楊來(lái)俠 楊繁榮 桂玉蓮 李佳璞

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

傳統(tǒng)的3D打印機(jī)僅支持聚乳酸(PLA)和丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)等塑料材料[1]，并且3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，但隨著該技術(shù)的發(fā)展，漸漸突破性地投入了比如陶瓷、金屬等特殊材料。在早些年也將此技術(shù)應(yīng)用到了食品行業(yè)中，但目前仍然處于初步研究階段，并未大量在市場(chǎng)普及，主要原因是可食用材料的復(fù)雜性。

相對(duì)于傳統(tǒng)的食品加工方式，3D打印技術(shù)可以在原材料上對(duì)傳統(tǒng)畜牧業(yè)進(jìn)行代替，進(jìn)而提高能源的利用率，降低污染，也可以在一定程度上提高餐飲業(yè)的工作效率，將廚師從繁雜工作中解放出來(lái)。當(dāng)然利用增材制造技術(shù)打印食品，其目的并不僅僅是將產(chǎn)品單一生產(chǎn)的過(guò)程進(jìn)行集中化，食物中新的紋理和潛在的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也是其特色之一，并且另一個(gè)流行趨勢(shì)是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，普通工匠并不能通過(guò)手工來(lái)完成。類似于此類需求的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的食品加工方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其需要[2]。因此，加快食品加工創(chuàng)新是食品行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的根本出路，需要不斷地投入科技創(chuàng)新[3]。

1 3D打印應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)如今已經(jīng)涉及到生活的各個(gè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)行業(yè)形成互補(bǔ)[4]。近年來(lái)，不僅在機(jī)械、航空、醫(yī)療[5]、建筑和藝術(shù)等方面有所建樹(shù)，在食品加工領(lǐng)域也不斷地應(yīng)用創(chuàng)新，獲得了各界的廣泛關(guān)注[6]，具體應(yīng)用見(jiàn)表1。目前，已有多種可食用材料應(yīng)用于3D打印技術(shù)，其中包括巧克力、谷物零食、冰激凌、餅干、披薩、奶油等[7]，部分成品如圖1所示。

將可食用材料應(yīng)用在3D打印行業(yè)最初是在美國(guó)出現(xiàn)，2006年由美國(guó)高中生諾伊·沙爾[8]用改進(jìn)后的Fab@Home打印機(jī)打印出了肯塔基州形狀的巧克力。隨后迅速在國(guó)內(nèi)外掀起一股熱潮，不僅拓寬了材料范圍，并且研發(fā)出了適應(yīng)于不同材料的食品打印機(jī)。2012年7月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員[9]利用糖、蛋白質(zhì)、脂肪和肌肉細(xì)胞等原材料，用改進(jìn)的3D 打印技術(shù)打印出生肉，其紋理和口感，甚至肉里的微細(xì)血管都和真正的生肉相似。2013年初，畢業(yè)于紐約大

表1 3D打印技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域Table 1 Application of 3D printing technology

圖1 3D打印技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用Figure 1 Application of 3D printing technology in food industry

學(xué)的Marko[10]推出了制作墨西哥薄餅的 3D打印機(jī)原型。2014年，西班牙Natural Machines公司[11]發(fā)明了名為“Foodini”的3D食物打印機(jī)，采用6個(gè)噴嘴變化組合制作漢堡、比薩、意大利面和各類蛋糕等食物。而此技術(shù)在中國(guó)發(fā)展也較為迅速，2003年西安交通大學(xué)研究者[12]采用氣壓熔融擠壓設(shè)備打印改性乳化糖材料來(lái)制造人工骨模型，2013年江蘇某高校孫鐵波等[13]分析研究了奶油3D打印的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了奶油 3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及奶油噴嘴方案。2014年福建省藍(lán)天農(nóng)場(chǎng)食品有限公司利用3D打印技術(shù)做出個(gè)性化的彩色餅干[14]，在顏色上有視覺(jué)沖擊感，深受兒童和年輕女孩的喜歡，市場(chǎng)銷路特別好[15]。2016年由清華大學(xué)畢業(yè)生王鑫等[16]組成的三弟畫餅團(tuán)隊(duì)研制軟件開(kāi)發(fā)以及硬件，經(jīng)多次嘗試，研發(fā)出外形適中的3D煎餅打印機(jī)，如圖2 所示。

