بررسی متغیرهای فرآیندی در چاپ سه بعدی شکلات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده نفت و مهندسی شیمی دانشگاه آزاد علوم و تحقیقات تهران

2 گروه کامپوزیت، پژوهشده فرآیند، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران

چکیده

فناوری ساخت افزایشی به روش سرنگی یکی از روش‌های شکل‌دهی قطعات است که به دلیل طراحی و زمان کم تولید توجه بسیاری از صنعتگران و محققان را جلب کرده است. در این روش مواد مختلف از قبیل پلیمری، غذایی، فلزی و ... توسط یک سرنگ که توسط مکانیزم سی ان سی کنترل می‌شود، به صورت رشته‌هایی نازک در کنار هم قرار می‌گیرند تا مقطعی از قطعه ساخته شود. با تکرار این فرآیند برای لایه‌های بعدی، قطعه نهایی ساخته می‌شود. در این پروژه سعی بر این بوده تا قطعات شکلات به شکل‌های دلخواه با این فناوری ساخته شود. برای این منظور از زیرساخت یک چاپگر سه بعدی تجاری که به یک کلگی سرنگی طراحی شده‌ی خاص با دمای قابل تنظیم مجهز شده بود، استفاده شد. آزمون DSC نشان داد که محدوده دمایی مناسب برای ذوب شکلات،°C۳۲-۴۰ است. آزمون ریولوژی نشان داد که با افزایش دما، گرانروی شکلات کاهش می‌یابد و افزایش گرانروی منجر به بیشتر اکسترود شدن شکلات شده، وضوح شکل چاپ شده را کم می‌کند. از طرف دیگر پارامترهای فرآیندی نظیر ارتفاع نازل از صفحه چاپ، قطر نازل، قطر فیلامنت و دمای صفحه ساخت نیز بر وضوح چاپ موثر است. در این تحقیق قطرهای مختلف تنظیمی نازل در نرم‌افزار چاپmm 98/1، 2 و 3 در دماهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت شرایطی که در آن دقت چاپ مطلوب است تعیین شد که عبارتند از دمای °C32، ارتفاع برابر با قطر، قطر نازل تنظیمی mm 98/1 و دمای صفحه ساخت کمتر از °C10.

چکیده تصویری

بررسی متغیرهای فرآیندی در چاپ سه بعدی شکلات

تازه های تحقیق

  •       در این تحقیق، برای چاپ سه بعدی شکلات، از زیرساخت یک چاپگر تجاری مجهز شده به یک کلگی سرنگی خاص با دمای قابل تنظیم استفاده شد.
  •      با آزمون گرماسنجی تفاضلی، شرایط دمایی چاپ سه بعدی شکلات، به دست آمد که در آن حداقل ذوب اتفاق می افتد تا جامد شدن و چاپ ممکن شود.
  •      آزمون رئولوژی برای تعیین ویسکوزیته شکلات در دماهای مختلف و تعیین پارامترهای چاپ انجام شد.
  •      پارامترهای فرآیندی نظیر ارتفاع نازل از صفحه چاپ، قطر نازل، قطر فیلامنت و دمای صفحه ساخت برای رسیدن به وضوح چاپ بالا تعیین شد.
  •     با پارامترهای تعیین شده، طرح های پیچیده ای از شکلات، با موفقیت به روش سه بعدی چاپ شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of process variables in 3D printing of chocolate

نویسندگان [English]

  • Maryam Saeedi 1
  • Amir Masood Rezadoust 2
  • Hossein Baniasadi 1
  • Marzyeh Lotfi 1
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Petroleum and Chemical Engineering, Tehran Azad University of Science and Research
2
چکیده [English]

Research subject: Combined additive manufacturing (AM) and syringe deposition as a process method for complex parts manufacturing, attracted the attention of many industry and research communities due to its ability to shorten design to production cycle. In this method, various materials such as polymers, food pastes, etc. are deposited in layers by a CNC controlled syringe, gradually outlining the shape of the part.
Research approach: The aim of this research was shaping chocolate parts by AM technology. For this purpose, a commercial 3D printer equipped with a specially designed syringe head with temperature control was used.
Main results:DSC test indicated that the proper temperature for tempering of the chocolate is between 32 and 40 oC. The rheology test indicated that by increasing the temperature, the chocolate viscosity was decreased and leaded to more flow rate of the extruded chocolate and thus reduced the shape resolution. On the other hand, the process parameters such as the nozzle height from the printing plate, the nozzle diameter, the software input diameter setting and the temperature of the build plate also affect the print resolution. So, different input diameters were examined at various temperatures and optimum conditions for the best printed part resolution were obtained as follow: nozzle temperature of 32 oC, printing height equal to nozzle diameter, software input diameters of 1.98 mm and plate temperature of less than 10 oC Based on the optimum condition, complex shape of chocolate object were 3D printed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 3D printing
  • chocolate
  • customized production
  • 3D printing of chocolate

