本发明涉及一种食品微波3d打印设备、系统及打印方法，属于食品
技术领域：
。
背景技术：
：3d打印是一种增材制造技术，它区别于车床、雕刻等传统减材制造，根据控制系统的指令通过层层叠加的方式实现零件的制造。近年来，3d打印技术在工业领域发展迅速，并得到广泛的研究和应用。在食品领域，由于体系水分大多较高，食品3d打印主要采用熔融沉积(fuseddepositionmodeling，fdm)技术进行成型。一般将食品物料制成熔融状态或者浆状，置于挤出料筒中，通过活塞、空气或者螺杆的挤压将食品浆料从料筒中挤出，在打印平台上堆积成型。巧克力、奶酪、糖等食品具有较低的熔点，浆料挤出后会固化成型，固化的浆料具有较高的机械强度，所以此类食品的3d打印成型效果较好。相对来说，鱼糜、肉糜和面团等高水分食品浆料挤出后仍为流动态，机械强度较低，易发生流淌或坍塌，成型效果较差。因此，此类食品多集中在二维平面、简单非镂空造型等低立体性结构的制造。同时，此类食品浆料打印前未经熟化，成型的制品不能直接食用。目前主要采用先打印后熟化的方案，但是打印成型的制品在加热时极易发生形变，难以保持原有的形状。由于鱼糜、肉糜和面团等高水分食品浆料受热会发生流动态到固态的转变，为了解决此类食品浆料3d打印成型质量较差的问题，加热式食品3d打印的方式得到了研究者们的广泛关注。已公开的一种固态食材3d打印装置(201610864170.3)，原料桶底部设置电加热管，通过导热块将原料桶内的固态原料融化为液态，再由打印头输出。在食品3d打印过程中，为了提升打印精度，3d打印机打印头流道直径一般仅有1-2mm左右，并且物料挤出速度达到每秒几十毫米。同时物料具有一定的传热阻力，所以采用电加热管可能很难将高速挤出的鱼糜、肉糜、面团等食品浆料加热均匀。已公开的一种制作煎饼的3d打印机(201720021832.0)采用了在打印平台安装加热板的方式实现对挤出的物料的加热熟化。但是由于3d打印为逐层打印、层层叠加的过程，此类加热方式会导致先沉积在打印平台的物料加热过度，而后沉积的物料加热不足，造成产品熟化不均匀的现象。并且物料具有一定的导热阻力，所以此类加热方式也难以熟化具有一定高度或者厚度的产品。已公开的一种3d打印的微波加热机构(201711206387.6)，通过磁控管产生微波，并通过上下微波屏蔽框限制微波的加热范围，对挤出的塑料、金属熔融丝加热，使物料保持熔融状态便于成型。但是微波在空气中会发生散射、折射、消散，因此并不能确保微波能够以均匀且充足的能量作用于挤出物料，使食品物料受热不均匀，造成最终产品质地不均一。同时，由于微波在打印腔体内发生反射、散射，难以靶向作用于挤出物料，会使打印平台上已经沉积的制品过度受热。已公开的一种食品微波三维打印方法及打印机(201910089465.1)，通过嵌入料筒内壁的微波加热探头在前端释放微波，结合非吸波材料的尺寸设置，实现了挤出物料即时熟化的效果，微波加热探头由同轴线构成。但是此设备需要根据物料的介电性质计算微波加热探头与挤出头之间的距离，打印不同材料时需更换加热探头较为繁琐。通过有限元仿真模拟发现，此种加热形式微波电场主要集中在加热探头前端附近，难以对挤出头进行有效加热，加热效果较差。因此亟需研究一种能够实现快速、均匀、聚焦式加热的3d打印技术，使鱼糜、肉糜、面团等流动态浆料沉积固化，从而提升挤出物料的机械强度，提升打印制品成型质量，制造立体性更强的结构.技术实现要素：为了解决目前3d打印过程中鱼糜、肉糜和面团等浆料挤出后机械强度不足，无法打印立体性强的复杂形状，甚至挤出后物料发生流淌、坍塌等问题，本发明提供了一种食品微波3d打印设备、系统及打印方法。