食品向け 3D プリントというと、チョコレートを押し出してかっこいい装飾的な形にする様子を思い浮かべるかもしれませんが、実際には付加製造が業界を舞台裏で変革し、食品および飲料加工機器の安全性と生産性を高め、約600 億ドル規模の業界にまったく新しいイノベーションをもたらしています。

Discovery TV の「How it’s Made」のエピソードを見たことがあれば、固体、半固体、または液体の食品や飲料を洗浄、切断、混合、渦巻き、層状、伸張、成形、または成型する複雑な工程を目にしたことがあるでしょう。そして、それはすべて、ルーブ・ゴールドバーグ・マシンによく似た複雑な組立ラインで包装される前のことです。

全体として、食品・飲料業界は、品質と衛生に関する厳格な基準を満たす必要のあるタスクを実行する、数十万の複雑な機械部品とアセンブリのシンフォニーです。多くの場合ステンレス鋼で作られた金属部品は、安全上の理由から業界標準の素材となっています。

しかし、複雑な金属部品の製造と成形には課題が伴います。そこで、積層造形とも呼ばれる 3D プリントが付加価値ソリューションを提供します。部品を層ごとに構築することで、CNC 加工やその他の従来の金属製造方法の多くの制限がなくなり、設計の柔軟性が向上するほか、食品および飲料加工機器メーカーに数多くのメリットがもたらされます。

食品・飲料業界と連携し、金属 3D プリント技術のリーディング カンパニーである Desktop Metal は、食品・飲料業界が金属 3D プリントに移行する主な理由を次のようにまとめています。

[3Dプリント金属部品]

Curio 魚切り身機に組み立てるために、Desktop Metal Studio システムで 3D プリントされた 316L ステンレス鋼部品

1. パフォーマンスの向上

あらゆる加工機器の最高の性能基準は、それが生産する製品の品質と効率です。魚加工機器メーカーの Curio は、切り身機で加工される魚へのナイフから 1 度の熱伝達を測定しました。「熱の増加は、品質の低下と保存期間の短縮を意味します」と Curio の創設者 Elliði Hreinsson 氏は述べています。

付加製造の設計自由度を利用して、Hreinsson 氏は機械の部品に氷水が流れる内部通路を追加しました。層ごとに 3D プリントすると簡単に設計に追加できる冷却チャネルは、熱交換を相殺しますが、従来の方法では実現が非常に困難で費用もかかります。「コンポーネント内に内部冷却チャネルを組み込むことで、[熱伝達] を打ち消し、魚を新鮮に保つことができます。収穫量を増やし、鮮度を高めています」と Hreinsson 氏は言います。

2. 合理化された組み合わせ部品

3D プリントの設計の自由度により、メーカーは複数の部品からなる組み合わせ部品をより単純な一体型部品に統合して、細菌が蓄積する可能性のある溶接部や接合部を排除しながらパフォーマンスを向上させることもできます。

たとえば、金属 3D プリントが登場する前は、一部の食品機器の流体通路にはプラスチック チューブが必要とされることが多かったのですが、これは、従来の製造方法では金属での設計が簡単には製造できず、部品数が増え、アセンブリが複雑になるからです。しかし、3D プリントでは、内部チャネルがすでに組み込まれた 1 つの金属設計として複雑な部品を簡単に構築できます。

さらに、設計を統合すると軽量化という追加の利点が得られることが多く、機器の耐久性が向上します。特に食品業界では、消毒する個々の部品が少なくなり、清掃が簡単になります。

金属 3D プリントは、食品および飲料業界を変革し、機器の安全性と耐久性を向上させる新たなイノベーションをもたらします。

[複雑な機械アセンブリ]

食品および飲料加工機器の複雑な機械アセンブリは、金属3Dプリントの製造の俊敏​​性から恩恵を受けています。

3. 衛生管理の強化

食品加工業界では安全性が不可欠であり、3D プリントの設計の自由度により、製品開発者は従来の製造で必要な接合部や角度を排除できるため、衛生的な設計に役立ちます。

ステンレス鋼やチタン合金など、食品との接触に適した材料は、デスクトップ メタル 3D プリンターでオンデマンド生産できます。316L ステンレス鋼は、耐久性、耐腐食性、非多孔性、清掃しやすい衛生的な特性を備えているため、食品加工機器にとって重要な材料です。