مراجع

[1] Feng, C., Zhang, M., & Bhandari B. (2018). Materials properties of printable edible inks and printing parameters optimization during 3D printing: a review. Crit. Rev. Food Sci. Nutr., 8398, 1–8.
[2]Mohamed, O.A., Masood, S.H., & Bhowmik, J. L. (2015). Optimization of fused deposition modeling process parameters: a review of current research and future prospects. Adv. Manuf ., 3, 42–53.
[3]Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2010). Design for additive manufacturing. In Additive manufacturing technologies (pp. 299-332). Boston: Springer.
[4]Mantihal, S., Kobun, R., & Lee, B. (2020). International Journal of Gastronomy and Food Science 3D food printing of as the new way of preparing food : A review. Int. J. Gastron. Food Sci., 22, 100260.
[5]Hwang, S., Reyes, E.I., Moon, K.S., Rumpf, R.C., & Kim, N.S. (2015). Thermo-mechanical characterization of metal/polymer composite filaments and printing parameter study for fused deposition modeling in the 3D printing process. J. Electron. Mater., 44, 771–777.
[6]Jayaprakash, S., Ituarte, I.F., & Partanen, J. (2019). Prosumer-Driven 3D Food Printing: Role of Digital Platforms in Future 3D Food Printing Systems. In F.C. Godoi, B.R. Bhandari, S. Prakash & M. Zhang, (Eds.). Fundamentals of 3D Food Printing and Applications. (pp. 331-354). London: Academic Press.
[7]Pérez, B., Nykvist, H., Brøgger, A. F., Larsen, M. B., & Falkeborg, M. F. (2019). Impact of macronutrients printability and 3D-printer parameters on 3D-food printing: A review Food Chem., 287, 249–57.
[8]Lipton, J., Arnold, D., Nigl, F., Lopez, N., Cohen, D.L., Norén, N., & Lipson, H. (2010). Multi-material food printing with complex internal structure suitable for conventional post-processing. Solid Free. Fabr. Symp., 809–15.
[9]Lee, J. H., Won, D. J., Kim, H. W., & Park, H. J. (2019). Effect of particle size on 3D printing performance of the food-ink system with cellular food materials. Journal of Food Engineering., 256, 1-8.
[10]Liu, Y., Liang, X., Saeed, A., Lan, W., & Qin, W. (2019). Properties of 3D printed dough and optimization of printing parameters Innov. Food Sci. Emerg. Technol., 54, 9–18.
[11]Yang, F., Zhang, M.,Bhandari, B., & Liu, Y. (2018). Investigation on lemon juice gel as food material for 3D printing and optimization of printing parameters LWT - Food Sci. Technol., 87, 67–76.
[12]Guo, C. F., Zhang, M., & Bhandari, B. (2019). A comparative study between syringe-based and screw-based 3D food printers by computational simulation. Computers and Electronics in Agriculture, 162, 397-404.
[13]Hao, L., Mellor, S., Seaman, O., Henderson, J., Sewell, N., & Sloan, M. (2010). Material characterisation and process development for chocolate additive layer manufacturing Virtual Phys. Prototyp., 5, 57–64.
[14]Tan, C., Toh, W. Y., Wong, G., & Lin, L. (2018). Extrusion-based 3D food printing–Materials and machines.
[15]Gloria, H., Sievert, & D. (2001). Changes in the physical state of sucrose during dark chocolate processing J. Agric. Food Chem., 49, 2433– 2436.
[16]Lanaro, M., Forrestal, D.P., Scheurer, S., Slinger, D.J., Liao, S., Powell, S.K., &Woodruff, M. A. (2017) 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. J. Food Eng., 215, 13–22.
[17]Gonçalves, E. V., & Lannes, S. C. D. S. (2010). Chocolate rheology. Food Science and Technology, 30(4), 845-851.
[18]Chevalley, J., (1975). Rheology of chocolate. Journal of texture studies.,6(2), 177-196.
[19]Liu, Z., Zhang, M., Bhandari, B., & Wang, Y. (2017). 3D printing: Printing precision and application in food sector Trends Food Sci. Technol., 69, 83–94.
[20]Mantihal, S., Prakash, S., Godoi, F.C., & Bhandari, B. (2017). Optimization of chocolate 3D printing by correlating thermal and flow properties with 3D structure modeling Innov. food Sci. Emerg. Technol., 44, 21–29.
[21]Mantihal, S., Prakash, S.,Godoi, F. C., & Bhandari, B. (2019). Effect of additives on thermal, rheological and tribological properties of 3D printed dark chocolate Food Res. Int., 119, 161–169.
[22]Dankar, I., Haddarah, A., Omar, F. E. L., Sepulcre, F., & Pujolà, M. (2018). 3D printing technology: The new era for food customization and elaboration Trends Food Sci. Technol., 75, 231–242.
[23]Nachal, N., Moses, J. A., Karthik, P., & Anandharamakrishnan, C. (2019). Applications of 3D Printing in Food Processing Food Eng. Rev., 11, 123–141.
[24]Derossi, A., Caporizzi, R., Ricci, I., &  Severini, C. (2019). Critical Variables in 3D Food Printing. In In F.C. Godoi, B.R. Bhandari, S. Prakash & M. Zhang, (Eds.). Fundamentals of 3D food printing and applications (pp. 41-91). London: Academic Press.
 [25]Liu, Z., & Zhang, M. (2019). 3D Food Printing Technologies and Factors Affecting Printing Precision. In In F.C. Godoi, B.R. Bhandari, S. Prakash & M. Zhang, (Eds.). Fundamentals of 3D Food Printing and Applications (pp. 19-40). London: Academic Press.
 
فناوری‌های جدید در صنعت غذا
دوره 8، شماره 2
بهمن 1399
صفحه 157-172

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 05 شهریور 1399
  • تاریخ بازنگری: 19 دی 1399
  • تاریخ پذیرش: 03 بهمن 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار