一种食用明胶3D打印方法

摘要

本发明公开了一种食用明胶3D打印方法，包括如下步骤：对食用明胶3D打印装备进行加料，再对样件进行打印，控制所述挤出喷嘴移动，使所述挤出喷嘴与所述成型平台制冷板距离为样件一层的厚度，联合驱动X轴电机与Y轴电机，实时调整所述成型平台制冷板位置，控制并实时调整保障挤出喷嘴在成型平台上沉积均匀且准确的线条，根据成型室制冷条件控制三维运动平台及挤出喷嘴实现明胶浆料连续挤出，与相邻线条粘接并即时固化，本发明的打印方法可实现流体浆料的即时固化，使挤出物料具有较高的机械性能，提升了打印产品的质量，有效解决了明胶挤出流淌、坍塌、不连续及挤出滞后等问题，能打印成型复杂结构的弹性产品。

说明书

技术领域

本发明涉及一种食品加工技术及3D打印技术领域，更具体地说，涉及一种 食用明胶3D打印方法。

背景技术

3D打印是迅猛发展的快速成型技术催生而出的一项新兴技术。食品3D打 印可通过数字化设计，以实现精准营养的个性化膳食，越来越受到孕乳妇、婴 幼儿、老年人、肥胖症人、糖尿病人、高血脂病人等特殊人群的广泛青睐。利 用3D打印技术制作不同人群所需的食品，可按照该人群所需的营养素配比进行 原料配置，制定合理的膳食。首先根据该人群营养素比例的需要，合理地制定 规划膳食食谱。将食谱中原料进行处理，使其适用于3D打印过程。然后，根据 该人群所需营养素的质量以及能量，计算得到打印食品的体积。最后，根据体 积建立相应的三维模型，将处理好的原料放入食品3D打印机，同时将建好的三维模型输入食品3D打印机，最终得到该人群所需的营养定制食品，因此食品 3D打印技术在食品制造领域有十分广阔的前景。

热挤出是目前食品3D打印的主流技术，但在3D打印挤出物料时，一般不 对材料加装冷却装置，或简单的用风扇对目标物体吹风，由于热挤出物料的温 度较高且3D打印机箱体内的温度大多高于室温，致使打印的产品需较长时间进 行冷却凝固成型，此外也不具备挤出压力闭环控制、挤前加热温度控制、挤出 快速冷却控制及三者耦合控制能力，所以在打印明胶材料时，由于材料流动性 及可塑性均受温度影响，挤出材料常出现不连续、流淌、坍塌以及挤出滞后等 情况，无法实现复杂结构的立体成形。

因此亟需研究一种能够实现快速、均匀、高质量的3D打印技术，使食用明 胶体系(如明胶、明胶与鱼泥、肉泥复配物)流动态浆料沉积固化成形，提升 挤出物料的机械强度，提升打印产品的成型质量，制造形状更复杂的立体结构。

发明内容

本发明为了解决目前3D打印过程中食用明胶物料加热挤出后机械强度极 低，无法打印出立体性强的复杂结构，挤出材料流淌、坍塌、不连续及挤出滞 后等问题，提供一种食用明胶3D打印方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种食用明胶3D打印方法包括如下步 骤：