本发明的第一个目的在于提供一种食品微波3d打印设备，所述食品微波3d打印设备包括：聚焦式微波加热单元和物料挤出单元；所述聚焦式微波加热单元包括微波加热腔和微波加热天线；其中微波加热天线为两极式天线，包括阳极天线和阴极天线，所述阳极天线和阴极天线设置于微波加热腔内部；所述物料挤出单元包括料筒和挤出喷嘴；挤出喷嘴设置于所述阳极天线与阴极天线之间，所述阳极天线和阴极天线将微波电场限制在阳极天线与阴极天线之间的位置，实现对挤出物料的集中加热，达到挤出物料即时固化的效果。可选的，所述阳极天线与阴极天线为两侧对称排列或者螺旋排列。可选的，所述阳极天线与阴极天线为金属线或者电极板。可选的，所述食品微波3d打印设备还包括：微波源、微波传输线和微波转接器；微波源产生微波，通过微波转接器和微波传输线将微波传输至微波加热天线。可选的，所述微波传输线为同轴线，所述阳极天线与阴极天线分别与同轴线的内外导体连接构成两极式天线。可选的，所述阳极天线与阴极天线采用具有导电性但不具有吸波能力的金属制成。可选的，所述微波加热腔20位于料筒10底部，与料筒10为一体化构造。可选的，当所述阳极天线与阴极天线两侧对称排列时，挤出喷嘴的纵轴置于阳极天线与阴极天线的对称中心。可选的，当所述阳极天线与阴极天线螺旋排列时，挤出喷嘴的中轴线与阳极天线与阴极天线所组成的螺旋的中轴线重合。可选的，当所述阳极天线与阴极天线为对称电极板时，挤出喷嘴的中轴线置于阳极天线与阴极天线的两电极板平行端的对称中心。本发明的第二个目的在于提供一种食品微波3d打印系统，所述食品微波3d打印系统包括扫描成像单元、控制单元、聚焦式微波加热单元和3d打印单元；所述控制单元分别与所述扫描成像单元、聚焦式微波加热单元、3d打印单元连接，所述控制单元通过所述扫描成像单元获取待打印物体的图像信息，并通过切片软件对待打印物体的图像信息进行切片处理得到切片信息，然后根据切片信息实时控制3d打印单元进行待打印物体的3d打印，同时根据3d打印单元是否挤出物料控制微波源的开关，以保证物料被加热均匀；其中，所述聚焦式微波加热单元包括微波加热腔和微波加热天线；其中微波加热天线为两极式天线，包括阳极天线和阴极天线，所述阳极天线和阴极天线设置于微波加热腔内部；所述3d打印单元包括料筒和挤出喷嘴；挤出喷嘴设置于所述阳极天线与阴极天线之间，所述阳极天线和阴极天线将微波电场限制在阳极天线与阴极天线之间的位置，实现对挤出物料的聚焦式加热，达到挤出物料即时固化的效果。可选的，所述聚焦式微波加热单元还包括微波源、微波传输线和微波转接器；微波源用于产生微波，并通过微波转接器和微波传输线将微波传输至微波加热天线；其中，所述微波传输线为同轴线，所述阳极天线与阴极天线分别与同轴线的内外导体连接构成两极式天线。可选的，所述3d打印单元还包括用于实现料筒的相对三维运动的x轴导轨、y轴导轨、z轴导轨和打印平台，以及用于实现物料挤出的步进电机和挤出螺杆。可选的，所述聚焦式微波加热单元还包括温度传感器，所述温度传感器位于微波加热腔的底面的金属壁中，温度传感器的顶端紧贴与挤出喷嘴的挤出端的壁。可选的，所述温度传感器通过温度传感线与所述控制单元连接。可选的，所述食品微波3d打印系统还包括防泄漏单元，用于防止微波泄露。本发明的第三个目的在于提供一种食品微波3d打印方法，所述方法采用上述食品微波3d打印设备进行3d食品形状的打印，所述方法包括：控制所述聚焦式微波加热单元和3d打印单元进行逐层打印，在打印一层时，z轴保持不变，x、y轴根据控制单元的指令移动，步进电机控制挤出螺杆挤出物料，挤出喷嘴中的物料被微波加热天线加热，挤出后沉积到到达打印平台。当一层物料被打印完毕，料筒沿z轴上升一定高度进行下一层的打印，由于微波加热天线被固定在料筒上，微波加热天线也上升一个高度，进行下一层挤出物料的加热。待打印完成，各个部件返回原点，完成打印。本发明的第四个目的在于提供一种食品微波3d打印方法，所述方法采用上述食品微波3d打印系统进行3d食品形状的打印，所述方法包括：控制单元通过扫描成像单元获取待打印物体的图像信息，并通过切片软件对待打印物体的图像信息进行切片处理得到切片信息，然后根据切片信息实时控制3d打印单元进行待打印物体的3d打印，同时根据3d打印单元是否挤出物料控制微波源的开关，以保证加热均匀。