EP4514156A1 - Dispositif d'impression 3d alimentaire - Google Patents

Dispositif d'impression 3d alimentaire

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Publication number
EP4514156A1
EP4514156A1 EP23708292.0A EP23708292A EP4514156A1 EP 4514156 A1 EP4514156 A1 EP 4514156A1 EP 23708292 A EP23708292 A EP 23708292A EP 4514156 A1 EP4514156 A1 EP 4514156A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
food
food product
matrix
printing
powder
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23708292.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marine CORÉ-BAILLAIS
Quentin PONCHON
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.)
La Patisserie Numerique SAS
Original Assignee
La Patisserie Numerique SAS
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
Priority claimed from FR2203833A external-priority patent/FR3134687A1/fr
Application filed by La Patisserie Numerique SAS filed Critical La Patisserie Numerique SAS
Publication of EP4514156A1 publication Critical patent/EP4514156A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23P—SHAPING OR WORKING OF FOODSTUFFS, NOT FULLY COVERED BY A SINGLE OTHER SUBCLASS
    • A23P20/00—Coating of foodstuffs; Coatings therefor; Making laminated, multi-layered, stuffed or hollow foodstuffs
    • A23P20/20—Making of laminated, multi-layered, stuffed or hollow foodstuffs, e.g. by wrapping in preformed edible dough sheets or in edible food containers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23P—SHAPING OR WORKING OF FOODSTUFFS, NOT FULLY COVERED BY A SINGLE OTHER SUBCLASS
    • A23P30/00—Shaping or working of foodstuffs characterised by the process or apparatus
    • A23P30/20—Extruding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23P—SHAPING OR WORKING OF FOODSTUFFS, NOT FULLY COVERED BY A SINGLE OTHER SUBCLASS
    • A23P20/00—Coating of foodstuffs; Coatings therefor; Making laminated, multi-layered, stuffed or hollow foodstuffs
    • A23P20/20—Making of laminated, multi-layered, stuffed or hollow foodstuffs, e.g. by wrapping in preformed edible dough sheets or in edible food containers
    • A23P20/25—Filling or stuffing cored food pieces, e.g. combined with coring or making cavities
    • A23P2020/253—Coating food items by printing onto them; Printing layers of food products

