ES2960056A1 - Dispositivo y metodo de impresion 3d con posprocesado termico por microondas - Google Patents

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Civera José Manuel Catalá
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Abstract

Dispositivo y método de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas. La invención se refiere a un método de impresión 3D de productos como alimentos, composiciones farmacéuticas y cosméticas con posprocesado térmico por microondas y a un dispositivo que emplea dicho método. La invención permite tratar térmicamente de manera localizada y controlada un producto 3D (100) a medida que se imprime. El método comprende las etapas de deposición de material, en una o varias capas, y, a continuación, de aplicación de una cantidad predeterminada de energía microondas en campo próximo en una o varias partes del material depositado. Estas etapas pueden repetirse para construir un producto 3D (100). El dispositivo de impresión 3D comprende un aplicador de microondas en campo próximo capaz de depositar una cantidad predeterminada de energía microondas de manera localizada.

Description

DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO Y MÉTODO DE IMPRESIÓN 3D CON POSPROCESADO TÉRMICO POR
MICROONDAS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención pertenece al campo de la impresión 3D, y se refiere a un método de impresión 3D de productos como alimentos, composiciones farmacéuticas y cosméticas con posprocesado térmico por microondas y a un dispositivo que emplea dicho método.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La tecnología de impresión tridimensional (3D), creada en los años ochenta, se desarrolló para imprimir materiales como plástico, metal y cemento. Entre las tecnologías, se encuentra la de fabricación aditiva por extrusión, en la que el material, tras pasar por un cabezal extrusor, se deposita capa por capa para formar un objeto tridimensional.
La aplicación de la impresión 3D a los alimentos es un campo reciente en fase aún experimental pero prometedor, que permite fabricar productos reduciendo o evitando la manipulación de los alimentos, con composiciones y formas especiales y personalizadas, aumentando el atractivo, facilitando su ingestión a personas con problemas digestivos, y contribuyendo al tratamiento de enfermedades, entre otros beneficios.
Si bien se ha logrado una gran precisión en la deposición de alimento, uno de los desafíos principales que surgen en la impresión 3D de alimentos se relaciona con la estabilización de la mezcla de alimento una vez depositada fuera del cabezal extrusor. Este problema dificulta la capacidad de garantizar una forma impresa fiel y estable, ya que existe un riesgo permanente de colapso. Mediante la aplicación de energía de manera selectiva a unas partes del alimento, se puede estabilizar la estructura, cocinarlo e inducir reacciones químicas que mejoren, por ejemplo, su sabor.
Una solución existente consiste en aplicar un haz de luz láser al alimento. La luz láser calienta de manera selectiva una parte del alimento, consiguiendo los objetivos anteriores. Sin embargo, el láser calienta principalmente la superficie del alimento, lo que puede llevar a una sobrecocción o incluso a quemaduras en esa área, mientras que el interior del alimento puede permanecer crudo. Además, la conductividad térmica del alimento puede influir en la velocidad con la que transmite la temperatura al interior.
Otra solución existente emplea radiación microondas. El alimento se imprime dentro de una cámara de apantallamiento que confina la radiación microondas en el interior de esta. La radiación microondas se aplica o bien tras extruir alimento a todo el alimento o al producto o a una parte relativamente grande de éste, o bien en el momento de la extrusión. Estos métodos no permiten la aplicación de energía microondas de forma diferencial y localizada ajustando la porción irradiada y la energía depositada en función de las necesidades de estabilización estructural y de las características nutritivas.
Los inconvenientes anteriores también pueden surgir en la aplicación de la impresión 3D de composiciones farmacéuticas, cosméticas y en general a cualquier producto que requiera una estabilización estructural o un tratamiento térmico mediante la aplicación de energía térmica de manera localizada y regulable.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención descrita en esta memoria pretende solucionar al menos algunos de los problemas anteriores proporcionando un método y un dispositivo de impresión 3D que emplean la aplicación de radiación microondas en campo próximo por ondas evanescentes (acortado en esta memoria a "radiación microondas en campo próximo”). Esta radiación se desvanece en distancias pequeñas, permitiendo la aplicación de energía en ubicaciones precisas, pequeñas y locales, sin afectar al resto del producto impreso. Ventajosamente, gracias al alcance relativamente pequeño de la radiación microondas en campo próximo, no es necesario que el alimento esté en una cámara de apantallamiento, lo cual aligera el dispositivo y permite observar el alimento con más flexibilidad mientras se imprime y se trata.