圖2 3D煎餅打印機(jī)和打印的煎餅Figure 2 3D pancake printer and printed pancakes

2 3D打印原理及設(shè)備構(gòu)成

2.1 3D打印關(guān)鍵技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù)，有效結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和材料技術(shù)等多種技術(shù)和工藝，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與廣泛的前景[17]，主要的工作原理見(jiàn)圖3。以三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，通過(guò)Simplified 3D或Magics等分層軟件對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，定義層厚、打印速度和打印溫度等關(guān)鍵參數(shù)，將模型導(dǎo)出為STL格式的文件后進(jìn)行打印，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)分層軟件所傳遞的信息按照預(yù)定路徑進(jìn)行打印，最終層層堆積形成實(shí)體件[18]。3D打印已提出數(shù)十年，目前的3D打印方法有很多種，但最為成熟的有以下幾種[19]：

2.1.1 選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS) 以粉末材料為原料，利用高強(qiáng)度的CO2激光器燒結(jié)固化鋪灑在成型平臺(tái)上的粉末，層層疊加直至實(shí)體件成型。

圖3 3D打印的工作原理Figure 3 Working principle of 3D printing

2.1.2 熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)

以絲狀材料為原料，通過(guò)噴頭部位的加熱部件使其熔融，最終選擇性地涂敷在工作平臺(tái)上，形成層層截面，疊加后成為三維實(shí)物。

2.1.3 立體光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus，SLA) 以液態(tài)的光敏樹(shù)脂為原料，利用激光照射使被掃描區(qū)域的樹(shù)脂產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，再次敷上新的樹(shù)脂層，繼續(xù)掃描，直至三維實(shí)體成型。

2.1.4 激光成型技術(shù)(DLP) 與SLA技術(shù)相似，主要差異表現(xiàn)在DLP使用的光源是高分辨率數(shù)字光處理器投影儀，每層固化時(shí)是整個(gè)投影截面的樹(shù)脂同時(shí)固化，效率更高。

2.1.5 三維印刷(Three Dimensional Printing，3DP) 原料為粉末材料及對(duì)應(yīng)的粘結(jié)劑，其技術(shù)與SLS技術(shù)相似，由噴頭選擇性噴射的粘結(jié)劑來(lái)粘結(jié)粉末材料，層層粘結(jié)最終形成實(shí)體零件。

2.2 食品3D打印設(shè)備構(gòu)成

目前應(yīng)用于可食用材料的多數(shù)為桌面型3D打印機(jī)[20]，是將熱熔性食材通過(guò)加熱熔化，在噴頭的移動(dòng)過(guò)程中擠壓噴出成型為截面形狀，重復(fù)進(jìn)行此程序最終層層粘結(jié)獲得三維實(shí)體。根據(jù)此工作原理，開(kāi)發(fā)的3D打印設(shè)備包含機(jī)械部分、擠出機(jī)構(gòu)、成型平臺(tái)及控制部分[21]。

2.2.1 機(jī)械部分 機(jī)架用來(lái)承載各個(gè)傳動(dòng)部件，包含X、Y和Z軸的運(yùn)動(dòng)部件，因?yàn)閲婎^在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中會(huì)造成一定的沖擊，因此必須保證機(jī)架的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的機(jī)架分類當(dāng)中，主要分為i3、并聯(lián)臂、UM和MB 4種類型，如圖4所示。不同結(jié)構(gòu)會(huì)決定平臺(tái)與噴頭不同的帶動(dòng)方式，比如i3結(jié)構(gòu)就是Y軸帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，X和Z軸控制噴頭的定向運(yùn)動(dòng)。而MB結(jié)構(gòu)則是在Z軸上通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠來(lái)控制打印平臺(tái)上下移動(dòng)，在設(shè)備的頂端會(huì)設(shè)置有同步帶帶動(dòng)X和Y方向的運(yùn)動(dòng)從而定位噴頭位置。不同結(jié)構(gòu)各有利弊，使用者會(huì)依照實(shí)際空間大小、打印的物件類型以及打印過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)量大小來(lái)選擇。

圖4 3D打印機(jī)FDM機(jī)器的4種結(jié)構(gòu)Figure 4 Four structures of the 3D printer FDM machine

