气动挤出式食品3D打印系统的多材料协同打印策略与可扩展性研究

本综述系统评价了基于气动挤出模块的多食品墨水同步挤出装置与协同打印策略。通过设计行/环六通道夹具（单筒最小承载508.26 N）实现挤出压力均匀分配，使打印效率提升82.7%。结合压力调节器与逆向阀控制，成功实现三种不同粘度墨水的同步共印，产品质构与单次挤出无显著差异。该技术为多材料拼接打印（multi-ink splicing）、多层复合打印及彩色墨水协同打印提供了可扩展平台（scalability potential），显著提升食品3D打印的物料适应性与产品多样性。

　　

Highlight

气动挤出式食品3D打印系统展现出卓越的可扩展性潜力，通过创新夹具设计与智能气路控制实现多材料协同制造。

Equipment introduction

本研究采用爱普生T6-602S SCARA机器人（图1a-b），其四轴联动系统（x/y/z/Rz轴）通过悬臂保持z轴定位稳定性，为多打印头集成提供理想运动平台。

Multi-extruder fixtures design

为最大化悬臂空间利用率，本研究设计了行式与环式六通道夹具。行式夹具采用悬臂梁结构（图1c-d），需重点防范A-A、B–B截面的压缩弯曲风险；环式夹具则通过均载设计确保结构完整性。经强度校准，行式夹具最小破坏载荷为508.26 N，环式夹具最大负载低于悬臂6 kg承重极限。

Conclusion

夹具设计有效拓展了SCARA打印机的物理空间与功能边界。三款TS墨水凭借最优流变特性、挤出稳定性与堆叠性成为最佳打印材料。通过高压同步挤出实验证实，多材料共印产品在质构特性上与单次挤出产品无显著差异，验证了气动挤出系统在复杂食品制造中的工程可行性。

CRediT authorship contribution statement

潘靖夫：原始撰写与数据分析；陈晓晨：方法论与实验验证；刘靖瑶：软件实现；王子怡：验证测试；Tariq Aziz：资源供给；Majid Alhomrani：评审与资金支持；Walaa F. Alsanie与Abdulhakeem S. Alamri：评审润色；崔海英：可视化与项目管理；林琳：总体构思与资金统筹。

Declaration of competing interest

作者声明无已知利益冲突

Acknowledgements

本研究受国家重点研发计划（2022YFF11001700）与沙特Taif大学项目（TU-DSPP-2024-15）资助。