江大张慜教授团队顶刊综述：食品4D/5D/6D打印的进展、应用和研发机会(3)
时间：2022-03-11 13:45 来源：食研私享 作者：admin 阅读：次
4D打印的挑战和局限
4D打印技术依赖于使用3D打印机打印物体。因此，它只能打印具有平面层的物体，而无法创建具有曲面的集成部件以增加物体的强度。其在环境温度方面也不太稳定。此外，较高的编程和打印过程成本也限制了该技术的发展。关于制造限制，4D打印需要使用辅助材料以及在打印后移除这些辅助材料等后处理需求。此外，由于缺乏进一步的打印自由度，显然需要增加加工方式，从而延长加工时间。同时，控制智能材料强度的可达到的结构复杂性和内聚性受到了很大限制。值得注意的是，尽管4D打印技术可以通过使用更复杂的编程来生产具有复杂方向的智能材料结构，但它缺乏6D打印技术所特有的逐层方向的高度制造灵活性和通用性。因此，新的增材制造技术如5D和6D打印已经发展以克服这些挑战和限制，详情如下。
5D打印及其优势
图20. 5D打印机的5个轴。
5D打印是增材制造的一个新分支，其起源于3D打印技术。它的概念最早由美国大学于2016年引入，三菱电机研究实验室(MERL)课题组通过美国高级首席研究科学家William Yerazunis率先实施了这项新技术。5D打印使物体能够从5个轴打印，而不是在3D打印技术中仅从三个轴(X、Y和Z)打印。5D打印的5个轴除了3D打印技术所使用的打印头运动的3个轴(X、Y和Z)外，还由打印台在2个旋转轴上来产生2个额外运动。这些运动允许打印头从不同的角度或方向进行打印，从而打印任何所需的层或平面和曲线，这是3D打印无法实现的。新的运动允许打印头跟随物体的形状和轮廓。此外，当在静态打印床上沿着直线路径时，打印头可以产生曲面层而不是平面层。生成的曲面层为具有复杂设计的物体提供了强度。
图21. 5D打印物体。
5D打印的前景、挑战和潜在应用
在食品领域，5D打印能够以更少的材料生产最复杂、最曲面的食品结构，并提高强度以在运输过程中保持其独特的形状，这是3D打印技术无法做到的。此外，5D打印可以打印任何填充类型和填充密度的食品材料，同时保持打印后的产品形状，这有利于制造不同质地的食品，以满足各种消费者喜好。此外，5D打印使打印头和打印床能够自由移动，有助于制造边缘光滑弯曲的食品，使产品对消费者更具吸引力。此外，农产品的运输和装卸设备往往需要创造与产品形状相匹配的复杂形状，以减少其在生产线上受到损坏的风险；因此，5D打印在这些情况下可能是一个理想的解决方案。
最后，5D打印技术的主要挑战和限制是打印床移动的两个附加轴的额外成本。此外，5D打印机的开发和维护也需要使用高技能的人力资源。在不久的将来，5D打印技术可以像3D和4D打印一样，在工程、牙科、骨科、医学、食品等各个领域取得惊人的发展和创新。
6D打印
6D打印是一种令人兴奋的新兴增材制造技术，它源于4D和5D打印技术的结合。其概念最初是由Georgantzinos，Giannopoulos和Bakalis(2021)提出。6D打印物体可以被认为是在刺激条件下使用FDM技术和智能材料的五轴打印机的产物。4D、5D和6D打印之间的主要区别如图22所示。
图22. 增材制造技术(3D，4D，5D和6D打印)的区别。
6D打印的主要优点在于，它将5D打印能力与4D打印能力相结合，前者能够以更高的强度和更少的材料打印最复杂的结构，后者能够响应刺激随时间改变形状、颜色或其他属性，从而制造出比4D打印物体更坚固、更有效的物体。此外，6D打印技术由于其固有的加工灵活性，加上适当的设置，可以同时减少材料的使用和加工时间。据作者团队所知，6D打印技术尚未应用于任何领域。
