[0001] 本发明涉及一种3D打印设备，尤其是一种糖画3D打印机。

[0002] 糖画是我国古老而又独特的传统民间艺术，2008年被确立为非物质文化遗产。传统的糖画技术常常依赖口述或文字记录的方式流传，手工艺类非物质文化遗产的独特性集中体现在精神文化特质。传统手工艺人将熬煮后的糖浆绘制在石板上，待糖液凝固即可得到不同图案的糖画，制作的糖画多为平面造型，立体糖画需要拼接，耗费时间长，且对手工艺人的技术要求颇高，尤其近些年传统手工人的数量大幅降低，限制了糖画的发展和弘扬。传统的糖画产品的制作由艺人依赖丰富的经验手工制作，不仅样式简单陈旧、更新滞后，而且制作速度慢、十分不卫生。

[0003] 3D打印机，又称三维打印机，是实现物品快速成型工艺的自动化设备，其特点是能够直接根据计算机图形数据来生成物体，广泛应用于零部件制造、食品制造等领域。近年来，3D打印机在食品制造行业获得了广泛的应用，特别是糖画打印。糖画3D打印机根据糖画制作工艺，需要首先对固体糖进行预熔化，其次为保证糖画造型和口感，需要对出口温度进行精确控制。

[0004] 申请号为CN202222370320.9的中国实用新型专利提出了一种防堵塞的3D打印机喷头，包括安装板，所述安装板正下方设有输料管，所述输料管上表面开设有两个对称分布的进料孔，所述输料管下端安装设有喷头，所述输料管内设有防堵塞机构；该实用新型中环形分布的加热丝可提高输料管内的温度，通过防堵塞机构的搅拌件的搅拌来放置堵塞，但是存在有输料管储存量小、喷嘴内部无法防止堵塞的问题。

[0005] 申请号为CN202222370329.X的我国实用新型专利公开了一种新型打印机喷嘴装置，包括安装板，所述安装板下表面设有输料管，所述输料管下端设有喷嘴，所述安装板下表面同喷嘴间设有防护机构；本实用新型中拉动止动杆，可直接推动推杆，推杆将推动与之固定连接的防护块进行移动，两个防护块间通过移动块与两个齿板连接，两个齿板呈对角分布啮合设置在齿轮的两端，从而当其中一个防护块移动时，可直接驱动另一防护块进行移动，从而使得两个防护块同时相向移动，通过防护槽对喷嘴下端进行夹持防护，但是该实用新型存在有未设置糖存储机构、无法解决糖画食品打印过程中的喷嘴堵塞的问题。

[0028] 参见图1～图6，本发明的一种糖画3D打印机，其特征是，包括电机2；所述电机的输出端上设置有活塞13，所述活塞13上设置有用于将固体的糖料加热液化成糖液的活塞加热部4；所述活塞加热部4设置于用于放置糖料的糖仓14之内；所述活塞加热部4与活塞温控电路板3相连接；所述活塞4上设置有加热活塞温度传感器；加热活塞温度传感器设置在活塞上，在本发明的附图中未示出。所述加热活塞温度传感器与活塞温控电路板3相连接；所述加热活塞温度传感器测量糖仓内糖液的糖仓糖液温度Tc并将糖仓糖液温度Tc发送给活塞温控电路板3和电机控制电路板10；由活塞温控电路板3根据糖仓参考温度Tc0与加热活塞温度传感器所测糖仓实际温度Tc之间的误差信号Tce和流速‑加热活塞校准温度信号Tcj，控制活塞加热部4来调整糖仓糖液温度Tc，构成糖仓糖液温度Tc闭环控制循环；所述糖仓14的下部与糖液喷头的上端部相连接，糖液喷头的下端部设有用于喷出糖液的喷嘴8；所述喷嘴8上还设置有喷嘴加热测温组件15，所述喷嘴加热测温组件15包括用于测量进入喷嘴的糖液的喷嘴糖液温度Tz的喷嘴温度传感器17；所述喷嘴温度传感器17测量喷嘴糖液温度Tz并将喷嘴糖液温度Tz发送给喷嘴加热测温组件15和电机控制电路板
10；喷嘴加热测温组件15根据喷嘴参考温度Tz0与喷嘴温度传感器17实测温度Tz之间的误差信号Tce和流速‑喷嘴校准温度Tzj，控制喷嘴加热单元151来调整喷嘴糖液温度Tz，构成喷嘴糖液温度Tz闭环控制循环；
所述电机控制电路板10获取糖仓糖液温度Tc和喷嘴糖液温度Tz，并根据糖仓糖液温度Tc和喷嘴糖液温度Tz调整活塞对糖仓糖液的压力进而控制喷嘴处的糖液流速v，根据糖液流速v与温度关系模型产生流速‑加热活塞校准温度控制信号Tcj和流速‑喷嘴校准温度控制信号Tzj，将流速‑加热活塞校准温度控制信号Tcj反馈送给活塞温控电路板，将流速‑喷嘴校准温度控制信号Tzj反馈送给喷嘴加热测温组件15，构成喷嘴的糖液流速v闭环控制循环。

