CN115226922B - 一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置及方法，属于食品增材制造技术领域。在多喷头增材制造设备上，设置了多频超声耦合打印系统，通过超声的高频振动产生空化效应，改善了高粘度和大颗粒食品墨水的流变特性，在保留食品墨水的营养成分和质地的同时，提高了食品墨水的适印性；将多频超声耦合多喷头装置应用于食品增材制造，使其能够实现比传统增材制造系统更小的喷嘴直径和更高的打印速度，提升了食品墨水打印过程的流畅性，同时实现规模化生产。本发明提供的多频超声耦合多喷头食品增材制造装置及方法，利用多频超声波作用还可以改善食品的消化特性和功能特性，提升了打印产品的感官及营养品质。

Description

一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置及方法
技术领域
本发明涉及了一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置及方法，属于食品增材制造技术领域。
背景技术
食品增材制造技术作为新兴的数字化制造，具有营养、形状、质构的个性化定制优势，能够很好地满足消费者个性化需求。虽然食品糊状物可用于食品增材制造，但它通常依赖于材料改性来实现挤出。这种食品材料的改变是通过使用稀释剂并以牺牲营养成分和质地为代价来实现的，从而导致打印产品的典型特性落后于传统制造食品。多频超声辅助打印是一种改进的增材制造方法，能够打印类似于普通食品的高粘度材料。
现已有公开的增材制造设备中，CN 113974194 A公开的技术方案中针对含大颗粒及粗纤维的浆料在打印过程中挤出困难且打印凝胶化程度较低等问题，在微波3D打印设备的基础上设置超声辅助系统，实现了物理场作用与挤出过程的同步进行，从而在一定程度上获得较好的增材制造效果。
上述方式仅使用具有特定频率的特定类型超声波，产生局部的物理场区域，适用范围小；然而，多频超声系统可以实现多频率选择、脉冲式超声发生和挤出压力智能反馈调节，从而提高待打印墨水的适印性。此外，上述方式主要针对的是单喷头打印，并未提及大规模商品化多喷头打印技术。本申请提供了一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置及方法，提升了食品墨水打印过程的适印性和打印速度，同时实现规模化生产。
发明内容
针对食品增材制造加工装备的加工效率不足，以及高黏度和大颗粒食品墨水适印性差和生产规模严重受限的问题，本发明提供了一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置及方法，增强高黏度食品打印墨水适印性，实现规模化生产，具体按照下述步骤进行：
一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置包括：控制模块、多喷头装置和多频超声强化装置；
所述的控制模块包括：挤出压力控制系统和多频超声控制系统；
所述的多喷头装置包括：挤出压力供给装置、集成料筒、多喷头挤出装置；
所述集成料筒由多个组成，以“耙形”或“左轮手枪形”排列，每个集成料筒配有一个挤出喷头，实现食品增材制造规模化；
所述多个集成料筒，可实现2～6个料筒同时打印；
所述多频超声强化装置包括：多频超声波发生器、超声换能器、超声变幅杆和超声传输线；
所述超声波换能器设置于超声变幅杆一端，通过超声变幅杆与集成料筒的外壁相连；
所述超声变幅杆，其根据料筒的个数，末端设计为圆环状，每个圆环环绕于集成料筒的外壁上，超声变幅杆圆环内径与集成料筒外径相匹配，两者紧密相连使打印墨水均匀地接收超声波作用；
可选的，所述超声变幅杆根据颗粒大小及物料粘度设置于集成料筒外壁的上部、中部和下部位置；
可选的，所述超声波发生器包括多个不同的频率(20～100kHz)，可以根据颗粒大小及物料的粘度选择特定的工作模式；
所述超声换能器，将超声能量传输至集成料筒内的物料，引发物料内粒子振动，从而产生空化效应、热效应和机械效应；
本申请还提供了一种多频超声耦合多喷头食品增材制造方法，所述方法应用于上述多频超声耦合多喷头食品增材制造装置中，所述方法包括：
根据打印需求选择不同的超声频率，不同的打印需求超声变幅杆的设置位置不同，所述不同位置分别放置于集成料筒的上部、中部和下部位置；
将打印信息导入控制模块，并设置超声的输出参数；
可选的，当待打印的物料为大颗粒、粗纤维及高粘度的浆料时，选择相应的高振幅超声模式以及超声变幅杆放置于集成料筒的上部位置。
当待打印的物料为常规颗粒大小浆料的打印时，选择相应的低振幅超声模式及超声变幅杆位于集成料筒下部位置。
本发明的有益效果是：
(1)在传统增材制造设备的基础上设置了多频超声强化系统，多频超声装置可以实现多种频率选择、脉冲式超声发生和挤出压力智能反馈调节，实现了对高粘度非牛顿流体打印墨水的直接打印，提升了打印墨水的适印性，保留了打印墨水的营养成分和质地；
(2)多喷头装置可以实现2-6个喷头同时工作，克服了传统的增材制造耗时长和产能低的问题，在保证打印过程流畅性的基础上，促进了规模化生产；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明多频超声耦合多喷头食品增材制造装置图；
其中，1-控制装置、2-挤出压力供给装置、3-集成料筒、4-多喷头挤出装置、5-超声波发生器、6-超声变幅杆、7-超声换能器、8-超声传输线
具体实施方式
考虑实际生产过程中大批量和规模化制造方面的需求，本申请采用多喷头同时工作模式应用到食品增材制造，提高生产效率。
实施例1：
本实施例提供了一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置，所述多频超声耦合多喷头食品增材制造装置包括：控制模块、多喷头装置和多频超声强化装置；
所述的多喷头装置包括：控制装置1、挤出压力供给装置2、集成料筒3、多喷头挤出装置4；
所述控制装置1可以分别在X、Y和Z轴方向上移动，根据待打印效果调节不同的打印位置；
所述控制装置1与多个集成料筒3相连，每个集成料筒3配有一个多喷头挤出装置4，实现规模化生产；
所述多个集成料筒3，可实现2～6个料筒同时打印；
所述多频超声强化装置包括：超声波发生器5、超声变幅杆6、超声换能器7和超声传输线8；
所述超声波换能器7设置于超声变幅杆6一端，通过超声变幅杆6与集成料筒3的外壁相连；
所述超声变幅杆6其根据料筒的个数，末端设计为圆环状，每个圆环环绕于集成料筒3的外壁上，超声变幅杆6圆环内径与集成料筒3外径相匹配，两者紧密相连使待打印物料均匀的接收超声波作用；
具体的，所述的超声变幅杆6的相对位置根据打印过程中实际需求进行调整，可分别设置于集成料筒3外壁的上部、中部和下部位置。
如图1所示，所述超声变幅杆6设置于集成料筒3的中部，此种模式下，超声波振动能量传输至待打印浆料，引发浆料内粒子振动，从而产生空化效应、热效应和机械效应。
所述的超声波发生器5包括多个不同的频率，其范围为20～100kHz，可以根据颗粒大小及物料的粘度选择特定的工作模式；
所述的超声传输线8，将超声波发生器5与换能器7相连，通过发生器调控超声波功率、频率、时间和超声脉冲比等参数，当作用于敏感型物料时可适当降低超声波作用强度。
实施例2：
本实施例提供了一种多频超声耦合多喷头食品增材制造方法，应用于上述实施一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置。所述方法包括：
将打印信息导入控制模块，并设置挤出压力和超声的输出参数；
超声输出时，超声源产生的电信号经过超声传输线8到达超声换能器7，进而产生超声波。超声波经过超声变幅杆6作用于超声波发生器5，利用超声振动产生的空化效应和机械效应对打印墨水进行作用。
打印过程中，超声作用模式包括不同超声频率(20～100kHz)、不同超声功率(0～300W)、不同脉冲间歇比(5s/5s、10s/5s、10s/0s)；超声变幅杆6的位置包括：放置于集成料筒3上部、中部和下部位置。
高振幅的超声以及超声变幅杆6位于集成料筒3上部，适用于大颗粒及粗纤维浆料，用于破碎组织，可以降低浆料粘度，利于挤出。此外，还有助于芳香物质及营养物质的释放，提高打印产品的感官及营养特性。
低振幅的超声及超声变幅杆6位于集成料筒3下部，适用于常规颗粒大小浆料的打印。此种浆料具有适宜的粘度及凝胶化能力，通过使用超声波振动在喷嘴边界处产生滑动条件来发挥作用，从而能够选择性地沉积极粘稠的材料。由于流动是由振动引起的，而不仅仅是由背压引起的，因此可以实现可切换的“开/关”控制。

Claims (2)

1.一种多频超声耦合多喷头食品增材制造装置，其特征在于包括：控制模块、多喷头装置和多频超声波强化装置；
所述的控制模块包括：挤出压力控制系统和多频超声波控制系统；
所述的多喷头装置包括：挤出压力供给装置、集成料筒、多喷头挤出装置；
所述集成料筒由多个组成，以“耙形”或“左轮手枪形”排列，每个集成料筒配有一个挤出喷头，实现食品增材制造规模化；
所述多个集成料筒，可实现2~6个料筒同时打印；
所述多频超声波强化装置包括：多频超声波发生器、超声波换能器、超声波变幅杆和超声传输线；
所述超声波换能器设置于超声变幅杆一端，通过超声波变幅杆与集成料筒的外壁相连；
所述超声波变幅杆，其根据料筒的个数，末端设计为圆环状，每个圆环环绕于集成料筒的外壁上，超声波变幅杆圆环内径与集成料筒外径相匹配，两者紧密相连使打印墨水均匀地接收超声波作用；
所述超声波变幅杆根据颗粒大小及物料粘度设置于集成料筒外壁的上部、中部和下部位置；
所述超声波发生器包括多个不同的频率，频率为20~100 kHz，可以根据颗粒大小及物料的粘度选择特定的工作模式；
所述超声波换能器，将超声波能量传输至集成料筒内的物料，引发物料内粒子振动，从而产生空化效应、热效应和机械效应。
2.权利要求1所述的一种多频超声耦合多喷头食品增材制造方法，所述方法包括：
根据打印需求选择不同的超声频率，不同的打印需求超声变幅杆的设置位置不同，所述不同位置分别放置于集成料筒的上部、中部和下部位置；
将打印信息导入控制模块，并设置超声的输出参数；
可选的，当待打印的物料为大颗粒、粗纤维及高粘度的浆料时，选择相应的高振幅超声波模式以及超声波变幅杆放置于集成料筒的上部位置；
当待打印的物料为常规颗粒大小浆料的打印时，选择相应的低振幅超声波模式及超声波变幅杆位于集成料筒下部位置。
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