ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CỤM ĐẦU ĐÙN CHO MÁY IN 3D VẬT LIỆU SOCOLA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY

 

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.0: Máy in 3D đa vật liệu Fab@Home 2006 – 2009............................................................................................................... 11

Hình 1.1: Doanh số thị trường in 3D thực phẩm 2022 – 2027............................................................................................................... 12

Hình 1.2: Miếng thịt bò và thịt cá hồi thay thế được in bằng phương pháp 3D do Công ty Cocuus thực hiện............................................................................................................... 14

Hình 1.3: In 3D bằng mì ống và sảnphẩm của công ty Barilla............................................................................................................... 15

Hình 1.4: In 3D lát cá hồi và sản phẩm của công ty Revo Foods............................................................................................................... 15

Hình 1.5: Những món ăn phục vụ ở nhà hàng Cocina Hermanos Torres............................................................................................................... 16

Hình 1.6: Đồ uống in 3D của được phát triển bởi Benjamin Greimel............................................................................................................... 16

Hình 1.7: Ở bên trái, một phần của bộ đồ ăn Wasteware. Ở bên phải, một phần thức ăn do công ty Upprinting Food thực hiện nhờ vào in 3D thực phẩm............................................................................................................... 17

Hình 1.8: Nguyên lý của công nghệ đùn vật liệu trong in thực phẩm 3D............................................................................................................... 18

Hình 1.9: In 3D bằng nguyên lý đùn vật liệu (Extusion based Printing)............................................................................................................... 19

Hình 1.10: a) Đùn sử dụng ống tiêm; b) Đùn sử dụng vít đùn; c) Đùn sử dụng áp suất khí nén............................................................................................................... 19

Hình 1.11: In 3D bằng nguyên lý phun vật liệu (Inkjet Printing)............................................................................................................... 20

Hình 1.12: Máy tạo thực phẩm bằng phương pháp phun vật liệu của Foodjet............................................................................................................... 20

Hình 1.13: Đùn bằng nguyên lý phun chất kết kính (Binder Jetting)............................................................................................................... 21

Hình 1.14: a) Máy in thực phẩm bằng phương pháp Binder Jetting b) Sản phẩm in, của máy Chefjet............................................................................................................... 21

Hình 1.15: Xu hướng thị trường socola theo khu vực............................................................................................................... 23

Hình 1.16:  Quy mô thị trường socola Mỹ, năm 2020 -2030............................................................................................................... 24

Hình 1.17: Sản phẩm socola cho ngày Valentine của Walmart............................................................................................................... 25

Hình 1.18: Kết quả thí nghiệm mức độ dễ ăn và độ giòn theo kích thước socola của đại học Amsterdam............................................................................................................... 26

Hình 1.19: Ảnh hưởng của nồng độ ca cao trong vật liệu làm từ socola đến các lớp in. làm nổi bật sự lan rộng của vật liệu.( a ) Kết hợp với si rô (S0 đến S25) và ( b ) Kết hợp bột nhão (P0 đến P12) được hiển thị ở hai mốc thời gian: 0 phút (ngay sau khi in) và 30 phút sau khi in............................................................................................................... 27

Hình 1.20: Máy in 3D Choc Creator V2.0 Plus và sản phẩm của nó............................................................................................................... 28

Hình 1.21: Máy in 3D Bocuisin Pro 2.0............................................................................................................... 28

Hình 1.22: Máy in 3D đa vật liệu Chejet Pro............................................................................................................... 29

Hình 1.23: Máy in 3D Foodini đa vật liệu Chejet Pro............................................................................................................... 29

Hình 1.24: Sản phẩm và máy in 3D socola được chế tạo thực tế trong nước............................................................................................................... 30

Hình 1.25: Máy in 3D socola của công ty 3Dmaker............................................................................................................... 30

Hình 1.26: Máy in  Procusini 5.0 Dual với hệ thống ép đùn kép............................................................................................................... 31

Hình 1.27: Choc Creator V2.0 Plus............................................................................................................... 31

Hình 1.28: Cấp liệu liên tục trong quá trình in............................................................................................................... 34

Hình 1.29: Bộ phận gia nhiệt đang che kín trong cụm đầu đùn – Heating jacket: Tấm phiên gia nhiệt............................................................................................................... 34

Hình 1.30: Các cụm đầu đùn có kích thước nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo khả năng in của ByFlow và ChocoL3d............................................................................................................... 35

Hình 2.0: Dự án “Côn trùng Au Gratin” kết hợp công nghệ in 3D và sản phẩm bột protein côn trùng............................................................................................................... 36

Hình 2.1: Tượng người Aztec đang cầm quả cacao............................................................................................................... 38

Hình 2.3: Các loại giống cacao hiện nay............................................................................................................... 38

Hình 2.4: Quy trình sản xuất socola cơ bản............................................................................................................... 39

Hình 2.5: Từ trái sang: Socola trắng, sữa, đen, nguyên chất............................................................................................................... 41

Hình 2.6: Cacao ruby đặc biệt chỉ được trồng tại Bờ Biển Ngà, Ecuador và Brazil............................................................................................................... 42

Hình 2.7: Bơ cacao............................................................................................................... 43

Hình 2.8: (A) Cụm đầu đùn, khe được đánh dấu là nơi đặt cặp nhiệt điện. (B) Hình ảnh các chi tiết trong cụm đầu đùn socola (C) Bộ làm mát không khí bao gồm mô-đun Peltier nằm giữa hai bộ tản nhiệt. (D) Mặt cắt của cụm đầu đùn............................................................................................................... 45

Hình 2.9: (A) Mô hình thí nghiệm đo khoảng cách tối đa là 8mm. (B) Thực nghiệm. (C) Ảnh hưởng của việc thay đổi hệ số đùn từ 0,6 đến 1,4. (D) Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển thay đổi trên 300 – 700 mm/phút (E–G) Ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng khí từ 20 lên 100% khi sử dụng............................................................................................................... 47

Hình 2.10: Socola sữa và socola đen dạng sệt của Chocoform và CacaoTalk............................................................................................................... 48

Hình 2.11: Socola trắng và socola đen dạng thanh và hạt của Ganafarm, Beatitude, Nama............................................................................................................... 48

Hình 2.12: Quy trình pha chế, chuẩn bị nguyên liệu............................................................................................................... 49

Hình 3.0: Cấu trúc Cartesian của máy in 3D............................................................................................................... 50

Hình 3.1: Cấu trúc Delta của máy in 3D............................................................................................................... 51

Hình 3.2: Cấu trúc Polar và máy in của máy in 3D thực phẩm............................................................................................................... 51

Hình 3.3: Cấu trúc Scara của máy in 3D............................................................................................................... 52

Hình 3.4: Khung máy in 3D theo cấu trúc Cartesian sử dụng trong đồ án............................................................................................................... 53

Hình 3.5: Định dạng *.STL có kết cấu dạng lưới, gồm nhiều mặt hình tam giác liên kết với nhau để tạo thành mô hình 3D............................................................................................................... 53

Hình 3.6: Quy trình tạo sản phẩm trong in 3D socola............................................................................................................... 54

Hình 4.0: Cấu tạo đầu đùn sử dụng ống tiêm............................................................................................................... 56

Hình 4.1: (a) Cơ cấu đầu đùn truyền động qua bánh răng (b) Cơ cấu đầu đùn truyền động qua đai............................................................................................................... 57

Hình 4.2: Đầu đùn dùng động cơ bước tuyến tính............................................................................................................... 58

Hình 4.3 Đầu đùn dạng truyền động tuyến tính (a): Không có ray dẫn hướng (b) Có ray dẫn hướng............................................................................................................... 59

Hình 4.4: a) Đùn bánh răng thông qua dây curoa tạo lực đùn; b) Đùn trực tiếp bằng bánh răng............................................................................................................... 60

Hình 4.5: Cấu tạo đầu đùn sử dụng vít đùn............................................................................................................... 61

Hình 4.6: Minh họa các sơ đồ về thiết kế đầu đùn sử dụng vít đùn............................................................................................................... 61

Hình 4.7: Cơ cấu đầu đùn bằng vít đùn của Gigabot............................................................................................................... 62

Hình 4.8: Cơ cấu đầu in bằng vít đùn của Cakewalk (a) Tổng quan (b) Từng bộ phận của đầu đùn............................................................................................................... 62

Hình 4.9: Cấu tạo của đầu đùn sử dụng hệ thống phân phối khí nén............................................................................................................... 63

Hình 4.10: (a) Cơ cấu đầu đùn của Cerambot (b) Cơ cấu nhiều đầu đùn của Beehex............................................................................................................... 64

Hình 4.11: Đầu đùn sử dụng ống tiêm không thể tiếp liệu trong quá trình in............................................................................................................... 65

Hình 4.12: Bình chứa thực phẩm in theo đường ống dẫn vào cụm đầu đùn nhờ cơ cấu khí nén............................................................................................................... 65

Hình 4.13: Các phương án cấp liệu sử dụng bể chứa cho đầu đùn............................................................................................................... 66

Hình 4.14: Cơ cấu cụm đầu đùn ở trường đại học công nghiệp thực phẩm............................................................................................................... 67

Hình 4.15: Các cụm đầu đùn sử dụng ống tiêm đã được thương mại hóa trên thị trường ............................................................................................................... 67

Hình 4.16: Ba cụm đầu đùn tối ưu kích thước được tích hợp thay thế  trên một máy in 3D ................................................................................................................... ............................................................................................................... 68

Hình 4.17: Nguyên lí hoạt động của bơm bánh răng ăn khớp ngoài............................................................................................................... 69

Hình 4.18: a) Độ nhớt của xi-rô (S0), xi-rô với bột cacao (S10 đến S25), bột nhão (P0), bột nhão với bột cacao (P5 đến P12) và kem phủ bán[1.3.1b]; b) Độ nhớt động học trong bơm bánh răng............................................................................................................... 70

Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lí cụm đầu đùn gồm các chi tiết: 1. Động cơ bước, 2. Vỏ hộp dùng ủ nhiệt và đóng kín bộ truyền bánh răng, 3. Đầu ra bể chứa vật liệu socola, 4. Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, 5. Đầu phun............................................................................................................... 71

Hình 4.20: Động cơ bước Nema 17 (trái) và động cơ Servo (phải)............................................................................................................... 71

Hình 4.21: Đầu phun đường kính 1mm bán trên thị trường............................................................................................................... 72

Hình 5.0: Ba vùng phần tử vật liệu trong đầu in............................................................................................................... 73

Hình 5.1: Thông số động cơ Nema 17............................................................................................................... 81

Hình 5.2: Mô hình giá đỡ trên phần mềm 3D............................................................................................................... 82

Hình 5.3: Cụm đầu đùn thiết kế trên phần mềm Solidworks............................................................................................................... 82

Hình 6.0: Thông số nhiệt độ in của hãng Luckybot đối với một số loại socola đen............................................................................................................... 83

Hình 6.1: Các tấm phim gia nhiệt trên thị trường............................................................................................................... 84

Hình 6.2: Tấm phim gia nhiệt bao quanh vỏ kim loại của 3D Drag, Chocmate............................................................................................................... 84

Hình 6.3: Nhiệt điện trở 12V dùng để ủ nhiệt cho cụm đùn............................................................................................................... 85

Hình 6.4: Sử dụng quạt tản nhiệt cho cụm đầu đùn thực phẩm............................................................................................................... 86

Hình 6.5: Hệ thống thổi không khí lạnh cho đầu đùn socola............................................................................................................... 87

Hình 6.6: Cụm ủ nhiệt trong cụm đầu đùn thiết kế............................................................................................................... 88

Hình 6.7: Thông số kỹ thuật của cụm ủ nhiệt trên phần mềm Solidworks............................................................................................................... 88

Hình 7.0: Máy in 3D vật liệu socola sau khi lắp ráp............................................................................................................... 90

Hình 7.1: Module endstop............................................................................................................... 91

Hình 7.2: Thông số đường kính, giá tiền và khối lượng riêng vật liệu socola............................................................................................................... 93

Hình 7.3: Cài đặt thông số đùn vật liệu trong thẻ Extruder............................................................................................................... 94

Hình 7.4: Thông số chiều cao lớp trong thẻ Layer............................................................................................................... 94

Hình 7.5: Thông số nhiệt độ trong thẻ Material............................................................................................................... 95

Hình 7.6: Cài đặt thông số tốc độ in ở thẻ Speeds............................................................................................................... 95

Hình 7.7: Quá trình ủ socola trong bình chứa nguyên liệu............................................................................................................... 96

Hình 7.8: Socola sữa vơi 18% cacao............................................................................................................... 96

Hình 7.9: Socola đen với 72% cacao và các lớp in thành công đầu tiên............................................................................................................... 97

Hình 7.10: Các mẫu in logo Apple khi thử nghiệm thông số công nghệ............................................................................................................... 98

Hình 7.11: Khối lượng chi tiết in thử nghiệm khả năng tiếp liệu cho cụm đầu đùn............................................................................................................... 99

Hình 7.12: a) Cho 10g socola rắn vào bình chứa vật liệu; b) Thêm 10g socola khi quá trình in đang đạt 50%............................................................................................................. 100

Hình 7.13: In phủ lớp socola cho bánh sandwich nhờ vào khả năng tiếp liệu liên tục của cụm đầu đùn............................................................................................................. 100

Hình 7.14:Mẫu in tuyết dùng để trang trí bánh kẹo............................................................................................................. 101

Hình 7.15: Một số mẫu in tên theo yêu cầu............................................................................................................. 101

Hình 7.16: Mẫu với chi tiết in phức tạp............................................................................................................. 101

Hình 8.0: Cụm đầu đùn sau khi chế tạo, lắp ráp............................................................................................................. 102

Hình 8.1: Máy in 3D vật liệu socola............................................................................................................. 103

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Khả năng công nghệ in 3D của 3 phương pháp trên............................................................................................................... 21

Bảng 1.2:  Thông số máy in Choc Creator V2.0 Plus............................................................................................................... 32

Bảng 1.3: Thông số máy Zbot Model F5............................................................................................................... 32

Bảng 2.1: Các dạng tinh thể và đặc điểm kĩ thuật............................................................................................................... 40

Bảng 2.2: Thành phần dinh dưỡng của các sản phẩm từ cacao............................................................................................... 40

