(1)

Σχολή Θετικών Επιστημών & Τεχνολογίας

Διαχείριση και Τεχνολογία Ποιότητας Msc

Διπλωματική Εργασία

«Η τριδιάστατη εκτύπωση ως εργαλείο παραγωγής προϊόντων ζαχαροπλαστικής:

Μία κριτική προσέγγιση»

Tσούτσου Ελένη, ΑΜ: 126665

Επιβλέπων Καθηγητής: Δεδούσης Βασίλειος

Αθήνα, Μάιος 2019

(2)

παραγωγής προϊόντων ζαχαροπλαστικής: Μία κριτική προσέγγιση

Διπλωματική Εργασία 1 Η παρούσα εργασία αποτελεί πνευματική ιδιοκτησία της φοιτήτριας Ελένης Τσούτσου («συγγραφέας/δημιουργός») που την εκπόνησε. Στο πλαίσιο της πολιτικής ανοικτής πρόσβασης η συγγραφέας/δημιουργός εκχωρεί στο ΕΑΠ, μη αποκλειστική άδεια χρήσης του δικαιώματος αναπαραγωγής, προσαρμογής, δημόσιου δανεισμού, παρουσίασης στο κοινό και ψηφιακής διάχυσής τους διεθνώς, σε ηλεκτρονική μορφή και σε οποιοδήποτε μέσο, για διδακτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, άνευ ανταλλάγματος και για όλο το χρόνο διάρκειας των δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας. Η ανοικτή πρόσβαση στο πλήρες κείμενο για μελέτη και ανάγνωση δεν σημαίνει καθ’ οιονδήποτε τρόπο παραχώρηση δικαιωμάτων διανοητικής ιδιοκτησίας της συγγραφέα/δημιουργού ούτε επιτρέπει την αναπαραγωγή, αναδημοσίευση, αντιγραφή, αποθήκευση, πώληση, εμπορική χρήση, μετάδοση, διανομή, έκδοση, εκτέλεση, «μεταφόρτωση» (downloading),

«ανάρτηση» (uploading), μετάφραση, τροποποίηση με οποιονδήποτε τρόπο, τμηματικά ή περιληπτικά της εργασίας, χωρίς τη ρητή προηγούμενη έγγραφη συναίνεση της υγγραφέα/δημιουργού. Η συγγραφέας/δημιουργός διατηρεί το σύνολο των ηθικών και περιουσιακών του δικαιωμάτων.

(3)

Διπλωματική Εργασία 2

«Η τριδιάστατη εκτύπωση ως εργαλείο παραγωγής προϊόντων ζαχαροπλαστικής: Μία κριτική

προσέγγιση»

Τσούτσου Ελένη

Επιτροπή Επίβλεψης Πτυχιακής / Διπλωματικής Εργασίας

Επιβλέπων Καθηγητής:

Βασίλειος Δεδούσης

Καθηγητής, Πανεπιστήμιο Πειραιώς

Συν-Επιβλέπων Καθηγητής:

Φώτιος Μηλιένος

Λέκτορας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Αθήνα, Μάιος 2019

(4)

Διπλωματική Εργασία 3 Περίληψη

Με την εμφάνιση της τριδιάστατης εκτύπωσης, σημειώθηκε τεράστια πρόοδος στη σημερινή βιομηχανία τροφίμων, με επιχειρήσεις σε όλο τον κόσμο να δοκιμάζουν τις ιδέες τους μέσω της τριδιάστατης εκτύπωσης τροφίμων, αλλά και γλυκών (Εικόνα 1) . Σήμερα, η 3D εκτύπωση δεν είναι πλέον μια ιδέα, αλλά μια πραγματικότητα, που μπορεί να φέρει την επανάσταση και την καινοτομία στην παραγωγή γλυκών και τροφίμων γενικότερα. Στην τριδιάστατη εκτύπωση, οι εκτυπωτές αποθέτουν στρώματα υλικού, το ένα πάνω από το άλλο, μέχρι να δημιουργηθεί ένα προϊόν. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν εκτυπωτές δέσμης 3D, όπου τα στρώματα συνδέονται αργότερα με κόλλα. Οι τριδιάστατοι εκτυπωτές που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή και τη δημιουργία τροφίμων χρησιμοποιούν, μεταξύ άλλων, λέιζερ, πούδρα και άλλα υλικά.

Προς το παρόν, οι τριδιάστατοι εκτυπωτές μπορεί να μην παράγουν φαγητό με καλή γεύση ή να μην μπορούν να μαγειρεύουν εξειδικευμένα γεύματα. Όσο προχωράει η τεχνολογία όμως, γίνονται όλο και καλύτεροι. Με τους εκτυπωτές 3D να γίνονται όλο και πιο προσιτοί για τον μέσο καταναλωτή, η τριδιάστατη εκτύπωση τροφίμων κερδίζει πολλά από αυτό το νέο ενδιαφέρον για την τεχνολογία.

Λέξεις Κλειδιά: Τριδιάστατη Εκτύπωση, Τριδιάστατοι Εκτυπωτές, Ζαχαροπλαστική, Τρόφιμα, Εφαρμογές

Εικόνα 1: Τριδιάστατες δημιουργίες από ζάχαρη

(5)

Διπλωματική Εργασία 4 Abstract

With the emergence of 3D printing, huge advances have been made in today's food industry, with businesses around the world testing their ideas through three- dimensional food printing and sweets as well. Today, 3D printing is no longer an idea, but a reality that can bring revolution and innovation to the production of sweets and food in general. 3D binding printers can also be used, where the layers are later bonded with glue. Three-dimensional printers used for food production and production use, among other things, lasers, powders and other materials. Currently, three-dimensional printers may not produce good-tasting food or may not be able to cook elaborate meals.

But aw the technology evolves, they are getting better at it by the day. With 3D printers becoming more and more accessible to the average consumer, three-dimensional food printing is gaining a lot from this new interest in technology.

Keywords: 3D Printing, 3D Printers, Confectionery, Food, Applications.

(6)

Περιεχόμενα

1. Εισαγωγή ... 6

2. Η Τριδιάστατη Εκτύπωση ... 12

2.1 Εισαγωγή ... 12

2.2 Κύριες Λειτουργίες και Εφαρμογές ... 14

2.3 Τύποι Τεχνολογίας και Πλεονεκτήματα ... 16

2.4 Τύποι Πρώτων Υλών ... 17

2.5 Πρόσφατες Εξελίξεις ... 23

3. Ο Κλάδος της Ζαχαροπλαστικής ... 25

3.2 Διαδικασίες Μαγειρέματος ... 27

3.3 Κύρια Υλικά ... 30

3.4 Σημαντικές Αλλαγές Φυσικού Περιεχομένου ... 36

4. Εφαρμογές Τριδιάστατης Εκτύπωσης στη Βιομηχανία Φαγητού ... 39

4.2 Βασικά Χαρακτηριστικά Εφαρμογής ... 41

4.3 Χρήση Τεχνολογίας ... 45

5. Εφαρμογή Τριδιάστατης Εκτύπωσης στη Ζαχαροπλαστική ... 48

5.1 Εφαρμογές ... 48

5.2 Πρώτες Ύλες ... 55

5.3 Χαρακτηριστικά Παραδείγματα ... 57

6. Έρευνα – Ερωτηματολόγιο ... 66

7. Συμπεράσματα ... 74

8. Βιβλιογραφία ... 77

9. Παράρτημα ... 81

(7)

