Stratasys：3D打印在食品行業的應用與展望

【FBIF2016演講文稿（整理）】

演講嘉賓:史驍騰，售前及應用工程師，Stratasys

圖為：史驍騰

演講視頻

3D打印行業從20多年前已經開始了，第一臺3D打印機在1988年就已經被制造出來，但是直到幾年前才被大家廣泛關注起來。就算這樣我相信還是有很多人對3D打印行業不是特別的了解。所以我今天希望給大家簡單介紹一下我們3D打印行業的情況，以及我們3D打印和食品相關的一些應用。

先簡單介紹一下我們的公司，Stratasys于1988年由美國的Scott先生創立，他在自己家的廚房發明了第一臺3D打印機FDM（Fused Deposition Modeling）。現在我們是世界上市場占有率最大的3D工業級打印機制造商。我們的客戶遍及世界各個行業，像汽車行業、航空航天、醫療、教育、牙科、商業產品、消費電子產品、消費品。我們公司有兩大技術，一個是FDM技術，一個是PolyJet，這兩大技術各有不同的側重。FDM技術最大的特點是可以打印強度非常高的模型。公司目前的戰略是把這個技術逐漸深入各個垂直行業，比如像汽車行業、航空航天行業，因為我們這個技術可以和這些行業進行深度合作，我們可以為他們提供只有3D打印技術才可以實施的方案。

我們在航空航天領域與空客公司有合作。他們使用我們3D打印機直接打印出超過一千多個部件，一千多個部件零件直接使用在空客A350的飛機上進行應用。要把打印部件用在飛機上要求非常高的。首先材料就得非常好，我們當時使用現在公司最先進的ULTEM 9085材料。這個材料之所以非常先進，首先是強度高，相當于現有航空鋁材料，可以滿足很多飛機上的應用。其次還通過一系列的認證，最主要通過FST的認證， F的意思是基本不會燃燒，就算燃燒也只是放出少量的氣體。S是沒有煙霧，T是就算放出少量氣體也是沒有任何毒性的。我們公司針對每一個不同垂直細分行業都投入大量精力研究不同的技術、材料，滿足服務于這些特定的行業。

3D打印行業對于各行各業都有服務提供，我剛剛只提到了汽車、航空航天，但是在食品行業也是提供了非常多的解決方案。

首先簡單介紹一下增材制造，也就是3D打印的簡單流程，以及3D打印機到底在產品設計中滿足什么樣的需求。我們知道要設計一個產品從設計師的腦子里到最終把一個真正的產品，放在消費者手里需要很長的流程。有幾個步驟，第一個步驟是概念模型。讓設計師把他的想法展現出來，這個階段3D打印機可以提供。第二個是功能性原型，概念模型是一個外觀展示，但是一個產品只有外觀是不夠的，還需要結構上的設計，那3D打印在結構上也可以提供解決方案，可以把模型結構打印出來進行功能性測試。看看強度，裝配是否滿足大批量生產的需求。第三是制造工具，任何一個產品生產都需要在流水線上進行裝配，包括各種工裝夾具的使用，以及需要注塑、吹塑都需要工具，這些都是3D打印可以生產的范疇。最終是生產零件，3D打印可以小批量制造使用的部件，比如剛剛我說的空客A350上使用的零件，以及一些大型的車廠，比如邁巴赫或者日本某些公司都使用3D打印直接生產的部件。

圖1

圖2

3D打印在食品行業的每一個階段有哪些應用，我們先看概念模型（圖1）。這是一個全彩模型，我相信大家在平時吃飯過程中會看到很多商店，尤其在拉面店，會在門口放一盤可以給大家點菜的小模型。之前的模型制作起來很復雜，周期很長，而且成本也非常高昂。但是使用全彩3D打印技術可以非常簡單很快速的把食品模型打印出來。這個是剛剛壽司的細節圖（圖2）。大家可以看到細節非常精致，像三文魚上不同的顏色和不同紋理海苔和飯粒的材質都淋漓盡致的表現出來。而且這都是一次打印出來的，沒有進行任何后處理，從打印機出來就是這樣。這個是棒棒糖的模型（圖3）。這些模型是我們在概念設計階段打印出來的模型，是我們3D打印可以給食品行業在概念設計階段提供的解決方案。

圖3

我們再看一下在功能性原型上面提供的解決方案。膳魔師我相信應該很多人在使用。當然它要制造那么好的保溫杯，肯定結構是非常復雜的，整個設計研發的流程要非常精密的，需要非常高的結構上面的裝備需求，那怎么樣讓膳魔師在如此競爭激烈的行業之內保持龍頭企業的地位呢？

