EP4096899A1 - Verfahren und einrichtung zum 3d-drucken - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum 3d-drucken

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Publication number
EP4096899A1
EP4096899A1 EP21701389.5A EP21701389A EP4096899A1 EP 4096899 A1 EP4096899 A1 EP 4096899A1 EP 21701389 A EP21701389 A EP 21701389A EP 4096899 A1 EP4096899 A1 EP 4096899A1
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EP
European Patent Office
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product
printing
masses
printed
product body
Prior art date
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Pending
Application number
EP21701389.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Windhab
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Berner Fachhochschule
Original Assignee
Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Berner Fachhochschule
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ, Berner Fachhochschule filed Critical Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Publication of EP4096899A1 publication Critical patent/EP4096899A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/753—Medical equipment; Accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for 3D printing of foodstuffs, pharmaceutical products, cosmetic products, composite products made of plastic or ceramic.
  • the invention also relates to a device for carrying out such a method.
  • the invention also relates to products manufactured according to the method according to the invention and a control or regulation for a device according to the invention. Finally, the invention relates to the use of products printed according to the invention.
  • US Pat. No. 6,280,784 B1 describes various devices and procedures for producing foodstuffs using flowable components that are either applied in the form of a strand to a table-like base movable in three dimensions or can be fed in the form of a mixture to a metering device working with gear wheels. From this, the mass flow is divided into different channels, which lead to different nozzles, which in turn are connected to different feed devices, by means of which further additives, for example edible colors, can be fed to the strands discharged through the different nozzles. Strands of mass applied through nozzles are applied in layers and arranged one on top of the other in the form of strips to form a body.
  • the feed device can be computer-controlled, the materials to be printed being supplied by pumps, extruders or valve controls. If individual nozzles are provided, they are rigidly connected to one another and cannot be controlled separately from one another in order to work independently of one another. Multi-scale work with high accuracy is not possible in this way.
  • a printing device is described in WO 2014/110590 A1. With this printing process, no value is placed on dimensional accuracy. The applied masses are arranged layer by layer on top of one another. Larger bodies cannot be printed with this device.
  • WO 2017/215641 A1 shows a printing device with several strongly interconnected nozzles which cannot be controlled independently. Larger bodies cannot be printed with this device.
  • WO 2019/199505 A1 describes a printing method for producing vitamin and / or pharmaceutical preparations. Multi-scale printing in the 3D area is not possible with this method.
  • the invention is based on the object of proposing a method for 3D printing of product bodies in the 3D printing process, which allows the printing of product bodies or product body parts, which consist of several differently functionalizable mass flows and product structures with different length scales, with relatively high accuracy industrial conditions with relatively high product speeds according to the invention at the same time. Furthermore, the invention is based on the object of creating a device for carrying out the method according to the invention which, under industrial conditions, enables the production of 3D product bodies or 3D product body parts with relatively narrow tolerances and, according to the invention, at the same time relatively high output rates, the product bodies or Product body parts consist of several differently functionalizable mass flows and have dimensions on different length scales.
  • the invention is also based on the object of creating product bodies or product body parts which can be produced with the method according to the invention under industrial conditions with relatively narrow tolerances compared to conventional methods.
  • the invention is based on the object of providing suitable uses for products produced by the process according to the invention.
  • the invention is based on the object of providing a control or regulation for a device according to the invention.
  • the method according to the invention enables the simultaneous printing of relatively large-sized product parts by means of nozzles with correspondingly adapted large diameters and thus connects synchronously running printing processes for product parts which have medium or smaller dimensions with corresponding nozzles medium / small diameter.
  • These printing processes on different characteristic length scales interlock in such a way that the corresponding product parts of different dimensions are joined to one another and thus the multi-scale synchronous printing process connects an "assembly" of corresponding product parts synchronized with the printing process.
  • the interaction of the corresponding apparatus / process engineering components for at least two, preferably more than two, printed part product body sizes / printed part sizes is implemented according to the invention via a combined printhead device concept, which is subject to coordinated control or regulation in conjunction with communicating robots.
  • the flow properties of the individual product sub-streams for printing product bodies or product sub-bodies of different sizes can be set separately and also separately certain functionalizations with regard to the resulting product properties can advantageously be carried out precisely and can be placed in a defined manner in the product.
  • product parts i.e. printed product bodies or product body parts with larger dimensions
  • a flow limit can be significantly reduced and, on the other hand, only an interfacial tension / wetting effect can be used to ensure sufficient dimensional stability of the printed product body or product body part.
  • a product body or a product body part can be generated which, for example, in coordination with the physiological conditions in the consumer's mouth or digestive tract, ensures an improved effectiveness of the function to be achieved (for example aroma intensity, digestibility / bioavailability).
  • an improved effectiveness of the function to be achieved for example aroma intensity, digestibility / bioavailability.
  • Printed surface structures are considered suitable for enhancing both sweet and salty taste sensation, which means that sugar and / or salt do not have to be added to certain products in their total mass, as is usual. Likewise, printed surface structures allow the development of certain wetting properties of the tongue and palate and the associated possibilities of generating "fat-like" sliding properties to be adapted.
  • new types of products / product bodies or product body parts can be achieved with product qualities that are considerably better than previous products in terms of functionality and potential savings in functionalizing ingredients. enzien, and which, moreover, can be produced in the future with high throughput rates with high dimensional accuracy that can be achieved according to the invention at the same time. Furthermore, the new product qualities and functionalities implemented, for example, are of great interest from the consumer / user perspective with regard to their sensory preference, as well as nutritional aspects relevant to health.
  • the synchronous multi-scale 3D printing (SYMUS) technology according to the invention can offer new production options in the food, cosmetics, building materials, pharmaceuticals, ceramics, plastics and chemical industries in the future.
  • control algorithms and recipes in a central computer unit that control and regulate two or more, in particular multi-axis robots with suitable printing devices, these robots moving printing devices in a controlled or regulated manner and the masses to be printed from suitable storage containers, for example Chocolate masses or chocolate-like masses, the pressure devices controlled and regulated recipe specifically feed in order to produce suitable printed product body parts therefrom, for example from chocolates or the like.
  • the robot systems coupled with these printing devices can place products on suitable transport devices, for example continuously or intermittently driven conveyor elements, which convey the printed products away in order to either feed them to a suitable packaging station and / or storage station.
  • suitable transport devices for example continuously or intermittently driven conveyor elements, which convey the printed products away in order to either feed them to a suitable packaging station and / or storage station.
  • one or more computer units to control and / or regulate a large number of robots with their printing devices in order to simultaneously print identical or different printed product bodies, for example chocolates with different fillings, on conveying devices arranged in parallel and / or one behind the other.
  • Heating and cooling devices can be assigned to the printing devices individually or separately in order to print the product bodies or product body parts to be printed.
  • the sizes of the nozzles and their geometry can be adapted to the product or product part, whereby the potential of simultaneous processing on different size scales is fully exploited.
  • the method proposed here allows, in particular, non-symmetrical products to be produced at high speed with great advantage, since the shape is highly variable due to the additive structure and the interaction of several extrusion and / or printing systems and, in principle, of one to the other product can be adapted very variably and quickly. It is also to be assessed as particularly advantageous that a product is built up from a plurality of masses, and this also at a significantly higher production speed in comparison to existing processes, which also means that local texture, taste and aroma-sensory properties of a product are also problem-free. ducts can be adjusted. In particular, the non-symmetrical arrangement of masses, which can also be composed differently, leads to a high degree of freedom with regard to the setting of sensory properties, in the case of foods, for example with regard to the perception of sweetness or the perception of aromas.
  • a particular advantage is the high dimensional accuracy, which depends on the one hand on the precision of the movement and repositioning of the printing units or the associated robotics units and on the other hand also on the shape retention and the solidification properties of the masses involved.
  • a high dimensional accuracy will achieved through optimal coordination of the material or its flow and solidification properties with the production process. In the case of products that require extremely high dimensional accuracy, this can be ensured, for example, by a higher resolution using a device that prints on a micro-length scale ( ⁇ 100 micrometers print resolution), for example in the areas of the object to be printed close to the surface.
  • product bodies and product body parts can be printed with high dimensional accuracy according to industrial standards.
  • Product parts can consist of various types of material structure, for example emulsions, suspensions (high density) or foams (low density).
  • a particular advantage of the method according to the invention is that these different types of material can be placed next to one another in a product without any problems and can be present largely unmixed and thus new sensory perceptions can be derived. All these types of material structure can be processed without any problems and placed with suitably adapted extrusion and / or jet printing devices, optionally and in variable form (for example, strand or drop form).
  • the achievable production speed of a product depends on the functionalities and the associated arrangement of the individual printing mass parts in the product.
  • Simple, preferably axially symmetrical products made of three materials for example partial hollow body material / filler material / surface structuring material), in which the latter is applied by jet printing, achieve production times of a few seconds.
  • Claim 2 describes a method in which the product body produced is manufactured with a dimensional stability (FH) of> 95%, this being a measure of a deviation in the product body dimensions or product body part dimensions and / or the cross-sectional shape dimensions of the printed product body or product body parts from Target value ⁇ 5% is established.
  • FH dimensional stability
  • extrusion and / or jet printing processes are used for production, the discharged masses being connected to one another by sintering, gluing or welding with already discharged, solidified and / or partially solidified masses / mass parts.
  • connection of the newly applied masses with already partially solidified or solidified materials is essential.
  • the connection is made by partially remelting or sintering the already (partially) solidified mass through part of the thermal energy of the newly applied mass.
  • sticking can also occur, and with special processes also welding, for example with the aid of a further energy source such as a laser.
  • the degree of connection between two layers can be controlled by precise control of the temperatures or the specific energy input, so that on the one hand functional product properties of the specifically functionalized masses are largely retained or on the other hand the texture of a food in the case of defined structural changes in a remelted one Layer can also be used for targeted structure / texture setting.
  • Claim 4 describes a method in which the degree of bonding, sintering or welding is determined by the mass-specific process parameters, such as temperature and / or extrusion pressure and the material-specific parameters of flow behavior, fluid or solid - crystalline or amorphous or temperature-dependent solidifying or ion type / ion concentration-dependent yellow-binding - phase proportions in the masses can be controlled or regulated.
  • connection mechanisms between two layers depend on the masses and their compositions themselves.
  • the extrusion pressure to increase the contact area and the solidification mechanism in general are essential. Due to the process, the high flexibility with regard to the printing materials to be used is advantageous. This means that the various connection mechanisms between two layers can be handled flexibly and can be used side by side (in the same product).
  • Claim 5 describes a method in which for each of the product bodies / product body parts to be printed, adapted to the respective product length scale, a printing device consisting of print head, matching print head characteristics, dosing unit, temperature control unit and a robotic device, which form a production unit, is used, wherein the printing device can be coupled or decoupled with the robotic device via a bayonet system or can be exchanged for another corresponding printing device, the components being components of the printing device and the robotic device are programmably controllable or regulatable in a temporally and spatially coordinated manner, and two or more of these production units working partially to completely simultaneously print the product bodies or the product body parts of different product length scales at an adapted controlled speed and place these parts during printing in such a way, that a previously determined spatial arrangement and connection are established.
  • this object is achieved in that for each of the product bodies / product body parts to be printed, adapted to the respective product length scale, a printing device consisting of a print head, matching print head characteristics, dosing unit, temperature control unit and a robotic device, which form a production unit, is provided is, wherein the printing device can be coupled or decoupled with the robotic device via a bayonet system or can be exchanged for another corresponding printing device, the components of the printing device and the robotic device being programmably controllable or regulatable in a temporally and spatially coordinated manner, and two or more of these production units working partially to completely simultaneously print the product bodies or the product body parts of different product length scales at an adjusted controlled speed and print these parts at Place the print in such a way that a previously determined, defined spatial arrangement and connection are established.
  • the modular structure of a production unit from (1) a printing device, in turn consisting of (1.1) print head, (1.2) dosing unit and (1.3) temperature control unit, and (2) a robotic device is particularly advantageous. This enables their variable combination and supports the high flexibility with regard to a quick adaptation to different products or production conditions. This is further supported by the arrangement of a bayonet system, the printing device, and the robotic device designed to be quickly exchangeable.
  • Claim 7 describes a device in which each of the printing devices has a print head with one or more adjustable metering units, each of which is connected to one or more exchangeable mass storage / supply units. With the possibility of also being able to change a connected mass supply / supply unit for each print head with a dosing unit, the degree of flexibility of the device is advantageously increased further.
  • Claim 8 describes a device in which the print heads with one or more metering units optionally generate individual drops, sprays or strands with respective adaptation to the theological properties of the masses to be printed.
  • the device is characterized in that the respective dosing unit is adapted to the rheological properties of the masses to be printed as well as to the dosing kinetics of an associated actuator and the nozzle geometry.
  • the advantage of the device according to the invention addressed in claim 14 lies in the adaptability of the dosing kinetics and thus the printing speed via (a) the adjustable rheological properties of the printing materials and (b) the coordinated geometry of the printing nozzle. This corresponds to a further expansion of the usable degrees of freedom for setting the printing process and thus a further increase in flexibility.
  • a device according to the invention is characterized in that the print head adapts to the rheological properties of the masses in the area to be printed, taking into account irreversibly structure-changing stresses in the mass via its temperature control with a temperature setting accuracy of +/- 1 ° C, preferably +/- 0.5 ° C, more preferably +/- 0.1 ° C.
