基于优化反向传播和格子玻尔兹曼方法研究温度和时间对巧克力三维打印的影响

《EUROPEAN FOOD RESEARCH AND TECHNOLOGY》：Effects of temperature and time on chocolate three dimensional printing using optimized backpropagation and lattice Boltzmann method

　　

摘要

三维（3D）打印为定制化食品加工提供了一种新方法。材料挤出（MEX）可以作为实现自由形态巧克力制造的一种参考技术。然而，精度有限阻碍了该技术在生产具有复杂或细微表面细节部件方面的能力。本研究考察了两个关键参数——温度和时间——对打印精度的影响。通过流体流动分析探索流动与精度之间的关系。温度和/或时间均直接影响粘度；粘度的变化会导致不同的出口速度（又称挤出速度），进而影响打印精度。本研究最重要的贡献在于提出了一个综合框架，结合了流变学表征、格子玻尔兹曼方法（LBM）数值模拟、人工智能（AI）和实验验证，解释了流变学特性与打印质量之间潜在的关系，揭示了时间和温度如何影响打印特性的机理。基于粘度预测，与拟合方程相比，平均均方根误差（RMSE）降低了66.56%。将粘度模型纳入外力格子玻尔兹曼方法（LBM）以确定实际挤出速度，并开发了速度预测模型（R²接近1，RMSE为1.7311×10??），有助于为未来实验选择工艺参数。直线和圆环的打印测试表明，宽度随温度和/或时间的升高而增加。最优熔化温度范围确定为37.2–37.6 °C。以挤出速度为输入的宽度预测模型平均R²为0.9705，平均RMSE为0.0072。本研究可以为挤出机结构设计和打印参数选择提供理论依据，特别是对于以巧克力为代表的热熔膏状物的打印工艺优化。

三维（3D）打印为定制化食品加工提供了一种新方法。材料挤出（MEX）可以作为实现自由形态巧克力制造的一种参考技术。然而，精度有限阻碍了该技术在生产具有复杂或细微表面细节部件方面的能力。本研究考察了两个关键参数——温度和时间——对打印精度的影响。通过流体流动分析探索流动与精度之间的关系。温度和/或时间均直接影响粘度；粘度的变化会导致不同的出口速度（又称挤出速度），进而影响打印精度。本研究最重要的贡献在于提出了一个综合框架，结合流变学表征、格子玻尔兹曼方法（LBM）数值模拟、人工智能（AI）和实验验证，解释了流变学特性与打印质量之间的潜在关系，揭示了时间和温度影响打印特性的机理。基于粘度预测，与拟合方程相比，平均均方根误差（RMSE）降低了66.56%。将粘度模型纳入外力格子玻尔兹曼方法（LBM）以确定实际挤出速度，并开发速度预测模型（R²接近1，RMSE为1.7311×10??），有助于为未来实验选择工艺参数。直线和圆环的打印测试表明，宽度随温度和/或时间的升高而增加。最优熔化温度范围为37.2–37.6 °C。以挤出速度为输入的宽度预测模型平均R²为0.9705，平均RMSE为0.0072。本研究可为挤出机结构设计和打印参数选择提供理论依据，尤其对于以巧克力为代表的热熔膏状物的打印工艺优化。