技术领域
[0001] 本
发明涉及一种控制单元，一种具有这种控制单元的食品打印机以及一种用于控制这种食品打印机的方法，该食品打印机尤其用于打印多个不同的打印物料。
背景技术
[0002] 食品打印机能够为使用者个体化地且可靠地制备各种不同的食品。例如可以通过食品打印机定制不同的
烘焙品并在需要时进行制作。
[0003] 对于不同的食品而言需要不同的打印物料，所述打印物料由食品打印机打印并在必要时烹饪。不同的打印物料可以具有不同的流变特性(rheologische Eigenschaften)，其中，流变特性可以影响打印过程。此外，对于(复杂)食品的打印来说，通常需要多个不同的(具有不同流变特性的)打印物料。
发明内容
[0004] 本文的技术任务是提供一种控制单元、一种具有这种控制单元的食品打印机以及一种用于控制食品打印机的方法，所述控制单元、食品打印机和所述方法能够以可靠和精确的方式借助不同的打印物料来打印食品。
[0005] 该任务分别通过独立
权利要求的主题实现。有利的优选实施方式尤其在
从属权利要求中定义、在接下来的
说明书中描述或在
附图的示图中示出。在技术上有意义的范畴内，本发明的根据控制单元、食品打印机和所述方法的类别中的一个的优选实施方式也相应于本发明的分别根据其他类别的优选实施方式，即使在此未明确指出也是如此。
[0006] 因此，根据本发明的一方面，描述一种用于食品打印机的控制单元。食品打印机设置用于将打印物料从容器挤出到存放面(例如板)上，以便打印食品。为此目的，食品打印机可以包括打印头，可以借助运动装置(例如沿一个或多个
导轨)将该打印头
定位在存放面上的不同
位置上。可以将该容器(必要时可更换地)布置在打印头中，并且可以在不同位置通过
喷嘴将(可食用的，粘性的)打印物料从容器中挤出。因此，可以在存放面上产生打印物料的三维(3D)布置。然后(必要时)可以在烹饪空间中烹饪(例如烘焙)打印物料的布置，以便制造出食品。该控制单元可以设置用于(例如根据待生产的食品的3D模型)控制打印过程——尤其打印头的定位和/或打印物料从容器的排出。
[0007] 控制单元设置用于确定关于容器中的打印物料的
光谱数据。在此，光谱数据取决于打印物料对于至少一个
波长的电磁
辐射的透射度和/或反射度。光谱数据尤其可以显示打印物料对于
电磁辐射的透射度和/或反射度。
[0008] 食品打印机可以包括具有发射器和接收器的光谱
传感器(尤其光谱仪)。在此，发射器可以设置用于朝所述容器的方向发射(具有至少一个波长的)电磁辐射，并且接收器可以设置用于检测如下电磁辐射：所述电磁辐射已经由该容器和/或在该容器中反射和/或已经穿过该容器。尤其可以通过接收器接收或检测所发射的电磁辐射的如下分量：所述分量已经在容器中(尤其由容器中的打印物料)所反射和/或已经穿过该容器。于是，控制单元可以设置用于基于所发射的和所接收的电磁辐射的特性来求取光谱数据。所述特性例如可以包括确定波长的电磁辐射的
能量。然后，光谱数据的求取可以包括：求取所接收的辐射的能量与所发射的辐射的能量的商。因此，例如可以求取透射度和/或反射度。可以针对多个不同的波长求取光谱数据。
[0009] 控制单元还设置用于根据光谱数据对食品打印机进行控制。尤其可以基于光谱数据求取容器中的打印物料的特性(例如打印物料的流动特性或流变特性)。然后可以根据所求取的打印物料的特性来匹配食品打印机的打印参数(例如将打印物料从容器排出的压
力)。因此，通过考虑光谱数据可以提高食品打印过程的
质量。尤其可以以高效且可靠的方式使打印过程匹配于不同的(具有不同流变特性的)打印物料。
[0010] 所述容器可以包括(具有第一