  • the sensitive adjustability of the theological printing mass properties via the mass temperature is advantageous. This can also be fine-tuned with adequate presetting in the mass supply / supply unit in the print head.
  • the product is a food, a chocolate product, sugar confectionery product, pasta, pastries / baked goods, spread, cheese, snack composite, vegetable protein-based meat analog, dairy product, fat product , Sausage / pate, dessert, ice cream.
  • the subject matter of the invention enables the production of novel functionalized food products and product qualities with improved functionality with regard to the sensory perceived aroma, taste and texture properties (e.g. aroma boost) as well as potential savings in functionalizing ingredients and their production with high throughput rates.
  • novel functionalized food products and product qualities with improved functionality with regard to the sensory perceived aroma, taste and texture properties (e.g. aroma boost) as well as potential savings in functionalizing ingredients and their production with high throughput rates.
  • the new product qualities and functionalities are therefore of great interest from consumer / User perspective with regard to their sensory preference, as well as nutritional aspects relevant to health.
  • the object can be achieved according to claim 12 in that the product is a cosmetic / care product, a lipstick or a soap.
  • Novel product shapes and the incorporation of different fragrances into different parts / zones of the cosmetic product create ergonomic, aesthetic and sensory advantages.
  • the object is achieved according to claim 13 in that the product is a pharmaceutical product, a wound pad, a suppository, a prosthesis, a corset, an artificial joint, a support structure or a surgical aid for fixing bones.
  • the product according to claim 14 is characterized in that it is a composite product consisting of two or more materials from the material groups plastic, ceramic, metal and natural substance, a support element, a wooden component, a prosthesis, a corset or an artificial joint.
  • the particular advantage lies in the possibility of placing several masses with specific functionalities defined in products, tailored to the function to be achieved, and manufacturing them in a simplified manner in a short production time (for example artificial joint; see description of claim 18 using "artificial" materials, e.g. fiber-reinforced polymers for macro-element and Teflon layer as socket lining)
  • Claim 15 describes a product which consists of two or more masses of the same or different composition, the product bodies or product body parts produced from the different masses have different dimensions and these product body parts are permanently fixed or movably connected to one another.
  • a product can either be composed of different masses or consist of the same masses which, however, are added to the product in the form of product parts or partial areas from different pressure units on different length scales.
  • a product part or sub-area is to be understood as a coherent product unit generated by the action of a pressure device. It is an essential advantage of the method according to the invention that large-volume, filled or hollow parts of uniform composition are produced by direct extrusion of these parts.
  • At least two, but differently composed, masses are required if gradients of a functional component (in the case of a food such as sugar, salt, fat, flavor) are created.
  • a functional component in the case of a food such as sugar, salt, fat, flavor
  • the dimensions of the product parts with different functional component concentrations and thus also their share in the product are determined. In this way, gradients of different strengths, with the same or reduced concentration of a functional component in the entire product, can be implemented for tailor-made perception characteristics.
  • Claim 16 describes a product in which the product functionality with regard to haptics, texture, optics, aroma sensors is determined by the application-specific composition of the substances involved in the printing process with regard to their concentration of aroma, taste, color or texture components or by the respective Arrangement of these masses in the product body or in product body parts or through the shaping of the product body or the product body parts or through the detailed shaping of the surface of the product body or the product body parts in question.
  • the spatial arrangement of various compounds doped with functional components is decisive for the advantageous functionality of the product, since the relevant receptors then come into contact with the functional component (s) at certain times.
  • the intensity of the effect depends on the concentration of the functional component (s), but also on their placement in the product and the “structural environment” of such a placement location.
  • an enlarged surface results which touches the tongue or palate surface when a corresponding food is consumed in an initial phase of the consumption process.
  • Individual "printed" elevations for example, which melt under physiological temperature conditions, touch receptors (in the case of food, for example, taste buds) are predestined.
  • the specific product surface which is enlarged by the surface structure, ensures more intensive perception as a result of improved spreading and distribution of the melting elevations with the functional aroma / taste component contained.
  • the shape of the overall product also has a corresponding effect, which, for example, improves the contour of the mouth / tongue / palate.
  • a product can be found in claim 17 in which one or more masses are formulated from a nutritional point of view.
  • certain, above all nutritionally advantageous, ingredients can be present in one or more masses and thus resulting different product parts.
  • nutritionally valuable, but sensory problematic, functional components can only be present in certain quantities, which are intended for an arrangement inside a product or product part in such a way that they do not come into contact with the taste receptors in the mouth, or only very little Gastrointestinal tract, on the other hand, can be efficiently released and thus become physiologically effective.
  • the product according to claim 18 is characterized in that the formulation of the masses with regard to sugar and / or salt and / or fat contents and / or contents of other additives and / or functionalizing components, tailored to the arrangement in the product body or in product body parts, reduces the same Components implemented throughout the product without any sensory or functional disadvantages. It has been found to be very advantageous that, in particular, an uneven distribution of substances in connection with their targeted arrangement and / or concentration in the product can lead to the perception of functional components being increased, but also reduced. While the aim is generally to reduce the substance in the case of sugar, for example, in the case of substances that are nutritionally valuable but sensory disadvantageous, one will aim for a reduced perception. In addition to the dependencies already mentioned, the microstructure of the masses is also essential for perception, especially when masses do not or only incompletely melt under physiological conditions with the usual residence time in the mouth.
  • the process for the production of products in which one or more functional components are distributed anisotropically, preferably between outer layers and the core of a product, has proven to be particularly advantageous.
  • the crushing of the product in the mouth, but above all a controlled melting or dissolving (in Saliva or in connection with consumed beverages) ensure that functional components are released first in the immediately accessible superficial areas.
  • the duration of the respective melting or dissolving process is essentially controlled via the viscosity of the mass (s) containing the functional component (s) and their interaction with saliva and / or additionally consumed liquids (for example beverages).
  • Low viscosities and improved solubility ensure that a functional component is perceived much more intensively, but also usually over a shorter period of time.
  • the structure of the mass determines the intensity and duration of an aroma / taste component perception. For example, in the case of an emulsion-based or foam-based structuring, significantly different release rates of the functional aroma / taste component will result (usually significantly accelerated in the case of an emulsion).
  • water-in-oil (w / o) or oil-in-water (o / w) phase configurations can be used with functional components which are soluble in the water or oil phase and in their release behavior in the oral cavity or in the gastrointestinal tract accelerated (included in the continuous phase) or delayed (included in the disperse phase) released and thus become effective.
  • functional component in the aqueous phase which is opposite an oil phase mixes with saliva significantly improved, also released more quickly and become effective.
  • a product can be derived from claim 20 in which the composition of the masses of which the product body consists, by means of a physiologically coordinated arrangement of the functionalized masses or the dimensions of the product body parts produced by these masses or their shape or the release of the function-determining components Mass properties, a reduction in the total content of corresponding functionalizing components is effected without their intended physiological effect being impaired.
  • An essential advantage of the invention is that substances such as sugar, salt, aromas or other functionalizing components are placed in the product in such a way that they are perceived as best as possible from a sensory point of view, for example.
  • substances such as sugar, salt, aromas or other functionalizing components
  • it can be advantageous to localize significant portions of the sugar content in the overall product in the outer product layers, sometimes directly on the surface in the form of small drops, which leads to a sensory change in perception.
  • the concentration of the functional component can be lowered to such an extent that his or her original perception is not changed will.
  • Either functional components e.g. aromas
  • the release properties of the masses are also decisive for the perception of the substances.
  • functional components can be arranged in spaces between the crystals so that they hit the taste receptors in a more concentrated form.
  • the melting properties are an important criterion for the development of perception, since mixing the chocolate / fat matrix with saliva in particular leads to a dilution effect, so that the perception of the functional components is reduced when the Melting process takes longer.
  • This object is achieved according to claim 21 by a control or regulation for a device for the flexible 3D printing technical production of preferably non-symmetrical product bodies or non-symmetrically arranged masses in these printed product bodies, from two, partly to completely simultaneously on different product length scales - in the centimeter range, in the mil- Limeter range or in the micrometer range printed product bodies or product body parts through these product length scales - in the centimeter range, millimeter range, micrometer range - associated printing devices, with one or more multi-axis robots, with one or more computer units, which the printing device according to product-specific data stored in a memory of the computer unit in question Control or regulate the product body or product body parts to be printed.
  • a control or regulation according to the invention is described for the flexible 3D printing technical production of preferably non-symmetrical product bodies and / or non-symmetrically arranged masses in these product bodies, from at least two, partially to completely simultaneously to be printed on different product length scales, preferably different flowable masses, by means of these and the different product body length scales adapted, assigned printing devices, the at least two printing devices assigned to a manufacturing device or manufacturing devices with one or more multi-axis robots being assigned to at least one central computer unit that stores the printing devices and coupled robotics devices in a data memory relevant computer unit stored data in their motion sequences and printing speeds, taking into account the rheology of the masses to be printed s controls or regulates, whereby the setting of the printing material temperatures made via the respective temperature control unit is used as an additional manipulated variable for the fine adjustment of the theological properties of the mass.
  • a control and regulating device is characterized in that the computer unit and the associated printing devices are freely linked in a higher-level control or regulation algorithm.
  • a control or regulation is described in which the central control or regulation unit control or regulate continuously or intermittently operating conveyor devices for the removal of printed product bodies.
  • the facilities surrounding the production facility that interact with it such as, in particular, the products / product parts that are being printed or created, either to support the printing process or for removal, specifically moving conveying facilities, which are taken into account in the control or regulation of the production facility .
  • the object is achieved, among other things, by a chocolate product, sugar confectionery product, pasta, pastries / baked goods, spread, cheese, snack composite, vegetable protein-based meat analogue, dairy product, fat product, sausage product / pie, dessert or ice cream.
  • 1 shows a production facility in the form of a plan
  • 3 schematically shows a (partially) synchronous multi-scale 3D-printed product body with macro, meso and micro-scale product parts.
  • the sub-designations “a” stand for components belonging to a printing device 11a, which prints product parts on a macroscopic length scale.
  • the sub-designation “b” stands for components belonging to a printing device 11b, which prints for meso product parts on a mesoscopic length scale
  • the sub-designation “c” denotes components belonging to a printing device 11c, which prints product parts on a microscopic length scale.
  • the reference numerals 1a, 1b and 1c denote print heads which are each assigned to a possibly multi-axis robot 2a, 2b or 2c, the motor drives and power supply lines of which, for the sake of simplicity, are not included. tents are shown.
  • a metering unit 3a, 3b or 3c and a respective temperature control unit 4a, 4b and 4c are assigned to the respective print head 1a, 1b and 1c.
  • the lines 6a, 6b and 6c are each connected in a material-conducting manner to a material tank 5a, 5b or 5c, via which the individual material flows can be fed in a controlled or regulated manner to the respective print head 1a, 1b or 1c in a recipe-specific manner.
  • the reference numerals 10a, 10b and 10c each designate computer units which are assigned to the respective printing device 11a, 11b and 11c.
  • the computer units 10a, 10b and 10c are assigned programmable data memories (unspecified) in which data for the respective recipes of the masses to be printed and the product bodies to be printed as well as assigned tolerance information and algorithms (including Al- / machine-learning-based) for timing control are stored are.
  • the computer units 10a, 10b and 10c each have a control or regulating unit 7a, 7b, 7c for metering the printing head 1a or 1b or 1c and its metering units 3a, 3b and 3c supplied materials for printing.
  • One control or regulating unit 8a, 8b or 8c is used to control or regulate the respective temperature control unit 4a, 4b or 4c.
  • 9a, 9b or 9c denotes a control or regulating unit for controlling or regulating the movement of the multi-axis robots 2a, 2b and 2c and their print head 1a, 1b or 1c and possibly other parts.
  • the respective control and regulating unit 7a, 7b or 7c is each connected via a line 20a or 20b or 20c to the assigned metering unit 3a, 3b or 3c in a signal-conducting manner, while the control and regulating unit 8a, 8b or 8c is used for temperature control is connected to the temperature control unit 4a, 4b or 4c via a respective line 21a, 21b or 21c.
  • the control or regulating unit 9a, 9b or 9c is connected in a data-conducting manner to the robot 2a, 2b or 2c in question via a line 22a, 22b or 22c for controlling the movements of the robot 2a, 2b or 2c.
  • the relevant print head 1a, 1b or 1c can, depending on the design, spray a spray jet 15 onto a substrate or onto a suitable base 19, or apply a strand 14 onto the substrate or base 19, or the material to be printed as drops 13 print and apply to the substrate or the base 19.
  • a suitable conveying device 23 can also be arranged here, the product body or product body parts from the printing device 11a, 11b or 11c with the printing head 1a, 1b or 1c into the intake area of a further printing device, for example 11b or 11c, transported with another robot, for example 2b or 2c, which prints the product body parts printed or imprinted by the printing device 11a with other product body parts to form a finished product body and connect them therewith.
  • the working areas of the printing devices 11a, 11b and 11c spatially overlap one another in order to realize the partial to completely synchronous printing processes on the various length scales.
  • the conveyor device 23 complements the motion sequences of the robots 2a, 2b or 2c in a program-controlled manner in order to minimize or optimize their travel paths.