Se describe a continuación el dispositivo de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas objeto de la invención.
El dispositivo, que crea y trata mediante radiación microondas en campo próximo un producto 3D alimenticio, comprende:
-una base que sostiene el producto 3D que se crea,
-un módulo extrusor,
-un módulo de irradiación de microondas en campo próximo,
-un mecanismo de desplazamiento, y
-un controlador.
La base se sitúa preferentemente horizontal y define un plano de referencia. Se definen dos direcciones X e Y perpendiculares entre ellas y contenidas en el plano de referencia. También se define un eje Z que es perpendicular al plano de referencia. En una realización, la base está dotada de un calefactor que la calienta a una temperatura predeterminada para mejorar la impresión del producto, por ejemplo, aumentando la fijación a la base y facilitando el despegado del producto terminado.
En una realización, el módulo extrusor incorpora una unidad de impulsión y un cabezal situados contiguos y comunicados. En otra realización, el módulo extrusor solo incorpora un cabezal comunicado con una unidad de impulsión situada separada físicamente en otra ubicación del dispositivo mediante un tubo.
La unidad de impulsión impulsa alimento cargado en un depósito de la unidad de impusión hacia el cabezal por donde sale un filamento de alimento que forma el producto 3D. La unidad de impulsión impulsa el alimento mediante cualquier dispositivo conocido por el experto técnico, como un cilindro de aire comprimido o un tornillo extrusor.
En una realización, para lograr un control más fino de la extrusión de alimento y por tanto de la impresión, el cabezal está provisto en su interior de un tornillo extrusor o de una bomba peristáltica que permiten regular de manera más precisa el avance y el retroceso del alimento durante la impresión del producto 3D.
En una realización, el módulo extrusor incorpora un dispositivo de enfriamiento y de calentamiento que enfría y calienta el alimento que lo atraviesa para formar el producto 3D a una temperatura predeterminada. Concretamente, el dispositivo de enfriamiento y de calentamiento es capaz de mantener el alimento entre 4°C y 70°C según las necesidades de impresión. De este modo, se mejora la facilidad de impresión y la calidad del producto 3D porque la temperatura de extrusión afecta considerablemente las propiedades del alimento extruido.
El módulo extrusor y la base son desplazables entre ellas de manera controlada para construir el producto 3D según una secuencia de instrucciones del método.
El módulo de irradiación de microondas en campo próximo comprende una sonda o antena en campo próximo. La sonda está conectada a un generador de microondas situado fuera del módulo de irradiación de microondas en campo próximo mediante un cable. La sonda aplica radiación microondas en campo próximo localizada en una parte del producto 3D ya impreso según una secuencia predeterminada de instrucciones del método.
En una realización, la sonda es un aplicador coaxial que está abierto por un extremo al exterior por el que la sonda radia las microondas en campo próximo.
En una realización, el aplicador coaxial, que comprende un conductor central, puede extender o retraer el conductor central, modificando de este modo la resolución de la radiación microondas en campo próximo. En otra realización, el conductor central es fijo en el aplicador coaxial.
En una realización, el dispositivo comprende además un carro común en el que están montados el módulo extrusor y el módulo de irradiación, de modo que cuando el carro común se desplaza, los dos módulos se desplazan a la vez. En otra realización, el dispositivo comprende un carro de extrusor sobre el que está montado el módulo extrusor y un carro de irradiador sobre el que el módulo de irradiación de microondas en campo próximo está montado, de modo que los desplazamientos de los módulos son independientes.
