糖果3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述

周凱 傅少杰 羅棟晶 王恒

【摘 要】近年來(lái)，糖果3D打印技術(shù)發(fā)展快速，呈多樣化發(fā)展。本文介紹了糖果3D打印機(jī)的打印流程、四種成型原理、糖果原材料及其性質(zhì)以及糖果3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其應(yīng)用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)及市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明，分析了影響糖果3D打印技術(shù)發(fā)展的主要因素，提出了相應(yīng)改進(jìn)方法。

【關(guān)鍵詞】糖果;3D打印

中圖分類號(hào)： TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）02-0008-003

【Abstract】In recent years， the development of 3D printing technology for confectionery is rapid and diversified. This paper introduces the printing process， four forming principles， raw materials and properties of candy 3D printer， as well as the structure of candy 3D printer， and explains its application scope， advantages and disadvantages， as well as market application. The main factors affecting the development of candy 3D printing technology are analyzed， and corresponding improvement methods are proposed.

【Key words】Candy; 3D printing

0 前言

3D打印是快速成型技術(shù)催生而出的一項(xiàng)新興技術(shù)。3D打印技術(shù)又稱為“增材技術(shù)”，可將金屬、塑料、橡膠、石膏等材料通過(guò)熔融擠出、粉末燒結(jié)、光敏反應(yīng)等途徑制造出預(yù)先設(shè)定的形狀[1]。食品3D打印技術(shù)是3D打印技術(shù)的新發(fā)展方向，利用3D食品打印機(jī)“打印”出了精美的食品，如巧克力、餅干、糕點(diǎn)等[2]。

隨著食品3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，糖果3D打印技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入人們視野。2016年德國(guó)糖果公司Katjes推出了世界上第一個(gè)用于橡皮糖的3D打印機(jī)[3]。2011年美國(guó)洛杉磯的3D定制打印糖公司——“糖實(shí)驗(yàn)室”（THE SUGAR LAB）推出了液體粘合3D糖果打印機(jī)[4]。荷蘭TNO公司食品3D打印采用選擇性激光燒結(jié)的形式，以糖粉、巧克力粉、咖喱粉等制作了不同形狀的3D打印食品[5]。

糖果3D打印技術(shù)打印出來(lái)的糖果形狀各異、外觀優(yōu)美、方便快捷，能夠滿足不同人群的需求，應(yīng)用前景十分廣闊。本文就糖果3D打印機(jī)的流程、原理、糖果原料、結(jié)構(gòu)以及未來(lái)發(fā)展做一些探討。

1 糖果3D打印流程及原理

1.1 糖果3D打印流程

如圖1所示。根據(jù)用戶需求，利用3D建模軟件設(shè)計(jì)糖果3D模型，然后將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入糖果3D打印機(jī)轉(zhuǎn)換軟件中，在軟件中設(shè)置相應(yīng)打印材料及參數(shù)，生成符合糖果3D打印機(jī)打印的文件。然后再將打印文件導(dǎo)入糖果3D打印機(jī)中，開(kāi)始正式打印[6]。

1.2 糖果3D打印成型原理

根據(jù)成型方式，現(xiàn)有糖果3D打印機(jī)主要有凝膠擠出成型、液體粘合成型、選擇性激光燒結(jié)成型和熔融沉積成型等四種方式。

（1）凝膠擠出成型

在糖果原材料加入含有物理凝膠特性的物質(zhì)，在不同溫度下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，將該類原料加入到糖果3D打印機(jī)中，通過(guò)擠出頭擠出成型，自然冷卻或外加冷卻下凝固成型[7]。通過(guò)該方式打印出來(lái)的糖果精度不高，形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，但口感相對(duì)較好。其典型產(chǎn)品是德國(guó)糖果公司Katjes的糖果3D打印機(jī)[8]，打印產(chǎn)品如圖2所示。

（2）液體粘合成型

利用具有粘結(jié)性能的液體（粘接劑），將二維的粉體薄片組合成復(fù)雜的三維糖果，通過(guò)控制液體粘結(jié)劑滴入量來(lái)提高打印精度[11]。粘結(jié)劑也可以同時(shí)作為口味、色澤等的調(diào)節(jié)劑，豐富打印食品的風(fēng)味和色彩。與凝膠擠出成型方式相比，打印精度更高，打印速度更快，成型糖果形狀更加復(fù)雜，但是對(duì)于打印原材料的特性要求較高[10]。其典型應(yīng)用是美國(guó)洛杉磯的3D定制打印糖公司——“糖實(shí)驗(yàn)室”（THE SUGAR LAB）開(kāi)發(fā)的液體黏合3D打印機(jī)[9]，打印產(chǎn)品如圖3所示。