步骤S1、对食用明胶3D打印装备进行加料，具体包括：

步骤S11、对明胶体物料进行加热融化；

步骤S12、在成型平台制冷板上放置一干净的物料盘；

步骤S13、控制挤出喷嘴移动至物料盘上方后，降低挤出喷嘴(30)，使挤出 喷嘴与物料盘的盘底接触；

步骤S14、变压活塞上提，露出加料口，并进行加料；

步骤S15、变压活塞下移密封料筒；

步骤S16、打开气压传感器连接阀，移动变压活塞使料筒内压力归零；

步骤S17、控制挤出喷嘴向上提起，并移动到待打印区域，完成加料工序；

步骤S2、食用明胶3D打印装备开始对样件进行打印，具体包括如下步骤：

步骤S21、在成型平台制冷板上铺设一张薄玻璃纸并通过少量水使玻璃纸吸 附在成型平台制冷板上；

步骤S22、待挤出喷嘴加热温度、保温箱内成型室温度以及成型平台制冷板 温度均达到上位机电脑主机的设定值；

步骤S23、控制挤出喷嘴移动，使挤出喷嘴与成型平台制冷板距离为样件一 层的厚度；

步骤S24、联合驱动X轴电机与Y轴电机，实时调整成型平台制冷板位置；

步骤S25、控制并实时调整保障挤出喷嘴在成型平台上沉积均匀且准确的线 条；

步骤S26、根据成型室制冷条件控制三维运动平台及挤出喷嘴(30)实现明胶 浆料连续挤出，与相邻线条粘接并即时固化；

步骤S27、当样件一层打印完毕后，控制挤出喷嘴上移一层厚高度，上位机 电脑主机的控制系统检测制热制冷温度指标达标后方能继续打印；

步骤S3、重复步骤S1和步骤S2，完成整个样件的打印；

步骤S4、待打印完成，各个电机驱动使挤出喷嘴移动至安全位置，完成打 印，通过玻璃纸取出打印样件。

上述食用明胶3D打印装备的打印方法，优选方式下，步骤S1中对所述变 温料筒内的物料进行脱泡处理，具体方法为，待完成加料后，使挤出喷嘴移动 至成型平台制冷板的角落并控制挤出喷嘴压在软硅胶上实现喷嘴密封，变压活 塞移动实现内部负压处理完成脱泡操作。

一种食用明胶3D打印方法，应用一种食用明胶3D打印装备，包括如下步 骤：

步骤S1、对食用明胶3D打印装备进行加料，具体包括：

步骤S11、打印前对明胶体物料进行加热融化并倒入烧杯中；

步骤S12、控制变压活塞下移至料筒底部以排出变温料筒内的空气；

步骤S13、控制挤出喷嘴上提，使挤出喷嘴与成型平台制冷板距离大于烧杯 高度，并将装有流动态物料的烧杯放置在挤出喷嘴下方；

步骤S14、控制挤出喷嘴下移，并浸没在物料中；

步骤S15、挤出喷嘴下移的同时控制变压活塞向上移动，并时刻保持挤出喷 嘴处于浸没状态；

步骤S16、加料充足后，控制挤出喷嘴上移，使挤出喷嘴与成型平台制冷板 的距离大于烧杯高度，取出烧杯；

步骤S17、控制挤出喷嘴向上提起，控制成型平台制冷板移动至挤出喷嘴的 下方的待打印区域完成加料工序；

步骤S2、食用明胶3D打印装备开始对样件进行打印，具体包括如下步骤：

步骤S21、在成型平台制冷板上铺设一张薄玻璃纸并通过少量水使玻璃纸吸 附在成型平台制冷板上；

步骤S22、待挤出喷嘴加热温度、保温箱内成型室温度以及成型平台制冷板 温度均达到上位机电脑主机的设定值；

步骤S23、控制挤出喷嘴移动，使挤出喷嘴与成型平台制冷板距离为样件一 层的厚度；

步骤S24、联合驱动X轴电机与Y轴电机，实时调整成型平台制冷板位置；

步骤S25、控制并实时调整保障挤出喷嘴在成型平台上沉积均匀且准确的线 条；

步骤S26、根据成型室制冷条件控制三维运动平台及挤出喷嘴实现明胶浆料 连续挤出，与相邻线条粘接并即时固化；

步骤S27、当样件一层打印完毕后，控制挤出喷嘴上移一层厚高度，上位机 电脑主机的控制系统检测制热制冷温度指标达标后方能继续打印；

步骤S3、重复步骤S1和步骤S2，完成整个样件的打印；

步骤S4、待打印完成，各个电机驱动使挤出喷嘴移动至安全位置，完成打 印，通过玻璃纸取出打印样件。

上述食用明胶3D打印装备的打印方法，优选方式下，步骤S1中对变温料 筒内的物料进行脱泡处理，具体方法为，待完成加料后，使挤出喷嘴移动至成 型平台制冷板的角落并控制挤出喷嘴压在软硅胶上实现喷嘴密封，变压活塞移 动实现内部负压处理完成脱泡操作。

本发明的打印方法可实现流体浆料的即时固化，使挤出物料具有较高的机 械性能，提升了打印产品的质量，有效解决了明胶挤出流淌、坍塌、不连续及 挤出滞后等问题，能打印成型复杂结构的弹性产品。