En una realización, el mecanismo de desplazamiento comprende unos carriles que permiten el desplazamiento del carro o los carros en los ejes X e Y y el desplazamiento de la base en el eje Z. En otra realización, el mecanismo de desplazamiento permite el desplazamiento del carro o de los carros en los ejes X y Z y el desplazamiento de la base en el eje Y. Los módulos pueden desplazarse por el mismo carril de eje X o cada módulo puede desplazarse por un carril de eje X individual.
Los desplazamientos se pueden realizar por cualquier modo conocido en el campo de la impresión 3D, como correas que empujan los carros o unos carros motorizados con ruedas lisas o dentadas.
El controlador genera una secuencia de órdenes para los módulos, la base si está calefactada, el tornillo extrusor o la bomba peristáltica del cabezal y el mecanismo de desplazamiento motorizado de modo que el dispositivo construya el producto 3D.
Seguidamente, se describe el método de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas que comprende la siguiente secuencia de pasos:
-un primer paso de depositar una cantidad de alimento sobre la base, en una o varias capas superpuestas, según una trayectoria predeterminada y,
-a continuación, atendiendo a las necesidades de estabilidad estructural, nutritivas, higiénicas, etc., un segundo paso de aplicar una cantidad establecida de radiación microondas en campo próximo a una o unas partes de la o las capas sin afectar al resto del alimento depositado.
La deposición de alimento (o material en general) y la irradiación con microondas en campo cercano se determinan según una secuencia de instrucciones generadas a partir de un modelo 3D del producto 3D que se va a fabricar. Las instrucciones se cargan en el controlador, que las convierte en órdenes de desplazamientos de los módulos, calefacción de la base y de activación y desactivación del módulo de irradiación de microondas en campo próximo, además de cualquier otro elemento susceptible de ser controlado.
De este modo, se consigue un tratamiento térmico preciso, ajustable y rápido, depositando energía no solo en la superficie sino también en el interior del alimento, permitiendo construir una forma deseada con una estabilidad suficiente, adaptarse a los diferentes tipos de alimentos y tratar un volumen de alimento de manera simultánea.
El producto se puede crear en una sola deposición o en capas superpuestas que se han precalculado mediante métodos conocidos en el campo de la impresión 3D.
Para productos más complejos o voluminosos, los pasos primero y segundo anteriores se repiten sucesivamente en el mismo orden para crear secuencialmente un producto 3D mediante capas. Gracias a la aplicación ajustable de radiación microondas en campo próximo en las partes necesarias, se logra la consolidación rápida, precisa, de gran resolución y gradual del producto a medida que se imprime. La aplicación de la radiación microondas de manera selectiva a diferentes partes de cada capa en función de la composición del alimento y de las necesidades estructurales del producto permite generar productos de gran complejidad en la geometría, el material y las propiedades estructurales, nutritivas y organolépticas.
En la descripción anterior se expone el método y el dispositivo para su aplicación en impresión 3D de alimentos. En este caso, se puede conseguir, entre otros efectos, la pasteurización, el secado, el cocinado, la fusión de grasa, la gelificación en caliente, la desnaturalización proteica, las transiciones de fases, la mejora de bioaccesibilidad de nutrientes y reacciones químicas como la de Maillard. No obstante, el alcance de la invención no se limita a alimentos y también se puede aplicar a aquellas sustancias que requieran un tratamiento térmico con las exigencias mencionadas anteriormente tras su deposición, como composiciones farmacéuticas, cosméticas y aplicaciones industriales que el experto en la materia podrá determinar de manera evidente.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista frontal de una realización preferente del dispositivo de la invención.
Figura 2.- Muestra una vista frontal del módulo extrusor de la realización preferente del dispositivo mientras imprime un producto 3D.
Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva del módulo de irradiación de microondas en campo próximo de la realización preferente del dispositivo.
Figura 4.- Muestra un corte trasversal del módulo de irradiación de microondas en campo próximo de la realización preferente del dispositivo.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación, se describen una realización preferente del método de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas y un dispositivo capaz de implementar el método.
