一种燃气热驱动热泵型食品3D打印装置及打印方法

本发明涉及食品3d打印，尤其涉及一种燃气热驱动热泵型食品3d打印装置及打印方法。背景技术：1、在传统食品3d打印技术中，电加热元件通常被用来加热打印材料，使其达到适宜的流动性以便打印。打印完成后，通常需要通过冷却系统或环境冷却来固化食品。同时，食品的挤出通常依赖于电动机驱动的机械系统。这些过程中涉及的设备不仅消耗大量电能，而且设备的复杂性和维护要求较高，且对环境的适应性有限。电加热元件和电动机的能耗较高，尤其是在长时间操作下效率较低。温度控制不精确导致打印材料的流变性质不稳定，影响最终产品的质量和一致性。传统设备在极端或变化的环境条件下性能不稳定，限制了使用场景。2、cn201921664955.1公开了一种食品加热打印喷头，包括料筒、套设于料筒上的筒状的加热筒、包裹于料筒表面并位于料筒与加热筒之间的加热膜、安装于所述料筒内的活塞结构、与活塞结构连接的挤出杆、以及与挤出杆连接的驱动机构；所述驱动机构通过连接板与挤出杆连接，所述驱动机构控制连接板上下运动，连接板带动挤出杆在料筒内轴向运动；所述加热筒的底部开设有孔，所述料筒的底部设有喷嘴，喷嘴通向所述孔。上述技术方案的打印挤料装置采用内加热式，将热量直接传递给料筒，提高导热效率，使食品原料的加热效果好，同时，由于在料筒表面（加热筒内）包裹一层加热膜，可以使整个料筒受热均匀，提高打印精度。但上述技术方案仍采用电机进行驱动，存在能耗高的缺陷。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种燃气热驱动热泵型食品3d打印装置，通过使用热泵循环模块有效控制加热和冷却过程，使用水作为传热介质来加热打印前的食品原料，提高了食品原料加热的均匀性，从而改善了打印食品的质量；使用冷冻介质对打印后的食品进行冷冻固化，在不使用电驱动冷却和自然冷却的情况下实现快速的冷冻固化成型，实现了打印的精度和打印的良好品质；通过自由式活塞的往复运动为喷头的挤出提供动力，减少了对电动机和其他高故障率部件的依赖，从而延长设备的使用寿命。2、本发明的另一个目的是提供一种基于上述燃气热驱动热泵型食品3d打印装置进行食品3d打印的方法。3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：4、一种燃气热驱动热泵型食品3d打印装置，包括工作平台和喷头，工作平台包括旋转平台和位移平台，喷头包括壳体和喷头腔内设置的挤出机构；本发明还包括热泵循环模块、传动模块、加热软化模块、喷头换热模块和冷冻固化模块；所述的热泵循环模块，用于利用加热软化模块中的热端换热装置所吸收的热源中的热量，产生往复运动并通过传动模块驱动喷头中的挤出机构动作；所述的传动模块，用于利用热泵循环模块的往复运动，持续驱动打印前的食品原料从喷头腔内连续溢出；所述的加热软化模块，包括热端换热装置、冷端换热装置和内置有传热介质的换热管路；热端换热装置用于吸收热源中的热量并传导至热泵循环模块，还用于吸收热源中的热量并与换热管路中的传热介质进行热交换；冷端换热装置用于吸收冷冻固化模块中冷冻介质的热量，并与换热管路中的传热介质进行热交换；换热管路中的传热介质将热量传导至喷头换热模块；所述的喷头换热模块设置在喷头壳体上，用于利用加热软化模块传导的热量对喷头腔内打印前的食品原料进行加热；所述的冷冻固化模块用于通过冷冻介质对工作平台上的打印后的食品原料进行冷冻固化，使其快速固定成型。5、进一步的，所述的热泵循环模块包括热泵运动腔体，热泵运动腔体从左至右分为密闭的热活塞室、控制机构容置室和冷活塞室；热活塞室和冷活塞室内分别设置有具有活塞杆的热活塞和冷活塞，热活塞杆和冷活塞杆分别与热活塞室和冷活塞室滑动连接，且通过控制机构容置室内设置的气体弹簧同轴连接，热活塞和冷活塞与靠近气体弹簧一侧的活塞室侧壁之间的活塞杆上均套设有复位弹簧；热活塞杆和冷活塞杆的自由端分别设置有铁制定位装置；热活塞杆和冷活塞杆上的铁制定位装置两侧的控制机构容置室内分别设置有电控磁吸装置；热活塞室和冷活塞室由中间连接管连通，用于使热活塞室和冷活塞室内充斥的介质气体形成气体流动循环。6、进一步的，所述的传动模块包括固定设置在挤出机构轴上的两组传动机构，两组传动机构分别通过对应的铁制定位装置分别与热活塞杆和冷活塞杆连接；每组传动机构均包括一个电磁离合器和一个止转轭机构，止转轭机构的一端通过电磁离合器与挤出机构转动轴连接，止转轭机构的另一端与铁制定位装置连接。