（3）選擇性激光燒結(jié)成型

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)采用紅外激光器作能源，使糖粉造型材料凝結(jié)成型。激光的選擇對(duì)原料的熔化程度和糖果打印質(zhì)量影響很大，包括原料的激光吸收率與激光的波長(zhǎng)、粉末的致密程度與激光的能量密度等因素[13]。由于打印是通過(guò)逐層鋪設(shè)不同的粉體完成的，每層的粉體可以不同，特別適合打印各種糖粉均衡搭配的彩色糖果加工[12]。其特點(diǎn)是打印速度較快，糖果形狀復(fù)雜，但對(duì)打印材料要求較高。其典型應(yīng)用是荷蘭TNO公司食品3D打印機(jī)，以糖粉、巧克力粉、咖喱粉等制作了不同形狀的3D打印食品[1]。

（4）熔融沉積成型

熔融沉積成型（fused deposition modeling， FDM）是現(xiàn)代流行的桌面型3D打印機(jī)成型技術(shù)。將熱熔性材料（AYS、尼龍或蠟）通過(guò)加熱器熔化，擠壓噴出并按截面形狀堆積第一層，第2層采用相同方法，并與前一層熔結(jié)在一起，層層堆積而獲得一個(gè)三維實(shí)體[14]，該方法也適用于糖果打印。由于糖果熔融沉積成型凝固后形狀穩(wěn)定，可以打印形狀復(fù)雜的模型，例如鏤空模型。

2 糖果3D打印原料

糖果打印原料主要有凝膠類、粉狀類和固體類等幾種。

（1）凝膠類：是以一種或多種親水性凝膠與白砂糖、淀粉糖漿為主料，經(jīng)加熱溶化至一定濃度，在一定條件下形成的水分含量較高、質(zhì)地柔軟的凝膠狀糖塊，含水量通常在10%～20%。

（2）粉狀類：是一種潔白的粉末狀糖類。糖粉顆粒非常細(xì)，同時(shí)約有3～10%左右的淀粉混合物（一般為玉米粉），通常用白砂糖或者冰糖研磨而成。

（3）固體類：以白砂糖和淀粉糖漿為主料制成的硬質(zhì)糖果。硬糖是經(jīng)高溫熬煮而成的糖果。干固物含量很高，約在97%以上，糖體堅(jiān)硬而脆。

3 糖果3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)

以熔融沉積成型原理介紹糖果3D打印機(jī)主要組成部分如圖4所示。主要由主體機(jī)構(gòu)、攪拌加熱機(jī)構(gòu)、噴頭及擠壓機(jī)構(gòu)以及冷卻機(jī)構(gòu)組成，在3D切片軟件和控制系統(tǒng)協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)糖果的3D打印[1-7]。

3.1 主體機(jī)構(gòu)

糖果在3D打印時(shí)通常采用直角坐標(biāo)型，也就是X、Y、Z軸相互垂直，X、Y軸通常是由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶定位，Z軸則是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿控制。主體機(jī)構(gòu)的作用是承載打印機(jī)的各個(gè)部件，其中包括X、Y、Z運(yùn)動(dòng)部件，因?yàn)榇蛴C(jī)工作時(shí)，X軸、Y軸在不斷的運(yùn)動(dòng)，所以為了減輕噴頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量對(duì)機(jī)體沖擊，必須要保證主體機(jī)構(gòu)的整體剛性。

3.2 攪拌加熱機(jī)構(gòu)

打印原料在攪拌加熱機(jī)構(gòu)中加熱融化，然后由攪拌機(jī)構(gòu)將融化后的材料攪拌均勻，以滿足打印需求，該機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于熔融沉積成型的糖果3D打印。

3.3 噴頭及擠壓機(jī)構(gòu)

預(yù)處理的打印原材料注入到擠出機(jī)構(gòu)中并由擠出機(jī)構(gòu)擠壓推出噴頭，并在X，Y軸電機(jī)的控制下按截面形狀成型。

3.4 冷卻機(jī)構(gòu)

