食品3D打印的发展及挑战

    3D打印(3D printing)，以前通常称为快速成型(RP)。它以数字模型文件为基础，通过逐层将粉末状金属、塑料等可粘合材料或者光敏树脂等以打印的方式构造物体。目前，该技术在模具制造、工业设计、建筑、医疗产业、地理信息系统等领域都有应用。

    随着3D打印技术的不断发展，以及人们对3D打印技术在新领域的不断尝试，3D打印在食品领域呈现了全新的应用，利用3D食品打印机“打印”出了精美的食品，如巧克力、饼干、糕点等。

1 3D打印机原理与构成

    1.1 FDM 3D打印机基本原理与结构

    3D打印有很多种实现方法，但目前被人们所广泛认识和熟悉的是一种称为熔融沉积成型(fuscd dcposition modcling，FDM)的工艺技术，流行的桌面型3D打印机大部分都采用这种技术。它是将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并按截面形状堆积一个层面，然后将第2个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。

    根据上述3D打印机的原理，可以用各种各样的材料来成型，开发出多种食品3D打印机就是一件不难想象的事情了。其主要由下面几部分构成：

    (1)机架：承载打印机的各个部件，其中包括X、Y、Z运动部件，因为打印机工作时，X轴、Y轴在不断的运动，所以为了减轻喷头运动时的动量对机体冲击，必须要保证机架的整体刚性。

    (2)机械轴：即X、Y、Z轴运动的部件，通常采用直角坐标型，也就是X、Y、Z轴相互垂直，X、Y轴通常是由步进电机通过同步带来定位的，Z轴则是由步进电机驱动丝杆来控制的。

    (3)控制电路：控制电路的基本结构是由控制主板、步进电机驱动、喷嘴控制及其他输出接口构成。

    (4)成型平台：通常是一块平板，承载要成型的物体，成型过程中，有的是在Z轴电机带动下可上下移动，有的是静止不动。

    (5)喷嘴和挤出机构：成型材料在喷嘴里被加热熔化并在挤出机构的推动下挤出，在X、y轴电机的控制下按截面形状成型。

    1.2 Arduino开源硬件技术

    3D打印技术从上世纪80年代开始出现，到本世纪初，3D打印机还鲜为人知，主要是因为价格昂贵，只应用于模具开发、原型设计等工业上游环节，最便宜的国产FDM型3D打印机也要接近20万元人民币。但近几年，3D打印技术迅速得到普及，价格也变得极其低廉，现在网络上有3000元左右人民币的3D打印机出售，且其打印速度和质量还较好，这主要是开源硬件Arduino技术的发展所致。

    1.2.1 开源硬件根据来自Tcrry Wohlcrs的2012版产业分析，预计2019年，3D打印市场规模将上升至70亿美元，而让这场产业革命成功的却只是一个电子原型平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套程序开发环境开源硬件Arduino。开源硬件，就是通过开源的方式授权设计图、原料表和上面执行软件，可以根据自己的意愿对产品做出修改，甚至生产和销售。

    1.2.2 Arduino硬件平台  Arduino源于5个国际工程师（意大利的Massimo Banzi，Gianluca Martino，西班牙的David Cuarticllcs和美国的David Mcllis、Tom Igoc）合作开发的一个小项目，可以开发出与PC相连的周边装置或可独立运作并具互动性的电子产品，同时，也可成为独立的与PC上的软件沟通的平台。这个开放平台具有如下优点：

    (1)低成本，微处理器容易购买。

    (2)Arduino软件集成开发环境(Arduino IDE)是免费、开源的，硬件也是开源的。

    (3)支持多种跨平台互动软件。

    (4)其所有资源都可以免费下载，且可以根据需要重新构建或修改，语言可以被轻松掌握且足够灵活。

    正是由于Arduino技术和相关的开源技术的上述特点，3D打印变得透明了，制造过程得到了极大简化，成本迅速降低，从而使3D打印技术在短时间得到普及。

2 食品3D打印机

    2.1 食品3D打印机原理

    3D食品打印机的原理与FDM打印技术类似，但打印材料不是塑料或其它的工业材料，而是可以挤出的一种或数种液态或糊状的配方食材。这种机器由控制电脑、食材挤出器、输送装置等几部分组成，食品的造型和配方预先保存在电脑中，食物的材料和配料预先放入容器内，使用者在多种立体形状中挑选喜欢的造型，点击“打印”后，打印头上的喷头就会将食材逐行、逐层地铺上去，从而实现食品的3D打印。图1是一台已经制造出食品的3D打印机。

图1 食品3D打印机