3D 打印技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用

人們對利用食品 3D 打印技術(shù)替代肉類,、巧克力和意大利面等食物寄予厚望，但食品 3D 打印尚未兌現(xiàn)在食品替代方面的潛力,。然而,，食品行業(yè)仍然是 3D 打印最大的（也是最悄無聲息的）落地領(lǐng)域之一。與直接 3D 打印食品不同,，食品和飲料包裝機(jī)械零件的增材制造并不像 3D 打印巧克力或意大利面那樣吸引公眾的注意,，但它可能是推動 3D打印在是食品領(lǐng)域發(fā)展的殺手級應(yīng)用之一。


食品和飲料制造業(yè)是一個(gè)快速增長的行業(yè),，僅加工設(shè)備市場預(yù)計(jì)到 2028 年就將達(dá)到 849 億美元,。但該行業(yè)正面臨包括制造商成本壓力大、勞動力短缺和供應(yīng)鏈中斷等在內(nèi)的諸多挑戰(zhàn),。

使用 3D 打印制造食品包裝機(jī)械零件的好處是不言而喻的,。食品加工機(jī)器具有高度復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，有超過 2,000 個(gè)零件,，許多零件必須存儲在庫存中,，因此一旦投入生產(chǎn)就無法輕易修改；此外,，許多零件都很復(fù)雜，為了簡化機(jī)器的工作,，常使用金屬和聚合物 3D 打印技術(shù)給零件增加復(fù)雜性,，包括專業(yè)級的 Formlabs 和 Ultimakers 到工業(yè)級的金屬 PBF 和金屬粘合劑噴射系統(tǒng)。

金屬 3D 打印食品生產(chǎn)線


△ K3D 開發(fā)的 3D 打印面團(tuán)切割刀具

● 面團(tuán)切割：最早這樣進(jìn)軍食品行業(yè)的 3D 打印公司之一是 Additive Industries ,，該公司與金屬增材制造服務(wù)提供商 K3D 合作,，解決食品行業(yè)的面團(tuán)切割問題，通過精確的面團(tuán)切割來提高面包質(zhì)量,。重新設(shè)計(jì)的面團(tuán)切割機(jī)械臂展示了 3D 打印的優(yōu)勢,，例如多孔刀片可形成薄薄的氣膜，從而實(shí)現(xiàn)更干凈的切割,，減少面團(tuán)粘連,。多孔刀片還配有用于可調(diào)節(jié)刀片預(yù)緊力的板簧、帶軸承的集成鉸鏈以及可減輕 90% 重量的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu),。這種刀具利用 MetalFAB1 機(jī)器 3D 打印 SS316L 不銹鋼制成,，符合所有食品安全要求，并且易于清潔,。3D 打印使 K3D 能夠針對不同類型的面團(tuán)定制刀具設(shè)計(jì),，無需額外成本；將 20 個(gè)零件合并為一個(gè),，縮短了交貨時(shí)間,，將生產(chǎn)成本 降低了 60%,，并將生產(chǎn)能力提高了 20%。

● 啤酒生產(chǎn)：喜力在位于西班牙塞維利亞的啤酒廠使用了 UltiMaker 的 3D 打印技術(shù)以提高生產(chǎn)效率,。塞維利亞工廠每年可生產(chǎn) 5 億升啤酒,，該工廠建立了一個(gè) 3D 打印實(shí)驗(yàn)室探索 3D 打印技術(shù)的價(jià)值，包括每個(gè)零件節(jié)省 70-90% 的成本,、增加生產(chǎn)線正常運(yùn)行時(shí)間,、提高靈活性并提高員工安全性。第一個(gè)成功的應(yīng)用是制造用于機(jī)器維護(hù)的改進(jìn)型安全閂鎖,，并以鮮紅色印刷以提高可見度,。這不僅提高了安全性，還提高了員工對 3D 打印的認(rèn)識,。


△ 3D 打印煎餅烘焙生產(chǎn)線

● 煎餅烘焙：Kaak 與 3D 打印公司 Materialise 合作以改進(jìn)煎餅烘焙生產(chǎn)線,，減少浪費(fèi)。煎餅制作過程開始時(shí),，需要將煎餅面糊放在工業(yè)烤箱的大盤子上烘烤,。然而，在將煎餅從烤盤中取出時(shí),，升降裝置經(jīng)常會被粘稠的面糊堵塞,，廢物堆積導(dǎo)致生產(chǎn)線延期。粘住的面糊弄臟了機(jī)器,，導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)不得不停下整條生產(chǎn)線進(jìn)行清潔,。延誤和過多的浪費(fèi)意味著效率的降低。在確定了材料和打印參數(shù)后,，K3D 團(tuán)隊(duì)開始使用 Materialise Magics 及其模塊重新設(shè)計(jì)部件,。新設(shè)計(jì)是一個(gè)完整的部件，具有內(nèi)部通道和允許空氣流通的多孔金屬部件,，使得每條生產(chǎn)線的煎餅廢料減少了數(shù)千公斤,，生產(chǎn)率提高了 10%，相當(dāng)于每年通過改進(jìn)流程節(jié)省 85,000 歐元,。

