的左翅膀、右翅膀以及中间身体三部分组成，分别将三部分的.stl文件导入Simplify3D软件中，将三部分组合在一起形成一个完整的二维平面蝴蝶，该蝴蝶的高度为2.4mm，在切片之前分别对三个部分的打印参数进行设置，其中左翅膀的填充率为60％、填充角度为45°，右翅膀的填充率为60％、填充角度为-45°，中间身体部分的填充率为100％、填充角度为0°，其他参数均保持一致如喷嘴直径为1.2mm、打印速度15mm/s；打印工艺参数设置好之后开始切片，然后将大于蝴蝶模型的打印垫纸固定在打印平台上，进行打印操作。
打印完成后，按照蝴蝶的轮廓对打印垫纸进行适当的裁剪，除去多余的部分；之后将蝴蝶样品和垫纸作为一个完整工件，并在3W/g的功率下对其进行微波诱导，在20min内蝴蝶的左、右翅膀均垂直于各自的打印路径弯曲，中间身体部分填充率太高未发生弯曲行为，最终使一个二维平面蝴蝶自发变形为一个三维立体蝴蝶(如图1所示)。
实施例2：3D打印的平面四瓣花经微波诱导自发变形成3D立体花朵
首先将15g果葡糖浆与85g纯净水混合均匀,然后加入0.25g黄原胶并使其充分溶解；之后，将12g马铃薯全粉和6g马铃薯淀粉加入溶液中充分混合，并用均质机均质2min，放入蒸锅的蒸屉上蒸煮30min，放置于室温下冷却至常温得到马铃薯泥备用；
将马铃薯泥装入打印机物料筒中，选定3D打印模型，该模型由花朵的花心和上下左右四个花瓣共五部分组成，分别将五部分的.stl文件导入Simplify3D软件中，将五部分组合在一起形成一个完整的二维平面花朵，该花朵的高度为2.4mm，在切片之前分别对五个部分的打印参数进行设置，其中上下两个花瓣的填充率为60％、填充角度为90°，左右两个花瓣的填充率为60％、填充角度为0°，花心部分的填充率为100％、填充角度为45°和-45°，其他参数均保持一致如喷嘴直径为1.2mm、打印速度15mm/s；打印工艺参数设置好之后开始切片，之后将大于花朵模型的打印垫纸固定在打印平台上，进行打印操作。
打印完成后，按照花朵的轮廓对打印垫纸进行适当的裁剪，除去多余的部分；之后将花朵样品和垫纸作为一个完整工件，并在3W/g的功率下对其进行微波诱导，在20min内四个花瓣均垂直于各自的打印路径弯曲，花心部分由于填充率太高不会发生弯曲行为，最终使一个二维平面花朵自发变形为一个绽放的三维立体花朵(如图2所示)。

Claims (10)

1.一种利用微波诱导自发形变实现4D打印艺术冷盘的方法，其特征在于，将制备好的马铃薯泥装入到3D打印机的物料筒中，选定3D打印模型和对应的打印参数进行3D打印，将马铃薯泥打印在垫纸上，对垫纸按照打印产品的形状进行适量修边以获得马铃薯泥/纸双层结构，最后对马铃薯泥/纸双层结构进行微波诱导实现打印样品的变形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)马铃薯泥的制备：将果葡糖浆与水混合均匀得到果浆溶液；加入食品胶体并使其充分溶解；之后，将马铃薯全粉和马铃薯淀粉加入溶液中充分混合，并用均质机均质2-5min，蒸煮25-40min，放置于室温下冷却至常温，得到马铃薯泥；
(2)3D打印：选定3D打印模型，将步骤(1)所得的马铃薯泥装入打印机的物料筒中，设置3D打印参数后在打印垫纸上进行打印；
(3)修剪：按照步骤(2)所得打印产品的轮廓，对打印垫纸进行修剪去除多余的垫纸，得到马铃薯泥/纸的双层结构；
(4)微波：将步骤(3)所得的马铃薯泥/纸放入微波干燥器中微波诱导10-30min，由于马铃薯泥和垫纸在微波处理时收缩率不同导致马铃薯泥/纸的自发变形；
所述微波诱导的模型确定：RBF神经网络模型采用Matlab平台编程实现，使用Matlab自带的神经网络工具箱建立三层神经网络模型，分别为输入层，隐层，输出层，数学表达式如下：
Figure FDA0002460483280000011
Figure FDA0002460483280000012
其中，Yout为RBF神经网络的输出；h为RBF神经网络的隐层数；n为RBF神经网络输入/输出数据样本数；Wij为RBF神经网络的权值矩阵；φ为RBF神经网络的径向基函数，选用高斯核函数；X＝[X1,X,…,Xk]是输入数据，C＝[cij]是非线性基函数φ的中心，bj是隐层第j个神经元高斯基函数的宽度；
将实验获取输入数据X和Yout输入RBF神经网络进行训练，得到RBF神经网络的Wij,C,bj；则微波功率P、微波诱导时间t及样品自发弯曲度y之间的非线性关系数学模型表示如下：
Figure FDA0002460483280000021
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，各物质的质量添加之比为：果浆溶液:食品胶体:马铃薯全粉和马铃薯淀粉＝400:1:72。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中，果葡糖浆和水的质量比例为15:85-60:40；食品胶体为黄原胶、果胶或海藻酸钠中的一种；马铃薯全粉和马铃薯淀粉的质量比例为1:1-3:1。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，3D打印模型高为1.2mm、2.4mm或4.8mm。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，3D打印时，喷嘴直径为1.2mm，层高1.2mm，打印速度为15-20mm/s，填充模式为直线打印模式，填充角度0-180°，填充率15％-100％。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，打印所用的垫纸为食品级PA/PE塑料纸，厚度为0.2mm，耐热，能承受121℃的高温，马铃薯泥脱水后容易从垫纸上脱落。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，微波功率1W/g-5W/g。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，打印样品是垂直于打印路径发生弯曲变形。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，模型的建立是基于打印模型为高度为2.4mm的长方体、填充角度为90°条件。
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