粘度的)第一打印物料和(具有第二粘度的)第二打印物料。控制单元可以设置用于基于光谱数据探测第一打印物料与第二打印物料之间的过渡。于是，控制单元可以设置用于在从第一打印物料至第二打印物料的过渡中或对于该过渡匹配食品打印机的一个或多个打印参数。尤其当要从容器挤出第二打印物料而不是第一打印物料时，可以对一个或多个打印参数进行匹配。因此，可以在容器中(顺序地或相继地)提供并且可靠地处理食品的多个打印物料或组分。因此，可以以可靠和舒适的方式实现食品的多组分打印。
[0011] 所述容器可包括第一打印物料与第二打印物料之间的分离剂，其中，该分离剂具有确定的
光谱特性。这种光谱特性可以预先为控制单元所已知。分离剂可以是无味的。此外，打印物料之间的分离剂的量(在体积上)可以比打印物料的量小一个或多个数量级。因此，分离剂可以基本上与所制造的食品无关。分离剂尤其可以仅用于用
信号通知(signalisieren)两种不同的打印物料之间的过渡。控制单元可以设置用于基于光谱数据并且基于分离剂的确定的光谱特性来探测第一打印物料与第二打印物料之间的过渡。通过使用分离剂，可以进一步改善食品的多组分打印。
[0012] 控制单元可以设置用于根据光谱数据匹配食品打印机的一个或多个打印参数。所述一个或多个打印参数可以包括：将打印物料从容器挤出的速度和/或压力；存放面(尤其沿x坐标和/或y坐标)的如下位置：在该位置上从容器挤出打印物料；和/或存放面上方(尤其沿z坐标)的如下高度：打印物料从所述高度从容器挤出。
[0013] 在求取关于打印物料的光谱数据的范畴内，可以考虑容器的(可能预确定的)光谱特性(尤其透射度)。因此，可以确保光谱数据(仅)取决于打印物料的特性。该容器优选如此构造，使得对于由光谱传感器所使用的电磁辐射而言，该容器(至少在用于测量的局部区域中)具有高于透射
阈值的透射度(例如80％，90％或更高)。
[0014] 光谱数据可以取决于打印物料对于具有多个不同波长的波长范围内的电磁辐射的透射度和/或反射度。光谱数据尤其可以显示打印物料的
透射光谱和/或反射光谱。于是，控制单元可以设置用于基于光谱数据求取打印物料的成分。然后可以在对食品打印机进行控制时考虑关于该成分的知识。
[0015] 所述容器可包括辨识装置(例如机器可读的代码和/或RFID标签)，其中，辨识装置显示关于容器中的打印物料的辨识数据。控制单元可以设置用于(还)根据辨识数据控制食品打印机。辨识数据可以显示用于容器中的不同打印物料的打印参数。此外，可以基于光谱数据探测不同的打印物料之间的过渡。因此，基于光谱数据并且基于辨识数据，可以在任何时刻以精确的方式求取所需的打印参数。因此，可以实现高质量的多组分打印。
[0016] 控制单元可以设置用于根据辨识数据对电磁辐射的如下特性进行匹配：所述特性用于求取光谱数据。辨识数据例如可以显示：应该使用哪个或哪些波长来求取光谱数据。然后可以相应地匹配食品传感器的光谱传感器。因此，可以提高所检测的光谱数据的质量并因此提高所打印的食品的质量。
[0017] 控制单元可以设置用于基于辨识数据求取期望光谱数据。然后可以将期望光谱数据与所述光谱数据进行比较，并且可以根据该比较将提示(例如光谱传感器的故障的提示)输出给食品打印机的使用者。因此，可以实现可靠的食品打印。
[0018] 食品打印机可以包括
高温计(Pyrometer)，该高温计设置用于检测关于容器的和/或打印物料的
温度的温度数据。使用高温计尤其可以实现温度数据的非
接触式检测。在此，上述的辨识数据显示(打印物料和/或容器的)特征数据，所述特征数据能够允许将借助高温计所检测的热辐射转换成容器的和/或打印物料的温度。控制单元可以设置用于(还)根据温度数据控制食品打印机。尤其可以根据温度数据匹配一个或多个打印参数。替代地，可以操控食品打印机的
调温单元，以便改变容器的和/或打印物料的温度(例如改变到期望打印温度)。因此可以进一步提高打印质量。