Bảng 2.3: Thành phần trong các loại socola............................................................................................................... 42

Bảng 2.4: Bảng so sánh các trạng thái của vật liệu socola............................................................................................................... 46

Bảng 4.1: Các loại cơ cấu đầu đùn thể tích............................................................................................................... 57

Bảng 4.2: Các phương án đầu đùn sử dụng vít đùn trên thị trường............................................................................................................... 61

Bảng 4.3: Các phương án đầu đùn sử dụng khí nén............................................................................................................... 64

Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật............................................................................................................... 69

Bảng 4.6: So sánh động cơ bước và động cơ servo............................................................................................................... 72

Bảng 5.1: Các thông số kĩ thuật để tính toán............................................................................................................... 75

Bảng 5.2: Thông số hình học bánh răng............................................................................................................... 79

Bảng 7.1: Thông số kĩ thuật đối với các kích thước đường kính khác nhau............................................................................................................... 93

Bảng 7.2: Thông số in thử nghiệm mẫu............................................................................................................... 97

Bảng 7.3: Thông số in 3D tối ưu cho quá trình tạo mẫu............................................................................................................... 98

Bảng 8.1: Thông số máy............................................................................................................. 103

 

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH................................................................................................................. 3

DANH MỤC BẢNG................................................................................................................. 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN:............................................................................................................... 11

1.1 Giới thiệu về in 3D trong thực phẩm:............................................................................................................... 11

1.1.1 Giới thiệu công nghệ in 3D thực phẩm............................................................................................................... 11

1.1.2 Nhu cầu và tầm quan trọng của công nghệ in 3D thực phẩm hiện nay............................................................................................................... 11

1.1.3 Nguyên vật liệu dùng cho in 3D thực phẩm............................................................................................................... 13

1.1.4 Ứng dụng và tốc độ phát triển của công nghệ in 3D thực phẩm............................................................................................................... 13

1.1.5 Công nghệ đùn vật liệu trong in 3D thực phẩm............................................................................................................... 18

1.2 Công nghệ in 3D thực phẩm sử dụng vật liệu socola:............................................................................................................... 22

1.2.1 Nhu cầu sử dụng socola hiện nay trên thế giới............................................................................................................... 22

1.2.2 Lợi ích của việc sử dụng nguyên liệu socola trong in 3D so với phương pháp tạo hình truyền thống............................................................................................................... 25

1.3 Tổng quan về thành tựu, tình hình nghiên cứu về in 3D socola............................................................................................................... 26

1.3.1 Những nghiên cứu, thành tựu về in 3D socola trên thế giới............................................................................................................... 26

1.3.2 Những nghiên cứu, thành tựu về in 3D socola trong nước............................................................................................................... 29

1.3.3 Một số thiết bị in 3D socola phổ biến và thông số kỹ thuật............................................................................................................... 30

1.4 Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................................... 33

1.5 Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................................... 33

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG IN 3D THỰC PHẨM............................................................................................................... 36

2.1 Tổng quan về các loại vật liệu được dùng trong in 3D thực phẩm............................................................................................................... 36

2.2 Nguyên liệu socola dùng trong in 3D............................................................................................................... 37

2.2.1 Nguồn gốc của socola............................................................................................................... 37

2.2.2 Quy trình sản xuất socola và các thành phần cơ bản trong socola............................................................................................................... 38

2.2.3 Các loại socola phổ biến hiện nay............................................................................................................... 41

2.2.4 Tính lưu biến của vật liệu socola............................................................................................................... 42

2.2.5 Socola dùng trong in 3D thực phẩm............................................................................................................... 43

2.2.6 Vai trò của các thành phần và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình trong quá trình in 3D............................................................................................................... 45

2.3 Tối ưu hóa quá trình in 3D socola............................................................................................................... 46

2.4 Phân tích, lựa chọn loại socola phù hợp cho máy in 3D thiết kế............................................................................................................... 47

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH MÁY IN 3D VẬT LIỆU SOCOLA............................................................................................................... 50

3.1 Tổng quan về cấu trúc của máy in 3D............................................................................................................... 50

3.2 Khảo sát các phương án thiết kế máy in 3D socola dựa trên các dạng máy có trên thị trường............................................................................................................... 50

3.2.1 Kết cấu cơ khí của máy in 3D sử dụng trong đồ án............................................................................................................... 52

3.3 Lập quy trình tạo mẫu sản phẩm in............................................................................................................... 53

3.3.1 Bước tiền xử lý tập tin thiết kế bằng các phần mềm............................................................................................................... 53

3.3.2 Hậu xử lý sản phẩm............................................................................................................... 54

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CỤM ĐẦU ĐÙN............................................................................................................... 55

4.1 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế cụm đầu đùn theo các công nghệ đùn vật liệu trong in 3D............................................................................................................... 55

4.1.1 Phân tích phương án thiết kế cụm đầu đùn theo công nghệ FDM............................................................................................................... 55

4.1.2 Các cụm đầu đùn sử dụng công nghệ đùn vật liệu FDM............................................................................................................... 55

4.2 Khảo sát, lựa chọn các cơ cấu cụm đầu đùn:............................................................................................................... 56

4.2.1 Đầu đùn sử dụng cơ cấu đùn bằng thể tích:............................................................................................................... 56

4.2.2 Đầu đùn sử dụng vít đùn:............................................................................................................... 61

4.2.3 Đầu đùn sử dụng hệ thống khí nén:............................................................................................................... 63

4.3 Khảo sát, lựa chọn phương án cấp liệu cho cụm đầu đùn............................................................................................................... 65

4.4 Tối ưu hóa kích thước cụm đầu đùn............................................................................................................... 66

4.4.1 Ý nghĩa và mục đích của tối ưu hóa kích thước cụm đầu đùn............................................................................................................... 67

4.4.2 Các phương án tối ưu hóa kích thước cụm đầu đùn............................................................................................................... 68

4.5 Thành lập sơ đồ nguyên lý cụm đùn:............................................................................................................... 70

4.6 Khảo sát lựa chọn phương án sử dụng động cơ cho cụm đùn............................................................................................................... 71

4.7 Phân tích, lựa chọn đầu in cho cụm đầu đùn............................................................................................................... 72

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT TRONG CỤM ĐẦU ĐÙN................................................................................................................... ............................................................................................................... 73

5.1 Tính lực đùn kĩ thuật cần thiết để đùn vật liệu:............................................................................................................... 73

5.2 Tính toán các bộ truyền động cơ khí trên cụm đầu đùn:............................................................................................................... 76

5.2.1 Tính toán lựa chọn động cơ bước:............................................................................................................... 76

5.2.2 Tính toán bộ truyền bánh răng:............................................................................................................... 80

5.3 Thiết kế giá đỡ cho cụm đầu đùn:............................................................................................................... 82

5.4 Thiết kế các mô hình 3D trên phần mềm Solidworks:............................................................................................................... 82

CHƯƠNG 6: KHẢO SÁT, THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN ĐỂ Ủ NHIỆT VÀ LÀM MÁT SẢN PHẨM SAU KHI IN............................................................................................................... 83

6.1 Tổng quan, ý nghĩa của quy trình ủ nhiệt và làm lạnh sản phẩm in 3D socola............................................................................................................... 83

6.2 Khảo sát, lựa chọn các phương pháp ủ nhiệt và làm lạnh hiện nay............................................................................................................... 83

6.2.1 Các phương án ủ nhiệt socola hiện nay............................................................................................................... 83

6.2.2 Các phương án làm mát socola hiện nay............................................................................................................... 85

6.3 Tính toán thời gian ủ nhiệt cho máy in 3D socola............................................................................................................... 87

CHƯƠNG 7: THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH THÔNG SỐ............................................................................................................... 90

7.1 Lắp ráp máy in và cài đặt các thông số kỹ thuật............................................................................................................... 90

7.1.1 Hiệu chỉnh thông số trong Marlin cho Board Ramps 1.4............................................................................................................... 90

7.1.2 Thiết lập thông số kĩ thuật in trong phần mềm Simplify 3D............................................................................................................... 93

7.2 Thực nghiệm kiểm tra khả năng in của máy............................................................................................................... 95

7.3 Thử nghiệm tạo mẫu............................................................................................................... 97

CHƯƠNG 8: TRÌNH BÀY KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................................................................. 102

8.1 Kết quả đạt được............................................................................................................. 102

8.2 Đề xuất phương án cải thiện, hướng phát triển trong tương lai của sản phẩm............................................................................................................. 103

Tài liệu tham khảo:............................................................................................................. 104

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về in 3D trong thực phẩm:

1.1.1 Giới thiệu công nghệ in 3D thực phẩm:

In 3D là phương pháp tiên tiến của việc phát triển và cấu trúc theo từng lớp. Côngnghệ được ra mắt lần đầu vào năm 1981 bởi Hideo Kodama với dòng máy tạo mẫu 3D
nhanh sử dụng vật liệu nhựa lỏng. Máy tính được lập trình với thiết kế sản phẩm, phần mềm cũng được lập trình với phương pháp tương tự. Nguyên liệu thô được đưa vào máy ở dạng hạt nhỏ, sau đó được cánh tay robot tạo thành hình dạng 3D. Ngày nay, thức ăn cũng được sản xuất bằng công nghệ tương tự. Năm 2006, một nhóm sinh viên đứng đầu đại học Cornell đã làm một dự án về máy in 3D đa vật liệu đầu tiên (Fab@Home) in các nguyên liệu thực phẩm như socola, bột làm bánh quy và phô mai. Máy in 3D không chỉ hỗ trợ tạo ra các hình dạng 3D mà còn tạo ra thực phẩm với vẻ ngoài hấp dẫn và quan trọng nhất là hương vị. Công nghệ in 3D đã mang lại sự thay đổi to lớn trong ngành công nghiệp thực phẩm với những “ông lớn” như: TNO (Hà Lan), Print2tasteGmbH (Đức), Barilla (Ý), Beehex (Mỹ)...In thực phẩm 3D nằm trong danh sách “Top 10 xu hướng công nghệ thực phẩm và đổi mới năm 2021”, do Công ty khoa học dữ liệu StartUs Insights công bố cuối tháng 7-2021. Với sự ra đời của công nghệ in 3D thực phẩm, sản xuất và chế biến thực phẩm đã trở nên đơn giản hơn và nhanh chóng hơn. Điều này mang lại nhiều lợi ích cho người tiêu dùng và cả ngành sản xuất thực phẩm.^[1]

Hình 1.0: Máy in 3D đa vật liệu Fab@Home 2006 - 2009

1.1.2 Nhu cầu và tầm quan trọng của công nghệ in 3D thực phẩm hiện nay:

Thị trường in thực phẩm 3D toàn cầu dự kiến ​​sẽ đạt tốc độ CAGR đáng chú ý là 57,3% vào năm 2027. Với doanh số sẽ vượt 1.941 triệu USD vào năm 2027 từ 201 triệu USD vào năm 2022 với tốc độ CAGR là 57,3%^[2]. Sự tăng trưởng này được dự đoán là do việc sáp nhập và mua bán ngày càng tăng trong các lĩnh vực khác nhau, điều này sẽ tạo ra nhu cầu trên toàn thế giới đối với thị trường in thực phẩm 3D. Nhu cầu của người tiêu dùng ngày càng tăng đối với việc tùy chỉnh các thiết kế mẫu mã, khả năng chuẩn bị thực phẩm phù hợp và tiết kiệm thời gian của máy in 3D, tùy chỉnh các chất dinh dưỡng cần thiết theo sự khác biệt trong các sản phẩm thực phẩm của họ, đạt được lợi ích của các thành phần thay thế và những yếu tố khác được kỳ vọng sẽ thúc đẩy nghành công nghiệp in 3D thực phẩm toàn cầu. Các mặt hàng thực phẩm như cà phê, bánh mì kẹp thịt, kem, bánh ngọt, bánh quy, bánh kẹo và các mặt hàng khác cũng từ đó đa dạng các hình dạng, màu sắc, hương vị, dinh dưỡng, kết cấu khác nhau. Công nghệ in 3D thực phẩm có thể đáp ứng nhu cầu này bằng cách tạo ra các sản phẩm thực phẩm độc đáo, có hình dáng phức tạp, thu hút khách hàng.

 

Hình 1.1: Doanh số thị trường in 3D thực phẩm 2022 - 2027

Trái ngược với các hệ thống chế biến thực phẩm thông thường, in 3D có tiềm năng cung cấp cho dân số toàn cầu ngày càng tăng. Máy in 3D thực phẩm giới thiệu khả năng nghệ thuật cho ẩm thực cao cấp và mở rộng khả năng tùy chỉnh hàng loạt cho lĩnh vực chế biến thực phẩm và ẩm thực. Điều này mang lại lợi ích cho quy trình chế tạo thực phẩm theo yêu cầu khối lượng sản phẩm thấp, giá trị cao mà hiện tại không thể đạt được. Quy trình thiết kế thực phẩm nên được cấu trúc để thúc đẩy sự sáng tạo của người dùng, quy trình chế tạo phải được định lượng để đạt được kết quả chế tạo nhất quán và mô hình mô phỏng nên được phát triển để liên kết thiết kế và chế tạo với kiểm soát chất dinh dưỡng. Với sự phát triển của giao diện người dùng dựa trên web mở có tính tương tác, máy in thực phẩm có thể trở thành một phần của hệ sinh thái, nơi các máy nối mạng có thể đặt hàng nguyên liệu mới, chuẩn bị thức ăn yêu thích theo yêu cầu và thậm chí hợp tác với bác sĩ để phát triển chế độ ăn uống lành mạnh hơn. In thực phẩm có thể cho phép kiểm soát chính xác chế độ ăn uống của mọi người và đảm bảo các món ăn tươi ngon và tốt cho sức khỏe đáp ứng chính xác nhu cầu và sở thích của từng cá nhân; nó sẽ cải thiện đáng kể phúc lợi của người dân. Nguyên liệu thành công nhất là bột mì ống, được đánh giá bằng độ nhớt, độ đặc và đặc tính đông đặc. Các sản phẩm thực phẩm được làm bằng nguyên liệu có thể in được có thể được kiểm soát hoàn toàn về hương vị, giá trị dinh dưỡng và kết cấu. Là một kỹ thuật chế biến thực phẩm mới nổi, có một không gian rộng lớn dành cho in thực phẩm 3D. Nó cung cấp một loạt các khả năng mới trong ngành công nghiệp thực phẩm. Từ việc hiện thực hóa các thiết kế thực phẩm phức tạp đến chuẩn bị tự động các bữa ăn được cá nhân hóa, in thực phẩm 3D mang lại nhiều đổi mới trong sản xuất thực phẩm, phục vụ ăn uống, lĩnh vực bán lẻ và chuỗi cung ứng thực phẩm.

