3D打印(3D printing)，以前通常稱為快速成型(RP)。它以數字模型文件為基礎，通過逐層將粉末狀金屬、塑料等可粘合材料或者光敏樹脂等以打印的方式構造物體。目前，該技術在模具制造、工業設計、建筑、醫療產業、地理信息系統等領域都有應用。

    隨著3D打印技術的不斷發展，以及人們對3D打印技術在新領域的不斷嘗試，3D打印在食品領域呈現了全新的應用，利用3D食品打印機“打印”出了精美的食品，如巧克力、餅干、糕點等。

1 3D打印機原理與構成

    1.1 FDM 3D打印機基本原理與結構

    3D打印有很多種實現方法，但目前被人們所廣泛認識和熟悉的是一種稱為熔融沉積成型(fuscd dcposition modcling，FDM)的工藝技術，流行的桌面型3D打印機大部分都采用這種技術。它是將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并按截面形狀堆積一個層面，然后將第2個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。

    根據上述3D打印機的原理，可以用各種各樣的材料來成型，開發出多種食品3D打印機就是一件不難想象的事情了。其主要由下面幾部分構成：

    (1)機架：承載打印機的各個部件，其中包括X、Y、Z運動部件，因為打印機工作時，X軸、Y軸在不斷的運動，所以為了減輕噴頭運動時的動量對機體沖擊，必須要保證機架的整體剛性。

    (2)機械軸：即X、Y、Z軸運動的部件，通常采用直角坐標型，也就是X、Y、Z軸相互垂直，X、Y軸通常是由步進電機通過同步帶來定位的，Z軸則是由步進電機驅動絲桿來控制的。

    (3)控制電路：控制電路的基本結構是由控制主板、步進電機驅動、噴嘴控制及其他輸出接口構成。

    (4)成型平臺：通常是一塊平板，承載要成型的物體，成型過程中，有的是在Z軸電機帶動下可上下移動，有的是靜止不動。

    (5)噴嘴和擠出機構：成型材料在噴嘴里被加熱熔化并在擠出機構的推動下擠出，在X、y軸電機的控制下按截面形狀成型。

    1.2 Arduino開源硬件技術

    3D打印技術從上世紀80年代開始出現，到本世紀初，3D打印機還鮮為人知，主要是因為價格昂貴，只應用于模具開發、原型設計等工業上游環節，最便宜的國產FDM型3D打印機也要接近20萬元人民幣。但近幾年，3D打印技術迅速得到普及，價格也變得極其低廉，現在網絡上有3000元左右人民幣的3D打印機出售，且其打印速度和質量還較好，這主要是開源硬件Arduino技術的發展所致。

    1.2.1 開源硬件根據來自Tcrry Wohlcrs的2012版產業分析，預計2019年，3D打印市場規模將上升至70億美元，而讓這場產業革命成功的卻只是一個電子原型平臺，該平臺包括一片具備簡單I/O功效的電路板以及一套程序開發環境開源硬件Arduino。開源硬件，就是通過開源的方式授權設計圖、原料表和上面執行軟件，可以根據自己的意愿對產品做出修改，甚至生產和銷售。

    1.2.2 Arduino硬件平臺  Arduino源于5個國際工程師（意大利的Massimo Banzi，Gianluca Martino，西班牙的David Cuarticllcs和美國的David Mcllis、Tom Igoc）合作開發的一個小項目，可以開發出與PC相連的周邊裝置或可獨立運作并具互動性的電子產品，同時，也可成為獨立的與PC上的軟件溝通的平臺。這個開放平臺具有如下優點：

    (1)低成本，微處理器容易購買。

    (2)Arduino軟件集成開發環境(Arduino IDE)是免費、開源的，硬件也是開源的。

    (3)支持多種跨平臺互動軟件。

    (4)其所有資源都可以免費下載，且可以根據需要重新構建或修改，語言可以被輕松掌握且足夠靈活。

    正是由于Arduino技術和相關的開源技術的上述特點，3D打印變得透明了，制造過程得到了極大簡化，成本迅速降低，從而使3D打印技術在短時間得到普及。

2 食品3D打印機

    2.1 食品3D打印機原理

    3D食品打印機的原理與FDM打印技術類似，但打印材料不是塑料或其它的工業材料，而是可以擠出的一種或數種液態或糊狀的配方食材。這種機器由控制電腦、食材擠出器、輸送裝置等幾部分組成，食品的造型和配方預先保存在電腦中，食物的材料和配料預先放入容器內，使用者在多種立體形狀中挑選喜歡的造型，點擊“打印”后，打印頭上的噴頭就會將食材逐行、逐層地鋪上去，從而實現食品的3D打印。圖1是一臺已經制造出食品的3D打印機。

圖1 食品3D打印機

 2.2 食品3D打印的現狀

    目前，3D食品打印機主要有3D Systcms在CES2014展出的ChcfJet和ChcfJet Pro兩款，以及巴塞羅那Natural Machincs公司推出的一款消費級的Foodini 3D食品打印機。

    ChefJet系列打印機主要使用糖作為打印材料，Foodini 3D食品打印機則可以打印出糕點、肉餅、巧克力等食品。3D食品打印機在使用時，首先要將準備好的食材原料攪拌成泥狀，然后通過噴頭將泥狀食材按預先設定好的形狀及圖案噴出，或在模具中噴壓成型，最后將成型的食材放入烤箱進行烘烤即可。由于成型圖案可預先在設備中進行設定，因此可打印出較多形狀可愛的圖案，不足是成型表面略顯粗糙。

