Prof.Dr. Semih Ötleş

Prof.Dr. Semih Ötleş

Gıda Kimyası

Gıda sektöründe üç boyutlu yazıcıların kullanım olanakları

Üç boyutlu yazıcıların kullanımı, gıda sektöründe kişiye özel beslenme içeriğinin, gıdalarda tekstürün geliştirilmesinde ve karmaşık geometrili 3D yapıların üretilmesinde büyük bir potansiyele sahip bir teknolojidir.

Müge Soylu

Ege Üniversitesi, Gıda Mühendisliği Bölümü

Onur Ötleş
Ege Üniversitesi, Bilgisayar
Mühendisliği Bölümü

Semih Ötleş
Ege Üniversitesi, Gıda Mühendisliği Bölümü

Özet
Üç boyutlu yazıcıların kullanımı, gıda sektöründe kişiye özel beslenme içeriğinin, gıdalarda tekstürün geliştirilmesinde ve karmaşık geometrili 3D yapıların üretilmesinde büyük bir potansiyele sahip bir teknolojidir. Bu sebeplerden dolayı üç boyutlu yazıcılar, gıda sektöründe üretim aşamalarına yepyeni bir soluk kazandıracaktır. Geleneksel üretimler ile tüketicilere sunulan şekerlemeden makarna üretimine kadar geniş alanlarda bu sistemlerin kullanılma çalışmaları yaygınlaşmakta ve gün geçtikçe başarılı sonuçlar vermektedir.

Abstract
The use of 3-Dimensional (3D) printing, technology in food sector has a great potential to fabricate 3D constructs with complex geometries, elaborated textures and tailored nutritional contents. Thus, 3D technology is driving major innovations in food industry. Utilization of these systems are becoming more widespread than traditional methods in production of different foods being introduced to consumers and they give promising results.

1. Giriş
Üç boyutlu yazıcı teknolojileri son yıllarda hızla gelişmekte ve birçok sektörde başarılı sonuçlar vermektedir. Gelişen üç boyutlu yazıcı teknolojisi endüstriyel ve mimari tasarımlarda, inşaat ve otomotiv sektöründe, tıp ve dişçilik alanlarında, gıda endüstrisinde, eğitimde, coğrafi bilgi sistemlerinde ve farklı alanlardaki bilimsel çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Bu uygulama alanlarından biri olan gıda sektöründe üç boyutlu yazıcı teknolojilerinin kullanılması üretim açısından yenilikler sunmaktadır. İsteğe göre tasarlanabilen farklı şekillerde ve özellikte çikolata, şekerleme, kurabiye, pizza, makarna ve daha birçok gıdanın üretiminin yanı sıra dekorasyon veya yüzey dolgusu amaçlı da kullanılmaktadır.
Hızlı prototipleme olarak da bilinen üç boyutlu yazıcı teknolojisi, farklı malzemelerin ve teknolojinin kullanılması ile üç boyutlu modelleri katmanlara ayırmakta ve bu katmanların aşamalı olarak üst üste yığılmasıyla tasarlanan modeli somut bir ürün olarak ortaya çıkarmaktadır.
Bu teknolojilerde, nesneye özgü kullanılan herhangi bir alet veya kalıp olmadığı ve insan eli değmeden üretim yapılabildiği için birçok avantaja sahiptir. Üretim verimliliğini artırırken, kişiye özel tasarlanmış gıda ürünleri için üretim maliyetini düşürmektedir.

2. 3D Yazıcı Makineleri

Üç boyutlu yazıcı teknolojisi diğer bilinen adıyla katkılı üretimin amacı, ince katmanların aşamalı olarak eklenmesi ile iki boyuttaki nesneleri istenen üç boyutlu nesneler haline getirmektedir.
Katkılı üretim geleneksel üretim ile karşılaştırıldığında, birçok teknik ve ekonomik avantajlara sahip olduğu görülmektedir. Bu avantajlar arasında; ürünlerin tasarım süresini kısaltma, montaj hatlarına yakın parçaların üretilmesi, karmaşık geometriye ve mekanik özelliklere sahip olan fonksiyonel parçaların üretilebilmesi verilebilir.
Üç boyutlu yazıcı sistemlerinde ortaya çıkacak ürün özelliklerine ve kullanılan malzemelere göre farklı teknikler kullanılmaktadır. Gıda endüstirisinde genellikle selektif lazer sinterleme (SLS), ergimiş yığma modelleme (FDM), bağlayıcı jet (Binder jetting) ve mürekkep jet (Inkjet printing) ile püskürtme sistemleri yer almaktadır.

