2022年4月15日，韩国江原国立大学的研究人员在农林科学1区Top期刊Innovative Food Science & Emerging Technologies(IF: 5.916)上在线发表了题为“Investigation of flow field, die swelling, and residual stress in 3D printing of surimi paste using the finite element method(有限元法用于研究鱼糜3D打印过程中的流场、挤出膨胀和残余应力)”的研究性论文。该研究的目的是确定鱼糜用于3D打印的适用性，并探讨影响最终产品的可打印性和打印质量的主要流动特性的细节。

利用3D打印技术开发和生产食品有可能以更先进的形式创造和生产定制食品，这将是食品行业的一个新的范式转变。为了充分发挥这一有前景的技术的潜力，必须确定评价和预测生产结果的方法。

在这项研究中，研究人员采用有限元法(FEM)对鱼糜糊在3D打印过程中的流动性进行了分析。利用叠层制造(ALM)模拟分析了3D打印期间和之后的残余应力。流变学研究表明，含水量为82%的鱼糜糊适合用于3D打印。有限元模型显示，喷嘴直径的减小(1.2mm~0.6mm)增加了挤出膨胀(9.8%~14.1%)。膨胀率的上升是由于喷嘴出口(1.15×107Pa~7.80×107Pa)压力梯度增大所致。

有限元模拟结果表明，喷嘴直径影响流场中的流体特性(压力、流速和剪切速率)以及打印样品的残余应力和变形。该研究为利用有限元方法(FEM)预测鱼糜糊的可打印性和沉积过程提供了一个新的思路。该方法可应用于其他食品的3D打印加工。

图1. 3D打印机喷嘴和样品室的示意图，显示了(A)流场的基本边界条件，(b)喷嘴出口会聚区域的网孔，(c)沿样品室壁的膨胀层。

图2. (a)3D打印鱼糜糊和打印床的示意图图，(b)有限元模型。

图3. 打印模型的验证：(a)模型描述，(b)图像处理过程。

图4. 不同含水量鱼糜糊流变特性：(a)表观粘度，(b)损耗模量，和(c)储能模量。

图5. 初步3D打印鱼糜糊以确定最佳含水量：(a)75%，(b)82%，和 (c)90% 的含水量。

图6. 模拟鱼糜糊剪切速率(1/s)分布：(a)流场描述，(b)喷嘴直径0.6mm， (c)喷嘴直径0.8mm， (d)喷嘴直径1.0mm，(e)喷嘴直径1.2mm。

图7. 鱼糜糊的压力分布：(a)流场描述，(b)喷嘴直径0.6mm，(c)喷嘴直径0.8mm，(d)喷嘴直径1.0mm，和(e)喷嘴直径1.2mm。

图8. 鱼糜糊的速度分布：(a)流场描述，(b)喷嘴直径0.6mm，(c)喷嘴直径0.8mm，(d)喷嘴直径1.0 mm，(e)喷嘴直径1.2mm。

图9. 基于喷嘴尺寸的鱼糜糊挤出物的挤出膨胀分析：(a)喷嘴直径为0.6mm，(b)喷嘴直径为0.8mm，(c)喷嘴直径为1.0mm，和(d)喷嘴直径为1.2mm。

图10. 应变从0.5%增加到500%时应力值的变化。

图11. 不同喷嘴直径的鱼糜糊打印过程中应力分布模拟结果：(a)动态应力描述；(b)应力值分布。

图12. 3D打印材料在打印过程中和打印后的总垂直变形：(a)喷嘴直径的影响动画，(b)鱼糜浆料中的变形值。

图13. 在不同的喷嘴尺寸和打印时间下，3D打印的鱼糜糊的几何结构。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ifset.2022.103008

来源：食研私享

2022年4月15日，韩国江原国立大学的研究人员在农林科学1区Top期刊Innovative Food Science & Emerging Technologies(IF: 5.916)上在线发表了题为“Investigation of flow field, die swelling, and residual stress in 3D printing of surimi paste using the finite element method(有限元法用于研究鱼糜3D打印过程中的流场、挤出膨胀和残余应力)”的研究性论文。该研究的目的是确定鱼糜用于3D打印的适用性，并探讨影响最终产品的可打印性和打印质量的主要流动特性的细节。

利用3D打印技术开发和生产食品有可能以更先进的形式创造和生产定制食品，这将是食品行业的一个新的范式转变。为了充分发挥这一有前景的技术的潜力，必须确定评价和预测生产结果的方法。

在这项研究中，研究人员采用有限元法(FEM)对鱼糜糊在3D打印过程中的流动性进行了分析。利用叠层制造(ALM)模拟分析了3D打印期间和之后的残余应力。流变学研究表明，含水量为82%的鱼糜糊适合用于3D打印。有限元模型显示，喷嘴直径的减小(1.2mm~0.6mm)增加了挤出膨胀(9.8%~14.1%)。膨胀率的上升是由于喷嘴出口(1.15×107Pa~7.80×107Pa)压力梯度增大所致。

有限元模拟结果表明，喷嘴直径影响流场中的流体特性(压力、流速和剪切速率)以及打印样品的残余应力和变形。该研究为利用有限元方法(FEM)预测鱼糜糊的可打印性和沉积过程提供了一个新的思路。该方法可应用于其他食品的3D打印加工。

图1. 3D打印机喷嘴和样品室的示意图，显示了(A)流场的基本边界条件，(b)喷嘴出口会聚区域的网孔，(c)沿样品室壁的膨胀层。

图2. (a)3D打印鱼糜糊和打印床的示意图图，(b)有限元模型。

图3. 打印模型的验证：(a)模型描述，(b)图像处理过程。

图4. 不同含水量鱼糜糊流变特性：(a)表观粘度，(b)损耗模量，和(c)储能模量。

图5. 初步3D打印鱼糜糊以确定最佳含水量：(a)75%，(b)82%，和 (c)90% 的含水量。

图6. 模拟鱼糜糊剪切速率(1/s)分布：(a)流场描述，(b)喷嘴直径0.6mm， (c)喷嘴直径0.8mm， (d)喷嘴直径1.0mm，(e)喷嘴直径1.2mm。

图7. 鱼糜糊的压力分布：(a)流场描述，(b)喷嘴直径0.6mm，(c)喷嘴直径0.8mm，(d)喷嘴直径1.0mm，和(e)喷嘴直径1.2mm。

图8. 鱼糜糊的速度分布：(a)流场描述，(b)喷嘴直径0.6mm，(c)喷嘴直径0.8mm，(d)喷嘴直径1.0 mm，(e)喷嘴直径1.2mm。

图9. 基于喷嘴尺寸的鱼糜糊挤出物的挤出膨胀分析：(a)喷嘴直径为0.6mm，(b)喷嘴直径为0.8mm，(c)喷嘴直径为1.0mm，和(d)喷嘴直径为1.2mm。

图10. 应变从0.5%增加到500%时应力值的变化。

图11. 不同喷嘴直径的鱼糜糊打印过程中应力分布模拟结果：(a)动态应力描述；(b)应力值分布。

图12. 3D打印材料在打印过程中和打印后的总垂直变形：(a)喷嘴直径的影响动画，(b)鱼糜浆料中的变形值。

图13. 在不同的喷嘴尺寸和打印时间下，3D打印的鱼糜糊的几何结构。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ifset.2022.103008

来源：食研私享