打印參數(shù)對未漂洗鱘魚糜凝膠3D打印成型效果的影響

向晨曦，李鈺金, ，高瑞昌，白 帆，汪金林, ，趙元暉,

（1.中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266003；2.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.衢州鱘龍水產(chǎn)食品科技開發(fā)有限公司，浙江衢州 324000）

3D食品打印技術(shù)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，通過增材制造工藝可以生產(chǎn)具有定制形狀和結(jié)構(gòu)的3D食品[1?2]。目前擠壓式3D打印技術(shù)是食品打印中應(yīng)用最廣泛的方法，可以制作出許多精美復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。3D打印產(chǎn)品的最終成型質(zhì)量受到打印材料特性和打印工藝參數(shù)兩個(gè)主要因素的制約[3]。打印材料特性是材料可打印性的關(guān)鍵，而打印參數(shù)則對打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和成型精度等有很大的影響[4?5]。在擠壓式3D打印過程中，打印原料和打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不同會使得獲得最佳打印效果時(shí)的打印參數(shù)不同，需要根據(jù)實(shí)際情況來對打印參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以提高打印質(zhì)量[6]。Severini等[7]研究了小麥面團(tuán)打印過程中的打印變量，發(fā)現(xiàn)層高值對打印質(zhì)量有顯著影響，過高或過低均會導(dǎo)致打印樣品精度下降，并得出打印速度30 mm/s、噴嘴直徑0.6 mm、層高值為0.4 mm時(shí)效果最佳的結(jié)果。Yang等[5]研究結(jié)果表明將打印工藝參數(shù)設(shè)置為優(yōu)化出的最佳參數(shù)時(shí)可得到與模型最為接近的打印樣品。金立明等[8]探究了不同打印參數(shù)對白鰱魚糜凝膠打印效果的影響，為后續(xù)通過調(diào)整打印參數(shù)來提高打印品質(zhì)提供參考。

對于本實(shí)驗(yàn)中使用的活塞擠壓式3D打印機(jī)，涉及到的打印參數(shù)主要有打印速度、噴嘴直徑、分層高度、溫度、填充密度以及擠出程度等。擠壓式3D食品打印發(fā)展前景良好，但由于有些食品原料不能直接用于打印或打印質(zhì)量不高等限制因素導(dǎo)致其仍無法具有廣泛適用性[9]。因此，有必要開發(fā)出更多可以用于3D打印的食品原料。而魚糜凝膠由于具有一定的粘彈性和凝膠強(qiáng)度滿足3D打印對原料特性的要求，是3D食品打印的理想原料[10]。本文以前期實(shí)驗(yàn)得到的適用于3D打印的未漂洗鱘魚糜凝膠為打印原料，通過調(diào)整打印速度、噴嘴直徑、溫度和擠出程度等相關(guān)打印參數(shù)，探究這些參數(shù)對打印成型效果的影響，優(yōu)化出最佳打印參數(shù)，旨在提高3D打印魚糜的質(zhì)量，進(jìn)一步擴(kuò)大3D打印在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮鱘魚 史氏鱘和西伯利亞鱘雜交的幼年鱘魚，體長約70 cm，體重約2 kg，購買于青島市城陽區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖公司；食鹽 食品級，青島金貝歐公司；山梨糖醇、三聚磷酸鈉、葡萄糖酸內(nèi)酯、海藻酸鈉 食品級，河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司。

TJ12-H絞肉機(jī) 廣東恒聯(lián)食品機(jī)械有限公司；SY-5斬拌機(jī) 廣州市善友機(jī)械設(shè)備有限公司；FMB40雪花制冰機(jī) 上海冠森生物科技有限公司；SHINNOVE食品3D打印機(jī) 杭州時(shí)印科技有限公司；JD500-2型電子天平 沈陽龍騰電子稱量儀器有限公司；BD-126W冰箱 青島海爾電器集團(tuán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 魚糜的制備 將新鮮的鱘魚去掉魚頭、魚內(nèi)臟和魚皮，清洗后取下魚肉切成小塊，再將小塊魚肉置于絞肉機(jī)中絞碎，不經(jīng)過漂洗、脫水等步驟，直接添加傳統(tǒng)抗凍劑（0.25%三聚磷酸鈉和4%山梨醇）并斬拌均勻，即為未漂洗鱘魚糜。最后將魚糜分裝進(jìn)自封袋中（每袋300 g）并放在?20 °C下冷凍，兩周內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 魚糜凝膠的制備 將冷凍的未漂洗鱘魚糜取出在4 °C下解凍，空擂2 min，然后添加0.5%海藻酸鈉（以冷凍魚糜質(zhì)量計(jì)，下同）、1.5%食鹽、1%葡萄糖酸內(nèi)酯以及冰水繼續(xù)擂潰2 min，魚糜中水分含量控制在80%左右，整個(gè)過程中魚糜溫度低于10 ℃。最后在4 °C下放置24 h形成凝膠[11]。