[0019] 根据本发明的另一方面，描述一种用于在存放面上打印食品的食品打印机。该食品打印机包括打印头，该打印头具有用于接收打印物料的容器。此外，该食品打印机包括用于检测关于容器中的打印物料的光谱数据的传感器。此外，食品打印机包括在本文献中描述的控制单元。
[0020] 根据本发明的另一方面，描述一种用于控制食品打印机的方法。食品打印机设置用于将打印物料从容器挤出到存放面上，以便打印食品。该方法包括：求取关于容器中的打印物料的光谱数据。在此，光谱数据取决于打印物料对于具有至少一个波长的电磁辐射的透射度和/或反射度。该方法还包括：根据光谱数据控制食品打印机。
[0021] 应当注意，本文描述的控制单元或本文描述的方法的任何方面可以以各种方式彼此组合。尤其权利要求的特征可以以各种方式彼此组合。
附图说明
[0022] 此外，根据附图中示出的优选
实施例更详细地描述本发明。附图示出：
[0023] 图1示出用于制造食品的系统的方
框图；
[0024] 图2示出示例性的打印头的方框图；
[0025] 图3示出容器的示例性光谱特性；
[0026] 图4示出用于控制食品打印机的示例性方法的
流程图。
具体实施方式
[0027] 如一开始所述，本文涉及在食品打印机中可靠地加工不同的打印物料。在这种情况下，图1示出示例性的食品打印机100的方框图。食品打印机100包括打印头120，可以借助运动装置106(例如沿着轨道106)在打印面或存放面104上的不同位置处定位该打印头。打印头120可以由打印机100的控制单元107所操控。
[0028] 控制单元107可以求取待打印的食品105的3D模型。此外，控制单元107可以根据3D模型对打印头120和运动装置106进行控制，以便在存放面104上打印食品105，该食品具有相应于3D模型的形状。为此目的，运动装置106可以设置用于使打印头120在存放面104上方平行地运动(即在X方向和Y方向上和/或例如在另一
坐标系中——例如具有径向方向和
角方向的极坐标系中)，此外，运动装置106可以设置用于改变打印头120与存放面104之间的距离(即，使打印头120沿Z方向运动)。
[0029] 存放面104可以布置在烹饪空间103中(例如
烤箱中)。控制单元107可以设置用于控制烹饪空间103中食品105的烹饪过程。尤其可以控制烹饪空间103的温度，例如以便对食品105进行烘焙和/或对食品105进行冷却。
[0030] 打印头120包括(如图2所示)用于接收打印物料108、208的打印物料容器102。打印物料容器102例如可以包括(可更换的)盒或
外壳。容器102可以构造用于接收多个不同的打印物料108、208或不同类型的打印物料。图2中所示的容器102包括第一打印物料108(例如面团)和第二打印物料208(例如番茄酱)。必要时可以通过具有分离剂的分离层将不同的打印物料108、208彼此分离。尤其可以通过分离层实现：容器102中的直接相邻的打印物料108、208(基本上)不会彼此混合。此外，分离剂可具有如下特性：所述特性能够允许通过传感技术以可靠的方式检测两个不同的打印物料108、208之间的过渡。
[0031] 打印头120包括喷嘴101(例如计量针)，通过该喷嘴可以将打印物料108、208从容器102挤出并且打印到存放面104上。此外，打印头120通常包括按压装置203(例如能够在容器102内运动的
柱塞)，借助该按压装置可以通
过喷嘴101将打印物料108、208
挤压或按压出容器102。可以通过控制单元107(根据3D模型)操控按压装置203，以便打印食品105。