Διπλωματική Εργασία 6 Από τη Βιομηχανική επανάσταση έχουν γίνει πολλές αλλαγές στους παγκόσμιους οικονομικούς τομείς. Αυτές οι αλλαγές έχουν μελετηθεί εντατικά από διάφορους οικονομολόγους, για να κατανοήσουν βαθιά πώς η παραγωγικότητα σχετίζεται με την αποδοτική χρήση ή την κατανομή των πόρων και έτσι, να αναλυθούν συγκεκριμένες διεργασίες προκειμένου να διαιρεθούν σε εγγενείς και πιο στοιχειώδεις δραστηριότητες. Αυτό έγινε με την πρόθεση να κατασκευαστεί μια συσκευή ή μέθοδος, ικανή να εκτελέσει αυτόματα μια σειρά βημάτων που θα μπορούσαν πλήρως ή εν μέρει, να εκτελέσουν αυτές τις δραστηριότητες χωρίς ή με ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση.

Αυτή η διαδικασία είναι επί του παρόντος γνωστή ως μηχανική διαδικασία και έτσι, ήταν η αρχή της μαζικής παραγωγής.

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, προσφέρεται μια ομοιογενής αγορά καταναλωτικών αγαθών με τυποποιημένα προϊόντα που χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος παραγωγής και χαμηλές τιμές. Ωστόσο, το σύστημα μαζικής παραγωγής θα αμφισβητηθεί σύντομα, ιστορικά, με τη μετατόπιση της ζήτησης στην καταναλωτική αγορά. Στη μέση της δεκαετίας του 1950, η επιθυμία των πολιτών να αγοράζουν πιο εξειδικευμένα προϊόντα, αρχίζει να καθορίζει την αγορά και συνεπώς, οι επιχειρηματικές αποφάσεις χρειάστηκαν κάποιο βαθμό προσαρμογής για να διευκολυνθεί η ζήτηση πιο προσαρμοσμένων σ’ αυτήν προϊόντων. Κατά τη διάρκεια του 1987, ο όρος μαζική προσαρμογή εισήχθη στο βιβλίο του Stanley Davis "Future Perfect" για να εξυπηρετήσει την επιθυμία των ανθρώπων να έχουν προσαρμοσμένα αγαθά, χωρίς τις αυξημένες τιμές κατασκευής της χειροτεχνίας που αυτά απαιτούσαν.

Αργότερα, το 1993, ο Joseph Pine, συνέβαλε στη θεωρία της μαζικότητας αυτής, παρόλο που η έρευνα του Kaplan & Hainlein, δημοσίευσε το 2006 ότι ένας πιο ομοιογενής ορισμός της μαζικής προσαρμογής δηλώνει ότι όλες οι ανάγκες και οι επιθυμίες των πελατών μετατρέπονται σε προδιαγραφές προϊόντος. (Kaplan, Andreas M. and Michael Haenlein, 2006).

Μία τεχνολογία που μπορεί να είναι πιθανή επιλογή για να επιτευχθεί μαζική προσαρμογή είναι η εκτύπωση 3D. Πρόκειται για μια πρωτοποριακή τεχνολογία που εισήχθη στη δεκαετία του 1980, και αρχικά χρησιμοποιήθηκε για την ταχύτερη δημιουργία πρωτοτύπων, αν και πρόσφατα θεωρήθηκε ως επικείμενη τεχνολογία

(8)

Διπλωματική Εργασία 7 κατασκευής προσαρμοσμένων προϊόντων για, και από, τελικούς καταναλωτές. Οι πλήρως ελεγχόμενες παράμετροι των 3D εκτυπωτών, επιτρέπουν υψηλό βαθμό προσαρμογής σε προϊόντα υψηλής ποιότητας με εξαιρετικές λεπτομέρειες. Περαιτέρω οφέλη από αυτή την τεχνολογία είναι ότι η παραγωγή δεν χρειάζεται να πραγματοποιηθεί σε πολλά διαφορετικά βήματα επεξεργασίας. Όλη η διαδικασία συμβαίνει μέσα στον 3D εκτυπωτή με πολύ μικρή μετα-επεξεργασία. Ένα ακόμη πλεονέκτημα είναι ότι τα μειωμένα, ή πλήρως εξαλειμμένα αποθέματα και η αποθήκευση των πρώτων υλών εξελίσσονται άμεσα σε τελικά προϊόντα. Αυτή η τεχνολογία αρχίζει να θεωρείται ως ένας πιθανός τρόπος για να αποκτηθεί το επίπεδο προσαρμογής που έχουν ζητήσει οι πελάτες.

Ο συνδυασμός της χρήσης της μαζικής προσαρμογής με το ηλεκτρονικό εμπόριο μπορεί να δημιουργήσει συνέργειες. Η τριδιάστατη εκτύπωση μπορεί να κάνει περαιτέρω χρήση του ηλεκτρονικού εμπορίου, καθώς τα τριδιάστατα μοντέλα είναι ένα ζωτικό κομμάτι για την παραγωγή φυσικών αντικειμένων. Είναι ψηφιακά και μπορούν εύκολα να πωληθούν ή / και να διαδοθούν μέσω του διαδικτύου. Επίσης, το διαδίκτυο διευκολύνει την ενσωμάτωση ενός δικτύου παραγωγών, καταναλωτών και προμηθευτών που είναι απαραίτητο για την πλήρη πραγματοποίηση της μαζικής προσαρμογής.

Οι καταναλωτές έχουν γίνει ιδιαίτερα απαιτητικοί, όσον αφορά στη γεύση, την εμφάνιση και την ποιότητα της διατροφής τους. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις για αυτή τη κατάσταση. Αρχικά χρησιμοποιείται ένα σύνολο υλικών αρκετά ευρύ, ώστε να ικανοποιηθούν όλες οι διατροφικές επιθυμίες των καταναλωτών. Επίσης χρησιμοποιώντας ένα μικρό σύνολο υλικών, μπορούν να γίνουν διάφοροι συνδυασμοί.

Σαφώς η τελευταία επιλογή είναι πιο λογική, διαχειρίσιμη και οικονομική.

Η τριδιάστατη εκτύπωση τροφίμων είναι μια τεχνική για την παραγωγή τροφίμων με εξατομικευμένο τρόπο και αντιπροσωπεύει μία εναλλακτική λύση για την ικανοποίηση αυτής της ζήτησης.