1.1.3 Nguyên vật liệu dùng cho in 3D thực phẩm:

In 3D thực phẩm đang trở thành một xu hướng mới trong ngành thực phẩm, cho phép tạo ra các sản phẩm tùy chỉnh với hình dạng và kích thước độc đáo. Tuy nhiên, nguyên vật liệu dùng để in 3D thực phẩm phải đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau, bao gồm độ an toàn thực phẩm, tính linh hoạt, khả năng tái chế, và tốc độ in ấn. Các nguyên vật liệu chính được sử dụng trong in 3D thực phẩm bao gồm chất béo, protein, tinh bột, đường và sợi. Các chất béo, như bơ, sữa và kem, được sử dụng để tạo ra các sản phẩm có cấu trúc mềm và nhẹ, trong khi các protein, như sữa và trứng, được sử dụng để tạo ra các sản phẩm có cấu trúc chắc chắn và đàn hồi. Tinh bột và đường được sử dụng để tạo ra các sản phẩm nhẹ và giòn, trong khi sợi như cellulose và chất xơ thực vật được sử dụng để tạo ra các sản phẩm có cấu trúc mạnh mẽ và bền. Tuy nhiên, để đạt được các tính chất như độ bền, đàn hồi và khả năng tái chế, các nhà sản xuất cần phải sử dụng một số chất phụ gia, bao gồm chất nhũ hóa, chất tạo đặc và chất tạo màu tự nhiên. Theo thống kê thị trường in 3D thực phẩm năm 2018, các loại vật liệu thực phẩm được sử dụng phổ biến gồm: bánh kẹo chiếm 39%; bột chiếm 22.4%; 16.5% cho các sản phẩm từ bơ, sữa; thực phẩm xanh (rau, củ, quả) chiếm 10.5%; thịt chiếm 7.1% và 4.4% cho các sản phẩm khác.^[3]

Tổng quan lại, các nguyên liệu được sử dụng trong in 3D thực phẩm đang ngày càng đa dạng, với nhiều lựa chọn cho các nhà sản xuất và người tiêu dùng. Việc sử dụng in 3D thực phẩm có thể mang lại nhiều lợi ích cho người tiêu dùng, bao gồm tiết kiệm thời gian, giảm thiểu lượng thực phẩm bị lãng phí và cải thiện chất lượng.

1.1.4 Ứng dụng và tốc độ phát triển của công nghệ in 3D thực phẩm:

a) Ứng dụng của công nghệ in 3D thực phẩm:

Công nghệ in 3D thực phẩm là một lĩnh vực mới trong ngành công nghiệp thực phẩm, đang dần mở rộng với các ứng dụng đa dạng và hứa hẹn trong tương lai. Công nghệ này cho phép sản xuất thực phẩm tùy chỉnh, sản phẩm thực phẩm đa dạng và có hình dạng phức tạp, cũng như cải tiến và tối ưu hóa quy trình sản xuất thực phẩm. Một trong những ứng dụng tiềm năng của công nghệ in 3D thực phẩm là sản xuất thực phẩm tùy chỉnh cho từng cá nhân. Với công nghệ này, khách hàng có thể tùy chỉnh hình dạng, kích thước giá trị dinh dưỡng và hương vị của thực phẩm theo nhu cầu và sở thích của mình. Điều này có thể giúp tăng tính ứng dụng và giá trị của sản phẩm thực phẩm, đồng thời cải thiện trải nghiệm khách hàng. Các yêu cầu về chế độ ăn uống được cá nhân hóa đối với nhu cầu dinh dưỡng của một cá nhân có liên quan đến việc ngăn ngừa bệnh tật. Như vậy, ăn thực phẩm bổ dưỡng là điều tối quan trọng để có một cuộc sống khỏe mạnh. Thực phẩm in 3D có thể cung cấp khả năng kiểm soát cần thiết để đưa một lượng protein, đường, vitamin và khoáng chất tùy chỉnh vào thực phẩm chúng ta tiêu thụ. Cũng liên quan đến yếu tố dinh dưỡng, ông Frits Hoff, Giám đốc Phát triển kinh doanh tại byFlow, một nhà sản xuất máy in 3D, đối tác của Food Ink cho biết, máy in thực phẩm 3D có thể giúp ích rất nhiều cho những người lớn tuổi, đặc biệt những người bị chứng khó nuốt, có chế độ dinh dưỡng đặc biệt. Những thức ăn mềm được làm từ máy in 3D với đầy đủ chất dinh dưỡng là một giải pháp thay thế rất đáng quan tâm.^[4]Ngoài ra, công nghệ in 3D thực phẩm cũng đang được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học, nhằm phát triển thực phẩm mới và tối ưu hóa quy trình sản xuất thực phẩm. Ví dụ, một nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Wageningen ở Hà Lan đã sử dụng công nghệ in 3D thực phẩm để tạo ra các thực phẩm chứa chất dinh dưỡng, như protein và chất xơ, nhằm giúp giải quyết vấn đề dinh dưỡng trong các khu vực khó khăn trên thế giới.

Theo StartUs Insights, hai công ty khởi nghiệp đầy hứa hẹn tập trung vào việc tạo ra máy in thực phẩm 3D, cung cấp các lựa chọn thay thế thịt và dinh dưỡng cá nhân hóa là SavorEat - công ty sản xuất thịt dựa trên thực vật của Israel và Cocuus - công ty Tây Ban Nha đang phát triển các lựa chọn thay thế thịt dựa trên tế bào. Cả hai công ty này đã phát triển công nghệ in 3D riêng để xử lý các sản phẩm với thông số kỹ thuật chính xác và chất lượng tái tạo như thịt thật, hướng đến sản xuất thực phẩm quy mô lớn với chi phí thấp.Với Cocuus, việc phát triển thành công loại cốt lết thịt tổng hợp sử dụng công nghệ in 3D là bước tiến đáng kể. Loại này có bề ngoài tương tự như thịt thật trong các cửa hàng bán thịt, hương vị không khác biệt mấy. Nhóm nghiên cứu hoàn thành sản phẩm dựa trên các liên kết sinh học từ tế bào động vật lấy từ các bộ phận ít sử dụng của bò, hoặc được tạo ra trong lò phản ứng sinh học. Trả lời trang FoodNavigator, Javier Zaratiegui (nhà đồng sáng lập Cocuus) nhấn mạnh: “Nguồn lực để nuôi toàn bộ dân số trên Trái đất là có hạn. Chúng ta không thể giải quyết thách thức này bằng các giải pháp hiện có”. ^[1]

Hình 1.2: Miếng thịt bò và thịt cá hồi thay thế được in bằng phương pháp 3D do Công ty Cocuus thực hiện

Từ thịt đến món tráng miệng, các sáng kiến ​​kết hợp công nghệ 3D và thực phẩm ngày càng phổ biến vì chúng không chỉ cho phép tạo ra các hình dạng nguyên bản và phức tạp hơn cũng như công thức nấu ăn sáng tạo mà còn thích ứng với các chế độ ăn cụ thể. Một số ứng dụng cụ thể như sau:^[8]

- In 3D cho nguyên liệu mì ống của công ty Barilla:

Công ty nổi tiếng của Ý Barilla , chuyên về mì ống, đã phát triển máy in 3D đầu tiên cho mì ống tươi với sự cộng tác của công ty Hà Lan TNO vào năm 2016. Nhờ đó, họ không chỉ quản lý để cung cấp chất lượng tốt cho các món ăn liên quan đến mì ống mà còn có thể cũng được sử dụng để tạo ra các hình dạng độc đáo. Giờ đây, công ty đã thông báo rằng trên trang web của mình, họ đã bán ít nhất 15 mẫu mì ống in 3D khác nhau. Một số đầu bếp nổi tiếng được cho là đã sử dụng một số loại mì này trong nhà bếp của họ.

Hình 1.3: In 3D bằng mì ống và sảnphẩm của công ty Barilla

- In 3D hải sản của công ty Revo Foods:

Trong lĩnh vực in 3D thực phẩm, công ty khởi nghiệp Revo Foods của Áo đã sử dụng nhiều loại thực vật khác nhau, công ty khởi nghiệp nhằm mục đích in 3D một số sản phẩm hải sản, chẳng hạn như lát cá hồi.

Hình 1.4: In 3D lát cá hồi và sản phẩm của công ty Revo Foods

- Nhà hàng Cocina Hermanos Torres phục vụ thức ăn in 3D:

Thực phẩm in 3D có tất cả những lợi thế mang lại bằng cách sử dụng sản xuất 3D nhưng được áp dụng cho thế giới ẩm thực. Do đó, có rất nhiều đầu bếp trên khắp thế giới đã chuyển sang sử dụng công nghệ này trong nhà bếp của họ. Điều đó đang được nói, có một máy in 3D trong nhà hàng là một lựa chọn đắt tiền và do đó nhiều nhà hàng không thể mua được. Những người khác sử dụng máy in 3D như một cách để thu hút người tiêu dùng, như trường hợp của nhà hàng Cocina Hermanos Torres, một nhà hàng được gắn sao Michelin.

Hình 1.5: Những món ăn phục vụ ở nhà hàng Cocina Hermanos Torres

- Đồ uống và Cocktail in 3D của Drink a Print:

In 3D giờ đây thậm chí đã tìm được đường vào thị trường nước giải khát. Sự phong phú của các khả năng, được kích hoạt bằng cách sử dụng in 3D, đã mang lại cho các công ty in đồ uống những ý tưởng sáng tạo để in đồ uống theo nhiều cách, khiến chúng trở thành một xu hướng mới. Đối với đồ uống 3D, có thể sử dụng nước trái cây thông thường, xi-rô, nước và rượu. Quá trình in hoạt động mà không có thành phần nhân tạo nào.

Hình 1.6: Đồ uống in 3D của được phát triển bởi Benjamin Greimel

- Biến chất thải thực phẩm thành đồ dùng nhờ vào công nghệ in 3D:

Mặc dù có vẻ lạ, nhưng cũng có nhiều dự án dành riêng cho việc tái sử dụng chất thải thực phẩm để sử dụng cho in 3D. Các công ty như Upprinting Food, có trụ sở tại Hà Lan, tìm cách tận dụng chất thải thực phẩm để mang lại cho nó một cuộc sống thứ hai bằng cách tạo ra thực phẩm bền vững và được thiết kế độc đáo. Nhưng không chỉ thực phẩm có thể được tạo ra một lần nữa, mà còn có những sáng kiến ​​khác sử dụng những thức ăn thừa này để tạo ra các đồ vật hàng ngày. Ví dụ, studio Barbara Gollackner đã ra mắt vào năm ngoái một bộ đồ ăn in 3D nguyên bản được làm từ chất thải thực phẩm công nghiệp. Được gọi là Wasteware, bộ đồ ăn chén đĩa.

Hình 1.7: Ở bên trái, một phần của bộ đồ ăn Wasteware. Ở bên phải, một phần thức ăn do công ty Upprinting Food thực hiện nhờ vào in 3D thực phẩm.

b) Tốc độ phát triển của công nghệ in 3D thực phẩm:

Tốc độ phát triển của công nghệ in 3D thực phẩm cũng rất nhanh chóng. Theo một báo cáo của MarketsandMarkets, thị trường in 3D thực phẩm đạt 201 triệu USD vào năm 2022 và 1,941 tỷ USD vào năm 2027. Số liệu này cho thấy tốc độ tăng trưởng ấn tượng của thị trường trong tương lai gần. Các công ty đang phát triển và sản xuất máy in 3D thực phẩm cũng đang nhanh chóng mở rộng quy mô sản xuất và mở rộng thị trường. Ví dụ, công ty nổi tiếng 3D Systems đã phát triển máy in 3D thực phẩm ChefJet Pro và ChefJet, cung cấp cho các nhà hàng và khách sạn. Các sản phẩm thực phẩm được tạo ra bằng công nghệ in 3D của 3D Systems đã được sử dụng tại các sự kiện lớn như Lễ hội ẩm thực Hàn Quốc và triển lãm thực phẩm quốc tế Gulfood. ^[2]

Trong đại dịch COVID-19, dịch vụ tự phục vụ đã trở nên quan trọng do khoảng cách vật lý giữa khách hàng và nhân viên bán hàng. Nhu cầu về các dịch vụ in thực phẩm 3D được cá nhân hóa để sản xuất thiết kế thực phẩm riêng lẻ ngày càng tăng, trong khi các dịch vụ sản xuất không tiếp xúc đang được chú ý nhiều hơn. Blue Rhapsody, một công ty con, đã giới thiệu mì ống tùy chỉnh được làm theo sở thích của khách hàng như một sản phẩm trực tuyến hỗ trợ các dịch vụ giao dịch điện tử. Thị trường trực tuyến, vốn đã trở nên sôi động hơn với COVID-19, đang gia tăng thị phần của các loại thực phẩm in 3D sáng tạo. Tương tự, Nourished là một công ty của Anh bán thực phẩm tùy chỉnh theo chủ đề sức khỏe, dinh dưỡng và hạnh phúc, sử dụng các sản phẩm đóng gói sẵn với hệ thống bán hàng trực tuyến. Nhiều học giả dự đoán một kỷ nguyên mới sau đại dịch COVID-19. Đặc biệt, những nỗ lực giảm tiếp xúc cá nhân nhiều nhất có thể bằng cách giãn cách xã hội đã đẩy nhanh hơn nữa Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, trong đó tự động hóa kỹ thuật số nổi lên như một chìa khóa. Ngoài ra, công nghệ in 3D đang trở nên phổ biến đối với người tiêu dùng như một công nghệ được cá nhân hóa, đặc biệt là vì nó có thể tạo ra nhiều hương vị, màu sắc và kết cấu phức tạp. Tuy nhiên, bất chấp những lợi thế độc đáo của công nghệ in 3D và nhiều tập đoàn lớn có cơ sở nghiên cứu và phát triển với nhiều thiết bị in 3D khác nhau, in 3D thực phẩm vẫn chưa được kích hoạt trong lĩnh vực công nghiệp và đang được sử dụng cho mục đích tạo mẫu hoặc đào tạo. Các khu công nghiệp cung cấp bằng chứng cho điều này, và lý do chính là nó không phù hợp do chi phí sản xuất cao và sản xuất hàng loạt. Ngoài ra, các tiêu chuẩn về vệ sinh và an toàn thực phẩm cũng đang được đặt ra cho sản phẩm thực phẩm in 3D. ^[3]

Tuy nhiên, với tiềm năng lớn và tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ in 3D thực phẩm, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất đang cố gắng để giải quyết các thách thức trên. Trong ba năm qua, thị trường in 3D thực phẩm toàn cầu đã chứng kiến ​​tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm là 31,5% và quy mô ngành xấp xỉ 9,46 tỷ USD . Nó hiện đang sản xuất máy in 3D thực phẩm để tạo ra các nguyên mẫu thực phẩm sử dụng các ưu điểm của in 3D thực phẩm trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thực phẩm chiến đấu, thực phẩm không gian, nhà hàng, thức ăn lỏng, thức ăn cho người già, thức ăn cho bệnh nhân và thức ăn cho trẻ em. Hơn nữa, khi chúng ta bước vào Kỷ nguyên mới, thị trường in 3D có thể sẽ phát triển và trở thành một đại dương.^[3]

1.1.5 Công nghệ đùn vật liệu trong in 3D thực phẩm^[5]:

Kỹ thuật in thực phẩm 3D về nguyên lý tạo hình, nhìn chung không khác biệt so với phương pháp in 3D thông thường. Điểm khác biệt nằm ở phương pháp chế tạo cụm đầu đùn. Trong in 3D thực phẩm cụm đầu đùn được phân thành ba loại là in dựa bằng phương pháp ép đùn vật liệu, phun chất kết dính và phun vật liệu, như thể hiện trong hình 1.3.