附图说明

图1是本发明打印装备打印流程示意图。

图2是本发明打印装备打印步骤S1的详细流程示意图。

图3是本发明打印装备打印步骤S2的详细流程示意图。

图4是本发明打印装备打印步骤S1的另一种方式详细流程示意图。

图5是本发明3D打印装备整体结构示意图。

图6是本发明3D打印装备正视图。

图7是本发明3D打印装备打印区结构示意图。

图8是本发明3D打印装备挤出单元结构示意图。

图9是本发明3D打印装备挤出单元结构A部示意图。

图10是本发明实施例中3D打印牛皮明胶体蜂窝结构示意图。

图11是本发明实施例中3D打印牛皮明胶体蜂窝结构细节示意图。

图12是本发明实施例中3D打印鲟鱼鱼皮明胶及鲟鱼泥复配材料圆柱体结 构示意图。

图13是本发明实施例中3D打印鲟鱼鱼皮明胶及鲟鱼泥复配材料圆柱体结 构细节示意图。

图中：1、保温箱，2、成型平台制冷板，3、变温料筒，4、气压传感器连 接阀，5、气压传感器，6、Z轴丝杠，7、多通道PID控制器，8、电机驱动器， 9、固态继电器，10、直流电源，11、运动控制器，12、总机开关，13、急停开 关，14、成型室温度传感器，15、成型室壁挂制冷板，16、U轴丝杠，17、变 压活塞，18、Y轴丝杠，19、成型平台制冷板循环冷却液管道，20、制冷压缩 机，21、X轴丝杠，22、制冷液循环泵，23、Z轴电机，24、U轴电机，25、Y 轴电机，26、X轴电机，27、不锈钢料筒，28、硅胶加热筒，29、保温套，30、 挤出喷嘴，31、料筒温度传感器。

具体实施方式

本发明一种食用明胶3D打印装备、控制系统及打印方法。如图1～图3所 示，食用明胶3D打印装备即是一种食用明胶变压热挤出与低温成型耦合控制的 3D打印装备，包括变压变温挤出单元、数控传动单元、挤出制冷单元以及控制 箱。

挤出制冷单元包括保温箱1，保温箱1设有箱门，保温箱1内正对箱门的一 侧固定装有成型室壁挂制冷板15，保温箱1内一侧安装成型室温度传感器14， 保温箱1内底部装有制冷压缩机20，制冷压缩机20与制冷液循环泵22相连接， 制冷液循环泵22安装在保温箱1内底部，制冷液循环泵22上固定装有第一支 撑板，第一支撑板上装有数控传动单元，所述保温箱1为可视化保温箱，可实 现打印过程可视化的同时降低实验环境对成形室温度的影响。

如图5所示，数控传动单元包括X轴电机26，X轴电机26的旋转端固定 安装X轴丝杠21，X轴丝杠21的另一端通过轴承转动连接在第一轴承座上， 第一轴承座安装在第一支撑板上，X轴丝杠21上装有可沿X轴丝杠21移动的 X轴丝母，X轴丝母上固定装有第二支撑板，X轴丝杠21的两侧对称安装两个 X轴导向柱，每个X轴导向柱分别由两个支撑座固定在第一支撑板上，每个X 轴导向柱上滑动连接一个导向柱支撑块，导向柱支撑块固定在第二支撑板的下 平面上。

第二支撑板上靠近保温箱1箱门的一侧固定安装一个Y轴电机25Y轴电机 25的旋转端固定安装Y轴丝杠18，Y轴丝杠18与X轴丝杠12在水平方向互相 垂直，Y轴丝杠18的另一端通过轴承转动连接在第一轴承座上，第二轴承座安 装在第二支撑板上，Y轴丝杠18上装有可沿Y轴丝杠18移动的Y轴丝母，Y 轴丝母上固定装有成型平台制冷板2，Y轴丝杠18的两侧对称安装两个Y轴导 向柱，每个Y轴导向柱分别由两个支撑座固定在第二支撑板上，每个Y轴导向 柱上滑动连接一个导向柱支撑块，导向柱支撑块固定在成型平台制冷板2的下 平面上，成型平台制冷板2内装有成型平台温度传感器，成型平台制冷板2的 一侧装有冷却管，冷却管通过成型平台制冷板循环冷却液管道19与制冷液循环 泵22相连接。