Η προσθήκη της βιομηχανίας τροφίμων στην ψηφιακή εποχή, είναι μία από τις σημαντικές και πρωτοποριακές εφαρμογές της εκτύπωσης 3D. Η τριδιάστατη εκτύπωση μπορεί να συνδεθεί με μέταλλα, εξελιγμένα μηχανήματα, πλαστικά και άλλα υλικά χύτευσης. Μπορεί να συσχετιστεί με οτιδήποτε, ακόμα και με ένα ιδιαίτερο

(9)

Διπλωματική Εργασία 8 υπερβολική και ασύγχρονη εφαρμογή για τις τεχνολογίες 3D εκτύπωσης. Η λογική χρήση της τεχνολογίας 3D εκτύπωσης μπορεί να εφαρμοστεί με πολύ σημαντικές επιδράσεις στην ανθρώπινη υγεία και στις ασθένειες. Πρόκειται για μια εξατομικευμένη προσέγγιση για την ανάγκη της υγείας ενός ατόμου που ικανοποιεί τόσο τις γευστικές όσο και τις ιατρικές απαιτήσεις.

Η γεωμετρική πολυπλοκότητα και η μαζική προσαρμογή είναι οι δύο βασικές δεξιότητες που δίνουν στην 3D εκτύπωση ένα πλεονέκτημα έναντι άλλων τεχνικών παραγωγής. Διαφέρει από άλλες συμβατικές τεχνικές κατασκευής, όπου το υλικό σχηματίζεται με εξώθηση, υιοθετώντας μια διαδικασία στρώματος, για να δώσει το τελικό αποτέλεσμα. Αυτή η τεχνική προσφέρει μια οικονομική εναλλακτική λύση για να παραχθούν διαφορετικές και περισσότερο πολύπλοκες μορφές γλυκών. Ο λόγος πίσω από αυτό είναι ότι χρησιμοποιεί λιγότερο υλικό, και κατ’ επέκταση λιγότερο χρόνο μηχανής, για να στερεοποιήσει ένα λιγότερο πυκνό, αλλά πιο περίπλοκο σχήμα.

Σε σύγκριση με το γρήγορο πρωτότυπο με μηχανική κατεργασία, η εκτύπωση 3D μπορεί να είναι μερικές τάξεις μεγέθους φθηνότερη για εξαιρετικά σύνθετα προϊόντα.

Η προσέλκυση της βιομηχανίας τροφίμων στην ψηφιακή εποχή είναι μία από τις βασικές και επαναστατικές εφαρμογές της τριδιάστατης εκτύπωσης της διαδικασίας κατασκευής, καθώς πολλές αλλαγές συμβαίνουν στις ιδιότητες του χρησιμοποιούμενου υλικού. Οι τρέχουσες καινοτομίες στην τεχνολογία επιτρέπουν ακόμη και συνδυασμό στερεών και υγρών υλικών. Είναι επίσης μια οικονομικά αποδοτική τεχνολογία, δεδομένου ότι δεν χρησιμοποιεί εξειδικευμένα εργαλεία και όλα γίνονται μέσω ενός υπολογιστή. Επίσης το κόστος εγκατάστασης για 3D εκτύπωση διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών είναι πολύ μικρότερο. Επομένως, το κόστος παραγωγής είναι ευθέως ανάλογο με τον αριθμό των ειδών που κατασκευάζονται.

Επειδή πρόκειται για μια τεχνολογία που βασίζεται στον υπολογιστή, με ένα καλά αναπτυγμένο λογισμικό επεξεργασίας σχήματος για κάθε μηχανή, είναι δυνατό να οδηγηθεί η διαδικασία κατευθείαν από τριδιάστατα σχέδια, δομές δεδομένων ή καθαρό λειτουργικό κώδικα. Έτσι, η 3D εκτύπωση τροφίμων, αλλά και γλυκών, φαίνεται να είναι μια εύκολη και οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση για τη μαζική παραγωγή και την εξατομικευμένη διατροφική αξία των τροφίμων, που βασίζονται σε δεδομένα που καθοδηγούνται από τον καταναλωτή.

(10)

Διπλωματική Εργασία 9 Μέχρι το 2005, τα εργαλεία, οι γνώσεις, καθώς και τα σχέδια της τριδιάστατης εκτύπωσης κρατήθηκαν μέσα στις εταιρείες, ως ιδιόκτητα περιουσιακά στοιχεία κλειστού τύπου. Ο Δρ Adrian Bowyer ξεκίνησε την ανάπτυξη ενός 3D εκτυπωτή υλικού ανοιχτού κώδικα, με σκοπό να τον βελτιώσει. Ο εκτυπωτής ονομάστηκε RepRap - σύντομη για την αναπαραγωγή του πρωτότυπου γρήγορου. Το εγχείρημα RepRap κυκλοφόρησε όλα τα σχέδια που παρήγαγε υπό την άδεια GNU General Public (GPL), επιτρέποντας την ελεύθερη χρήση, διανομή και τροποποίηση. Περίπου ένα χρόνο αργότερα, τον Σεπτέμβριο του 2006, ένα πρωτότυπο RepRap ήταν σε θέση να εκτυπώσει το τριδιάστατο τμήμα του. Αυτή η στιγμή μπορεί να θεωρηθεί ως σημείο καμπής στην ιστορία της τριδιάστατης εκτύπωσης και του αναδυόμενου οικοσυστήματος που τροφοδοτείται από ανοιχτό σχεδιασμό και ανοικτή πηγή. Μετά απ’ αυτό, το παραδοσιακό μοντέλο, όπου η γνώση βρίσκεται στα χέρια μερικών εμπειρογνωμόνων, αρχίζει να παραχωρεί τη θέση του σε ένα νέο μοντέλο, όπου οι γνώσεις, οι δεξιότητες καθώς και τα αποτελέσματα, μοιράζονται μεταξύ των μελών της κοινότητας.

Τα μέλη της νέας κοινότητας 3D εκτύπωσης αναφέρονται συχνά ως κατασκευαστές και χάκερς. Οι χάκερς είναι οι άνθρωποι που στη δεκαετία του 1970 άρχισαν να κατασκευάζουν υπολογιστές σε γκαράζ και προκάλεσαν τη γέννηση των προσωπικών υπολογιστών. Τώρα, το ίδιο είδος πρωτοπόρων, προκαλεί αυτό που η έχει χαρακτηριστεί ως η τρίτη βιομηχανική επανάσταση, όπου η τριδιάστατη εκτύπωση θεωρείται θεμελιώδες μέρος της και εξαιρετική δυνατότητα για το μέλλον. Μετά το 2011, η εκτύπωση 3D απέκτησε μεγαλύτερη δημοσιότητα λόγω αρκετών άρθρων που δημοσιεύτηκαν. Τον Ιούλιο του 2013, η εκτύπωση 3D βρέθηκε κοντά στον καταναλωτή στο σημείο αιχμής του κύκλου διαφημίσεων. Ωστόσο, η συναρμολόγηση και η χρήση εκτυπωτών χαμηλού κόστους απαιτούσε σημαντικό αριθμό τεχνικών δεξιοτήτων, καθώς και χρόνο για να αποκτηθούν γνώσεις για τη λειτουργία τους. Ως εκ τούτου, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι αρχικά τα άτομα που υιοθέτησαν αυτή τη νέα τεχνολογία προέρχονταν από το κίνημα που δημιούργησε εκατοντάδες κατασκευαστές χώρων και χάκερς σε όλο τον κόσμο. Ταυτόχρονα, υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για μεγαλύτερη ευκολία στη χρήση εκτυπωτών 3D σε όλο τον κόσμο. Επί του παρόντος, η χρήση της εκτύπωσης 3D στη γαστρονομία είναι σε άνοδο.

