食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)

李光玲

（江陰職業(yè)技術學院，江蘇 江陰 214405）

3D打印（3Dprinting），以前通常稱為快速成型（RP）。它以數字模型文件為基礎，通過逐層將粉末狀金屬、塑料等可粘合材料或者光敏樹脂等以打印的方式構造物體。目前，該技術在模具制造、工業(yè)設計、建筑、醫(yī)療產業(yè)、地理信息系統等領域都有應用［1－3］。

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，以及人們對3D打印技術在新領域的不斷嘗試，3D打印在食品領域呈現了全新的應用，利用3D食品打印機“打印”出了精美的食品，如巧克力、餅干、糕點等［4］。

1 3D打印機原理與構成

1.1 FDM 3D打印機基本原理與結構

3D打印有很多種實現方法，但目前被人們所廣泛認識和熟悉的是一種稱為熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM）的工藝技術，流行的桌面型3D打印機大部分都采用這種技術。它是將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并按截面形狀堆積一個層面，然后將第2個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體［3］。

根據上述3D打印機的原理，可以用各種各樣的材料來成型，開發(fā)出多種食品3D打印機就是一件不難想象的事情了。其主要由下面幾部分構成：

（1）機架：承載打印機的各個部件，其中包括X、Y、Z運動部件，因為打印機工作時，X軸、Y軸在不斷的運動，所以為了減輕噴頭運動時的動量對機體沖擊，必須要保證機架的整體剛性。

（2）機械軸：即X、Y、Z軸運動的部件，通常采用直角坐標型，也就是X、Y、Z軸相互垂直，X、Y軸通常是由步進電機通過同步帶來定位的，Z軸則是由步進電機驅動絲桿來控制的。

（3）控制電路：控制電路的基本結構是由控制主板、步進電機驅動、噴嘴控制及其他輸出接口構成。

（4）成型平臺：通常是一塊平板，承載要成型的物體，成型過程中，有的是在Z軸電機帶動下可上下移動，有的是靜止不動。

（5）噴嘴和擠出機構：成型材料在噴嘴里被加熱熔化并在擠出機構的推動下擠出，在X、Y軸電機的控制下按截面形狀成型。

1.2 Arduino開源硬件技術

3D打印技術從上世紀80年代開始出現，到本世紀初，3D打印機還鮮為人知，主要是因為價格昂貴，只應用于模具開發(fā)、原型設計等工業(yè)上游環(huán)節(jié)，最便宜的國產FDM型3D打印機也要接近20萬元人民幣。但近幾年，3D打印技術迅速得到普及，價格也變得極其低廉，現在網絡上有3 000元左右人民幣的3D打印機出售，且其打印速度和質量還較好，這主要是開源硬件Arduino技術的發(fā)展所致。

1.2.1 開源硬件 根據來自Terry Wohlers的2012版產業(yè)分析［5］，預計2019年，3D打印市場規(guī)模將上升至70億美元，而讓這場產業(yè)革命成功的卻只是一個電子原型平臺，該平臺包括一片具備簡單I/O功效的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境—開源硬件Arduino。開源硬件，就是通過開源的方式授權設計圖、原料表和上面執(zhí)行軟件，可以根據自己的意愿對產品做出修改，甚至生產和銷售。

1.2.2 Arduino硬件平臺 Arduino源于5個國際工程師（意大利的 Massimo Banzi，Gianluca Martino，西班牙的 David Cuartielles和美國的David Mellis、Tom Igoe）合作開發(fā)的一個小項目，可以開發(fā)出與PC相連的周邊裝置或可獨立運作并具互動性的電子產品，同時，也可成為獨立的與PC上的軟件溝通的平臺［6］。這個開放平臺具有如下優(yōu)點：

（1）低成本，微處理器容易購買。

（2）Arduino軟件集成開發(fā)環(huán)境（Arduino IDE）是免費、開源的，硬件也是開源的。

（3）支持多種跨平臺互動軟件。

（4）其所有資源都可以免費下載，且可以根據需要重新構建或修改，語言可以被輕松掌握且足夠靈活。

正是由于Arduino技術和相關的開源技術的上述特點，3D打印變得透明了，制造過程得到了極大簡化，成本迅速降低，從而使3D打印技術在短時間得到普及。

2 食品3D打印機

2.1 食品3D打印機原理

3D食品打印機的原理與FDM打印技術類似，但打印材料不是塑料或其它的工業(yè)材料，而是可以擠出的一種或數種液態(tài)或糊狀的配方食材。這種機器由控制電腦、食材擠出器、輸送裝置等幾部分組成，食品的造型和配方預先保存在電腦中，食物的材料和配料預先放入容器內，使用者在多種立體形狀中挑選喜歡的造型，點擊“打印”后，打印頭上的噴頭就會將食材逐行、逐層地鋪上去，從而實現食品的3D打印。圖1是一臺已經制造出食品的3D打印機。

