CC BY
31
УДК 663.91.05:621.791.92-023.5 DOI 10.24411/0235-2486-2020-10147
оптимизация BD-печати на примере использования шоколадной глазури
И.Г. Благовещенский, д-р техн. наук; Э.Д. Шибанов*, аспирант; К.А. Загородников
московский государственный университет пищевых производств
Дата поступления в редакцию 03.08.2020 * shibanoved@mgupp.ru
Дата принятия в печать 30.11.2020 © Благовещенский И.Г., Шибанов Э.Д., Загородников К.А., 2020
Реферат
В статье рассматривается новое направление - пищевая 3D-печать шоколадом и проблемы, существующие на текущий момент, которые препятствуют развитию и внедрению пищевых аддитивных технологий на небольшие производства и в кондитерские магазины, а также среди любителей в домашнем использовании. Параметры 3D-печати шоколадом сильно зависят от формы объекта, вида шоколада, температуры окружающей среды, скорости подачи и т. д. Было выдвинуто несколько гипотез, влияющих на увеличение скорости выращивания 3-мерного изделия. Для этого проводились эксперименты с использованием шоколадной глазури, показывающие значение минимально допустимой температуры печати, при которой будет получаться стабильный результат, а подача - оставаться непрерывной. А также эксперимент, который показал, уменьшится ли время выращивания 3-мерного изделия при уменьшении высоты слоя наносимого материала с одновременным увеличением линейной скорости перемещения печатающей головки. В результате проведенных экспериментов было установлено, что минимальное время печати достигается при высоте слоя, равной / диаметра печатающего сопла (для сопла диаметром 0,8 мм).
Ключевые слова
3D-печать шоколадом, проблемы пищевой 3D-печати, скорость 3D-печати шоколадной глазурью Для цитирования
Благовещенский И.Г., Шибанов Э.Д., Загородников К.А. (2020) Оптимизация 3D-печати на примере использования шоколадной глазури // Пищевая промышленность. 2020. № 12. С. 70-73.
Optimization of 3d print on the example of use of chocolate glaze
I.G. Blagoveshchensky, Doctor of Technical Sciences; E.D. Shibanov*, graduate student; K.A. Zagorodnikov
Moscow State University of Food Production
Received: August 3, 2020 * shibanoved@mgupp.ru
Accepted: November 30, 2020 © Blagoveshchensky I.G., Shibanov E.D., Zagorodnikov K.A., 2020
Abstract
The article considers a new direction - food 3D printing with chocolate and currently existing problems that impede the development and implementation of food additive technologies to small factories and private pastry shops, as well as disseminate among amateurs in home use. Food 3D printing with chocolate allows getting unique products of an unusual and complex shape, however, the printing parameters strongly depend on the shape of the object, type of chocolate, ambient temperature, feed rate, etc. Several hypotheses have been put forward that affect the increase in the growth rate of a 3D product. To do this, experiments were carried out using chocolate glaze, showing the value of the minimum allowable print temperature at which, a stable result will be obtained, and the flow should remain continuous. There was also carried out the experiment that showed whether the growing time of a 3-dimensional product would decrease with a decrease in the height of the layer of applied material with a simultaneous increase in the linear speed of movement of the print head. As a result of the experiments, it was found that the minimum printing time is achieved when the layer height is equal to V of the diameter of the printing nozzle (for a nozzle with a diameter of 0.8 mm).
Key words
3D printing with chocolate, problems of food 3D printing, 3D printing speed with chocolate glaze For citation
Blagoveshchensky I.G., Shibanov E.D., Zagorodnikov K.A. (2020) Optimization of 3d print on the example of use of chocolate glaze // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No. 12. P. 70-73.
