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Die Erfindung betrifft einen Nahrungsmitteldrucker. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Druckkopf, einen Nahrungsmitteldrucker umfassend einen solchen Druckkopf und ein Verfahren zur Extrusion von Druckmasse aus einer Kartusche eines Nahrungsmitteldruckers.
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Nahrungsmitteldrucker ermöglichen es einem Nutzer, eine Vielzahl von unterschiedlichen Nahrungsmitteln individuell zuzubereiten. Beispielsweise können durch einen Nahrungsmitteldrucker unterschiedliche Backwaren individualisiert und bei Bedarf hergestellt werden.
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Für unterschiedliche Nahrungsmittel werden unterschiedliche Druckmassen verwendet, die von einem Nahrungsmitteldrucker gedruckt und ggf. gegart werden. Die unterschiedlichen Druckmassen können in unterschiedlichen Nahrungsmittel-Kartuschen bereitgestellt werden. Ein Nahrungsmitteldrucker kann Druckmasse aus den unterschiedlichen Kartuschen austreiben bzw. extrudieren, um ein Nahrungsmittel herzustellen.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen Druckkopf und ein Verfahren bereitzustellen, die es einem Nahrungsmitteldrucker ermöglichen, in zuverlässiger und präziser Weise Druckmasse aus einer Nahrungsmittel-Kartusche zu extrudieren, um ein qualitativ hochwertiges Nahrungsmittel zu drucken.
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Die Aufgabe wird jeweils durch den Gegenstand jedes unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte und fakultative Ausführungsformen sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen definiert, in nachfolgender Beschreibung beschrieben oder in der beigefügten Zeichnung dargestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Druckkopf für einen Nahrungsmitteldrucker beschrieben. Der Druckkopf kann dazu verwendet werden, essbare Druckmasse aus ein oder mehreren Kartuschen auf eine Ablagefläche zu extrudieren, um ein Nahrungsmittel zu drucken.
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Der Druckkopf umfasst eine Halterung zur Aufnahme zumindest einer Kartusche. Insbesondere kann der Druckkopf derart ausgebildet sein, dass unterschiedliche Kartuschen in die Halterung eingesetzt werden können und/oder das Kartuschen (durch einen Nutzer des Nahrungsmitteldruckers) ausgetauscht werden können. Dabei kann der Druckkopf ausgebildet sein, Kartuschen aufzunehmen, die bereits eine eigene Düse aufweisen, über die Druckmasse extrudiert werden kann. Insbesondere kann der Druckkopf derart ausgebildet sein, dass der Druckkopf für die Extrusion von Druckmasse aus einer Kartusche keine eigene Düse aufweist. Der Druckkopf kann somit derart ausgebildet sein, dass der Druckkopf nicht mit der Druckmasse einer Kartusche in Kontakt kommt. So kann eine Kontaminierung eines Nahrungsmitteldruckers durch Druckmasse zuverlässig vermieden werden.
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Eine Kartusche, die in den Druckkopf eingesetzt werden kann, hat dabei typischerweise eine Zylinderform, insbesondere die Form eines Kreiszylinders oder eines Rechteckzylinders. Die Kartusche weist eine Kartuschen-Wand auf, die einen zylinderförmigen Hohlraum zur Aufnahme von essbarer Druckmasse umschließt. Der zylinderförmige Hohlraum kann an einer Seite der Kartusche, die in diesem Dokument als die Steuerseite bezeichnet wird, mit einer beweglichen Kappe abgeschlossen sein. Die Kappe kann dabei die Kartuschen-Wand gasdicht berühren. Insbesondere kann zwischen der Kappe und der Innenseite der Kartuschen-Wand ein Dichtelement angeordnet sein. Des Weiteren kann die Kartusche an einer gegenüberliegenden Seite eine Düse aufweisen, durch die Druckmasse aus der Kartusche gedrückt bzw. extrudiert werden kann. Diese Seite der Kartusche wird in diesem Dokument als Extrusionsseite bezeichnet. Die Kappe kann entlang der (Längs-) Achse des zylinderförmigen Hohlraums bewegt werden, um Druckmasse an der von der Steuerseite abgewandten Extrusionsseite aus der Kartusche zu extrudieren (z.B. über eine Düse der Kartusche).
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Der Druckkopf ist typischerweise derart ausgebildet, dass sich die Achse des zylinderförmigen Hohlraums der Kartusche im Wesentlichen senkrecht zu der Ablagefläche erstreckt, auf die Druckmasse extrudiert wird, wenn sich die Kartusche in der Halterung des Druckkopfs befindet. Folglich befindet sich die Steuerseite einer Kartusche im eingesetzten Zustand typischerweise oben und die Extrusionsseite unten.