  • FIG. 1 also shows a central control or regulating unit 10d for a production facility 12 consisting of several printing devices 11a, 11b and 11c, in which recipe-specific data and algorithms (including Al / machine learning based) for timing control for the product body parts or product bodies to be printed are stored in a programmable manner in the interaction of the various printing devices 11a, 11b and 11c, the printing devices 11a, 11b and 11c in turn from the respective printing heads 1a, 1b and 1c, the metering units 3a, 3b and 3c, the temperature control units 4a, 4b and 4c and the respectively assigned robots 2a, 2b and 2c exist.
  • recipe-specific data and algorithms including Al / machine learning based
  • the central control and regulating device 10d is connected to the three computer units 10a, 10b and 10d for the three printing devices 11a, 11b and 11c for data transmission via lines 24, 25, 26 - as shown in FIG. 1, for example.
  • the connection can also be made wirelessly.
  • the computer units 10a, 10b and 10c are each assigned to a multi-axis robot 2a, 2b and 2c, respectively.
  • the printing device 11a is assigned a robot 2a with print head 1a, a dosing unit 3a and a temperature control unit 4a, with which relatively large printed product bodies 16 are generated, while the printing device 11b is assigned a robot 2b with print head 1b, a dosing unit 3b and a temperature control unit 4b.
  • the printing device 1b prints product bodies 17 of medium size.
  • the printing device 11c with robot 2c, print head 1c, dosing device 3c and temperature control unit 4c finally prints small product bodies 18, which are applied, for example, to a product body 17, which in turn is printed on a larger product body 16 printed by the print head 1a.
  • the conveying device 23 is driven by a motor in the X or Y direction, for example by a regulatable or controllable electric motor.
  • the drive can be continuous or intermittent, controlled by the central control or regulating unit.
  • direction 10d in programmable coordination with the participating, possibly multi-axis, for example six-axis, robots 2a, 2b or 2c.
  • Several manufacturing devices 12 can also be arranged in parallel and / or one behind the other and controlled or regulated via the central control or regulating device 10d, so that different product bodies or product body parts can be printed simultaneously or at different times in parallel and / or in series.
  • a production facility in the application area of chocolate confectionery technology with assigned three printing devices 11a, 11b and 11c can be used for partially to completely simultaneous printing of product parts on macro (cm), meso- (mm) and micro-length scale ( ⁇ 100 micrometers), for example, create a macroscopic 3D macro housing profile of a chocolate bar with different 3D cavities, impress meso-scale fillers in parts of these cavities and insert micro-scale aroma capsule drops into other cavities or parts of the product surface. or imprint (see for example Fig. 2).
  • a relatively complex product body with the reference numeral 27 is shown schematically from FIG. Chen micro-product body parts 18, which are material-related and integrally connected to one another in the manner shown to form the common product body 27.
  • FIG. 3 the various macro-, meso- and microscale pressure hull parts are provided with the reference symbols 16a (macro-), 17 (meso-) and 18 (micro-), as already in FIG.
  • body parts for automobile construction for example sills, bumpers, spars with reinforcing ribs and shock-absorbing sub-areas, can also be printed, in particular from composite building materials.
  • Such product bodies are connected to the body by gluing, so that weight-saving, multifunctional lightweight constructions can be produced that meet today's efforts to save drive energy and protect the environment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum 3D-Drucken von Lebensmitteln, Pharma- Produkten, Kosmetik-Produkten, Composite-Produkten aus Kunststoff oder aus Keramik sowie eine Einrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum 3D-Drucken derartiger Erzeugnisse und Produkte, die nach dem Verfahren hergestellt sind, sowie eine Steuerung oder Regelung für eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens und die Verwendung der nach dem Verfahren hergestellten Produktkörper.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM 3D-DRUCKEN
Beschreibung
Gattung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3D-Drucken von Lebensmitteln, Pharma-Pro- dukten, Kosmetik-Produkten, Composite-Produkten aus Kunststoff oder aus Keramik.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Die Erfindung betrifft außerdem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Produkte und eine Steuerung oder Regelung für eine erfindungsgemäße Einrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung von nach der Erfindung gedruckten Produkten.
Stand der Technik
Herkömmliche 3D-Druckverfahren nutzen zur Sicherstellung einer hinreichend hohen Genauigkeit der Formgebung angepasste kleine Druckdüsendurchmesser, sogenannte Extrusions- oder Jetdüsen, um aus den in Strang- oder Tropfenform extrudierten Produktmassenstromanteilen zur Herstellung entsprechender Produkte diese in definierter dreidimensionaler Form und gewünschter Oberflächengüte aufzubauen. Die dabei einzusetzenden Druckmassen müssen bestimmte rheologische Eigenschaften erfüllen, um zum einen den hinreichenden Verbund aufeinanderfolgend gedruckter Stränge/Tropfen/Schichten sowie zum anderen die Formerhaltung während des Druckprozesses unter den dabei herrschenden Fließdrucken sowie dem hydrostatischen Massedruck des aufgebauten Schichtpaketes unter vorliegenden Temperaturrandbedingungen standzuhalten. Diese Rahmenbedingungen erfordern bei großstückigen Produkten, welche in ihren charakteristischen Abmessungen ein Vielfaches des Durchmessers eines einzelnen gedruckten Stranges oder einer einzelnen gedruckten Schicht überschreiten, mehrere Minuten Druckzeit. Dabei sind derartige 3D-Druckverfahren zwar geeignet, um eine flexible Einzelstückfertigung komplexer Form beim „Fast Prototyping“ zu ermöglichen, jedoch wenig tauglich, um damit in- dustrielle Herstellungskonzepte für Produkte mit hohem Produktionsdurchsatz unter industriemäßigen Bedingungen zu realisieren.
Die US 6,280,784 B1 beschreibt verschiedene Vorrichtungen und Verfahrensweisen zum Herstellen von Lebensmitteln durch fließfähige Komponenten, die entweder in Form eines Stranges auf eine in drei Dimensionen bewegliche tischartige Unterlage ausgebracht werden oder in Form eines Gemisches oder Gemenges einer mit Zahnrädern arbeitende Dosiervorrichtung zuführbar sind. Aus dieser wird der Massestrom auf verschiedene Kanäle aufgeteilt, die zu verschiedenen Düsen führen, die ihrerseits wieder an verschiedene Zuführvorrichtungen angeschlossen sind, mittels derer sich weitere Zusatzstoffe, zum Beispiel essbare Farben, den durch die verschiedenen Düsen ausgebrachten Strängen zuführen lassen. Durch Düsen werden aufgebrachte Massestränge werden schichtweise aufgebracht und übereinander in Form von Streifen angeordnet, um einen Körper zu bilden. Die Zuführvorrichtung kann computergesteuert sein, wobei die zu druckenden Stoffe durch Pumpen, Extruder oder über Ventilsteuerungen geliefert werden. So einzelne Düsen vorgesehen sind, sind diese starr miteinander verbunden und können nicht separat voneinander angesteuert werden, um unabhängig voneinander zu arbeiten. Ein multi-skalig-Arbeiten mit hoher Genauigkeit ist auf diese Weise nicht gegeben. In der WO 2014/110590 A1 ist eine Druckvorrichtung beschrieben. Auf Maßhaltigkeit wird bei diesem Druckverfahren keinen Wert gelegt. Die ausgebrachten Massen werden Schicht für Schicht aufeinander angeordnet. Größere Körper lassen sich mit dieser Vorrichtung nicht drucken.
Die WO 2017/215641 A1 zeigt eine Druckvorrichtung mit mehreren stark miteinander verbundenen Düsen, die nicht selbständig angesteuert werden können. Größere Körper lassen sich mit dieser Vorrichtung nicht drucken.
Die WO 2019/199505 A1 beschreibt ein Druckverfahren zum Herstellen von Vitamin- und/oder pharmazeutischen Präparaten. Ein multi-skalig-Drucken im 3D-Bereich ist mit dieser Verfahrensweise nicht möglich.
Aufgaben
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum 3D-Drucken von Produktkörpern im 3D-Druckverfahren vorzuschlagen, das das Drucken von Produktkörpern oder Produktkörperteilen, welche aus mehreren unterschiedlich funktionalisier- baren Massenströmen bestehen sowie Produktstrukturen mit unterschiedlicher Längeskala besitzen, mit relativ hoher Genauigkeit unter industriellen Bedingungen bei erfindungsgemäß gleichzeitig relativ hohen Produktgeschwindigkeiten, erlaubt. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen, die unter industriellen Bedingungen die Herstellung von 3D-Produktkörpern oder 3D-Produktkörperteilen mit relativ engen Toleranzen und erfindungsgemäß gleichzeitig relativ hohen Ausstoßzahlen ermöglicht, wobei die Produktkörper bzw. Produktkörperteile aus mehreren unterschiedlich funktionalisierbaren Massenströmen bestehen und Abmessungen auf unterschiedlicher Längeskala besitzen.
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, Produktkörper oder Produktkörperteile zu schaffen, die sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter industriellen Bedingungen mit gegenüber herkömmlichen Verfahren gleichzeitig relativ engen Toleranzen hersteilen lassen.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, geeignete Verwendungen für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Produkte bereitzustellen.
Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung oder Regelung für eine erfindungsgemäße Einrichtung bereitzustellen. Lösung der Aufgabe betreffend das Verfahren
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum 3D-Drucken von Lebensmiteln, Phar- ma-Produkten, Kosmetik-Produkten, Composite-Produkten aus Kunststoff oder aus Keramik oder aus Metall oder aus Naturstoffen gelöst, wobei als nicht-symmetrische Produktkörper und/oder nicht-symmetrisch angeordnete Massen, auf verschiedenen Produktlängenskalen wie Makro = im Zentimeterbereich, Meso = im Millimeterbereich oder Mikro = im Mikrometerbereich, aus fließfähigen Massen, wobei der jeweils erzeugte Produktkörper oder die erzeugten Produktkörperteile, jeweils bei einer mitleren Produktabmessung von 5 cm in Breite, Höhe und Länge, mit einer Maßgenauigkeit von 1000 Mikrometern, oder von < 600 Mikrometern, oder von < 100 Mikrometern, gedruckt werden und der gedruckte Produktkörper oder die gedruckten Produktkörperteile jeweils bei einer mitleren Produktabmessung von 5 cm in Breite, Höhe und Länge, einer Masse von >10 g und einer Dichte zwischen von 0,1 und 1,5 g/cm3 in einem Zeitintervall von < 60 s oder < 10 s, hergestellt werden.
Einige Vorteile
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das gleichzeitige Drucken von relativ großstückigen Produkteilen durch Düsen entsprechend angepasst großer Durchmesser und verbindet damit synchron ablaufende Druckprozesse für Produkteile, welche mitlere bzw. kleinere Abmessungen besitzen mit entsprechenden Düsen mittlerer/kleiner Durchmesser. Diese Druckprozesse auf unterschiedlichen charakteristischen Längenskalen greifen derart ineinander, dass die entsprechenden Produktteile unterschiedlicher Abmessungen ineinander bzw. aneinander gefügt werden und somit der multi-skalige synchrone Druckprozess einen mit dem Druckprozess synchronisierten „Zusammenbau“ entsprechender Produktteile verbindet. Das Zusammenspiel der entsprechenden apparativen/prozesstechnischen Komponenten für mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei, Druckteilproduktkörpergrößen/Druckteilgrößen wird erfindungsgemäß über ein kombiniertes Druckkopf-Vorrichtungs- Konzept realisiert, welches einer abgestimmten Steuerung oder Regelung im Zusammenspiel mit kommunizierenden Robotern unterliegt.
Als zusätzlich besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensweisen wird in Anspruch genommen, dass die einzelnen Produktteilströme zum Drucken von Produktkörpern oder Produktteilkörpern der unterschiedlichen Größen (makro-, meso-, mikro, oder weitergehend unterteilt) separat in ihren Fließeigenschaften eingestellt werden können und ebenso separat bestimmte Funktionali- sierungen hinsichtlich resultierender Produkteigenschaften vorteilhaft präzise und im Produkt definiert platzierbar vorgenommen werden können.
Hinsichtlich der Theologischen Eigenschaften bedarf es bei Produktteilen, also gedruckten Produktkörpern oder Produktkörperteilen mit größeren Abmessungen erhöhter Fließgrenzen, um die „Zerfließresistenz“ nach erfolgter Deposition der Druck- masseanteile zu unterbinden. Bei gedruckten Produktionskörpern oder gedruckten Produktkörperteilen mit kleinen Abmessungen kann hingegen eine Fließgrenze deutlich erniedrigt sein und andererseits auch allein ein Grenzflächenspannungs-/Benet- zungs-Effekt genutzt werden, um hinreichende Formstabilität des gedruckten Produktkörpers oder Produktkörperteils zu gewährleisten.
Hinsichtlich einer selektiven funktionalen Produkt-Teilstrom-Optimierung zum Beispiel bei Lebensmittelsystemen können Zusätze von bestimmten Aroma-, Geschmacks-, Färb- und Textur-Komponenten oder oberflächenstrukturgebenden Eigenschaften teilstromspezifisch erfolgen. Aus einem derart funktionalisierten Teilstrom kann ein Produktkörper oder ein Produktkörperteil erzeugt werden, welches zum Beispiel in Abstimmung mit den physiologischen Gegebenheiten im Mundraum oder Verdauungstrakt der Konsumenten eine verbesserte Wirksamkeit der zu erzielenden Funktion (zum Beispiel Aromaintensität, Verdaubarkeit/Bioverfügbarkeit) gewährleisten lässt. Dadurch kann beispielsweise ein erhebliches Einsparpotential an entsprechenden Komponenten realisiert werden, sofern aus funktionellen Gründen die Notwendigkeit der entsprechenden Zusätze zur Gesamtmasse des Produktes, wie üblicherweise vorgenommen, nicht erforderlich ist.
Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrenslösungen hat sich gezeigt, dass eine spezifische Platzierung/Anordnung der gedruckten Produktkörper oder gedruckten Produktkörperteile unterschiedlicher charakteristischer Abmessungen be- sondere Einflussnahmemöglichkeiten auf die Produktfunktionalität in Aussicht stellt. So können zum Beispiel feine Tropfen oder Linienstrukturen an bestimmten Teilen der Produktoberfläche angefügt werden, um damit eine verstärkte Interaktion mit Me- chano- und Geschmacks-/Aroma-Rezeptoren im Mundraum oder in der retronasalen Kavität (zum Beispiel durch schnelle Anreicherung der Ausatemluft mit volatilen Aromakomponenten) des Konsumenten beim Produktverzehr wirksam werden zu lassen. Es kann damit zu einem "Geschmacks-/Aroma Boost" kommen.
Von besonderem diesbezüglich verbraucherrelevantem Interesse ist in diesem Kontext die Reduktion von Zucker, Salz und Fett, um diesbezüglich die Empfehlung der WHO zu erfüllen, und zwar in einer Mehrzahl an Lebensmitteln. Gedruckte Oberflächenstrukturen werden als geeignet erachtet, sowohl süßes wie salziges Geschmacksempfinden zu verstärken, womit bestimmten Produkten nicht wie üblich in ihrer Gesamtmasse Zucker und/oder Salz zugesetzt werden müsste. Ebenso lassen gedruckte Oberflächenstrukturen die Ausbildung bestimmter Benetzungseigenschaften von Zunge und Gaumen und damit verbundenen Möglichkeiten der Erzeugung "fettartiger" Gleiteigenschaften, adaptieren.
Auf der Basis der vorab beispielhaft beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich neuartige Produkte/Produktkörper oder Produktkörperteile mit Produktqualitäten erzielen, die gegenüber früheren Produkten erheblich verbessert sind hinsichtlich Funktionalität und Einsparpotential an funktionalisierenden Ingredi- enzien, und welche darüber hinaus künftig mit hohen Durchsatzraten bei erfindungsgemäß gleichzeitig realisierbarer hoher Maßhaltigkeit, produziert werden können. Ferner sind die beispielsweise ausgeführten, neuartigen Produktqualitäten und Funktionalitäten von hohem Interesse aus Verbraucher-/Anwendersicht hinsichtlich deren sensorischer Präferenz, sowie gesundheitlich relevanter Ernährungsaspekte.
Die erfindungsgemäße SYnchrone MUlti-Skalige 3D-Printing (SYMUS)-Technologie kann auf dieser Basis neue Produktionsmöglichkeiten in den Bereichen Lebensmittel, Kosmetik, Baustoff, Pharma, Keramik, Kunststoff und Chemieindustrien künftig anbieten lassen.
Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die erfmdungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensweisen bei hoher Produktionsleistung die Einhaltung enger Toleranzen ermöglichen.
Zur Prozessautomation ist es möglich, in einer zentralen Rechnereinheit Regelalgorithmen und Rezepturen abzulegen, die zwei oder mehrere, insbesondere mehrachsige Roboter mit geeigneten Druckvorrichtungen steuern und regeln, wobei diese Roboter Druckvorrichtungen gesteuert bzw. geregelt bewegen und aus geeigneten Vorratsbehältern die zu druckenden Massen, zum Beispiel Schokoladenmassen oder schokoladenähnliche Massen, den Druckvorrichtungen gesteuert und geregelt rezep- turspezifisch zuführen, um daraus geeignete gedruckte Produktkörperteile, zum Beispiel von Pralinen oder dergleichen herzustellen.
Die mit diesen Druckvorrichtungen gekoppelten Robotersysteme können Produkte auf geeigneten Transportvorrichtungen, zum Beispiel kontinuierlich oder intermittierend angetriebenen Förderelementen, ablegen, welche die gedruckten Produkte wegfördern, um sie entweder einer geeigneten Verpackungsstation und/oder Lagerstation zuzuführen.
Dabei ist es auch möglich, durch eine oder mehrere Rechnereinheiten eine Vielzahl von Robotern mit ihren Druckvorrichtungen zu steuern und/oder zu regeln, um auf parallel und/oder hintereinander angeordneten Fördervorrichtungen gleiche oder unterschiedliche gedruckte Produktkörper, zum Beispiel Pralinen mit unterschiedlichen Füllungen, gleichzeitig, getrennt oder gemischt in freier Verkettung, durch einen Zentralrechner gesteuert oder geregelt, herzustellen, und das mit entsprechend hohen Produktionsleistungen und den einzuhaltenden engen Maßtoleranzen.
Heiz- und Kühlvorrichtungen können den Druckvorrichtungen einzeln oder getrennt zugeordnet sein, um die zu druckenden Produktkörper oder Produktkörperteile zu drucken. Aus der Kombination von Druckvorrichtungen, welche auf mehreren Längenskalen gleichzeitig Produktteile drucken und das Produkt aufbauen, wobei abgestimmt auf den Produktzweck für bestimmte Produktteile, mit deren Größe angepassten Düsen, gearbeitet werden kann, resultieren vorteilhaft sehr viel höhere Produktionsgeschwindigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Druckverfahren. Nicht nur wird auf verschiedenen Längenskalen gearbeitet, was bereits erheblich die Produktionszeit reduziert, sondern die Größen der Düsen sowie deren Geometrie können jeweils auf das Produkt bzw. Produktteil angepasst werden, wodurch das Potential der gleichzeitigen Bearbeitung auf verschiedenen Größenskalen vollständig ausgenutzt wird.
Ebenfalls äußerst vorteilhaft ist, dass mehrere Druckeinheiten zeitabschnittsweise oder vollständig zeitgleich das Produkt aufbauen, was zu einem erheblichen zusätzlichen Zeitgewinn im Produktionsprozess führt. Im Gegensatz zu einigen etablierten Techniken erlaubt das hier vorgeschlagene Verfahren mit großem Vorteil, insbesondere auch nicht-symmetrische Produkte, mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, da durch den additiven Aufbau und das Zusammenwirken mehrerer Extrusionsund/oder Drucksysteme die Formgebung hochvariabel ist und darüber hinaus prinzipiell von einem zum anderen Produkt sehr variabel und schnell angepasst werden kann. Als besonders vorteilhaft ist ferner zu bewerten, dass ein Produkt aus einer Mehrzahl an Massen aufgebaut wird, und dies im Vergleich zu bestehenden Verfahren ebenfalls mit deutlich höherer Produktionsgeschwindigkeit, womit ferner problemlos auch lokale Textur-, Geschmacks- und Aroma-Sensorikeigenschaften eines Pro- dukts eingestellt werden können. Insbesondere die nicht-symmetrische Anordnung von Massen, die zudem noch unterschiedlich zusammengesetzt sein können, führt zu hohen Freiheitsgraden hinsichtlich der Einstellung sensorischer Eigenschaften, im Falle von Lebensmitteln, beispielsweise hinsichtlich der Süßewahrnehmung oder der Wahrnehmung von Aromen.
Anisotrope Anordnungen, auch in Verbindung mit einer spezifischen texturgebenden Wirkung einzelner Produktteile, sind mit herkömmlichen Methoden entweder überhaupt nicht oder nicht mit vergleichbarer Flexibilität und Produktionszeit realisierbar. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ergibt sich zusätzliche vorteilhafte Flexibilität des Verfahrens vor allem auch daraus, dass geeignete Druckeinheiten vorteilhaft miteinander kombiniert oder auch schnell getauscht werden können. So können Produktteile mit größeren Längenskalen idealerweise über großdüsige Extrusions- Druckvorrichtungen erzeugt werden, während die Erzeugung feiner Strukturen oder die lokale Anordnung von funktionellen, hochwirksamen, aber kleinvolumigen Bestandteilen idealerweise über kleindüsige Extrusions-Druckvorrichtungen oder Jet- Druckvorrichtungen erfolgt.
Von besonderem Vorteil ist die hohe Maßhaltigkeit, die zum einen von der Präzision der Bewegung und Repositionierbarkeit der Druckeinheiten bzw. der dazugehörigen Robotikeinheiten und zum anderen auch vom Formhaltevermögen und den Verfestigungseigenschaften der beteiligten Massen abhängt. Eine hohe Maßhaltigkeit wird erreicht durch optimale Abstimmung des Materials bzw. dessen Fließ- und Verfestigungseigenschaften auf den Produktionsprozess. Bei Produkten, bei denen eine extrem hohe Maßhaltigkeit notwendig ist, kann diese beispielsweise durch eine höhere Auflösung mittels auf Mikrolängenskala (< 100 Mikrometer Druckauflösung) druckender Vorrichtung zum Beispiel bei den oberflächennahen Bereichen des zu druckenden Objekts sichergestellt werden. Hierdurch lassen sich Produktkörper und Produktkörperteile mit nach Industriemaßstäben hoher Maßgenauigkeit drucken.
Produktteile können aus verschiedenen Materialstrukturtypen bestehen, zum Beispiel aus Emulsionen, Suspensionen (hohe Dichte) oder Schäumen (geringe Dichte). Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass diese verschiedenen Materialtypen problemlos in einem Produkt nebeneinander platziert werden und weitestgehend unvermischt vorliegen können und damit neue sensorische Wahrnehmungen abzuleiten sind. Alle diese Materialstrukturtypen können problemlos verarbeitet und mit geeignet angepassten Extrusions- und/oder Jet-Druckeinrichtungen platziert werden, wahlweise und in variabler Form (zum Beispiel Strangoder Tropfenform). Die erreichbare Produktionsgeschwindigkeit eines Produkts hängt davon ab, welche Funktionalitäten und damit verbundene Anordnung der einzelnen Druckmassenteile im Produkt vorgesehen sind. Einfache, vorzugsweise achsensymmetrische Produkte aus drei Massen (zum Beispiel Teil-Hohlkörpermasse/Füllmasse/Oberflächenstrukturierungsmasse), bei denen letztere per Jet-Druck appliziert wird, erreichen Produktionszeiten von wenigen Sekunden. Komplexere, anisotrop strukturierte, asymmetrische Produktformen aus drei unterschiedlichen Massen, bei denen Gradienten von funktionellen Komponenten aufgebaut werden sollen, benötigten mehr Produktionszeit (ca. 50-60 Sekunden), weisen aber auch einen besonderen sensorischen Verbrauchernutzen auf. Vergleichbar zeitlich aufwendiger in ihrer Herstellung sind Produkte, bei denen komplexe, optisch besonders ansprechende Konturen produziert werden.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen
In Patentanspruch 2 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem der erzeugte Produktkörper mit einer Formhaltigkeit (FH) von > 95% hergestellt wird, wobei diese als Maß für eine Abweichung der Produktkörperabmessungen oder Produktkörperteilabmessungen und/oder der Querschnittsform-Abmessungen der gedruckten Produktkörper oder Produktkörperteile vom Soll-Wert < 5 % hergestellt wird.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine gute Passgenauigkeit für Produktverpackungen und der störungsfreie Betrieb der entsprechenden Verpackungsvorrichtungen garantiert werden kann. Gemäß Patentanspruch 3 werden zur Herstellung Extrusions- und/oder Jet-Druck- verfahren angewendet, wobei die ausgebrachten Massen durch Sintern, Kleben oder Schweißen mit bereits ausgebrachten, verfestigten und/oder teilverfestigten Massen/ Masseteilen miteinander verbunden werden.
Wesentlich für einen synchronen bzw. teilsynchronen und multi-skaligen Produktaufbau ist die Verbindung der neu ausgebrachten Massen mit bereits teilverfestigten oder verfestigten Massen. In der Regel erfolgt die Verbindung durch ein partielles Wieder-Aufschmelzen oder Versintern der bereits (teil-)verfestigten Masse durch einen Teil der thermischen Energie der neu ausgebrachten Masse. Je nach Materialeigenschaften kann es auch zu einem Verkleben kommen, bei speziellen Verfahren auch zu einem Verschweißen, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer weiteren Energiequelle wie einem Laser. Je nach Masseeigenschaften kann der Grad der Verbindung zwischen zwei Schichten durch genaue Kontrolle der Temperaturen bzw. des spezifischen Energieeintrages gesteuert werden, so dass einerseits funktionelle Produkteigenschaften der spezifisch funktionalisierten Massen weitestgehend erhalten bleiben oder andererseits die Textur eines Lebensmittels im Falle definierter Strukturveränderungen in einer wieder aufgeschmolzenen Schicht zur gezielten Struktur-/Textureinstellung mitgenutzt werden kann. Patentanspruch 4 beschreibt ein Verfahren, bei welchem der Grad der Klebung, Sinterung oder Schweißung durch die massespezifischen Prozessparameter, wie beispielsweise Temperatur und/oder Stranganpressdruck sowie die materialspezifischen Parameter Fließverhalten, fluider bzw. fester - kristalliner oder amorpher oder temperaturabhängig erstarrender oder ionenart-/ionenkonzentrationsabhängig gelbindender - Phasenanteile in den Massen gesteuert oder geregelt werden.