70 12/2020 пищевая промышленность issn 0235-2486
Введение. Аддитивные технологии стали активно внедряться во многие сферы науки и техники. И пищевое производство не исключение. На сегодняшний день создаются 3D-принтеры, способные печатать пищевыми ингредиентами [1, 2], и уже существуют полноценные модели. Наиболее популярным и широко изученным является метод, основанный на экструзии пищевых материалов. Среди используемых ингредиентов можно встретить шоколадную глазурь, шоколад [3], фруктовые и овощные основы, фруктовые гели, сухое молоко, картофель, тесто, сыр, рыбный гель, мясной фарш и даже зерновые снеки с содержанием насекомых. Для кафе и ресторанов пищевые 3D-принтеры - это возможность удивить клиента. Показать людям новый и уникальный способ приготовить вкусную и красивую еду. Благодаря аддитивным технологиям появилась еще одна возможность создавать эксклюзивные изделия из шоколада самой разнообразной формы. Это позволяет делать шоколадную продукцию еще более персонализированной [1, 4-7].
На сегодняшний день в 3D-печати шоколадом есть несколько проблем, которые препятствуют использованию данной технологии в коммерческих целях. Низкая скорость застывания шоколада снижает производительность, а также существенно влияет на качество получаемых изделий. Необходимо более точно регулировать и подбирать рабочую температуру экструдера и скорость печати при изготовлении миниатюрных объектов. Для достижения удовлетворительного внешнего вида печатаемой продукции необходима настройка параметров, которые на сегодняшний день подбираются эмпирическим путем для каждой конкретной марки шоколада, для текущих температурных условий окружающей среды [5, 8]. В большинстве случаев для получения хорошего результата необходимо непосредственное участие оператора на всех основных этапах 3D-печати. В процессе печати он может корректировать температуру и скорость, проводя визуальный контроль качества. Так как 3D-печать шоколадом занимает длительное время, эффективность от человека очень низка, а существующий основной контроль за процессом печати, который является определяющим в настоящий момент, не дает 100%-ной гарантии хорошего результата. При подготовке материала к данной работе был произведен анализ научных статей, соответствующих ключевым словам «^-печать шоколадом», а также были рассмотрены конструкции изготавливаемых 3D-принтеров для печати шоколадом. Оказалось, что проводилось не так много исследований по оптимизации этого процесса. О пищевой 3D-печати шоколадом упоминается в статье [3], однако анализом и решением существующих проблем в рамках этой работы авторы не занимались. Вопрос оптимизации процесса 3D-печати шоколадом был затронут в работе [9], где подробно описаны эксперименты, показывающие, как параметры печати влияют на способность шоколадного волокна проходить на большие расстояния без разрушения.
Цель работы - определение оптимальных параметров экструзионной 3D-печати шоколадной глазурью, позволяющих до-
стичь максимальном скорости выращивания 3-мерного объекта. Мы провели эксперимент, показывающий зависимость времени изготовления качественного объекта от скорости экструдирования материала и высоты наносимого слоя. Эти данные могут быть полезны для тех, кто пытается освоить 3D-печать шоколадом и шоколадной глазурью.
Материалы и оборудование. Первые эксперименты были проведены с использованием темной шоколадной глазури «Belgostar». По характеру поведения в экс-трудере она подобна шоколаду, однако лишена необходимости в предварительном темперировании. 3D-принтер. Прототип для проведения экспериментов был реализован на базе коммерческого 3D-принтера ISL Base. На него был установлен экструдер, спроектированный для печати джемами, шоколадной глазурью и шоколадом, а также дополнительная система активного охлаждения области печати (рис. 1).
Экструдер. Разработанный экструдер (рис. 2) основан на винтовом насосе, что позволяет работать с вязкими жидкостями. Экструдер имеет 2 зоны нагрева: подогрев печатающей головки (2) и подогрев емкости с сырьем (4), изготовленной из нержавеющей стали.
Принцип действия: разогретый шоколад загружается в предварительно прогретую колбу для хранения материала (4) через специальное отверстие (5). Во время печати шаговый двигатель с редуктором (6) передает крутящий момент дозирующему насосу (3), который перекачивает заданное количество материала в область нагрева (2) и выталкивает его через сопло (1). Для увеличения скорости выращивания 3-мерных изделий из шоколада и шоколадной глазури была разработана система активного охлаждения, позволяющая подавать регулируемый поток охлажденного воздуха в зону печати (рис. 3).