Kullanılan teknikler arasındaki en belirgin fark, katmanların nasıl yığıldığıdır. Bazıları malzemeyi eritip yumuşatarak katmanları oluşturur, diğerleri ise sıvı haldeki malzemeleri doğrudan yığar ve yığma işleminin hemen ardından malzeme sertleştirilerek ürüne son hali verilir.

3. Kullanılan Yazılımlar

3D yazdırma yazılım araçları da isimlerine, fonksiyonlarına, yeterlilik seviyelerine, ücretlerine ve sistemlerine göre aranabilir ve sıralanabilir. 3D yazılım seçerken, özellikle yeni başlayanlar için, öğrenilmesi ve kullanılması kolay olan bir tane seçilmelidir. İstenilen kalite seviyesinde ve istenen görevi gerçekleştirecek biri seçilmelidir. En üst düzey yazılımlar pahalıdır, ancak her zaman ücretsiz kullanılabilecek ve bir şeyler yaratılabilecek yazılımlar mevcuttur (Tablo 1).

                       

Ücretsiz yazılımlara “Blender” yazılımını örnek verebiliriz. 3D yazıcıların çoğu, STL (Stereolitografi) formatında nesneleri kaydedebilecek 3D bilgisayar grafikleri yazılımının kullanılmasına ihtiyaç duyar.


En yüksek skorlu 3 boyutlu yazıcıda kullanılan üç yazılım:

Blender yazılımı, en büyük ve en aktif 3D yazdırma topluluğudur. Bu popülaritenin iki nedeni vardır: Birincisi; Blender yazılımı, kullanıcılarına sayısız araçlarıyla birlikte muazzam bir tasarım özgürlüğü sağlar. İkincisi; ücretsiz açık kaynak bir yazılımdır. Ancak Blender yazılımı yeni başlayanlar için zor olarak nitelendirilir.
SketchUp yazılımı, gözlenen her bir kategoride iyi puana sahip bir yazılımdır. Yeni başlayanlar için ideal ve uygun bir öğrenme eğrisine sahiptir. Asıl olarak mimarlar ve yapı mühendisleri için bir 3 boyutlu fikir geliştirme aracı yaratma amacıyla 2001 yılında üretilmiştir. Sade bir arayüzü vardır. Kullanımı kolay bir 3 boyutlu görselleştirme yazılımı olarak pazarlanmaktadır.
Windows’a entegre ilk 3 boyutlu katı modelleme (3D CAD) yazılımıdır. Tek bir çizgi çizmeden parça ve montaj modelinin teknik resimlerini çıkartır. İnternette bulunabilecek birçok ücretsiz eğitim notu ile kolaylıkla öğrenilebilir. SolidWorks makine, mobilya, plastik/saç kalıpçığı, otomasyon, mekatronik, endüstriyel ürün tasarımı gibi birçok alanda kullanılmaktadır.

4. Gıda Sektöründe 3D Uygulamaları 

Gıda maddelerinin tasarlanmasında farklı 3D yazıcı sistemleri kullanılabilmektedir. Bu sistemler, kullanılacak hammaddeye göre (sıvı veya toz bazlı) sınıflandırılır (Tablo 2).

              

Sıvı bazlı malzemelerin yığma işlemi, ekstrüzyon ve mürekkep jeti ile püskürtme işlemleri vasıtasıyla gerçekleştirilebilir. Toz esaslı malzemelerde ise bir ısı kaynağının (lazer veya sıcak hava) veya partikül bağlayıcı uygulanmasının ardından yığma işlemine geçilir.