Die aufgeführten Optionen zur Steuerung der Verbindung zwischen ausgebrachten Massen sind abhängig von den Massen und deren Zusammensetzungen selbst. Wesentlich ist der Stranganpressdruck zur Vergrößerung der Kontaktfläche sowie der Verfestigungsmechanismus generell. Vorteilhaft ist verfahrensbedingt die hohe Flexibilität hinsichtlich der einzusetzenden Druckmassen. Damit sind die verschiedenen Verbindungsmechanismen zwischen zwei Schichten flexibel handhabbar und nebeneinander (im selben Produkt) anwendbar.
Patentanspruch 5 beschreibt ein Verfahren, bei welchem für jeden der zu druckenden Produktkörper/Produktkörperteile, angepasst an die jeweilige Produktlängenskala, eine Druckvorrichtung, bestehend aus Druckkopf, passender Druckkopfcharakteristik, Dosiereinheit, Temperiereinheit sowie eine Robotik-Vorrichtung, welche eine Produktionseinheit bilden, verwendet wird, wobei die Druckvorrichtung über ein Bajonett-System mit der Robotik-Vorrichtung ge- oder entkoppelbar oder gegen eine andere entsprechende Druckvorrichtung ausgetauscht werden, wobei die Kompo- nenten der Druckvorrichtung und der Robotik-Vorrichtung zeitlich und räumlich aufeinander abgestimmt programmierbar steuerbar oder regelbar sind, und zwei oder mehrere dieser Produktionseinheiten teilweise bis vollständig gleichzeitig arbeitend die Produktkörper oder die Produktkörperteile unterschiedlicher Produktlängenskalen mit angepasst kontrollierter Geschwindigkeit drucken und diese Teile beim Drucken derart platzieren, dass eine vorher festgelegte räumliche Anordnung und Verbindung hergestellt werden.
Lösung der Aufgabe betreffend die Einrichtung
Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 6 dadurch gelöst, dass für jeden der zu druckenden Produktkörper/Produktkörperteile, angepasst an die jeweilige Produktlängenskala, eine Druckvorrichtung, bestehend aus Druckkopf, passender Druckkopfcharakteristik, Dosiereinheit, Temperiereinheit sowie eine Robotik-Vorrichtung, welche eine Produktionseinheit bilden, vorgesehen ist, wobei die Druckvorrichtung über ein Bajonett-System mit der Robotik-Vorrichtung ge- oder entkoppelbar oder gegen eine andere entsprechende Druckvorrichtung austauschbar sind, wobei die Komponenten der Druckvorrichtung und der Robotik-Vorrichtung zeitlich und räumlich aufeinander abgestimmt programmierbar steuerbar oder regelbar sind, und zwei oder mehrere dieser Produktionseinheiten teilweise bis vollständig gleichzeitig arbeitend die Produktkörper oder die Produktkörperteile unterschiedlicher Produktlängenskalen mit angepasst kontrollierter Geschwindigkeit drucken und diese Teile beim Drucken derart platzieren, dass eine vorher festgelegte, definierte räumliche Anordnung und Verbindung hergestellt werden.
Von besonderem Vorteil ist der modulare Aufbau einer Produktionseinheit aus (1) einer Druckeinrichtung, ihrerseits bestehend aus (1.1) Druckkopf, (1.2) Dosiereinheit und (1.3) Temperiereinheit sowie (2) einer Robotik-Vorrichtung. Dies ermöglicht deren variable Kombination und unterstützt die hohe Flexibilität hinsichtlich einer schnellen Anpassung an unterschiedliche Produkte oder Produktionsgegebenheiten. Dies wird ferner unterstützt durch die Anordnung eines Bajonett-Systems, das Druckeinrichtung, und Robotik-Vorrichtung schnell wechselbar gestaltet.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen
Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 7 bis 10 beschrieben.
Patentanspruch 7 beschreibt eine Einrichtung, bei welcher jede der Druckvorrichtungen einen Druckkopf mit einer oder mehreren einstellbaren Dosiereinheiten aufweist, welche jeweils mit einer oder mehreren wechselbaren Massen-Vorrats-/Ver- sorgungseinheiten verbunden ist. Mit der Möglichkeit auch für jeden Druckkopf mit Dosiereinheit eine verbundene Mas- sen-Vorrats-/Versorgungseinheit ebenfalls wechseln zu können wird der Flexibilitätsgrad der Einrichtung weiter vorteilhaft gesteigert.
Patentanspruch 8 beschreibt eine Einrichtung, bei welcher die Druckköpfe mit einer oder mehreren Dosiereinheiten wahlweise Einzeltropfen, Sprays oder Stränge erzeugen mit jeweiliger Anpassung an die Theologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen.
Die wahlweise angepasste Erzeugung von Einzeltropfen, Sprays oder Strängen als „Druckelemente“ schafft eine wünschenswert große und flexible Bandbreite für die grundlegende Formgebung der zu druckenden Produktteile. Alle drei dieser Druckgrundformen (Einzeltropfen, Spray oder Strang) lassen sich prinzipiell auf Makro-, Meso- und Mikro-Längenskalen realisieren, wenngleich Einzeltropfen und Sprays hauptsächlich auf Mikro- und evtl. Meso-Längenskala benutzt werden. Die Theologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen werden auf die zu erzielende Druckgrundform sowie die daraus zu erstellenden Produktteile abgestimmt. So benötigen zum Beispiel makro-skalig (cm-Größenordnung) zu druckende Strangformen eine hinreichend hohe Viskosität und Fließgrenze, während Mikro-Einzeltropfen (< 100 Mikrometer Größenordnung) niedrigviskos bei erhöhter Oberflächenspannung bevorzugt sind. Die von Patentanspruch 8 somit repräsentierte Vorteilhaftigkeit besteht in der zusätzlich erweiterten Flexibilität der erfindungsgemäßen Einrichtung durch gegebene Auswahl der Druckgrundformen und der mit diesen unter Einstellung der rheologischen Druckmasseneigenschaften erweiterte Bandbreite der zu druckenden Produktteilstrukturen auf verschiedenen Längenskalen.
Gemäß Patentanspruch 9 ist die Einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Dosiereinheit an die rheologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen sowie an die Dosierkinetik eines zugeordneten Aktors und die Düsengeometrie angepasst ist.
Die in Patentanspruch 14 adressierte Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt in der Abstimmbarkeit der Dosierkinetik und damit der Druckgeschwindigkeit über (a) die einstellbaren rheologischen Eigenschaften der Druckmassen und (b) die abgestimmte Geometrie der Druckdüse. Dies entspricht einer weiteren Erweiterung der nutzbaren Freiheitsgrade für die Einstellung des Druckvorganges und damit einerweiteren Flexibilitätserhöhung.
Nach Patentanspruch 10 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sich der Druckkopf an die rheologischen Eigenschaften der Massen im zu druckenden Bereich unter Berücksichtigung irreversibel strukturverändernder Spannungen in der Masse über deren Temperierung mit einer Temperatur-Einstell- genauigkeit von +/- 1°C, bevorzugt +/- 0,5°C, weitergehend bevorzugt +/- 0,1 °C, angepasst ist.
Vorteilhaft ist die sensitive Einstellbarkeit der Theologischen Druckmasseneigenschaften über die Massetemperatur. Diese kann bei adäquater Voreinstellung in der Massen-Vorrats-/Versorgungseinheit im Druckkopf zusätzlich feinjustiert werden.
Lösung der Aufgabe betreffend das Produkt
Diese Aufgabe wird zunächst gemäß Patentanspruch 11 dadurch gelöst, dass das Produkt ein Lebensmittel, ein Schokoladen-Produkt, Zucker-Confectionery Produkt, Teigware, Gebäck/Backware, Brotaufstrich, Käse, Snack-Composite, Pflanzenpro- tein-basiertes Fleischanalog, Milchprodukt, Fettprodukt, Wurstware/Pastete, Süßspeise, Eiskrem ist.
Der Erfindungsgegenstand ermöglicht die Herstellung neuartig funktionalisierter Lebensmittelprodukte und Produktqualitäten mit verbesserter Funktionalität hinsichtlich der sensorisch wahrgenommenen Aroma-, Geschmacks- und Textur-Eigenschaften (zum Beispiel Aroma-Boost) sowie Einsparpotential an funktionalisierenden Ingredienzien sowie deren Produktion mit hohen Durchsatzraten. Die neuartigen Produktqualitäten und Funktionalitäten sind damit von hohem Interesse aus Verbraucher- /Anwendersicht hinsichtlich deren sensorischer Präferenz, sowie gesundheitlich relevanter Ernährungsaspekte.
Außerdem kann die Aufgabe gemäß Patentanspruch 12 dadurch gelöst werden, dass das Produkt ein Kosmetikum/Pflegemittel, ein Lippenstift oder eine Seife ist.
Neuartige Produktformgebungen sowie der Einbau von verschiedenen Duftstoffen in verschiedene Teile/Zonen des Kosmetikproduktes schaffen ergonomische, ästhetische und sensorische Vorteile.
Außerdem wird die Aufgabe gemäß Patentanspruch 13 dadurch gelöst, dass das Produkt ein Pharma-Produkt, eine Wundauflage, ein Suppositorium, eine Prothese, ein Korsett, ein künstliches Gelenk, eine Stützstruktur oder ein Operationshilfsmittel zum Fixieren von Knochen ist.
Die Möglichkeiten einer lokalen Anordnung von spezifischen Funktionalitäten (zum Beispiel bei Wundauflagen freisetzbare blutstillende Wirkstoffe in Teilen einer oberen wundberührenden Schicht, daneben Blut/Wundsekret aufsaugende Bereiche, gedruckt mit hochporösen Aerogel-Schäumen) lassen vorteilhaft verschiedene Funktionen zielführend anordnen und nutzen. Bei der 3D-druckbasierten Herstellung von Prothesen lassen sich großkalibrige Basisstrukturen (zum Beispiel Gelenkknochen) vorteilhaft gleichzeitig mit funktionellen Oberflächenfeinstrukturen (zum Beispiel Gelenkknorpelschicht) optimal verbindend und in kurzen Druckzeiten drucken.
Das Produkt gemäß Patentanspruch 14 ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Composite-Produkt bestehend aus zwei oder mehreren Materialien der Materialgruppen Kunststoff, Keramik, Metall und Naturstoff, ein Stützelement, ein Holzbauteil, eine Prothese, ein Korsett oder ein künstliches Gelenk ist.
Wiederum liegt der besondere Vorteil in der Möglichkeit mehrere Massen mit spezifischen Funktionalitäten definiert in Produkten, abgestimmt auf die zu erzielende Funktion, zu platzieren und vereinfacht in kurzer Produktionszeit herzustellen (zum Beispiel künstliches Gelenk; siehe Beschreibung zu Patentanspruch 18 unter Verwendung „künstlicher“ Werkstoffe, zum Beispiel faserverstärkte Polymere für Makro- Element und Teflonschicht als Gelenkpfannenauskleidung)
Patentanspruch 15 beschreibt ein Produkt, das aus zwei oder mehreren Massen gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung besteht, die aus den verschiedenen Massen hergestellten Produktkörper oder Produktkörperteile unterschiedliche Abmessungen besitzen und diese Produktkörperteile dauerhaft fixiert oder beweglich miteinander verbunden sind. Gemäß diesem Anspruch kann ein Produkt entweder aus verschieden Massen zusammengesetzt bestehen oder aus gleichen Massen, die aber aus unterschiedlichen Druckeinheiten auf unterschiedlichen Längenskalen dem Produkt in Form von Produktteilen oder Teilbereichen zugefügt werden. Unter Produktteil oder Teilbereich ist eine zusammenhängende Produkteinheit, erzeugt durch das Wirken einer Druckeinrichtung, zu verstehen. Es ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass großvolumig, gefüllte oder hohle Teile einheitlicher Zusammensetzung über eine direkte Extrusion dieser Teile erzeugt werden. Mindestens zwei, aber unterschiedlich zusammengesetzte Massen werden benötigt, wenn Gradienten einer funktionellen Komponente (im Falle eines Lebensmittels wie beispielsweise Zucker, Salz, Fett, Aroma) erzeugt werden. Je nach beabsichtigter Wirkung werden die Abmessungen der Produkteile unterschiedlicher funktioneller Komponentenkonzentration und damit auch ihr Anteil am Produkt festgelegt. Derart können unterschiedlich starke Gradienten, bei gleicher oder auch reduzierter Konzentration einer funktioneilen Komponente im gesamten Produkt, für massgeschneiderte Wahrnehmungscharakteristika realisiert werden.
Patentanspruch 16 beschreibt ein Produkt, bei welchem die Produktfunktionalität bezüglich Haptik, Textur, Optik, Aroma-Sensorik bestimmt ist durch die anwendungsspezifische Zusammensetzung der am Druckverfahren beteiligten Massen hinsichtlich deren Konzentration von Aroma-, Geschmacks-, Färb- oder texturgebenden Bestandteilen oder durch die jeweilige Anordnung dieser Massen im Produktkörper bzw. in Produktkörperteilen oder durch die Formgebung des Produktkörpers oder der Produktkörperteile oder durch die Detailformgebung der Oberfläche des betreffenden Produktkörpers oder der Produktkörperteile.