Ход исследования. Эксперименты проводились в лаборатории аддитивных тех-
нологий «ISL Technology» на базе ФГБОУ ВО «МГУПП». Для проведения первого эксперимента шоколадная глазурь была растоплена, тщательно перемешана для получения однородной структуры и загружена в экструдер, предварительно нагретый до 40 °С. Диаметр сопла экструдера 0,8 мм, начальная температура сопла составляла 40 °С. Для увеличения скорости проведения экспериментов была включена система активного охлаждения, поэтому в область печати поступал поток охлажденного воздуха с температурой 14 °С. Комнатная температура составляла 23 °С. В первом эксперименте мы выявили минимальную температуру, при которой глазурь могла экструдироваться при заданной скорости без прекращения экструзии. мы считали, что правильное определение этой температуры крайне важно, так как от этого зависит возможность увеличения скорости печати. Чем ниже начальная температура экструди-рованного шоколада, тем меньше тепла ему необходимо рассеять - соответственно шоколад будет готов к нанесению следующего слоя раньше, чем шоколад, имеющий более высокую начальную температуру. Отсюда следует возможность увеличения скорости выращивания 3-мерного изделия. Для этого мы напечатали несколько образцов с одним переменным параметром - температурой. Она изменялась от 40 до 32 °С с шагом в 2 градуса. Следующий эксперимент проводился при оптимальной температуре, выбранной нами из предыдущего опыта. мы хотели проверить гипотезу о том, что при уменьшении высоты слоя печати и увеличении скорости нанесения материала мы сможем добиться более высокой общей скорости выращивания 3-мерного изделия. Для этого были напечатаны образцы, у которых высота слоя печати варьировалась от 0,1 до 0,4 мм, а скорость нанесения материала - от 5 до 42 мм/c.
Для проведения экспериментов была спроектирована 3D-модель буквы V, которая печаталась в режиме «вазы» (рис. 4). Длина траектории перемещения экс-трудера на одном слое равна 262 мм, а ширина наносимой линии 0,8 мм. Пло-
Рис. 1. Фотографии 30-принтера ISL Base, оснащенного экструдером для печати шоколадом и системой активного охлаждения:
1 - мотор с редуктором, 2 - трубки охлаждения, 3 - система активного охлаждения, 4 - магнитная подложка для печати образцов, 5 - печатающее сопло, 6 - экструзионный насос, 7 - колба хранения материала
Рис. 2. 30-модель винтового экструдера:
1 - печатающее сопло, 2 - нагреваемый блок, 3 - дозирующий насос, 4 - колба хранения материала, 5 - отверстие для загрузки сырья, 6 - печатающее сопло
Рис. 3. 3D-модель системы охлаждения (разрез):
1 - радиатор с жидкостным охлаждением,
2 - элемент Пельтье, 3 - кулер
для циркуляции воздуха, 4 - охлаждающий радиатор, 5 - поток охлажденного воздуха, 6 - печатающее сопло
щадь одного печатаемого слоя была равна 210 мм2. Габаритные размеры буквы 62,7x62x10 мм.
Предварительный просмотр модели, подготавливаемой для 3й-печати.
Результаты. Исходные данные и полученные значения для первого эксперимента представлены в табл. 1, а напечатанные образцы представлены на рис. 5.
Все исходные данные и полученные значения для второго эксперимента представлены в табл. 2.
Обсуждение полученных результатов.
В ходе первого эксперимента мы выявили оптимальную, на наш взгляд, температуру печати Тех1г = 36 °С. При этой температуре был напечатан образец № 9, имеющий ровные стенки, без подтеков и оплавления (перегрева) верхних слоев (рис. 5). На образце № 10 (Тех1г = 34 °С) появилась волнистая структура стенок, имеющая неудовлетворительное качество поверхности. Образец № 11 полностью потерял целостность внешнего контура, подача была стабильной, однако экструдируемый материал моментально наволакивался на предыдущий слой, комковался и отрывался.