第一支撑板上相对于保温箱1的箱门一侧竖直安装一条传送槽，传送槽内 垂直安装一条导轨，导轨上滑动连接滑块，滑块上固定安装U轴电机24，U轴 电机24内穿接一条U轴丝杠16，U轴丝杠16的两端固定在传送槽的上下两端， U轴电机24上固定安装Z轴连接架，Z轴连接架的自由端上平面装有变压变温 挤出单元。

如图7所示，变压变温挤出单元包括支撑架，支撑架安装在Z轴连接架的 自由端上平面，连接架的自由端下平面装有变温料筒3，支撑架上端设有通孔， 支撑架上安装Z轴电机23，Z轴电机23内穿设Z轴丝杠6，Z轴丝杠6的另一 端穿过Z轴连接架并安装变压活塞17，变压活塞17置于变温料筒3内，变压活 塞17的活塞杆上装有气压传感器连接阀4，气压传感器连接阀4通过导管连接 气压传感器5，气压传感器5安装在支撑架的一侧。

如图8所示，变温料筒3包括不锈钢料筒27，不锈钢料筒27外侧套接硅胶 加热筒28，硅胶加热筒28外侧套接保温套29，保温套29下平面螺接挤出喷嘴 30，挤出喷嘴30的另一端穿设在不锈钢料筒27内，保温套29上安装料筒温度 传感器31，料筒温度传感器31的测温端穿过保温套29与硅胶加热筒28连接在 不锈钢料筒27外侧。

如图5所示，控制箱安装在保温箱的顶端，控制箱前侧装有总机开关12、 急停开关13以及多通道PID控制器7，控制箱内安装直流电源10，直流电源与 固态继电器9连接，固态继电器9分别与多通道PID控制器7、电机驱动器8 以及运动控制器11连接。

如图5所示，成型平台制冷板2内有密排水路，并采用循环冷却液制冷方 式。

U轴电机24以及Z轴电机23均为精密丝杠贯通式电机。

如图9所示，变压活塞17的活塞杆为中空结构，气压传感器连接阀4与中 空结构连接。

上述食用明胶3D打印装备的控制系统，即是一种食用明胶变压热挤出与低 温成型耦合控制的3D打印控制系统，包括PID加热控制单元、PID压力控制单 元、PID制冷控制单元、3D打印轨迹运动及耦合控制单元以及上位机电脑；

PID加热控制单元包括PID温控器、固态继电器9、使用220V交流电的硅 胶加热筒28、料筒温度传感器31，PID温控器设置在多通道PID控制器7内， PID温控器通过485总线与上位机电脑主机双向连接并实时通讯，PID温控器通 过485总线与料筒温度传感器31连接，并读取温度传感器反馈的温度模拟信号， 传输至上位机电脑主机，PID温控器通过485总线与固态继电器连接，固态继电 器9与硅胶加热筒28连接，上位机电脑把数字信号传递给PID温控器，PID温 控器根据设定的温度值通过固态继电器9控制硅胶加热筒28的通断电。

PID压力控制单元包括PID压力控制器、电机驱动器8、运动控制器11、 气压传感器5，PID压力控制器设置在多通道PID控制器7内，PID压力控制器 通过485总线与上位机电脑主机双向连接并实时通讯，PID压力控制器通过485 总线与气压传感器5连接，并接收气压传感器5接收的压力模拟信号，再传递 到上位机电脑主机，PID压力控制器与运动控制器11连接，并根据上位机电脑 主机接收的压力值向运动控制器11传递数字信号，运动控制器11与电机驱动 器8连接，电机驱动器8与Z轴电机23连接，并传递控制数字信号来驱动Z轴 电机23以控制变压活塞17在料筒内的运动速度与距离；

PID制冷控制单元包括PID温度控制器、固态继电器9、制冷压缩机20、 成型室壁挂制冷板15、成型平台制冷板2、制冷液循环泵22、成型室温度传感 器14、成型平台温度传感器，PID温度控制器设置在多通道PID控制器7内， PID温度控制器通过485总线与上位机电脑主机双向连接并实时通讯，PID温度 控制器通过485总线分别与成型室温度传感器14和成型平台温度传感器连接， 并接收成型室温度传感器14和成型平台温度传感器反馈的温度模拟信号，再传 递给上位机电脑主机，PID温度控制器与固态继电器9连接，固态继电器9分别 与制冷压缩机20、成型室壁挂制冷板15、成型平台制冷板2、制冷液循环泵22 连接，PID温控器根据上位机电脑主机设定的温度值向对应的固态继电器9传递 数字信号，以控制制冷压缩机20、成型室壁挂制冷板15、成型平台制冷板2和 制冷液循环泵22的工作；