Hier ist insbesondere die räumliche Anordnung verschiedener mit funktionellen Komponenten dotierter Massen entscheidend für die vorteilhafte Funktionalität des Produkts, da die betreffenden Rezeptoren dann zu bestimmten Zeitpunkten mit der/den funktionellen Komponente/n in Berührung kommen. Die Intensität der Wirkung hängt von der Konzentration der funktionellen Komponente(n), aber auch von deren Platzierung im Produkt sowie der „strukturellen Umgebung“ eines derartigen Platzierung- sortes ab. Bei einer beispielsweise möglichen Produktoberflächenplatzierung einer funktionellen Komponente und Vorliegen einer gewellten Oberfläche resultiert eine vergrößerte Oberfläche, welche beim Verzehr eines entsprechenden Lebensmittels in einer initialen Phase des Verzehrvorganges die Zungen- bzw. Gaumenoberfläche berührt. Einzelne „aufgedruckte“, zum Beispiel unter physiologischen Temperaturbedingungen aufschmelzende Erhebungen berühren Rezeptoren (bei Lebensmittel beispielsweise Geschmacksknospen) prädestiniert. Die durch die Oberflächenstruktur vergrößerte spezifische Produktoberfläche sorgt für eine intensivere Wahrnehmung in Folge verbesserter Ausbreitung und Verteilung der aufschmelzenden Erhebungen mit beinhalteter funktioneller Aroma-/Geschmackskomponente. Eine entsprechende Wirkung zeigt auch die Formgebung des Gesamtprodukts, das sich dadurch beispielsweise verbessert der Mundraum/Zungen/Gaumen Kontur anpassen kann. Aus Patentanspruch 17 ist ein Produkt zu entnehmen, bei dem eine oder mehrere Massen unter ernährungsphysiologischen Gesichtspunkten formuliert sind.
Erfindungsgemäß können bestimmte, vor allem ernährungsphysiologisch vorteilhafte, Inhaltsstoffe in einer oder mehreren Massen und somit resultierenden unterschiedlichen Produktteilen vorliegen. Damit können vorteilhaft beispielsweise ernährungsphysiologisch wertvolle, allerdings sensorisch problematische, funktionelle Komponenten nur in bestimmten Massen vorliegen, die für eine Anordnung im Inneren eines Produktes oder Produktteils derart vorgesehen sind, dass sie mit den Geschmacksrezeptoren im Mund nicht oder nur sehr wenig in Kontakt kommen, im Magen-Darm- Trakt hingegen effizient freigesetzt werden und damit physiologisch wirksam werden.
Das Produkt nach Patentanspruch 18 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung der Massen hinsichtlich Zucker- und/oder Salz- und/oder Fettgehalten und/oder Gehalten sonstiger Zusätze und/oder funktionalisierender Komponenten abgestimmt auf die Anordnung im Produktkörper bzw. in Produktkörperteilen eine Reduzierung derselben Komponenten im gesamten Produkt ohne sensorische oder funktionelle Nachteile realisiert. Als sehr vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass sich insbesondere eine ungleiche Verteilung von Stoffen in Verbindung mit deren gezielter Anordnung und/oder Konzentration im Produkt dazu führen kann, dass die Wahrnehmung von funktionellen Komponenten erhöht, aber auch reduziert werden kann. Während man beispielsweise bei Zucker in der Regel eine Reduktion des Stoffes anstrebt, wird man beispielsweise bei ernährungsphysiologisch wertvollen, aber sensorisch nachteiligen Stoffen eher eine verminderte Wahrnehmung anstreben. Neben den bereits genannten Abhängigkeiten ist auch die Mikrostruktur der Massen wesentlich für die Wahrnehmung, insbesondere, wenn Massen nicht oder nur unvollständig unter physiologischen Bedingungen bei üblicher Verweilzeit im Mund aufschmelzen.
In Patentanspruch 19 ist ein Produkt beschrieben, dass eine anwendungsspezifische Zusammensetzung oder die jeweilige Anordnung der Massen im Produktkörper oder die Abmessungen von Produktkörpern Produktkörperteilen oder die Produktformgebung oder die Detailformgebung der Oberfläche einen Verzehrzeitabhängigen Intensitätsverlauf der Wahrnehmung von Zucker oder Salz oder Fett oder Aromen bewirken.
Besonders vorteilhaft erweist sich das Verfahren zur Herstellung von Produkten, in denen ein oder mehrere funktionelle Komponenten anisotrop verteilt sind, bevorzugt zwischen äußeren Schichten und dem Kern eines Produkts. Die Zerkleinerung des Produkts im Mund, vor allem aber ein kontrolliertes Abschmelzen oder Lösen (in Speichel oder in Verbindung konsumierter Getränke) sorgen dafür, dass funktionelle Komponenten in den unmittelbar zugänglichen oberflächlichen Bereichen zuerst freigesetzt werden. Die Dauer des jeweiligen Abschmelz- oder Lösungsvorgangs wird wesentlich über die Viskosität der die funktionelle Komponente/n enthaltenden Mas- se/n sowie deren Interaktion mit Speichel und/oder zusätzlich konsumierten Flüssigkeiten (zum Beispiel Getränke) gesteuert. Niedrige Viskositäten und verbesserte Löslichkeit sorgen dafür, dass eine funktionelle Komponente wesentlich intensiver, dafür aber auch in aller Regel über eine kürzere Zeitspanne wahrgenommen wird. Neben Viskosität und Löslichkeit im Speichel/Getränkefluid bestimmt auch die Struktur der Masse die Intensität und die Dauer einer Aroma-/Geschmacks-Komponenten Wahrnehmung. Beispielsweise werden im Falle einer emulsions- oder schaumbasierten Strukturierung deutlich unterschiedliche Freisetzungsraten der funktionellen Aroma- /Geschmacks-Komponente (in der Regel deutlich beschleunigt im Falle einer Emulsion) resultieren.
Ferner können Wasser-in-ÖI- (w/o) oder Öl-in-Wasser- (o/w) Phasenkonfigurationen mit funktionellen Komponenten verwendet werden, welche in der Wasser- oder Ölphase löslich sind und in ihrem Freisetzungsverhalten im Mundraum oder im Gastrointestinaltrakt beschleunigt (in kontinuierlicher Phase beinhaltet) oder verzögert (in disperser Phase beinhaltet) freigesetzt und damit wirksam werden. Darüber hinaus wird eine funktionelle Komponente in der wässrigen Phase, welche sich gegenüber einer Ölphase mit Speichel deutlich verbessert mischt, ebenfalls beschleunigt freigesetzt und wirksam werden.
Aus Patentanspruch 20 ist ein Produkt zu entnehmen, bei welchem durch die Zusammensetzung der Massen aus denen der Produktkörper besteht, mittels einer physiologisch abgestimmte Anordnung der funktionalisierten Massen oder der Abmessung der durch diese Massen erzeugten Produktkörperteile oder deren Formgebung oder der die Freisetzung der funktionsbestimmenden Komponenten beeinflussenden Masseneigenschaften, eine Reduzierung des Gesamtgehaltes an entsprechenden funktionalisierenden Komponenten bewirkt wird, ohne dass deren beabsichtigte physiologische Wirkung beeinträchtigt wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Stoffe wie Zucker, Salz, Aromen oder sonstige funktionalisierende Komponenten im Produkt so platziert werden, dass sie zum Beispiel unter sensorischen Gesichtspunkten bestmöglich wahrgenommen werden. So kann es beispielsweise in bestimmten Produkten vorteilhaft sein, wesentliche Anteile des Zuckergehalts im Gesamtprodukt eher in den äußeren Produktschichten zu lokalisieren, teilweise auch direkt auf der Oberfläche in Form kleiner Tropfen, was zu einer sensorisch veränderten Wahrnehmung führt. Bei einer insgesamt verstärkten Wirkung einer funktionellen Komponente in der Wahrnehmung durch den Konsumenten kann die Konzentration der funktionellen Komponente soweit abgesenkt werden, dass seine ursprüngliche Wahrnehmung nicht verändert wird. Entweder können dadurch funktionelle Komponente (beispielsweise Aromen) eingespart werden oder die ernährungsphysiologische Qualität eines Produkts kann insgesamt verbessert werden. Neben der Anordnung der Stoffe im Produkt sowie der Anordnung und konkreten Ausformung von Produktteilen sind auch die Freisetzungseigenschaften der Massen mitentscheidend für die Wahrnehmung der Stoffe. So können beispielsweise bei kristallisierenden Massen funktionelle Komponenten in Räumen zwischen den Kristallen angeordnet sein, so dass diese in konzentrierterer Form auf die Geschmacksrezeptoren treffen.
Insbesondere bei Schokoladen- oder Fettmassen (zum Beispiel Brotaufstriche) sind die Schmelzeigenschaften ein wichtiges Kriterium zur Ausprägung der Wahrnehmung, da insbesondere ein Vermischen der Schokoladen-/Fettmatrix mit Speichel zu einem Verdünnungseffekt führt, so dass die Wahrnehmung der funktionellen Komponenten reduziert wird, wenn der Schmelzvorgang länger dauert.
Lösung der Aufgabe betreffend eine Steuerung oder Regelung
Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 21 durch eine Steuerung oder Regelung gelöst für eine Einrichtung zum flexiblen 3D-Druck-technischen Herstellen von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen in diesen gedruckten Produktkörpern, aus zwei, teilweise bis vollständig gleichzeitig auf verschiedenen Produktlängenskalen - im Zentimeterbereich, im Mil- limeterbereich oder im Mikrometerbereich gedruckten Produktkörpern oder Produktkörperteilen durch diesen Produktlängenskalen - im Zentimeterbereich, Millimeterbereich, Mikrometerbereich - zugeordneten Druckvorrichtungen, mit einem oder mehreren mehrachsigen Robotern, mit einer oder mehreren Rechnereinheiten, die die Druckvorrichtung nach in einem Speicher der betreffenden Rechnereinheit gespeicherten produktspezifischen Daten hinsichtlich der zu druckenden Produktkörper oder Produktkörperteilen steuern oder regeln.
Die Abstimmung der erfindungsgemäßen teilweise bis vollständig synchron ablaufenden, komplexen Druckvorgänge für mehrere Massen mit mehreren Druckvorrichtungen, sowie die gleichzeitige diesen Druckvorgängen angepasste Einstellung der Druckmassenflüsse, bedürfen einer abgestimmten Regelung. Diese wird vorteilhaft mittels einer Rechnereinheit vorgenommen, welche neben der zeitlichen Ablaufregelung der einzelnen überlagerten Vorgänge auch Optimierungen auf Basis kognitiver Algorithmen (Al/Machine Learning) implementiert.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen
Weitere erfinderische Ausgestaltungen einer Steuerung oder Regelung sind in den Patentansprüchen 22 bis 25 beschrieben. Gemäß Patentanspruch 22 ist eine Steuerung oder Regelung gemäß der Erfindung beschrieben zum flexiblen 3D-Druck-technischen Herstellen von bevorzugt nichtsymmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen in diesen Produktkörpern, aus mindestens zwei, teilweise bis vollständig gleichzeitig auf verschiedenen Produktlängenskalen zu druckenden, bevorzugt verschiedenen fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktkörperlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen, wobei die einer Fertigungseinrichtung oder Fertigungseinrichtungen zugeordneten mindestens zwei Druckeinrichtungen mit einem oder mehreren mehrachsigen Robotern, mindestens eine Zentralrechnereinheit zugeordnet ist, die die Druckvorrichtungen und gekoppelten Robotikvorrichtungen nach in einem Datenspeicher der betreffenden Rechnereinheit gespeicherten Daten in ihren Bewegungsabläufen und Druckgeschwindigkeiten unter Berücksichtigung der Rheologie der zu druckenden Massen steuert bzw. regelt, wobei als zusätzliche Stellgröße für die Feineinstellung der Theologischen Masseneigenschaften die über die jeweilige Temperiereinheit vorgenommene Einstellung der Druckmassetemperaturen genutzt wird.
Die Abstimmung der erfindungsgemäßen teilweise bis vollständig synchron ablaufenden komplexen Druckvorgänge für mehrere Massen mit mehreren Druckeinrichtungen, die gleichzeitige diesen Druckvorgängen angepasste Einstellung der Druckmassenflüsse, sowie die Feineinstellung der Druckmassen-Fließeigenschaften über eine Feinregelung der Druckkopftemperatur bedürfen einer weitergehend abgestimmten Regelung. Diese wird vorteilhaft mittels einer Rechnereinheit vorgenommen, welche neben der zeitlichen Ablaufregelung der einzelnen überlagerten Vorgänge auch Optimierungen auf Basis kognitiver Algorithmen (Al/Machine Learning) implementiert. Die Möglichkeit unmittelbar vor Passage der Druckdüse in einer Durchflusstemperiereinheit, welche unmittelbar vor oder im Druckkopf integriert angeordnet ist, eine Feinregulierung der Massetemperatur und damit der rheologischen Eigenschaften der Masse vornehmen zu können, ist von erheblichem Vorteil für die schnelle Regelung der Druckvorgänge.