Έχει τυπωθεί τεράστια γκάμα υλικών, από ζύμη πίτσας, κρέας, ζυμαρικά έως προϊόντα ζαχαροπλαστικής, όπως ζάχαρη, σοκολάτα, διακοσμητικά κέικ και πολλά άλλα. Οι

(11)

Διπλωματική Εργασία 10 παράγουν με τους εκτυπωτές τους.

Πολλές τεχνολογίες αποτελούν αντικείμενο προστασίας διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, και πολλές διαδικασίες αποτελούν μυστική τεχνογνωσία των εταιρειών.

Η Ευρωπαϊκή Ένωση αναγνωρίζει τις δυνατότητες αυτής της τεχνολογίας για την παροχή τροφίμων στους ηλικιωμένους και στα άτομα με προβλήματα κατάποσης.

Αυτοί οι άνθρωποι συχνά έχουν ένα ιδιαίτερο και αυστηρό πρόγραμμα διατροφής, το οποίο είναι, στις περισσότερες περιπτώσεις, χωρίς διατροφική αξία και άγευστο. Η χρήση τριδιάστατων εκτυπωτών μπορεί να λύσει αυτό το πρόβλημα, προετοιμάζοντας ειδικά γεύματα σύμφωνα με τις ατομικές ανάγκες κάθε ατόμου. Επίσης, η αποστολή υλικών και συστατικών στο διάστημα είναι σήμερα πολύ δαπανηρή. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η NASA επενδύει σημαντικό χρηματικό ποσό στην ανάπτυξη ενός 3D εκτυπωτή που θα μεταφερθεί σε έναν διαστημικό σταθμό, όπου θα εκτυπώνει τρόφιμα για αστροναύτες. Οι καφετέριες που χρησιμοποιούν 3D εκτυπωτές για να προετοιμάσουν ασυνήθιστο καφέ, αυξάνονται σε όλο τον κόσμο. Μία από τις πιο συνηθισμένες τεχνολογίες 3D εκτυπωτών είναι μια ειδική κεφαλή λέιζερ καύσης, που καίει οποιοδήποτε αντικείμενο από αφρό επιθυμεί ο πελάτης. Μια άλλη βασίζεται στην εφαρμογή ενός ειδικού εκχυλίσματος καφέ, για να παραχθεί αφρός καφέ. Ένας άλλος τομέας της γαστρονομίας, ο οποίος εκμεταλλεύεται την τεράστια ανάπτυξη των τριδιάστατων εκτυπωτών, είναι τα ζυμαρικά. Ο κύριος στόχος των εταιρειών που ασχολούνται με την εκτύπωση ζυμαρικών είναι να μπορούν να προσφέρουν τα ζυμαρικά που επιθυμεί ο πελάτης όταν μπαίνει στο κατάστημά τους. Ο πελάτης μπορεί να διαθέτει μια μονάδα USB που περιέχει ένα προετοιμασμένο μοντέλο 3D. Ο χειριστής επεξεργάζεται το μοντέλο και προγραμματίζει τον εκτυπωτή να εκτυπώνει τόσα ζυμαρικά και όπως τα επιθυμεί ο πελάτης.

Ωστόσο, η μεγαλύτερη αύξηση στην τριδιάστατη εκτύπωση τροφίμων είναι στον τομέα της ζαχαροπλαστικής. Χρησιμοποιείται ένα ευρύ φάσμα υλικών για την εκτύπωση (σοκολάτα, κρέμες, ζάχαρη κ.λπ.) και δημιουργούνται σχήματα που οι ζαχαροπλάστες δεν μπορούν να δημιουργήσουν με συμβατικές μεθόδους. Πολλά σχήματα και μορφές κύβων ζάχαρης μπορούν να γίνουν με 3D εκτυπωτές. Οι εκτυπωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για οποιοδήποτε σχήμα και η φαντασία δεν έχει όρια από αυτό το σημείο και μετά. Υπάρχουν δύο τρόποι για να τυπωθεί η ζάχαρη.

(12)

Διπλωματική Εργασία 11 Και οι δύο βασίζονται στη χρήση της θερμότητας. Καθένας απ’ αυτούς χρησιμοποιεί μια διαφορετική γκάμα θερμότητας. Η θερμοκρασία που απαιτείται εξαρτάται από τον τύπο της ζάχαρης και από τις συνθήκες περιβάλλοντος. Η σοκολάτα είναι ένα από τα λίγα υλικά που αποδεικνύεται ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με την τεχνολογία FDM.

Μια πλάκα σοκολάτας μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε κρεμώδη μορφή χρησιμοποιώντας θερμότητα. Ως εκ τούτου έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με τα πλαστικά υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως στην εκτύπωση 3D μέσω τεχνολογίας FDM. Η βάση για μια επιτυχημένη εκτύπωση σοκολάτας είναι το κατάλληλο μείγμα της μάζας σοκολάτας. Προτεραιότητα και προσοχή δίνονται μεν στο χρώμα και στη γεύση, αλλά κυρίως στη συνοχή του τελικού προϊόντος. Εάν η σοκολάτα είναι πάρα πολύ παχιά, ίσως δεν είναι δυνατόν να προωθηθεί μέσα από ένα ακροφύσιο. Αντίθετα, η υπερβολικά λεπτόρρευστη σοκολάτα δεν θα ήταν σε θέση να διατηρήσει τη μορφή της. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένα σωστό μείγμα είναι πολύ σημαντικό. Χρησιμοποιώντας σωστό μείγμα και καλή ψύξη, μπορεί να επιτευχθεί η εκτύπωση τριδιάστατων αντικειμένων από σοκολάτα. Αυτή η μέθοδος εκτύπωσης αναδεικνύεται ως πολύ δημοφιλής μεταξύ των ζαχαροπλαστών και των οικιακών χρηστών κοινών εκτυπωτών RepRap. Ο χρήστης μπορεί απλά, γρήγορα και πάνω απ' όλα, φθηνά, να δημιουργήσει επαγγελματικές κάρτες σοκολάτας, πραλίνες διαφόρων μορφών ή δώρα σοκολάτας σε οποιοδήποτε σχήμα επιθυμεί.

Κύριος σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να δούμε κατά πόσο η τεχνολογία της τριδιάστατης εκτύπωσης θα είχε οφέλη ή όχι στην εφαρμογή της στη ζαχαροπλαστική.