2.2.2 擠出機(jī)構(gòu) 根據(jù)材料的物理形態(tài)和流動(dòng)性來(lái)選擇擠出裝置的類型，對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)材料ABS等工程塑料會(huì)預(yù)先制成絲狀，由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭進(jìn)行擠壓，未熔的絲狀材料會(huì)給熔融料一個(gè)推力，從而成功擠出。而對(duì)于可食用的材料，比如顆粒狀的固體材料，物料運(yùn)輸部分就需改為螺桿機(jī)構(gòu)，不僅能夠傳輸物料，也可在此過(guò)程中熔融，利用未熔物的擠壓作為動(dòng)力來(lái)擠出。而對(duì)黏稠狀的液體以及糊狀材料，則需通過(guò)推桿擠出方式，驅(qū)動(dòng)方式可以選擇氣動(dòng)式，比如將蠕動(dòng)泵作為動(dòng)力源，也可以選擇電機(jī)擠壓式進(jìn)行擠壓，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)精確控制擠出量進(jìn)行層層打印。

2.2.3 成型平臺(tái) 通常情況下是一塊平板，用來(lái)承載打印物件，如若打印材料性能特殊，為了防止成型件翹曲或變形，會(huì)安裝可加熱平臺(tái)。在前文中提到，成型平臺(tái)有的會(huì)安裝在Z軸上進(jìn)行上下移動(dòng)，有的則會(huì)在水平方向上不動(dòng)，但在Y軸方向移動(dòng)，還有的則是靜止不動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)就是噴頭在XYZ方向上運(yùn)動(dòng)。

2.2.4 控制部分 主要包含溫度控制、運(yùn)動(dòng)控制、壓力控制。針對(duì)熔融沉積成型方式，前端加熱溫度的精確控制能夠保證材料的正常熔融，而后端溫度控制對(duì)擠出物料的黏度有一定的影響，進(jìn)而影響其成型效果，其中也包括對(duì)傳感器的控制，在達(dá)到預(yù)設(shè)溫度以后機(jī)構(gòu)才開(kāi)始進(jìn)入打印過(guò)程。而對(duì)于已經(jīng)是黏稠狀或糊狀的材料，僅僅需要擠壓狀態(tài)的控制，氣動(dòng)擠壓則需控制蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整空氣的進(jìn)給速度。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的擠壓方式，一般是電機(jī)帶動(dòng)絲杠進(jìn)而控制柱塞桿的推動(dòng)進(jìn)程，則會(huì)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)使進(jìn)給量適當(dāng)。X、Y和Z軸配合控制噴頭和平臺(tái)的移動(dòng)，但都是由電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，因此對(duì)于適當(dāng)?shù)亩ㄎ?，在分層軟件?zhí)行分層等一系列參數(shù)調(diào)整后均能得到合適的路徑進(jìn)而達(dá)到定位。

3 可食用材料成型原理及研究現(xiàn)狀

3.1 物理粘結(jié)

3D打印糖果最初提出只是利用蔗糖的吸濕性來(lái)成型，世界上最大的 3D 打印機(jī)制造商之一——3D Systems[22]研發(fā)出了專門用來(lái)打印糖果的ChefJet打印機(jī)，通過(guò)先噴射一層糖，后在上面覆蓋一層水，粉末糖遇到水則結(jié)晶凝固，未接觸到的水則會(huì)在后期自動(dòng)掉落，層層疊加使得糖可以在復(fù)雜的形狀下迅速塑形。同樣是利用蔗糖的物理特性，荷蘭的Aad van der Geest開(kāi)發(fā)了ColorPod設(shè)備[23]，用來(lái)打印各種色彩的小糖果。ColorPod的打印過(guò)程跟任何粉末床技術(shù)一樣，鋪設(shè)粉料后用輥?zhàn)訅浩?，使用由水和少量乙醇制成的可食用油墨，通過(guò)如圖5結(jié)構(gòu)的裝置噴射到由糖和糊精組成的粉末床上，逐層打印直到整個(gè)對(duì)象完成，最后將其取出，并使用一些膠水或者膠將其硬化。

3.2 熔融擠壓成型

由于目前市面上出現(xiàn)的FDM設(shè)備多以ABS、PLA等絲材的進(jìn)料方式，而作為可食用材料則要考慮其物理狀態(tài)。早在2010年美國(guó)康奈爾大學(xué)的科研人員[24]就研制出 3D 食物打印機(jī)，把奶酪和巧克力等食材“墨水”預(yù)先放進(jìn)一組注射器內(nèi)，再將注射器內(nèi)各種食材“墨水”按照行列、層疊順序依次“打印”出立體食物，打印過(guò)程如圖6所示。