本发明有益效果是：本发明提供了一种食品微波3d打印设备、系统和打印方法，极大提升了高水分含量食品物料3d打印的可行性；通过设置两极式微波加热天线，实现了挤出喷嘴内物料的聚焦式加热；同时两极式微波加热天线突破了传统多模腔体加热方式，极大缩小了加热腔体积，便于与桌面级3d打印机进行集成；通过挤出指令控制微波开关，实现了挤出与加热的同步，提升了加热的均匀性；通过将三维扫描仪、切片软件、3d打印机联合操作，实现了模型制作、切片、3d打印过程的一体化；本发明提供的食品微波3d打印系统和打印方法可快速、集中加热挤出喷嘴中的物料，实现挤出物料的即时固化，使挤出物料具有较高的机械强度，提升打印制品的成型质量，有效解决打印制品形变、坍塌等问题。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明料筒平面剖面图；图2是本发明加热腔内同轴线与阴极天线、阳极天线连接示意图；图3是本发明料筒立体视图；图4是本发明料筒立体剖面图；图5-图11是本发明两极式微波加热天线的各种排列形式立体透视图；图12是本发明提供的食品微波3d打印系统构成示意图；图13是本发明提供的食品微波3d打印系统中机箱内的构成示意图；其中，三维扫描仪1(置物台2、摄像头3、信号传输线4)、图像信号转换器5；3d打印单元包括：x轴导轨6、y轴导轨7、z轴导轨8、打印平台9、料筒10、挤出喷嘴11、步进电机12、挤出螺杆13；聚集式微波加热单元包括微波源14、散热风扇15、机箱16、微波传输线17、第一微波转接器18、第二微波转接器19、微波加热腔20、微波加热天线21、阳极天线22、阴极天线23、同轴线24、同轴线内导体25、同轴线外导体26、温度传感器27、温度传感线28、物料进口29、物料出口30；防泄漏单元包括金属壁31、机箱隔离板32、环形器33；控制单元包括控制屏34、集成电路35、3d打印挤出指令控制器36、开关按钮37、3d打印信号输出线38。图14为申请号为201910089465.1、发明名称为一种食品微波三维打印方法及打印机，加热模式下d值为2mm时仿真模拟图(条件：微波功率60w、挤出物料流速0.01m/s、电场图例最大值统一为10000v/m)；图15为申请号为201910089465.1、发明名称为一种食品微波三维打印方法及打印机，加热模式d值为4mm时仿真模拟图(条件：微波功率60w、挤出喷嘴进口端物料流速0.01m/s、电场图例最大值统一为10000v/m)；图16为采用与本发明相同加热腔，但只采用同轴线加热的仿真模拟图(条件：微波功率60w、挤出喷嘴进口端物料流速0.01m/s、电场图例最大值统一10000v/m)；图17为采用本发明螺旋排列微波加热天线的仿真模拟图(条件：微波功率60w、挤出喷嘴进口端物料流速0.01m/s、电场图例最大值统一为10000v/m)；其中，申请号为201910089465.1、发明名称为一种食品微波三维打印方法及打印机中的微波加热探头39、挤出头40。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。实施例一：本实施例提供一种食品微波3d打印设备，如图1至图3所示，所述食品微波3d打印设备包括：聚焦式微波加热单元和物料挤出单元；所述聚焦式微波加热单元包括微波加热腔20和微波加热天线21，其中微波加热天线21为两极式天线，包括阳极天线22和阴极天线23，设置于微波加热腔20内部。所述物料挤出单元包括料筒10和挤出喷嘴11；挤出喷嘴11设置于阳极天线22与阴极天线23之间，所述阳极天线22和阴极天线23将微波电场限制在阳极天线22与阴极天线23之间的位置，实现对挤出物料的聚焦式加热，达到挤出物料即时固化的效果。