3D打印轨迹运动及耦合控制单元包括多轴连续插补运动控制和压力、加热、 制冷、XY插补运动耦合控制，上位机电脑主机接收PID压力控制器及PID温度 控制器反馈的压力模拟信号及温度模拟信号，上位机电脑主机的控制程序将运 动轨迹数据G代码进行逐行拆解，并根据材料的流动性、工艺实验、筒内压力 及算法修改挤出喷嘴30移动时对应的挤出运动代码，上位机电脑主机再通过对 应的挤出运动代码向运动控制器11传递数字信号，运动控制器11与电机驱动 器8连接，电机驱动器8分别与X轴电机26和Y轴电机25连接，并传递数字 控制信号。

电机驱动器8根据运动控制器11传递数字信号向Z轴电机23传递挤出量 的实时补偿数字控制信号。

如图1～图3所示，上述食用明胶3D打印装备的3D打印方法，结合上述发 明装备及控制系统对该方法的实现步骤如下：

步骤S1、对食用明胶3D打印装备进行加料，具体包括：

步骤S11、对明胶体物料进行加热融化；

步骤S12、在成型平台制冷板2上放置一干净的物料盘；

步骤S13、控制挤出喷嘴30移动至物料盘上方后，降低挤出喷嘴30，使挤 出喷嘴30与物料盘的盘底接触；

步骤S14、变压活塞上提，露出加料口，并进行加料；

步骤S15、变压活塞17下移密封料筒；

步骤S16、打开气压传感器连接阀4，移动变压活塞使料筒内压力归零；

步骤S17、控制挤出喷嘴30向上提起，并移动到待打印区域，完成加料工 序；

步骤S2、食用明胶3D打印装备开始对样件进行打印，具体包括如下步骤：

步骤S21、在成型平台制冷板2上铺设一张薄玻璃纸并通过少量水使玻璃纸 吸附在成型平台制冷板2上；

步骤S22、待挤出喷嘴30加热温度、保温箱1内成型室温度以及成型平台 制冷板2温度均达到上位机电脑主机的设定值；

步骤S23、控制挤出喷嘴30移动，使挤出喷嘴30与成型平台制冷板2距离 为样件一层的厚度；

步骤S24、联合驱动X轴电机26与Y轴电机25，实时调整成型平台制冷 板2位置；

步骤S25、控制并实时调整保障挤出喷嘴30在成型平台上沉积均匀且准确 的线条；

步骤S26、根据成型室制冷条件控制三维运动平台及挤出喷嘴30实现明胶 浆料连续挤出，与相邻线条粘接并即时固化；

步骤S27、当样件一层打印完毕后，控制挤出喷嘴30上移一层厚高度，上 位机电脑主机的控制系统检测制热制冷温度指标达标后方能继续打印；

步骤S3、重复步骤S1和步骤S2，完成整个样件的打印；

步骤S4、待打印完成，各个电机驱动使挤出喷嘴30移动至安全位置，完成 打印，通过玻璃纸取出打印样件。

步骤S1中对变温料筒3内的物料进行脱泡处理，具体方法为，待完成加料 后，使挤出喷嘴30移动至成型平台制冷板2的角落并控制挤出喷嘴30压在软 硅胶上实现喷嘴密封，变压活塞17移动实现内部负压处理完成脱泡操作。