Σκοπός μας είναι να προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε ερωτήματα όπως,

• Υπάρχει χώρος για την ανάπτυξη αυτής της νέας τεχνολογίας στην Ελλάδα;

• Θα μπορούσε η ποιότητα των γλυκών να είναι καλύτερη μέσω της τριδιάστατης εκτύπωσης;

• Πώς θα αντιδρούσε ένας μέσος καταναλωτής σε μια νέα γευστική εμπειρία;

• Θα μπορούσε να δώσει λύσεις σε προβλήματα που αντιμετωπίζουν σήμερα οι ζαχαροπλάστες, όπως έλλειψη χρόνου και μεγάλου χώρου, μεγάλη φύρα στις πρώτες ύλες κλπ;

(13)

2. Η Τριδιάστατη Εκτύπωση

2.1 Εισαγωγή

Η 3D εκτύπωση είναι μια εξέλιξη των τεχνολογιών εκτύπωσης, ικανή να παράγει ή να αναπαράγει εξελιγμένες δομές σε ένα προϊόν. Η τριδιάστατη εκτύπωση είναι μια από τις διεργασίες προσθετικής κατασκευής ή εναλλακτικά στρωματικής κατασκευής.

Η διαδικασία εκτύπωσης 3D που συμβαίνει μέσα στο μηχάνημα περιλαμβάνει δύο στάδια: 1^ον την άμεση μεταφορά από δεδομένα λογισμικού σε τυπωμένες δομές και 2^ον την επανατοποθέτηση της κεφαλής εκτύπωσης και στις τρεις κατευθύνσεις στον χώρο, προκειμένου να τυπωθούν όλα τα στρώματα. Αναλυτικότερα, οι Lu et al., (2008) ανέφεραν πώς διεξάγεται η διαδικασία εκτύπωσης. Αρχικά, το σχέδιο δημιουργείται από ένα σύστημα CAD και στη συνέχεια οι διαστάσεις εκτυπώνονται μέσω μιας σύνταξης δύο διαστάσεων που αντιπροσωπεύουν το τριδιάστατο αντικείμενο για την εκτύπωση όλων των στρωμάτων μέχρι να ολοκληρωθεί το αντικείμενο. Το δεύτερο στάδιο της διαδικασίας κατασκευής μπορεί επίσης να υποδιαιρεθεί σε δύο βασικά στάδια: «επικάλυψη» και «τήξη», ενώ σε όλα αυτά τα στάδια, το υλικό τοποθετείται πάνω σε μια επιφάνεια και με τη βοήθεια μιας πηγής ενέργειας δημιουργούνται τα στρώματα. Η πηγή ενέργειας και οι πρώτες ύλες ποικίλλουν ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη τεχνολογία. Το σχήμα (Εικόνα 2) απεικονίζει την εικόνα ενός 3D εκτυπωτή (Altonen, A. 2011).

Εικόνα 2: Τριδιάστατος Εκτυπωτής

(14)

Διπλωματική Εργασία 13 Η τριδιάστατη εκτύπωση αναφέρεται ως μια τεχνική κατασκευής όπου, μηχανές που ονομάζονται 3D Printers κατασκευάζουν προϊόντα προσθέτοντας ένα στρώμα τη φορά. Οι πρώτοι εκτυπωτές 3D κατοχυρώθηκαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Ο Charles Hull, που αναφέρεται ως "Πατέρας της Τριδιάστατης Εκτύπωσης", συνεργαζόταν με την εταιρεία 3D Systems Corporation λίγο μετά την κατάθεση ενός διπλώματος ευρεσιτεχνίας για μια συσκευή στερεολιθογραφίας (SLA), το 1986. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές τεχνικών τριδιάστατης εκτύπωσης, όπως η επιλεκτική σύντηξη με λέιζερ, η σύντηξη μοντελοποίησης εναπόθεσης, η άμεση συνένωση με λέιζερ, η κατασκευή βαλλιστικών σωματιδίων και η κατασκευή πολυστρωματικών αντικειμένων. Η τριδιάστατη εκτύπωση αναφέρεται επίσης ως "παρασκευή πρόσθετων", επειδή η διαδικασία εκτύπωσης 3D προσθέτει υλικό σε ένα προϊόν αντί να επεξεργάζεται υλικό.

Οι περισσότεροι εκτυπωτές χρησιμοποιούν μια διαδικασία παραγωγής που ονομάζεται εξώθηση, όπου η πρώτη ύλη λιώνει και ωθείται μέσω ενός ακροφυσίου στον εκτυπωτή. Το ακροφύσιο τοποθετεί το υλικό μέσα σε μια λεπτή διατομή που βασίζεται στο σχέδιο CAD. Η εξώθηση μπορεί να πάρει χρόνο, από μερικά δευτερόλεπτα έως πολλές εβδομάδες, αναλόγως με την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού. Αφού ολοκληρωθεί το προϊόν, ο δημιουργός πραγματοποιεί κάποια επεξεργασία, η οποία μπορεί να είναι τόσο απλή όπως η απομάκρυνση του τυπωμένου προϊόντος από την επιφάνεια εκτύπωσης, ή τόσο πολύπλοκη όπως η αφαίρεση δομών υποστήριξης και η λείανση του αντικειμένου.

(15)

Διπλωματική Εργασία 14 2.2 Κύριες Λειτουργίες και Εφαρμογές

Υπάρχουν επτά τύποι τριδιάστατης εκτύπωσης που είναι πιο διαδεδομένοι, όπως εξώθηση υλικού, εκτόξευση υλικού, εκτόξευση συνδετικού υλικού, σύντηξη ενεργειακής κλίνης, κατευθυνόμενη εναπόθεση ενέργειας, πλαστικοποίηση φύλλων και φωτοπολυμερισμός του κάδου. Κάθε μία από αυτές τις μεθόδους εκτύπωσης έχει ξεχωριστά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα(Altonen, A. 2011).

Στην εξώθηση υλικού, το υλικό εκτύπωσης τήκεται και εξωθείται μέσω ενός ακροφυσίου εκτύπωσης. Ο εκτυπωτής υπολογίζει διατομές βάσει σχεδίου CAD και τοποθετεί το πολυμερές στις υπολογισμένες περιοχές. Το πολυμερές στερεοποιείται, συνδέεται με τα χαμηλότερα στρώματα. Στη συνέχεια το ακροφύσιο ανυψώνεται και επαναλαμβάνει τη διαδικασία. Αυτή η τεχνική ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό όσον αφορά στον χρόνο που χρειάζεται για να ολοκληρωθεί το προϊόν, με βάση την πολυπλοκότητα και το πάχος του αντικειμένου (Berry, L. L., & Parasuraman, A. 2004).