Hình 1.8: Nguyên lý của công nghệ đùn vật liệu trong in thực phẩm 3D

- In 3D thực phẩm bằng nguyên lý ép đùn vật liệu:

In 3D bằng nguyên lý ép đùn (Extrusion based Printing) xây dựng mô hình thực phẩm bằng cách đùn nguyên liệu qua vòi phun với áp suất không đổi. Kỹ thuật này tương tự như phương pháp in FDM(Fused Deposition Modelling) trong in 3D. Tuy nhiên, vật liệu ban đầu của quá trình in dựa trên ép đùn có thể vừa rắn, vừa mềm có độ nhớt thấp, trong khi nguyên liệu ban đầu của FDM là cuộn dây nhựa. Quy trình in dựa trên ép đùn, vật liệu được nạp vào đầu đùn (xi lanh) trước khi nó được đùn qua vòi bằng áp suất để tạo ra hình dạng thực phẩm từng lớp.

Hình 1.9: In 3D bằng nguyên lý đùn vật liệu (Extusion based Printing)

Với nguyên lí hoạt động đơn giản nên dạng đầu đùn này dễ áp dụng để nghiên cứu, chế tạo và hiện nay đã trở thành phương pháp phổ biến nhất trên thị trường. Các dạng đầu đùn sử dụng nguyên lý đùn vật liệu trên phổ biến trên thị trường hiện nay có thể kể đến là đùn sử dụng: ống tiêm, vít đùn, cơ cấu khí nén:

Hình 1.10: a) Đùn sử dụng ống tiêm; b) Đùn sử dụng vít đùn; c) Đùn sử dụng áp suất khí nén

- In 3D thực phẩm bằng nguyên lý phun vật liệu:

In 3D bằng nguyên lý phun vật liệu (Inkjet Printing) là một trong các phương pháp sản xuất vật phẩm 3D, trong đó vật liệu được phun từ đầu in thông qua các vòi phun để tạo bề mặt làm đầy hoặc trang trí trên bề mặt thực phẩm, chẳng hạn như bánh quy, bánh ngọt và bánh pizza, như minh họa trong hình 5. Quá trình này thường hoạt động bằng cách sử dụng nhiệt hoặc đầu áp điện. Trong máy in phun nhiệt, đầu in được làm nóng bằng điện để thiết lập các xung áp suất đẩy các giọt nước ra khỏi vòi phun. Có hai loại phương pháp in phun: in phun liên tục và in theo yêu cầu. Đối với máy in phun liên tục, một loại mực được đẩy ra liên tục qua một điện áp điện bằng cách rung với tần số không đổi. Để có được khả năng chảy mong muốn của mực, một số chất dẫn điện đã được thêm vào. Đối với máy in theo yêu cầu, van dùng để điều khiển để đẩy nguyên liệu ra khỏi đầu
dưới áp suất thiết kế.

Hình 1.11: In 3D bằng nguyên lý phun vật liệu (Inkjet Printing)

Máy in phun thường xử lý các vật liệu có độ nhớt thấp điển hình là các vật liệu: socola, bột nhào lỏng, đường, thịt nhuyễn, phô mai, mứt, gel, v.v. Hơn nữa nó còn được sử dụng trong lĩnh vực y tế như in mô mềm, các bộ phận cơ thể, sản xuất các sản phẩm dược phẩm như viên nang, viên uống hoặc các loại băng dính y tế, các mô hình kiến trúc nghệ thuật,…

Hình 1.12: Máy tạo thực phẩm bằng phương pháp phun vật liệu của Foodjet

- In 3D thực phẩm bằng nguyên lý phun chất kết dính:

Hình 1.13: Đùn bằng nguyên lý phun chất kết kính (Binder Jetting)

In 3D bằng nguyên lý phun chất kết dính (Binder jetting), là một công nghệ sản xuất phụ gia, xây dựng mô hình bằng cách sử dụng chất kết dính để liên kết các lớp bột. Trong quy trình này, các chất kết dính có đường kính nhỏ hơn 100μm được liên tục lắng đọng trên bề mặt lớp bột, bằng những đầu in nhỏ giọt theo hình dạng được thiết kế. Sau khi lắng đọng chất kết dính dạng lỏng, toàn bộ bề mặt của lớp bột được tiếp xúc với một lượng nhiệt cố định, thường sử dụng đèn nhiệt, để thiết lập độ bền cơ học thích hợp thông qua chất kết dính được xử lý một phần trong lớp được tạo ra để chịu được lực cắt và lực hấp dẫn lực nén liên quan đến việc trải rộng và in các lớp tiếp theo. Các bước này được lặp lại cho mỗi lớp cho đến khi toàn bộ tính năng được hoàn thành. Đối với quy trình phun chất kết dính, các đặc tính của vật liệu dạng bột và chất kết dính rất quan trọng đối với việc chế tạo thành công các bộ phận. Chất kết dính phải có độ nhớt thấp phù hợp, trong đó sức căng bề mặt và mật độ mực in là những đặc tính phù hợp để ngăn chặn sự lan rộng từ đầu phun.

Hình 1.14: a) Máy in thực phẩm bằng phương pháp Binder Jetting b) Sản phẩm in, của máy Chefjet

Bảng 1.1: Khả năng công nghệ in 3D của 3 phương pháp trên:

	Extrusion – based printing	Binder jetting	Inkjet printing
Nguyên vật liệu	Socola, bánh kẹo, đồ trang trí bằng đường, kẹo,…	Socola, Pizza (bột)	Socola, Bột lỏng, thịt nhàu, phô mai, mứt, gel,..
Độ nhớt[15]	103  105 cP	1  10 cP	5×102  5×105
Thông số in[15]	Đường kính đầu đùn: 0,5 – 1,5 mm	Hạt bột ≤ 100 μm	Đường kính đầu đùn ≤ 50 µm
Thuận lợi	-Chi phí máy thấp -Dễ dàng tùy chỉnh	-Tốc độ, năng suất sản xuất rất cao -Chế tạo được thực phẩm 3D phức tạp	-Độ chính xác cao -Nhiều vật liệu và nhiều màu sắc -Chế tạo nhanh
Bất lợi	-Độ chính xác thấp và thời gian tạo sản phẩm lâu -Không thể xây dựng các góc nhọn bên ngoài -Khó giữ cấu trúc 3D trong quá trình xử lý hậu kỳ	- Bề ngoài thô ráp hoặc sần sùi -Cần xử lý sau để loại bỏ độ ẩm hoặc cải thiện độ bền -Hạn chế tài liệu -Sản phẩm ít dinh dưỡng	-Xử lý hậu kỳ có thể làm hỏng các tính năng mỏng và nhỏ -Thiết kế món ăn đơn giản -Chỉ để trám bề mặt hoặc trang trí hình ảnh
Máy công nghệ	Choc Creator, Aiboully Chocolate, Createbot 3D Food	Chefjet, Fujifilm Dimatix	Foodjet, Filament sixhead 3D

1.2 Công nghệ in 3D thực phẩm sử dụng vật liệu socola:

1.2.1 Nhu cầu sử dụng socola hiện nay trên thế giới

Trong thời đại hiện nay, socola là một trong những thực phẩm được ưa chuộng nhất trên toàn thế giới. Sự phổ biến của socola được phản ánh qua nhu cầu sử dụng socola đang gia tăng trên toàn cầu. Một trong những yếu tố quan trọng nhất góp phần vào nhu cầu sử dụng socola là sự thay đổi về lối sống và thói quen ăn uống của con người. Trong thời đại ngày nay, con người có xu hướng đặt nặng vấn đề sức khỏe và tìm kiếm các loại thực phẩm có lợi cho sức khỏe. Socola được coi là một thực phẩm giàu chất chống oxy hóa và có thể giúp giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch, đáp ứng nhu cầu của những người ưa thích sự ngon miệng mà không cần lo ngại về sức khỏe.

Theo các chuyên gia, thị trường tiêu thụ socola hiện nay đang có sự dịch chuyển lớn từ khu vực các nước châu Âu, Hoa Kỳ sang các quốc gia châu Á. Trong đó, một số nước đang đạt mức tăng kỷ lục như Ấn Độ tăng 20%/năm, Trung Quốc tăng 30%/năm, Nhật Bản tăng 35%/năm…Lượng tiêu thụ socola bình quân đầu người tại châu Á hiện còn thấp trong khi xu thế tiêu dùng socola lại đi lên, vì vậy thị trường này sẽ còn tăng trưởng tốt trong dài hạn. Cùng với đó, thị trường socola trực tuyến cũng đang phát triển mạnh mẽ .Báo cáo của Euromonitor International, việc mua socola trực tuyến đã tăng trưởng với tốc độ trung bình 20% mỗi năm trong giai đoạn từ 2015 đến 2019. Các công ty sản xuất socola lớn như Nestle, Mars và Ferrero đã tập trung phát triển kênh bán hàng trực tuyến để tiếp cận với khách hàng trên toàn thế giới. ^[4] Châu Âu thống trị thị trường toàn cầu với thị phần hơn 47% vào năm 2021. Nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng đối với socola đen trong khu vực là động lực chính thúc đẩy tăng trưởng thị trường khu vực. Theo dữ liệu của ITC Trade Map 2020, Châu Âu đã nhập khẩu gần 1.521 nghìn tấn sản phẩm socola. Hơn nữa, Châu Âu cũng là khu vực sản xuất socola lớn nhất với mức tiêu thụ bình quân đầu người cao nhất ước tính là 5,0 kg theo CBI, Bộ Ngoại giao. Những yếu tố này được dự đoán sẽ thúc đẩy thị trường khu vực trong những năm tới.^[6]

Hình 1.15: Xu hướng thị trường socola theo khu vực

Quy mô thị trường socola toàn cầu ước tính đạt 113,16 tỷ USD vào năm 2021 và được dự đoán sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 3,7% từ năm 2022 đến năm 2030. Ý thức của người tiêu dùng về lợi ích sức khỏe của việc socola chất lượng cao vẫn còn động lực chính của thị trường. Một yếu tố khác thúc đẩy nhu cầu sản phẩm trong những năm tới là nhu cầu ngày càng tăng đối với socola thuần chay, hữu cơ, không chứa gluten và không đường. Đại dịch COVID-19 tác động vừa phải đến thị trường toàn cầu. Các chính phủ trên toàn cầu đã buộc phải áp đặt lệnh phong tỏa do sự lây lan nhanh chóng của dịch bệnh, buộc nhiều doanh nghiệp và cơ sở sản xuất phải tạm thời đóng cửa. Điều này ảnh hưởng đến chuỗi cung ứng và phân phối toàn cầu, từ đó tác động tiêu cực đến tăng trưởng của thị trường. Tuy nhiên, nhu cầu về socola tăng lên trong thời kỳ đại dịch khi mọi người dự trữ thực phẩm đóng gói và chế biến sẵn. Theo Báo cáo tình trạng xử lý năm 2021 của Hiệp hội các nhà sản xuất bánh kẹo quốc gia (NCA), socola đã tăng 4,2% trong
thời kỳ đại dịch năm 2020.^[6]