Haciendo referencia a las figuras 1 a 4, el dispositivo de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas comprende:
-una base (1) que sostiene un producto 3D (100) que se fabrica,
-un carro de base,
-un módulo extrusor (2),
-un carro de extrusor (3),
-un módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4),
-un carro de irradiador (5),
-un mecanismo de desplazamiento, y
-un controlador.
La base (1) está situada horizontal y define un plano de referencia. Se definen dos direcciones X e Y perpendiculares entre ellas y contenidas en el plano de referencia. También se define un eje Z que es perpendicular al plano de referencia.
El módulo extrusor (2) comprende un cabezal. Además, se proporciona una unidad de impulsión (30) situada fuera del módulo extrusor (2). El cabezal comprende dispuesta en un extremo de salida una boquilla (20). El módulo extrusor (2) también incorpora un dispositivo de enfriamiento y de calentamiento que enfría y calienta el alimento que lo atraviesa para formar el producto 3D (100) a una temperatura predeterminada. Concretamente, el dispositivo de enfriamiento y de calentamiento es una célula Peltier capaz de mantener el alimento entre 4°C y 70°C según las necesidades de impresión. De este modo, se mejora la facilidad de impresión del producto 3D (100).
La unidad de impulsión (30) comprende un pistón motorizado y un cilindro conectado con el módulo extrusor (2) mediante un tubo flexible. El movimiento del pistón motorizado se realiza mediante aire comprimido. El pistón motorizado propulsa un alimento previamente cargado en el cilindro hacia el cabezal, por cuya boquilla (20) sale un filamento de alimento que forma el producto 3D (100). El módulo extrusor (2) y la base (1) son desplazables entre sí de manera controlada para construir el producto 3D (100) según una secuencia de instrucciones del método.
El módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4) comprende una sonda o antena con un conector acoplado a la sonda. La sonda está conectada a un generador de microondas situado fuera del módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4) mediante un cable acoplado al conector. La sonda aplica radiación microondas en campo próximo localizada en una parte del producto 3D (100) según una secuencia predeterminada de instrucciones del método.
Como se observa en la figura 4, la sonda es un aplicador coaxial que está abierto al exterior por un extremo (6) por el que la sonda radia las microondas en campo próximo. El aplicador coaxial comprende un conductor central (10) cuya posición es fija en el módulo.
El módulo extrusor (2) está montado en el carro de extrusor (3) y el módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4) está montado en el carro de irradiador (5), de modo que los desplazamientos de los módulos (2, 4) son independientes. La base (1) está montada sobre el carro de base. Los carros están motorizados mediante unos motores paso a paso.
El mecanismo de desplazamiento comprende unos carriles a los que están acoplados los carros de extrusor (3) y de irradiador (5) y el carro de base. Concretamente, los carros de extrusor (3) y de irradiador (5) se desplazan por unos carriles dispuestos según los ejes X y Z, referenciados por los números 8 y 9 respectivamente. El carro de base se desplaza por unos carriles dispuestos en el eje Y. El carro de extrusor (3) y el carro de irradiador (5) se desplazan por un mismo carril de eje X (8). A su vez, el carril de eje X (8) está montado sobre dos carriles de eje Z (9) paralelos y situados a ambos lados de la base (1) y por los que el carril de eje X (8) se desplaza.
El controlador genera, a partir de un modelo 3D del producto 3D (100) que se va a fabricar, una secuencia de órdenes que comunica a los módulos (2, 4) (extrusión e irradiación), a los motores de los carros (3, 5, 7) (movimientos), al dispositivo de enfriamiento y de calentamiento (temperatura) y a la base (1) (calefacción) de modo que el dispositivo construya el producto 3D (100) fiel al modelo 3D.
El método de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas para construir un producto 3D (100) previamente modelado por capas a partir del modelo 3D comprende la siguiente secuencia de pasos:
1. - Depositar una cantidad de alimento en una capa según una secuencia predeterminada de movimientos.
2. - Aplicar una cantidad de energía predeterminada de radiación microondas en campo próximo en unas partes predeterminadas de la capa.