7、进一步的，所述的止转轭机构包括圆盘，圆盘上固定设置有与铁制定位装置连接的轭块，传动杆上垂直设置有滑杆，轭块沿滑杆的长度方向滑动设置在滑杆内，圆盘通过电磁离合器与挤出机构转动轴连接。8、进一步的，所述的喷头的壳体采用中空壳体，喷头换热模块包括设置在中空壳体内部的换热翅片，且换热翅片形成具有进水口与出水口的换热通道。9、进一步的，所述的换热管路包括热端换热管路和冷端换热管路。10、进一步的，所述的热端换热装置包括从左向右顺序设置地热端换热器、热端回热器和热温端换热器；热活塞室分为位于热活塞左侧的热活塞热室和位于热活塞右侧的热活塞温室；热端换热器与外部热源连接，用于从外部热源吸收热量，使热活塞热室中的介质气体膨胀，进而推动热活塞向右运动；热温端换热器的出水端与换热通道的进水口连接，热温端换热器的进水端经换热管路与换热通道的出水口连接；热端回热器用于实现热端换热器和热温端换热器的热量交换。11、进一步的，所述的冷端换热装置包括从左向右顺序设置地冷温端换热器、冷端回热器和冷端换热器；冷活塞室分为位于冷活塞左侧的冷活塞温室和位于冷活塞右侧的冷活塞冷室；冷端换热器的进液端和出液端分别与冷冻固化模块中的冷冻介质循环回路的出液端和进液端连接，进液端用于接收从工作平台返回的带有大量热量的冷冻介质，经冷端换热器处理后从冷端换热器出液端进入冷冻固化模块；冷温端换热器的出水端与换热通道的进水口连接，冷温端换热器的进水端经换热管路与换热通道的出水口连接；冷端回热器用于实现冷温端换热器和冷端换热器的热量交换。12、进一步的，所述的冷冻固化模块包括冷冻循环回路以及充斥在冷冻循环回路内的冷冻介质；冷冻固化模块还包括平台换热器，平台换热器位于位移平台下方，平台换热器内充斥循环介质气体；平台换热器的左右两端分别设置有冷冻介质出口和冷冻介质进口；冷冻介质进口、冷冻介质出口和冷端换热器构成冷冻循环回路。13、进一步的，所述的燃气热驱动热泵型食品3d打印装置还设置有用于实时监测温度的传感器；传感器根据需要设置在不同位置处。传感器可设置在热端换热管路、冷端换热管路和/或冷冻固化模块中。14、本发明还涉及一种基于根据本发明的燃气热驱动热泵型食品3d打印装置进行食品3d打印的方法，包括以下步骤：15、（1）将待打印的3d食品按照预定比例进行配料；16、（2）启动上述的燃气热驱动热泵型食品3d打印装置，打开外部热源，使所述的3d打印装置的热泵循环模块运行预定时间，在达到预设温度之后经进料口向喷头腔内进料；17、（3）使挤出的食品在工作平台上在冷冻固化模块的作用下固化成型，完成打印。18、本发明具有如下有益效果：19、（1）打印精度和质量提升：本发明通过使用水作为工作介质来加热食品原料，相较于传统的电加热方式，这种方法提高了食品加热的均匀性，从而改善了打印食品的质量；本发明能够快速响应温度调整需求，精确控制食品原料的温度，确保了对不同食品原料在加工过程中的温度快速调整；系统精确温度控制确保了食品原料在加工过程中的温度稳定性，从而改善了材料的流动性和最终产品的结构一致性，确保食品原料质量和打印精度。20、（2）设备维护成本和频率降低：本发明通过热泵循环模块中的热活塞和冷活塞的自由式活塞运动为喷头的挤出提供动力，相较于电动机驱动的挤出机制，能够减少能耗及故障率，延长设备的使用寿命。21、（3）能源效率显著提高：本发明可以有效地将天然气辅助其他低品质热源（工业废能、太阳能和地热能）产生的热能转换并用于加热和冷却过程，即通过利用热泵循环模块的热温端提供必要的加热能量，冷端提供必要的冷却固化能量，相较于传统的电加热方法和冷却系统或环境冷却，在能量转换和利用方面更为高效。22、（4）环境适应性提高：本发明的设计允许在各种环境条件下稳定运行，包括温度波动大的环境，从而适合于多种环境的应用需求。此外由于其独立的能源系统，也非常适合在偏远地区中使用。热泵循环模块稳定的温度控制能力使得设备在不同的环境条件下也能保持稳定性，拓展了潜在的使用环境和应用领域。23、（5）操作和控制简化：本发明的集成系统的设计简化了传统食品3d打印设备中多个独立组件的操作，通过一体化控制降低了操作复杂性。24、（6）环境友好：与电力驱动的系统相比，本发明的燃气驱动更符合某些地区的能源使用策略，尤其是在天然气资源丰富和工业废能较多的地区。