图23. 当使用6D打印代替4D打印时物体的弯曲变形的比较。
6D打印的前景、挑战和潜在应用
首先，预计6D打印技术将提供可提高效率、降低材料成本并缩短增材制造交付周期的解决方案，从而制造出更坚固、更轻的部件，并对相关刺激更敏感。由于其优势，预计6D打印将被感兴趣和参与制造打印设备和相关材料的公司以及使用增材制造的终端用户迅速采用。6D打印技术可以应用于与3D打印技术相同的技术和工业智能材料应用领域。然而，由于其预期的更高的加工精度、新颖的结构设计和功能性能力，它将在航空航天工业、医疗设备、电子、电力使用中的操作部件等对精度要求很高的领域得到有效的应用。
从更多的分析来看，6D打印有可能在未来的各种领域创造巨大的创新。对于食品工业，建议将基于形状或颜色变化的4D食品打印成非常薄的层，以方便和节省运输过程中的空间，并在烹饪或刺激时加速产品形状向所需形状的变化。这些薄层使产品结构变弱，容易产生不良变形，并且在很多情况下，他们可能在运输和储存过程中失去其独特的形状。因此，6D打印的优势可以出现在智能和动态的食品产品的制造中，提高了产品的强度和复杂弯曲的几何形状，以保持其在处理链中独特的形状。此外，6D打印可以打印任何填充类型(例如，v型)和较低填充密度的智能食品。这可以加快打印材料的形状和颜色变化，同时还可以在更短的时间内实现更好的变形和弯曲角度，从而节省能源和成本。此外，它能够使用更少的材料为食品生产更坚固和更轻便的智能包装。
最终，主要的限制是6D打印技术的安装成本预计高于其他增材制造技术。然而，6D打印的积极经济影响高度依赖于生产规模和综合自动化水平。与4D打印相比，6D打印的产量越高，总成本就越低，因为它减少了原材料的浪费。表2总结了最新的增材制造技术，5D和6D打印的潜在应用和前景。
表2. 5D和6D打印技术的潜在应用
▌6轴打印
五年前，来自苏黎世应用科学大学的两名瑞士学生Oliver Tolar和Denis Herrmann发明了一种全新的6轴打印机。与5D打印机相比，这种打印机可以在6个不同的轴上更自由地移动，包括打印头的3个基本移动轴，以及打印机底座的另外3个轴，允许在没有任何材料支撑的情况下打印零件(图24)。
图24. 六轴打印机。
他们的6D打印机原型具有5D打印机的所有优点，但还不能同时移动打印头和打印底座的能力，因为两位发明者没有时间或资源开发软件。打印机底座只能倾斜以处理悬垂的物体，不能在挤压过程中倾斜以形成较浅的曲线。尽管存在这种局限性，但打印六边形结构是其相对于5D打印机显著优势的一个很好的例子。六边形的每一边都可以在同一轴线上用直线打印，而不是对角打印，确保了所有的面都同样牢固。到目前为止，他们的原型还没有得到广泛的应用，但是它可以用来制造用于研究和开发目的的原型。6D打印机原型还需要进一步改进和开发，特别是在软件方面。当与4D打印技术相结合时，这款6D打印机有望成为一种称为智能6D打印或7D打印的新型增材制造技术的核心。
未来发展的前景
在不久的将来，如果这些新技术被对增材制造感兴趣的机构和公司采用和开发，它们将在食品、工程、牙科、骨科、医学等各个领域取得惊人的发展和创新。此外，增材制造技术的不断发展，将催生一种新型智能材料的产生，其具有良好的性能，并显著地促进增材制造的社会影响，特别是未来的研发将使这些复杂工艺更具成本效益。
论文链接：
https://doi.org/10.1080/10408398.2022.2045896
(责任编辑：admin)
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