所述聚焦式微波加热单元还包括微波源14、微波传输线17和微波转接器；微波源14产生微波，通过第一微波转接器18将微波导入微波传输线17，通过微波加热腔20壁上的第二微波转接器19导入微波加热天线21。所述微波传输线17采用同轴线，同轴线是由两根同轴的圆柱导体构成的导行系统，内外导体之间填充空气或高频介质的一种宽频带微波传输线。所述阳极天线22与第二微波转接器19自带的同轴线24的内导体25相连；所述阴极天线23与第二微波转接器19自带的同轴线24的外导体26相连，如图4所示。所述微波加热腔20位于料筒10底部，与料筒10为一体化构造。所述物料挤出单元还包括步进电机12和挤出螺杆13，用于将物料从料筒10中挤出。所述微波加热天线21采用两极式天线设计，能够将微波电场限制在阳极天线22与阴极天线23之间的位置，使阳极天线22和阴极天线23之间的微波电场强度强于微波加热腔20内的其他区域，从而起到聚焦式加热的作用。如图5-图11所示，所述微波加热天线21的阳极天线22与阴极天线23为两侧对称式排列或者为螺旋式排列；所述阳极天线22与阴极天线23的形式多样，具有螺旋式、两侧对称式、电极板式等多种形式：图5中，微波加热天线中的阳极天线22与阴极天线23为螺旋式排列，此种排列方式产生的电场相对来说更能集中在挤出喷嘴11附近；所述螺旋式排列并不仅限于图5中所展示的形式；所述阳极天线22、阴极天线23所组成螺旋结构的直径、螺距等参数需根据输出能量要求设置。所述螺旋式排列的微波加热天线21位置根据挤出喷嘴11的位置确定，一般挤出喷嘴11的中轴线与阳极天线22与阴极天线23所组成的螺旋的中轴线重合。所述螺旋式排列方式中的阳极天线22与阴极天线23采用具有导电性以及不具有吸波能力的金属制成。图6-图10中，加热天线21中的阳极天线22与阴极天线23为采用金属线的两侧对称式排列，此种排列方式易制作。所述两侧对称式排列并不仅限于图6-图10中所展示形式；所述阳极天线22、阴极天线23的尺寸及形状根据输出能量要求设置。所述两侧对称式排列的微波加热天线21位置根据挤出喷嘴11的位置确定，一般将挤出喷嘴11纵轴置于阳极天线22与阴极天线23的对称中心。所述对称式排列方式中的阳极天线22与阴极天线23采用具有导电性以及不具有吸波能力的金属制成。图11中，微波加热天线中的阳极天线22与阴极天线23为采用电极板的两侧对称式排列，此种电极板式排列方式产生的电场稳定性较高；所述电极板式排列并不仅限于图11中所展示的形式；所述阳极天线22、阴极天线23所采用的电极板的形状、厚度、尺寸等参数根据输出能量要求设置。所述电极板式排列的微波加热天线21位置根据挤出喷嘴11的位置确定，一般挤出喷嘴11的中轴线置于阳极天线22与阴极天线23的两电极板平行端的对称中心。所述采用电极板的两侧对称式排列方式中的阳极天线22与阴极天线23采用具有导电性以及不具有吸波能力的金属制成。为获得食品微波3d打印设备从挤出喷嘴11处挤出的物料的温度，本申请还在挤出喷嘴11的出口处设置温度传感器27，并通过温度传感线28传出到控制单元以获知挤出的物料的温度以判断是否达到相应的要求。所述温度传感器27位于微波加热腔20的底面的金属壁中，温度传感器27的顶端紧贴与挤出喷嘴11的挤出端的壁。所述食品微波3d打印设备还包括控制料筒10运动的三维驱动单元、打印平台以及必要的微波防泄漏单元；比如图12所示的食品微波3d打印系统中，控制料筒10运动的x轴导轨6、z轴导轨8以及控制打印平台9运动的y轴导轨7等，在涉及微波3d打印时所需要的一些常规设置部件，可参考申请号为201910089465.1的专利申请中的相关设置进行设定。本申请不再赘述。实施例二本实施例提供一种食品微波3d打印系统，如图12和图13所示，该食品微波3d打印系统具有扫描成像、图像处理、切片处理一体化的图像处理功能。