3D 打印技术在食品行业中的应用

人们对利用食品 3D 打印技术替代肉类、巧克力和意大利面等食物寄予厚望，但食品 3D 打印尚未兑现在食品替代方面的潜力。然而，食品行业仍然是 3D 打印最大的（也是最悄无声息的）落地领域之一。与直接 3D 打印食品不同，食品和饮料包装机械零件的增材制造并不像 3D 打印巧克力或意大利面那样吸引公众的注意，但它可能是推动 3D打印在是食品领域发展的杀手级应用之一。


食品和饮料制造业是一个快速增长的行业，仅加工设备市场预计到 2028 年就将达到 849 亿美元。但该行业正面临包括制造商成本压力大、劳动力短缺和供应链中断等在内的诸多挑战。

使用 3D 打印制造食品包装机械零件的好处是不言而喻的。食品加工机器具有高度复杂的机械结构，有超过 2,000 个零件，许多零件必须存储在库存中，因此一旦投入生产就无法轻易修改；此外，许多零件都很复杂，为了简化机器的工作，常使用金属和聚合物 3D 打印技术给零件增加复杂性，包括专业级的 Formlabs 和 Ultimakers 到工业级的金属 PBF 和金属粘合剂喷射系统。

金属 3D 打印食品生产线


△ K3D 开发的 3D 打印面团切割刀具

● 面团切割：最早这样进军食品行业的 3D 打印公司之一是 Additive Industries ，该公司与金属增材制造服务提供商 K3D 合作，解决食品行业的面团切割问题，通过精确的面团切割来提高面包质量。重新设计的面团切割机械臂展示了 3D 打印的优势，例如多孔刀片可形成薄薄的气膜，从而实现更干净的切割，减少面团粘连。多孔刀片还配有用于可调节刀片预紧力的板簧、带轴承的集成铰链以及可减轻 90% 重量的拓扑优化结构。这种刀具利用 MetalFAB1 机器 3D 打印 SS316L 不锈钢制成，符合所有食品安全要求，并且易于清洁。3D 打印使 K3D 能够针对不同类型的面团定制刀具设计，无需额外成本；将 20 个零件合并为一个，缩短了交货时间，将生产成本 降低了 60%，并将生产能力提高了 20%。

● 啤酒生产：喜力在位于西班牙塞维利亚的啤酒厂使用了 UltiMaker 的 3D 打印技术以提高生产效率。塞维利亚工厂每年可生产 5 亿升啤酒，该工厂建立了一个 3D 打印实验室探索 3D 打印技术的价值，包括每个零件节省 70-90% 的成本、增加生产线正常运行时间、提高灵活性并提高员工安全性。第一个成功的应用是制造用于机器维护的改进型安全闩锁，并以鲜红色印刷以提高可见度。这不仅提高了安全性，还提高了员工对 3D 打印的认识。


△ 3D 打印煎饼烘焙生产线

● 煎饼烘焙：Kaak 与 3D 打印公司 Materialise 合作以改进煎饼烘焙生产线，减少浪费。煎饼制作过程开始时，需要将煎饼面糊放在工业烤箱的大盘子上烘烤。然而，在将煎饼从烤盘中取出时，升降装置经常会被粘稠的面糊堵塞，废物堆积导致生产线延期。粘住的面糊弄脏了机器，导致团队不得不停下整条生产线进行清洁。延误和过多的浪费意味着效率的降低。在确定了材料和打印参数后，K3D 团队开始使用 Materialise Magics 及其模块重新设计部件。新设计是一个完整的部件，具有内部通道和允许空气流通的多孔金属部件，使得每条生产线的煎饼废料减少了数千公斤，生产率提高了 10%，相当于每年通过改进流程节省 85,000 欧元。

食品级聚合物 3D 打印机械零件





● 金属零件替代：喜力啤酒利用 3D 打印技术制造难以更换的零件来降低成本，并打印塑料零件作为金属零件的替代品。塞维利亚啤酒厂使用 Ultimaker S5 打印机取得了成功，提高了员工安全性，缩短了交货时间并节省了成本。平均而言，打印零件的交付时间比外部采购快 80%，成本降低了 80%。