Во втором эксперименте было напечатано 4 группы образцов, имеющих разную высоту слоя. В первой группе (рис. 6) наиболее качественными получились образцы № 21 и № 22. В образцах № 23 и № 24 возникли дефекты, которые не были устранены в процессе 3й-печати (незату-
Рис. 4. Модель для проведения экспериментов
Таблица 1
Параметры печати образцов первого эксперимента
Номер образца T„, С h, мм 1, мин Особенности внешнего вида
Образец № 6 40 0.2 29:18 Слегка подплавленный верхний слой
Образец № 8 38 0.2 29:18 Ровные стенки
Образец № 9 36 0.2 29:18 Ровные стенки
Образец № 10 34 0.2 29:18 Ребристая структура стенок
Образец № 11 32 0.2 29:18 Неровная, рваная, разрушенная структура
Примечание. Тех1г - рабочая температура экструдера и колбы для хранения материала в °С; И - высота печатаемого слоя в мм; 1 - время печати образца в мин. Для проведения следующих экспериментов была выбрана оптимальная рабочая температура Тех1г = 36 °С.
них слоях печати. Образцы № 29 и № 30 имеют множественные вертикальные дефекты. В каждой группе был отобран самый оптимальный, на наш взгляд, образец, имеющий минимальное время печати и приемлемое качество поверхности боковых стенок.
Таблица 2
Параметры печати образцов второго эксперимента
Номер образца h, мм V , мм/c печати' / t, мин Особенности внешнего вида
Образец 22 0.4 6 30:28 Ровные стенки, небольшая усадка в углу
Образец 21 0.4 8 22:55 Ровные стенки, слегка подплавленный слой
Образец 23 0.4 10 18:23 Присутствуют дефекты, подплавлен слой
Образец 24 0.4 12 15:22 Присутствуют дефекты, подплавлен слой
Образец 18 0.3 10 21:53 Ровные стенки
Образец 19 0.3 12 18:17 Ровные стенки, присутствуют дефекты
Образец 20 0.3 13 16:54 Волнистые стенки, присутствуют дефекты
Образец 17 0.3 14 15:43 Волнистые стенки, присутствует дефект
Образец 16 0.3 18 12:17 Волнистые стенки, присутствуют дефекты
Образец 9 0.2 10 29:18 Ровные стенки
Образец 12 0.2 14 21:10 Ровные стенки
Образец 13 0.2 18 16:25 Ровные стенки
Образец 15 0.2 20 14:48 Волнистые стенки, слегка подплавлен слой
Образец 14 0.2 22 13:20 Волнистые стенки, присутствуют дефекты
Образец 25 0.1 22 23:26 Стабильные волнистые стенки
Образец 26 0.1 26 19:55 Стабильные волнистые стенки
Образец 27 0.1 30 17:21 Стабильные волнистые стенки
Образец 28 0.1 34 15:25 Волнистые стенки, продолговатые дефекты
Образец 29 0.1 38 13:54 Волнистые стенки, множественные дефекты
Образец 30 0.1 42 12:41 Волнистые стенки, множественные дефекты
Примечание. И - высота печатаемого слоя (мм); Vпечати - скорость перемещения экструдера (мм/с); 1 - время печати образца (мин). Первая группа образцов - высота слоя И = 0,4 мм. Вторая группа образцов - высота слоя И = 0,3 мм. Третья группа образцов - высота слоя И = 0,2 мм, Четвертая группа образцов - высота слоя И = 0,1 мм.