圖1 食品3D打印機Figure 1 3Dfood printer

2.2 食品3D打印的現狀

目前，3D食品打印機主要有3DSystems在CES2014展出的ChefJet和ChefJet Pro兩款，以及巴塞羅那Natural Machines公司推出的一款消費級的Foodini 3D食品打印機。

ChefJet系列打印機主要使用糖作為打印材料，Foodini 3D食品打印機則可以打印出糕點、肉餅、巧克力等食品［7］。3D食品打印機在使用時，首先要將準備好的食材原料攪拌成泥狀，然后通過噴頭將泥狀食材按預先設定好的形狀及圖案噴出，或在模具中噴壓成型，最后將成型的食材放入烤箱進行烘烤即可。由于成型圖案可預先在設備中進行設定，因此可打印出較多形狀可愛的圖案，不足是成型表面略顯粗糙。如圖2～5所示是經食品3D打印機得到的食品。

2.3 食品3D打印的發(fā)展

普遍認為，3D食品打印機有助于利用全新食材便捷地制作非傳統食品，它會對人類今后的食物和飲食習慣產生深遠的影響［8］。

圖2 3D“打印”的霜糖Figure 2 3Dprint cream sugar

圖3 3D“打印”的干酪航天飛機Figure 3 3Dprint of the cheese space shuttle

圖4 3D“打印”的巧克力Figure 4 3Dprint chocolate

圖5 3D“打印”的芹菜夾心火雞肉Figure 5 3Dprint celery sandwich Turkey

（1）它使人們的太空旅行夢想變得更近了。為了能在太空中進行更廣闊的遨游，就必須在太空飛船上儲備足夠的食物，而運輸的成本又決定了這些食物不能超重且不能占據太多的空間。3D食物打印可以使宇航員擁有一個超級濃縮的廚房，有效地節(jié)省太空艙的有限空間，可以輔助人類完成更具挑戰(zhàn)性的太空探索任務。例如，美國宇航局曾向3D打印機廠商系統與材料研究公司（SMRC）提供一筆為期6個月的12.5萬美元資金，要求其研制一種通用型食物合成器［9］。

（2）3D食物打印為緩解今后糧食可能不足的難題提供了一種解決方案。根據美國人口調查局和聯合國人口基金會［10］的預計，全世界人口將在未來數十年持續(xù)增長，這意味著未來糧食供應不足的問題將更加嚴峻。3D食物打印有可能從人類目前不太食用的物質中提取出需要的營養(yǎng)成分，然后利用3D打印技術制作出新的食物。例如，荷蘭的相關組織正在設想從藻類、甜菜葉及昆蟲這些可持續(xù)資源中提取營養(yǎng)成分進行3D打印［11］。

此外，3D食物打印能夠滿足人們豐富多彩的個性需求，不僅可根據不同年齡段制訂個性化的營養(yǎng)配方，而且還可使3D食物打印成為懶人和特殊人群的果腹之道。

2.4 食品3D打印的應用前景

中國目前3D打印雖然還處于產業(yè)化的初級階段，但行業(yè)發(fā)展形勢良好，在設備、材料、軟件等核心領域可以不同程度實現自給［11，12］，在文化創(chuàng)意、工業(yè)及生物醫(yī)學等領域得到應用。3D打印是一個發(fā)展快速且市場潛力巨大的新興行業(yè)。據世界3D打印技術產業(yè)聯盟秘書長、中國3D打印技術產業(yè)聯盟執(zhí)行理事長羅軍［13］預測，未來3～5年將是3D打印技術最為關鍵的發(fā)展機遇期，如果推進順利，到2016年產值將達百億元人民幣。

隨著3D打印技術的不斷成熟和完善，以及越來越多的消費者對3D食品打印的好奇和熱衷，3D食品打印技術有望走入消費者的日常生活，同時也有可能幫助人類解決未來即將面臨的食品危機［14－16］。胡迪·利普森等［17］認為，利用3D食品打印技術未來可以實現自身量化飲食，如糖尿病患者可以上傳血糖數據，然后用軟件計算出下一餐的營養(yǎng)均衡食譜，并將食譜發(fā)送給廚房里的3D食品打印機，實現合理飲食，再也不必擔心飲食不合理帶來的肥胖困擾。同時，數字烹飪技術還可以烹飪出傳統烹飪技術無法得到的口味以及形狀；可以將食品3D打印技術和3D掃描技術相結合，制作出更加具有特色的新產品［18］，例如可以掃描并打印出帶有新郎、新娘頭像的糖果、巧克力等禮品用以贈送親友。