3. - Repetir la secuencia de los pasos 1 y 2 hasta depositar y tratar con microondas todas las capas del producto 3D (100).
La primera capa se deposita sobre la base (1). Las sucesivas capas se depositan superpuestas una encima de la anterior.
El módulo extrusor (2), coordinado con la unidad de impulsión (30), deposita la cantidad de alimento del paso 1. Terminado este paso, el módulo extrusor (2) se aleja de la capa depositada, y se activa el módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4), irradiando unas partes predeterminadas (o toda la capa en su caso) de la capa desplazándose hasta estas, logrando una gran precisión en la localización y la energía depositada. Para simplificar la determinación de la secuencia de los movimientos del módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4), este repite la misma secuencia que el módulo extrusor (2). Terminada la irradiación, el módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4) se retira y se activa el módulo extrusor (2), repitiendo la secuencia de pasos para imprimir y tratar la siguiente capa.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. - Un dispositivo de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas que es capaz de fabricar un producto 3D (100), y comprende:
-una base (1) destinada a sostener el producto 3D (100) que se fabrica,
-un módulo extrusor (2) configurado para extruir una cantidad predeterminada de material que forma el producto 3D (100),
-un mecanismo de desplazamiento que mueve la base (1) y el módulo extrusor (2) según una secuencia predeterminada de desplazamientos,
-un controlador que genera una secuencia predeterminada de órdenes para los módulos (2, 4) y el mecanismo de desplazamiento a partir de un modelo 3D del producto 3D (100),
caracterizado por que comprende además un módulo de irradiación de microondas en campo próximo (4) que comprende una sonda configurada para aplicar microondas en campo próximo a unas partes predeterminadas del producto 3D (100) que se fabrica, y es desplazable por el mecanismo de desplazamiento.
2. - El dispositivo de impresión 3D de la reivindicación 1, en el que la sonda es un aplicador coaxial abierto al exterior por un extremo (6) del mismo y por el que la sonda radia microondas en campo próximo.
3. - El dispositivo de impresión 3D de la reivindicación 2, en el que el aplicador coaxial comprende un conductor central (10) que se puede extender y retraer modificando la resolución de la radiación microondas en campo próximo.
4. - El dispositivo de impresión 3D de la reivindicación 1, en el que
-el mecanismo de desplazamiento comprende unos carriles de eje X (8), de eje Y (9) y de eje Z que definen cada uno unas direcciones de desplazamiento X, Y y Z,
-el dispositivo de impresión 3D comprende adicionalmente unos carros motorizados (3, 5, 7) en los que están acoplados los módulos (2, 4) y la base (1), y están montados con facultad de desplazamiento sobre los carriles de eje X (8), de eje Y (9) y de eje Z según las direcciones X, Y y Z.
5. - El dispositivo de impresión 3D de la reivindicación 1, en el que
-el módulo extrusor (2) comprende un cabezal por el que sale material que forma el producto 3D (100) y,
-el cabezal comprende un tomillo extrusor o una bomba peristáltica destinado a controlar el flujo de material que forma el producto 3D (100) según la secuencia predeterminada de órdenes que genera el controlador.
6. - El dispositivo de impresión 3D de la reivindicación 1, en el que el módulo extrusor (2) comprende un dispositivo de enfriamiento y de calentamiento que enfría y calienta a una temperatura predeterminada controlada por el controlador el material que atraviesa el módulo extrusor para formar el producto 3D (100).
7. - Un método de impresión 3D con posprocesado térmico por microondas implementado por un dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado por que comprende la siguiente secuencia de pasos:
-un primer paso de depositar una cantidad de material sobre la base (1), en una o varias capas superpuestas, según una trayectoria predeterminada,
-un segundo paso de aplicar una cantidad establecida de radiación microondas de campo próximo a una o unas partes de la o las capas sin afectar al resto de la cantidad de material depositado.
8. - El método de impresión 3D de la reivindicación 7, en el que la secuencia del primer y del segundo pasos se repiten para crear un producto 3D (100) mediante capas.
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