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Der Druckkopf umfasst ferner einen Kolben, der ausgebildet ist, von der Steuerseite der Kartusche in den zylinderförmigen Hohlraum einer in der Halterung befindlichen Kartusche eingeführt zu werden, um den Kolben an die Kappe der Kartusche heranzuführen. Insbesondere kann der Kolben von oben in den zylinderförmigen Hohlraum eingeführt werden. Dabei kann die Kartusche derart ausgebildet sein, dass, auch wenn die Kappe voll befüllt ist, sich die Kartuschen-Wand zu der Steuerseite der Kartusche hin über die Position der Kappe hinaus erstreckt.
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Der Kolben ist ausgebildet, gasdicht mit der Kartuschen-Wand abzuschließen. Zu diesem Zweck zwischen dem Kolben und der Innenseite der Kartuschen-Wand ein Dichtelement angeordnet sein. Es bildet sich somit zwischen dem Kolben und der Kappe innerhalb des zylinderförmigen Hohlraums ein (gasdichter) Zwischenraum. Dieser Zwischenraum hat bevorzugt ein Volumen von nahezu null, so dass der Kolben direkt auf der Kappe aufliegt. Der Zwischenraum ist derart ausgebildet, dass der Zwischenraum geöffnet werden kann, so dass Gas (insbesondere Luft) in den Zwischenraum oder aus dem Zwischenraum strömen kann. Das Öffnen des Zwischenraums kann dazu genutzt werden, den Kolben von der Kappe zu entkoppeln, so dass eine Bewegung des Kolbens von der Kappe weg im Wesentlichen nicht auf die Kappe übertragen wird. Andererseits kann der Zwischenraum gasdicht geschlossen werden, so dass über den Zwischenraum, insbesondere über einen Unterdruck im Zwischenraum, eine Kopplung zwischen dem Kolben und der Kappe entsteht. So kann insbesondere eine Bewegung des Kolbens von der Kappe weg auf die Kappe übertragen werden.
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Der Zwischenraum kann somit derart ausgebildet sein, dass eine auf den Kolben in Richtung der Steuerseite der Kartusche wirkende Kraft (d.h. eine von der Extrusionsseite weg wirkende Kraft) zumindest teilweise auf die Kappe übertragen wird, wenn der Zwischenraum gasdicht verschlossen ist, und die Kraft im Wesentlichen nicht auf die Kappe übertragen wird, wenn der Zwischenraum für eine Gaszufuhr bzw. Gasentnahme geöffnet ist.
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Der Druckkopf umfasst einen Aktuator (z.B. einen elektrischen Motor), der eingerichtet ist, den Kolben entlang der Achse des zylinderförmigen Hohlraums zu bewegen. Insbesondere kann der Kolben zur Extrusionsseite der Kartusche hin oder von der Extrusionsseite der Kartusche weg bewegt werden. Der Kolben kann somit insbesondere nach oben bzw. nach unten bewegt werden.
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Der Druckkopf umfasst ferner ein Kopplungs-Mittel, das ausgebildet ist, den Zwischenraum zwischen dem Kolben und der Kappe gasdicht zu verschließen oder zu öffnen. Das Kopplungs-Mittel kann insbesondere ein Ventil umfassen, das eingerichtet ist, einen gasleitenden Kanal bzw. eine Öffnung zu dem Zwischenraum zu öffnen oder zu schließen, um den Zwischenraum zu öffnen oder zu schließen.
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Des Weiteren umfasst der Druckkopf eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, das Kopplungs-Mittel zu veranlassen, den Zwischenraum in einer Druckpause zu öffnen und in einer Druckphase gasdicht zu verschließen. Beispielsweise kann während einer Druckphase automatisch der Zwischenraum verschlossen werden. Des Weiteren kann nach Beendigung einer Druckphase, d.h. in einer Druckpause, der Zwischenraum automatisch geöffnet werden. Dabei erfolgt in einer Druckpause typischerweise keine Extrusion von Druckmasse. Beispielsweise kann eine Druckpause dazu verwendet werden, eine Kartusche in dem Druckkopf auszutauschen. Durch das Öffnen des Zwischenraums kann ein komfortabler Austausch einer Kartusche ermöglicht werden. Andererseits erfolgt während einer Druckphase typischerweise die Extrusion von Druckmasse. Durch das Schließen des Zwischenraums wird eine enge Kopplung zwischen dem Kolben und der Kappe einer Kartusche bewirkt, so dass Druckmasse mit hoher Genauigkeit extrudiert werden kann. So kann die (räumliche) Qualität eines gedruckten Nahrungsmittels erhöht werden.