хающие дефекты). Во второй группе (рис. 7) наилучшим качеством обладают образцы № 18 и № 19. Режим изготовления образца № 20 находился на границе качественной печати и не был стабильным. Образцы № 16 и № 17 имеют ярко выраженную волнистую структуру, появившуюся с самого начала печати, а также вертикальные дефекты. Третья группа образцов (рис. 8) имеет три качественных экземпляра: № 9, № 12, № 13. Образец № 15 имеет волнистость и небольшие вертикальные дефекты на верхних слоях, а в образце № 14 они выражены значительно сильнее. Все образцы четвертой группы (рис. 9) имеют волнистые стенки, однако у образцов № 25, № 26 и № 27 они достаточно стабильны и не вызывают других дефектов. Образец № 28 имеет несколько продолговатых вертикальных дефектов, исчезнувших на верх-
На рис. 10 представлены выбранные образцы (№ 21, № 19, № 13, № 27).
В результате самой производительной оказалась 3й-печать образца с высотой слоя И = 0,2 мм. Этот образец имеет рекордное для нашего эксперимента время печати - 16 мин 25 сек. На рис. 11 приведен график сравнения режимов печати для данных образцов.
Первая группа образцов - высота слоя И = 0,4 мм. Вторая группа образцов - высота слоя И = 0,3 мм. Третья группа образцов -высота слоя И = 0,2 мм, Четвертая группа образцов - высота слоя И = 0,1 мм. Жирным шрифтом обозначено самое минимальное время печати для каждой высоты слоя.
Выводы. Скорость 3й-печати шоколадом ограничивается низкой скоростью охлаждения верхних слоев изделия. Было проведе-
72 12/2020 пищевая промышленность issn 0235-2486
№¡22 жП №21 №23 4ft j №24
MlM
Рис. б. Первая
группа
образцов,
напечатанная
для второго
эксперимента
1Ш
Рис. 7. Вторая группа образцов, напечатанная для второго эксперимента
Рис. 8. Третья группа образцов, напечатанная для второго эксперимента
Рис. 9. Четвертая группа образцов, напечатанная для второго эксперимента
IV №21 №19 ¡^ №13 ГХ №27
вышта слоя О.4 мм Высота слоя 0.3 мм Высота слоя 0.2 мм Высота слоя 0.1 мм
время в петэти 22:55 «н Время в печати 18:17 мин Время в печати 16:23 мин Время в печати 17:21 мин
Скороств петэти 8 мм/с Скорость печати 12 мм/с Скорость печати 18 мм/с Скорость печати 30 мм/с
Рис. 10. Лидирующие образцы второго эксперимента
ставляла 36 °С. Чем ниже была начальная температура печати, тем быстрее остывал верхний слой и набирал необходимую твердость. Результаты экспериментов показали, что выращивание 3-мерного объекта можно ускорить, увеличивая скорость печати, но только до определенной поры. Есть конечная максимальная скорость (при фиксированной высоте наносимого слоя), при которой изделие будет получаться качественно. Второй эксперимент показал, что максимальная скорость печати может быть достигнута при уменьшении вновь наносимого объема материала и одновременном увеличении скорости линейного перемещения печатающей головки. Для нашего случая оптимальная высота наносимого слоя была равна i/4 диаметра сопла, что позволило достичь минимального времени печати.
ЛИТЕРАТУРА
1. Tan, C. Extrusion-based 3D food printing -Materials and machines / C. Tan, W.Y. Toh, G. Wong,
но несколько экспериментов, направленных на оптимизацию этого процесса. В первом эксперименте была подобрана минимальная температура качественной 3D-печати (для определенного материала). Она со-
L. Li // International Journal of Bioprinting. -2018. - Vol. 4. - No. 2. - P. 1-13. Doi: 10.18063/ IJB.v4i2.143.
2. Portanguen, S. Toward the design of functional foods and biobased products
by 3D printing: A review / S. Portanguen, P. Tournayre, J. Sicard, T. Astruc, P.S. Mirade // Trends in Food Science and Technology. - 2018. -Vol. 86. - No. 5. - P. 188-198. Doi: 10.1016/j. tifs.2019.02.023.
