中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (3): 584-596.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.03.012
苏安祥1(), 贺安琪2, 马高兴1, 赵立艳2, 杨文建1, 胡秋辉1(
)
收稿日期:
2023-09-28
接受日期:
2023-12-04
出版日期:
2024-02-01
发布日期:
2024-02-05
通信作者:
联系方式:
苏安祥,E-mail:xiangansu@126.com。
基金资助:
SU AnXiang1(), HE AnQi2, MA GaoXing1, ZHAO LiYan2, YANG WenJian1, HU QiuHui1(
)
Received:
2023-09-28
Accepted:
2023-12-04
Published:
2024-02-01
Online:
2024-02-05
摘要:
【目的】食品3D打印技术是食品领域具有发展前景的新技术,但是打印过程影响因素多,存在打印参数确定困难、打印精度预测能力差等问题。寻找有效建模方法,对杏鲍菇粉3D打印参数进行寻优,以确定最佳3D打印条件。【方法】本研究采用杏鲍菇粉和刺槐豆胶为3D打印原料,以单因素试验为基础,通过中心组合试验设计,研究喷嘴直径、打印高度、喷嘴移动速度和填充率4个关键的工艺参数对杏鲍菇粉3D打印精度的影响,并在此基础上采用响应面法和神经网络-遗传算法分别建模分析,确定3D打印的工艺参数。【结果】单因素试验及中心组合试验结果表明,影响3D打印精度的主要因素从大到小顺序为填充率、喷嘴直径、喷嘴移动速度、打印高度。响应面法和神经网络-遗传算法均可用于杏鲍菇粉3D打印参数优化,但是优化效果不同。响应面法的决定系数R2值、均方根误差、相对误差、预测最优值分别为0.8817、0.2314、72.73%、0.148;神经网络-遗传算法的决定系数R2值、均方根误差、相对误差、预测最优值分别为0.9389、0.2269、33.85%、0.215。比较模型参数可得,神经网络-遗传算法的决定系数R2值较高,均方根误差、相对误差较低,比响应面法拟合能力更好,同时其预测最优值较高,具有更好的预测能力。神经网络-遗传算法比响应面法更适合于杏鲍菇粉3D打印参数工艺的优化。采用神经网络-遗传算法获得以杏鲍菇为原料的3D打印最佳工艺参数条件为:喷嘴直径1.2 mm、打印高度1.1 mm、喷嘴移动速度24 mm∙s-1、填充率84%。经过试验验证,神经网络-遗传算法确定的最优参数打印样品偏差为0.325,优于响应面的实际打印偏差0.550。【结论】本研究结果表明神经网络-遗传算法可以有效确定3D打印过程最优工艺参数,准确预测食品3D打印产品的精度,可作为农产品及食品个性化3D打印工艺参数优化的一种有效便捷方法。
苏安祥, 贺安琪, 马高兴, 赵立艳, 杨文建, 胡秋辉. 神经网络-遗传算法对杏鲍菇粉3D打印的建模与优化[J]. 中国农业科学, 2024, 57(3): 584-596.
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表2
3D打印工艺参数中心组合试验设计与结果"
序号 No. | 因素Factor | 偏差量 Deviation (%) | |||
---|---|---|---|---|---|
喷嘴直径 Nozzle diameter (mm) | 打印高度 Nozzle height (mm) | 喷嘴移动速度 Moving speed of nozzle (mm∙s-1) | 填充率 Fill density (%) | ||
1 | 1.00 | 1.00 | 20 | 70 | 2.60 |
2 | 1.40 | 1.00 | 20 | 70 | 1.60 |
3 | 1.00 | 1.40 | 20 | 70 | 2.20 |
4 | 1.40 | 1.40 | 20 | 70 | 1.58 |
5 | 1.00 | 1.00 | 30 | 70 | 2.69 |
6 | 1.40 | 1.00 | 30 | 70 | 2.03 |
7 | 1.00 | 1.40 | 30 | 70 | 2.21 |
8 | 1.40 | 1.40 | 30 | 70 | 1.99 |
9 | 1.00 | 1.00 | 20 | 90 | 1.54 |
10 | 1.40 | 1.00 | 20 | 90 | 0.91 |
11 | 1.00 | 1.40 | 20 | 90 | 1.95 |
12 | 1.40 | 1.40 | 20 | 90 | 0.61 |
13 | 1.00 | 1.00 | 30 | 90 | 1.60 |
14 | 1.40 | 1.00 | 30 | 90 | 1.30 |
15 | 1.00 | 1.40 | 30 | 90 | 1.73 |
16 | 1.40 | 1.40 | 30 | 90 | 1.03 |
17 | 0.80 | 1.20 | 25 | 80 | 2.00 |
18 | 1.60 | 1.20 | 25 | 80 | 2.51 |
19 | 1.20 | 0.80 | 25 | 80 | 2.51 |
20 | 1.20 | 1.60 | 25 | 80 | 1.94 |
21 | 1.20 | 1.20 | 15 | 80 | 0.47 |
22 | 1.20 | 1.20 | 35 | 80 | 1.84 |
23 | 1.20 | 1.20 | 25 | 60 | 2.56 |
24 | 1.20 | 1.20 | 25 | 100 | 0.92 |
25 | 1.20 | 1.20 | 25 | 80 | 0.12 |
26 | 1.20 | 1.20 | 25 | 80 | 0.43 |
27 | 1.20 | 1.20 | 25 | 80 | 0.86 |
28 | 1.20 | 1.20 | 25 | 80 | 0.06 |
29 | 1.20 | 1.20 | 25 | 80 | 0.19 |
30 | 1.20 | 1.20 | 25 | 80 | 0.19 |
表3
打印样品偏差量的回归模型方差分析"
方差来源 Source of variance | 平方和 Sum of squares | 自由度 Degree of freedom | 均方 Mean square | F值 F value | P值 P value |
---|---|---|---|---|---|
模型 Model | 17.510 | 14 | 1.250 | 7.99 | 0.0001** |
A喷嘴直径Nozzle diameter | 0.800 | 1 | 0.800 | 5.10 | 0.0392* |
B打印高度Nozzle height | 0.190 | 1 | 0.190 | 1.22 | 0.2871 |
C移动速度Moving speed of nozzle | 0.770 | 1 | 0.770 | 4.92 | 0.0424* |
D填充率 Fill density | 3.760 | 1 | 3.760 | 24.01 | 0.0002** |
AB | 0.005 | 1 | 0.005 | 0.03 | 0.8668 |
AC | 0.190 | 1 | 0.190 | 1.19 | 0.2917 |
AD | 0.015 | 1 | 0.015 | 0.10 | 0.7612 |
BC | 0.007 | 1 | 0.007 | 0.04 | 0.8377 |
BD | 0.052 | 1 | 0.052 | 0.33 | 0.5739 |
CD | 0.006 | 1 | 0.006 | 0.04 | 0.8474 |
A2 | 5.860 | 1 | 5.860 | 37.45 | <0.0001** |
B2 | 5.800 | 1 | 5.800 | 37.04 | <0.0001** |
C2 | 1.020 | 1 | 1.020 | 6.48 | 0.0224* |
D2 | 3.170 | 1 | 3.170 | 20.23 | 0.0004** |
残差 Residual | 2.350 | 15 | 0.160 | ||
失拟项Lack-of-Fit | 1.900 | 10 | 0.190 | 2.12 | 0.2102 |
纯误差 Pure error | 0.450 | 5 | 0.090 | ||
总和 Sum | 19.860 | 29 |
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