1.2.3 打印參數(shù)設(shè)置 本實(shí)驗(yàn)中使用活塞擠壓式3D打印機(jī)完成打印過程。通過在切片軟件（CURA 15.02.1）中加載出打印模型的STL文件，然后在切片軟件頁面設(shè)置打印模型的尺寸以及相關(guān)打印參數(shù)。設(shè)置完打印參數(shù)后，將模型保存為G-code文件，以便3D打印機(jī)可以識別切片信息并完成打印。切片軟件中打印參數(shù)和模型尺寸的設(shè)置界面見圖1。

圖1 切片軟件中打印參數(shù)和模型尺寸的設(shè)置界面Fig.1 Setting interface of printing parameters and model size in slice software

在打印過程中主要調(diào)整以下參數(shù)：

分層高度：噴嘴直徑為1.20 mm，打印速度為25 mm/s，填充密度為100%，擠出程度為100%，溫度為25 °C，調(diào)整分層高度分別為0.6、0.8、1.2、1.6和2.0 mm。

噴嘴直徑：打印速度為25 mm/s，填充密度為100%，擠出程度為100%，溫度為25 °C，使用的噴嘴直徑分別為0.84、1.20和1.55 mm。

打印速度：分層高度為1.20 mm，噴嘴直徑為1.20 mm，填充密度為100%，擠出程度為100%，溫度為25 °C，調(diào)整打印速度分別為15、20、25、30和35 mm/s。

填充密度：分層高度為1.20 mm，噴嘴直徑為1.20 mm，打印速度為25 mm/s，擠出程度為100%，溫度為25 °C，調(diào)整填充密度為20%、40%、60%、80%和100%。

擠出程度：分層高度為1.20 mm，噴嘴直徑為1.20 mm，填充密度為100%，溫度為25 °C，打印速度為25 mm/s，調(diào)整擠出程度為60%、80%、100%、120%和140%。

溫度：分層高度為1.20 mm，噴嘴直徑為1.20 mm，填充密度為100%，擠出程度為100%，打印速度為25 mm/s，調(diào)整溫度為25、30、35、40和45 °C。

1.2.4 打印效果及精度評價(jià) 打印參數(shù)按照上述設(shè)置，打印模型設(shè)定為直徑為30 mm、高度約為16 mm左右（具體隨打印層數(shù)和分層高度而定）的圓柱體。打印完成后立即拍攝照片以便評估打印質(zhì)量，并用游標(biāo)卡尺測量實(shí)際打印樣品的直徑和高度，按照如下公式計(jì)算直徑偏差和高度偏差[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS Statistics 24計(jì)算平均值并進(jìn)行Duncan檢驗(yàn)和顯著性分析（P<0.05），圖表均使用Origin 2017進(jìn)行繪制。每個(gè)樣品至少重復(fù)打印3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 分層高度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果和打印精度的影響

分層高度即層厚，是指打印樣品結(jié)構(gòu)中每一層的厚度[13]。3D打印過程是通過逐層疊加來完成的，因此成型后產(chǎn)品表面會出現(xiàn)層與層之間不連續(xù)的現(xiàn)象，稱之為“階梯現(xiàn)象”，分層高度是產(chǎn)生階梯效應(yīng)的主要因素[14]。分層高度越小，層與層之間的臺階感越弱，打印精度越高；反之，分層高度越大，階梯現(xiàn)象越明顯，表面粗糙感加重，精度越低[15]。圖2是不同分層高度下的打印成型效果圖。由圖2中可以看到，當(dāng)層厚值較小，層與層之間粘合緊密，成型性好。但是層厚值過低為0.6 mm時(shí)，噴嘴在打印時(shí)與線條產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致表面有些粗糙。當(dāng)層厚值為0.8和1.2 mm時(shí)打印效果優(yōu)于其他組，隨著層厚值繼續(xù)增加，層與層之間界限明顯，打印質(zhì)量降低，在層厚值為1.6和2.0 mm時(shí)打印成品出現(xiàn)局部坍陷下沉的現(xiàn)象，這是由層厚值過大引起每層重量增加導(dǎo)致的結(jié)果。Severini等[7]發(fā)現(xiàn)層高值過高或過低都不利于3D打印。