3D yazıcı uygulamaları gıda endüstrisinde çikolatadan makarnaya farklı dizaynlarda başarılı sonuçlar vermektedir (Şekil 1).
Gıda sektöründe; çikolata baskısı için ergimiş yığma modelleme (sıcak erimiş ekstrüzyon), pizza baskısı için oda sıcaklığında ekstrüzyon, şeker baskısı için güç yatağı bağlayıcı jeti ve dekorasyon veya yüzey doldurma için mürekkep jeti gibi ileri düzeyde makine tasarımları geliştirilmiştir.
Mürekkep jeti yazıcı sistemleri, şırınga tipli yazıcı başlığı sayesinde damlacık akışı sağlayarak kurabiye kek ve hamur işi ürünlerin üretiminde kullanılmaktadır.

Şekil 1. 3D yazıcı teknolojisyle üretilmiş farklı şekillerdeki gıda ürünleri örnekleri

                                                        


3D yazıcı sistemleri gıda endüstrisinde parametrik yemek tariflerinde de farklı konseptlerde karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmalara örnek niteliğinde pizza yapımı verilebilir. Pizzada kabuk kalınlığı, hamurun gevrekliği, sos miktarı ve peynir, tüm bunlar tüketicilerin tercihlerine göre modifiye edilebilirken, pizza boyutları, sos ve ekmeğin bileşimi tüketicilerin sağlık bilgilerine ve aktivite düzeylerine göre tasarlanmıştır (Şekil 2).


Şekil 2. Hamur (a), sos (b) ve peynir (c) ile özel şekilli pizza baskısı

              

Üç boyutlu yazıcı teknolojileri grup halinde üretimin gıda ürünlerinde yalnızca şekilsel değil, içerik olarak da gelişmesine imkan sunmaktadır. Kişiler hakkında biyometrik verilerinin daha yaygın kullanılmasıyla, kişisel tat tercihlerinin yanı sıra birey sağlığı ve aktivitesi için gıda içeriğinin uyarlanması mümkün hale gelecektir.
Gıdaların sahip olduğu vitaminler, besleyici maddeler ve alerjen içeriği, bunun yanısıra kalori içeriği ve porsiyon büyüklüğü, bu otomatik üretim sistemleri ile belirlenebilmekte ve kontrol edilebilmektedir.

5. Sonuç
3D yazıcı teknolojisi, sahip olduğu avantajlar ile diğer uygulama alanlarında olduğu gibi gıda sektöründe de oldukça başarılı çalışmalar ve sonuçlar vermektedir. Geleneksel gıda üretimlerinde kullanılan farklı ekipman, kalıplara ihtiyaç duyulmadan yalnızca ham madde ve bilgisayar tasarımı ile gerçekleştirilebilmesi 3D yazıcı sistemlerini öne çıkarmaktadır.
Bu yeni teknolojinin gelecekte gıda sektörünün üretim ve tedarik zincirinde büyük bir potansiyel oluşturacağı açık şekilde görülmektedir.
Kaynaklar

Feng P. Meng X. Chen J. Ye L. 2015. Mechanical properties of structures 3D printed with cementitious powders, Construction and Building Materials 93: 486–497.
Godoi F. C. Prakash S. Bhandari B. R. 2016. Review, 3D printing technologies applied for food design: Status and prospects, Journal of Food Engineering 179: 44 - 54.
Jia F. Wang X. Mustafee N. Hao L. 2016. Investigating the feasibility of supply chain-centric business models in 3D chocolate printing: A simulation study, Technological Forecasting & Social Change 102: 202–213.
Lipton J.I. Cutler M. Nigl F. Cohen D. Lipson H. 2016. Additive manufacturing for the food industry, Trends in Food Science & Technology 43: 114 - 123.
Sun J. Peng Z. Zhou W. Fuh J.Y.H. Hong G.S. Chiu A. 2015. A Review on 3D Printing for Customized Food Fabrication, Procedia Manufacturing Volume XXX,
1–12.
Yampolskiy M. Skjellum A. Kretzschmar M. Overfelt R. A. Sloan K. R. Yasinsac A. 2016. Using 3D printers as weapons, International Journal of Critical Infrastructure Protection.
www.3dprintingforbeginners.com
https://all3dp.com/
www.shapeways.com/
https://i.materialise.com
https://tr.wikipedia.org

Kasım 2016 sayısının 110.sayfasında yayımlanmıştır.

Yazarın diğer yazıları