幾年前膳魔師引進Stratasys的3D打印機，這個引進幫助他們更好的進行研發上的進步和改進。他們之前引進我們兩臺FDM設備，這是我們公司推出打印結構強度材料非常好的打印機。這些打印機打印出來的材料是工業級的塑料，比如ABC、PC、尼龍，是用這些塑料進行產品研發。研發的時候可以進行裝配，裝配可以驗證它設計結構的準確性和強度的測試。使用FDM機器可以很好地滿足需求。但是還有更多的需求，因為任何一個保溫杯在使用的過程中，都需要軟膠的材質，比如進行卡扣的測試，密封蓋的測試，以及手握柄的測試，所以在手感觸感人體工程學上面這些都需要很高的要求。于是這時候他就看到我們PolyJet的機器，這個機器可以打印軟性材料和透明材料，可以更好幫助他研發，比如在一些使用硅膠進行最終生產的部件，可以使用軟性材料直接打印出來，然后進行一些測試。包括透明材料可以打印整個瓶體，觀察里面液體流動情況，這也是非常好的幫助他們的研發。當然3D打印機也幫助他們達到兩個要求，一個是制作原型速度快，只需要數小時，而且制作成本也減低了1/5。

3D打印在食品行業的制造工具方面的應用。大家知道注塑制造是大批量生產最廣泛的制造方式。但是注塑模具成本很高，一個模具成本幾萬和十幾萬人民幣是最少的，高端的模具要幾十萬、上百萬人民幣。而我們為注塑提供了很好的解決方案，用數據ABS材料直接打印注塑模具，主要給在開鋼模之前進行模具設計的驗證，一旦在這個階段發現模具設計有問題，可以直接在電腦上進行修改，再打印模具進行再試生產，這個模具打印速度很快，一副一般只需要十幾個小時，成本很低。另外是數字打印ABS吹塑模具在瓶子加工上的應用，我們這個吹塑瓶可以吹1到1000個，而且吹瓶容量可以達到1升，吹塑的材料有PP、PET等等。

3D打印解決方案在生產零件當中的應用。海爾是我們非常大的客戶，購買我們ULTEM 900最大工業級生產的3D打印機，主要用在產品研發當中。對于他們洗衣機生產線進行產品研制。有一天發生一個情況，有一條洗衣機生產線風扇壞了，導致整個流水線停工，如果要定制風扇需要三個月時間，那這三個月時間整條流水線一直處于停滯狀態。但是他們想到了我們ULTEM 900大型3D打印機，使用3D打印機用PT材料直接打印出當時需要用的風扇放在流水線上進行使用。我們打印的風扇堅持到最終把采購的風扇回來，讓流水線可以繼續作業。在整這三個月之內，我們流水線沒有任何的停滯，可以看到智能制造是非常靈活的，也是柔性制造非常典型的案例。

ULTEM 1010是我們公司新推出的材料，耐高溫可達216°C，有非常好的耐化學腐蝕性能。最重要是滿足了三個認證：一個是FST，在空客飛機上使用的材料認證。第二個是生物醫療認證(USP VI)的認證，第三個是通過美國FDA食品接觸NSF51的認證。這就使得我們這個材料可以非常好的用在不管醫療還是食品加工行業，因為可以進行消毒和高壓高溫滅菌處理。現在這個材料已經很廣泛使用在食品、飲料領域。如制作一些食品的模具、烘烤盤都可以用ULTEM 1010進行打印。

除了直接打印的食品模具，我們在食品流水線加工的流水線上也可以打印制造一些工裝夾具的，比如機械臂是使用食品級材料打印。這個在流水線上起到把攝像頭固定的作用，是檢測的裝備，只有通過食品級認證的材料，才能進行打印機械臂的制作。在食品加工流水線上我們需要有很多機械臂，在機械臂尾端工具也非常有講究，如果尾端工具非常重的話，會減低機械臂的效率。所以我們直接打印在機械臂尾端工具，讓它可以更加高效的進行實物的抓取。一般來說，我們可以打印1到100件，因為是小批量制造很適合3D打印。就設計而言可以把非常復雜的設計簡單化，做到輕量化，減低機械臂的負載。我們使用工程塑料、熱塑性塑料，而且強度和耐腐蝕性都很有保障。

圖4

NASA在2015年為宇航員設計了一個喝咖啡的杯子（圖4）。當時他們設計出這么一個形狀復雜，傳統工藝非常難以加工的杯子以后，第一個想到的是使用3D打印機直接把杯子給打印出來，帶到太空中進行試驗后，果然非常成功。

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