Fenntartható élelmiszer-újrafogalmazás 3D nyomtatás - Naukas
Tudomány, szkepticizmus és humor
Ismeri azokat a 3D nyomtatókat, amelyek "ételeket készítenek"? Próbáltál már 3D nyomtatott ételeket? Bár hihetetlennek tűnik, és egy tudományos-fantasztikus filmből származik, ez már valóságos tény, és közelebb áll hozzád, mint gondoltad. A közeljövőben elmehet étkezni egy étterembe, és a virtuális valóság szemüvegével kiválaszthatja kedvenc ételeit, amelyet egy digitális asszisztens tanácsol a preferenciák előzményei alapján; A 3D nyomtatók elkészítik a személyre szabott menüt, és az ételeket "robotpincérek" szolgálják fel. Továbbá ezek a 3D nyomtatók várhatóan az elkövetkező években kicserélik a konyhák mikrohullámú sütőjét. A mai társadalomnak nincs ideje főzni, és nagy mennyiségű csomagolt és előkészített ételeket igényel, amelyekben gyakran van felesleges cukor vagy só, valamint számos tartósítószer és zsír; ezekkel az új nyomtatókkal azonban egyszerűbb módon lehet egészségesebb ételeket készíteni. De miről beszélünk konkrétan? Ahhoz, hogy megértsük működésüket és az általuk kínált előnyöket a hagyományos konyhai eszközökhöz vagy konyhai robotokhoz képest, elengedhetetlen, hogy először tisztázzuk, miből áll a 3D nyomtatás, és ismerjünk egy kicsit a történetéről.
A 3D nyomtatás egy "hozzáadással történő előállítás" technikák sorozatából áll, amelynek során egy tárgyat háromdimenziós módon reprodukálnak egy digitális modellből az anyagrétegek egymásra helyezésével, amelyek felhalmozódnak a méret, jellemzők és a tervezett forma eléréséig. Ezek a gépek csak a szükséges alapanyagot használják por, folyadék vagy szálak formájában, amelyek később megolvadnak vagy megszilárdulnak, hogy megkapják a végső alakot, és a hagyományos gyártási módszerektől eltérően nem kell eltávolítaniuk a felesleges nyersanyagot. Ez a folyamat nagyon ígéretes, mivel feleslegessé teszi a méretgazdaságosság szükségességét, lehetővé teszi a tervezés teljes szabadságát, és minimalizálja az időt, a költségeket, az energiafogyasztást és a szállítási igényeket. Így a 3D nyomtatók összetett tárgyakat gyártanak egy digitális modell utasításainak betartásával, számítógéppel segített tervezés (CAD) segítségével. A CAD programmal valódi 3D-s modellt terveznek a számítógépen, és az objektumot szétválasztják, hogy egy additív folyamat révén egyesével kinyomtathassák. Ezenkívül a tárgy különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokból készült részei egyszerű összeszerelési eljárással kinyomtathatók.
A valós objektum (a), a CAD modell (b) sematikus ábrázolása és a rétegek közötti elválasztás a 3D nyomtatáshoz (c).
Az első adalékanyag-gyártási berendezés az 1980-as évekig nyúlik vissza. 1981-ben Hideo Kodama, a japán Nagoya Városi Ipari Kutató Intézet két módszert dolgozott ki egy háromdimenziós műanyag modell gyártására fotopolimerrel. Három évvel később Chuck Hull, elnök A 3D Systems Corporation munkatársa Cliftonban (Colorado, USA) kifejlesztett egy prototípust egy sztereolitográfiának nevezett folyamat alapján, amelyhez rétegeket adnak a fotopolimerek ultraibolya lézerrel történő kikeményedésével. Ez az objektum azon része felé irányul, amelyet tükrök segítségével meg kell gyógyítani, és amely képes nagy pontosságú darabok előállítására. Hull úgy határozta meg a folyamatot, mint "egy olyan rendszert, amely háromdimenziós objektumokat állít elő a kialakítandó tárgy keresztirányú mintázatának létrehozásával". Hull fő hozzájárulása az STL (STereoLithography) fájlformátum volt, amelyet a 3D nyomtatási szoftver széles körben használt, valamint a digitális vágási és kitöltési stratégiák, amelyek számos jelenlegi folyamatban közösek.
