基于3D打印技术的食品打印设备、方法及控制系统与流程

本发明涉及3D打印领域，尤其是一种基于3D打印技术的食品打印设备、食品打印方法及控制系统。

背景技术：

近年来，基于3DP、SLA、SLS等技术的3D打印设备不断更新，新式清洗头、机构等新器件也推陈出新。新器件、新材料的不断涌现，同时推动了3D打印技术的快速发展。人们开始研究使用可食用材料进行3D打印，研发可以将食物打印出来的3D食物打印机。

如授权公告号为CN204070482U的发明专利公开了一种多材料食品3D打印装置，包括食材储存罐、输气管、空气控制阀、加热保温装置、空气压缩机、空气过滤器、材料注射系统和食品烹饪系统，所述食材储存罐通过所述输气管依次与所述空气控制阀、空气过滤器和空气压缩机连接在一起，所述加热保温装置安装在所述食材储存罐上，所述食材储存罐与所述材料注射系统连接，所述材料注射系统与所述食品烹饪系统连接，所述食品烹饪系统是一种由烤箱板和烤箱门组成的烤箱。该种3D打印装置通过输气管将食材送到材料注射系统对食品进行打印，相对于该种3D打印机不能对多种食材原料进行混合、加工处理，只能进行连续式的简单输送、叠加，无法实现对多种食材原料进行混合、加工处理，如复合口味的糕点、蛋糕等需要多到工序加工的食品，现有的食品3D打印装置无法完成。

技术实现要素：

本发明实施例提供基于3D打印技术的食品打印设备、打印方法及控制系统，其主要目的是解决3D打印机不能对多种食材原料进行复杂加工处理，只能进行简单的输送叠加打印等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于3D打印技术的食品打印设备，包括原料储存单元、3D打印单元、物料输送单元，其特征在于：还包括原料处理单元、原料反应单元和控制器，所述原料储存单元藉由物料输送单元与原料处理单元、原料反应单元和3D打印单元连接，所述原料处理单元藉由物料输送单元与原料反应单和3D打印单元连接，所述控制器与原料储存单元、原料反应单、3D打印单元、物料输送单元和原料处理单元信号连接。

优化的，原料处理单元包括至少一个动态反应釜，动态反应釜内设有原料处理装置，该原料处理装置为加热装置、冷却装置、加气装置、搅拌装置、打发装置中的任意一种或多种。

优化的，3D打印单元包括多轴机械手和打印机构，该打印机构藉由多轴机械手带动移动。

优化的，打印机构包括用于颗粒物料移动的机械手、用于液态物料移动的打印头、用于固态物料移动的吸盘中的一种或多种。

优化的，物料输送单元包括输送管道、设置于输送管道上的动力元件和控制阀。

优化的，还包括用于对打印后的成品进行急速降温的急冷单元，该急冷单元设置于3D打印单元处。

优化的，还包括自动清洗单元，所述自动清洗单元包括清洗头、清洗液输送系统和控制阀，该清洗头设置于原料储存单元和原料处理单元中，清洗液输送系统与清洗头连接，控制阀设置于清洗液输送系统上，该清洗液经由清洗头喷出并最终由3D打印单元排出。

基于3D打印技术的食品打印方法，其特征在于：使用权利要求1-8中任意一项所述的基于3D打印技术的食品打印设备，打印步骤如下：

步骤1，配料，控制器根据打印食品所需的原料清单，选择相应原料储存单元，每一原料储存单元中存放一种原料，且原料为颗粒、糊状或液态的；

步骤2，原料处理，控制器根据打印食品所需的工艺，通过物料输送单元将目标原料按配比送入相应的原料处理单元，原料处理单元对引入的原料进行加热、冷却、搅拌、打发、静态混合等处理；

步骤3，原料组合处理，根据打印食品所需的工艺，选择与原料反应单元连接的原料储存罐、原料处理单元，物料引入原料反应单元后进行静态混合，静态混合后的原料根据打印工艺返回步骤2或进入步骤4；

步骤4，打印输出，控制器根据打印食品所需的工艺，选择与3D打印单元连接的原料储存单元、原料处理单元、原料反应单元，根据打印食品所需的3D数据模型，3D打印单元将3D数据模型图分解为若干平面的叠加，通过原料的层层叠加，最终打印出造型丰富的立体食品。

进一步的，根据权利要求8所述的基于3D打印技术的食品打印方法，其特征在于：步骤4中3D打印单元输出的原料可以为原始原料、原料处理单元处理后的原料、原料反应单元反应后的原料中的一种、多种或其组合。