 2.3 食品3D打印的發展

    普遍認為，3D食品打印機有助于利用全新食材便捷地制作非傳統食品，它會對人類今后的食物和飲食習慣產生深遠的影響。

    (1)它使人們的太空旅行夢想變得更近了。為了能在太空中進行更廣闊的遨游，就必須在太空飛船上儲備足夠的食物，而運輸的成本又決定了這些食物不能超重且不能占據太多的空間。3D食物打印可以使宇航員擁有一個超級濃縮的廚房，有效地節省太空艙的有限空間，可以輔助人類完成更具挑戰性的太空探索任務。例如，美國宇航局曾向3D打印機廠商系統與材料研究公司(SMRC)提供一筆為期6個月的12.5萬美元資金，要求其研制一種通用型食物合成器。

    (2)3D食物打印為緩解今后糧食可能不足的難題提供了一種解決方案。根據美國人口調查局和聯合國人口基金會的預計，全世界人口將在未來數十年持續增長，這意味著未來糧食供應不足的問題將更加嚴峻。3D食物打印有可能從人類目前不太食用的物質中提取出需要的營養成分，然后利用3D打印技術制作出新的食物。例如，荷蘭的相關組織正在設想從藻類、甜菜葉及昆蟲這些可持續資源中提取營養成分進行3D打印。

    此外，3D食物打印能夠滿足人們豐富多彩的個性需求，不僅可根據不同年齡段制訂個性化的營養配方，而且還可使3D食物打印成為懶人和特殊人群的果腹之道。

    2.4 食品3D打印的應用前景

    中國目前3D打印雖然還處于產業化的初級階段，但行業發展形勢良好，在設備、材料、軟件等核心領域可以不同程度實現自給，在文化創意、工業及生物醫學等領域得到應用。3D打印是一個發展快速且市場潛力巨大的新興行業。據世界3D打印技術產業聯盟秘書長、中國3D打印技術產業聯盟執行理事長羅軍預測，未來3～5年將是3D打印技術最為關鍵的發展機遇期，如果推進順利，到2016年產值將達百億元人民幣。

    隨著3D打印技術的不斷成熟和完善，以及越來越多的消費者對3D食品打印的好奇和熱衷，3D食品打印技術有望走入消費者的日常生活，同時也有可能幫助人類解決未來即將面臨的食品危機。胡迪·利普森等認為，利用3D食品打印技術未來可以實現自身量化飲食，如糖尿病患者可以上傳血糖數據，然后用軟件計算出下一餐的營養均衡食譜，并將食譜發送給廚房里的3D食品打印機，實現合理飲食，再也不必擔心飲食不合理帶來的肥胖困擾。同時，數字烹飪技術還可以烹飪出傳統烹飪技術無法得到的口味以及形狀；可以將食品3D打印技術和3D掃描技術相結合，制作出更加具有特色的新產品，例如可以掃描并打印出帶有新郎、新娘頭像的糖果、巧克力等禮品用以贈送親友。

    2.5 食品3D打印面臨的挑戰

    雖然3D食品打印技術已取得了初步的成功，但要得到更廣泛的推廣應用，還需克服幾項挑戰：

    (1)安全性：因3D食品打印機打印出來的每件產品都是用來食用的，必須保證其安全性。因此，必須保證3D食品打印機的各個技術環節以及打印所選用的相關食材都是安全的。

    (2)成本和速度：3D食品打印效率低，成本相對較高，批量化、規模化生產受到限制，這與普通食品生產方式相比存在不小的劣勢。但這一劣勢會隨著勞動力成本的不斷攀升而消失；另外，在一些個性化、造型復雜的食品生產中，3D打印成本反而會更低。

    (3)口感：3D食品打印機打印出來的產品必須味道適宜，才能被大眾所接受。因此，如何保證各類食材在穿過機器之后，仍能滿足人類的味蕾，將是食品科學家們考慮的另一個重要問題。

    (4)材料的限制：3D打印適合打印液體、糊狀或粉狀的食材，這就必須將人類通常食用的魚、肉、蔬菜等食材變成糊狀才能實施打印。目前僅適應以漿料狀等原料打印的食品，如糕點、糖果等，餐桌上的絕大多數菜肴還難以打印出來，這無疑會限制食品3D打印的應用。

    除此之外，面對打印出來的食物是否可以放心食用的疑問，還需解決或打破大眾的心理障礙，使得更多的消費者愿意接受3D打印的食物。

    上述困難并未影響3D打印研究者和愿意采用新技術制作美食的美食家對3D食品打印的大膽構想和嘗試。馬塞洛·科埃略和杰米·英根伯領導的團隊創造了“科納科皮亞”概念，為未來家庭構思了4款打印機，分別是數字巧克力機、數字加工器、機器人廚師和專業攪拌器等。

3 結語

    隨著食品3D打印的快速發展，各種各樣的食品3D打印機將逐漸開發出來。未來蛋糕店的蛋糕將不是由糕點師手工制作，而是由3D打印機打印出來的，這在勞動力成本越來越高的今天將極具吸引力。未來3D食品打印機將真正走進廚房，并與網絡連接，人們“下班前發出指令消息，回家后享用美味晚餐”的美好設想終將變為現實。