KE 4/2016, s. 20: Koneet, Laitteet & Prosessit: 3D-tulostaminen osana elintarvikkeiden valmistusprosessia

3D-tulostus odottaa läpimurtoa elintarvikkeiden valmistuksessa.

Yhdysvaltalainen tieteis- ja fantasiakirjailija Ray Bradbury kuvailee kirjassaan Kuvitettu mies (1951) perheen arkea futuristisessa talossa. Talon ruokapöytä valmistaa perheelle maistuvia ruoka-annoksia napin painalluksella. Onko Bradburyn visio vihdoin toteutumassa 3D-tulostamisen myötä? Elintarvikkeiden 3D-tulostaminen alkoi nousta ihmisten tietoisuuteen 2000-luvun alussa. Käsitykset tekniikasta ovat kuitenkin olleet hyvin monenlaisia.
3D-tulostaminen on materiaalia lisäävä valmistusmenetelmä, jossa tulostettava malli rakennetaan kerros kerrallaan tietokoneohjatusti. 3D-tulostimen tulostusmateriaalina voidaan käyttää monenlaisia materiaaleja, esimerkiksi muovia, betonia, metallia, keinotekoista solukudosta ja jopa syötäviä elintarvikkeita.
3D-tulostamista on jo hyödynnetty monella teollisuudenalalla osana tuotantoprosessia tai valmiiden tuotteiden valmistuksessa. Elintarviketeollisuudessa erilaiset tulostusmateriaalit mahdollistavat sekä tuotteiden valmistuksen että koneen osien, työkalujen ja erilaisten muottien valmistamisen. Elintarvikkeiden tulostettavista raaka-aineista tunnetuimpia ovat erilaiset tärkkelykset, sokeri ja suklaa.

Useita tekniikoita tarjolla
3D-tulostustekniikoita on useita, joista osa soveltuu elintarvikkeiden ja niiden komponenttien tulostukseen tai elintarviketeollisuuden erilaisten muottien ja osien tulostamiseen (taulukko). Kappaleen tulostusnopeuteen vaikuttavat monet eri tekijät, muun muassa kappaleen koko ja tulostustarkkuus. Useista tuhansista kerroksista koostuvan mallin tulostamiseen menee luonnollisesti kauan aikaa. Myös tulostustekniikka vaikuttaa tulostusnopeuteen.
FDM-tulostustekniikka (Fused Deposition Modelling) vaatii tarkat sulamislämpötilaominaisuudet tulostusmateriaalilta. Materiaalin syöttö tapahtuu tulostusmateriaalia sulattavan suuttimen kautta. Malli muodostuu kerroksittain suutinta liikuttamalla tai suuttimen pysyessä paikallaan tulostusalustan liikkuessa. FDM-tulostustekniikan vahvuus on ehdottomasti hinta, koska se on edullisin tulostustekniikoista.
SLS-tulostustekniikka (Selective Laser Sintering) eli valikoivassa lasersintrauksessa tulostusalustalle levitetään ohut, tasainen kerros jauhemaista tulostusmateriaalia, kuten termoplastista muovi- tai metallijauhetta. Tietokoneohjatulla laserilla sintrataan jauhekerroksesta haluttu alue. Kovettuneen kerroksen päälle levitetään seuraava jauhekerros, ja prosessi toistetaan kuten aiemmin. Malli rakentuu kerrosten kovettuessa toisiinsa. Sintrauksessa tulostusmateriaalia ei sulateta kokonaan, vaan vain sen verran, että jauhe sitoutuu.
Menetelmän etuina ovat jauhemaisen tulostusmateriaalin edullinen hinta ja kerroksen sintrausprosessin nopeus. Tulostusmateriaaliksi kelpaa myös laaja valikoima eri aineita, kuten esimerkiksi sokeri. Tulostusmateriaalina voidaan käyttää myös kaksikomponenttista jauhetta. Tällöin tulostettavalle mallille saadaan lisää kestävyyttä ja muita ominaisuuksia, kuten vedenpidätyskykyä.
InkJet-tulostustekniikka on hyvin samantapainen kuin SLS-menetelmä. Erona tulostusmenetelmässä on tulostukseen käytettävän jauheen kovettaminen sidonta-aineella laserin sijaan. Tulostusalustalle levitetään tasainen kerros jauhemaista tulostusmateriaalia. Tämän jälkeen kerros kovetetaan tietokoneohjatun suuttimen syöttämän sidonta-aineen avulla. Sidonta-aine valitaan tulostusmateriaalin mukaan. Jos tulostusmateriaalina käytetään esimerkiksi sokeria, sidonta-aineeksi kelpaa pelkkä vesi.
Kun sidonta-aine on kovettanut jauhekerroksen, uusi jauhekerros levitetään vanhan päälle, ja prosessi toistetaan. Tulostussykli vastaa pitkälti tavallisen mustesuihkutulostimen paperitulostamista. Menetelmän nimi juontaakin tästä.

