糖果3D打印技术发展现状综述

周凯 傅少杰 罗栋晶 王恒

【摘 要】近年来，糖果3D打印技术发展快速，呈多样化发展。本文介绍了糖果3D打印机的打印流程、四种成型原理、糖果原材料及其性质以及糖果3D打印机结构，并对其应用范围、优缺点及市场应用进行了说明，分析了影响糖果3D打印技术发展的主要因素，提出了相应改进方法。

【关键词】糖果;3D打印

中图分类号： TP391.73 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）02-0008-003

【Abstract】In recent years， the development of 3D printing technology for confectionery is rapid and diversified. This paper introduces the printing process， four forming principles， raw materials and properties of candy 3D printer， as well as the structure of candy 3D printer， and explains its application scope， advantages and disadvantages， as well as market application. The main factors affecting the development of candy 3D printing technology are analyzed， and corresponding improvement methods are proposed.

【Key words】Candy; 3D printing

0 前言

3D打印是快速成型技术催生而出的一项新兴技术。3D打印技术又称为“增材技术”，可将金属、塑料、橡胶、石膏等材料通过熔融挤出、粉末烧结、光敏反应等途径制造出预先设定的形状[1]。食品3D打印技术是3D打印技术的新发展方向，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[2]。

随着食品3D打印技术不断发展，糖果3D打印技术也开始进入人们视野。2016年德国糖果公司Katjes推出了世界上第一个用于橡皮糖的3D打印机[3]。2011年美国洛杉矶的3D定制打印糖公司——“糖实验室”（THE SUGAR LAB）推出了液体粘合3D糖果打印机[4]。荷兰TNO公司食品3D打印采用选择性激光烧结的形式，以糖粉、巧克力粉、咖喱粉等制作了不同形状的3D打印食品[5]。

糖果3D打印技术打印出来的糖果形状各异、外观优美、方便快捷，能够满足不同人群的需求，应用前景十分广阔。本文就糖果3D打印机的流程、原理、糖果原料、结构以及未来发展做一些探讨。

1 糖果3D打印流程及原理

1.1 糖果3D打印流程

如图1所示。根据用户需求，利用3D建模软件设计糖果3D模型，然后将设计模型导入糖果3D打印机转换软件中，在软件中设置相应打印材料及参数，生成符合糖果3D打印机打印的文件。然后再将打印文件导入糖果3D打印机中，开始正式打印[6]。

1.2 糖果3D打印成型原理

根据成型方式，现有糖果3D打印机主要有凝胶挤出成型、液体粘合成型、选择性激光烧结成型和熔融沉积成型等四种方式。

（1）凝胶挤出成型

在糖果原材料加入含有物理凝膠特性的物质，在不同温度下呈现不同的状态，将该类原料加入到糖果3D打印机中，通过挤出头挤出成型，自然冷却或外加冷却下凝固成型[7]。通过该方式打印出来的糖果精度不高，形状相对简单，但口感相对较好。其典型产品是德国糖果公司Katjes的糖果3D打印机[8]，打印产品如图2所示。

（2）液体粘合成型

利用具有粘结性能的液体（粘接剂），将二维的粉体薄片组合成复杂的三维糖果，通过控制液体粘结剂滴入量来提高打印精度[11]。粘结剂也可以同时作为口味、色泽等的调节剂，丰富打印食品的风味和色彩。与凝胶挤出成型方式相比，打印精度更高，打印速度更快，成型糖果形状更加复杂，但是对于打印原材料的特性要求较高[10]。其典型应用是美国洛杉矶的3D定制打印糖公司——“糖实验室”（THE SUGAR LAB）开发的液体黏合3D打印机[9]，打印产品如图3所示。

（3）选择性激光烧结成型

选择性激光烧结（SLS）技术采用红外激光器作能源，使糖粉造型材料凝结成型。激光的选择对原料的熔化程度和糖果打印质量影响很大，包括原料的激光吸收率与激光的波长、粉末的致密程度与激光的能量密度等因素[13]。由于打印是通过逐层铺设不同的粉体完成的，每层的粉体可以不同，特别适合打印各种糖粉均衡搭配的彩色糖果加工[12]。其特点是打印速度较快，糖果形状复杂，但对打印材料要求较高。其典型应用是荷兰TNO公司食品3D打印机，以糖粉、巧克力粉、咖喱粉等制作了不同形状的3D打印食品[1]。

