3D food printing

Tegenwoordig kunnen 3D-printers met heel veel verschillende materialen vormen printen; van zilveren oorbellen tot iPad hoesjes, van chocoladeletters tot speelgoed geprint van gerecycled plastic. De lijst van producten die 3D geprint kunnen worden wordt steeds langer. Ook voeding komt in deze lijst steeds vaker voor.

Tijdens een regenachtige vrijdagmiddagborrel bedachten onderzoekers bij TNO Eindhoven: als we van Nylonpoeder een 3D figuur kunnen maken, lukt dat dan ook  met chocolade poeder? Ze gingen meteen met dat idee aan de slag. De euforie van een eerste geslaagde poging sloeg een brug tussen de technische afdeling van TNO in Eindhoven en de foodresearchers in Zeist. Hoever staat TNO in deze techniek? Wat is er mogelijk, afgezien van een ludieke actie op een vrijdagmiddagborrel?

Wat voegt het toe?

Jolanda Henket, research medewerker en Daniël van der Linden, business developer Food & Nutrition bij TNO laten trots een doosje zien met daarin diverse samples die met de techniek tot stand zijn gekomen: kekke koekjes,  prachtige pastaschelpen, waanzinnige winegums. Waarom willen we dat eigenlijk, met 3D-techniek foodproducten maken? Daniël van der Linden signaleert een viertal ontwikkelingen. ,,De eerste is de behoefte aan personalisatie van voeding: in de sport, ouderenzorg, kindervoeding en ziekenhuizen is er de wens om voeding te kunnen laten aansluiten bij individuele behoeftes en gezondheid. In verzorgingshuizen zijn er bijvoorbeeld steeds meer ouderen met kauw- en slikproblemen. Ze krijgen een paar keer per dag een milkshake van een gepureerde maaltijd. Met 3D-geprint voedsel kunnen zij weer plezier in eten krijgen. Ook zien we kansen voor alternatieve eiwitbronnen, zoals algen, lupinezaad en insecten. Met 3D zijn we in staat structuren en smaken te maken die aantrekkelijk ogen voor consumenten. Ook gemak speelt een rol: producten eetbaar afleveren, een printer wordt je "personal chef'. Maar op dit moment lijkt toch de funfactor en de designvrijheid die 3D biedt de meeste aandacht in de markt te hebben. Een product totaal anders kunnen vormgeven dan gebruikelijk, geeft een grote toegevoegde waarde aan het product. Momenteel is 3D-printen nog een kostbaar proces, maar snelle ontwikkelingen zullen ervoor zorgen dat het bereikbaar en betaalbaar wordt; ook voor de gewone consument,” voorspelt hij.

Basistechnieken

,,Van de vele 3D-technieken, zijn er een aantal basistechnieken om producten te printen: FDM, SLS, SLA en PBP,” vervolgt Jolanda. ,,Deze technieken gelden in het algemeen voor 3D-printen, ze zijn niet specifiek geschikt voor food. Alle vier zijn ze inmiddels ook op voedingsproducten uitgetest. Daniël van der Linden: ,,Soms is er een voorstap nodig, zoals vermalen tot poeder, mixen en mengen. Maar we kunnen ook al prima uit de voeten met kant-en-klare poeders. Daarna kan er eventueel een nabehandeling plaatsvinden, zoals koken, bakken of frituren. Ook deze stap is niet per definitie nodig: veel producten zijn na het printen gelijk klaar om te consumeren.”

'3D-geprinte wortels, gemaakt met FDM, voor mensen met kauw- en slikproblemen'

FDM

,,FDM staat voor Fused Deposition Modelling. Hierbij wordt een materiaal door een (micro)extruder op een platform aangebracht”, legt Jolanda uit. ,,Door de extruder en het platform gericht te bewegen, wordt de vorm, laag voor laag, opgebracht. Een voorbeeld van voedingsproducten zijn purees, gellen, degen en gesmolten materialen zoals chocolade. Onlangs zijn er met FDM heel gedetailleerde wereldbollen gemaakt van chocolade. Aan de buitenkant is de wereldbol, met alle landen en kustlijnen in de fijnste details aangebracht. Binnen in de bol zijn met de 3D techniek vakjes gevormd. De vulling is er later met de hand ingebracht.”