[0032] 用于操控按压装置203的参数通常取决于待挤压的打印物料108、208的一个或多个特性(尤其一个或多个流变特性)。例如，随着打印物料108，208的粘度降低，通常必须由按压装置203施加的压力增加，以便将确定量的打印物料108、208挤压出喷嘴101。因此，为了生产高品质的食品105，有利的是：已知待打印的打印物料105的一个或多个特性，并且在打印过程中(尤其在确定打印过程的打印参数时)可以考虑这些特性。
[0033] 尤其在工业和/或商业上填充的容器102中(该容器例如可以由使用者在杂货店购买)，可以在容器102上提供辨识装置204，该辨识装置可以显示关于容器102中的一个或多个打印物料108、208的信息。辨识装置204例如可以包括机器可读的代码(例如
条形码或QR代码)和/或RFID标签。打印机100可以具有传感器装置(未示出)，该传感器装置设置用于检测关于容器102的辨识装置204的辨识数据。控制单元107可以基于所检测的辨识数据求取容器102中的一个或多个打印物料108、208的一个或多个特性。控制单元107尤其可以基于所检测的辨识数据来操控打印头120(尤其按压装置203)。
[0034] 打印物料108、208的流变特性通常还取决于打印物料108、208的温度。打印头120可以具有温度传感器205(尤其高温计)，借助该温度传感器可以检测关于容器102中的一个或多个打印物料108、208的温度的温度数据。温度传感器205可以设置用于非接触式地检测温度数据。温度传感器205可以布置在打印头120的承载结构202上。承载结构202可以设置用于以可更换的方式接收不同的(必要时分别具有集成的喷嘴101的)容器102。控制单元107可以设置用于基于所检测的温度数据操控打印头120(尤其按压装置203)。
[0035] 如果容器102不具有辨识装置204(例如因为该容器102已经由使用者自身填充有打印物料108、208)和/或如果容器102具有带有不同流变特性的多个不同的打印物料108、208，则可能无法以足够的准确度确定用于操控打印头120的打印参数，这可能对所打印的食品105的质量产生负面影响。例如虽然可以通过容器102的辨识装置204提供关于不同打印物料108、208的信息。但另一方面，辨识装置204可能无法以足够的准确度显示这两个不同的打印物料108、208之间的边界。
[0036] 打印头120可以包括光谱传感器110(例如光谱仪)，该光谱传感器设置用于检测关于容器102中的至少一个打印物料108、208的光谱数据。光谱传感器110可以布置在打印头110的承载结构202上——尤其直接布置在喷嘴101上。光谱传感器110包括发射器211，该发射器设置用于朝容器102的方向发射电磁辐射。发射器211例如可以包括
光源、
激光器、LED等。光谱传感器110还包括接收器212，该接收器设置用于接收在容器102上和/或容器102中反射的电磁辐射。然后，基于所发射的辐射和所反射的辐射(即基于光谱数据)，可以求取容器102中的打印物料108、208的一个或多个特性。
[0037] 容器102具有至少一个如下区域：在该区域中，容器102对于所发射的和所反射的辐射而言至少部分地透明。容器102尤其可以至少在一个区域中(例如在窗口内)具有对于所发射的和所反射的辐射的如下透射度：该透射度大于透射阈值(例如80％，90％或更大)。因此可以确保：光谱数据显示关于容器102内的打印物料108、208的信息。可以在对所检测的光谱数据进行分析处理时考虑容器102的透射度。因此，可以以精确的方式求取关于容器
102内的打印物料108、208的信息。
[0038] 控制单元107可以设置用于还根据光谱数据操控打印头120和/或运动装置106。因此，可以以可靠和精确的方式打印由不同打印物料108、208构成的食品105。
[0039] 通过在本文中所描述的措施，可以借助一个或多个非接触式测量方法求取用于3D食品打印机100的容器102(尤其在多组分填充情况下)的内容物的信息。在此，可以非接触式地测量所使用的容器102的温度。