[0029] 具体实施时，所述糖仓14包括用于观察所述糖仓之内的糖料的料位的玻璃观察窗5。

[0030] 具体实施时，所述电机2上设置有保护外壳1。

[0031] 具体实施时，所述保护外壳1还设置有用于为电机散热的散热通风口9。

[0032] 具体实施时，所述电机2通过电机固定基座11固定于所述保护外壳1之内。

[0033] 所述电机2、活塞温控电路板3、电机控制电路板10和电机电机固定基座11均设置于保护外壳内腔中。散热通风口9位于保护外壳的侧壁上，使得保护外壳内外的空气能够相互流通，从而实现散热的目的。具体实施时，还可根据实际需要在散热通风口9处设置散热风扇，进一步提高散热性能，降低电机、活塞温控电路板3、电机控制电路板10等的工作温度，确保各个组件的工作稳定可靠性。所述糖仓14固定于所述保护外壳的下部，并使得与电机输出端相连接的螺纹丝杆12伸入至糖仓14内腔中。所述螺纹丝杆12的下端部设置有活塞和活塞加热部，活塞和活塞加热部均位于所述糖仓的内腔中。所述活塞的外周面与所述糖仓的内壁面相配合，构成气缸活塞式的运动机构，通过活塞挤压糖仓内腔中的糖液。

[0034] 具体实施时，所述糖仓14的下端部设置有与所述糖液喷头相连接的连接口6。

[0035] 具体实施时，所述糖液喷头的上端部设有连接头61；所述连接头的下端设置有用于为从连接头进入糖液喷头的糖液散热的散热部7；所述喷嘴加热测温组件15位于散热部的下方，喷嘴8位于所述糖液喷头的最下端。

[0036] 糖液喷头包括从上至下依次连接的四个部分：连接头61、散热部7、喷嘴加热测温组件15和喷嘴8。所述连接头61与糖仓的连接口6相匹配连接，从而将糖液喷头固定于所述糖仓下端，使得糖液能够从糖仓内流入糖液喷头之内。

[0037] 具体实施时，所述喷嘴温度传感器17设置于所述喷嘴加热测温组件15上；所述喷嘴温度传感器17上连接有喷嘴温度传感器导线16。

[0038] 具体实施时，所述喷嘴温度传感器17嵌入在所述喷嘴加热测温组件15的外壳上。

[0039] 具体实施时，所述电机的输出端通过螺纹丝杆12与所述活塞13相连接。

[0040] 根据糖画打印工艺中糖的大容量存储与预熔化需求，针对现有3D打印机喷头装置无预加热并存储机构，本发明提供了一种能够实现糖液温度的精准控制、使得糖液的喷出速度保持稳定可控的状态的糖画3D打印机。

[0041] 电机2的保护外壳1左右两侧开有散热通风口9。电机2通过电机固定基座11固定在保护外壳1之内。糖仓14上部与保护外壳1下部连接，活塞13和螺纹丝杆12的下半部分位于糖仓14内部。与糖仓14密封连接的活塞与糖仓内壁接触。螺纹丝杆12下部连接所述活塞13。活塞下部设置有活塞加热部4，用于加热活塞和糖仓内的糖料，将固体糖料融化为液态粘稠状的糖液。螺纹丝杆12穿过电机中部。螺纹丝杆12通过螺纹与电机输出端的螺母或者其他螺纹结构件相互啮合，从而通过电机控制螺纹丝杆12沿着其轴向进行直线运动。

