食品3D打印的发展及挑战

李光玲

（江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405）

3D打印（3Dprinting），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［1－3］。

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［4］。

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（fused deposition modeling，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［3］。

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3 000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Terry Wohlers的2012版产业分析［5］，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 Cuartielles和美国的David Mellis、Tom Igoe）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［6］。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Figure 1 3Dfood printer

2.2 食品3D打印的现状

目前，3D食品打印机主要有3DSystems在CES2014展出的ChefJet和ChefJet Pro两款，以及巴塞罗那Natural Machines公司推出的一款消费级的Foodini 3D食品打印机。

ChefJet系列打印机主要使用糖作为打印材料，Foodini 3D食品打印机则可以打印出糕点、肉饼、巧克力等食品［7］。3D食品打印机在使用时，首先要将准备好的食材原料搅拌成泥状，然后通过喷头将泥状食材按预先设定好的形状及图案喷出，或在模具中喷压成型，最后将成型的食材放入烤箱进行烘烤即可。由于成型图案可预先在设备中进行设定，因此可打印出较多形状可爱的图案，不足是成型表面略显粗糙。如图2～5所示是经食品3D打印机得到的食品。

2.3 食品3D打印的发展

普遍认为，3D食品打印机有助于利用全新食材便捷地制作非传统食品，它会对人类今后的食物和饮食习惯产生深远的影响［8］。

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

图3 3D“打印”的干酪航天飞机Figure 3 3Dprint of the cheese space shuttle

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

图5 3D“打印”的芹菜夹心火鸡肉Figure 5 3Dprint celery sandwich Turkey

（1）它使人们的太空旅行梦想变得更近了。为了能在太空中进行更广阔的遨游，就必须在太空飞船上储备足够的食物，而运输的成本又决定了这些食物不能超重且不能占据太多的空间。3D食物打印可以使宇航员拥有一个超级浓缩的厨房，有效地节省太空舱的有限空间，可以辅助人类完成更具挑战性的太空探索任务。例如，美国宇航局曾向3D打印机厂商系统与材料研究公司（SMRC）提供一笔为期6个月的12.5万美元资金，要求其研制一种通用型食物合成器［9］。

（2）3D食物打印为缓解今后粮食可能不足的难题提供了一种解决方案。根据美国人口调查局和联合国人口基金会［10］的预计，全世界人口将在未来数十年持续增长，这意味着未来粮食供应不足的问题将更加严峻。3D食物打印有可能从人类目前不太食用的物质中提取出需要的营养成分，然后利用3D打印技术制作出新的食物。例如，荷兰的相关组织正在设想从藻类、甜菜叶及昆虫这些可持续资源中提取营养成分进行3D打印［11］。

此外，3D食物打印能够满足人们丰富多彩的个性需求，不仅可根据不同年龄段制订个性化的营养配方，而且还可使3D食物打印成为懒人和特殊人群的果腹之道。

2.4 食品3D打印的应用前景

中国目前3D打印虽然还处于产业化的初级阶段，但行业发展形势良好，在设备、材料、软件等核心领域可以不同程度实现自给［11，12］，在文化创意、工业及生物医学等领域得到应用。3D打印是一个发展快速且市场潜力巨大的新兴行业。据世界3D打印技术产业联盟秘书长、中国3D打印技术产业联盟执行理事长罗军［13］预测，未来3～5年将是3D打印技术最为关键的发展机遇期，如果推进顺利，到2016年产值将达百亿元人民币。

随着3D打印技术的不断成熟和完善，以及越来越多的消费者对3D食品打印的好奇和热衷，3D食品打印技术有望走入消费者的日常生活，同时也有可能帮助人类解决未来即将面临的食品危机［14－16］。胡迪·利普森等［17］认为，利用3D食品打印技术未来可以实现自身量化饮食，如糖尿病患者可以上传血糖数据，然后用软件计算出下一餐的营养均衡食谱，并将食谱发送给厨房里的3D食品打印机，实现合理饮食，再也不必担心饮食不合理带来的肥胖困扰。同时，数字烹饪技术还可以烹饪出传统烹饪技术无法得到的口味以及形状；可以将食品3D打印技术和3D扫描技术相结合，制作出更加具有特色的新产品［18］，例如可以扫描并打印出带有新郎、新娘头像的糖果、巧克力等礼品用以赠送亲友。

2.5 食品3D打印面临的挑战

虽然3D食品打印技术已取得了初步的成功，但要得到更广泛的推广应用，还需克服几项挑战：

（1）安全性：因3D食品打印机打印出来的每件产品都是用来食用的，必须保证其安全性。因此，必须保证3D食品打印机的各个技术环节以及打印所选用的相关食材都是安全的。

（2）成本和速度：3D食品打印效率低，成本相对较高，批量化、规模化生产受到限制，这与普通食品生产方式相比存在不小的劣势。但这一劣势会随着劳动力成本的不断攀升而消失；另外，在一些个性化、造型复杂的食品生产中，3D打印成本反而会更低。

（3）口感：3D食品打印机打印出来的产品必须味道适宜，才能被大众所接受。因此，如何保证各类食材在穿过机器之后，仍能满足人类的味蕾，将是食品科学家们考虑的另一个重要问题。

（4）材料的限制：3D打印适合打印液体、糊状或粉状的食材，这就必须将人类通常食用的鱼、肉、蔬菜等食材变成糊状才能实施打印。目前仅适应以浆料状等原料打印的食品，如糕点、糖果等，餐桌上的绝大多数菜肴还难以打印出来，这无疑会限制食品3D打印的应用。

除此之外，面对打印出来的食物是否可以放心食用的疑问，还需解决或打破大众的心理障碍，使得更多的消费者愿意接受3D打印的食物。

上述困难并未影响3D打印研究者和愿意采用新技术制作美食的美食家对3D食品打印的大胆构想和尝试［19］。马塞洛·科埃略和杰米·英根伯［17］领导的团队创造了“科纳科皮亚”概念，为未来家庭构思了4款打印机，分别是数字巧克力机、数字加工器、机器人厨师和专业搅拌器等。

3 结语

随着食品3D打印的快速发展，各种各样的食品3D打印机将逐渐开发出来。未来蛋糕店的蛋糕将不是由糕点师手工制作，而是由3D打印机打印出来的，这在劳动力成本越来越高的今天将极具吸引力。未来3D食品打印机将真正走进厨房，并与网络连接，人们“下班前发出指令消息，回家后享用美味晚餐”的美好设想终将变为现实。

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