Tulostus digitaalisen mallin avulla
3D-tulostukseen tarvitaan digitaalinen malli, jonka avulla tulostus tapahtuu. Mallin luonti voidaan tehdä tietokoneavusteisesti tai skannaamalla tulostettava kappale ympäristöstä. Skannaamiseen on olemassa monia laitteita, ja sen voi tehdä vaikka älypuhelimen sovelluksella. 3D-mallin voi myös suunnitella kokonaisuudessaan tietokoneella erilaisilla 3D-suunnitteluohjelmilla. Lisäksi valmiita malleja löytyy internetin kautta lukuisista 3D-kirjastoista ja ihmisten jakamina.
3D-mallia suunniteltaessa tulee ottaa huomioon käytettävä tulostusmenetelmä ja optimoida malli tulostusystävälliseksi materiaalinkulutuksen ja kestävyyden mukaan.
Elintarvikkeen 3D-mallin suunnittelua voidaan miettiä tuotteen reseptiikan kehittelynä. Reseptiikan suunnitteluun tarvitaan tuotetuntemuksen lisäksi myös tietoa valmistusmenetelmistä. Valmistusmenetelmänä 3D-tulostamisen vahvuus on, että sen avulla voidaan tehdä vaikeasti muotoiltavia rakenteita ja korvata kalliita valmistusmenetelmiä. Elintarvikkeiden 3D-tulostamisen mallin laadinnassa on huomioitava visuaalisuuden lisäksi tulostusmateriaalin rakenteeseen ja makuun vaikuttavat tekijät tuoteturvallisuutta unohtamatta.
3D-tulostamiseen käytetty menetelmä asettaa vaatimukset tulostusmateriaalin ominaisuuksille. Elintarvikkeiden tulostusmateriaalin valinta on tasapainottelua maun ja tulostusominaisuuksien välillä.

3D-tulostamisen vahvuuksia
Tulostettavan mallin muoto on vapaasti valittavissa. Näin voidaan valmistaa mielenkiintoisia tuotteita, joiden muoto ei välttämättä vastaa perinteistä, oletettua makua, esimerkiksi banaaninmuotoinen suklaakakku. Erikoisempia elintarvikkeita voidaan valmistaa tulostamalla lukuisia eri elintarvikkeita samaan tuotteeseen.
Tulostettava elintarvike voidaan suunnitella haluttuun muotoon tai makuun, mutta myös ravintosisältö voi olla suunnittelun lähtökohta. 3D-tulostaminen antaa erityiset mahdollisuudet asiakkaiden erilaisten tarpeiden ja toiveiden osalta. Uudenlainen muotoilu sekä makumaailma tuovat aiemmasta poikkeavampia mahdollisuuksia tuotteiden tai niiden komponenttien suunnitteluun ja toteuttamiseen.
Ravitsemuksellisen sisällön suunnittelua voidaan hyödyntää esimerkiksi räätälöitäessä asiakkaiden ravitsemuksellisia tarpeita vastaavia tuotteita. Tällaisessa suunnittelussa 3D-tulostin nousee muiden menetelmien yläpuolelle monimuotoisuudessaan. Se ei ole massatuotantolaite, vaan enemmänkin yksilön toiveiden toteuttaja.
Erinomainen käyttökohde 3D-tulostimelle olisi konditoria-ala. Konditoriat voivat toteuttaa asiakkaiden tilaamia räätälöityjä tuotteita. Niitä olisivat esimerkiksi erilaisten kakunpäälliskoristeiden kirjo, kuten hääparista skannattu tarkka värituloste sokerista.
Elintarvikealan pk-yrittäjille 3D-tulostus antaa mahdollisuuden uudenlaiseen liiketoimintaan. Asiakkaan toiveiden mukaan räätälöidyt tuotteet tai tuotteiden osat ovat mielenkiintoinen lähestymistapa hyödyntää 3D-tulostamista osana elintarvikkeiden valmistusprosessia.

Laitteita kotikäyttöön
Kotikäyttöisten 3D-tulostimien tarjonta ja markkinointi ovat lisääntyneet lisäten myös kiinnostusta elintarvikkeiden tulostukseen. Kotikäyttöisten 3D-elintarviketulostimien muun muassa Natural Machinesin Foodinin ja 3DSystemsin ChefJetin tulo markkinoille on valitettavasti viivästynyt.
Foodini on FDM-tekniikalla toimiva tulostin. ChefJet on muunnettavissa tarpeiden mukaan FDM- tai InkJet-tekniikalla tulostavaksi. Kotikäyttöisen tulostimen tavoitteena on helppokäyttöisyys, yksinkertainen käyttöliittymä laitteelle ja tulostusmateriaalin toimivuus. Tulostin on USB-johdolla yhteydessä tietokoneeseen, jossa tulostusohjelma lukee internetistä ladattuja valmistusreseptejä.
Raa’asta materiaalista valmistetut elintarvikkeet, kuten keksit tai jauhelihapihvit, täytyy tulostuksen jälkeen vielä kypsentää uunissa.