[0042] 糖仓14下部通过糖仓内部的连接口6与糖液喷头的连接头61相互连接，从而将糖液喷头紧固于糖仓的下方，从将糖液从糖仓内通过活塞挤压进入糖液喷头中。喷嘴送料管道至下而上依次穿过喷嘴加热测温组件15、散热部7与连接头61，喷嘴送料管道最下方的末端与喷嘴8连接，从连接头61处将糖仓内的糖液输送至喷嘴8，从喷嘴8喷出。

[0043] 电机2的侧壁连接有活塞温控电路板3。电机2上部与电机控制电路板10连接。

[0044] 喷嘴加热测温组件15包括喷嘴温度传感器17和喷嘴温度传感器导线16，喷嘴温度传感器17嵌入在喷嘴加热测温组件15的外壳上。喷嘴加热测温组件15包括喷嘴加热单元151和喷嘴温度传感器17。喷嘴加热单元151设置于喷嘴加热测温组件15的外壳之内，喷嘴送料管道从喷嘴加热单元151之内穿过。

[0045] 在电机2的保护外壳1上开有散热通风口9，以保障电机2运行期间的产生的热量能够及时散出，避免电机出现过热而发生故障。必要时，可在散热通风口9设置散热风扇。具体实施时，可在其中一个散热通风口9设置进风扇，另外一个散热通风口9设置出风扇，如此能够在保护外壳内形成快速的空气对流对保护外壳内的电机和电路板进行降温，保障电机和电路板稳定运行。

[0046] 在糖画打印机运行期间，电机控制电路板10通过接收程序指令驱动电机2旋转，从而通过与电机输出端连接的螺母或其他或者其他螺纹结构件驱动螺纹丝杆向下运动，挤压存储与糖仓内的已熔化的糖液。

[0047] 本发明的整体温度控制流程图如附图6所示。

[0048] 1、糖仓糖液温度Tc闭环控制循环中，包括如下过程。

[0049] （1）初始状态时，加入的糖料为固体状态，活塞温控电路板通过接收主程序信号（糖仓参考温度Tc0）驱动活塞加热部4发热，以熔化固态糖，将糖料融化成粘稠状的糖液。糖仓用于存储预加热的糖料和糖液。通过活塞挤压，已熔化的糖液通过糖仓连接口6与喷嘴组件的连接头61的连接处的开口进入喷嘴送料管道，进而将糖液送入喷嘴8。

[0050] （2）然后，活塞加热部4加热活塞的过程由活塞温控电路板根据糖仓参考温度Tc0和两个反馈信号进行温度控制。活塞温控电路板接受糖仓参考温度Tc0与加热活塞温度传感器所测糖仓实际温度Tc之间的误差信号Tce和流速‑加热活塞校准温度信号Tcj，进行更加精准的二次控温。

[0051] 2、喷嘴糖液温度Tz闭环控制循环中，包括如下过程。

[0052] （1）初始状态时，喷嘴加热单元151接收主程序信号（喷嘴参考温度Tz0），对喷嘴进行加热。

[0053] （2）糖液进入喷嘴后，在糖液从喷嘴8挤出之前，为保证糖液具有精确的出口温度，喷嘴加热测温组件15根据喷嘴参考温度Tz0与喷嘴温度传感器17实测温度Tz之间的误差信号Tze和流速‑喷嘴校准温度Tzj，控制喷嘴加热单元151来调整喷嘴糖液温度Tz，，构成喷嘴糖液温度Tz闭环控制循环。

[0054] 散热部7用于保障从糖仓进入输料管道的流体状态糖液不会具有过高的温度，糖液的过高温度将导致无法在喷嘴糖液温度Tz闭环控制循环处实现喷嘴8的出口温度的精准闭环控制。

[0055] 喷嘴加热单元151接收喷嘴参考温度Tz0与喷嘴温度传感器的实测温度Tz之间的误差信号Tze，并结合糖液流速v与温度关系模型计算的流速‑喷嘴校准温度Tzj，使其融合流速信息与参考温度信息进行更加精准的喷嘴糖液温度Tz控温。

