Der industrielle 3D-Druck hat bereits in vielen Branchen Einzug gehalten. Doch in der Lebensmittelindustrie steckt er noch in der Entwicklungsphase. Dennoch bietet der Lebensmittel-3D-Druck viele Möglichkeiten. Welche das sind und was notwendig ist, diese zu nutzen, das lesen Sie hier.
Additive Fertigungsmethoden wie der 3D-Druck ermöglichen eine schnelle Prototypenherstellung und Generierung dreidimensionaler Strukturen in einem schichtbasierten Ansatz unter Einbezug digitaler CAD-Modelle. Hierfür wird das Model in eine endliche Anzahl von Schichten aufgeteilt und sukzessive zu einem Lebensmittel rekonstruiert. Im Vergleich zu klassischen Fertigungstechnologien gewährleistet der 3D-Druckprozess somit eine hohe Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und Präzision. Darüber hinaus ermöglicht dieser die Erstellung geometrisch komplexer Designs und Strukturen, welche durch herkömmliche Herstellungsmethoden nicht oder nur bedingt produziert werden können. In letzter Zeit etablierte sich der 3D-Druck vor allem im wissenschaftlichen Bereich der Lebensmitteltechnologie. Aktuelle Forschungsgebiete umfassen die personalisierte Ernährung, Reduktion von Lebensmittelverschwendung durch Nebenstromfunktionalisierung, Design personalisierbarer Strukturen und Entwicklung neuer Druckmaterialien aus alternativen Nahrungsquellen.
Intensive Entwicklungsphase
Seit der Verwendung der extrusionsbasierten 3D-Drucktechnologie (FDM) im Lebensmittelbereich finden zudem pulverbasierte Technologien wie selektives Lasersintern (SLS) und Binder Jetting (BJ), sowie koaxiale Extrusion Anwendung. Obwohl die Anzahl an verfügbaren 3D-Druckern und Firmen stets zunimmt, befindet sich der Lebensmittel-3D-Druck jedoch noch in einer intensiven Entwicklungsphase [1]. Aspekte wie niedrige Druckgeschwindigkeiten und instabile Materialextrusionen gehen mit hohen Kosten und niedrigen Umsätzen einher und müssen somit optimiert werden. Nichtsdestotrotz birgt der Lebensmittel-3D-Druck ein großes Potenzial in den verschiedensten Bereichen der Ernährungsversorgung. Die Möglichkeit, Material-Prozessinteraktionen von Lebensmittelmaterialien mithilfe des 3D-Drucks aufzuklären, erlaubt es, nicht nur den 3D-Druckprozesses zukünftig effizienter und materialgetriebener zu gestalten, sondern das generierte Wissen auch auf traditionelle Produktionsprozesse zu transferieren.
Im Hinblick auf den technologischen Stand von FDM-Lebensmittel-Druckern konzentriert sich deren Entwicklung primär auf vier grundlegende Bereiche: Optimierung von Firmware-Software-Routinen, Extrusionsmethoden, inline-thermische Behandlung sowie die Etablierung adaptiver Prozesskontrolltechnologien. Maßgeblich für Letzteres ist die Entwicklung von Inline-Überwachungsmethoden, die derzeit mittels optischer Methoden, kombiniert mit autonomer, geometrischer Bewertung und Erkennung von Defekten, realisiert werden. Im Bereich der Materialextrusion entwickelt sich der 3D-Druck unter Verwendung multipler Extrusionssysteme sowie koaxialer Düsen weiter. Thermische Inline-Behandlungsmethoden ermöglichen es, Nachbehandlungsprozesse zu ersetzen und die Strukturen nach der Materialextrusion zu festigen, um geometrische Defekte zu minimieren. Hierfür finden Heiz- und Kühlansätze entweder an der Materialkartusche oder Extrusionsdüse, aber auch Inline-Nah-Infrarot-Laser erfolgreich Anwendung. Die kontinuierliche Entwicklung von 3D-Druckern und Strukturdesignmethoden sind die treibende Kraft im Bereich der ganzheitlichen Digitalisierung von Lebensmittelherstellungsansätzen. Basierend auf diesen Lebensmittel-3D-Druckkonzepten für den privaten Hausgebrauch lassen sich zukünftige Ernährungsstrategien und die Art, wie Lebensmittel on demand produziert werden können, ableiten.