所述食品微波3d打印系统包括：扫描成像单元、控制单元、聚焦式微波加热单元、3d打印单元和防泄漏单元。该食品微波3d打印系统通过扫描成像单元获得目标物体的图像信息，发送给控制单元，控制单元通过cura对目标物体的图像进行切片处理，向3d打印单元发送相应的指令完成目标物体形状的打印。同时，通过控制单元设置相应的微波功率使聚焦式微波加热单元完成加热处理。以下对食品微波3d打印系统的各个组成部分进行详细介绍，其中，对于聚焦式微波加热单元和3d打印单元的相关介绍可参考上述实施例一中的记载，其中，挤出喷嘴11的出口处设置的温度传感器27所测的温度通过温度传感线28传输给控制单元，在控制屏34上显示出来，以便操作人员可以根据此温度实施调整微波源14的输出频率。如图12所示，扫描成像单元包括：三维扫描仪1和图像信号转换器5，其中三维扫描仪1包括置物台2、摄像头3和信号传输线4。扫描成像单元通过三维扫描仪1对目标物体进行扫描成像获得目标物体的图像信息，图像信息通过信号传输线4导入图像信号转换器5，信号转换器5具有将图像信息转化为stl类型文件的功能，转化后将得到的stl类型文件发送给控制单元。控制单元内置有cura软件，可以对图像进行切片处理。控制单元包括：控制屏34、集成电路35、3d打印挤出指令控制器36、开关按钮37、3d打印信号输出线38。所述3d打印挤出指令控制器36根据切片软件cura产生的挤出指令控制微波源14的开和关以及功率大小：所述挤出指令控制器36在接收到挤出指令g1ex(表示挤出距离为xmm)时，控制微波源14输出微波，当挤出指令消失时，即物料不挤出时，挤出指令控制器36控制微波源14停止输出。操作人员可通过控制屏34实时控制集成电路35，进而控制微波源14的功率、cura切片参数、3d打印机的开关程序；所述信号传输线38连接集成电路35与3d打印单元，传输3d打印单元运动指令。聚焦式微波加热单元包括：微波源14、散热风扇15、机箱16、微波传输线17、第一微波转接器18、第二微波转接器19、微波加热腔20、微波加热天线21(包括阳极天线22、阴极天线23)、同轴线24(包括同轴线内导体25、同轴线外导体26)、温度传感器27、温度传感线28、物料进口29、物料出口30。3d打印单元包括：x轴导轨6、y轴导轨7、z轴导轨8、打印平台9、料筒10、挤出喷嘴11、步进电机12、挤出螺杆13。其中，一体化构造的微波加热腔20和料筒10位于x轴导轨6上，x轴导轨6两端位于两侧z轴导轨8上；x轴导轨6和z轴导轨8配合完成物料在x方向和z方向上的打印；y轴导轨7控制打印平台9的相对位置。3d打印单元根据接收到的3d打印单元运动指令控制x轴导轨6、y轴导轨7、z轴导轨8的运动，并控制步进电机12，进而控制挤出螺杆13挤出物料。。防泄漏单元包括：散热风扇15、金属壁31、机箱隔离板32、环形器33。所述金属壁31形成金属腔体将微波源14包裹在内，有效防止微波源14本身的微波泄漏；所述散热风扇15位于金属壁31上，有效对微波源14进行散热；所述机箱隔离板32位于机箱16中，将微波源与其他电器元件隔离开来，进一步防止微波对其他元器件的损坏；所述环形器33位于微波源14的输出端与第一微波转接器18之间，能够有效防止反射的微波对微波源造成损害。如图12所示，物料从处于微波加热腔20上部的物料进口29进入处于微波加热腔20中的挤出喷嘴11中，通过物料出口31到达微波加热腔20外部；料筒10内的物料通过挤出螺杆13的挤压经过挤出喷嘴11，被微波加热腔20内的微波加热天线21加热，而后沉积到打印平台9上。实施例三本实施例提供一种食品微波3d打印方法，应用于上述实施例二所述的食品微波3d打印系统中。所述方法包括：打开机箱开关按钮37，在料筒10内加入适量食品浆料。