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Die Halterung des Druckkopfes kann eingerichtet sein, eine in der Halterung aufgenommene Kartusche an einer bestimmten Stelle an dem Druckkopf zu fixieren. So kann durch die Halterung eine Gegenkraft bewirkt werden, die einer auf die Kappe einwirkenden Kraft entgegenwirkt, so dass die Kappe der Kartusche (ggf. ohne Bewegung der Kartuschen-Wand) zu der Extrusionsseite der Kartusche hin bewegt werden kann, um Druckmasse aus der Kartusche in der Halterung zu extrudieren, und/oder von der Extrusionsseite der Kartusche weg bewegt werden kann, um die Extrusion von Druckmasse zu unterbrechen. Die Halterung kann somit eingerichtet sein, eine Kartusche an dem Druckkopf zu fixieren, wenn der Kolben des Druckkopfes auf die Kappe der Kartusche drückt. Des Weiteren kann die Halterung ausgebildet sein, eine Kartusche an dem Druckkopf zu fixieren, wenn der Kolben des Druckkopfes an der Kappe der Kartusche zieht. Die Halterung des Druckkopfes kann somit als Vorrichtung zur Fixierung zumindest einer Kartusche an dem Druckkopf ausgebildet sein.
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Der Kolben kann eine durch den Kolben verlaufende Öffnung bzw. einen durch den Kolben verlaufenden Kanal aufweisen, durch die bzw. durch den Gas in den Zwischenraum gelangen kann. Das Kopplungs-Mittel kann ausgebildet sein, die Öffnung bzw. den Kanal zu verschließen oder zu öffnen (z.B. mittels eines Ventils). Die Öffnung bzw. der Kanal können z.B. den Zwischenraum mit der Umgebung der Kartusche bzw. mit der Atmosphäre verbinden. Durch die Bereitstellung einer Öffnung bzw. eines Kanals kann ein effizientes Öffnen/Schließen des Zwischenraums ermöglicht werden.
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Der Kolben kann mit einer Kolbenstange verbunden sein. Der Aktuator kann ausgebildet sein, den Kolben mittelbar über die Kolbenstange zu bewegen. Die Öffnung durch den Kolben kann als Luftkanal durch die Kolbenstange verlaufen. Das Ventil zum Öffnen bzw. Schließen des Zwischenraums kann an der Kolbenstange (z.B. an einem von dem Kolben abgewandten Ende der Kolbenstange) angeordnet sein. So kann in bauraumeffizienter Weise ein Kanal zu dem Zwischenraum bereitgestellt werden.
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Die Halterung für eine Kartusche kann ein Fixier- und/oder Führungs-Mittel (z.B. einen Flansch) umfassen, das eingerichtet ist, eine in der Halterung befindliche Kartusche an der Steuerseite der Kartusche zu fixieren und/oder das eingerichtet ist, die Kolbenstange zu führen. Insbesondere kann das Fixier- und/oder Führungs-Mittel eingerichtet sein, die Kartusche an der Steuerseite der Kartusche zu fixieren (z.B. durch eine Platte). Des Weiteren kann die Kolbenstange an dieser Stelle (z.B. durch ein Loch in der Platte) geführt werden, um eine zuverlässige Bewegung des Kolbens zu ermöglichen. So kann die Steuerung der Extrusion von Druckmasse weiter verbessert werden.
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Die Kolbenstange kann ein Gewinde aufweisen. Der Aktuator kann ausgebildet sein, die Kolbenstange über das Gewinde entlang der Achse des zylindrischen bzw. zylinderförmigen Hohlraums einer in der Halterung befindlichen Kartusche in beide Richtungen (d.h. hoch und runter) zu bewegen. Dies kann z.B. über ein Schneckengewinde erfolgen. So kann eine zuverlässige Bewegung des Kolbens für eine zuverlässige Extrusion von Druckmasse bewirkt werden.
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Das Kopplungs-Mittel kann eine Pumpe umfassen, die eingerichtet ist, Gas aus dem Zwischenraum zu pumpen. So kann in dem Zwischenraum zumindest ein Teilvakuum bewirkt werden. Dadurch können die Kopplung zwischen Kolben und Kappe weiter erhöht und die Genauigkeit der Steuerung der Extrusion von Druckmasse weiter verbessert werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu bestimmen, dass die Kappe der in der Halterung befindlichen Kartusche in Richtung der Steuerseite der Kartusche gezogen werden soll, insbesondere um die Extrusion von Druckmasse aus der Kartusche zu unterbrechen. Die Steuereinheit kann zu diesem Zweck sicherstellen, dass der Zwischenraum geschlossen ist, so dass eine Bewegung des Kolbens auf die Kappe übertragen wird. Insbesondere kann die Steuereinheit die Kopplungs-Mittel veranlassen, den Zwischenraum gasdicht zu verschließen.