Στην εκτόξευση υλικού, ένας εκτυπωτής τοποθετεί πρώτες ύλες μέσω κεφαλής εκτυπωτή inkjet. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί συνήθως ένα φωτοπολυμερές (ένα πλαστικό που απαιτεί φως για να σκληρύνει), αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει κεριά ή παρόμοια υλικά. Αυτή η τεχνική μπορεί να παράγει ακριβή μέρη ή να χρησιμοποιεί πολλαπλά υλικά μέσω της χρήσης πρόσθετων ακροφυσίων εκτυπωτή, αλλά η εκτόξευση υλικού είναι αρκετά ακριβή και έχει αργούς χρόνους κατασκευής(Altonen, A. 2011) (Berry, L. L., & Parasuraman, A. 2004)

Το πλέγμα συνδετήρων είναι μια διαδικασία με την οποία ένα συνδετικό υλικό εναποτίθεται πάνω σε ένα κονιοποιημένο υπόστρωμα. Ο εκτυπωτής ψεκάζει με μια ουσία που μοιάζει με κόλλα και ονομάζεται συνδετικό υλικό, για να συνενώσει τη σκόνη σε συγκεκριμένες περιοχές, με βάση διατομές που υπολογίζονται από το αρχείο CAD. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ολοκληρωθεί η εκτύπωση. Η περίσσεια σκόνη αφαιρείται και αποθηκεύεται για αργότερα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μεγάλων εξαρτημάτων, αλλά απαιτεί σχετικά ακριβά υλικά και απευθύνεται σε εύθραυστα προϊόντα. Η σύντηξη στρώματος κόνεως χρησιμοποιεί την ίδια διαδικασία με την εκτόξευση συνδετικού υλικού, αλλά με ένα

(16)

Διπλωματική Εργασία 15 πρόσθετο βήμα. Σε αυτή την τεχνική εκτύπωσης, τα στρώματα συντήκονται με τη βοήθεια μιας πηγής θερμότητας. Αυτή η διαδικασία παράγει υψηλής ποιότητας και ισχυρά μεταλλικά ή πλαστικά πολυμερή μέρη, αλλά απαιτεί ακριβές και δυσεύρετες πρώτες ύλες. (Boland, M. 2006).

Στην κατευθυνόμενη εναπόθεση ενέργειας, μια πηγή υψηλής ενέργειας, όπως ένα λέιζερ, λιώνει το σύρμα ή το μέταλλο σκόνης σε στρώματα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως είτε για την κατασκευή μεγάλων εξαρτημάτων ή για την επισκευή σπασμένων εξαρτημάτων. Η απόθεση κατευθυνόμενης ενέργειας απαιτεί συνήθως σημαντική μετα-επεξεργασία (Berry, L. L., & Parasuraman, A. 2004).

Στην εκτύπωση φύλλων, τα στρώματα υλικού ενώνονται με κόλλες. Η πλαστικοποίηση σε φύλλα επιτρέπει στους κατασκευαστές να χρησιμοποιούν χαμηλή θερμοκρασία κατά τη δημιουργία προϊόντων, πράγμα που σημαίνει ότι τα ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά, όπως τα ηλεκτρονικά και το χαρτί, μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς να καταστραφούν. Αυτή η διαδικασία κοστίζει λιγότερο από οποιαδήποτε διαδικασία παραγωγής προσθέτων, αλλά είναι λιγότερο ακριβής και δημιουργεί αδύναμους δεσμούς μεταξύ των στρωμάτων (Boland, M. 2006).

Στον φωτοπολυμερισμό του κάδου, μια υγρή ρητίνη σταθεροποιείται σε στρώματα χρησιμοποιώντας ειδικά φώτα. Τα φώτα, όπως ένα λέιζερ ή ένας προβολέας, χρησιμοποιούνται για να προκαλέσουν μια χημική αντίδραση σκλήρυνσης των πολυμερών. Αν και τα μηχανήματα είναι ακριβά και η επιλογή υλικών είναι περιορισμένη, η τεχνική μπορεί να παράγει εξαρτήματα μέσα σε στενά πλαίσια και με εξαιρετική λεπτομέρεια (Boland, M. 2006).

(17)

Διπλωματική Εργασία 16 2.3 Τύποι Τεχνολογίας και Πλεονεκτήματα

Η τριδιάστατη εκτύπωση έχει αρκετά διαφορετικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής. Ορισμένα από αυτά τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν τη μαζική προσαρμογή, τη σύνθετη κατασκευή προϊόντων, την ανάπτυξη προϊόντων χωρίς εργαλεία και τη φιλική προς το περιβάλλον επεξεργασία.

Σε ένα περιβάλλον μαζικής προσαρμογής, οι κατασκευαστές μπορούν να κάνουν αλλαγές στα προϊόντα, με βάση τις ανάγκες του καταναλωτή. Στην παραδοσιακή κατασκευή, μια παρόμοια προσαρμογή απαιτεί μετέπειτα επεξεργασία, η οποία μπορεί να είναι χρονοβόρος και δαπανηρή. Η 3D εκτύπωση επιτρέπει την παραγωγή πολλών εξατομικευμένων προϊόντων στην ίδια παρτίδα. Οι 3D εκτυπωτές μπορούν να παράγουν προϊόντα με περίπλοκη γεωμετρία που δεν θα μπορούσαν να παραχθούν με οποιαδήποτε άλλη τεχνική κατασκευής. Αυτά τα προϊόντα, συχνά με λειτουργικά εσωτερικά εξαρτήματα, χρησιμοποιούνται συνήθως στην αεροδιαστημική βιομηχανία, επειδή τα τριδιάστατα εκτυπωμένα εξαρτήματα μπορούν να είναι ελαφρύτερα και ισχυρότερα από τα παραδοσιακά κατασκευασμένα υποκατάστατα. Στην ανάπτυξη προϊόντων, ένας από τους πιο ακριβούς παράγοντες της διαδικασίας σχεδιασμού είναι η παραγωγή εργαλείων. Με τη 3D εκτύπωση, οι κατασκευαστές μπορούν να δημιουργούν προϊόντα μικρής διάρκειας χωρίς εργαλεία. Εάν οι κατασκευαστές εργάζονται σε σχέδια παραγωγής μεγάλης κλίμακας, οι μηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν την τριδιάστατη εκτύπωση για να δημιουργήσουν λειτουργικά πρωτότυπα πριν από την οριστικοποίηση του εργαλείου και του αρχικού σχεδιασμού (Chris, A. 2006).

(18)

Διπλωματική Εργασία 17 2.4 Τύποι Πρώτων Υλών

Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση 3D είναι τόσο διαφορετικά όσο και τα προϊόντα που προκύπτουν από τη διαδικασία. Ως εκ τούτου, η εκτύπωση 3D είναι αρκετά ευέλικτη, ώστε να επιτρέπει στους κατασκευαστές να καθορίζουν το σχήμα, την υφή και τις δυνατότητες ενός προϊόντος. Το καλύτερο από όλα είναι ότι αυτές οι ιδιότητες μπορούν να επιτευχθούν με πολύ λιγότερα βήματα από αυτά που συνήθως απαιτούνται στα παραδοσιακά μέσα παραγωγής. Επιπλέον, τα προϊόντα αυτά μπορούν να κατασκευαστούν με διάφορους τύπους υλικών εκτύπωσης 3D (Cohen, D.

et al 2009).

ΠΛΑΣΤΙΚΗ ΥΛΗ

Από όλες τις πρώτες ύλες για εκτύπωση 3D που χρησιμοποιούνται σήμερα, το πλαστικό είναι το πιο κοινό. Το πλαστικό είναι ένα από τα πιο ποικίλα υλικά για 3D τυπωμένα παιχνίδια και είδη οικιακής χρήσης. Τα προϊόντα που κατασκευάζονται με αυτή την τεχνική περιλαμβάνουν σκεύη γραφείου, αγγεία και διάφορα μικρά διακοσμητικά αντικείμενα. Διατίθενται σε διαφανή μορφή καθώς και φωτεινά χρώματα, από τα οποία το κόκκινο και το λευκό είναι ιδιαίτερα δημοφιλή. Τα πλαστικά νήματα πωλούνται σε καρούλια και μπορούν να έχουν ματ ή γυαλιστερή υφή.