将目标物体置于三维扫描仪1的置物台2，对目标物体进行扫描，产生的图像信息通过信号传输线4传输到图像信号转换器5，图像信号转换器5自动将图像文件转换成stl格式文件。若无目标物体，可将目标物体的图像文件通过usb接口直接导入图像信号转换器5，图像信号转换器5自动将目标文件转换为stl格式。根据适宜的打印参数，通过控制屏34使用内置cura软件对stl图像文件采用适宜的打印参数进行切片处理。使用控制屏34设定适宜的微波功率，点击开始按钮，控制指令通过信号传输线38传输到3d打印机来控制3d打印过程，并且通过电路板传输到3d打印挤出指令控制器，实现物料挤出微波开、物料不挤出微波关，从而避免过度加热，实现加热的均一性。打印过程中，微波源14产生微波，经过第一微波转接器18、微波传输线17、第二微波转接器19传输到微波加热腔20中的微波加热天线21；阳极天线22、阴极天线23将微波电场限制在两天线之间，实现对挤出喷嘴11中不断挤出的物料的聚焦式加热。物料在挤出喷嘴11中流动，因此挤出喷嘴11内的物料从上到下挤出过程中温度逐渐升高，待物料恰好被挤出时，达到固化所需温度，沉积到打印平台9上。同时，挤出喷嘴11内的物料由于温度没有达到固化的需求仍然呈现流动状态，从而实现了物料能够正常挤出的同时，又能够使挤出物料即时固化。打印过程中，x轴导轨6、z轴导轨8控制料筒10的相对位置，y轴导轨7控制打印平台9的相对位置；步进电机12控制挤出螺杆13对料筒10内的物料进行挤出；物料通过挤出喷嘴11沉积到打印平台9上；在打印一层时，z轴保持不变，x、y轴根据程序移动，步进电机控制挤出螺杆13挤出物料，挤出喷嘴11中的物料被微波加热天线21加热，挤出后沉积到到达打印平台9。当一层物料被打印完毕，料筒10沿z轴上升一定高度进行下一层的打印，由于微波加热天线21被固定在料筒10上，微波加热天线也上升一个高度，进行下一层挤出物料的加热。待打印完成，各个部件返回原点，完成打印。本发明提供了一种食品微波3d打印设备、系统和打印方法，极大提升了高水分含量食品物料3d打印的可行性；通过设置两极式微波加热天线，实现了挤出喷嘴内物料的聚焦式加热；同时两极式微波加热天线突破了传统多模腔体加热方式，极大缩小了加热腔体积，便于与桌面级3d打印机进行集成；通过挤出指令控制微波开关，实现了挤出与加热的同步，提升了加热的均匀性；通过将三维扫描仪、切片软件、3d打印机联合操作，实现了模型制作、切片、3d打印过程的一体化；本发明提供的食品微波3d打印系统和打印方法可快速、集中加热挤出喷嘴中的物料，实现挤出物料的即时固化，使挤出物料具有较高的机械强度，提升打印制品的成型质量，有效解决打印制品形变、坍塌等问题。为证明本申请所提供的食品微波3d打印设备、系统及打印方法的有益效果，如图14-图17所示，本申请使用有限元分析对申请号为201910089465.1、发明名称为一种食品微波三维打印方法及打印机的加热部位以及本发明提供的3d打印设备的加热效果进行有限元仿真模拟对比。其中，申请号为201910089465.1的食品微波三维打印方法及打印机，是通过嵌入料筒内壁的微波加热探头39在前端释放微波，结合非吸波材料的尺寸设置，控制原料初始温度，实现了挤出物料即时升温凝胶的效果；采用的微波加热探头由同轴线构成，表现为单根柱状结构；此设备需要根据物料的介电性质计算微波加热探头与挤出头之间的距离，打印不同材料时需更换加热探头。仿真模拟采用相同的材料参数：相对介电常数70、介电损耗55，导热系数0.577w/(m·k)，磁导率1，初始温度293.15k；仿真模拟条件为：微波功率60w、挤出物料流速0.01m/s；电场图例最大值统一为10000v/m；可接受的微波反射损耗为-6，此时根据微波反射损耗公式确定微波加热探头39与挤出头40之间的距离d为2mm或者4mm如图14所示，此时根据微波反射损耗公式确定微波加热探头39和挤出头40之间的距离d为2mm时；挤出头内物料从初始温度293.15k升高到325k左右；电场主要集中在微波加热探头39前端，挤出头40的加热效果有限；由于微波加热探头39与挤出头40以及其上端物料的距离较近，所以图中大部分物料周围会具有较强的电场。