圖5 3D打印糖制品和ColorPod設(shè)備Figure 5 3D printed sugar products sugar products and ColorPod equipment

圖6 3D食物打印機(jī)Figure 6 3D food printer

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)了各種關(guān)于食品打印的例子。2015年德國(guó)知名的糖果制造商Katjes[25]展示了其開(kāi)發(fā)的世界上第一款軟糖3D打印機(jī)“The Magic Candy Factory(神奇糖果工廠)”。2015年杭州電子科技大學(xué)研究人員[26]設(shè)計(jì)了基于氣動(dòng)控制的3D打印系統(tǒng)，調(diào)整溫度、氣壓和速度等參數(shù)，將熔融蔗糖在3D打印機(jī)上打印，用來(lái)制備出如圖7所示復(fù)雜的組織工程支架，所做研究為蔗糖材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)組織工程領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。2016年浙江大學(xué)研究人員[27]將FDM工藝與活塞桿擠出功能結(jié)合，將黏彈性面粉材料擠出成型為不同形狀，如圖7所示。

2015年，由賴斯大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家組成的一支生物工程團(tuán)隊(duì)[28]使用糖玻璃和硅膠3D打印出一種基本的血管系統(tǒng)，通過(guò)逐層3D打印糖玻璃，成型為一種格子狀的血管，硬化之后用作硅膠模具，最終形成血管灌注通道，如圖8所示。此結(jié)構(gòu)具備與器官移植相關(guān)的一些關(guān)鍵特性，形成的灌注通道完全經(jīng)受得住血液產(chǎn)生的生理性壓力，并且通暢地流動(dòng)3 h。雖然這項(xiàng)研究成果暫時(shí)不能直接用于醫(yī)療行業(yè)中，但突破了3D打印可移植器官和組織的研究瓶頸，可能以后外科醫(yī)生就可以將動(dòng)脈與人工組織相連接。

3.3 選擇性燒結(jié)

德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的Windell Oskay[29]制作了一臺(tái)簡(jiǎn)易版白砂糖打印機(jī)，該設(shè)備與SLS設(shè)備類似，不同之處就是加熱源采用一個(gè)“狹小、定向運(yùn)動(dòng)、低速”的熱風(fēng)槍，通過(guò)電機(jī)控制二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，來(lái)控制熱風(fēng)槍掃描路徑，使白砂糖有選擇地熔融，逐層打印。此方法被稱為“選擇性熱風(fēng)燒結(jié)”。打印出的模型呈焦糖色，表面比較粗糙。

圖7 蔗糖組織工程支架和面粉打印圖案Figure 7 Tissue engineering supports printed by sucrose and flour printing patterns

圖8 3D打印血管系統(tǒng)Figure 8 3D-printed blood vessel system

2014年西安交通大學(xué)楊來(lái)俠等[30]研究了選擇性激光燒結(jié)蔗糖工藝，對(duì)蔗糖的物化材料性質(zhì)和影響選擇性激光燒結(jié)的成型因素進(jìn)行了分析。利用SLS-300成型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，并制作出蔗糖模型，并對(duì)燒結(jié)過(guò)程中所需要的工藝參數(shù)進(jìn)行了探索與整理，圖9所示為SLS的成型原理以及以蔗糖為原料的馬模型。

4 存在的問(wèn)題

4.1 材料

目前利用的可食用材料仍然是傳統(tǒng)的原材料，為了進(jìn)一步拓寬3D打印的發(fā)展道路，應(yīng)該多尋求一些適合3D打印成型的材料。從目前可查到的信息來(lái)看，對(duì)打印材料的改進(jìn)也只是涉及到傳統(tǒng)意義上的營(yíng)養(yǎng)、口味的改變，而對(duì)專有的可食用3D打印材料卻很少見(jiàn)到，因此需要投入更多的時(shí)間與精力來(lái)研發(fā)出更具創(chuàng)新性的3D打印材料，實(shí)現(xiàn)更高的價(jià)值。

圖9 SLS成型原理以及3D糖打印之馬Figure 9 SLS molding principle and 3D-printed horse

4.2 設(shè)備

3D打印設(shè)備在制造過(guò)程中起著重要的作用，在進(jìn)料方式上不僅和材料的物理形態(tài)有關(guān)，最終的成型方式還和材料的其他性質(zhì)有關(guān)。盡管基于可食用材料的3D打印機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，但仍然沒(méi)有市場(chǎng)化，因此還會(huì)需要一定的時(shí)間來(lái)進(jìn)行改進(jìn)完善。

