食品業界における3Dプリント技術の応用

この投稿は Coco Bear によって 2024-5-31 10:15 に最後に編集されました。

肉、チョコレート、パスタなどの食品の代替として食品 3D プリント技術の利用に大きな期待が寄せられていますが、食品 3D プリントは食品代替におけるその可能性をまだ十分に発揮していません。しかし、食品業界は依然として 3D プリントの導入が最も進んでいる (そして最も静かな) 分野の 1 つです。食品の直接 3D プリントとは異なり、食品および飲料の包装機械部品の付加製造は、チョコレートやパスタの 3D プリントほど世間の注目を集めていませんが、食品分野での 3D プリントを推進するキラーアプリの 1 つになる可能性があります。

食品・飲料製造業界は急速に成長している分野であり、加工機器市場だけでも2028年までに849億ドルに達すると予想されています。しかし、業界は、製造業者への高コスト圧力、労働力不足、サプライチェーンの混乱など、多くの課題に直面しています。

食品包装機械部品の製造に 3D プリントを使用する利点は明らかです。食品加工機械は、2,000 個を超える部品で構成される非常に複雑な機械構造をしており、その多くは在庫として保管する必要があるため、生産開始後に簡単に変更することはできません。また、多くの部品が複雑であるため、機械の動作を簡素化するために、プロ仕様の Formlabs や Ultimakers から工業用グレードの金属 PBF や金属バインダージェッティングシステムに至るまで、金属およびポリマー 3D 印刷技術を使用して部品に複雑さが加わることがよくあります。

金属 3D プリント食品生産ライン

△ K3Dが開発した3Dプリント生地切り取りツール

● 生地のカット：食品業界に参入した最初の3Dプリント企業の一つはAdditive Industriesで、同社は金属積層造形サービスプロバイダーのK3Dと提携して食品業界における生地のカットの問題を解決し、正確な生地のカットを通じてパンの品質を向上させました。再設計された生地カットロボットアームは、薄い空気膜を作り出してよりきれいなカットと生地の付着の減少を実現する多孔質ブレードなど、3Dプリントの利点を実証しています。多孔質ブレードには、ブレードのプリロードを調整できるリーフスプリング、ベアリング付きの一体型ヒンジ、重量を 90 パーセント削減するトポロジー最適化構造も備わっています。このナイフは、MetalFAB1 マシンを使用して 3D プリントされた SS316L ステンレス鋼で作られており、すべての食品安全要件を満たし、簡単に洗浄できます。 3D プリントにより、K3D は追加コストなしでさまざまな種類の生地に合わせてカッター設計をカスタマイズできるようになりました。20個の部品を 1 つに統合し、リードタイムを短縮し、生産コストを 60% 削減し、生産能力を 20% 向上させました。

● ビール製造: ハイネケンは、スペインのセビリアにある自社のビール醸造所で、生産効率を向上させるために UltiMaker の 3D プリント技術を使用しています。年間5億リットルのビールを生産するセビリア工場は、部品当たり70～90％のコスト削減、ライン稼働時間の増加、柔軟性の向上、従業員の安全性の向上など、3Dプリント技術の価値を探求するために3Dプリントラボを設立しました。最初の成功したアプリケーションは、視認性を高めるために明るい赤色で印刷された、機械メンテナンス用の改良された安全ラッチを作成することでした。これにより安全性が向上するだけでなく、従業員の 3D プリントに対する意識も高まります。

△ 3Dプリントパンケーキ焼き上げ生産ライン

● パンケーキ焼き：Kaak は 3D プリント会社 Materialise と協力し、パンケーキ焼きの生産ラインを改善して廃棄物を削減しました。パンケーキを作る工程は、パンケーキの生地を工業用オーブンの大きな皿の上で焼くことから始まります。しかし、パンケーキをベーキングパンから取り出すときに、持ち上げる機構が粘着性のある生地で詰まって廃棄物が蓄積し、生産ラインに遅れが生じることがよくありました。粘着性のある生地が機械を汚したため、チームは清掃のためにライン全体を止めざるを得ませんでした。遅延と過剰な無駄は効率の低下を意味します。材料と印刷パラメータを決定した後、K3D チームは Materialise Magics とそのモジュールを使用して部品の再設計を開始しました。新しい設計は、空気の循環を可能にする内部チャネルと多孔質金属部品を備えた完全なコンポーネントであり、ラインごとにパンケーキの廃棄物が数千キロ削減され、生産性が10％向上しました。これは、プロセスの改善により年間85,000ユーロの節約に相当します。

