2022年4月15日，韓國江原國立大學(xué)的研究人員在農(nóng)林科學(xué)1區(qū)Top期刊Innovative Food Science & Emerging Technologies(IF: 5.916)上在線發(fā)表了題為“Investigation of flow field, die swelling, and residual stress in 3D printing of surimi paste using the finite element method(有限元法用于研究魚糜3D打印過程中的流場、擠出膨脹和殘余應(yīng)力)”的研究性論文。該研究的目的是確定魚糜用于3D打印的適用性，并探討影響最終產(chǎn)品的可打印性和打印質(zhì)量的主要流動特性的細(xì)節(jié)。

利用3D打印技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)食品有可能以更先進(jìn)的形式創(chuàng)造和生產(chǎn)定制食品，這將是食品行業(yè)的一個新的范式轉(zhuǎn)變。為了充分發(fā)揮這一有前景的技術(shù)的潛力，必須確定評價和預(yù)測生產(chǎn)結(jié)果的方法。

在這項研究中，研究人員采用有限元法(FEM)對魚糜糊在3D打印過程中的流動性進(jìn)行了分析。利用疊層制造(ALM)模擬分析了3D打印期間和之后的殘余應(yīng)力。流變學(xué)研究表明，含水量為82%的魚糜糊適合用于3D打印。有限元模型顯示，噴嘴直徑的減小(1.2mm~0.6mm)增加了擠出膨脹(9.8%~14.1%)。膨脹率的上升是由于噴嘴出口(1.15×107Pa~7.80×107Pa)壓力梯度增大所致。

有限元模擬結(jié)果表明，噴嘴直徑影響流場中的流體特性(壓力、流速和剪切速率)以及打印樣品的殘余應(yīng)力和變形。該研究為利用有限元方法(FEM)預(yù)測魚糜糊的可打印性和沉積過程提供了一個新的思路。該方法可應(yīng)用于其他食品的3D打印加工。

圖1. 3D打印機(jī)噴嘴和樣品室的示意圖，顯示了(A)流場的基本邊界條件，(b)噴嘴出口會聚區(qū)域的網(wǎng)孔，(c)沿樣品室壁的膨脹層。

圖2. (a)3D打印魚糜糊和打印床的示意圖圖，(b)有限元模型。

圖3. 打印模型的驗證：(a)模型描述，(b)圖像處理過程。

圖4. 不同含水量魚糜糊流變特性：(a)表觀粘度，(b)損耗模量，和(c)儲能模量。

圖5. 初步3D打印魚糜糊以確定最佳含水量：(a)75%，(b)82%，和 (c)90% 的含水量。

圖6. 模擬魚糜糊剪切速率(1/s)分布：(a)流場描述，(b)噴嘴直徑0.6mm， (c)噴嘴直徑0.8mm， (d)噴嘴直徑1.0mm，(e)噴嘴直徑1.2mm。

圖7. 魚糜糊的壓力分布：(a)流場描述，(b)噴嘴直徑0.6mm，(c)噴嘴直徑0.8mm，(d)噴嘴直徑1.0mm，和(e)噴嘴直徑1.2mm。

圖8. 魚糜糊的速度分布：(a)流場描述，(b)噴嘴直徑0.6mm，(c)噴嘴直徑0.8mm，(d)噴嘴直徑1.0 mm，(e)噴嘴直徑1.2mm。

圖9. 基于噴嘴尺寸的魚糜糊擠出物的擠出膨脹分析：(a)噴嘴直徑為0.6mm，(b)噴嘴直徑為0.8mm，(c)噴嘴直徑為1.0mm，和(d)噴嘴直徑為1.2mm。

圖10. 應(yīng)變從0.5%增加到500%時應(yīng)力值的變化。

圖11. 不同噴嘴直徑的魚糜糊打印過程中應(yīng)力分布模擬結(jié)果：(a)動態(tài)應(yīng)力描述；(b)應(yīng)力值分布。

圖12. 3D打印材料在打印過程中和打印后的總垂直變形：(a)噴嘴直徑的影響動畫，(b)魚糜漿料中的變形值。

圖13. 在不同的噴嘴尺寸和打印時間下，3D打印的魚糜糊的幾何結(jié)構(gòu)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ifset.2022.103008