SLS en SLA

SLS, ofwel Selective laser sintering, is een rapid-manufacturingtechniek die gebruik maakt van het sinterproces.. ,,Met behulp van een laser wordt een poeder laag na laag tot een vast product gesmolten,” vertelt Jolanda. ,,De techniek wordt ingezet bij materiaal dat door middel van verhitting in een korte periode een vaste structuur kan vormen. Een virtueel 3D model wordt in lagen opgedeeld. Deze lagen worden door de warmte van een laser één voor één gebakken, tot er een volledige kopie van het virtuele model is verkregen: een gelijkmatig poeder laag wordt aangebracht op het SLS platform. Vervolgens bakt de laser het poeder plaatselijk aan elkaar. Het SLS platform zakt omlaag en een nieuw poederlaagje wordt aangebracht om vervolgens weer met de laser een nieuwe laagje te kunnen bakken. Zo wordt laag na laag gevormd. Omdat het geprinte product tijdens het vervaardigen omgeven is door ongelaserde poeder, is er geen support materiaal nodig ter ondersteuning. Het is hierdoor mogelijk om complexe vormen te maken.” SLA (Stereolithografie) lijkt veel op SLS, maar maakt gebruik van een laser of andere lichtbron om vloeistoffen (in plaats van poeder) te laten stollen.

PBP

,,PBP,  Powered Bed Printing, heeft een groot potentieel om te gebruiken als techniek voor 3D printen van food,” denkt Jolanda. ,,In PBP wordt een poederbed laagje voor laagje in de gewenste vorm geprint, net als bij SLS. Maar in tegenstelling tot SLS, wordt met PBP een 3D object gemaakt door vocht te printen over het poederbed in een vorm die correspondeert met het door de computer gegenereerde laagje van een 3D vorm.”    

Vinden van een balans

Jolanda: ,,Een belangrijke onderzoeksvraag van dit moment betreft de ‘printability’: is het mogelijk om de gewenste vorm vast te houden gedurende het gehele printproces? Het is steeds zoeken naar de balans. Verander je wat in één van de variabelen, heeft dat gelijk invloed op elk van de andere.”

,,Het gaat steeds om het vinden van de meest geschikte combinatie of balans tussen het (print)proces, ingrediënt/formulering en applicatie/product,” vult Daniël aan. ,,Er zijn legio geschikte ingrediënten, maar niet voor alle technieken en niet voor alle applicaties. Onlangs heeft TNO food-formules voor een koekje samengesteld waarmee goede vormresultaten zijn bereikt. Deze basisformule kan weer verder worden toegepast op andere voedingsproducten.”

,,Het is echt een uitdaging om het proces te optimaliseren en de condities precies goed te krijgen,” zegt Jolanda enthousiast. ,,Functionele eigenschappen gerelateerd aan het vasthouden van vocht en binding zijn belangrijke parameters om in de gaten te houden. Ook houden we ons bezig met de vraag naar de printmogelijkheden van de verschillende enkelvoudige voedingsingrediënten en hoe deze zich gedragen in combinatie met andere ingrediënten tijdens het printen. En natuurlijk zoeken we naar het vormen van de juiste structuur en textuur, en niet onbelangrijk bij food: het creëren van de juiste smaakbeleving.”

'Complexe 3D geprinte wereldbollen van chocolade voor de gastronomie'

Hoe ver zijn jullie?

,,We weten wat er kan, en welke volgende stappen er nodig zijn” aldus Daniël van der Linden. ,,Het is nu aan de industrie  om samen met TNO te investeren om de technieken verder te ontwikkelen richting gepersonaliseerde voedsel producten en structuren. Ik help graag om deze stormachtige ontwikkeling met ondernemingen verder vorm te geven.”

www.tno.nl