[0040] 例如在容器102的多组分填充的情况下，各个打印物料或组分108、208的填充量存在一定的公差，使得相邻组分108、208之间的组分过渡在不同容器或盒102之间发生变动。这可能导致打印图像中(即在所生产的食品105中)的错误。借助本文中描述的测量方法，可以以精确的方式(尤其基于光谱数据)探测组分过渡。
[0041] 如上所述，打印头120可以包括基于
光谱学的传感器110，借助该传感器可以求取打印介质(即打印物料)108、208的确定的材料特性。在此，可以使传感器110匹配于所使用的容器102的特性——尤其容器102的材料(例如聚丙烯)。图3示出不同容器102的示例性的透射光谱303(该透射光谱将透射度302显示为波长301的函数)。传感器110可以设置用于发射和接收如下波长范围内的电磁辐射：在所述波长范围内，容器102具有相对较高的透射度302。此外，控制单元107可以设置用于在对由传感器110所检测的光谱数据进行分析处理时考虑容器102的透射光谱303。容器102可以具有至少一个如下区域(例如观察窗)：该区域在传感器110的波长范围内具有相对较高的透射度302。
[0042] 用于求取打印介质108、208的材料特性的示例性波长范围是UV(紫外)、VIS(可见光范围内的辐射)、NIR(
近红外)、MIR(
中红外)、LIR(远红外)。可以根据打印机100在打印介质108、208方面的测量要求和信息要求来选择适用于此的波长范围。优选地，可以使用来自VIS或NIR的波长范围。如果例如应该对容器102中的不同组分108、208的色差进行检测，则可以使用用于VIS范围的传感器110(尤其接收器212)。
[0043] 传感器110包括发射器(例如光源)211，该发射器与传感器110的探测器212或接收器212相协调。发射器211和接收器212可以彼此处于光轴中并且具有共同的焦点。传感器110优选靠近(即紧邻)容器102布置，以便减少(例如由于诸如外来辐射的干扰参量所导致的)错误测量。此外，传感器110优选布置在容器102的排出口附近(即喷嘴101处)。
[0044] 传感器110可以设置用于求取一个或多个波长301的或波长范围的光谱数据(例如反射度)。尤其如果没有信息装置204布置在容器102上，和/或，如果所已知的关于所使用的打印介质108、208的信息很少，则可以对完整的光谱(宽带地、例如可见光、近红外和/或红外区域中)进行检测。在此，关于打印介质108、208的可用信息随着所检测的光谱的带宽和
分辨率的增加而增加。例如如果需要可以求取打印介质108、208的各个成分(尤其基于IR范围内的光谱)。
[0045] 设置在工业上制造并填充的容器102上的编码204通常显示关于如下的信息：容器102的内容物、容器102的内容物的光学特性、制造容器102的材料、用于打印过程的打印参数和/或最佳使用期。如果这些信息可用，则可以将传感器110的波长范围减小到一个或仅几个波长(例如VIS范围内)。因此，可以使用成本高效的传感器110。控制单元107可以基于由信息装置204显示的辨识数据来确定将如何运行传感器110，以便例如识别容器102中的两个打印物料108、208之间的组分过渡。
[0046] 打印机100可以允许容器102的非接触式温度测量。尤其可以提供高温计205(例如
热电堆)例如作为传感器110的一部分。基于由信息装置204显示的信息，可以求取用于准确测量温度所需的辐射系数(即可以提供关于容器102和/或一个或多个打印物料108、208的特征数据)。因此，可以实现精确的非接触式温度测量。可以将容器102的所测量的温度用于匹配打印参数。此外，可以使用温度数据来将容器102的