來源：食研私享

2022年4月15日，韓國江原國立大學(xué)的研究人員在農(nóng)林科學(xué)1區(qū)Top期刊Innovative Food Science & Emerging Technologies(IF: 5.916)上在線發(fā)表了題為“Investigation of flow field, die swelling, and residual stress in 3D printing of surimi paste using the finite element method(有限元法用于研究魚糜3D打印過程中的流場、擠出膨脹和殘余應(yīng)力)”的研究性論文。該研究的目的是確定魚糜用于3D打印的適用性，并探討影響最終產(chǎn)品的可打印性和打印質(zhì)量的主要流動特性的細(xì)節(jié)。

利用3D打印技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)食品有可能以更先進(jìn)的形式創(chuàng)造和生產(chǎn)定制食品，這將是食品行業(yè)的一個新的范式轉(zhuǎn)變。為了充分發(fā)揮這一有前景的技術(shù)的潛力，必須確定評價和預(yù)測生產(chǎn)結(jié)果的方法。

在這項研究中，研究人員采用有限元法(FEM)對魚糜糊在3D打印過程中的流動性進(jìn)行了分析。利用疊層制造(ALM)模擬分析了3D打印期間和之后的殘余應(yīng)力。流變學(xué)研究表明，含水量為82%的魚糜糊適合用于3D打印。有限元模型顯示，噴嘴直徑的減小(1.2mm~0.6mm)增加了擠出膨脹(9.8%~14.1%)。膨脹率的上升是由于噴嘴出口(1.15×107Pa~7.80×107Pa)壓力梯度增大所致。

有限元模擬結(jié)果表明，噴嘴直徑影響流場中的流體特性(壓力、流速和剪切速率)以及打印樣品的殘余應(yīng)力和變形。該研究為利用有限元方法(FEM)預(yù)測魚糜糊的可打印性和沉積過程提供了一個新的思路。該方法可應(yīng)用于其他食品的3D打印加工。

圖1. 3D打印機(jī)噴嘴和樣品室的示意圖，顯示了(A)流場的基本邊界條件，(b)噴嘴出口會聚區(qū)域的網(wǎng)孔，(c)沿樣品室壁的膨脹層。

圖2. (a)3D打印魚糜糊和打印床的示意圖圖，(b)有限元模型。

圖3. 打印模型的驗證：(a)模型描述，(b)圖像處理過程。

圖4. 不同含水量魚糜糊流變特性：(a)表觀粘度，(b)損耗模量，和(c)儲能模量。

圖5. 初步3D打印魚糜糊以確定最佳含水量：(a)75%，(b)82%，和 (c)90% 的含水量。

圖6. 模擬魚糜糊剪切速率(1/s)分布：(a)流場描述，(b)噴嘴直徑0.6mm， (c)噴嘴直徑0.8mm， (d)噴嘴直徑1.0mm，(e)噴嘴直徑1.2mm。

圖7. 魚糜糊的壓力分布：(a)流場描述，(b)噴嘴直徑0.6mm，(c)噴嘴直徑0.8mm，(d)噴嘴直徑1.0mm，和(e)噴嘴直徑1.2mm。

圖8. 魚糜糊的速度分布：(a)流場描述，(b)噴嘴直徑0.6mm，(c)噴嘴直徑0.8mm，(d)噴嘴直徑1.0 mm，(e)噴嘴直徑1.2mm。

圖9. 基于噴嘴尺寸的魚糜糊擠出物的擠出膨脹分析：(a)噴嘴直徑為0.6mm，(b)噴嘴直徑為0.8mm，(c)噴嘴直徑為1.0mm，和(d)噴嘴直徑為1.2mm。

圖10. 應(yīng)變從0.5%增加到500%時應(yīng)力值的變化。

圖11. 不同噴嘴直徑的魚糜糊打印過程中應(yīng)力分布模擬結(jié)果：(a)動態(tài)應(yīng)力描述；(b)應(yīng)力值分布。

圖12. 3D打印材料在打印過程中和打印后的總垂直變形：(a)噴嘴直徑的影響動畫，(b)魚糜漿料中的變形值。

圖13. 在不同的噴嘴尺寸和打印時間下，3D打印的魚糜糊的幾何結(jié)構(gòu)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ifset.2022.103008

來源：食研私享