[0056] 3、糖液流速v闭环控制循环中，包括如下过程。

[0057] 所述电机控制电路板10获取糖仓糖液温度Tc和喷嘴糖液温度Tz，并根据糖仓糖液温度Tc和喷嘴糖液温度Tz调整活塞对糖仓糖液的压力进而控制喷嘴处的糖液流速v，根据糖液流速v与温度关系模型产生流速‑加热活塞校准温度控制信号Tcj和流速‑喷嘴校准温度控制信号Tzj，将流速‑加热活塞校准温度控制信号Tcj反馈送给活塞温控电路板，将流速‑喷嘴校准温度控制信号Tzj反馈送给喷嘴加热测温组件15，构成喷嘴的糖液流速v闭环控制循环。

[0058] 电机控制电路板10接受喷嘴温度传感器17实测温度Tz和加热活塞温度传感器所测糖仓实际温度Tc，用以调节电机转动速度，从而调节挤出速度，控制糖出口流速，从而实现了糖液流速v闭环控制循环，与糖仓糖液温度Tc闭环控制循环和喷嘴糖液温度Tz闭环控制循环两个小闭环温度控制构成本发明的整体温度控制大循环。

[0059] 糖液流速v与温度关系模型中，温度为喷嘴糖液温度Tz。所述喷嘴糖液温度Tz除与流速v有关外，还与环境温度Te相关，将其函数关系表示为如下式子（1）。

[0060] （1）上式（1）中，Te为环境温度。环境温度Te可以外加传感器直接测量。通常环境温度Te变化对喷嘴糖液温度Tz影响较小，因此可以假定环境温度Te为恒定值。流速v与喷嘴糖液温度Tz的函数关系f1，可以通过实验测定与数据拟合方式取得或根据物理关系建立相应模型。

[0061] 方法一：实验测定与数据拟合方式。通过测量喷嘴糖液温度Tz和流速v的数据，以及糖仓温度Tc与流速v的数据，通过最小二乘法等数据拟合方法，进行数据拟合，得出喷嘴糖液温度Tz和流速v的函数关系表达式f1和糖仓温度Tc和流速v的函数关系表达式f（2 f2与f1均是通过实验测定后拟合得出来的），直接进行使用。

[0062] 方法二：根据物理关系建立相应模型方式。需要获取打印材料的相关属性。以糖打印为例，喷嘴糖液温度Tz为喷嘴出口的实际糖液温度，糖液密度ρ与温度Tz成负相关关系，通常根据不同品质的材料，关系模型有所不同，但总体为负相关关系。该关系函数 将其表示为式子（2）。

[0063]      （2）式（1）中ρ为糖液密度， 为关系函数表示符号。对应的有如下式子（3）。

[0064]     （3）式（3）中，ϕ 为 的反函数。

[0065] 糖液密度ρ与流速v这两个参数受伯努利方程约束，如下式（4）。

[0066]           （4）式（4）中，P为糖液的液体压力，较为恒定，计算过程中为常量。g为重力加速度。h为糖液的液面高度。C为常量。

[0067] 则喷嘴糖液温度Tz与糖液在喷嘴出口的流速v之间的关系模型可以用下式（5）表示。

[0068]              （5）。

[0069] 糖仓糖液温度Tc和喷嘴糖液温度Tz之间则为受环境温度影响的热差异，二者关系可用下式（6）表示。

[0070] （6）式（6）中，G为散热效应函数与液面高度，糖仓材质等有关，通常可根据设备的情况取值。在特定设备中，G取值为恒定值。

[0071] 本发明的糖画3D打印机，通过设置糖仓并设置活塞加热部，来实现糖料在糖仓里的预熔化；用于喷出糖液的喷嘴8上设置喷嘴加热与测温组件，实现糖液出口温度的精准控制，从而通过糖仓糖液温度Tc闭环控制循环、喷嘴糖液温度Tz闭环控制循环和糖液流速v闭环控制循环，保障了糖的快速大量挤出性能，并保障了糖的出口温度满足塑形和口感需求，提高了实现更多造型的可能。

[0072] 本发明的糖画3D打印机，设有可预加热糖仓与喷嘴精准控温模组的一体化机构，通过结合预加热糖仓与喷嘴控温组件，可实现糖的大量稳定挤出，并保障糖的塑形能力与食用口感。

[0073] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0074] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。