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Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, zu bestimmen, dass der Kolben aus dem zylinderförmigen Hohlraum der in der Halterung befindlichen Kartusche herausgefahren werden soll, insbesondere um die Kartusche auszutauschen. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, die Kopplungs-Mittel zu veranlassen, den Zwischenraum zu öffnen, so dass Gas in den Zwischenraum strömen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Nahrungsmitteldrucker zum Druck eines Nahrungsmittels auf einer Ablagefläche beschrieben. Der Nahrungsmitteldrucker umfasst zumindest einen der in diesem Dokument beschriebenen Druckköpfe. Des Weiteren umfasst der Nahrungsmitteldrucker eine Steuereinheit zur Steuerung der ein oder mehreren Druckköpfe.
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Außerdem kann der Nahrungsmitteldrucker Bewegungsmittel umfassen, die eingerichtet sind, die ein oder mehreren Druckköpfe an unterschiedlichen Punkten über der Ablagefläche zu platzieren. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, einen Druckkopf und die Bewegungsmittel in Abhängigkeit von Rezeptdaten anzusteuern, um Druckmasse aus einer in den Druckkopf eingesetzten Kartusche für den Druck eines Nahrungsmittels zu extrudieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Extrudieren von Druckmasse aus einer Kartusche beschrieben. Das Verfahren kann durch eine Steuereinheit eines Druckkopfes und/oder eines Nahrungsmitteldruckers ausgeführt werden. Das Verfahren umfasst das Einführen eines Kolbens von der Steuerseite der Kartusche her an die Kappe. Dabei ist beim Einführen der Zwischenraum zwischen dem Kolben und der Kappe geöffnet. Außerdem umfasst das Verfahren das Bewegen des Kolbens, um Druckmasse aus der Kartusche zu extrudieren. Dabei ist beim Bewegen des Kolbens der Zwischenraum zumindest zeitweise gasdicht geschlossen ist.
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Es ist zu beachten, dass jegliche Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Druckkopfes bzw. des in diesem Dokument beschriebenen Verfahrens in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden können. Insbesondere können die Merkmale der Patentansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Herstellung eines Nahrungsmittels;
- 2 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Druckkopfes eines Nahrungsmitteldruckers mit einer eingesetzten Kartusche; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Steuerung der Extrusion von Druckmasse aus einer Nahrungsmittel-Kartusche.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und präzisen Extrusion von Druckmasse aus einer Nahrungsmittel-Kartusche bei der Herstellung eines Nahrungsmittels in einem Nahrungsmitteldrucker. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Nahrungsmitteldruckers 100. Der Nahrungsmitteldrucker 100 umfasst einen Druckkopf 120, der mit Bewegungsmitteln 106 (z.B. entlang einer Schiene) an unterschiedliche Stellen über einer Druckfläche bzw. Ablagefläche 104 positioniert werden kann. Der Druckkopf 120 kann durch eine Steuereinheit 107 des Druckers 100 angesteuert werden.
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Die Steuereinheit 107 kann ein 3D Modell eines zu druckenden Nahrungsmittels 105 ermitteln (z.B. als Rezeptdaten). Des Weiteren kann die Steuereinheit 107 den Druckkopf 120 und die Bewegungsmittel 106 in Abhängigkeit von dem 3D Modell ansteuern, um ein Nahrungsmittel 105 auf der Ablagefläche 104 zu drucken, das eine dem 3D Modell entsprechende Form aufweist. Zu diesem Zweck können die Bewegungsmittel 106 eingerichtet sein, den Druckkopf 120 parallel über der Ablagefläche 104 zu bewegen (d.h. in X- und in Y-Richtung und/oder in einem anderen Koordinatensystem, wie z.B. einem polaren Koordinatensystem mit einer Radialrichtung und einer Winkelrichtung). Des Weiteren können die Bewegungsmittel 106 eingerichtet sein, den Abstand zwischen Druckkopf 120 und Ablagefläche 104 zu verändern (d.h. den Druckkopf 120 in Z-Richtung zu bewegen).
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Die Ablagefläche 104 kann in einem Garraum 103 (z.B. in einem Ofen) angeordnet sein. Die Steuereinheit 107 kann eingerichtet sein, einen Garprozess des Nahrungsmittels 105 in dem Garraum 103 zu steuern. Insbesondere kann eine Temperatur des Garraums 103 gesteuert bzw. geregelt werden, z.B. um ein Nahrungsmittel 105 zu backen und/oder um ein Nahrungsmittel 105 zu kühlen.