Hình 1.16:  Quy mô thị trường socola Mỹ, năm 2020 -2030

Hơn nữa, người tiêu dùng thích ăn những thứ này trong thời kỳ đại dịch để giảm căng thẳng và cải thiện tâm trạng của họ. Điều này đảm bảo nhu cầu ổn định về socola trong thời kỳ đại dịch. Đối với các sản phẩm socola cao cấp và đặc sản trong những năm gần đây, xu hướng ca cao một nguồn gốc vẫn đang thúc đẩy sự phát triển và đổi mới sản phẩm mới. Điều này dự kiến ​​sẽ đóng góp vào sự tăng trưởng chung của thị trường trong những năm tới. Theo các chuyên gia y tế, tiêu thụ socola vừa phải làm tăng serotonin, giúp làm dịu não và hoạt động như một loại thuốc chống trầm cảm. Nó cũng gây ra sự giải phóng endorphin trong cơ thể, giúp cải thiện tâm trạng nhanh chóng. Theo dữ liệu của Tạp chí Dân số Thế giới, gần 3,4% hay 251 - 310 triệu dân số toàn cầu bị trầm cảm. Do đó, tỷ lệ mắc các bệnh tâm thần như lo lắng và trầm cảm ngày càng tăng có thể thúc đẩy nhu cầu sản phẩm trong giai đoạn dự báo. Tiêu thụ socola cũng làm giảm việc giải phóng hormone gây căng thẳng có tên là cortisol. Thường xuyên đưa các yếu tố này vào chế độ ăn uống thông thường có thể giảm thiểu các vấn đề sức khỏe và giúp tránh sự phụ thuộc vào thuốc. Doanh số bán socola dự kiến ​​sẽ tăng trong những năm tới do khả năng thư giãn đầu óc và tạo cảm giác hạnh phúc. Nâng cao nhận thức về chăm sóc sức khỏe dự phòng được dự đoán sẽ tiếp tục thúc đẩy tăng trưởng thị trường trong khung thời gian dự kiến. Một yếu tố khác ảnh hưởng đến thị trường toàn cầu là nhận thức ngày càng tăng về lợi ích sức khỏe của việc tiêu thụ socola đen. Theo phòng khám Cleveland, socola đen được biết là giúp tăng cường lưu thông máu trong cơ thể, giảm huyết áp, cải thiện chức năng não và giảm nguy cơ mắc bệnh tim khi tiêu thụ ở mức độ vừa phải vì nó có các khoáng chất quan trọng như kẽm, magie, phốt pho, đồng, và sắt. Ngoài ra, một số yếu tố dự kiến ​​sẽ thúc đẩy tăng trưởng thị trường bao gồm việc nâng cấp các sản phẩm làm từ socola và sử dụng bao bì bắt mắt để thu hút sự chú ý của người tiêu dùng.^[6]

Một ví dụ khác để minh họa nhu cầu sử dụng socola là trong ngày Lễ Tình Nhân năm 2021 tại Mỹ, các cửa hàng bán lẻ lớn như Walmart, Target và Costco đã bán ra hơn 58 triệu cái socola. Trong đó, các loại socola truffles và socola dạng viên nén được ưa chuộng nhất. Số liệu này cho thấy rằng ngày lễ tình nhân vẫn là một trong những dịp lễ hội
quan trọng đối với việc tiêu thụ socola tại Mỹ.

Hình 1.17: Sản phẩm socola cho ngày Valentine của Walmart

1.2.2 Lợi ích của việc sử dụng nguyên liệu socola trong in 3D so với phương pháp tạo hình truyền thống:

Socola đã có từ khá lâu, trên thực tế, người ta cho rằng nó đã có từ năm 350 TCN dưới dạng đồ uống ca cao hoặc đồ uống socola. Và khi chúng tôi nghĩ rằng ngành công nghiệp socola đã đạt đến đỉnh cao, thì kỷ nguyên in 3D chắc chắn sẽ đưa socola lên một tầm cao mới. Sử dụng nguyên liệu socola trong in 3D mang lại nhiều lợi ích so với phương pháp tạo hình truyền thống:

+Thiết kế linh hoạt: In 3D cho phép thiết kế và in các chi tiết phức tạp hơn các quy trình sản xuất truyền thống. Người sử dụng có thể tùy chỉnh và thiết kế sản phẩm một cách dễ dàng. Điều này cho phép tạo ra các sản phẩm có tính cá nhân hóa cao hơn. Nó cũng cho phép khách hàng in thực phẩm có hàm lượng dinh dưỡng phù hợp với người lớn, trẻ con, người mắc bệnh, dị ứng thành phần,... Do đó, việc cá nhân hóa thực phẩm dựa trên dinh dưỡng đã dẫn đến tăng trưởng thị trường, vì nó hỗ trợ người tiêu dùng sản xuất thực phẩm dựa trên dinh dưỡng đáp ứng nhu cầu của họ.

+ Kiểm soát thành phần chính xác: Máy in thực phẩm 3D sử dụng động cơ bước được điều khiển chính xác để phân phối thành phần. Điều này có nghĩa là độ chính xác nhất quán của thành phần được duy trì đồng thời trong sản phẩm.

Tuy nhiên, việc sử dụng socola trong in 3D còn đang gặp phải nhiều thách thức. In nhựa dễ hơn in socola. Socola có đặc tính nóng chảy và làm mát rất khác so với nhựa, do đó socola tan chảy không thể cứng lại nhanh như vậy. Điều này có thể dẫn đến socola in 3D bị mất hình dạng do nhiệt độ và trọng lực. Loại socola cũng rất quan trọng. Cho dù đó là socola sữa, đen hay trắng, chúng đều có độ nhớt khác nhau, vì vậy nên sử dụng loại socola chất lượng cao và ủ bằng máy như socola đen của Bỉ. Nếu không thì người ta phải ủ socola trên thiết bị. Trong một số trường hợp, người ta đã thêm một lượng đáng kể pectin để cố gắng in 3D dễ dàng hơn. Vì socola không thể cuộn thành sợi cứng vì kết cấu quá mềm nên socola tan chảy được đựng trong hộp mực và ép đùn bằng ống tiêm.^[7] Những khó khăn khác liên quan đến việc chế tạo thực phẩm truyền thống bằng in 3D là các đặc điểm chẳng hạn như cảm giác vừa miệng và hương vị, có thể không đáp ứng được kỳ vọng của người tiêu dùng.

 

1.3 Tổng quan về thành tựu, tình hình nghiên cứu về in 3D socola

1.3.1 Những nghiên cứu, thành tựu về in 3D socola trên thế giới

a) Loz Blain, 2022, Physicists deploy 3D printing in pursuit of world's crackliest chocolate

Mục đích của bài viết: Các nhà khoa học Hà Lan đã cố gắng thiết kế cấu trúc socola hoàn hảo để có độ giòn dễ chịu, vỡ tan theo cách thú vị khi cắn, bằng cách sử dụng các kỹ thuật in 3D mới lạ để tạo hình cho loại vật liệu khó tạo hình này với mong muốn cải thiện trải nghiệm ăn của người dùng thông qua sự thay đổi cấu trúc và kết cấu của sản phẩm.

Hình 1.18: Kết quả thí nghiệm mức độ dễ ăn và độ giòn theo kích thước socola của đại học Amsterdam

Kết quả đạt được: Bài viết cho thấy rằng các hình dạng xoắn ốc mang lại nhiều cơ hội để thiết kế và điều chỉnh các độ dễ ăn và độ giòn của socola và điều này còn tùy thuộc vào hướng vết cắn đến từ đâu.

 

b) Rahul Karyappa & Michinao Hashimoto, 2019, Chocolate-based Ink Three-dimensional Printing

Mục đích bài viết: Bài viết cung cấp thông tin về kỹ thuật in 3D bằng nguyên liệu socola, quy trình chuẩn bị socola và các tham số quan trọng để đạt được chất lượng in tốt nhất. Điều này đóng góp quan trọng cho sự phát triển của công nghệ in 3D socola và có thể hỗ trợ cho các nhà sản xuất trong việc sản xuất các sản phẩm socola độc đáo và đa dạng hơn đồng thời tạo ra các sản phẩm socola có giá trị cao hơn về mặt thẩm mỹ và hương vị.

Kết quả đạt được: Tác giả đã phát triển một công thức vật liệu socola độc đáo và cải tiến kỹ thuật in 3D để sản xuất ra các sản phẩm socola đa dạng hơn. Khảo sát các thông số kĩ thuật như nhiệt độ, độ nhớt, ứng suất chảy, ảnh hưởng của đường kính đầu in… để các vật liệu socola có thể in 3D hiệu quả.  

Hình 1.19: Ảnh hưởng của nồng độ ca cao trong vật liệu làm từ socola đến các lớp in. làm nổi bật sự lan rộng của vật liệu.( a ) Kết hợp với si rô (S0 đến S25) và ( b ) Kết hợp bột nhão (P0 đến P12) được hiển thị ở hai mốc thời gian: 0 phút (ngay sau khi in) và 30 phút sau khi in

c) Một số thành tựu về in 3D chocolate trên thế giới:

Một số công ty và tổ chức đã phát triển các công cụ thương mại như sau:

1. Công ty Choc Edge hiện đang sản xuất và tiếp thị máy in socola 3D Choc Creator V2.0 Plus. Máy in sử dụng sản xuất lớp phụ gia socola để thiết kế và tạo ra các thiết kế socola sáng tạo.

Hình 1.20: Máy in 3D Choc Creator V2.0 Plus và sản phẩm của nó

2. Công ty Print2Taste đã tạo và thương mại hóa Bocusini Pro 2.0 - hệ thống in thực phẩm 3D Plug & Play phổ biến đầu tiên trên thế giới đi kèm với bộ nạp choco và bánh hạnh nhân.

Hình 1.21: Máy in 3D Bocuisin Pro 2.0

3. Công ty 3D Systems đã phát triển máy in 3D ChefJet Pro, dựa trên sự đông đặc của các loại bột ăn được như đường. Máy in 3D tạo ra các tác phẩm ba chiều từ đường với nhiều màu sắc và hương vị, bao gồm socola, vani, bạc hà, táo chua, anh đào và dưa hấu. Gần đây, công ty đã mở Phòng thí nghiệm ẩm thực 3DS ở Los Angeles để khám phá tiềm năng của việc in thực phẩm và giới thiệu một số món ăn kết hợp do các đầu bếp hàng đầu thực hiện.

Hình 1.22: Máy in 3D đa vật liệu Chejet Pro

4. Công ty Natural Machines đã cho ra mắt Foodini vào năm 2014. Foodini hiện đang được sản xuất và có sẵn cho một số khách hàng đặt trước. Foodini là một máy in thực phẩm 3D trong nước có thể được sử dụng với tất cả các loại nguyên liệu, cả ngọt và mặn. Máy in 3D sử dụng mô hình viên nang mở, nơi người tiêu dùng chuẩn bị và đặt nguyên liệu tươi vào Foodini.

Hình 1.23: Máy in 3D Foodini đa vật liệu Chejet Pro

1.3.2 Những nghiên cứu, thành tựu về in 3D socola trong nước

a) Trường đại học Công nghiệp thực phẩm Tp.HCM, 2021, Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy in 3D Chocolate^[11]

Kết quả bài viết: Nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo, vận hành và thử nghiệm máy in 3D socola. Nguyên liệu cũng là một nhân tố quan trọng góp phần vào sự thành công cho máy in 3D thực phẩm. Qua nghiên cứu và thực nghiệm nhiệt độ tốt nhất để in 3D socola (được đo tại đầu in) là 32-36 °C. Tốc độ in cũng ảnh hưởng lớn đế chất lượng của sản phẩm. Tốc độ phù hợp trong khoảng 5 m/phút.

Hình 1.24: Sản phẩm và máy in 3D socola được chế tạo thực tế trong nước

b) Thành tựu về in 3D trong nước

Công nghệ in 3D thực phẩm ở Việt Nam hiện nay vẫn còn gặp nhiều hạn chế và vẫn chưa phát triển dù cho công nghệ in 3D đã ngày một tiếp cận đến đời sống của người dân Việt Nam. Công ty 3Dmaker đã tiên phong và đưa ra mô hình máy in 3D socola vào năm 2015 nhưng tới nay vẫn chưa chính thức có mặt trên thị trường.

Hình 1.25: Máy in 3D socola của công ty 3Dmaker

1.3.3 Một số thiết bị in 3D socola phổ biến và thông số kỹ thuật

a) Procusini 5.0 Dual của Print2Taste , Đức

Procusini là một trong những máy in 3D socola tốt nhất trên thị trường. Giá của nó cao hơn hầu hết các đối thủ cạnh tranh, nhưng đó không phải là vấn đề. Giá cao hơn cũng được đảm bảo với một danh sách các tính năng giúp nó khác biệt với các máy in có mức giá thấp hơn. Máy có giá ~ $3,800.

Đầu in của máy với ống tiêm được đặt trong một ống kim loại được nung nóng và dễ dàng đổ đầy lại bằng tay với các hộp nguyên liệu độc lập (Hình 1.26), chứa tới 85 gam nguyên liệu dạng bột thực phẩm. Nguyên liệu do Procusini cung cấp bao gồm socola, bánh hạnh nhân và kẹo mềm.

Bàn in được giữ cố định bằng nam châm và có tính năng tự cân bằng, do đó cho phép người dùng có thể thay thế chúng một cách nhanh chóng, để có thể tiếp tục in lô tiếp theo trong khi đóng gói hoặc xử lý thành phẩm.

Các thiết kế trên các phần mềm 3D được kết nối với Procusini từ một máy tính hoặc thiết bị thông minh gần đó thông qua mạng WLAN.

Hình 1.26: Máy in  Procusini 5.0 Dual với hệ thống ép đùn kép

b) Choc Creator V2.0 Plus của Choc Edge Ltd, của UK

Hình 1.27:Choc Creator V2.0 Plus

Choc Creator V2.0 Plus chứa một ống tiêm 30ml, vòi đùn đường kính 0.8mm, nguyên liệu thực phẩm được khuyến khích sử dụng là socola lỏng nóng chảy.

Bảng 1.2:  Thông số máy in Choc Creator V2.0 Plus

Kích thước máy	445 x 450 x 300 (mm)
Khối lượng	19 kg
Kích thước đầu đùn	0,4 và 0,8 mm
Nguyên liệu in	Socola
Độ dày lớp – độ chính xác in	0,4 – 0,8 (mm)
Tập in hỗ trợ	STL / OBJ
Cổng kết nối	USB, Wifi
Giá bán	$1,765 USD

c) Máy in bánh kếp nghệ thuật thương mại Model F5  của ZBOT, Trung Quốc

Bảng 1.3: Thông số máy Zbot Model F5:

Kích thước sản phẩm (max)	180 x 180 x 15 (mm)
Kích thước máy	390 x 355 x 545 (mm)
Nguyên liệu	Bột mì, socola
Tốc độ in	150 – 300 (mm/s)
Chiều dày mỗi lớp tối thiểu	0,4 (mm)
Dung tích bình chứa	1200 (ml)
Nguồn, công suất	VAC 50/60Hz 110V - 220V, 120 W
Cổng kết nối	USB, SD Card
Độ ồn	50-60 DB
Nhiệt độ đầu đùn	15 - 32℃（60-90°F）
Giá	$1,140 USD

1.4 Tính cấp thiết của đề tài

Việc thiết kế cụm đầu đùn nói riêng và thiết kế máy in 3D socola nói chung là một đề tài đầy tiềm năng và cấp thiết trong lĩnh vực sản xuất và kinh doanh socola. Hiện nay, việc sản xuất socola vẫn còn phụ thuộc nhiều vào các phương pháp thủ công, làm tăng chi phí sản xuất và khó đảm bảo tính đồng nhất của sản phẩm. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ in 3D sẽ giúp cho sản xuất socola trở nên dễ dàng hơn, nhanh chóng hơn và tiết kiệm hơn chi phí lao động.