圖2 分層高度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果的影響Fig.2 Effect of stratification height on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel

打印偏差的絕對值越小，打印精度越高。正偏差表示與模型相比偏大，負(fù)偏差表示與模型相比偏小。從表1中可以看到，當(dāng)分層高度為1.2 mm與噴嘴直徑大小相同時(shí)打印精度最高（直徑和高度偏差僅分別為0.17%和0.24%）。分層高度越小，線條越細(xì)，引起直徑負(fù)偏差，同時(shí)打印層數(shù)越多，成型所需時(shí)間就越長；反之線條越粗引起正偏差。與層高值0.6 mm相比，1.2 mm節(jié)約了將近一倍的時(shí)間?？紤]到打印效率，選擇1.2 mm是比較合適的。

表1 分層高度對未漂洗鱘魚糜凝膠打印精度的影響Table 1 Effect of stratification height on printing precision of unrinsed sturgeon surimi gel

2.2 噴嘴直徑對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果和打印精度的影響

噴嘴直徑對打印產(chǎn)品的精度和表面粗糙度有很大影響[16]。噴嘴直徑越小，線條越細(xì)，打印精度越高，但對材料要求較高，容易造成堵塞；噴嘴直徑越大，出料越流暢，但同時(shí)線條越粗，導(dǎo)致打印精度低。圖3顯示了三種噴嘴直徑尺寸對3D打印產(chǎn)品質(zhì)量的影響。由圖可知分層高度與噴嘴直徑相差越大越不利于良好的成型效果，因此設(shè)置分層高度與其所對應(yīng)的噴嘴直徑相同。從表面來看，當(dāng)噴嘴直徑為0.84 mm時(shí)，物料擠出困難，打印結(jié)構(gòu)混亂，成型效果差；當(dāng)噴嘴直徑為1.20 mm時(shí)，層與層之間能夠很好地融合沉積，表面光滑；當(dāng)噴嘴直徑為1.55 mm時(shí)，出料連續(xù)流暢，但線條感較重，階梯現(xiàn)象明顯，表面粗糙。同時(shí)當(dāng)噴嘴直徑較小時(shí)，料筒內(nèi)擠壓力變大，增加機(jī)器負(fù)擔(dān)。

圖3 噴嘴直徑對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果的影響Fig.3 Effect of nozzle diameter on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel

表2 顯示了不同噴嘴直徑下打印精度的差異。噴嘴直徑為0.84 mm時(shí)由于出料困難導(dǎo)致成型效果差，打印精度最低，與打印效果一致。隨著噴嘴直徑的增加，打印偏差減小。1.20 mm的噴嘴直徑打印精度最高，直徑和高度偏差顯著低于其他組（P<0.05）。當(dāng)噴嘴直徑增加到1.55 mm，高度偏差增大，這是由于線條較粗，堆積重疊性不好，從而引起高度的增加。此外，噴嘴直徑越小，打印時(shí)間越長?？紤]到打印效率和打印質(zhì)量，選擇1.20 mm的噴嘴直徑最為合適。

表2 噴嘴直徑對未漂洗鱘魚糜凝膠打印精度的影響Table 2 Effect of nozzle diameter on printing precision of unrinsed sturgeon surimi gel

2.3 打印速度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果和打印精度的影響

一般來說，噴嘴移動(dòng)速度與打印質(zhì)量以及打印效率密切相關(guān)[17]。圖4顯示了打印速度對魚糜凝膠成型效果的影響。由圖可知，不同打印速度下打印的樣品成型效果不同。噴嘴移動(dòng)速度為25 mm/s時(shí)，打印效果最好。當(dāng)噴嘴移動(dòng)速度小于25 mm/s時(shí)，在打印過程中物料擠出較為緩慢，導(dǎo)致堆積過度使線條變粗，打印樣品整體形狀偏“胖”；而當(dāng)速度大于25 mm/s時(shí)，容易導(dǎo)致物料擠出的速度跟不上打印速度而產(chǎn)生拉力，導(dǎo)致線條斷裂不連續(xù)，影響打印產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 打印速度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果的影響Fig.4 Effect of printing speed on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel

打印速度對打印時(shí)間和成型精度的影響如表3所示。由表中可知，當(dāng)打印速度為25 mm/s時(shí)，打印樣品的直徑與高度值與模型值最為接近。打印速度繼續(xù)增加對樣品直徑無顯著影響（P>0.05），但是高度上有所增加，這是因?yàn)榇蛴∷俣冗^快層與層之間來不及相互融合沉積，從而導(dǎo)致打印樣品實(shí)際高度偏大。而打印速度過慢引起線條變粗使得直徑和高度增大。打印相同的模型，不同打印速度的成型時(shí)間是不同的。速度越快，所需打印時(shí)間越短，打印效率越高。因此，打印速度設(shè)置為25 mm/s既可以保證一定的打印效率，又可以獲得較高的成型精度。

表3 打印速度對未漂洗鱘魚糜凝膠打印精度的影響Table 3 Effect of printing speed on printing precision of unrinsed sturgeon surimi gel

2.4 填充密度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果和打印精度的影響

填充密度即3D打印產(chǎn)品內(nèi)部填充率，反映了內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，其大小直接關(guān)系到3D打印產(chǎn)品能否保持穩(wěn)定性并維持自身形狀[18]。如圖5所示，在3D打印過程中測試了填充密度對3D打印樣品質(zhì)量的影響。正如成型效果圖所示，填充密度較?。?0%）時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙太大，會削弱整個(gè)樣品的支撐強(qiáng)度，無法保持形狀固定。填充密度不低于40%時(shí)均能成功打印，但是對打印質(zhì)量和打印精度的影響不同。當(dāng)填充密度為40%時(shí)，打印路徑轉(zhuǎn)折較多，導(dǎo)致打印過程中斷條現(xiàn)象嚴(yán)重，內(nèi)部線條混亂，打印質(zhì)量較低。隨著填充密度進(jìn)一步增加，斷條現(xiàn)象有所緩解，打印產(chǎn)品表面變得光滑，尤其是填充率達(dá)到100%時(shí)，斷條率低，打印結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成型性最好。金立明等[7]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)填充密度大于60%時(shí)鰱魚糜凝膠打印效果較好，且在填充密度達(dá)到100%時(shí)打印分辨率最高。這與本研究結(jié)果類似。

圖5 填充密度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果的影響Fig.5 Effect of filling density on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel

為了進(jìn)一步評估打印質(zhì)量，測定并計(jì)算了打印樣品實(shí)際尺寸與模型設(shè)定尺寸的偏差，如表4。隨著填充密度的增加，直徑偏差和高度偏差減小。填充密度超過60%后樣品具有良好的力學(xué)性質(zhì)，能夠支撐自身結(jié)構(gòu)，所以對樣品高度不會造成顯著性影響（P>0.05）。雖然當(dāng)填充密度為100%時(shí)會帶來打印時(shí)間的延長，但打印結(jié)構(gòu)完整，直徑和高度偏差顯著低于其他組（P<0.05）。

表4 填充密度對未漂洗鱘魚糜凝膠打印精度的影響Table 4 Effect of filling density on printing precision of unrinsed sturgeon surimi gel

2.5 擠出程度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果和打印精度的影響

圖6 是在不同擠出程度下魚糜凝膠的打印成型效果圖。根據(jù)圖6可知，擠出程度對魚糜成型性的影響較大，過高或者過低都會降低打印產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)擠出程度為100%時(shí)，打印樣品呈現(xiàn)出最好的成型效果，線條連續(xù)，打印結(jié)構(gòu)層次清晰。當(dāng)擠出程度低于100%時(shí)，物料擠出不足導(dǎo)致斷條率高，結(jié)構(gòu)混亂，無法成型，如圖6A所示；而當(dāng)高于100%時(shí)，整體打印效果較好，但物料過度擠出導(dǎo)致噴嘴移動(dòng)時(shí)會與打印樣品表面產(chǎn)生摩擦，使得外觀粗糙，見圖6D~6E。

圖6 擠出程度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果的影響Fig.6 Effect of extrusion degree on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel

擠出程度的不同也帶來了打印精度上的差異，如表5所示。隨著擠出程度的增大，樣品直徑和高度也逐漸增大。擠出程度100%時(shí)偏差最小，直徑偏差僅為-0.07%，與模型設(shè)定值最為接近。當(dāng)擠出程度為80%時(shí)，物料擠出不足，導(dǎo)致直徑和高度值偏??；當(dāng)擠出程度為120%時(shí)引起物料堆積，使得直徑和高度偏大，進(jìn)一步增大擠出程度，其打印偏差也增大。

表5 擠出程度對未漂洗鱘魚糜凝膠打印精度的影響Table 5 Effect of extrusion degree on printing precision of unrinsed sturgeon surimi gel

2.6 溫度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果和打印精度的影響

魚糜凝膠是一種具有剪切稀化行為的假塑性流體[19]，溫度升高會改變3D打印過程中魚糜漿料的流變特性，進(jìn)而影響樣品的打印精度和力學(xué)性能[12]。圖7展示了不同溫度對與魚糜凝膠成型效果及穩(wěn)定性的影響。從圖7中可以看出，當(dāng)溫度為25和30 °C時(shí)，打印成型效果較好。但是隨著溫度的升高，打印質(zhì)量逐漸下降，甚至無法成型。當(dāng)溫度為35 °C時(shí)，在打印過程中斷條現(xiàn)象嚴(yán)重，表面光滑度下降，打印質(zhì)量降低；而當(dāng)溫度超過40 °C，魚糜粘度降低更為明顯，表現(xiàn)出固態(tài)性質(zhì)，擠出時(shí)斷裂嚴(yán)重，不成線條，不適合3D打印。這可能是由于溫度的增加導(dǎo)致魚糜凝膠內(nèi)部蛋白分子結(jié)構(gòu)展開，形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得魚糜粘度降低[12]。

圖7 溫度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果的影響Fig.7 Effect of temperature on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel

不同溫度對魚糜凝膠打印精度的影響見表6。從表中可以得知，隨著溫度的升高，直徑偏差和高度偏差逐漸增大，且均為正偏差。當(dāng)溫度在25~30 °C，可以獲得打印質(zhì)量和打印精度較高的產(chǎn)品，25 °C時(shí)直徑和高度偏差最小。但溫度進(jìn)一步升高時(shí)，樣品打印精度降低。料筒溫度超過40 °C后，魚糜凝膠劣化，無法打印成型。

表6 溫度對未漂洗鱘魚糜凝膠打印精度的影響Table 6 Effect of temperature on printing precision of unrinsed sturgeon surimi gel

2.7 打印效果圖

通過上述打印參數(shù)的優(yōu)化，可以確定未漂洗鱘魚糜凝膠的最佳工藝參數(shù)：噴嘴直徑為1.20 mm，層高值為1.20 mm，打印速度為25 mm/s，填充密度為100%，擠出程度為100%，溫度為室溫25 °C。將打印過程中的參數(shù)調(diào)整為最佳工藝參數(shù)，對幾種不同的模型進(jìn)行打印，部分效果圖如圖8所示。打印過程中線條流暢，層與層之間粘合緊密，打印最終樣品結(jié)構(gòu)完整，表面光滑，打印效果較好，與模型基本一致。

圖8 不同模型打印效果圖Fig.8 Printing effect pictures for different models

3 結(jié)論

本研究表明，打印參數(shù)會影響成型效果和穩(wěn)定性，從而影響打印產(chǎn)品的質(zhì)量。噴嘴直徑和分層高度之間存在一定的關(guān)系，分層高度為每層打印厚度，噴嘴直徑?jīng)Q定了擠出線條的直徑。當(dāng)層厚值與線條直徑相同或略低于線條直徑，可以保證層與層之間很好地沉積粘合；而當(dāng)二者相差較大時(shí)會明顯降低打印樣品的表面精度。未漂洗鱘魚糜凝膠的最佳打印參數(shù)為：噴嘴直徑1.20 mm、分層高度1.2 mm、填充密度100%、擠出程度100%、打印速度25 mm/s和溫度25 °C，在此打印參數(shù)下可獲得高打印質(zhì)量的魚糜樣品。本研究為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量3D打印提供理論參考，并擴(kuò)大魚糜凝膠在3D食品打印領(lǐng)域中的應(yīng)用。