（4）熔融沉积成型

熔融沉积成型（fused deposition modeling， FDM）是现代流行的桌面型3D打印机成型技术。将热熔性材料（AYS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并按截面形状堆积第一层，第2层采用相同方法，并与前一层熔结在一起，层层堆积而获得一个三维实体[14]，该方法也适用于糖果打印。由于糖果熔融沉积成型凝固后形状稳定，可以打印形状复杂的模型，例如镂空模型。

2 糖果3D打印原料

糖果打印原料主要有凝胶类、粉状类和固体类等几种。

（1）凝胶类：是以一种或多种亲水性凝胶与白砂糖、淀粉糖浆为主料，经加热溶化至一定浓度，在一定条件下形成的水分含量较高、质地柔软的凝胶状糖块，含水量通常在10%～20%。

（2）粉状类：是一种洁白的粉末状糖类。糖粉颗粒非常细，同时约有3～10%左右的淀粉混合物（一般为玉米粉），通常用白砂糖或者冰糖研磨而成。

（3）固体类：以白砂糖和淀粉糖浆为主料制成的硬质糖果。硬糖是经高温熬煮而成的糖果。干固物含量很高，约在97%以上，糖体坚硬而脆。

3 糖果3D打印机结构

以熔融沉积成型原理介绍糖果3D打印机主要组成部分如图4所示。主要由主体机构、搅拌加热机构、喷头及挤压机构以及冷却机构组成，在3D切片软件和控制系统协同作用下，实现糖果的3D打印[1-7]。

3.1 主体机构

糖果在3D打印时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定位，Z轴则是由步进电机驱动丝杆控制。主体机构的作用是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，必须要保证主体机构的整体刚性。

3.2 搅拌加热机构

打印原料在搅拌加热机构中加热融化，然后由搅拌机构将融化后的材料搅拌均匀，以满足打印需求，该机构主要应用于熔融沉积成型的糖果3D打印。

3.3 喷头及挤压机构

预处理的打印原材料注入到挤出机构中并由挤出机构挤压推出喷头，并在X，Y轴电机的控制下按截面形状成型。

3.4 冷却机构

原材料被喷头喷出后，糖果温度偏高并且尚未完全凝固，在连续打印过程中难以保证精度，在冷却机构的作用下即可使喷出的糖果快速冷却凝固，确保打印速度及质量。

4 成型特点对比

上述4种成型方法各有特点，其成型原理、使用材料、打印速度，成品质量如表1所示，可根据糖果打印要求选择相应的成型方法。

5 总结

糖果3D打印从出现到现在，打印技术相比以前而言有了极大的进步。针对不同种类的糖果都有了初步的解决方案，能满足不同的打印需求，为糖果加工行业带来了新的发展机遇。目前而言应用比较广泛的还是凝胶挤出型糖果3D打印技术。

为了加快糖果3D打印技术的发展，可从以下方面开展研究：

一是糖果3D打印原料特性的研究。对于凝胶挤出成型糖果3D打印，通过研发糖果3D打印原料助剂，改善原料的流动性，研究物料的凝胶特性，提高打印产品的稳定性;对于液体粘合成型糖果3D打印，通过控制液体体积大小来增加打印产品的精细度;对于选择性激光烧结成型糖果3D打印，通过改善粉末对激光的吸收率，改进粉末的致密程度与激光能量密度的关系，增加打印产品的精细度与打印速度;对于熔融沉积成型糖果3D打印，通过确定物料加热融化时间与温度，可以提高打印速度，成品质量。

二是改进糖果3D打印机的相关结构以简化打印流程。如改用新的热加工方式，缩短加热熟化时间;对糖果3D打印程序进行优化，提高打印效率;研发高效稳定的家用糖果3D打印机[1]。

与此同时，应加大3D打印技术的科普宣传，让更多的消费者认识并认可这项新兴技术，推进大众化的糖果3D打印以及订制服务，提升生活质量。

【参考文献】

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