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Der Druckkopf 120 ermöglicht es, eine Kartusche 102 mit Druckmasse 108 aufzunehmen. Die Druckmasse 108 kann mittels eines Aktuators 110 des Druckkopfs 120 über eine Düse 101 aus der Kartusche 102 extrudiert und/oder herausgedrückt werden. Die Düse 101 kann Teil der Kartusche 102 sein.
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2 zeigt einen beispielhaften Druckkopf 120 mit einer Kartusche 102. Die Kartusche 102 kann an einer Halterung des Druckkopfs 120 (nicht dargestellt) an dem Druckkopf 120 befestigt werden. Dabei ist der Druckkopf 120 bevorzugt derart ausgebildet, dass Kartuschen 102 flexibel und komfortabel ausgetauscht werden können, z.B. um aus unterschiedlichen Kartuschen unterschiedliche Typen von Druckmasse 108 zu extrudieren.
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Die Kartusche 102 umfasst eine, typischerweise zylinderförmige, Kartuschen-Wand 221, die einen Hohlraum zur Aufnahme von Druckmasse 108 umschließt. An einem unteren Ende der Kartusche 102 kann eine Düse 101 angeordnet sein. Dieses Ende der Kartusche 102 wird in diesem Dokument als die Extrusionsseite 332 bezeichnet. Andererseits kann der Hohlraum nach oben hin mit einer Kappe 222 abgeschlossen sein. Das obere Ende der Kartusche 102 wird in diesem Dokument als die Steuerseite 331 bezeichnet. Die Kappe 222 kann derart ausgebildet sein, dass die Kappe 222 entlang der Kartuschen-Wand 221 in der in 2 dargestellten Bewegungsrichtung 212 bewegt werden kann, um Druckmasse 108 über die Düse 101 aus der Kartusche 102 zu drücken oder um Druckmasse 108 an der Düse 101 (zumindest leicht) zurückzuziehen. Das Zurückziehen von Druckmasse 108 kann dazu genutzt werden, die Extrusion von Druckmasse 108 schnell zu beenden. So kann die Genauigkeit des Drucks eines Nahrungsmittels 105 erhöht werden. Zur Abdichtung der Kontaktstelle zwischen der Kappe 222 und der Innenseite der Kartuschen-Wand 221 kann an der Kontaktstelle ein Dichtungselement 205 (z.B. ein O-Ring) angeordnet sein.
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Der Druckkopf 120 weist Mittel auf, mit denen die Kappe 222 einer eingesetzten Kartusche 102 bewegt werden kann, um durch eine Bewegung der Kappe 222 zur Düse 101 hin eine Extrusion von Druckmasse 108 zu bewirken, und/oder um durch eine Bewegung der Kappe 222 von der Düse 101 weg die Extrusion von Druckmasse 108 ohne substantielle Verzögerung, d.h. im Wesentlichen sofort, zu beenden.
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Insbesondere kann der Druckkopf 120 einen Kolben 202 aufweisen, der an der von der Düse 101 abgewandten Steuerseite 331 des durch die Kartuschen-Wand 221 gebildeten Hohlraums an die Kappe 222 herangeführt werden kann. Der Kolben 202 ist über eine Kolbenstange 201 mit dem Aktuator 110 (z.B. mit einem elektrischen Motor) verbunden. Der Aktuator 110 ist eingerichtet, die Kolbenstange 201 und damit den Kolben 202 entlang der Bewegungsrichtung 212 zu bewegen. Die Kolbenstange 201 kann über einen an der oberen Steuerseite 331 der Kartusche 102 fixierten Flansch 206 geführt werden. Der Flansch 206 kann Teil einer Halterung für die Kartusche 102 sein.
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Die Steuereinheit 107 des Druckers 100 kann eingerichtet sein, den Aktuator 110 anzusteuern, um die Kolbenstange 201 zur Düse 101 hin zu bewegen. Der Kolben 202 drückt dann auf die Kappe 222 der Kartusche 102. Die Kappe 222 bewegt sich in Reaktion darauf zur Düse 101 hin, so dass über die Düse 101 Druckmasse 108 aus der Kartusche 102 herausgedrückt wird.