如图1、图4所示，一种食用明胶3D打印方法，其特征在于，应用一种食 用明胶3D打印装备，包括如下步骤：

步骤S1、对食用明胶3D打印装备进行加料，具体包括：

步骤S11、打印前对明胶体物料进行加热融化并倒入烧杯中；

步骤S12、控制变压活塞17下移至料筒底部以排出变温料筒3内的空气；

步骤S13、控制挤出喷嘴30上提，使挤出喷嘴30与成型平台制冷板2距离 大于烧杯高度，并将装有流动态物料的烧杯放置在挤出喷嘴30下方；

步骤S14、控制挤出喷嘴30下移，并浸没在物料中；

步骤S15、挤出喷嘴30下移的同时控制变压活塞17向上移动，并时刻保持 挤出喷嘴30处于浸没状态；

步骤S16、加料充足后，控制挤出喷嘴30上移，使挤出喷嘴30与成型平台 制冷板2的距离大于烧杯高度，取出烧杯；

步骤S17、控制挤出喷嘴向上提起，控制成型平台制冷板2移动至挤出喷嘴 30的下方的待打印区域完成加料工序；

如图3所示，步骤S2、食用明胶3D打印装备开始对样件进行打印，具体 包括如下步骤：

步骤S21、在成型平台制冷板2上铺设一张薄玻璃纸并通过少量水使玻璃纸 吸附在成型平台制冷板2上；

步骤S22、待挤出喷嘴30加热温度、保温箱1内成型室温度以及成型平台 制冷板2温度均达到上位机电脑主机的设定值；

步骤S23、控制挤出喷嘴30移动，使挤出喷嘴30与成型平台制冷板2距离 为样件一层的厚度；

步骤S24、联合驱动X轴电机26与Y轴电机25，实时调整成型平台制冷 板2位置；

步骤S25、控制并实时调整保障挤出喷嘴30在成型平台上沉积均匀且准确 的线条；

步骤S26、根据成型室制冷条件控制三维运动平台及挤出喷嘴30实现明胶 浆料连续挤出，与相邻线条粘接并即时固化；

步骤S27、当样件一层打印完毕后，控制挤出喷嘴30上移一层厚高度，上 位机电脑主机的控制系统检测制热制冷温度指标达标后方能继续打印；

步骤S3、重复步骤S1和步骤S2，完成整个样件的打印；

步骤S4、待打印完成，各个电机驱动使挤出喷嘴30移动至安全位置，完成 打印，通过玻璃纸取出打印样件。

步骤S1中对变温料筒3内的物料进行脱泡处理，具体方法为，待完成加料 后，使挤出喷嘴30移动至成型平台制冷板2的角落并控制挤出喷嘴30压在软 硅胶上实现喷嘴密封，变压活塞17移动实现内部负压处理完成脱泡操作。

本发明提供一种食用明胶3D打印方法，在打印过程中，实现了挤出温度、 挤出压力、成型室温度、成型平台温度以及轨迹运动速度的耦合控制。极大提 升了高水分含量的食用明胶物料的3D打印可行性。通过耦合控制，可以实现该 材料系由热流态到冷固态的精确控制，即可实现流体浆料的即时固化，使挤出 物料具有较高的机械性能，提升了打印产品的质量，有效解决了明胶挤出流淌、 坍塌、不连续及挤出滞后等问题，能打印成型复杂结构的弹性产品。

实施例1

如图5～图8所示，本发明提供一种食用明胶变压热挤出与低温成型耦合控 制的3D打印装备，所述3D打印装备主要由变压变温挤出单元、数控传动单元、 制冷成型单元组成。

如图8所示，变压变温挤出单元包括变温料筒3、变压活塞17、挤出喷嘴 30，其中，变温料筒3为外部被控温硅胶加热筒28包覆的不锈钢筒27，其整体 被保温套29包覆，可以有效降低加热温度对成型室的影响，提升料筒内加热效 果，保持腔内材料的流动特性，有利于保证成型质量；变压力活塞由中心通孔 的活塞杆17、气压传感器5、Z轴电机23驱动的Z轴丝杠6组成，Z轴电机23 驱动Z轴丝杠6竖直升降，带动变压活塞17对变温料筒3内物料进行正压和负 压操作，由于变压活塞17的活塞杆为特制的带有通孔，且配合了相应气动转接头，可以实现将变温料筒3内的压力通过活塞杆的中心通孔传递至气压传感器5 并实现数据采集，通过控制系统除实现变温料筒3内压力的精准控制外，还可 对腔内压力进行动态检测与控制，进而改变挤出参数，提升打印质量。实际应 用方面该机构在实现加热的同时，一方面可在成形前对挤出喷嘴30密封并通过 负压操作对物料进行脱泡处理，另一方面可在成形过程中根据物料的流动状态 实时调整挤出压力，以解决挤出不连续以及挤出滞后的问题。

