基于时间码的动态速度调节提高了连续切换3D食品打印过程中打印丝的一致性

时间：2026年1月20日

来源：Journal of Food Engineering

编辑推荐：

连续切换3D食品打印中，通过分析不同含水牛肉浆料的流变特性、管道力学及两相流体界面压力，发现打印切换时蠕变行为与管道摩擦导致挤出速度下降，引发线宽不一致问题。开发基于Tcode的实时速度调控技术，有效解决线宽收窄现象，确保2mm精度结构成型。

赵子龙|安晓琳|张娜娜|徐鼎轩|胡波|陈星|严博文|刘宇|陈伟|范大明

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国无锡，214122

摘要

为了阐明连续切换3D食品打印过程中丝材宽度不一致的原因，并在保持打印精度和效率的同时解决丝材宽度均匀性问题，本研究首先调查了不同含水量牛肉浆在各种打印速度下的丝材一致性。此外，通过流变分析、管道力学分析和两相模拟，研究了3D打印切换时刻浆体的应力状态以及相界面、粘度、挤出速度和管道压力的变化。研究发现，切换时刻的蠕变行为以及牛肉浆与管道之间的摩擦导致挤出速度降低，从而引起丝材不一致。此外，两相浆体在流动过程中的相互作用在两相界面产生了流动压力，这被认为是影响丝材一致性变化的关键因素。基于此，开发了一种基于Tcode的实时速度变化的连续切换3D打印技术。通过在切换时刻调整打印速度，避免了丝材宽度变窄的现象，确保了打印产品内部两相浆体的高度个性化空间分布，并实现了2毫米精度的高质量体素结构构建。

引言

3D食品打印技术作为一种颠覆性创新，对食品行业和消费者市场产生了深远影响（Wu等人，2024年）。多材料3D食品打印技术已成为个性化3D食品颜色、形状和营养的重要方法，并得到了许多研究人员的广泛研究（Blutinger等人，2026年；Kong等人，2025年；Lee等人）。为了进一步扩大多材料3D食品打印的应用范围并解决传统双挤出器3D打印的制造限制，我们的团队将连续切换3D打印技术引入食品领域（Zhao等人，2025年）。与传统双挤出器3D打印相比，该技术将两种材料的挤出端合并到一个出口，并利用嵌入G代码中的气压控制信息在打印过程中连续切换材料（Skylar-Scott等人，2019年）。因此，它提供了更高的3D打印效率、精度和切换频率。目前，连续切换3D打印在食品领域的可行性已经得到验证，并开发了一种管道扩展策略以确保挤出稳定性。此外，我们还创建了复杂的3D打印图案，如雪花牛肉和熊猫设计。

然而，在连续切换3D食品打印中，由两种材料沉积形成的丝材存在明显的不均匀线宽现象（Zhao等人，2025年）。这种不均匀性遵循相对规律的模式，主要表现为材料切换点处线宽减小，随后在后续打印位置线宽增加，再在下一个切换点再次减小。这一问题可能与粘弹性流体的流动复杂性以及微通道中两相材料的切换过程有关（He等人，2024年；Skylar-Scott等人，2019年）。粘弹性流体在开始流动时会经历蠕变和应力松弛过程，当流动停止时恢复过程较慢（Guo等人，2025年；Mohanty等人，2024年）。此外，粘弹性流体与管道之间的摩擦以及两相流体之间的相互作用可能会影响流动过程（Andrade等人，2023年）。这种现象不仅在食品材料中观察到，在硅胶、硅油和非食品离子水凝胶中也很明显（He等人，2024年；Skylar-Scott等人，2019年）。然而，现有研究尚未阐明连续切换3D打印中丝材宽度不一致的规律和确切原因。丝材宽度的不一致性一方面会降低表面形态和精度，从而降低打印产品的视觉质量（Heckl等人，2025年）；另一方面可能导致填充不足，特别是在两种材料的接触点和承受机械载荷的位置，从而导致结构不稳定（Lan等人，2025年）。在连续切换3D打印中，一些研究提出通过保持恒定的挤出流量来降低整体打印速度，以确保线宽的一致性（He等人，2024年）。这种方法会导致浆体过度沉积，造成两种材料相之间的拥挤效应，从而减轻丝材不一致性。然而，这种方法严重影响了打印精度和效率。例如，使用2毫米喷嘴时，需要将打印速度降至2毫米/秒，结果得到的丝材宽度为5毫米。

本研究旨在阐明连续切换3D食品打印中丝材宽度变化模式及其根本原因，以期开发出一种在保持打印精度和效率的同时提高丝材一致性的策略。动物蛋白浆具有良好的流动和打印性能，其流变强度可以通过调整水分含量轻松调节。这使其成为3D打印研究的理想粘弹性食品系统模型。因此，本研究使用不同含水量的牛肉浆作为具有不同强度的粘弹性流体的模型系统。通过分析两相材料丝材的线宽，研究了丝材宽度一致性与材料属性及打印参数之间的关系。此外，通过牛肉浆的流变分析、微通道挤出过程中的力学分析以及模拟技术，确定了影响线宽一致性的关键因素。基于上述发现，开发了一种Tcode控制模型，实现了在浆体切换位置动态调整打印速度的打印技术。此外，还使用了牛肉浆和鸡肉浆作为打印材料，并构建了基于体素的模型等结构，以验证该方法对不同材料类型和模型精度的适应性（图1）。

材料

使用了中国华润万家超市购买的牛里脊肉和鸡胸肉。

打印浆料的制备

在制备浆料之前，将肉在4°C的冰箱中解冻12小时。然后将整块肉切成大约3厘米×3厘米×3厘米的小块，并放入德国STEPHAN Universal Machines公司的UMC5搅拌机中进行切碎。以1000转/分钟的速度搅拌3分钟后，将浆料的水分含量调整到目标值（牛肉为77%和83%，鸡肉为79%和83%）

两相浆料连续切换过程中丝材线宽的一致性

准备了含水量为77%（77B）和83%（83B）的牛肉浆，以形成不同强度的粘弹性食品浆料，从而研究浆料属性对两相浆料连续切换过程中丝材线宽一致性的影响。基于77B和83B在距离喷嘴出口到打印平台0.9毫米处形成1100微米（±100微米）目标线宽的能力

结论

本研究发现，在连续切换3D食品打印中，丝材宽度在切换区域变窄，这种变窄的程度与浆料的属性高度相关。切换区域的丝材宽度减小部分与浆料的粘弹性属性有关。当浆料在恒定气压下挤出时，粘度和管道摩擦的存在会导致蠕变行为，阻碍挤出速度的提高

未引用的参考文献

Lee等人，2025年。

CRediT作者贡献声明

赵子龙：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、数据分析。安晓琳：方法论、数据分析。张娜娜：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。徐鼎轩：可视化、软件开发。胡波：形式分析、数据分析。陈星：监督、形式分析。严博文：撰写——审稿与编辑。刘宇：撰写——审稿与编辑、数据分析、资金获取。陈伟：项目协调