食品級聚合物 3D 打印機(jī)械零件





● 金屬零件替代：喜力啤酒利用 3D 打印技術(shù)制造難以更換的零件來降低成本,，并打印塑料零件作為金屬零件的替代品。塞維利亞啤酒廠使用 Ultimaker S5 打印機(jī)取得了成功,，提高了員工安全性,，縮短了交貨時(shí)間并節(jié)省了成本。平均而言,，打印零件的交付時(shí)間比外部采購快 80%,，成本降低了 80%。

● 乳制品包裝加工：Ultimaker 的意大利合作伙伴 3DItaly 為生產(chǎn)杏仁奶和其他替代乳制品的 Policom 公司生產(chǎn)工具和其他零件,。Policom 公司需要一個(gè)定制漏斗來裝杏仁糊袋,。合作的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)定制工具,，這些工具在插入生產(chǎn)鏈后可以提高效率并降低成本。3DItaly 使用 UltiMaker 3D 打印機(jī)幫助該公司實(shí)現(xiàn) OEE（整體設(shè)備效率）,，即提高系統(tǒng)的總效率,，同時(shí)滿足快速變化的市場需求。3D 打印提供了一種快速響應(yīng)的方法,，無需等待外包生產(chǎn),，可以使用在一夜之間 3D 打印制造的樣品包裝來測試生產(chǎn)線。

金屬 3D 打印與聚合物 3D 打印相結(jié)合

用于替代金屬的聚合物 3D 打印的高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性與使用粘合劑噴射和其他基于粘合金屬/燒結(jié)（如粘合金屬長絲打�,。┑慕饘� 3D 打印零件的多功能性結(jié)合在一起,。

● 魚片生產(chǎn)：Desktop Metal 是金屬 3D 打印技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，已與食品和飲料行業(yè)的多家公司合作,。Desktop Metal 公司的 Studio System 組裝系統(tǒng)被用于為 Curio 魚片機(jī)生產(chǎn) 316L 不銹鋼零件,。同時(shí)，魚類加工設(shè)備制造商 Curio 測量了從刀具到通過魚片機(jī)加工的魚的 1 度熱傳遞,。利用3D 打印的設(shè)計(jì)自由,，Curio 增設(shè)了內(nèi)部通道，讓冰水流過機(jī)器的零件,。通過逐層 3D 打印,，冷卻通道很容易添加到設(shè)計(jì)中，抵消了熱交換,，但使用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)起來非常困難且成本高昂,。使用傳統(tǒng)方法組裝新型 Curio 魚片機(jī)的第一批零件需要 54-58 周的準(zhǔn)備時(shí)間才能制作金屬鑄模，而利用 Desktop Metal Studio System,，Curio 可以在數(shù)周內(nèi)獲得零件，并可以在不延誤生產(chǎn)的情況下將新機(jī)器推向市場,。


△ 哈德遜谷增材制造中心利用 3D 打印技術(shù)制造的不銹鋼滾筒防護(hù)罩

● 肉類快速加工：JBT 是一家領(lǐng)先的全球技術(shù)解決方案提供商,，為食品加工行業(yè)的高價(jià)值領(lǐng)域提供服務(wù)。JBT 的自適應(yīng) 3D 分裝系統(tǒng)是一種大型且非常復(fù)雜的系統(tǒng),，用于快速加工家禽,、肉類和海鮮。JBT 利用哈德遜谷增材制造中心 (HVAMC) 的 3D 打印技術(shù)制造系統(tǒng)的不銹鋼滾筒防護(hù)罩,。





● 紅肉加工：通過復(fù)合 3D 打印和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的粘合金屬 3D 打印從事金屬替代應(yīng)用的 Markforged 公司與澳大利亞紅肉加工公司 (AMPC) 合作,，在全球首次試驗(yàn) 3D 打印服務(wù)模式。這項(xiàng)為期三年的試驗(yàn)旨在幫助澳大利亞各地的紅肉加工商從打印設(shè)備零件和革新設(shè)備維護(hù)中受益,，以幫助確保肉類產(chǎn)品的持續(xù)供應(yīng),。該項(xiàng)目涉及兩臺 Markforged X7 碳纖維 3D 打印機(jī)，它們以“先試后買”的方式運(yùn)送到加工廠,。加工廠員工接受了打印機(jī)使用培訓(xùn),，以便他們能夠評估購買永久設(shè)備是否是一項(xiàng)不錯(cuò)的投資,。

● 冷藏室蒸發(fā)器葉片制造：Casino Food Co-op 利用 AMPC、Konica Minolta 和 Markforged 的​​ 3D 打印解決方案制造蒸發(fā)器上的風(fēng)扇葉片,，用于優(yōu)化冷卻室的溫度,。如果一個(gè)葉片變得不穩(wěn)定，整個(gè)蒸發(fā)器就會破裂,，冷藏室就無法達(dá)到最佳性能,。由于蒸發(fā)器的原始設(shè)備制造商不再運(yùn)營，制造新葉片的成本非常高,。使用 3D 打印技術(shù)能夠避免整個(gè)運(yùn)營中代價(jià)高昂的停機(jī),。

值得注意的是，這里提到的大多數(shù) 3D 打印公司都是 3D 打印市場的新進(jìn)入者,�,？梢酝茰y出，許多傳統(tǒng)市場領(lǐng)導(dǎo)者（EOS,、Stratasys 和 3D Systems）也進(jìn)入食品行業(yè),。3D 打印在食品行業(yè)潛力顯而易見，市場規(guī)�,？赡鼙热藗兿胂蟮囊�大得��,。