如图15所示，此时未根据微波反射损耗公式确定微波加热探头39与挤出头之间的距离d为4mm；挤出头40内物料从初始温度293.15k升高到295k左右，升温效果不明显；电场集中在微波加热探头39前端，挤出头40的加热效果有限；由于微波加热探头39与挤出头40之间距离较远，所以挤出头内物料周围电场较弱，只有靠近微波加热探头39的物料周围有微弱的电场。如图16、图17所示，两结构具有相同尺寸的微波加热腔体20、挤出喷嘴11、同轴线24；其中，图16直接采用同轴线24进行加热，并无设计两极式微波加热天线；图17采用了本发明中的螺旋排列微波加热天线21进行加热。如图16所示，挤出喷嘴11内的物料入口温度为293.15k，出口温度为295k；电场集中在同轴线24前端，挤出喷嘴11附近电场较弱。如图17所示，挤出喷嘴入口温度为293.15k，出口温度为345k，相较于图14-图16所示的其他三种方式升温明显；电场集中在阳极天线22和阴极天线23之间，由于挤出喷嘴11被微波加热天线21所环绕，所以挤出喷嘴11附近也有较强的电场。如图14-图17所示，采用两极式微波加热天线使电场聚焦在挤出喷嘴周围，使得挤出喷嘴内的物料升温更为明显；两极式微波加热天线的加热方式相较于图14-图16能够将局限在微波加热探头39以及同轴线24周围的电场进行扩展，使挤出喷嘴11附近电场更加集中且电场更强。为进一步说明采用两极式微波加热天线能够使得挤出喷嘴内的物料升温更为明显，特采用鱼糜物料进行实验，实验过程测得在相同的物料挤出速率、不同微波功率下，挤出喷嘴出口处温度传感器27的测量值；所述鱼糜参数为：相对介电常数70、介电损耗55，导热系数0.577w/(m·k)，磁导率1，初始温度20℃；根据以上参数计算微波加热天线39与挤出头之间的距离d为6mm时，如下表1-3所示，分别采用采用螺旋天线、对称天线以及对称电极板排列的两极式微波加热天线的功率与温度对应值；挤出喷嘴11进口端物料流速选择0.01m/s，为本发明以及目前较多3d打印食品研究中打印效果较好时的挤出速率；可见本发明通过调整微波功率可以获得不同的加热效果，功率越大，加热温度越高。表1，采用螺旋排列的两极式微波加热天线在相同挤出速率不同功率下，温度传感器27测得的温度(由于食品物料性质所限，只测得物料达到100℃左右的温度)功率/w温度探头温度/℃02010252038304440555065607070828090表2，采用对称式的两极式微波加热天线在相同挤出速率不同功率下，温度传感器27测得的温度(由于食品物料性质所限，只测得物料达到100℃左右的温度)功率/w温度探头温度/℃02010242030304140495052606370708081表3，采用电极板式的两极式微波加热天线在相同挤出速率不同功率下，温度传感器27测得的温度(由于食品物料性质所限，只测得物料达到100℃左右的温度)本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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技术特征：1.一种食品微波3d打印设备，其特征在于，所述食品微波3d打印设备包括：聚焦式微波加热单元和物料挤出单元；
所述聚焦式微波加热单元包括微波加热腔和微波加热天线；其中微波加热天线为两极式天线，包括阳极天线和阴极天线，所述阳极天线和阴极天线设置于微波加热腔内部；
所述物料挤出单元包括料筒和挤出喷嘴；挤出喷嘴设置于所述阳极天线与阴极天线之间，所述阳极天线和阴极天线将微波电场限制在阳极天线与阴极天线之间的位置，实现对挤出物料的聚焦式加热，达到挤出物料即时固化的效果。