基于3D打印技术的食品打印控制系统，其特征在于：使用权利要求1-8任意一项所述的食品打印设备，其控制器包括云端存储模块、动作控制模块和原料检测模块和提示模块；

云端存储模块，存储原料信息及食品生产的工艺控制信息，并向动作控制模块传输；

动作控制模块，与食品打印设备的各个单元连接，并控制各个单元协同动作实现食品打印；

原料检测模块，与原料存储单元和/或原料处理单元连接，并将检测数据反馈至云端存储模块中；

提示模块安装于食品打印设备的各个单元上，并对各个单元工作状态进行检测，检测信息反馈至动作控制模块中。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明提供的基于3D打印技术的食品打印设备及打印方法，可通过原料储存单元、原料处理单元和原料反应单元对原料进行组合，通过食品打印方法、配料、原料处理、打印输出及清洗等步骤打印出多种食物，满足不同物料、口感、颜色等组合需求，此外本发明提供的控制系统可对3D打印设备的打印工艺进行编程控制，满足食品打印的个性化定制需求，同时根据云端数据存储将定制信息与打印工艺同时共享给接入云端的3D打印设备，实现打印工艺的更新、自我学习。

附图说明

图1为基于3D打印技术的食品打印设备的结构示意图。

图2为基于3D打印技术的食品打印设备原料储存单元的结构示意图。

图3为基于3D打印技术的食品打印设备原料处理单元的结构示意图

图4为基于3D打印技术的食品打印设备3D打印单元的结构示意图

图5为基于3D打印技术的食品打印设备的工作流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1至图5所示，基于3D打印技术的食品打印设备，包括原料储存单元1、原料处理单元2、原料反应单元3、物料输送单元4、急冷单元5、3D打印单元6、自动清洗单元7；

原料储存单元1包括储料仓11、配料计量装置12，该配料计量装置12设置于储料仓11上；

原料处理单元2包括动态反应釜21、原料处理装置22和动态计量装置，动态反应釜21设有多个，根据工艺需要在动态反应釜内21设置原料处理装置22，该原料处理装置22为热装置、冷却装置、加气装置、搅拌装置、打发装置中的任意一种，实现对物料的加热、冷却、加气、搅拌、打发等动态处理，动态计量装置安装于动态反应釜21上，用于检测由原料处理单元2输出的物料重量；

原料反应单元3包括静态混合器和反应计量装置；

物料输送单元4包括输送管道41、设置于输送管道上的动力元件42和控制阀43，该输送管道41将相对应的储料仓11、动态反应釜2、反应釜31和3D打印单元连接，动力元件42设置于输送管道上41用于对输送管道内提供压力，控制阀43与配料计量装置12、动态计量装置和动态计量装置联动；

急冷单元5与3D打印工作腔连接，用于对部分成品进行急冷，该急冷单元可使用如液氮冷却器；

3D打印单元6包括多轴机械手61和打印机构62，该打印机构62藉由多轴机械手61带动移动，打印机构包括用于颗粒物料移动的机械手、用于液态物料移动的打印头、用于固态物料移动的吸盘中的一种或多种；

自动清洗单元7包括清洗头71和与清洗头71连接的供水系统72，该清洗头71安装于储料仓11、原料处理单元中，由于清洗头71中喷出的水通过原料储存单元1、动态反应釜2、静态混合器3、物料输送单元4后由3D打印单元中喷出。

参照图1至图5所示，基于3D打印技术的食品打印方法，其特征在于：使用上述的基于3D打印技术的食品打印设备，打印步骤如下：

步骤1，配料，控制器根据打印食品所需的原料清单，选择相应原料储存单元，每一原料储存单元中存放一种原料，且原料为颗粒、糊状或液态的；

步骤2，原料处理，控制器根据打印食品所需的工艺，通过物料输送单元将目标原料按配比送入相应的原料处理单元，原料处理单元对引入的原料进行加热、冷却、搅拌、打发、静态混合等处理；

步骤3，原料组合处理，根据打印食品所需的工艺，选择与原料反应单元连接的原料储存罐、原料处理单元，物料引入原料反应单元后进行静态混合，静态混合后的原料根据打印工艺返回步骤2或进入步骤4；

步骤4，打印输出，控制器根据打印食品所需的工艺，选择与3D打印单元连接的原料储存单元、原料处理单元、原料反应单元，根据打印食品所需的3D数据模型，3D打印单元将3D数据模型图分解为若干平面的叠加，通过原料的层层叠加，最终打印出造型丰富的立体食品；

步骤5，清洗，完成一类食品打印流程，准备进行下一类食品打印步骤前，自动清洗单元将根据配方对比筛选出两类食品中待清洗单元并对以上单元进行清洗，防止食品的成分差异对最终成品造成影响；完成一个工作周期作业关机后将对全系统进行清洗。