挤出喷嘴30根据不同材料的特性，具有不同出料口径规格，常用的尺寸规 格为0.8-3mm，其中最为常用的为1mm，其尺寸也可根据实际需求进行改造， 与不锈钢料筒27采用螺纹连接，便于替换。

数控传动单元是装配在工作平台上的由精密丝杠传动轴组成的水平竖直模 组，具体包括用于水平方向运动的相互垂直的X轴丝杠21和Y轴丝杠18挤出 轴Z轴丝杠以及竖直方向运动的U轴丝杠16，所有丝杠轴的运动均由电机驱动， 其中成型平台固定在XY轴组合滑块上，变压变温挤出单元固定在U轴丝杠16 的滑块上。

挤出制冷单元包括可视化保温箱1、成型室壁挂制冷板15及成型平台制冷 板2。其中，可视化保温箱1的主要功能是可实现打印过程可视化的同时降低实 验环境对成形室温度的影响，同时还可收纳打印机机械装备及制冷板，为打印 成型件提供了良好的保存环境；由于食用明胶浆料的含水量是其重要指标，本 发明采用壁挂制冷板15对保温箱内成形室进行制冷，所以，在制冷的同时避免 了常用的吹风制冷会导致水分快速散失的问题，保障了材料含水量这一重要成 型指标。成型平台温度低有助于保障初期打印质量，本发明为了避免多次打印 而造成的平台温度失衡，提高打印效率，采用循环冷却液制冷对内有密排水路 的成型平台2进行制冷。

实施例2

如图5～图10所示，本实施提供一种食用明胶基材变压热挤出与低温成型耦 合控制的3D打印控制系统，的3D打印控制系统包括PID加热控制单元、PID 压力控制单元、PID制冷控制单元、3D打印轨迹运动及耦合控制单元。

PID加热控制单元包括可485通讯多通道PID控制器7内的PID温控器、 固态继电器9、220V交流硅胶加热筒28、料筒温度传感器31，其中，PID温控 器可与上位机电脑主机实时通讯，读取温度传感器反馈的温度信号，传输至上 位机，并可通过上位机观测及设置。PID温控器根据设定的温度值通过固态继电 器9控制硅胶加热筒28的通断电，实现对不同打印情况的动态加热控制。

PID压力控制单元包括可485通讯的多通道PID控制器7内的PID压力控 制器、电机丝杠运动控制器11、气压传感器4，其中，压力控制器4可与上位 机电脑主机实时通讯，读取气压传感器5反馈的压力信号，传输至上位机，并 可通过上位机观测及设置。PID压力控制器根据设定的压力值调节电机丝杠运动 控制器11控制变压活塞17在变温料筒3内的运动速度与距离，实现压力控制。

PID制冷控制单元包括可485通讯多通道PID控制器7内的PID温度控制 器、固态继电器9、制冷压缩机20、成型室壁挂制冷板15、成形室温度传感器 14、制冷液循环泵22、成型平台制冷板2及料筒温度传感器31，其中，PID温 控器可与上位机电脑主机实时通讯，读取成型室温度传感器14及料筒温度传感 器31分别反馈的温度信号，传输至上位机，并可通过上位机观测及设置，PID 温控器根据成型室及成型平台设定的温度值分别通过对应的固态继电器9控制 制冷压缩机20及制冷液循环泵22的工作，实现成型室及成型平台的制冷控制。

3D打印轨迹运动及耦合控制单元包括多轴连续插补运动控制及压力、加热、 制冷、XY插补运动耦合控制，基于多通道PID控制器7内的PID温度控制器采 集的压力值及温度值，通过上位机控制程序将运动轨迹数据G代码进行逐行拆 解，并根据材料的流动性、工艺实验、筒内压力及算法修改加工件在XY轴移 动时对应的挤出轴挤出运动代码，再通过运动控制器11实现挤出量的实时补偿， 并且可以实现挤出头在XY轴插补运动开始前挤料及XY轴插补运动终止前关 料，以减少其他因素对成型的不利影响，提升成型稳定性。