Με τη σφριγηλότητα, την ευελιξία, την ομαλότητα και τη φωτεινή ποικιλία χρωμάτων, είναι ευνόητοι οι λόγι χρήσης του πλαστικού. Θεωρείται επίσης πιο προσιτή επιλογή λόγω του μικρού βάρους του. Τα πλαστικά προϊόντα κατασκευάζονται γενικά με εκτυπωτές FDM (Μοντελοποίηση με εναπόθεση υλικού), στους οποίους τα θερμοπλαστικά νημάτια τήκονται και μορφοποιούνται σε σχήμα, στρώμα με στρώμα.

Οι τύποι πλαστικών που χρησιμοποιούνται σ’ αυτή τη διαδικασία συνήθως κατασκευάζονται από ένα από τα ακόλουθα υλικά:

Πολυγαλακτικό οξύ (PLA): μία από τις πιο φιλικές προς το περιβάλλον επιλογές για τους 3D εκτυπωτές. Προέρχεται από φυσικά προϊόντα όπως ζαχαροκάλαμο και άμυλο καλαμποκιού και είναι επομένως βιοδιασπώμενο. Διατίθεται σε μαλακές και

(19)

Διπλωματική Εργασία 18 σκληρές μορφές. Τα πλαστικά από πολυγαλακτικό οξύ αναμένεται να κυριαρχήσουν στην τριδιάστατη βιομηχανία εκτύπωσης τα επόμενα χρόνια. Το σκληρό PLA είναι το ισχυρότερο, και επομένως το πιο ιδανικό υλικό για μια ευρύτερη γκάμα προϊόντων.

Ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρόλιο (ABS): εκτιμάται για τη αντοχή και την ασφάλειά του. Το ABS είναι μια δημοφιλής επιλογή για οικιακούς εκτυπωτές 3D.

Εναλλακτικά αναφέρεται ως "πλαστικό LEGO". Το υλικό αποτελείται από νήματα που μοιάζουν με ζυμαρικά και δίνουν στο ABS τη σταθερότητα και την πλαστικότητά του. Το ABS διατίθεται σε διάφορα χρώματα που κάνουν το υλικό κατάλληλο για προϊόντα όπως αυτοκόλλητα και παιχνίδια. Όλο και περισσότερο δημοφιλής στους βιοτέχνες, το ABC χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή κοσμημάτων και αγγείων.

Πλαστικό αλκοόλης πολυβινυλίου (PVA): χρησιμοποιείται σε εκτυπωτές οικιακής χρήσης χαμηλού επιπέδου. Το PVA είναι κατάλληλο πλαστικό για υλικά υποστήριξης της διαλυτής ποικιλίας. Αν και δεν είναι κατάλληλο για προϊόντα που απαιτούν υψηλή αντοχή, το PVA μπορεί να είναι μια επιλογή χαμηλού κόστους για αντικείμενα προσωρινής χρήσης.

Πολυανθρακικό (PC): λιγότερο συχνά από τους προαναφερθέντες τύπους πλαστικού, το πολυανθρακικό λειτουργεί μόνο σε εκτυπωτές 3D που διαθέτουν σχεδιασμό ακροφυσίων και λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες. Μεταξύ άλλων, το πολυανθρακικό χρησιμοποιείται για την κατασκευή πλαστικών συνδετήρων χαμηλού κόστους και δίσκων χύτευσης.

Τα πλαστικά αντικείμενα που κατασκευάζονται σε τριδιάστατους εκτυπωτές ποικίλλουν σε σχήματα και συνεκτικότητα, από επίπεδα και στρογγυλά μέχρι με αυλακώσεις και πλέγματα. Μια γρήγορη αναζήτηση των εικόνων Google θα παρουσιάσει μια νέα γκάμα πλαστικών προϊόντων με 3D εκτύπωση, όπως βραχιόλια με πλέγμα, οδοντωτούς τροχούς. Ο βιοτέχνης πλέον μπορεί να προμηθευτεί τα πολυανθρακικά καρούλια σε διάφορα χρώματα σε αρκετά καταστήματα εφοδιασμού.

(20)

Διπλωματική Εργασία 19 ΠΟΥΔΡΑ

Οι περισσότεροι σημερινοί υπερσύγχρονοι εκτυπωτές 3D χρησιμοποιούν κονιοποιημένα υλικά για την κατασκευή προϊόντων. Μέσα στον εκτυπωτή, η πούδρα τήκεται και διανέμεται σε στρώματα μέχρι να επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος, υφή και σχέδιο. Η πούδρα μπορεί να προέρχεται από διάφορες πηγές και υλικά, αλλά οι πιο συνηθισμένες είναι:

Πολυαμίδιο (Nylon): Με την αντοχή και την πλαστικότητά του, το πολυαμίδιο επιτρέπει λεπτομέρεια υψηλού επιπέδου σε ένα 3D-τυπωμένο προϊόν. Το υλικό είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την ένωση τεμαχίων και σε ένα 3D-τυπωμένο μοντέλο. Το πολυαμίδιο χρησιμοποιείται για να εκτυπώνει τα πάντα, από συνδετήρες και χειρολαβές μέχρι αυτοκίνητα και παιχνίδια.

Αλουμίνιο: Αποτελείται από μείγμα πολυαμιδίου και γκρι αλουμινίου, ενώ η σκόνη αλουμινίου κάνει για μερικά από τα ισχυρότερα 3D τυπωμένα μοντέλα. Η κοκκώδης και αμμώδης υφή της καθιστούν τη σκόνη αξιόπιστη για βιομηχανικά μοντέλα και πρωτότυπα.

Σε μορφή σκόνης, υλικά όπως ο χάλυβας, ο χαλκός και άλλοι τύποι μετάλλων μεταφέρονται ευκολότερα και μετατρέπονται σε επιθυμητά σχήματα. Όπως και με τους διάφορους τύπους πλαστικών που χρησιμοποιούνται στην εκτύπωση 3D, η μεταλλική σκόνη πρέπει να θερμαίνεται μέχρι το σημείο όπου μπορεί να διανεμηθεί στρώμα- στρώμα για να σχηματιστεί ένα ολοκληρωμένο σχήμα.

ΡΗΤΙΝΕΣ

Ένα από τα πιο περιορισμένα και συνεπώς λιγότερο χρησιμοποιούμενα υλικά στην εκτύπωση 3D είναι η ρητίνη. Σε σύγκριση με άλλα υλικά, η ρητίνη είναι λιγότερο εύκαμπτη και ανθεκτική. Κατασκευασμένη από υγρό πολυμερές, η ρητίνη φθάνει στην τελική της κατάσταση με έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία. Η ρητίνη γενικά βρίσκεται σε μαύρες, λευκές και διαφανείς ποικιλίες, αλλά ορισμένα έντυπα στοιχεία έχουν επίσης παραχθεί σε πορτοκαλί, κόκκινο, μπλε και πράσινο χρώμα.

