Stratasys：3D打印在食品行业的应用与展望

【FBIF2016演讲文稿（整理）】

演讲嘉宾:史骁腾，售前及应用工程师，Stratasys

图为：史骁腾

演讲视频

3D打印行业从20多年前已经开始了，第一台3D打印机在1988年就已经被制造出来，但是直到几年前才被大家广泛关注起来。就算这样我相信还是有很多人对3D打印行业不是特别的了解。所以我今天希望给大家简单介绍一下我们3D打印行业的情况，以及我们3D打印和食品相关的一些应用。

先简单介绍一下我们的公司，Stratasys于1988年由美国的Scott先生创立，他在自己家的厨房发明了第一台3D打印机FDM（Fused Deposition Modeling）。现在我们是世界上市场占有率最大的3D工业级打印机制造商。我们的客户遍及世界各个行业，像汽车行业、航空航天、医疗、教育、牙科、商业产品、消费电子产品、消费品。我们公司有两大技术，一个是FDM技术，一个是PolyJet，这两大技术各有不同的侧重。FDM技术最大的特点是可以打印强度非常高的模型。公司目前的战略是把这个技术逐渐深入各个垂直行业，比如像汽车行业、航空航天行业，因为我们这个技术可以和这些行业进行深度合作，我们可以为他们提供只有3D打印技术才可以实施的方案。

我们在航空航天领域与空客公司有合作。他们使用我们3D打印机直接打印出超过一千多个部件，一千多个部件零件直接使用在空客A350的飞机上进行应用。要把打印部件用在飞机上要求非常高的。首先材料就得非常好，我们当时使用现在公司最先进的ULTEM 9085材料。这个材料之所以非常先进，首先是强度高，相当于现有航空铝材料，可以满足很多飞机上的应用。其次还通过一系列的认证，最主要通过FST的认证， F的意思是基本不会燃烧，就算燃烧也只是放出少量的气体。S是没有烟雾，T是就算放出少量气体也是没有任何毒性的。我们公司针对每一个不同垂直细分行业都投入大量精力研究不同的技术、材料，满足服务于这些特定的行业。

3D打印行业对于各行各业都有服务提供，我刚刚只提到了汽车、航空航天，但是在食品行业也是提供了非常多的解决方案。

首先简单介绍一下增材制造，也就是3D打印的简单流程，以及3D打印机到底在产品设计中满足什么样的需求。我们知道要设计一个产品从设计师的脑子里到最终把一个真正的产品，放在消费者手里需要很长的流程。有几个步骤，第一个步骤是概念模型。让设计师把他的想法展现出来，这个阶段3D打印机可以提供。第二个是功能性原型，概念模型是一个外观展示，但是一个产品只有外观是不够的，还需要结构上的设计，那3D打印在结构上也可以提供解决方案，可以把模型结构打印出来进行功能性测试。看看强度，装配是否满足大批量生产的需求。第三是制造工具，任何一个产品生产都需要在流水线上进行装配，包括各种工装夹具的使用，以及需要注塑、吹塑都需要工具，这些都是3D打印可以生产的范畴。最终是生产零件，3D打印可以小批量制造使用的部件，比如刚刚我说的空客A350上使用的零件，以及一些大型的车厂，比如迈巴赫或者日本某些公司都使用3D打印直接生产的部件。

图1

图2

3D打印在食品行业的每一个阶段有哪些应用，我们先看概念模型（图1）。这是一个全彩模型，我相信大家在平时吃饭过程中会看到很多商店，尤其在拉面店，会在门口放一盘可以给大家点菜的小模型。之前的模型制作起来很复杂，周期很长，而且成本也非常高昂。但是使用全彩3D打印技术可以非常简单很快速的把食品模型打印出来。这个是刚刚寿司的细节图（图2）。大家可以看到细节非常精致，像三文鱼上不同的颜色和不同纹理海苔和饭粒的材质都淋漓尽致的表现出来。而且这都是一次打印出来的，没有进行任何后处理，从打印机出来就是这样。这个是棒棒糖的模型（图3）。这些模型是我们在概念设计阶段打印出来的模型，是我们3D打印可以给食品行业在概念设计阶段提供的解决方案。

图3

我们再看一下在功能性原型上面提供的解决方案。膳魔师我相信应该很多人在使用。当然它要制造那么好的保温杯，肯定结构是非常复杂的，整个设计研发的流程要非常精密的，需要非常高的结构上面的装备需求，那怎么样让膳魔师在如此竞争激烈的行业之内保持龙头企业的地位呢？