实施例3

本实施提供一种食用明胶基材变压热挤出与低温成型耦合控制的3D打印 方法，具体实现步骤如下，

1、加料：加料方式有上加料和下加料两种方式。其中上加料方式是，在打 印前对明胶体物料进行加热(水浴加热40～50℃)融化。在平台上放置一干净的 物料盘，运动控制器控制挤出头移动至物料盘内，使U轴丝杠16下降至初始位 置即使挤出喷嘴与盘底接触，然后使变压活塞17上提，露出加料口并进行加料， 加料结束后，变压活塞17下移不锈钢料筒27，喷嘴会有少量液体溢出，再控制 变压活塞17移动将压力归零，运动控制器11控制U轴电机驱动使挤出喷嘴30 提起，X轴丝杠21与Y轴丝杠18控制成型平台制冷板2移动到挤出喷嘴30下 方的待打印区域完成加料工序，下加料方式是，在打印前对明胶体物料进行加 热融化并倒入烧杯中，运动控制器11控制变压活塞17下移至料筒27底部，排 出料筒27内的空气，然后控制U轴电机24驱动并上提，使挤出喷嘴30与成型 平台制冷板2距离大于烧杯高度，并将装有流动态物料的烧杯放置在挤出喷嘴 30下方。运动控制器11控制U轴电机24驱动并下移，使挤出喷嘴30浸没在 物料中，同时控制U轴电机24驱动并下移和Z轴丝杠6上升耦合控制，保持喷 嘴始终浸没状态，直至抽料结束。待加料充足后，控制U轴电机24驱动提升使 喷嘴与成型平台高度大于烧杯高度，取出烧瓶，完成加料过程，根据实际需求 可选择对不锈钢料筒27内的物料进行脱泡处理，具体方法为待完成加料后，运 动控制器11控制挤出喷嘴30移动至成型平台的角落并下降U轴电机24使其压 在软硅胶上实现喷嘴密封，变压活塞17移动实现内部负压处理完成脱泡操作。

2、打印：在成型平台上喷洒少量雾化水，然后铺设一张薄玻璃纸，可使玻 璃纸吸附在成型平台上。待挤出头加热温度、成型室温度以及成型平台温度均 达到设定值后，运动控制系统控制U轴电机24驱动使挤出喷嘴30移动，使其 与成型平台制冷板2距离为一单位层的厚度，X轴电机26与Y轴电机25按当 前层代码进行运动，与此同时Z轴电机23根据压力反馈进行实时调整保障挤出 头在成型平台上沉积均匀且准确的线条，并根据成型室制冷条件闭环控制XYZ 轴上的电机驱动使成型平台制冷板2运动，实现明胶浆料连续挤出，与相邻线 条粘接相融并即时固化。当一层打印完毕后，U轴电机驱动并上移一单位层厚 高度，同时对打印条件进行约束，控制系统检测制热制冷温度指标达标后方能 继续打印。重复上述工序，完成整个样件的打印。

3、结束：待打印完成，各轴电机驱动使成型平台制冷板2和挤出喷嘴30 移动至安全位置，完成打印，通过玻璃纸取出打印样件。

实施例4：

如图10、图11所示，为了进一步验证本发明的可行性及有益性，采用牛皮 明胶材料进行实验验证，采用上加料方式进行打印，配制5-10wt％的明胶溶液， 喷嘴直径0.8-2.0mm，物料加热温度40-45℃，成型室温度4-8℃，成型平台温度 3-5℃，打印速度5-10mm/s，采用上述3D打印装备、控制系统及打印方法，分 别打印直径为40mm高度12mm、直径为50mm高度12mm的明胶蜂窝结构。

实施例五：

图12、图13所示，为了进一步验证本发明的可行性及有益性，采用鲟鱼鱼 皮明胶及鲟鱼泥复配材料进行上加料方式的3D打印验证，其中鲟鱼鱼皮明胶占 水比重5-10wt％，复配材料中鱼泥占明胶溶液比重为60wt％，喷嘴直径 0.4-2.0mm，物料加热温度30-40℃，成型室温度4-8℃，成型平台温度3-5℃， 打印速度5-10mm/s，采用上述3D打印装备、控制系统及打印方法，打印直径 为30mm高度20mm的鲟鱼源明胶鱼泥圆柱体结构，成功的打印出了外壁光滑 柱状鱼源明胶鱼泥复配产品。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。