Điều này càng trở nên cấp thiết khi socola ngày càng trở thành sản phẩm được ưa chuộng trên thế giới, đặc biệt trong dịp lễ tết và các sự kiện đặc biệt. Việc thiết kế máy in 3D socola không chỉ giúp sản xuất socola trở nên dễ dàng hơn, mà còn giúp cho các doanh nghiệp socola tạo ra các sản phẩm độc đáo, tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Bên cạnh đó, việc áp dụng công nghệ in 3D vào sản xuất socola cũng đồng nghĩa với việc giảm thiểu lượng chất thải, vì quá trình sản xuất sẽ trở nên chính xác hơn, giảm thiểu lượng socola bị phải vứt bỏ vì sản phẩm không đạt yêu cầu.

Các thiết bị in 3D thực phẩm, socola của các hãng sản xuất nổi tiếng đang dần được tối ưu hóa cho người sử dụng hơn. Thiết bị được đang bị nhiều tính năng an toàn hơn, người sử dụng mất ít thao tác với máy hơn. Điều này đã giúp các các thiết bị tiếp cận với nhiều
đối tượng người dùng hơn như người già, trẻ em, người khuyết tật. Mỗi thiết bị của từng hãng luôn có những thế mạnh riêng được sử dụng chuyên biệt cho các yêu cầu về sản phẩm từ in 3D khác nhau. Một số hãng sản xuất nổi tiếng có thể kể đến như: Foodbot, Wiibox Sweetin, Byflow, Mycusini,...

Ngoài ra, đề tài này còn mang tính đột phá và đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm và công nghệ in 3D trong nước, tạo ra cơ hội cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp có thể khai thác thêm tiềm năng của thị trường socola và sản phẩm in 3D. Vì vậy, việc nghiên cứu và thiết kế cụm đầu đùn cho máy in 3D socola là một đề tài đầy tiềm năng và cấp thiết ở Việt Nam hiện nay.

1.5 Mục tiêu đề tài

Máy in 3D thực phẩm hoặc cụ thể hơn là socola đã có mặt ở nhiều nước trên thế giới kể cả ở Việt Nam. Nhưng các nghiên cứu cũng như thành tựu ở trong nước nhìn chung vẫn chỉ đạt được những kết quả ban đầu và dừng ở mức độ thử nghiệm. Việc chế tạo cụm đầu đùn trong nước đã thành công giải quyết vấn đề như ủ nhiệt, làm lạnh và đã có thể tạo hình 3D cho socola. Nhưng hiệu suất in vẫn còn thấp, và kết cấu cơ khí lớn. Ngoài ra, các công ty chế tạo máy in 3D vật liệu socola ở Việt Nam vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về vệ sinh thực phẩm và vẫn chưa thể thương mại hóa trên thị trường. Đem lĩnh vực tạo hình 3D socola trở nên được ứng dụng rộng rãi và trở thành một nghành công nghiệp của đất nước là mục tiêu của người viết.

Dựa vào những phân tích trên đề tài tập trung vào mục tiêu: “Thiết kế, tối ưu kích thước cụm đầu đùn vật liệu socola có khả năng cấp liệu liên tục”. Đề tài giải quyết vấn đề khả năng cấp liệu liên tục của socola trong quá trình in và phương án thiết kế để tối ưu kích thước cụm đùn và có thể tương thích với nhiều cấu hình máy in 3D khác nhau.

Mô tả quy trình công việc cần thực hiện để giải quyết mục tiêu trên như sau:

- Khảo sát các phương án thiết kế cụm đầu đùn cho in 3D socola

- Khảo sát, thiết kế khả năng cấp liệu liên tục cho cụm đầu đùn máy in 3D socola

- Khảo sát, thiết kế tối ưu hóa kích thước cụm đầu đùn để tương thích với nhiều cấu hình máy in 3D.

- Thiết kế, chế tạo cụm đầu đùn vật liệu socola

- Thiết kế, chế tạo hệ thống ủ nhiệt và làm mát cho máy in 3D socola

- Hoàn thiện máy in 3D socola có khả năng tạo hình sản phẩm socola đa dạng về hình dáng, kích thước và màu sắc.

- Thực nghiệm, phân tích, đánh giá và hướng đề xuất

Mô hình cụm đầu đùn của đề tài có những đặc điểm thiết kế như sau:

  - Khả năng cấp liệu liên tục trong quá trình in: Một bể chứa vật liệu trong cụm đầu đùn được thiết kế với khả năng có thể thêm vật liệu socola rắn trong quá trình in. Cho phép quá trình tạo mẫu của người dùng không bị hạn chế kích thước và có thể in nhiều sản phẩm trong một lần thao tác sử dụng máy. Điều này đơn giản hóa thao tác trên máy và tăng năng suất in.

Hình 1.28: Cấp liệu liên tục trong quá trình in

  - Bộ phận gia nhiệt của cụm đầu đùn vật liệu socola được che kín: Vật liệu socola có đặc tính vật liệu phức tạp, vật liệu thường được nén và đùn ngay trong buồng cấp liệu. Vấn đề ủ nhiệt là vấn đề thiết yếu trong quá trình in 3D socola. Với việc gia nhiệt, nguyên liệu socola đầu vào có thể rắn hoặc sệt.

Hình 1.29: Bộ phận gia nhiệt đang che kín trong cụm đầu đùn – Heating jacket: Tấm phiên gia nhiệt

          - Tối ưu kích thước của cụm đầu đùn: Khi thiết kế cụm đầu đùn, kích thước của nó đóng vai trò rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến khả năng tạo hình 3D và độ bền của máy. Thiết kế tối ưu giúp thuận lợi cho việc di chuyển, lắp ráp, hoặc chuyển đổi cụm đầu đùn sang máy in 3D khác.

Hình 1.30: Các cụm đầu đùn có kích thước nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo khả năng in của ByFlow và ChocoL3d

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG IN 3D THỰC PHẨM

2.1 Tổng quan về các loại vật liệu được dùng trong in 3D hiện nay

Vật liệu in cho các ứng dụng thực phẩm đã được phân loại thành ba nhóm. Đầu tiên là các vật liệu có thể in được, bao gồm tất cả các vật liệu có thể được ép đùn trơn tru từ một ống tiêm, các vật liệu như pho mát, kem phủ bánh, socola. Một số vật liệu nguyên bản có thể in được đủ ổn định để giữ nguyên hình dạng của chúng sau khi lắng đọng và không yêu cầu xử lý hậu kỳ thêm. Các công thức hỗn hợp khác, chẳng hạn như bột nhão, có thể yêu cầu quy trình nấu sau khi in sản phẩm.

Nhóm thứ hai là nguyên liệu thực phẩm truyền thống bao gồm trái cây và rau, gạo và thịt, đây là những nguyên liệu không thể in được về bản chất nhưng có thể in được bằng cách thêm hydrocolloid (chất keo thực phẩm) để tạo ra vật liệu có độ bền cấu trúc mong muốn. Ví dụ, bột rau câu đã được sử dụng để tạo ra các loại thạch in. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cornell phối hợp với Viện ẩm thực Pháp của New York và Dave Arnold đã in thành công món nhuyễn gà tây và sò điệp bằng cách sử dụng transglutaminase, một loại enzyme xúc tác cho sự hình thành liên kết cộng hóa trị giữa lysine và glutamine trong phản ứng phụ thuộc canxi. Các protein trong thịt nhuyễn và sò điệp được liên kết ngang bằng enzym, dẫn đến hydrogel tự hỗ trợ có thể được nấu hoặc chiên sau khi in.^[9]

Nhóm thứ ba là các thành phần thay thế, chẳng hạn như côn trùng. Đại học London South Bank đang thực hiện một dự án có tên là 'Côn trùng Au Gratin' nhằm kiểm tra các khía cạnh dinh dưỡng và môi trường của côn trùng để sử dụng làm thực phẩm cho con người. In thực phẩm 3D có thể được sử dụng để trộn côn trùng với các sản phẩm thực phẩm khác nhằm khuyến khích chúng chấp nhận làm nguồn thực phẩm. Trong dự án này, côn trùng ăn được được sấy khô và nghiền thành bột. Sau đó, bột côn trùng được trộn với đá lạnh, bơ, pho mát kem hoặc nước, chất tạo gel và hương liệu để tạo thành độ đặc phù hợp để có thể in bằng đầu phun của máy in 3D. ^[9]

Hình 2.0: Dự án “Côn trùng Au Gratin” kết hợp công nghệ in 3D và sản phẩm bột protein côn trùng

2.2 Nguyên liệu socola dùng trong in 3D

Socola là một trong những loại thực phẩm cung cấp năng lượng dồi dào nhất. Nếu như 100g bánh mì thì cung cấp 226 kcal thì với socola, con số này sẽ nhân lên gấp đôi, là 540 kcal. Chính vì lẽ đó, socola được coi như là được coi như là nguyên liệu thiết yếu khi đem đến nguồn năng lượng tích cực cho con người.

Socola có những tác động tích cực và tiêu cực đến sức khỏe. Socola trắng khi ăn thường cho cảm giác sảng khoái, socola đen có thể có tác động tích cực đến hệ tuần hoàn. Các tác động có thể có khác đang trong giai đoạn nghiên cứu cơ bản như chống ung thư, kích thích não, trị bệnh ho và chống tiêu chảy.

Socola hấp thụ chì từ môi trường trong quá trình sản xuất và có ảnh hưởng nhỏ đến ngộ độc chì trong một số loại sản phẩm của nó. Hàm lượng chì trung bình trong bánh cacao là rất thấp (≤ 0.5 ng/g), là một trong những chỉ số thấp nhất của thực phẩm từ thiên nhiên được báo cáo.

2.2.1 Nguồn gốc của socola ^[10]

Thành phần chính của socola chính là cacao. Các giống cacao có nguồn gốc từ châu Mỹ nhiệt đới, cây cacao đã được trồng cách đây 3000 năm. Christopher Columbus trong chuyến thám hiểm Châu Mĩ năm 1492 đã phát hiện ra cây cacao và thấy thổ dân da đỏ dùng hạt cacao để ăn cũng như làm phương tiện thanh toán. Sau đó, trong thời gian xâm lược Mexico vào năm 1518, các thành viên trong đoàn thám hiểm của hầu tước Cortez, một trong những người mở đường cho công cuộc thuộc địa hóa châu Mỹ của Tây Ban Nha, đã chứng kiến hoàng đế Montezuma uống hết cốc này đến cốc khác thức uống có vị đắng làm từ hạt cacao xay và nước. Hoàng đế tuyên bố socola là một loại thuốc kích thích ham muốn thể xác. Những người chinh phục châu Mĩ đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng hạt ca cao được đánh giá cao gần như vàng. Sự thật là chúng đóng vai trò như tiền tệ và được trao cho hoàng đế như một khoản cống nạp tại thời điểm đó.

Người Tây Ban Nha đã đem hạt cacao về nước và đến thế kỉ 17 thì việc sử dụng và chế biến các sản phẩm cacao đã phổ biến tại các nước Châu Âu. Socola trở thành thực phẩm ưu chuộng và sản lượng tiêu thụ không ngừng tăng lên. Ngày nay, cây cacao được trồng trên toàn cầu, nhưng chỉ ở những nơi có lượng mưa và độ ẩm cần thiết. Trung và Nam Mỹ, Châu Phi và Indonesia thống trị sản lượng trên toàn thế giới. Năm 1737, Linnaeus, nhà thực vật học nổi tiếng người Thụy Điển, đã xếp loài này là Theobroma cacao, nghĩa đen là “thức ăn của các vị thần”, đề cập đến một truyền thuyết về dân tộc Aztec cổ đại ( Aztec là cư dân ở miền trung Mexico trong thời kỳ cổ đại từ năm 1300 đến năm 1521)

Hình 2.1: Tượng người Aztec đang cầm quả cacao

Hiện có 3 giống cacao được công nhận: đó là giống criollo, đây là giống hiếm và khó trồng nhất, còn giống forastero thì được trồng nhiều nhất, riêng giống trinitario là loại lai của hai giống đầu tiên. Criollo chỉ chiếm 5% sản lượng trên thế giới, mang hương thơm quyến rũ, ngọt ngào. Forastero có mùi khói, vị đắng và chua nhẹ, chiếm 80% sản lượng cacao. Trinitario thì vừa mang vị tinh tế của Criollo, lại có được những phẩm chất của Forastero.

Hình 2.3: Các loại giống cacao hiện nay

Hầu hết socola là sự pha trộn của ba loại trên và mỗi loại đóng góp hương vị riêng. Giống như nhiều loại rượu vang khác, hương vị của socola là kết quả của quá trình pha trộn khéo léo để đạt được hương vị phức tạp nhưng cân bằng. Ví dụ, forastero thiếu hương vị tinh tế của criollo, nhưng nó mang lại cảm giác hấp dẫn cho socola. Cũng như rượu vang hoặc cà phê, đất trồng cây mang lại hương vị đặc trưng của riêng nó. Vị ngọt, độ chua và vị khói (smokiness) đều là những đặc điểm liên quan đến địa lý.