4.3 工藝參數(shù)

在打印可食用材料的過(guò)程中，工藝參數(shù)的選擇會(huì)影響到成品的外觀、口味以及力學(xué)性能等，而成型件的用途不同，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也就不同。在食品行業(yè)，顧客會(huì)對(duì)色澤、口感特別敏感，而在其他行業(yè)，力學(xué)性能也必須考慮在其中。若是熔融性材料擠出成型，則需考慮加熱溫度、擠出溫度以及擠出速度。

而粉末狀材料在選擇加熱熔融方式或通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)成型后，會(huì)牽扯到打印時(shí)的加熱方式以及相應(yīng)的溫度，或者擠出粘接劑的速度。工藝參數(shù)不恰當(dāng)會(huì)導(dǎo)致擠出線條斷裂或流涎，另外溫度過(guò)高也會(huì)將原料燒糊等等。因此，在后期的研究過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該將工藝參數(shù)的探索作為一個(gè)主要工作進(jìn)行研究。

4.4 清洗方式

用可食用材料進(jìn)行打印，多數(shù)情況下會(huì)應(yīng)用在食品行業(yè)，因此安全保障至關(guān)重要。一般情況下成品會(huì)做食品安全檢測(cè)，保證安全性，而打印結(jié)束后設(shè)備的清洗也很重要。但目前不論哪種成型方式，設(shè)備的清洗方式都沒(méi)有具體設(shè)計(jì)方案，因此在后期設(shè)備研發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)著重考慮到清洗方式的重要性，并且給出一個(gè)完整的清洗方案。

5 可食用材料應(yīng)用至3D打印技術(shù)中的趨勢(shì)分析

3D打印可食用材料不僅可以應(yīng)用到食品行業(yè)，而且可以拓展到藝術(shù)、醫(yī)學(xué)甚至航空領(lǐng)域。源于民間糖畫的啟發(fā)，3D打印技術(shù)逐步取代糖畫進(jìn)入工藝品領(lǐng)域，也從最初的二維模型升級(jí)到三維模型。應(yīng)用人群范圍也再無(wú)局限性，從兒童到年輕人，甚至對(duì)于老年人的專有食物，通過(guò)添加每個(gè)人所需要的特有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，量身定做利于自己身體健康的產(chǎn)品。不僅如此，此技術(shù)還可以應(yīng)用至醫(yī)療行業(yè)，如利用由糖、玉米糖漿和水構(gòu)成的糖玻璃來(lái)打印生物血管網(wǎng)模板，恰巧是利用了其材料的生物相容性和可溶解性[28]。并且在工業(yè)領(lǐng)域可以利用糖顆粒在溫水中融化的性質(zhì)，與樹(shù)脂材料混合來(lái)打印多孔聚合物[31]，同時(shí)因?yàn)樘堑耐该鞫取⒌统杀竞蛠?lái)源廣泛的特性，在電影和舞臺(tái)劇中，糖也被用來(lái)模擬玻璃[32]等，達(dá)到逼真但對(duì)人無(wú)害的效果。單一材料的不斷拓展，多種材料的組合都會(huì)極力地推動(dòng)3D打印可食用材料的應(yīng)用范圍。

6 展望

針對(duì)膳食不平衡的問(wèn)題[33]，現(xiàn)代人更具個(gè)性化的飲食習(xí)慣以及產(chǎn)業(yè)的多元化，將可食用材料與3D打印技術(shù)結(jié)合起來(lái)是必然之選。利用現(xiàn)有的材料搭配出更具膳食平衡的配方表，滿足不同個(gè)體的需求。并且進(jìn)一步研發(fā)出適合多種材料的3D打印設(shè)備，針對(duì)不同打印材料分析總結(jié)出其特有的工藝參數(shù)。對(duì)于3D打印的物品，不僅能夠個(gè)性化制作，更能夠在一定程度上節(jié)省勞動(dòng)力，提高工作效率，這對(duì)社會(huì)進(jìn)步有著一定的推動(dòng)作用。并且可食用材料的3D打印成品不僅給食品行業(yè)開(kāi)辟一條新道路，更能延伸到其他各個(gè)領(lǐng)域。相信可食用材料的3D打印技術(shù)能夠在以后的生活當(dāng)中發(fā)揮更大的作用，甚至改善人類的生活[34]。