3. Xie, Y. Design and Implementation of Chocolate 3D Printer, DEStech Trans / Y. Xie, Y. Tan, G. Ma, J. Zhang, F. Zhang // Computing in Science & Engineering. - 2017. Doi: 10.12783/ dtcse/itms2016/9434.
4. Pitayachavai, P. A Review of 3D Food Printing Technology / P. Pitayachavai, N. Sanklong, A. Thongrak // MATEC Web Conferences. - 2018. -Vol. 213. - No. 10. - P. 01- 012. Doi: 10.1051/ matecconf/201821301012.
5. Ferreira, I.A. Low-cost 3D food printing / I. A. Ferreira, J. L. Alves // Ciencia e Tecnologia dos Materials. - 2017. - Vol. 29. - No. 1. -P. e265-e269. Doi: 10.1016/j.ctmat.2016.04.007.
6. Liu, Z. 3D Food Printing Technologies and Factors Affecting Printing Precision / Z. Liu, M. Zhang. - Elsevier Inc., 2019.
7. Aradwad, P. 3D Food Printing Technology Future of Customized Food Products Scanned with CamScanner / P. Aradwad, A. Kumar. - 2019. -No. 12.
8. Lanaro, M. 3D Printing Chocolate / M. Lanaro, M.R. Desselle, M.A. Woodruff. - Elsevier Inc., 2019.
9. Lanaro, M. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation / M. Lanaro [et al.] // Journal of Food Engineering - 2017. Doi: 10.1016/j. jfoodeng.2017.06.029.
REFERENCES
1. Tan C, Toh WY, Wong G, Li L. Extrusion-based 3D food printing - Materials and machines, International Journal of Bioprinting. 2018. Vol. 4. No. 2. P. 1-13. Doi: 10.18063/IJB.v4i2.143.
2. Portanguen S, Tournayre P, Sicard J, Astruc T, Mirade PS. Toward the design of functional
foods and biobased products by 3D printing: A review. Trends in Food Science and Technology. 2018. Vol. 86. No. 5. P. 188-198. Doi: 10.1016/j. tifs.2019.02.023.
3. Xie Y, Tan Y, Ma G, Zhang J, Zhang F. Design and Implementation of Chocolate 3D Printer, DEStech Trans. Computing in Science & Engineering. 2017. Doi: 10.12783/dtcse/itms2016/9434.
4. Pitayachaval P, Sanklong N, Thongrak A. A Review of 3D Food Printing Technology. MATEC Web Conferences. 2018. Vol. 213. No. 10. P. 01012. Doi: 10.1051/matecconf/201821301012.
5. Ferreira IA, Alves JL. Low-cost 3D food printing. Ciencia e Tecnologia dos Materials. 2017. Vol. 29. No. 1. P. e265-e269. Doi: 10.1016/j. ctmat.2016.04.007.
6. Liu Z, Zhang M. 3D Food Printing Technologies and Factors Affecting Printing Precision. Elsevier Inc., 2019.
7. Aradwad P, Kumar A. 3D Food Printing Technology: Future of Customized Food Products Scanned with CamScanner. 2019. No. 12.
8. Lanaro M, Desselle MR, Woodruff MA. 3D Printing Chocolate. Elsevier Inc., 2019.
9. Lanaro M et al. 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering. 2017. Doi: 10.1016/j.jfoodeng.2017.06.029.
Авторы
Благовещенский Иван Германович, д-р техн. наук, Шибанов Эдуард Дмитриевич, аспирант, Загородников Константин Андреевич
Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, igblagov@mgupp.ru, shibanoved@mgupp.ru, zagorodnikovka@mgupp.ru
Authors
Ivan G. Blagoveshchensky, Doctor of Technical Sciences, Eduard D. Shibanov, graduate student, Konstantin A. Zagorodnikov
Moscow State University of Food Production, 11, Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, igblagov@mgupp.ru, shibanoved@mgupp.ru, zagorodnikovka@mgupp.ru