Gemäß Patentanspruch 23 ist eine Steuerung- und Regelungseinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit und die zugeordneten Druckvorrichtungen in freier Verkettung in einen übergeordneten Steuerungs- oder Regelungsalgorithmus einbezogen sind.
Hiermit wird die Vorteilhaftigkeit eines hierarchisch organisierten Steuerungs- und Regelungssystems für das reibungslose Zusammenspiel mehrerer Druckeinrichtungen in einer Fertigungseinrichtung im Sinne eines kompatiblen Produktteiledrucks für maßgeschneiderte Produkte realisiert.
In Patentanspruch 24 ist eine Steuerung oder Regelung beschrieben, bei welcher die zentrale Steuer- oder Regeleinheit stetig oder intermittierend arbeitenden Fördereinrichtungen zum Abtransport gedruckter Produktkörper steuern oder regeln. Weitergehend vorteilhaft ist hier der Einbezug die Fertigungseinrichtung umgebender mit dieser interagierender Einrichtungen wie insbesondere der die im Druck befindlichen oder erstellten Produkte/Produktteile, entweder zur Unterstützung des Druckvorganges oder zum Abtransport, gezielt bewegenden Fördereinrichtungen, welche in der Steuerung oder Regelung der Fertigungseinrichtung mit berücksichtigt werden.
Lösung der Aufgabe betreffend die Verwendung
Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 25 unter anderem durch ein Schokoladen-Produkt, Zucker-Confectionery Produkt, Teigware, Gebäck/Backware, Brotaufstrich, Käse, Snack-Composite, Pflanzenproteinbasiertes Fleischanalog, Milchprodukt, Fettprodukt, Wurstware/Pastete, Süßspeise oder Eiskrem erfüllt.
Die wesentlichen Vorteile liegen in der maßgeschneiderten Funktionalisierbarkeit solcher Produkte hinsichtlich (a) der sensorischen Aroma-, Geschmacks- und Textureigenschaften und (b) der nutritiven Aspekte und der Gesundheitsaspekte unterstützenden und des gleichzeitigen Einsparungspotentials der die Funktionalisierung bewirkenden Stoffkomponenten in Folge der erfindungsgemäß möglichen physiologisch bevorzugten Platzierung und der auf Sensitivitätsschwellwerte abstimmbaren lokalen Konzentration dieser Stoffkomponenten. In den Zeichnungen ist die Erfindung - teils schematisch - teils an Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 Eine Fertigungseinrichtung in Form eines Plans;
Fig. 2 ein Modell eines synchronen multi-skalig 3D-gedruckten Schokoladen- Confectionery Snack-Produktes, und
Fig. 3 schematisch einen (teil-)synchron multi-skalig 3D-gedruckten Produktkörper mit makro-, meso- und mikro-skaligen Produktteilen.
In Fig. 1 stehen die Unterbezeichnungen „a“ für Komponenten zugehörig zu einer Druckvorrichtung 11a, welche Produktteile auf makroskopischer Längenskala druckt. Entsprechend steht die Unterbezeichnung „b“ für Komponenten zugehörig zu einer Druckvorrichtung 11b, die für meso-Produktteile auf mesoskopischer Längenskala druckt, während mit der Unterbezeichnung „c“ Komponenten zugehörig zu einer Druckvorrichtung 11c bezeichnet sind, die Produktteile auf mikroskopischer Längenskala druckt.
Mit den Bezugszeichen 1a, 1b und 1c sind Druckköpfe bezeichnet, die jeweils einem gegebenenfalls mehrachsigen Roboter 2a, 2b bzw. 2c zugeordnet sind, deren motorische Antriebe und Energiezuleitungen aus Gründen der Vereinfachung nicht ein- zeln dargestellt sind. Dem jeweiligen Druckkopf 1a, 1b und 1c ist eine Dosiereinheit 3a, 3b bzw. 3c sowie jeweils eine Temperiereinheit 4a, 4b bzw. 4c zugeordnet. Die Leitungen 6a, 6b und 6c sind jeweils mit einem Materialtank 5a, 5b bzw. 5c materialleitend verbunden, über welche die einzelnen Materialströme gesteuert oder geregelt dem jeweiligen Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c rezeptspezifisch gesteuert oder geregelt zuführbar sind.
Die Bezugszeichen 10a, 10b und 10c bezeichnen jeweils Rechnereinheiten, die der jeweiligen Druckvorrichtung 11a, 11b und 11c zugeordnet sind. Den Rechnereinheiten 10a, 10b und 10c sind nicht näher bezeichnete programmierbare Datenspeicher zugeordnet, in denen Daten für die jeweiligen Rezepuren der zu druckenden Massen und der zu druckenden Produktkörper sowie zugeordneter Toleranzangaben und Algorithmen (inklusive Al-/Machine-Learning basierte) zur zeitlichen Ablaufregelung gespeichert sind. Die Rechnereinheiten 10a, 10b und 10c weisen jeweils eine Steuer- oder Regeleinheit 7a, 7b, 7c zum Dosieren der dem Druckkopf 1a bzw. 1b oder 1c und dessen Dosiereinheiten 3a, 3b und 3c zugeführten Materialien zum Drucken auf.
Je eine Steuer- oder Regeleinheit 8a, 8b oder 8c dient zur Steuerung oder Regelung der jeweiligen Temperiereinheit 4a, 4b oder 4c. Außerdem ist mit 9a, 9b oder 9c eine Steuer- oder Regeleinheit zum Steuern oder Regeln der Bewegung der mehrachsigen Roboter 2a, 2b und 2c und dessen Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c und gegebenenfalls anderer Teile bezeichnet.
Die jeweilige Steuer- und Regeleinheit 7a, 7b bzw. 7c ist jeweils über eine Leitung 20a bzw. 20b oder 20c mit der zugeordneten Dosiereinheit 3a, 3b oder 3c signalleitend verbunden, während die Steuer- und Regeleinheit 8a, 8b bzw. 8c für die Temperaturkontrolle über jeweils eine Leitung 21a, 21b bzw. 21c mit der Temperiereinheit 4a, 4b oder 4c verbunden ist.
Die Steuer- oder Regeleinheit 9a, 9b bzw. 9c ist für die Steuerung der Bewegungen des Roboters 2a, 2b bzw. 2c jeweils über eine Leitung 22a, 22b bzw. 22c mit dem betreffenden Roboter 2a, 2b oder 2c datenleitend verbunden.
Bei der dargestellten Ausführungsform kann der betreffende Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c je nach Ausführung einen Sprühstrahl 15 auf ein Substrat oder auf eine geeignete Unterlage 19 sprühen oder ein Strangstück 14 auf das Substrat oder die Unterlage 19 austragen oder das zu druckende Material als Tropfen 13 drucken und auf das Substrat oder die Unterlage 19 aufbringen. Anstatt eines Substrats 19 kann hier auch eine geeignete Fördervorrichtung 23 angeordnet sein, die aus der Druckvorrichtung 11a, 11b oder 11c mit dem Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c Produktkörper oder Produktkörperteile in den Einzugsbereich einer weiteren Druckvorrichtung, zum Beispiel 11b oder 11c, mit einem anderen Roboter, zum Beispiel 2b oder 2c, transportiert, welcher die von der Druckvorrichtung 11a ge- bzw. bedruckten Produktkörperteile mit anderen Produktkörperteilen zu einem fertigen Produktkörper drucken und damit verbinden. Im erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsfall überlappen die Arbeitsbereiche der Druckvorrichtungen 11a, 11b bzw. 11c räumlich einander, um die teilweisen bis vollständig synchronen Druckvorgänge auf den verschiedenen Längenskalen zu realisieren. Die Fördervorrichtung 23 ergänzt in diesem Falle programmgesteuert die Bewegungsabläufe der Roboter 2a, 2b oder 2c, um deren Verfahrwege zu minimieren oder zu optimieren.
Fig. 1 zeigt ferner eine zentrale Steuer- oder Regeleinheit 10d für eine aus mehreren Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c bestehende Fertigungseinrichtung 12, in der in einem zentralen Datenspeicher rezepturspezifische Daten sowie Algorithmen (inklusive Al-/Machine-Learning basierte) zur zeitlichen Ablaufregelung für die zu druckenden Produktkörperteile oder Produktkörper im Zusammenspiel der verschiedenen Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c programmierbar gespeichert sind, wobei die Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c wiederum aus den jeweiligen Druckköpfen 1a, 1b und 1c, den Dosiereinheiten 3a, 3b bzw. 3c, den Temperiereinheiten 4a, 4b und 4c und den jeweils zugeordneten Robotern 2a, 2b und 2c bestehen. Die zentrale Steuer- und Regelungseinrichtung 10d ist über Leitungen 24, 25, 26 - wie in Fig. 1 beispielsweise dargestellt - mit den drei Rechnereinheiten 10a, 10b bzw. 10d für die drei Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c datenleitend verbunden. Die Verbindung kann auch drahtlos erfolgen.
Die Rechnereinheiten 10a, 10b und 10c sind jeweils einem mehrachsigen Roboter 2a, 2b bzw. 2c zugeordnet.
Der Druckvorrichtung 11a ist ein Roboter 2a mit Druckkopf 1a, eine Dosiereinheit 3a und eine Temperiereinheit 4a zugeordnet, womit relativ groß gedruckte Produktkörper 16 erzeugt werden, während der Druckvorrichtung 11b ein Roboter 2b mit Druckkopf 1b, eine Dosiereinheit 3b und eine Temperiereinheit 4b zugeordnet ist. Die Druckvorrichtung 1b druckt Produktkörper 17 von mittlerer Größe. Die Druckvorrichtung 11c mit Roboter 2c, Druckkopf 1c, Dosiervorrichtung 3c und Temperiereinheit 4c druckt schließlich kleine Produktkörper 18, die zum Beispiel auf einen Produktkörper 17 aufgebracht werden, welcher wiederum auf einem größeren, durch den Druckkopf 1a gedruckte Produktkörper 16 aufgedruckt wird.
Die Fördervorrichtung 23 ist in Richtung X oder Y motorisch, zum Beispiel durch einen regel- oder steuerbaren Elektromotor, angetrieben. Der Antrieb kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen, gesteuert durch die zentrale Steuer- oder Regelein- richtung 10d in programmierbarer Abstimmung mit den beteiligten, gegebenenfalls mehrachsigen, zum Beispiel sechsachsigen, Robotern 2a, 2b oder 2c.
Parallel und/oder hintereinander können auch mehrere Fertigungseinrichtungen 12 angeordnet und über die zentrale Steuer- oder Regeleinrichtung 10d gesteuert bzw. geregelt werden, so dass parallel und/oder seriell unterschiedliche Produktkörper oder Produktkörperteile zeitgleich oder zeitversetzt gedruckt werden können.
Eine Fertigungseinrichtung im Anwendungsbereich Schokoladen-Confectionery- Technologie mit zugeordneten drei Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c (wie zum Beispiel in Fig.1 dargestellt) können für den teilweise bis vollständig gleichzeitigen Druck von Produktteilen auf Makro- (cm), Meso- (mm) und Mikrolängenskala (^ 100 Mikrometer) ein zum Beispiel makroskopisches 3D-Makro-Gehäuseprofil eines Schokoladenriegels mit unterschiedlichen 3D-Kavitäten erzeugen, meso-skalige Füllkörper in Teile dieser Kavitäten eindrucken und mikro-skalige Aromakapsel-Tropfen in andere Kavitäten oder Teile der Produktoberfläche ein- bzw. aufdrucken (siehe zum Beispiel Fig. 2).
Aus Fig. 2 ist ein relativ kompliziert aufgebauter Produktkörper mit dem Bezugszeichen 27 schematisch dargestellt, der eine etwa an Brokkoli oder Blumenkohl erinnernde Gestaltung aufweist und der beispielsweise aus zwei verschiedenen Makro- Produktkörperteilen 16a und 16b, acht Meso-Produktkörperteilen 17 sowie zahlrei- chen Mikro-Produktkörperteilen 18 besteht, welche in der dargestellten Art und Weise zu dem gemeinsamen Produktkörper 27 materialbezogen einstückig miteinander verbunden sind.
In Fig. 3 sind die verschiedenen makro-, meso- und mikroskaligen Druckkörperteile wie bereits in Fig.1 mit den Bezugszeichen 16a (makro-), 17 (meso-) und 18 (mikro-) versehen.
Auf die erfindungsgemäße Art und Weise lassen sich neben funktionalisierten Lebensmittel- und Kosmetikprodukten auch Karosserieteile für den Automobilbau, zum Beispiel Schweller, Stoßstangen, Holme mit Verstärkungsrippen und stoßdämpfenden Teilbereichen, drucken, insbesondere aus Komposit-Baustoffen. Derartige Produktkörper werden durch Kleben mit der Karosserie verbunden, so dass sich gewichtsparende, multifunktionelle Konstruktionen in Leichtbauweise hersteilen lassen, die den heutigen Bestrebungen zur Einsparung von Antriebsenergie und Umweltschonung entgegenkommen.