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Der Kolben 202 kann über ein Dichtungselement 205 (z.B. einen O-Ring) zur Innenseite der Kartuschen-Wand 221 abgedichtet sein. Es kann somit zwischen dem Kolben 202 und der Kappe 222 ein gasdichter Zwischenraum 207 gebildet werden. Der gasdichte Zwischenraum 207 kann geöffnet oder geschlossen werden. Dabei ist bei einem geschlossenen Zwischenraum 207 das Fluid, insbesondere die Luft, innerhalb des Raums 207 eingeschlossen. Andererseits ermöglicht ein geöffneter Zwischenraum 207 die Zufuhr von Fluid, insbesondere von Luft. In dem in 2 dargestellten Beispiel ist der gasdichte Zwischenraum 207 über einen Luftkanal 203, der durch den Kolben 202 und durch die Kolbenstange 201 verläuft, mit der Atmosphäre verbunden. Der Luftkanal 203 kann über ein Ventil 204 geöffnet oder geschlossen werden, so dass der gasdichte Zwischenraum 207 geschlossen oder geöffnet wird.
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Die Steuereinheit 107 kann eingerichtet sein, das Ventil 204 zu öffnen, um den Zwischenraum 207 zwischen dem Kolben 202 und der Kappe 222 mit der Atmosphäre zu verbinden. Andererseits kann das Ventil 204 geschlossen werden, um den Zwischenraum 207 abzuschließen, so dass kein weiteres Fluid, insbesondere keine Luft, in den Zwischenraum 207 gelangen kann.
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Im Rahmen des Betriebs eines Druckers 100 kann der Kolben 202 (z.B. nach dem Einsetzen einer neuen Kartusche 102) in den durch die Kartuschen-Wand 221 gebildeten Hohlraum der Kartusche 102 eingeführt werden, um den Kolben 202 an die Kappe 222 der Kartusche 102 heranzuführen. Der Zwischenraum 207 zwischen dem Kolben 202 und der Kappe 222 kann dabei, insbesondere durch Öffnen des Ventils 204, geöffnet sein, um eine freie Bewegung des Kolbens 202 relativ zu der Kappe 222 zu ermöglichen.
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Nachdem der Kolben 202 an der Kappe 222 platziert wurde, kann für den Druckbetrieb der Zwischenraum 207 gasdicht verschlossen werden, z.B. durch Schließen des Ventils 204. Infolge dessen kann eine Kraft-Kopplung zwischen dem Kolben 202 und der Kappe 222 bewirkt werden. Insbesondere kann so erreicht werden, dass wenn der Kolben 202 von der Kappe 222 weggezogen wird, der sich im Zwischenraum 207 bildende Unterdruck eine entsprechende Bewegung der Kappe 222 bewirkt. Es wird somit in effizienter und zuverlässiger Weise ermöglicht, dass der Kolben 202 sowohl eine Bewegung der Kappe 222 zur Düse 101 hin als auch eine Bewegung der Kappe 222 von der Düse 101 weg bewirken kann. Es wird somit eine verbesserte Steuerung der Extrusion von Druckmasse 108 ermöglicht.
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Zum Ausführen des Kolbens 202 aus einer Kartusche 102 (z.B. um eine andere Kartusche 102 in den Druckkopf 102 einsetzten zu können) kann der Zwischenraum 207 wieder geöffnet werden (z.B. durch Öffnen des Ventils 204). Der Kolben 202 kann dann wieder frei relativ zu der Kappe 222 bewegt werden.
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Der Druckkopf 103 kann eine Pumpe (nicht dargestellt) aufweisen, um vor Schließen des Zwischenraums 207 Fluid (insbesondere Luft) aus dem Zwischenraum 207 herauszupumpen. So kann die Kopplung zwischen dem Kolben 202 und der Kappe 222 weiter verbessert werden.
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Der Druckkopf 120 umfasst somit einen Kolben 202, der in vertikaler Richtung 212 beweglich ist. Des Weiteren weist der Druckkopf 120 eine Kartusche 102 auf, die ggf. ausgewechselt werden kann, die aber für den Druckbetrieb fest mit dem Druckkopf 120 verbunden ist. Der Kolben 202 ist mit einer Kolbenstange 201, insbesondere mit einer Gewindestange, verbunden, wobei die Kolbenstange 201, insbesondere die Gewindestange, von einem Aktuator 110 angetrieben wird, um eine vertikale Bewegung 212 des Kolbens 202 zu ermöglichen. In die Kolbenstange 201 kann ein Luftkanal 203 integriert sein, welcher an einem oberen Ende mit einem Pneumatik-Ventil 204 abgedichtet werden kann. Der Kolben 202 kann mit Hilfe eines Dichtrings 205 luftdicht mit der Kartuschen-Wand 221 abschließen.
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Die Kartusche 102 besteht aus einer Hülle bzw. Kartuschen-Wand 221, einer Düse 101 (auf der Unterseite bzw. der Extrusionsseite 332 der Kartusche 102) und einer Abdeckkappe 222, welche ebenfalls luftdicht mit der Hülle bzw. der Kartuschen-Wand 221 abschließt. In der Kartusche 102 befindet sich das zu extrudierende Lebensmittel bzw. die zu extrudierende Druckmasse 108 (z.B. ein Teig oder Brei, oder ähnliches).