2.2.2 Quy trình sản xuất socola và các sản phẩm được sản xuất từ cacao^[10]

Qui trình sản xuất socola gồm 4 công đoạn chính, bao gồm :

1. Thu hoạch quả cacao => tách hạt ( harvesting)

2. Lên men hạt cacao => phơi khô => phân loại => đóng gói => xuất xưởng (fermentation)

3. Làm sạch hạt => Rang hạt => Tách vỏ => Nghiền hạt ( Cleaning, roasting, và grinding)

4. Phối trộn & Khuấy đảo => Rót khuôn, đóng gói và lưu trữ (Conching, Molding và Storage)

Trong đó 2 giai đoạn đầu tiên từ trồng trọt đến xuất hạt cacao thô thường tập trung chủ yếu ở Trung, Nam Mĩ, Indonexia, Trung và Tây Phi. Hiện nay Châu Phi sản xuất hơn 1 nửa sản lượng hạt cacao thô của thế giới, đặc biệt là Bờ Biển Ngà, Camerun, Nigeria, Ghana. Những công đoạn này không cần máy móc hay các yêu cầu về kĩ thuật mà chỉ cần về khí hậu, thổ nhưỡng và sức người là chính.

Hình 2.4: Quy trình sản xuất socola cơ bản

Đặc biệt ở giai đoạn điều hòa nhiệt (tempering) sau giai đoạn khuấy trộn (conching). Quá trình này sẽ được thực hiện trên bàn đá, trong âu đựng socola hoặc sử dụng máy chuyên dụng. Khi socola được tan chảy rồi làm mát, bơ cacao sẽ kết tinh ở nhiều dạng khác nhau (bơ cacao là chất béo có thể kết tinh ở 6 dạng thường được ký hiệu là α, β' và β). Mỗi dạng tinh thể này có nhiệt độ tan chảy khác nhau. Mục đích của giai đoạn này là để cho bơ cacao kết tinh thể dạng V bởi nó sẽ làm cấu trúc socola ổn định ở nhiệt độ 32^oC – 34^oC ( nhiệt độ phòng) và tan chảy ở nhiệt độ gần với nhiệt độ 37^oC (nhiệt độ cơ thể). Khi có càng nhiều tinh thể dạng V được hình thành sau giai đoạn tempering, socola sẽ dễ dàng róc khuôn, có bề mặt sáng bóng và khi bẻ sẽ vỡ theo từng mảng cùng tiếng kêu giòn, tan nơi đầu lưỡi và giữ hình dạng ở nhiệt độ thường.

 

Bảng 2.1: Các dạng tinh thể và đặc điểm kĩ thuật

Crysal (tinh thể)	Nhiệt độ tan chảy	Cảm quan
I	17oC (63 oF)	Mềm, dễ vỡ vụn, tan chảy quá dễ dàng
II	21oC (70oF)	Mèm, dễ vỡ vụn, tan chảy quá dễ dàng
III	26oC (79oF)	Cứng, bẻ gãy kém, tan chảy quá dễ dàng
IV	28oC (82oF)	Cứng, bẻ gãy ổn, tan chảy quá dễ dàng
V	34oC (93oF)	Sáng bóng, cứng, bẻ gãy tốt, tan chảy gần với nhiệt độ cơ thể (37oC)
VI	36oC (97oF)	Quá cứng

Các sản phẩm chính được sản xuất từ ​​hạt cacao:

1. Bơ cacao (chất béo) là sản phẩm chứa hàm lượng chất béo cao thu được sau quá trình lên men. Nó là nguyên nhân chính gây ra chất béo nở trong socola. Bơ cacao chiếm khoảng 50-57% hạt cacao và mang lại cho socola đặc tính tan chảy đặc trưng.

2. Bột cacao hoặc chất rắn cacao khô thu được sau quá trình khử chất béo của dịch socola bằng máy ép cơ học hoặc thủy lực. Nó có thể được sử dụng trong hầu hết mọi sản phẩm thực phẩm như một thành phần hoặc như một chất trang trí. Ví dụ, bột cacao được sử dụng trong bánh ngọt, mousse và kem, bánh quy và nhiều loại bánh kẹo. Nó cũng tạo thành hương vị cơ bản của socola.

3. Rượu socola thu được từ hạt cacao đã được lên men, sấy khô, rang và tách khỏi vỏ của chúng. Sau đó, hạt ca cao được nghiền thành khối cacao, sau đó nấu chảy thành dịch cacao.

4. Socola được sản xuất bằng cách pha trộn, cô đặc và ủ các sản phẩm cacao nói trên. Có nhiều loại socola khác nhau được sản xuất trên thị trường như socola trắng, socola đen, socola sữa, socola hồng ngọc và nhiều loại khác ở các nơi khác nhau trên thế giới. Thành phần dinh dưỡng của socola thay đổi tùy theo loại socola được sản xuất.

Sản phẩm	Tổng số protein tính bằng %	Tổng chất béo tính bằng %	Tổng số carbohydrate tính bằng %
Bơ ca cao	0	57 - 64	0
Bột ca cao	40	8 - 26	19
Rượu socola	11	53	17

Bảng 2.2: Thành phần dinh dưỡng của các sản phẩm từ cacao

2.2.3 Các loại socola phổ biến hiện nay

Bốn loại thanh socola phổ biến nhất là: socola đen, socola sữa, socola trắng và socola bán ngọt và gần đây là socola hồng ngọc. Điều quan trọng nữa là phải phân biệt giữa thanh socola và kẹo socola, kẹo socola thường ngọt hơn nhiều.

Một trong những loại thanh socola phổ biến nhất là socola đen . Còn được gọi là socola đắng, loại socola này được làm từ hạt cacao đã được rang cho đến khi chúng tiết ra dầu tự nhiên và sau đó nghiền thành hỗn hợp lỏng gọi là “rượu socola”. Hỗn hợp này sau đó được đổ vào khuôn và để cứng lại. Socola đen thường chứa 60% - 70% cacao rắn, làm cho nó trở thành lựa chọn tốt cho sức khỏe hơn so với socola sữa hoặc trắng.

Socola sữa có vị ngọt từ đường và sữa bột. Dịch socola được trộn với sữa nguyên chất, kem và/hoặc sữa đặc trước khi đổ vào khuôn để làm cứng. Loại thanh socola này thường có từ 25% - 35% ca cao rắn, làm cho nó ngọt hơn socola đen hoặc trắng.

Socola trắng thực sự không chứa bất kỳ loại rượu socola nào. Nó chứa bơ cacao, chất rắn sữa và đường, đôi khi vani được thêm vào để tạo hương vị. Thanh socola trắng thường chứa 20% - 30% cacao rắn và ngọt hơn sữa hoặc thanh socola đen.

Hình 2.5: Từ trái sang: Socola trắng, sữa, đen, nguyên chất

Hàm lượng cacao càng nhiều thì chất lượng socola càng cao. Do đó, socola đắng, với hàm lượng ca cao là 60%, là loại socola cao cấp nhất. Thành phần của từng loại socola được trình bày ở bảng dưới đây.

Bảng 2.3: Thành phần trong các loại socola

Loại socola	Hàm lượng các thành phần (%)
	Cacao	Sữa đặc	Chất béo sữa	Chất béo tự nhiên	Đường
Socola sữa nguyên kem	30	18	4,5	2,5	< 47,5
Socola sữa ngọt	25	14		2,5	< 60
Socola đen	35			14
Socola trắng	20	14	3,5		< 55
Socola đắng	60			20

 

Mới đây, các nhà khoa học người Thụy Sỹ đã công bố với cả thế giới một loại socola hoàn toàn mới: Socola Hồng ngọc (Ruby Chocolate). Và đúng như cái tên, loại socola này có màu hồng. Socola ruby ​​là một loại socola được giới thiệu vào năm 2017 bởi Barry Callebaut ở Bỉ - Thụy Sĩ, một công ty chế biến cacao lớn nhất thế giới. Loại socola mới này là sản phẩm sau 12 năm nghiên cứu của công ty. Nó được làm từ hạt cacao ruby đặc biệt chỉ được trồng tại Bờ Biển Ngà, Ecuador và Brazil.Được phát triển từ năm 2004, nó đã được cấp bằng sáng chế vào năm 2015 bởi nhà phát minh Dumarche.

Hình 2.6: Cacao ruby đặc biệt chỉ được trồng tại Bờ Biển Ngà, Ecuador và Brazil

2.2.4 Tính lưu biến của vật liệu socola^[11]

Tính lưu biến (nghiên cứu về dòng chảy của chất lỏng) đóng một vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất các sản phẩm socola. Sự sắp xếp phức tạp của chất béo và các tương tác trong cấu trúc vi mô làm phát sinh các đặc tính lưu biến phức tạp. Khi áp dụng tốc độ cắt cho socola, ban đầu nó sẽ có vẻ rất nhớt. Tuy nhiên, nó sẽ có vẻ ít nhớt hơn khi tốc độ cắt cao hơn. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính lưu biến của socola, bao gồm kích thước hạt, hàm lượng chất béo, chất nhũ hóa và độ ẩm.

Kích thước hạt đóng một vai trò quan trọng trong độ nhớt của socola do tính chất bán rắn của socola và sự tương tác giữa chất béo lỏng tự do, hạt rắn và mật độ đóng gói. Cần phải giảm kích thước hạt trong quá trình xay xát xuống dưới 30 µm vì bất kỳ hạt nào lớn hơn sẽ có vị 'bẩn' đối với người tiêu dùng. Trong quá trình ủ, toàn bộ diện tích bề mặt sẽ cần được phủ một lớp mỡ lỏng để cho phép các hạt chảy qua nhau. Theo nguyên tắc chung, các hạt socola càng nhỏ và diện tích bề mặt càng lớn thì càng cần nhiều lực để các hạt socola cắt và chảy qua nhau. Do đó, độ nhớt của socola bị ảnh hưởng phần lớn bởi kích thước của các hạt.

Vai trò của bơ cacao hoặc hàm lượng chất béo trong socola là điền đầy khoảng trống, bao phủ tất cả các hạt rắn, đường và cacao để chúng có thể di chuyển qua nhau. Bơ cacao (chất béo) cũng ảnh hưởng đến độ kết tinh và điểm nóng chảy của socola. Độ nhớt của socola có thể được thay đổi bằng cách tăng hoặc giảm lượng bơ cacao. Tuy nhiên, bơ cacao rất đắt và có lẽ nên sử dụng các hoạt chất bề mặt hoặc chất nhũ hóa để đạt được hiệu quả tương tự.

Hình 2.7: Bơ cacao

Chất nhũ hóa, hoặc chất hoạt động bề mặt, có vai trò tương tự như bơ cacao trong việc liên kết với các hạt rắn và làm giảm độ nhớt của socola. Lectin là chất nhũ hóa phổ biến nhất được sử dụng trong socola, chất này liên kết với các hạt rắn hiệu quả hơn nhiều so với bơ cacao và do đó có thể sử dụng một lượng nhỏ hơn nhiều. Một chất nhũ hóa khác được sử dụng là Polyglycerol Polyricinoleate (PGPR), có tác dụng làm giảm điểm nóng chảy và có tác dụng biến socola thành chất lỏng phi Newton.

Độ ẩm là yếu tố ảnh hướng đến tính lưu biến của socola. Điều bắt buộc là phải loại bỏ càng nhiều độ ẩm càng tốt khỏi socola vì nó làm tăng đáng kể độ nhớt. Độ ẩm của các thành phần giảm càng nhiều càng tốt trong quá trình chế biến và giai đoạn đầu tiên của quá trình làm nguội sẽ loại bỏ nhiều hơn, tuy nhiên khoảng 1% được liên kết trong các tế bào lactose (đường tự nhiên trong sữa) và cacao. Người ta cho rằng nước làm cho các hạt đường kết tụ lại với nhau. Theo nghiên cứu 0,3% độ ẩm cần 1% bơ ca cao để khôi phục độ nhớt, do đó loại bỏ càng nhiều độ ẩm càng tốt đối với vật liệu socola.

2.2.5 Socola dùng trong in 3D thực phẩm^[11]

Đùn các nguyên liệu thực phẩm là một phương pháp in 3D có nhiều điểm tương đồng với in 3D FDM thương mại phổ biến. Sự khác biệt của ép đùn thực phẩm là vật liệu in được lưu trữ trong đầu đùn và pít-tông được dẫn vào ống tiêm thay vì kéo bằng bánh răng. Nếu vật liệu in cần nhiệt, thì cần phải làm nóng toàn bộ khối thực phẩm. Bằng cách sử dụng một ống tiêm, cơ chế lưu trữ giúp đơn giản việc thay thế thực phẩm trở nên dễ dàng. Điều này cho phép nhiều loại thực phẩm được chế biến theo kiểu này, yếu tố hạn chế là khả năng tạo hình sản phẩm có hạn vì phải phụ thuộc vào kích thước của ống tiêm.

Cấu trúc phức tạp của socola khiến cho vật liệu socola có thể ép đùn ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn. Được gọi là 'ép nguội', socola có các đặc tính duy trì hình dạng độc đáo do tính chất bán rắn của socola. Các nhà sản xuất đã sử dụng kỹ thuật này để tạo ra các sản phẩm socola có hình dạng phức tạp. Thử nghiệm sâu hơn đã chỉ ra rằng socola sau khi ép nguội được làm mềm do thay đổi pha do khi ép đùn gây ra, trong đó các phân tử chất béo trung tính tan chảy và sau đó kết tinh lại sau một khoảng thời gian nhất định. Trong thời gian này, tính chất giữ lại hình dạng đặc trưng của socola được thể hiện rõ ràng.

Nghiên cứu khác cho thấy tốc độ cắt cao trong kim của hệ thống ép đùn có khả năng phá vỡ các chất kết tụ và làm xẹp bong bóng bên trong socola, có thể đo được bằng cách sử dụng cảm biến áp suất. Trên máy in thực phẩm 3D, áp suất ép đùn có thể thấp hơn so với máy ép đùn công nghiệp và socola thường được ép đùn dưới dạng chất lỏng được đun nóng. Dạng chất béo của bơ cacao trong socola thường có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng hệ thống gia nhiệt, vì vậy có thể ủ socola.

Đối với một số lượng lớn máy in 3D socola hiện tại, kết cấu sẽ bao gồm một ống tiêm được sử dụng để chứa socola và được ép đùn bằng một động cơ điện áp dụng chuyển vị tuyến tính cho pít-tông. Hình 2.8 cho thấy một ví dụ về một cụm đầu đùn được sử dụng trên nền tảng in 3D thực phẩm. Khi động cơ xoay, thanh trượt di chuyển làm pít-tông chuyển vị, lúc này socola được đùn một lượng nhất định lên bàn in. Điều này là nguyên lí để xây dựng từng lớp cho đến khi hoàn thành đối tượng.