Bezugszeichenliste Druckkopf Roboter a Dosiereinheit
Temperatureinheit
Rechnereinheit
Steuer- oder Regeleinheit für Dosiereinheit
» » » » 0 Leitung 1 2 3 4 » 5 » Materialtank
Materialtank
Sprühstrahl a Substrat
Strang
Tropfen
Steuer- oder Regeleinheit Leitung
Steuer- oder Regeleinheit
Roboter
Druckkopf
Produktkörper a Druckkopf
Produktkörper
Druckkopf 36 Förderer
37 Produktkörper
38 Produktkörperteile
X-Y Förderrichtung
Literaturverzeichnis
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum 3D-Drucken von Lebensmiteln, Pharma-Produkten, Kosmetik- Produkten, Composite-Produkten aus Kunststoff oder aus Keramik oder aus Metall und aus Naturstoffen, als nicht-symmetrische Produktkörper (16b, 17, 18) und/oder nicht-symmetrisch angeordnete Massen, auf verschiedenen Produktlängenskalen wie Makro = im Zentimeterbereich, Meso = im Millimeterbereich oder Mikro = im Mikrometerbereich, aus fließfähigen Massen, wobei der jeweils erzeugte Produktkörper (16b, 17, 18) oder die erzeugten Produktkörperteile, jeweils bei einer mittleren Produktabmessung von 5 cm in Breite, Höhe und Länge, mit einer Maßgenauigkeit von 1000 Mikrometern, oder von < 600 Mikrometern, oder von < 100 Mikrometern, gedruckt werden und der gedruckte Produktkörper oder die gedruckten Produktkörperteile jeweils bei einer mitleren Produktabmessung von 5 cm in Breite, Höhe und Länge, einer Masse von >10 g und einer Dichte zwischen 0,1 und 1,5 g/cm3 in einem Zeitintervall von < 60 s oder< 10 s, hergestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Produktkörper (16b, 17, 18) mit einer Formhaltigkeit (FH) von > 95% hergestellt wird, wobei diese als Maß für eine Abweichung der Produktkörperabmessungen oder Produktkörperteilabmessungen und/oder der Querschnittsform- Abmessungen der gedruckten Produktkörper (16b, 17, 18) oder Produktkörperteile vom Soll-Wert < 5 % hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung Extrusions- und/oder Jet-Druckverfahren angewendet werden, wobei die ausgebrachten Massen durch Sintern, Kleben oder Schweißen mit bereits ausgebrachten, verfestigten und/oder teilverfestigte Massen/Masseteilen miteinander verbunden werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Klebung, Sinterung oder Schweißung durch die massespezifischen Prozessparameter, wie beispielsweise Temperatur und/oder Stranganpressdruck sowie die materialspezifischen Parameter Fließverhalten, fluider bzw. fester - kristalliner oder amorpher oder temperaturabhängig erstarrender oder ionenart-/ionen- konzentrationsabhängig gelbindender - Phasenanteile in den Massen gesteuert oder geregelt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der zu druckenden Produktkörper/ Produktkörperteile (16b, 17, 18), angepasst an die jeweilige Produktlängenskala, eine Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c), bestehend aus Druckkopf (1a, 1b, 1c), passender Druckkopfcharakteristik, Dosiereinheit (3a, 3b, 3c), Temperie- reinheit (4a, 4b, 4c) sowie eine Robotik-Vorrichtung (2a, 2b, 2c), welche eine Produktionseinheit bilden, verwendet wird, wobei die Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c) über ein Bajonett-System mit der Robotik-Vorrichtung (2a, 2b, 2c) ge- oder entkoppelbar oder gegen eine andere entsprechende Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c) ausgetauscht werden, wobei die Komponenten der Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c) und der Robotik-Vorrichtung (2a, 2b, 2c) zeitlich und räumlich aufeinander abgestimmt programmierbar steuerbar oder regelbar sind, und zwei oder mehrere dieser Produktionseinheiten teilweise bis vollständig gleichzeitig arbeitend die Produktkörper (16b, 17, 18) oder die Produktkörperteile unterschiedlicher Produktlängenskalen mit angepasst kontrollierter Geschwindigkeit drucken und diese Teile beim Drucken derart platzieren, dass eine vorher festgelegte räumliche Anordnung und Verbindung hergestellt werden.
6. Einrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum 3D-Drucken von Lebensmitteln, Pharma-Produkten, Kosmetik-Produkten, Composite-Produkten aus Kunststoff oder aus Keramik oder aus Metall und aus Naturstoffen, als nichtsymmetrische Produktkörper oder nicht-symmetrisch angeordnete Massen, nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der zu druckenden Produktkörper/Produktkörperteile, angepasst an die jeweilige, charakteristische Produktlängenskala, eine Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c), bestehend aus Druckkopf (1a, 1b, 1c), passender Druckkopfcharakteristik, Dosiereinheit (3a, 3b, 3c), Temperiereinheit (4a, 4b, 4c) sowie einer Robotik-Vorrichtung (2a, 2b, 2c), welche eine Produktionseinheit bilden, vorgesehen ist, wobei die Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c) über ein Bajonett-System mit der Robotik-Vorrichtung (2a, 2b, 2c) ge- oder entkoppelbar oder gegen eine andere entsprechende Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c) austauschbar sind, wobei die Komponenten der Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c) und der Robotik-Vorrichtung (2a, 2b, 2c) zeitlich und räumlich aufeinander abgestimmt programmierbar steuerbar oder regelbar sind, und zwei oder mehrere dieser Produktionseinheiten teilweise bis vollständig gleichzeitig arbeitend die Produktkörper (16b, 17, 18) oder die Produktkörperteile unterschiedlicher Produktlängenskalen mit angepasst kontrollierter Geschwindigkeit drucken und diese Teile beim Drucken derart platzieren, dass eine vorher festgelegte, definierte räumliche Anordnung und Verbindung hergestellt werden.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Druckvorrichtungen (11a, 11b, 11c) einen Druckkopf (1a, 1b, 1c) mit einer oder mehreren einstellbaren Dosiereinheiten (3a, 3b, 3c) aufweist, welche jeweils mit einer oder mehreren wechselbaren Massen-Vorrats-/Versorgungseinheiten verbunden ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckköpfe (1a, 1b, 1c) mit einer oder mehreren Dosiereinheiten (3a, 3b, 3c) wahlweise Einzeltropfen (13), Sprays (15) oder Stränge (14) erzeugen mit jeweiliger Anpassung an die Theologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen.
9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Dosiereinheit (3a, 3b, 3c) an die rheologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen sowie an die Dosierkinetik eines zugeordneten Aktors und die Druckdüsengeometrie angepasst ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 6 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Druckkopf (1a, 1b, 1c) an die rheologischen Eigenschaften der Massen im zu druckenden Bereich unter Berücksichtigung irreversibel strukturverändernder Spannungen in der Masse über deren Temperierung mit einer Temperatur-Einstellgenauigkeit von +/- 1° C, bevorzugt +/- 0,5° C, weitergehend bevorzugt +/- 0,1° C, angepasst ist.
11. Nach den Ansprüchen 1 bis 5 gedrucktes Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt ein Lebensmittel, ein Schokoladen-Produkt, Zucker- Confectionery Produkt, Teigware, Gebäck/Backware, Brotaufstrich, Käse, Snack-Composite, pflanzenproteinbasiertes Fleischanalog, Milchprodukt, Fettprodukt, Wurstware/Pastete, Süßspeise, Eiskrem ist.
12. Produkt hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt (16b, 17, 18) ein Kosmetikum/Pflegemittel, ein Lippenstift oder eine Seife ist.
13. Produkt hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt (16b, 17, 18) ein Pharma-Produkt, eine Wundauflage, ein Suppositorium, eine Prothese, ein Korsett, ein künstliches Gelenk, eine Stützstruktur oder ein Operationshilfsmittel zum Fixieren von Knochen ist.
14. Produkt hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt ein Composite-Produkt bestehend aus zwei oder mehreren Materialien der Materialgruppen Kunststoff, Keramik, Metall und Naturstoff, ein Stützelement, ein Holzbauteil, eine Prothese, ein Korsett oder ein künstliches Gelenk ist.
15. Produkt hergestellt nach Anspruch 11 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus zwei oder mehreren Massen gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung besteht, die aus den verschiedenen Massen hergestellten Produktkörper (16b, 17, 18) oder Pro- duktkörperteile (16b, 17, 18) unterschiedliche Abmessungen besitzen und diese Produktkörperteile dauerhaft fixiert oder beweglich miteinander verbunden sind.
16. Produkt hergestellt nach Anspruch 11 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktfunktionalität bezüglich Haptik, Textur, Optik, Aroma-Sensorik bestimmt ist durch die anwendungsspezifische Zusammensetzung der am Druckverfahren beteiligten Massen hinsichtlich deren Konzentration von Aroma-, Geschmacks-, Färb- oder texturgebenden Bestandteilen oder durch die jeweilige Anordnung dieser Massen im Produktkörper (16b, 17, 18) bzw. in Produktkörperteilen oder durch die Formgebung des Produktkörpers (16b, 17, 18) oder der Produktkörperteile oder durch die Detailformgebung der Oberfläche des betreffenden Produktkörpers (16b, 17, 18) oder der Produktkörperteile.
17. Produkt hergestellt nach Anspruch 11 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Massen unter ernährungsphysiologischen Gesichtspunkten formuliert sind.
18. Produkt hergestellt nach Anspruch 11 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung der Massen hinsichtlich Zucker- und/oder Salz- und/oder Fettgehalten und/oder Gehalten sonstiger Zusätze und/oder funktionalisierender Komponenten abgestimmt auf die Anord- nung im Produktkörper (16b, 17, 18) bzw. in Produktkörperteilen eine Reduzierung derselben Komponenten im gesamten Produkt ohne sensorische oder funktionelle Nachteile realisiert.
19. Produkt hergestellt nach Anspruch 11 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine anwendungsspezifische Zusammensetzung oder die jeweilige Anordnung der Massen im Produktkörper (16b, 17, 18) oder die Abmessungen von Produktkörpern (16b, 17, 18) Produktkörperteilen oder die Produktformgebung oder die Detailformgebung der Oberfläche einen Verzehrzeit-abhängigen Intensitätsverlauf der Wahrnehmung von Zucker oder Salz oder Fett oder Aromen bewirken.
20. Produkt hergestellt nach Anspruch 11 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zusammensetzung der Massen aus denen der Produktkörper (16b, 17, 18) besteht, mittels einer physiologisch abgestimmte Anordnung der funktionalisierten Massen oder der Abmessung der durch diese Massen erzeugten Produktkörperteile oder deren Formgebung oder der die Freisetzung der funktionsbestimmenden Komponenten beeinflussenden Masseneigenschaften, eine Reduzierung des Gesamtgehaltes an entsprechenden funktionalisierenden Komponenten bewirkt wird, ohne dass deren beabsichtigte physiologische Wirkung beeinträchtigt wird.
21. Steuerung oder Regelung für eine Einrichtung nach Anspruch 6 oder einem der Ansprüche 7 und 8, zum flexiblen 3D-Drucken von nicht-symmetrischen Produktkörpern (16b, 17, 18) oder Produktkörperteilen oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen in diesen Produktkörpern (16b, 17, 18), aus zwei, teilweise bis vollständig gleichzeitig auf verschiedenen Produktlängenskalen - im Zentimeterbereich, im Millimeterbereich oder im Mikrometerbereich gedruckten Produktkörpern oder Produktkörperteilen durch diesen Produktlängenskalen - im Zentimeterbereich, Millimeterbereich, Mikrometerbereich - zugeordneten Druckvorrichtungen (11a, 11b, 11c), mit einem oder mehreren mehrachsigen Robotern, mit einer oder mehreren Rechnereinheiten, die die Druckvorrichtung (11a, 11b, 11c) nach in einem Speicher der betreffenden Rechnereinheit gespeicherten produktspezifischen Daten hinsichtlich der zu druckenden Produktkörper (16b, 17, 18) oder Produktkörperteilen steuern oder regeln.
22. Steuerung oder Regelung für eine Einrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckvorrichtungen (11a, 11b, 11c) und die gekoppelten Robotik-Vorrichtungen nach den im Datenspeicher der betreffenden Rechnereinheit (10a, 10b, 10c) gespeicherten Daten in ihren Bewegungsabläufen und Druckgeschwindigkeiten unter Berücksichtigung der Rheologie der zu druckenden Produktkörper (16b, 17, 18) oder Produktkörperteile Steuer- oder regelbar sind, wobei als zusätzliche Stellgröße für die Feineinstellung der rheo- logischen Masseneigenschaften die über die jeweilige Temperiereinheit vorgenommene Einstellung der Druckmassetemperaturen genutzt wird.
23. Steuerung oder Regelung nach Anspruch 21 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (10a, 10b, 10c) und die zugeordneten Druckvorrichtungen (11a, 11b, 11c) in freier Verkettung in einen übergeordneten Steuerungs- oder Regelungsalgorithmus einbezogen sind.
24. Steuerung oder Regelung nach Anspruch 21 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuer- oder Regeleinheit (10d) stetig oder intermittierend arbeitenden Fördereinrichtungen (23) zum Abtransport gedruckter Produktkörper (16b, 17, 18) steuern oder regeln.
25. Verwendung eines nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, gedruckten Produktkörpers (16b, 17, 18) als Schokoladen-Produkt, Zucker- Confectionery Produkt, Teigware, Gebäck/Backware, Brotaufstrich, Käse, Snack-Composite, Pflanzenproteinbasiertes Fleischanalog, Milchprodukt, Fettprodukt, Wurstware/ Pastete, Süßspeise oder Eiskrem.
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