いくつかの食品および飲料加工機器メーカーは、食品製品に使用するためにデスクトップ メタル 3D プリンターを使用しており、顧客は 3D プリントされた部品を NSF 規格 51 および 61 に適合させています。

4. オンデマンド生産

食品加工機械は、2,000 を超える部品で構成される非常に複雑な機械アセンブリであり、その多くは在庫として保管する必要があり、その結果、生産開始後に簡単に変更することはできません。

しかし、従来の製造方法のように個別の部品を個別に製造する場合のコストやリードタイムを必要とせず、デジタル ファイルから直接構築することで、製品開発部門はプロセス効率を最適化し、コストを削減できます。3D プリントには金型やその他のツールが必要ないため、設計者は製品が製造された後でも必要に応じて自由に反復作業を行うことができます。

金属 3D プリントを統合することで、メーカーはプロトタイプを迅速にテストし、設計を検証し、最終用途向けに同じ部品をバッチ生産で印刷できます。新しい Curio 魚切り身機の組み立て用の最初のロット部品には、以前は金属鋳造型を作るのに 54 ～ 58 週間のリードタイムが必要でした。Desktop Metal Studio System により、Curio は数週間以内に部品を入手し、生産を遅らせることなく新しい機械を市場に投入できるようになりました。

各コンポーネントの設計をカスタマイズするのは簡単なので、継続的な反復が可能になり、生産環境でテストおよび使用される際に製品のユーザー エクスペリエンスが向上します。たとえば、特定の種類の魚の皮が Curio マシンに詰まった場合、同社はその種類に合わせてわずかに異なる角度のブラケットを簡単に印刷できるため、新しいツールを待つことなく、または新しいツールのコストをかけずに、パフォーマンスを最適化できます。

5. 業務効率

加工機 1 台につき数千の部品があるため、食品・飲料機器の製造や交換部品の提供は煩雑です。しかし、金属 3D プリントを使用すれば、メーカーは倉庫在庫を持たずに、デジタル ファイルからオンデマンドで部品を製造できます。Curio の創設者 Elliði Hreinsson 氏は、「さまざまな部品を倉庫に保管せずに、316L ステンレス鋼を在庫として印刷するだけで、作業が簡素化されます。材料をプリンターに入れると、注文したものが取り出せます」と述べています。

3D プリントは、機械の適切な操作に不可欠な器具の製造において、数え切れないほどのメリットをもたらします。積層造形による設計の柔軟性により、人間工学に基づいた使いやすいツールの開発が可能になり、精度と製造品質の標準化にも役立ちます。さらに、加工ラインでのロボット アームの使用が増えるにつれて、3D プリントの設計の自由度で作られた軽量コンポーネントは、ロボットが処理できる製品の容量を最大限に高めるために不可欠です。

金属 3D プリントの設計自由度を利用して開発された統合された軽量で最適化された部品により、食品加工機器会社は、複数の機能を果たす機械用の複雑な部品を作成できます。下のステンレス鋼ローラー ガードの写真は、食品加工業界の高価値セグメントにテクノロジー ソリューションを提供する世界有数の企業である JBT のために、Hudson Valley Additive Manufacturing Center (HVAMC) で 3D プリントされました。ローラー ガイド ソー ノズル ブロックは、鶏肉、肉、魚介類を迅速に処理するための大規模で非常に高度なシステムである JBT の Adaptive 3D Portioning System の一部です。

[より速い機械開発]

ローラーガイドソーノズルブロック、JBTのアダプティブ3Dポーションシステムの一部、デスクトップメタルスタジオシステムで3Dプリント

「このシステムは、ウォータージェットと機械切断システムの両方を同時に使用します。限られたスペースで複数の異なる目的を果たす必要があったため、部品は小さく複雑になっています。」

ダン・フリードマン、理工学部学部長兼 HVAMC ディレクター。