Hình 2.8: (A) Cụm đầu đùn, khe được đánh dấu là nơi đặt cặp nhiệt điện. (B) Hình ảnh các chi tiết trong cụm đầu đùn socola (C) Bộ làm mát không khí bao gồm mô-đun Peltier nằm giữa hai bộ tản nhiệt. (D) Mặt cắt của cụm đầu đùn

2.2.6 Vai trò của các thành phần ảnh hưởng đến quá trình tạo hình trong quá trình in 3D

Vật liệu socola nguyên chất tuy dễ chế biến, dễ điều chỉnh độ sệt nhưng ít khi được sử dụng trong in 3D socola do tạo hình không đẹp, bề mặt bị thô ráp và dễ bị vụn vỡ sau khi khô. Do vậy, socola thường được sử dụng để in 3D bánh kẹo thường là các loại socola đã được chế biến như: socola đen, socola sữa,...Socola đen thường được sử dụng trong in 3D tạo hình khối nhờ khả năng duy trì cấu trúc tốt, hàm lượng chất béo cao tạo độ nhớt thấp giúp giảm tổn thất năng lượng trong quá trình đùn vật liệu. Đối với socola sữa thì thường được sử dụng để trang trí nhờ dễ pha phẩm màu. Tùy vào từng mục đích sử dụng để trang trí hoặc tạo hình khối mà loại vật liệu socola phù hợp được lựa chọn.

Trong in 3D thực phẩm, vật liệu socola được làm chảy ở nhiệt độ trong khoảng từ 30 đến 40℃ sau đó được nạp vào buồng cấp liệu để tiến hành đùn và tạo hình theo dạng bồi đắp từng lớp. Trong quá trình tạo hình, socola sẽ được làm lạnh nhanh (khoảng từ 10 đến 22℃) để duy trì hình dạng của lớp in. Hầu hết các loại socola có thể tìm được hiện nay đều có thể dùng cho in 3D thực phẩm. Khi lựa chọn loại socola dùng cho in 3D bánh kẹo cần chú ý hàm lượng các thành phần có trong socola như: chất béo, chất nhũ hóa, đường, cacao để từ đó có thể hiệu chỉnh các thông số công nghệ nhằm tối ưu hóa quá trình đùn vật liệu khi in.

Một nghiên cứu được thực hiện bởi Hu và đồng nghiệp (2020) đã so sánh quá trình in của socola trắng và socola đen trong in 3D. Kết quả cho thấy, để đạt được độ chính xác của sản phẩm in, socola trắng cần được in ở nhiệt độ cao hơn so với socola đen. Ngoài ra, độ nhớt của socola trắng cũng cao hơn so với socola đen, vì vậy cần thêm một lượng nhỏ dầu thực vật để giảm độ nhớt của socola và tăng khả năng đùn của nó.

2.3 Tối ưu hóa quá trình in 3D socola

In 3D là một quy trình phức tạp, không chỉ đòi hỏi sự hiểu biết về các đặc tính của vật liệu mà còn cả các thông số kĩ thuật khi in. Hơn nữa, các lớp socola lắng đọng phải đáp ứng một số yêu cầu như tính thẩm mỹ, giữ nguyên hình dạng và khả năng chịu được trọng lượng của chính chúng. Điều này có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa một số thông số như chiều cao lớp in, tốc độ đùn, tốc độ di chuyển, nhiệt độ của socola, nhiệt độ làm mát và kích thước đầu đùn.

Sự tương tác giữa các đặc tính lưu biến với nhiệt độ và tốc độ in của socola ảnh hướng đến tính ổn định của cấu trúc sản phẩm in 3D. Cụ thể, ảnh hưởng của tốc độ in (V_p) và nhiệt độ môi trường xung quanh (T_e) đã được nghiên cứu bằng phương pháp ghi nhiệt hồng ngoại (IR). Kết quả cho thấy rằng các cấu trúc 3D chỉ có thể được tạo ra một cách ổn định dưới một V_p nhất định, vốn phụ thuộc chặt chẽ vào T_e: Ví dụ, ở T_e  là 18°C, V_p phải nhỏ hơn 16 mm/s, trong khi ở a T_e ở 20°C thì V_p phải nhỏ hơn 8 mm/s. Các điều kiện này đảm bảo khả năng làm mát và đông đặc thích hợp cho bơ cacao, và nó là cần thiết cho một quy trình đạt yêu cầu.^[12]

Một bài viết chỉ ra rằng với các trạng thái khác nhau của socola cũng sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ cần ủ, khả năng in sản phẩm, mức độ làm lạnh, năng suất của động cơ.

Bảng 2.4: Bảng so sánh các trạng thái của vật liệu socola^[13]

Trạng thái socola	Nhiệt độ cần để in socola	Khả năng in	Khả năng làm lạnh	Ảnh hưởng đến động cơ
Khô rắn	≤ 30	Không thể in
Sệt	32	Khả năng in tốt dễ tạo thành khối	Socola đông cứng nhanh khi được thổi khí lạnh	Yêu cầu cung cấp nhiều xung để đẩy xy lanh
Nhão	34	Có khả năng tạo khối nhưng dễ bị vỡ khi lên lớp cao	Socola đông cứng chậm khi được thổi khí lạnh	Yêu cầu cung cấp xung vừa phải
Lỏng	≥ 34	Khó dựng hình và dễ bị chảy xung quanh	Socola không thể đông cứng trong khi in	Khó canh chỉnh tốc độ động cơ

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm khoảng cách tối đa của lớp in với các thông số như tốc độ di chuyển, hệ số đùn và nhiệt độ làm mát (Hình 2.9). Họ phát hiện ra rằng tốc độ di chuyển không ảnh hưởng đến khoảng cách tối đa của lớp in của một sợi socola và hệ số đùn nhỏ hơn là 0,8 cho phép socola kết nối xa hơn. Họ cũng phát hiện ra rằng việc làm mát và hướng không khí vào socola làm tăng đáng kể khoảng cách mà một sợi socola có thể đạt được.^[11]

Hình 2.9: (A) Mô hình thí nghiệm đo khoảng cách tối đa là 8mm. (B) Thực nghiệm. (C) Ảnh hưởng của việc thay đổi hệ số đùn từ 0,6 đến 1,4. (D) Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển thay đổi trên 300 – 700 mm/phút (E–G) Ảnh hưởng của việc tăng lưu lượng khí từ 20 lên 100% khi sử dụng

2.4 Phân tích, lựa chọn loại socola phù hợp cho máy in 3D thiết kế và quy trình chuẩn bị nguyên liệu in

Hiện nay, công nghệ in 3D thực phẩm nói chung và in 3D socola nói riêng vẫn còn tương đối mới mẻ nên số lượng sản phẩm socola chuyên dụng cho in 3D còn khá hạn chế. Một vài hãng socola lớn có thể sử dụng trực tiếp trong công nghệ in 3D ở các quốc gia khác như: Hershey, Cadbury, Nestle, KitKat. Socola có thể sử dụng hiệu quả cho in 3D thực phẩm hiện nay trên thị trường gồm 2 dạng: dạng sệt, dạng thanh và dạng hạt. Dạng socola sệt thì có thể sử dụng được ngay thường được đóng trong hộp và được bảo quản ở nhiệt độ 18-22℃. Một số loại socola tạo hình phổ biến trên thị trường Việt Nam có thể kể đến như: CacaoTalk, Chocoform.

Hình 7.16: Mẫu với chi tiết in phức tạp

CHƯƠNG 8: TRÌNH BÀY KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN

8.1 Kết quả đạt được

Trong phạm vi đề tài thiết kế cụm đầu đùn cho máy in 3D sử dụng vật liệu socola, người viết đã đạt được những kết quả như sau:

- Thiết kế, chế tạo cụm đầu đùn có khả năng tiếp liệu liên tục trong quá trình in. Ngoài ra, cụm đầu đùn chế tạo có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng vệ sinh và lắp đặt.

- Đã thử nghiệm và kiểm nghiệm khả năng in 3D của cụm đầu đùn thiết kế.

- Máy có khả năng tạo hình, trang trí đa dạng nhưng hạn chế khi không thể in các chi tiết có chiều cao từ 3mm trở lên do socola không được làm mát để định hình mỗi lớp trong quá trình in.

- Tìm hiểu xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ quan trọng trong quá trình tạo mẫu như: chiều dày lớp in, hệ số đùn, tốc độ in, nhiệt độ cụm ủ nhiệt, ảnh hưởng của các loại socola khác nhau.

Hình 8.0: Cụm đầu đùn sau khi chế tạo, lắp ráp

Hình 8.1: Máy in 3D vật liệu socola

Thông số máy in 3D vật liệu socola của người viết được trình bày dưới bảng sau:

Bảng 8.1: Thông số máy

STT	Thông số	Giá trị
1	Kích thước của máy in	700  550  550
2	Kích thước làm việc	350  300  200 mm
3	Kích thước đầu in	0,6 / 0,8 / 1 mm
4	Tốc độ tạo mẫu tối đa	20 mm/s
5	Nhiệt độ in	36 – 40 oC
6	Dung tích bình chứa vật liệu	68ml / 80g

8.2 Đề xuất phương án cải thiện, hướng phát triển trong tương lai của sản phẩm

Bên cạnh những kết quả đạt được, người viết đề xuất các mục tiêu nghiên cứu cho
tương lai sản phẩm như sau:

  - Thiết kế, chế tạo hệ thống làm mát socola cho máy in 3D trên để làm mát những lớp in góp phần định hình socola cải thiện hiệu suất và tạo được những mẫu in lớn.

  - Đơn giản hóa quá trình cài đặt thông số công nghệ và điều khiển thiết bị in 3D
bánh kẹo nhằm phổ biến công nghệ cho người sử dụng phổ thông.

  - Liên kết với nghành in 3D thực phẩm Việt Nam để thương mại cũng như nhân rộng cụm đầu đùn thiết kế đối với người tiêu dùng thực phẩm.

Tài liệu tham khảo

1. Tuổi trẻ cuối tuần, 2023, Công nghệ in thực phẩm 3D: Cuộc cách mạng về dinh dưỡng, truy cập từ: https://cuoituan.tuoitre.vn/cong-nghe-in-thuc-pham-3d-cuoc-cach-mang-ve-dinh-duong-1609334.htm
2. MarketsandMarkets, 2022, 3D Food Printing Market by Vertical, Technique, Ingredient and Geogrphy - Global Forecast to 2027, truy cập từ: https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/3d-food-printing-market-267692011.html
3. Jurislav Babić, 2021, A 3D Food Printing Process for the New Normal Era: A Review, truy cập từ: https://www.mdpi.com/2227-9717/9/9/1495
4. Alluviachocolate, 2023, Cơ hội lớn cho socola Việt thành công thị trường quốc tế, truy cập từ: https://www.socolaalluvia.com/co-hoi-lon-cho-socola-viet-thanh-cong/
5. Paphakorn Pitayachaval, 2018, A Review of 3D Food Printing Technology, truy cập từ: https://www.matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2018/72/matecconf_acmme2018_01012.pdf
6. Grand View Research, 2023, Chocolate Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product (Traditional, Artificial), By Distribution Channel (Supermarket & Hypermarket, Convenience Store, Online), By Region, And Segment Forecasts, 2022 – 2030, truy cập từ: https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/chocolate-market#:~:text=Report%20Overview,key%20driver%20of%20the%20market.
7. Melisa Gonzalez, 2019, The Benefits and Limitations of 3D Printing Chocolate, truy cập từ: https://3dprint.com/236829/benefits-and-limitations-of-3d-printing-chocolate/
8. Alexandrea P, 2022, The Top Applications in Food 3D Printing, truy cập từ: https://www.3dnatives.com/en/food-3d-printing220520184/#!
9. Tara McHugh, 2017, 3D Food Printing: A New Dimension in Food Production Processes, truy cập từ: https://www.ift.org/news-and-publications/food-technology-magazine/issues/2017/april/columns/processing-3d-food-printing
10. Paticusi, 2021, Quy trình sản xuất socola, truy cập từ: http://paticusi.com/qui-trinh-san-xuat-socola/
11. Matthew Lanaro, 2019, 3D Printing Chocolate, truy cập từ: https://www.researchgate.net/publication/330342935_3D_Printing_Chocolate
12. E.S, 2022, Optimization of the 3D printing process and analysis of rheological properties for the transport of chocolate, truy cập từ: https://www.italianfoodtech.com/optimization-of-the-3d-printing-process-and-analysis-of-rheological-properties-for-the-transport-of-chocolate/
13. Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, 2020, NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D

CHOCOLATE, truy cập từ: https://jstf.hufi.edu.vn/uploads/files/so-tap-chi/nam-2021/Tap-21-So-1/8_12p-86-97_final.pdf

4. Michael Molitch-Hou, 2017, THE FOCUS 3D PRINTER IS PORTABLE, MULTIFACETED, & DELICIOUS?,truy cập từ: https://3dprintingindustry.com/news/the-focus-3d-printer-is-portable-multifaceted-delicious-49496/
5. Jie Sun, 2015, 3D food printing—An innovative way of mass customization in food fabrication, truy cập từ: https://ijb.sg/index.php/int-j-bioprinting/article/viewFile/01006/20
6. sieuthithuyluc, 2020, CẤU TẠO BƠM THỦY LỰC BÁNH RĂNG, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG, truy cập từ: https://sieuthithuyluc.com/cau-tao-bom-thuy-luc-banh-rang-nguyen-ly-hoat-dong-va-ung-dung
7. Stephen Sumerlin, 2023, How Do You Know if You're Using the Right Hydraulic Oil, truy cập từ: https://www.machinerylubrication.com/Read/25967/hydraulic-oil-lubrication-viscosity
8. Lê Văn Dực, 2015, Giáo trình cơ lưu chất
9. H&D Fitzgerald Ltd., 2012, The Density of Chocolate
10. 3D Priting Pro, 2023, Wiiboox Sweetin Chocolate/Food 3D Printer, truy cập từ: https://www.3dprintingpro.com.au/products/wiiboox-sweetin-chocolate-food-3d-printer-coming-soon
11. ChocoL3D, 2018, ChocoL3d Manual, truy cập từ: https://chocol3d.com/wp-content/uploads/2019/01/ChocoL3D-manual.pdf