(21)

Διπλωματική Εργασία 20 Το υλικό διατίθεται στις ακόλουθες τρεις κατηγορίες:

Ρητίνη υψηλής λεπτομέρειας: Χρησιμοποιείται γενικά για μικρά μοντέλα που απαιτούν περίπλοκες λεπτομέρειες. Για παράδειγμα, μηχανολογικά εξαρτήματα ή αντικέιμενα τεσσάρων ιντσών με πολύπλοκο σχέδιο και λεπτομέρειες του προσώπου τυπώνονται συχνά με αυτή την κατηγορία ρητίνης.

Ρητίνη Βαφής: Μερικές φορές χρησιμοποιείται σε εκτυπώσεις 3D με λείες επιφάνειες. Οι ρητίνες αυτής της κατηγορίας είναι γνωστές για την αισθητική τους. Τα κομμάτια με τεχνητές λεπτομέρειες του προσώπου, όπως νεράιδες, συχνά κατασκευάζονται από ρητίνη βαφής.

Διαφανής ρητίνη: Αυτή είναι η ισχυρότερη κλάση ρητίνης και ως εκ τούτου η πιο κατάλληλη για μια σειρά εκτύπωσης 3D προϊόντων. Συχνά χρησιμοποιείται για μοντέλα που πρέπει να είναι συμπαγή αλλά και διαφανή.

ΜΕΤΑΛΛΟ

Το δεύτερο πιο δημοφιλές υλικό στη βιομηχανία της τριδιάστατης εκτύπωσης είναι το μέταλλο, το οποίο χρησιμοποιείται μέσω μιας διεργασίας, γνωστής ως «Επιλεκτική συσσωμάτωση κόκκων μετάλλου με λέιζερ» ή DMLS. Αυτή η τεχνική έχει ήδη υιοθετηθεί από κατασκευαστές που χρησιμοποιούν μεταλλική τριδιάστατη εκτύπωση για να επιταχύνουν και να απλοποιήσουν την κατασκευή εξαρτημάτων. Οι τριδιάστατοι εκυπωτές έχουν επίσης καταφέρει να κατασκευάσουν προϊόντα κοσμημάτων, τα οποία μπορούν να παραχθούν πολύ γρηγορότερα και σε μεγαλύτερες ποσότητες, όλα χωρίς τις πολλές ώρες προσεκτικά λεπτομερούς εργασίας. Το μέταλλο μπορεί να παράγει μια ισχυρότερη και αναμφισβήτητα πιο ποικιλόμορφη σειρά καθημερινών αντικειμένων. Κοσμηματοπωλεία έχουν χρησιμοποιήσει χάλυβα και χαλκό για την παραγωγή χαραγμένων βραχιολιών σε 3D εκτυπωτές. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα αυτής της διαδικασίας είναι ότι ο εκτυπωτής αναλαμβάνει να χαράξει το βραχιόλι. Ως εκ τούτου, τα βραχιόλια μπορούν να ολοκληρωθούν μέσα σε λίγα μόνο μηχανικά προγραμματισμένα βήματα τα οποία δεν απαιτούν πλέον χειρωνακτική εργασία.

(22)

Διπλωματική Εργασία 21 ΙΝΑ ΑΝΘΡΑΚΑ

Τα σύνθετα υλικά όπως οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται σε 3D εκτυπωτές ως τελική επίστρωση πάνω σε πλαστικά υλικά. Ο σκοπός είναι να γίνει το πλαστικό ισχυρότερο. Ο συνδυασμός ινών άνθρακα πάνω από πλαστικό έχει χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία εκτύπωσης 3D ως μια γρήγορη, βολική, εναλλακτική λύση για το μέταλλο.

Στο μέλλον, η 3D εκτύπωση με ίνες άνθρακα αναμένεται να αντικαταστήσει την πολύ πιο αργή διαδικασία κατασκευής ινών άνθρακα. Με τη χρήση αγώγιμου carbomorph, οι κατασκευαστές μπορούν να μειώσουν τον αριθμό των βημάτων που απαιτούνται για τη συναρμολόγηση ηλεκτρομηχανολογικών συσκευών.

ΓΡΑΦΙΝΗ

Η γραφίνη έχει γίνει μια δημοφιλής επιλογή για 3D εκτύπωση λόγω της αντοχής και της αγωγιμότητάς του. Το υλικό είναι ιδανικό για εξαρτήματα συσκευών που πρέπει να είναι εύκαμπτα, όπως οι οθόνες αφής. Χρησιμοποιείται επίσης για ηλιακούς συλλέκτες και κατασκευαστικά μέρη. Οι οπαδοί της γραφίνης υποστηρίζουν ότι είναι ένα από τα πιο ευέλικτα υλικά που έχουν εφαρμογή σε 3D.

Η χρήση γραφίνης στην εκτύπωση εκτοξεύτηκε έπειτα από τη συνεργασία μεταξύ του 3D Group και της Kibaran Resources, μιας αυστραλιανής εταιρείας εξόρυξης. Ο καθαρός άνθρακας, ο οποίος ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 2004, έχει αποδειχθεί ότι είναι το πιο ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό σε εργαστηριακές δοκιμές. Η γραφίνη είναι ελαφρύ αλλά ισχυρό υλικοό γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για μια σειρά προϊόντων.

ΝΙΤΙΝΟΛΗ (Nickel Titanium)

Είναι ένα κράμα μετάλλων από Νικέλιο (Ni) και Τιτάνιο (Ti), σε αναλογία μεταξύ τους, περίπου ίση με τους ατομικούς τους αριθμούς. Ως κοινό υλικό στα ιατρικά εμφυτεύματα, η νιτινόλη εκτιμάται στον κόσμο 3D εκτύπωσης για τη μεγάλη ελαστικότητα της. Κατασκευασμένη από μίγμα νικελίου και τιτανίου, η νιτινόλη

(23)

Διπλωματική Εργασία 22 μπορεί να λυγίσει σε σημαντικό βαθμό χωρίς να καμφθεί. Ακόμη και αν διπλωθεί στο μισό, το υλικό μπορεί να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα. Ως εκ τούτου, η νιτινόλη είναι ένα από τα ισχυρότερα υλικά με ευέλικτες ιδιότητες. Για την παραγωγή ιατρικών προϊόντων, η νιτινόλη επιτρέπει στους εκτυπωτές να πραγματοποιούν εκτυπώσεις που διαφορετικά θα ήταν αδύνατες.

ΧΑΡΤΙ

Τα προσχέδια μπορούν να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας χαρτί, με τεχνολογία 3D, ώστε να υπάρχει ένα πιο ρεαλιστικό πρωτότυπο απ’ ότι μια επίπεδη εικονογράφηση. Το τριδιάστατο πρωτότυπο επιτρέπει στον παρουσιαστή να μεταφέρει την ουσία του σχεδίου, με περισσότερες λεπτομέρειες και ακρίβεια. Αυτό καθιστά την παρουσίαση πολύ πιο συναρπαστική, καθώς δίνει μια πιο ζωντανή αντίληψη της πραγματικότητας της μηχανικής.