Ma a legtöbb 3D nyomtatóban alkalmazott technológia a "fuzionos lerakódás modellezése" (FDM), más néven "fuzionált szálgyártás" (FFF), amely folyamatos műanyag szálat használ. Egy fúvókán keresztül extrudálva megrajzolhatja az objektumot alkotó 3D-s rétegeket. Alternatív eljárás a kötőanyag-injektálás, közismertebb nevén: „Binder Jetting” vagy „Color Jet Printing”; Ez egy nagyon sokoldalú technológia, amely lehetővé teszi a legkülönbözőbb színű nyomtatást egy színes kötőanyag használatának köszönhetően, amelyet porágyra permeteznek, majd keresztmetszetben megszilárdulnak. Ez a technológia a hagyományos papírnyomtatókhoz hasonlóan működik, de papírlap helyett műanyag gyantákat és por bevonatot használ. Az FDM és a kötőanyag-befecskendezési technológiát már használják a 3D-s élelmiszerek nyomtatásához.
Összevont lerakódás modellező gép sematikus ábrája│Forrás
A kötőanyag-injektálás és a sztereolitográfia ipari fejlesztése 1993-ban kezdődött a Massachusettsi Műszaki Intézetben (MIT), amely egy szabadalmaztatott eljárást dolgozott ki a 3D nyomtatás (3DP) néven, ma már "jet print" vagy "színes jet printing" néven is ismert.
Ma azonban még mindig nincs egyértelmű meghatározás arról, hogy mi a 3D-s élelmiszer-nyomtató: Egyszerű főzőgép? Olyan eszköz, amely lehetővé teszi új ételkombinációk létrehozását? Olyan eszköz, amely lehetővé teszi számunkra, hogy nem létező ételt alkossunk? Általánosságban elmondható, hogy olyan gépként lehetne leírni, amely képes a digitális recepteket ehető és étvágygerjesztő harapnivalókká változtatni. A legtöbb kereskedelmi élelmiszer-nyomtató az FDM variánst használja egy paszta extrudáló rendszerrel fecskendőn keresztül; a művelet hasonló egy tintanyomtatóhoz, amelynek egyetlen nagy fúvókája sűrű pépes anyagot önt, amely rétegekben felépítve háromdimenziós élelmiszer-struktúrákat képez. Az ételeket külön utómunkálatokban kell „sintérezni” vagy „főzni”, amely történhet vagy nem magában a 3D nyomtatóban.
A 3D-s ételszintézis úttörői Hod Lipson és Evan Malone, a Cornell Egyetem (New York) munkatársai voltak, akik 2007-ben a Fab @ Home extrudáló nyomtatót csokoládé, sajt, sütemények, zellerpép és még tenger gyümölcsei nyomtatásához (ütött fésűkagylók) nyomtatták. 2010-ben Dr. Liang Hao és munkatársai az Exeteri Egyetemtől (Nagy-Britannia) magas hőmérsékletű extruder segítségével új rétegezési módszert fejlesztettek ki a „ChocALM” elnevezésű csokoládé készítéséhez. Vizsgálataik azt mutatták, hogy mind az extrudálás sebessége, mind a fúvóka sebessége és magassága kulcsfontosságú tényezők, amelyek lehetővé teszik a végtermék szerkezetének, aromájának és ízének módosítását, így ezeknek a paramétereknek az optimalizálása lehetővé teszi a fogyasztók számára adaptált kiváló minőségű 3D csokoládék előállítását, megkönnyítve ezzel az "ételek személyre szabását".