基于3D打印技术的食品打印控制系统，使用上述的食品打印设备，其控制器包括云端存储模块、动作控制模块和原料检测模块和提示模块；

云端存储模块，存储原料信息及食品生产的工艺控制信息，并向动作控制模块传输；

动作控制模块，与食品打印设备的各个单元连接，并控制各个单元协同动作实现食品打印；

原料检测模块，与原料存储单元和/或原料处理单元连接，并将检测数据反馈至云端存储模块中；

提示模块安装于食品打印设备的各个单元上，并对各个单元工作状态进行检测，检测信息反馈至动作控制模块中。

具体实施例一：

配方产品实施类(以打印牛油果慕斯蛋糕为例)：

步骤1，配料，云端存储模块根据牛油果慕斯蛋打印所需的原料清单，选择芝士/砂糖/牛奶/蛋黄/吉利丁片/淡奶油/牛油果(去皮去核)/水所在的原料储存单元，原料为颗粒、糊状或液态的；

步骤2，原料处理，动作控制模块控制各个单元协同动作，

2.1吉利丁片与水送入原料反应单元中进行混合；

2.2芝士与糖送入原料处理单元搅拌并加热至融化，后将2.1加入并搅拌；

2.3牛奶及蛋黄送入原料处理单元搅拌加热，后将2.1加入并搅拌；

2.4牛油果加牛奶进入原料处理单元搅拌，加热至沸腾，将2.3加入后混合，降温至25-30℃；

2.5淡奶油进入原料处理单元打发至湿性发泡(约8成花)，加入2.4中均匀混合；

步骤3，原料组合处理，根据打印食品所需的工艺，选择与原料反应单元连接的原料储存罐、原料处理单元，物料引入原料反应单元后进行静态混合，静态混合后的原料根据打印工艺返回步骤2或进入步骤4；

步骤4，打印输出，动作控制模块选择与3D打印单元连接的原料处理单元进行打印，动作控制模块控制物料输送单元将反应单元2.5中的物料送入3D打印单元中，吸盘通过机械手定位将一层蛋糕胚放置于目标位置，打印头将步骤2.5的物料(即牛油果慕斯)均匀涂抹于蛋糕胚上，再次运用吸盘将一层蛋糕胚放置于慕斯涂层上，打印头再次涂抹一层慕斯；机械手抓取颗粒物料撒布于慕斯蛋糕表面或夹层，完成后通过急冷单元降温；

步骤5，清洗，完成食品打印流程，自动清洗单元将根据配方对比筛选出两类食品中待清洗单元并对以上单元进行清洗，防止食品的成分差异对最终成品造成影响；完成一个工作周期作业关机后将对全系统进行清洗。

具体实施例二：

定制食品类(非特殊需求人群日常早餐为例)：

步骤1，配料，云端存储模块根据用户身体参数(历史记录或实时采集)及用户录入信息(口味及数量等主动选择项)生成匹配客户个体状况的定制式配方，选择配方目标原料所在的原料储存单元，原料为颗粒、糊状或液态的；

步骤2，原料处理，动作控制模块控制各个单元协同动作，完成配方中物料处理过程；

步骤3，原料组合处理，根据打印食品所需的工艺，选择与原料反应单元连接的原料储存罐、原料处理单元，物料引入原料反应单元后进行静态混合，静态混合后的原料根据打印工艺返回步骤2或进入步骤4；

步骤4，打印输出，动作控制模块选择与3D打印单元连接的原料处理单元进行打印，动作控制模块控制物料输送单元将反应单元中的物料送入3D打印单元中，吸盘/打印头/机械手通过定位分别将配方中的固态/液态/颗粒物料放置于目标位置，部分配方需通过急冷单元降温；

步骤5，清洗，完成食品打印流程，自动清洗单元将筛选出待清洗单元并对以上单元进行清洗，防止食品的成分差异对最终成品造成影响；完成一个工作周期作业关机后将对全系统进行清洗。

此处用细节来描述本申请的主题以满足法定要求。然而，该描述本身并非旨在限制本专利的范围。相反，发明人设想所要求保护的所针对的还可结合其他当前或未来技术按照其他方式来具体化，以包括不同的步骤或类似于本文中所描述的步骤组合。此外，尽管术语“步骤”和/或“框”可在此处用于指示所采用的方法的不同元素，但除非而且仅当明确描述了各个步骤的顺序时，该术语不应被解释为意味着此处公开的各个步骤之中或之间的任何特定顺序。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述特征或动作或上述动作的次序。更具体而言，所描述的特征和动作是作为实现权利要求书的示例形式而公开的。本申请可具体化为其它具体形式而不背离其精神或本质特征。所描述的实施例在所有方面都应被认为仅是说明性而非限制性的。因此，本申请的范围由所附权利要求书而非前述描述指示。落入权利要求书的等效方案的含义和范围内的所有改变都被权利要求书的范围所涵盖。