● 乳制品包装加工：Ultimaker 的意大利合作伙伴 3DItaly 为生产杏仁奶和其他替代乳制品的 Policom 公司生产工具和其他零件。Policom 公司需要一个定制漏斗来装杏仁糊袋。合作的重点是设计定制工具，这些工具在插入生产链后可以提高效率并降低成本。3DItaly 使用 UltiMaker 3D 打印机帮助该公司实现 OEE（整体设备效率），即提高系统的总效率，同时满足快速变化的市场需求。3D 打印提供了一种快速响应的方法，无需等待外包生产，可以使用在一夜之间 3D 打印制造的样品包装来测试生产线。

金属 3D 打印与聚合物 3D 打印相结合

用于替代金属的聚合物 3D 打印的高生产率和经济性与使用粘合剂喷射和其他基于粘合金属/烧结（如粘合金属长丝打印）的金属 3D 打印零件的多功能性结合在一起。

● 鱼片生产：Desktop Metal 是金属 3D 打印技术的领导者，已与食品和饮料行业的多家公司合作。Desktop Metal 公司的 Studio System 组装系统被用于为 Curio 鱼片机生产 316L 不锈钢零件。同时，鱼类加工设备制造商 Curio 测量了从刀具到通过鱼片机加工的鱼的 1 度热传递。利用3D 打印的设计自由，Curio 增设了内部通道，让冰水流过机器的零件。通过逐层 3D 打印，冷却通道很容易添加到设计中，抵消了热交换，但使用传统方法实现起来非常困难且成本高昂。使用传统方法组装新型 Curio 鱼片机的第一批零件需要 54-58 周的准备时间才能制作金属铸模，而利用 Desktop Metal Studio System，Curio 可以在数周内获得零件，并可以在不延误生产的情况下将新机器推向市场。


△ 哈德逊谷增材制造中心利用 3D 打印技术制造的不锈钢滚筒防护罩

● 肉类快速加工：JBT 是一家领先的全球技术解决方案提供商，为食品加工行业的高价值领域提供服务。JBT 的自适应 3D 分装系统是一种大型且非常复杂的系统，用于快速加工家禽、肉类和海鲜。JBT 利用哈德逊谷增材制造中心 (HVAMC) 的 3D 打印技术制造系统的不锈钢滚筒防护罩。





● 红肉加工：通过复合 3D 打印和经济实惠的粘合金属 3D 打印从事金属替代应用的 Markforged 公司与澳大利亚红肉加工公司 (AMPC) 合作，在全球首次试验 3D 打印服务模式。这项为期三年的试验旨在帮助澳大利亚各地的红肉加工商从打印设备零件和革新设备维护中受益，以帮助确保肉类产品的持续供应。该项目涉及两台 Markforged X7 碳纤维 3D 打印机，它们以“先试后买”的方式运送到加工厂。加工厂员工接受了打印机使用培训，以便他们能够评估购买永久设备是否是一项不错的投资。

● 冷藏室蒸发器叶片制造：Casino Food Co-op 利用 AMPC、Konica Minolta 和 Markforged 的​​ 3D 打印解决方案制造蒸发器上的风扇叶片，用于优化冷却室的温度。如果一个叶片变得不稳定，整个蒸发器就会破裂，冷藏室就无法达到最佳性能。由于蒸发器的原始设备制造商不再运营，制造新叶片的成本非常高。使用 3D 打印技术能够避免整个运营中代价高昂的停机。

值得注意的是，这里提到的大多数 3D 打印公司都是 3D 打印市场的新进入者。可以推测出，许多传统市场领导者（EOS、Stratasys 和 3D Systems）也进入食品行业。3D 打印在食品行业潜力显而易见，市场规模可能比人们想象的要大得多。