几年前膳魔师引进Stratasys的3D打印机，这个引进帮助他们更好的进行研发上的进步和改进。他们之前引进我们两台FDM设备，这是我们公司推出打印结构强度材料非常好的打印机。这些打印机打印出来的材料是工业级的塑料，比如ABC、PC、尼龙，是用这些塑料进行产品研发。研发的时候可以进行装配，装配可以验证它设计结构的准确性和强度的测试。使用FDM机器可以很好地满足需求。但是还有更多的需求，因为任何一个保温杯在使用的过程中，都需要软胶的材质，比如进行卡扣的测试，密封盖的测试，以及手握柄的测试，所以在手感触感人体工程学上面这些都需要很高的要求。于是这时候他就看到我们PolyJet的机器，这个机器可以打印软性材料和透明材料，可以更好帮助他研发，比如在一些使用硅胶进行最终生产的部件，可以使用软性材料直接打印出来，然后进行一些测试。包括透明材料可以打印整个瓶体，观察里面液体流动情况，这也是非常好的帮助他们的研发。当然3D打印机也帮助他们达到两个要求，一个是制作原型速度快，只需要数小时，而且制作成本也减低了1/5。

3D打印在食品行业的制造工具方面的应用。大家知道注塑制造是大批量生产最广泛的制造方式。但是注塑模具成本很高，一个模具成本几万和十几万人民币是最少的，高端的模具要几十万、上百万人民币。而我们为注塑提供了很好的解决方案，用数据ABS材料直接打印注塑模具，主要给在开钢模之前进行模具设计的验证，一旦在这个阶段发现模具设计有问题，可以直接在电脑上进行修改，再打印模具进行再试生产，这个模具打印速度很快，一副一般只需要十几个小时，成本很低。另外是数字打印ABS吹塑模具在瓶子加工上的应用，我们这个吹塑瓶可以吹1到1000个，而且吹瓶容量可以达到1升，吹塑的材料有PP、PET等等。

3D打印解决方案在生产零件当中的应用。海尔是我们非常大的客户，购买我们ULTEM 900最大工业级生产的3D打印机，主要用在产品研发当中。对于他们洗衣机生产线进行产品研制。有一天发生一个情况，有一条洗衣机生产线风扇坏了，导致整个流水线停工，如果要定制风扇需要三个月时间，那这三个月时间整条流水线一直处于停滞状态。但是他们想到了我们ULTEM 900大型3D打印机，使用3D打印机用PT材料直接打印出当时需要用的风扇放在流水线上进行使用。我们打印的风扇坚持到最终把采购的风扇回来，让流水线可以继续作业。在整这三个月之内，我们流水线没有任何的停滞，可以看到智能制造是非常灵活的，也是柔性制造非常典型的案例。

ULTEM 1010是我们公司新推出的材料，耐高温可达216°C，有非常好的耐化学腐蚀性能。最重要是满足了三个认证：一个是FST，在空客飞机上使用的材料认证。第二个是生物医疗认证(USP VI)的认证，第三个是通过美国FDA食品接触NSF51的认证。这就使得我们这个材料可以非常好的用在不管医疗还是食品加工行业，因为可以进行消毒和高压高温灭菌处理。现在这个材料已经很广泛使用在食品、饮料领域。如制作一些食品的模具、烘烤盘都可以用ULTEM 1010进行打印。

除了直接打印的食品模具，我们在食品流水线加工的流水线上也可以打印制造一些工装夹具的，比如机械臂是使用食品级材料打印。这个在流水线上起到把摄像头固定的作用，是检测的装备，只有通过食品级认证的材料，才能进行打印机械臂的制作。在食品加工流水线上我们需要有很多机械臂，在机械臂尾端工具也非常有讲究，如果尾端工具非常重的话，会减低机械臂的效率。所以我们直接打印在机械臂尾端工具，让它可以更加高效的进行实物的抓取。一般来说，我们可以打印1到100件，因为是小批量制造很适合3D打印。就设计而言可以把非常复杂的设计简单化，做到轻量化，减低机械臂的负载。我们使用工程塑料、热塑性塑料，而且强度和耐腐蚀性都很有保障。

图4

NASA在2015年为宇航员设计了一个喝咖啡的杯子（图4）。当时他们设计出这么一个形状复杂，传统工艺非常难以加工的杯子以后，第一个想到的是使用3D打印机直接把杯子给打印出来，带到太空中进行试验后，果然非常成功。

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