原材料被噴頭噴出后，糖果溫度偏高并且尚未完全凝固，在連續(xù)打印過(guò)程中難以保證精度，在冷卻機(jī)構(gòu)的作用下即可使噴出的糖果快速冷卻凝固，確保打印速度及質(zhì)量。

4 成型特點(diǎn)對(duì)比

上述4種成型方法各有特點(diǎn)，其成型原理、使用材料、打印速度，成品質(zhì)量如表1所示，可根據(jù)糖果打印要求選擇相應(yīng)的成型方法。

5 總結(jié)

糖果3D打印從出現(xiàn)到現(xiàn)在，打印技術(shù)相比以前而言有了極大的進(jìn)步。針對(duì)不同種類的糖果都有了初步的解決方案，能滿足不同的打印需求，為糖果加工行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。目前而言應(yīng)用比較廣泛的還是凝膠擠出型糖果3D打印技術(shù)。

為了加快糖果3D打印技術(shù)的發(fā)展，可從以下方面開(kāi)展研究：

一是糖果3D打印原料特性的研究。對(duì)于凝膠擠出成型糖果3D打印，通過(guò)研發(fā)糖果3D打印原料助劑，改善原料的流動(dòng)性，研究物料的凝膠特性，提高打印產(chǎn)品的穩(wěn)定性;對(duì)于液體粘合成型糖果3D打印，通過(guò)控制液體體積大小來(lái)增加打印產(chǎn)品的精細(xì)度;對(duì)于選擇性激光燒結(jié)成型糖果3D打印，通過(guò)改善粉末對(duì)激光的吸收率，改進(jìn)粉末的致密程度與激光能量密度的關(guān)系，增加打印產(chǎn)品的精細(xì)度與打印速度;對(duì)于熔融沉積成型糖果3D打印，通過(guò)確定物料加熱融化時(shí)間與溫度，可以提高打印速度，成品質(zhì)量。

二是改進(jìn)糖果3D打印機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)化打印流程。如改用新的熱加工方式，縮短加熱熟化時(shí)間;對(duì)糖果3D打印程序進(jìn)行優(yōu)化，提高打印效率;研發(fā)高效穩(wěn)定的家用糖果3D打印機(jī)[1]。

與此同時(shí)，應(yīng)加大3D打印技術(shù)的科普宣傳，讓更多的消費(fèi)者認(rèn)識(shí)并認(rèn)可這項(xiàng)新興技術(shù)，推進(jìn)大眾化的糖果3D打印以及訂制服務(wù)，提升生活質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉倩楠，張春江，張良，等.食品3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2018，34（16）：265.

[2]陳妮.3D打印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應(yīng)用和發(fā)展前景[J].農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2014（8）：57～60.

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

[4]Russell D， Hernandez A， Kinsley J， Berlin A. Methods and apparatus for 3D printing[P]. US： 20050280185， 2005-12-22.

[5]Van der Linden D.3D Food printing Creating shapes and textures[R/OL].2016. https：//www.tno.nl/media/5517/3d_food_printing_ march_ 2015.pdf.

[6]李光玲. 食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)[J].食品與機(jī)械，2015，31（1）：231.

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

[8]Serizawa R， Shitara M， Gong J， et al. 3D jet printer of edible gels for food creation[C]// SPIE smart structures and materials+ nondestructive evaluation and health monitoring， San Diego： USA. 2014.

[9]Muroi H， Hidema R， Gong J， et al. Development of optical 3D gel printer for fabricating free-form soft & wet industrial materials and evaluation of printed double-network gels[J].Journal of Solid Mechanics & Materials Engineering， 2013，7（2）：163-168.

[10]Godoi? F? C，? Prakash? S，? Bhandari? B? R.? 3d? printing technologies applied for food design： Status and prospects[J].Journal of Food Engineering， 2016， 179： 44-54.

[11]Peltola S M， Melchels F P， Grijpma D W， et al. A review of rapid prototyping techniques for tissue engineering purposes[J]. Annals of Medicine， 2008， 40（4）： 268-280.

[12]Russell D，Hernandez A，Kinsley J，Berlin A.Methods and apparatus for 3D printing[P].US：20050280185，2005-12-22.

[13]Diaz J V， Noort? W? J， Henket J， et al. Method for the production of edible objects using SLS and food products[P].WO： 2014193226， 2014-12-04.

Gu D D， Meiners W， Wissenbach K， et al. Laser additive manufacturing of metallic components： Materials， processes and mechanisms[J]. International Materials Reviews， 2012，57（3）： 133-164.