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Das Ventil 204 kann bei dem gesamten Druckvorgang geschlossen bleiben. So kann ein Unterdruck zwischen dem Kolben 202 und der Abdeckkappe 222 der Kartusche 102 bewirkt werden, wenn der Kolben 202 von der Kappe 222 weggezogen wird. Durch diesen Unterdruck kann der Extrusionsfluss des Lebensmittels 108 bei Bedarf zeitweise gestoppt werden. Die Option, den Extrusionsfluss zuverlässig zu stoppen, erhöht die Formgebungsmöglichkeiten für den 3D Druck von Nahrungsmitteln 105.
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Nach Abschluss des Drucks kann das Ventil 204 automatisch geöffnet werden. Somit kann der Kolben 202 zurückgeführt werden, ohne dass die Abdeckkappe 222 und der verbleibende Inhalt der Kartusche 102 mit hinausgesogen werden. Dadurch ist es möglich, eine Kartusche 202, welche während eines Druckprozesses nur teilweise entleert wurde, für einen weiteren Druckprozess zu verwenden. Das Öffnen des Ventils 204 kann automatisch bei Unterbrechung bzw. bei Beendigung des Drucks erfolgen.
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Ein Rezept bzw. Rezeptdaten zur Herstellung eines Nahrungsmittels 105 können anzeigen, an welchen ein oder mehreren Positionen Druckmasse 108 extrudiert werden soll. Des Weiteren können die Mengen an Druckmasse 108 angezeigt werden, die extrudiert werden soll. Es kann somit die Form eines zu druckenden Nahrungsmittels 105 vorgegeben werden. Außerdem können das Rezept bzw. die Rezeptdaten Anweisungen bezüglich der Steuerung des Ventils 204 umfassen. Insbesondere kann anzeigt werden, wann der Zwischenraum 207 geöffnet und/oder geschlossen werden soll.
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Durch die Abdeckung einer Kartusche 102 mit einer Kappe 222 kann gewährleistet werden, dass der Kolben 202 eines Druckkopfes 120 nicht mit der Druckmasse 108 in Kontakt kommt. So können Verunreinigungen eines Druckers 100 zuverlässig vermieden werden. Der in diesem Dokument beschriebene Druckkopf 120 ermöglicht ein kontrolliertes Zurückziehen der extrudierten Druckmasse 108. So können die Formgebungsmöglichkeiten und die Druckqualität eines Nahrungsmitteldruckers 100 erhöht werden. Des Weiteren ermöglichen die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen die Verwendung von Kartuschen 102 für mehrere Druckvorgänge. Insbesondere können Kartuschen 102, die nur teilweise entleert wurden, wiederverwendet werden. So können die Wirtschaftlichkeit eines Nahrungsmitteldruckers 100 erhöht und die Menge an Abfall reduziert werden. Des Weiteren kann so die Flexibilität bei der Herstellung von Nahrungsmitteln 105 erhöht werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Extrudieren von Druckmasse 108 aus einer Kartusche 102, insbesondere um ein Nahrungsmittel 105 zu drucken. Die Kartusche 102 weist eine Kartuschen-Wand 221 auf, die einen zylinderförmigen Hohlraum zur Aufnahme von essbarer Druckmasse 108 umschließt. Dabei kann die Kartuschen-Wand 221 insbesondere einen Kreiszylinder bilden. Eine Stirnfläche des Zylinders kann als Steuerseite 231 und die andere Stirnfläche des Zylinders kann als Extrusionsseite 232 bezeichnet werden. Typischerweise ist die Steuerseite 231 oben und die Extrusionsseite 232 unten angeordnet, wenn die Kartusche 102 in den Druckkopf 120 eines Nahrungsmitteldruckers 100 eingesetzt ist.
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Die Kartusche 102 umfasst an der Steuerseite 231 eine Kappe 222, die entlang der Achse des zylinderförmigen Hohlraums bewegt werden kann, um Druckmasse 108 an der von der Steuerseite 231 abgewandten Extrusionsseite 232 aus der Kartusche 102 zu extrudieren. Die Kappe 222 kann dabei weiter an der Innenseite der Kartuschen-Wand 221 entlang der Achse des zylinderförmigen Hohlraums zu der Extrusionsseite 232 gedrückt werden, um Druckmasse 108 aus der Kartusche 102 (insbesondere aus einer an der Extrusionsseite 232 angeordneten Düse 101 der Kartusche 102) herauszudrücken. Mit abnehmendem Füllstand an Druckmasse 108 in der Kartusche 102 wird dann die Kappe 222 immer weiter von der Steuerseite 231 weg und zu der Extrusionsseite 232 hin bewegt. Die Bewegung der Kappe 222 kann dabei durch den Kolben 202 eines Druckkopfes 120 bewirkt werden.