2.5 食品3D打印面臨的挑戰(zhàn)

雖然3D食品打印技術已取得了初步的成功，但要得到更廣泛的推廣應用，還需克服幾項挑戰(zhàn)：

（1）安全性：因3D食品打印機打印出來的每件產品都是用來食用的，必須保證其安全性。因此，必須保證3D食品打印機的各個技術環(huán)節(jié)以及打印所選用的相關食材都是安全的。

（2）成本和速度：3D食品打印效率低，成本相對較高，批量化、規(guī)模化生產受到限制，這與普通食品生產方式相比存在不小的劣勢。但這一劣勢會隨著勞動力成本的不斷攀升而消失；另外，在一些個性化、造型復雜的食品生產中，3D打印成本反而會更低。

（3）口感：3D食品打印機打印出來的產品必須味道適宜，才能被大眾所接受。因此，如何保證各類食材在穿過機器之后，仍能滿足人類的味蕾，將是食品科學家們考慮的另一個重要問題。

（4）材料的限制：3D打印適合打印液體、糊狀或粉狀的食材，這就必須將人類通常食用的魚、肉、蔬菜等食材變成糊狀才能實施打印。目前僅適應以漿料狀等原料打印的食品，如糕點、糖果等，餐桌上的絕大多數菜肴還難以打印出來，這無疑會限制食品3D打印的應用。

除此之外，面對打印出來的食物是否可以放心食用的疑問，還需解決或打破大眾的心理障礙，使得更多的消費者愿意接受3D打印的食物。

上述困難并未影響3D打印研究者和愿意采用新技術制作美食的美食家對3D食品打印的大膽構想和嘗試［19］。馬塞洛·科埃略和杰米·英根伯［17］領導的團隊創(chuàng)造了“科納科皮亞”概念，為未來家庭構思了4款打印機，分別是數字巧克力機、數字加工器、機器人廚師和專業(yè)攪拌器等。

3 結語

隨著食品3D打印的快速發(fā)展，各種各樣的食品3D打印機將逐漸開發(fā)出來。未來蛋糕店的蛋糕將不是由糕點師手工制作，而是由3D打印機打印出來的，這在勞動力成本越來越高的今天將極具吸引力。未來3D食品打印機將真正走進廚房，并與網絡連接，人們“下班前發(fā)出指令消息，回家后享用美味晚餐”的美好設想終將變?yōu)楝F實。

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3 喬益民，王家民.3D打印技術在包裝容器成型中的應用［J］.包裝工程，2012，33（22）：68～72.

4 陳妮.3D打印技術在食品行業(yè)的研究應用和發(fā)展前景［J］.農產品加工（學刊），2014（8）：57～60.

5 Terry Wohlers.Wohlers Report 2012［C］//Additive manufacturing and 3Dprinting state of the industry.Annual worldwide progress report.Colorado：Wohlers Associates，Inc，2012：125～149.

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7 Warnke P H，Seitz H，Warnke F，et al.Ceramic scaffolds produced by computer assisted 3Dprinting and sintering：Characterization and biocompatibility investigations［J］.Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2010，93（1）：212～217.

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9 Gong Jin，Shitara Mariko，Serizawa Ryo，et al.3Dprinting of meso-decorated gels and foods［J］.Materials Science Forum，2014，783～786：1 250～1 254.

10 翟振武，張現苓，靳永愛.立即全面放開二胎政策的人口學后果分析［J］.人口研究，2014，38（2）：3～16.

11 楊恩泉.3D打印技術對航空制造業(yè)發(fā)展的影響［J］.航空科技技術，2013（1）：13～17.

12 賀超良，湯朝暉，田華雨，等.3D打印技術制備生物醫(yī)用高分子材料的研究進展［J］.高分子學報，2013（6）：722～732.

13 王月圓，楊萍.3D打印技術及其發(fā)展趨勢［J］.印刷雜志，2013（4）：10～12.

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15 Periard Dan，Schaal Noy，Schaal Maor，et al.Printing food［C］//18th Solid Freeform Fabrication Symposium （SFF 2007）.Austin，TX，USA：［s.n.］，2007：564～574.

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17 （美）胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打印——從理想到現實［M］.賽迪研究院專家組，譯.北京：中信出版社，2013：88～93

18 王忠宏，李揚帆.3D打印產業(yè)的實際態(tài)勢、困境擺脫與可能走向［J］.產業(yè)經濟，2013（8）：29～36.

19 Millen Caleb，Gupta Gourab Sen，Archer Richard，et al.Investigations into colour distribution for voxel deposition in 3Dfood formation［C］//International Conference on Control，Automation and Information Sciences（ICCAIS 2012）.Ho Chi Minh City，Vietnam：［s.n.］，2012：202～207.