温度控制到或调节到确定的期望打印温度上。
[0047] 控制单元107可以设置用于基于辨识数据并且基于光谱数据来探测传感器110和/或容器102的污染。尤其是可以看出，光谱数据与期望光谱数据不一致，该期望光谱数据由容器102上的辨识装置204显示。因此，可以减少或避免应用/系统错误。
[0048] 可以根据光谱数据将打印过程个体化地协调于相应的打印介质108、208的特性。因此可能的是，根据打印介质108、208以及必要时根据其温度来匹配(例如调节)打印参数(例如打印速度、材料进给、打印几何形状、层间距等)。因此可以得到更清晰且能够重复的打印结果。
[0049] 例如可以打印由两个组分108、208制成的比萨。这两个组分108、208一方面是基料(面团)、另一方面是涂层(番茄酱)。这两个组分108、208可以共同位于盒102中。两个组分108、208具有不同的流变特性，所述流变特性又与温度相关。为了将两个组分108、208依次分层(番茄酱在面团上)，可以由打印机100打印两个不同的平面。
[0050] (尤其对于由使用者填充的盒102而言)两个组分108、208之间的过渡可能是变动的。然而根据光谱数据，可以可靠地探测两个组分108、208之间的过渡。于是，控制单元107可以根据光谱数据匹配打印参数和/或打印几何形状。因此，可以将番茄酱可靠地放在面团上。
[0051] 通过考虑容器102的信息装置204，可以提高打印机100的可靠性。信息装置204例如可以显示关于外壳材料、外壳内容物、组分108、208的数量、组分108、208的顺序和/或分层(并排或平行)的信息。因此，打印机100可以可靠地求取：哪些组分108、208预期具有哪些(光学的或光谱的)特性。因此，可以降低光谱传感器110的成本和/或可以提高光谱数据的分析处理质量。
[0052] 尤其在由使用者自身进行填充时，可以使用(液态的或糊状的)相分离剂来实现组分108、208之间的最唯一明确的过渡。在此，相分离剂可以形成相界。在此，相分离剂可以具有特定的光学特性或光谱特性，所述光学特性或光谱特性可以由传感器110所检测，以便将该组分过渡用信号通知给打印机100。因此，即使不知道各个组分108、208的光学特性，也可以可靠地探测组分过渡。
[0053] 图4示出用于控制食品打印机100的示例性方法400的流程图。食品打印机100设置用于将打印物料108、208从容器102挤出到存放面104上，以便打印食品105。例如可以通过食品打印机100的控制单元107实施方法400。方法400包括：求取401关于容器102中的打印物料108、208的光谱数据。在此，所述光谱数据取决于打印物料108、208对于电磁辐射的透射度和/或反射度。光谱数据尤其可以显示透射度和/或反射度。此外，方法400包括：根据光谱数据控制402食品打印机100。
[0054] 基于本文中描述的措施，可以以可靠的方式求取容器102中的一个或多个打印物料108、208的特性，以便能够打印出具有高质量的食品105。尤其是可以识别：容器是否是空的和/或未知容器102是否已经插入打印头120中。此外，必要时可以识别：已被排空的(工业填充并且已知的)容器是否已经由使用者重新填充并且插入，和/或，被部分排空的容器是否又重新被插入(在这种情况下，必要时可以存储填充状态并且在需要时又重新对其进行调用)。此外，可以以可靠的方式识别打印物料108、208之间的过渡，这能够实现高质量的多组分食品打印。此外，可以以精确的方式将打印参数匹配于相应打印物料108、208的特性。
[0055] 本发明不局限于所示出的实施例。尤其应注意，说明书和附图仅说明所提出的打印机100的、所提出的控制单元107的和/或所提出的方法400的原理。