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Das Verfahren 300 umfasst das Einführen 301 eines Kolbens 202 von der Steuerseite 231 der Kartusche 102 her an die Kappe 222. Der Kolben 222 berührt dabei die Außenseite der Kappe 222, die von der Innenseite der Kappe 222 (die die Druckmasse 108 berührt) abgewandt ist. Der Kolben 202 kann somit auf die Kappe 222 drücken, um die Kappe 222 zu bewegen und um dadurch Druckmasse 108 zu extrudieren.
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Der Kolben 202 und die Kappe 222 sind jeweils ausgebildet, gasdicht mit der Kartuschen-Wand 221 abzuschließen. Zu diesem Zweck können zwischen dem Kolben 202 und der Innenseite der Kartuschen-Wand 221 bzw. zwischen der Kappe 222 und der Innenseite der Kartuschen-Wand 221 Dichtelemente 205 (insbesondere O-Ringe) angeordnet sein.
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Es entsteht dann zwischen dem Kolben 202 und der Kappe 222 ein Zwischenraum 207, der weiter durch die Kartuschen-Wand 221 begrenzt sein. Dieser Zwischenraum 207 kann ein Volumen von nahezu Null aufweisen, wenn der Kolben 202 direkt auf der Außenseite der Kappe 222 aufliegt. Der Zwischenraum 207 kann derart ausgebildet sein, dass der Zwischenraum 207 geöffnet werden kann, so dass Gas in den Zwischenraum 207 bzw. aus dem Zwischenraum 207 strömen kann, und dass der Zwischenraum 207 gasdicht geschlossen werden kann, so dass im Wesentlichen kein Gas in den Zwischenraum 207 und/oder aus dem Zwischenraum 207 strömen kann.
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Beim Einführen 301 des Kolbens 202 kann der Zwischenraum 207 zwischen dem Kolben 202 und der Kappe 222 geöffnet sein. So wird ein Einführen 301 des Kolbens 202 ermöglicht, ohne dass dabei Kräfte auf die Kappe 222 der Kartusche 102 bewirkt werden (durch die Druckmasse 108 aus der Kartusche 102 getrieben werden könnte). Es wird somit eine zuverlässige Positionierung des Kolbens 202 in Vorbereitung auf einen Nahrungsmitteldruck ermöglicht.
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Das Verfahren 300 umfasst ferner das Bewegen 302 des Kolbens 202, um Druckmasse 108 aus der Kartusche 102 zu extrudieren. Dabei kann der Kolben 202 auf die Kappe 222 gedrückt werden, um Druckmasse 108 zu extrudieren. Andererseits kann der Kolben 202 in Richtung zur Steuerseite 231 der Kartusche 102 gezogen werden (typischerweise nach oben), um eine entsprechende Bewegung der Kappe 222 zu bewirken und um dadurch eine Extrusion von Druckmasse 108 rasch und/oder abrupt zu beenden.
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Beim Bewegen 302 des Kolbens 202 kann der Zwischenraum 207 zumindest zeitweise gasdicht geschlossen sein. So kann bewirkt werden, dass bei einer Bewegung des Kolbens 202 in Richtung zur Steuerseite 231 der Kartusche 102 ein Unterdruck in dem Zwischenraum 207 bewirkt wird, der wiederum eine Bewegung der Kappe 222 bewirkt, die der Bewegung des Kolbens 202 entspricht. Es kann somit durch gasdichtes Schließen des Zwischenraums 207 eine Kopplung zwischen Kolben 202 und Kappe 222 bewirkt werden, um eine präzise Steuerung der Bewegung der Kappe 222 und damit der Extrusion von Druckmasse 108 zu ermöglichen.
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Außerdem kann das Verfahren 300 das Herausführen 303 des Kolbens 202 aus dem zylinderförmigen Hohlraum umfassen (z.B. um die Kartusche 102 in einem Druckkopf 120 auszutauschen). Beim Herausführen 303 kann der Zwischenraum 207 geöffnet sein, so dass Gas in den Zwischenraum 207 strömen kann. So können eine komfortable Entnahme und die Wiederverwendung einer Kartusche 102 ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip des vorgeschlagenen Druckers 100, des vorgeschlagenen Druckkopfes 120 und/oder des vorgeschlagenen Verfahrens 300 veranschaulichen sollen.