Arno Teva
insinööri (AMK)
teva.arno(at)gmail.com

Susanna Peltonen
lehtori
Hämeen ammattikorkeakoulu Oy
susanna.peltonen(at)hamk.fi

Lähteet:
• Teva, Arno. 2015. Esiselvitys elintarvikkeiden 3D-tulostamisesta, Ammattikorkeakoulun opinnäytetyö, Bio- ja elintarviketekniikan koulutusohjelma, Hämeen Ammattikorkeakoulu Oy, Hämeenlinna, http://theseus.fi/handle/10024/92835
• 3D Systems Culinary Lab, http://www.3dsystems.com/es/culinary
• Foodini, https://www.naturalmachines.com/

******************************************************************

3D-tulostetut elintarvikkeet ovat kuluttajalle ennenkuulumattomia

Insinööri Arno Teva teki selvityksen elintarvikkeiden 3D-tulostamisesta opinnäytetyönään Hämeen ammattikorkeakoulun bio- ja elintarviketekniikan koulutusohjelmassa vuonna 2015. Työssä hän tutki kuluttajien asenteita 3D-tulostamiseen ja menetelmän tarjoamia liiketoimintamahdollisuuksia elintarvikealan pk-yrityksissä.
Kyselyyn vastasi 127 henkilöä, joista 73 olivat Hämeen ammattikorkeakoulun opiskelijoita. Kyselyyn vastasi myös muutama elintarvikealan pk-yritys. Kyselytutkimus toteutettiin internet-kyselynä. Kyselytutkimuksessa tutkittiin kuluttajien ennakkokäsityksiä ja nykytietämystä 3D-tulostamisesta sekä 3D-tulostetuista elintarvikkeista.
Kyselyn mukaan 3D-tulostaminen oli vastaajille melko tuntematon aihealue. Elintarvikkeiden tulostamisesta vastaajat eivät olleet kuulleet lainkaan.
Kyselytutkimuksessa esiteltiin viisi erilaista 3D-tulostettua elintarviketta: karamelli, pizza, suklaakuvio, kalkkuna-annos ja kakkukoriste. Kaikki esitellyt tuotteet olivat lähes kaikille kyselyyn vastanneille ennestään tuntemattomia. Kyselyssä arvioitiin mielenkiintoa tuotteita kohtaan ja ostohalukkuutta sekä tuoteturvallisuutta.

Kampanjointia tarvitaan
Tutkimuksessaan Arno Teva toteaa, että asiakaskunnan löytyminen 3D-tulostetuille elintarvikkeille on vielä vaikeaa. Vastaajat olivat kuitenkin selvästi kiinnostuneita 3D-tulostetuista elintarvikkeista, ja niille löytyi kysyntää. Kuluttajat kokivat makeiset helpoiten lähestyttäviksi. Toisaalta 3D-tulostettu pizza oli kuluttajien mielestä jopa vastenmielinen.
Kyselytutkimuksessa parhaiten pärjäsivät makeat tuotteet, kuten karamelli, suklaakuvio ja kakkukoriste. Suolaiset tuotteet, pizza ja kalkkuna-annos, eivät saaneet yhtä paljoa suosiota. Hyvin pärjänneet makeat tuotteet ovat helpommin lähestyttäviä kuin suolaiset tuotteet. Perinteisten tuotteiden, esimerkiksi lihapullien kilpailijaksi ei 3D-tulostetuilla tuotteilla todennäköisesti päästä. Varsinaisen ruuan 3D-tulostaminen koetaan vielä vieraaksi, jopa vastustusta herättäväksi.
Kyselyn alussa ja lopussa kysyttiin kuluttajien halukkuutta ostaa 3D-tulostettuja tuotteita. Haastateltavien ostohalukkuus nousi, kun vastaajille oli esitelty 3D-tulostettuja tuotteita. Tämä osoittaa, ettei tuotteista ole aiempaa tietoa, kuten kyselyn alussa havaittiin. 3D-tulostetut elintarvikkeet tarvitsevatkin yleiseen tietoisuuteen päästäkseen runsaasti kampanjointia.

Pakkausmerkintä valmistusmenetelmästä auttaa
Tutkimuksessa selvisi, että 3D-tulostettuja tuotteita voidaan tehdä kuluttajille näkyväksi pakkausmerkintöjen avulla. Vastaajista 85 prosenttia toivoi 3D-tulostettujen elintarvikkeiden pakkauksiin jonkinlaista merkintää valmistusmenetelmästä. 3D-tulostettujen tuotteiden pakkausmerkintöjä toivottiin selkeiksi ja yhteneväisiksi.
Valmistusmenetelmällä ei yleensä ole merkitystä kuluttajalle, vaan ainoastaan lopputuote kiinnostaa. Kyselytutkimuksen tulosten perusteella ei kuitenkaan selvinnyt, vaikuttavatko pakkausmerkinnät selvästi ostopäätökseen. Oikein tehtynä pakkausmerkintä auttaisi kuitenkin tuotteen markkinoinnissa ja 3D-tulostettujen elintarvikkeiden ominaisuuksien tiedottamisessa kuluttajalle.

Muut teemajutut samasta lehdestä :