食品グレードポリマー3Dプリント機械部品

● 金属部品の交換：ハイネケンは、交換が難しい部品の製造に 3D プリント技術を使用してコストを削減し、金属部品の代替としてプラスチック部品を印刷します。セビリア醸造所は、Ultimaker S5 プリンターを導入して従業員の安全性の向上、納期の短縮、コストの削減に成功しました。平均して、印刷された部品は外部調達よりも 80% 速く納品され、コストも 80% 削減されます。

● 乳製品の包装加工：Ultimaker のイタリアのパートナーである 3DItaly は、アーモンドミルクやその他の代替乳製品を生産する Policom 向けにツールやその他の部品を生産しています。 Policom では、アーモンドペーストの袋を充填するためのカスタムホッパーが必要でした。このコラボレーションは、生産チェーンに組み込むことで効率を高め、コストを削減できるカスタムツールの設計に重点を置いています。 3DItaly は UltiMaker 3D プリンターを使用することで、急速に変化する市場の需要に対応しながらシステム全体の効率を向上させるOEE (総合設備効率) を達成できました。 3D プリントは、外注生産を待つことなく迅速に対応できる手段を提供し、3D プリントで一晩で製造されたサンプルパッケージを使用して生産ラインをテストすることができます。

金属3Dプリントとポリマー3Dプリントを組み合わせる

金属代替品としてのポリマー 3D プリントの高い生産性と経済性は、バインダージェッティングや、結合金属フィラメントプリントなどの結合金属/焼結ベースの方法を使用した金属 3D プリント部品の汎用性と組み合わされています。

● 魚の切り身の生産: Desktop Metal は金属 3D プリント技術のリーダーであり、食品および飲料業界の複数の企業と協力してきました。 Desktop Metal の Studio System 組み立てシステムは、Curio 魚切り身機用の 316L ステンレス鋼部品の製造に使用されます。一方、魚加工機器メーカーのキュリオは、魚が切り身機を通過する際にナイフから魚に伝わる1度の熱量を測定した。 Curio は 3D プリントの設計の自由度を活かして、機械の各部に氷水が流れるように内部チャネルを追加しました。層ごとの 3D プリントにより、冷却チャネルを設計に簡単に追加して熱交換を相殺できますが、従来の方法では実現が非常に困難でコストがかかります。従来の方法で新しい Curio フィレ機の最初の部品を組み立てるには、金属鋳造品を作成するために 54 ～ 58 週間のリードタイムが必要でしたが、Desktop Metal Studio System を使用することで、Curio は数週間で部品を入手し、生産を遅らせることなく新しい機械を市場に投入することができました。

△ハドソンバレー・アディティブ・マニュファクチャリング・センターが3Dプリント技術を用いて製造したステンレススチール製ドラムガード

● 迅速な食肉加工: JBT は、食品加工業界の高価値分野にサービスを提供する世界有数のテクノロジーソリューションプロバイダーです。 JBT の Adaptive 3D Portioning System は、鶏肉、肉、魚介類を迅速に処理するための大規模で非常に複雑なシステムです。 JBT は、ハドソンバレー・アディティブ・マニュファクチャリング・センター (HVAMC) の 3D プリント技術を利用して、システムのステンレススチール製ドラムガードを製造しました。

● 赤肉加工：複合材 3D プリントと手頃な価格の結合金属 3D プリントによる金属代替アプリケーションを専門とする企業である Markforged は、オーストラリア赤肉加工会社 (AMPC) と提携して、世界で初めて 3D プリントをサービスモデルとして試験運用しました。この3年間の試験は、オーストラリア全土の赤身肉加工業者が機器部品の印刷や機器メンテナンスの改革によって恩恵を受け、肉製品の継続的な供給を確保できるようにすることを目指しています。このプロジェクトには、Markforged X7 カーボンファイバー 3D プリンター 2 台が使用され、「購入前に試用」できる条件で製造施設に納品されました。処理工場の従業員は、恒久的なデバイスを購入することが良い投資であるかどうかを評価できるように、プリンターの使用方法についてトレーニングを受けました。

● 冷蔵室用蒸発器ブレードの製造: Casino Food Co-op は、AMPC、コニカミノルタ、Markforged の 3D プリントソリューションを使用して、冷却室の温度を最適化する蒸発器のファンブレードを製造しました。 1 枚のブレードが不安定になると、蒸発器全体が故障し、冷蔵庫が最高の性能を発揮できなくなります。蒸発器の OEM が稼働しなくなったため、新しいブレードの製造コストが非常に高くなります。 3D プリント技術を使用すると、業務全体でコストのかかるダウンタイムを回避できます。

ここで言及した 3D プリント企業のほとんどが、3D プリント市場への新規参入企業であることは注目に値します。予想通り、従来の市場リーダーの多く (EOS、Stratasys、3D Systems) も食品業界に参入しています。食品業界における 3D プリントの可能性は明らかであり、市場規模は人々が考えるよりもはるかに大きい可能性があります。

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