2.根据权利要求1所述的食品微波3d打印设备，其特征在于，所述阳极天线与阴极天线为两侧对称排列或者螺旋式排列。
3.根据权利要求2所述的食品微波3d打印设备，其特征在于，所述阳极天线与阴极天线为金属线或者电极板。
4.根据权利要求1所述的食品微波3d打印设备，其特征在于，所述食品微波3d打印设备还包括：微波源、微波传输线和微波转接器；微波源产生微波，通过微波转接器和微波传输线将微波传输至微波加热天线。
5.根据权利要求4所述的食品微波3d打印设备，其特征在于，所述微波传输线为同轴线，所述阳极天线与阴极天线分别与同轴线的内外导体连接构成两极式天线。
6.根据权利要求1-5任一所述的食品微波3d打印设备，其特征在于，所述阳极天线与阴极天线采用具有导电性但不具有吸波能力的金属制成。
7.一种食品微波3d打印系统，其特征在于，所述食品微波3d打印系统包括扫描成像单元、控制单元、聚焦式微波加热单元和3d打印单元；所述控制单元分别与所述扫描成像单元、聚焦式微波加热单元、3d打印单元连接，所述控制单元通过所述扫描成像单元获取待打印物体的图像信息，并通过切片软件对待打印物体的图像信息进行切片处理得到切片信息，然后根据切片信息实时控制3d打印单元进行待打印物体的3d打印，同时根据3d打印单元是否挤出物料控制微波源的开关，以保证物料被加热均匀；
其中，所述聚焦式微波加热单元包括微波加热腔和微波加热天线；其中微波加热天线为两极式天线，包括阳极天线和阴极天线，所述阳极天线和阴极天线设置于微波加热腔内部；
所述3d打印单元包括料筒和挤出喷嘴；挤出喷嘴设置于所述阳极天线与阴极天线之间，所述阳极天线和阴极天线将微波电场限制在阳极天线与阴极天线之间的位置，实现对挤出物料的聚焦式加热，达到挤出物料即时固化的效果。
8.根据权利要求7所述的食品微波3d打印系统，其特征在于，所述聚焦式微波加热单元还包括微波源、微波传输线和微波转接器；微波源用于产生微波，并通过微波转接器和微波传输线将微波传输至微波加热天线；其中，所述微波传输线为同轴线，所述阳极天线与阴极天线分别与同轴线的内外导体连接构成两极式天线。
9.根据权利要求7所述的食品微波3d打印系统，其特征在于，所述3d打印单元还包括用于实现料筒的相对三维运动的x轴导轨、y轴导轨、z轴导轨和打印平台，以及用于实现物料挤出的步进电机和挤出螺杆。
10.一种食品微波3d打印方法，其特征在于，所述方法采用权利要求7-9任一所述的食品微波3d打印系统进行3d食品形状的打印，所述方法包括：
控制单元通过扫描成像单元获取待打印物体的图像信息，并通过切片软件对待打印物体的图像信息进行切片处理得到切片信息，然后根据切片信息实时控制3d打印单元进行待打印物体的3d打印，同时根据3d打印单元是否挤出物料控制微波源的开关，以保证加热均匀。
技术总结本发明公开了一种食品微波3D打印设备、系统及打印方法，属于食品技术领域。通过设置两极式微波加热天线，实现了挤出喷嘴内物料的聚焦式加热；同时两极式微波加热天线突破了传统多模腔体加热方式，极大缩小了加热腔体积，便于与桌面级3D打印机进行集成；通过挤出指令控制微波开关，实现了挤出与加热的同步，提升了加热的均匀性；通过将三维扫描仪、切片软件、3D打印机联合操作，实现了模型制作、切片、3D打印过程的一体化；本发明提供的食品微波3D打印系统和打印方法可快速、集中加热挤出喷嘴中的物料，实现挤出物料的即时固化，使挤出物料具有较高的机械强度，提升打印制品的成型质量，有效解决打印制品形变、坍塌等问题。
技术研发人员：范大明;赵子龙;闫博文;高文华;黄建联;杨化宇;张灏;赵建新;陈卫
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：2020.01.17
技术公布日：2020.06.09