Definitions

  • the invention relates to a Cartesian-type three-dimensional (3D) printing device for a food product, as well as an assembly comprising said device and a device allowing solidification of the food product.
  • the invention also relates to a method for additive manufacturing of a food product using the assembly according to the invention.
  • the invention relates to the field of 3D food printing devices.
  • 3D printing consists of manufacturing the final part layer by layer, by aggregating the material using various processes, only where the digital model predicts it.
  • 3D printing technologies aggregate their base material by different processes: bonding, polymerization of a monomer powder, selective laser sintering, fusion by the use of an electric arc, etc. They were firstly developed for polymers (resins, plastics) and for metals.
  • 3D printing technologies were then transposed to the food industry, using deposition methods by extrusion, by ink jet, by binder projection or even by selective laser sintering. These first three types are today used commercially in the manufacture of food products based on chocolate, meat, fish, fruits, vegetables, or even cereals...
  • the Applicant has developed a Cartesian-type 3D food printing device responding to this technical problem, and allowing increased productivity, obtaining food products of any shape, to taste. and with a controlled texture, with an aesthetic similar to traditional processes, and easily cleanable.
  • Patent document US 2017/0251713 A1 describes a 3D food printer provided with a removable printing plate in which a piece of food is manufactured. A material (paste) is extradited from a print head and then injected through the print head into a plate. To do this, the plate is placed below the print head and receives the food paste extruded by the print head.
  • the 3D food printer also includes a vibration device acting on the printing plate in order to level the material.
  • a disadvantage of such a 3D food printer is that it imposes limitations in terms of geometry of the injected viscous materials and deposition speed.
  • another disadvantage of the 3D printer described in this document is that it requires the addition of additives in the manufactured food product.
  • the 3D food printing device thus aims to take advantage of such a process, while improving the flow of the matrix as well as the reparability and density of the powder, and by reducing the mechanical forces on the head. printing.
  • the 3D food printing device further aims to obtain food products manufactured by 3D printing without using additives and without altering the taste and texture of the food products produced.
  • the present invention aims to resolve all or part of the disadvantages of the state of the art cited above.
  • the invention relates to a Cartesian-type 3D food printing device.
  • said Cartesian-type 3D food printing device comprises: a. a removable print tray; b. a print head positioned opposite the printing tray and capable of extruding pasta, said print head moving along two orthogonal axes; vs. a printing plate configured to allow movement of the print head along a third axis orthogonal to the other two axes; d. a powder or food gel supply system configured to allow sequential or regular filling of the printing tray with said powder or said food gel, said powder or said food gel deposited in the printing tray constituting a matrix; summer. a vibration system connected to the printing tray, making it possible to vibrate said matrix in said printing tray.
  • the sequential or regular filling of the printing tray carried out by the food powder or gel supply system is created in order to maintain a constant height of powder or gel of between 1 and 20 cm to constitute the matrix and thus maintain a height (level of the matrix) above the printing area, and this layer after layer.
  • This system is necessary because the forces created on the print head increase with the quantity of powder or gel in which the head is immersed.
  • Sequential filling following the print height allows you to maintain a quantity of powder or gel necessary for the self-repair of the matrix while limiting the forces exerted on the print head.
  • Such sequential filling also makes it possible to guarantee that the material injected into the matrix is always in suspension therein.
  • the printing tray is kept static while the print head is moving, so as to avoid the maximum amount of movement and potential offset between each printed layer.
  • the print head is capable of extruding food pastes having a viscosity of between 10 -1 mPa.s and 10 7 mPa.s.
  • a viscosity of between 10 -1 mPa.s and 10 7 mPa.s.
  • Such a range of values makes it possible to use different food pastes, presenting a wide spectrum of viscosity.
  • the print head includes a reservoir for containing food paste.
  • the edible paste reservoir is offset from the print head and is fixed on the structure of the 3D printing device.
  • the print head is held securely to be able to print precisely in the matrix, and therefore produce a faithful representation of the 3D file transmitted by computer.
  • the print head is provided with a printing nozzle.
  • the printing nozzle has a size adapted to the product to be made, and can be simply changed to adapt it to a possible other product to be made. This amounts to modifying the extrusion flow rate of the head, without degrading the aesthetic appearance of the final food product.
  • said food powder has a particle size of between 1 pm and 1500 pm in diameter, preferably between 5 pm and 200 pm, a relative humidity of between 0% and 80%, a density of between 0.1 kg/liter and 1 kg/liter, preferably between 0.3 kg/liter and 0.8 kg/liter, and a thermal conductivity of between 0.01 W/m/K and 1 W/m/K, preferably between 0.03 W/m/K and 0.2 W/m/K.
  • the food powder thus has specific properties (and particularly adapted to the intended application) of heat conduction and resistance to high temperatures. without phase change (high vitrification temperature), or decomposition under the effect of heat.
  • the food powder also has specific properties (and particularly adapted to the intended application) of flowability (at the time of deposition), reparability (during the 3D printing phase) and density (after the passage of the head). 'printing and at rest).
  • the printing tray includes the matrix.
  • the matrix made up of food powder or gel
  • the vibration system is positioned on the printing tray or on a support of the printing tray.
  • the powders used in the context of the invention are very cohesive and therefore the passage of the print head can pose problems.
  • This passage of the print head through the matrix leaves a groove in the matrix.
  • the die groove leaves an empty area of powder above the paste extruded by the head. Consequently, the matrix no longer plays its antigravity role.
  • the presence of the vibration system on the printing tray makes it possible to vibrate the matrix and thus allow it to flow easily. In this case, the groove created by the print head closes quickly thanks to the surrounding powder. This vibration system thus makes it possible to improve the reparability and density of the powder.
  • said vibration system has a vibration amplitude of between 10 pm and 2 cm, a vibration frequency of between 1 Hz and 10 MHz, and a centrifugal vibration force of between 1 g and 100 kg. .
  • the vibration system has a vibration amplitude of between 1 mm and 10 mm, a vibration frequency substantially equal to 50 Hz, and a centrifugal force of the vibration of between 2.5 kg and 5 kg, preferably substantially equal to 5kg.
  • the vibration system makes it possible to vibrate the food matrix in the printing tray.
  • said Cartesian-type 3D food printing device comprises an anti-vibration decoupling system.
  • said anti-vibration decoupling system is positioned between the printing plate and the rest of the elements of the device.
  • said anti-vibration decoupling system can include one or more anti-vibration pad(s) fixed on the one hand to the printing plate and on the other hand to the printing tray.
  • anti-vibration pads make it possible to obtain better control of the amplitude of vibrations within the 3D printing device.
  • said anti-vibration decoupling system may comprise one or more springs) fixed on the one hand to the printing plate and on the other hand to the printing tray.
  • This anti-vibration decoupling system ensures that no vibration is created on the rest of the machine.
  • the entire device according to the invention is controlled by computer, and follows the 3D file loaded by the user.
  • the file preferably a Gcode file, includes all of the instructions, including possible retraction and unprinting steps.
  • the invention relates to an assembly comprising a 3D food printing device according to the invention, and a device allowing solidification of the food product.
  • the solidification of the food product is carried out by heating or by cooling depending on the type of printed food paste.
  • the device allowing solidification of the food product is for example a refrigerator or a freezer.
  • the invention relates to an assembly comprising a 3D food printing device according to the invention, and a device allowing the heating of the food product.
  • said heating can be carried out between 10°C and 200°C.
  • Heating makes it possible to solidify the part and possibly cook it.
  • the assembly according to the invention can also include a powder removal device, making it possible to eliminate the powders coming from the matrix.
  • the invention relates to a process for additive manufacturing of a food product using the assembly according to the invention.
  • said method of additive manufacturing of a food product comprises at least one step of injecting said food paste into said matrix so as to produce a food product;
  • said at least one step of injecting said food paste into said matrix is carried out in conjunction with the application of vibrations to the printing tray comprising the matrix.
  • said method of additive manufacturing of a food product comprises at least one heating step.
  • said at least one step of heating said food product obtained in step i. is carried out between 10°C and 200°C.
  • said process for additive manufacturing of a food product comprises at least one solidification step, which may be a step of heating or cooling the food product.
  • said additive manufacturing process comprises a step of separating the food product obtained from the matrix.
  • said method of additive manufacturing of a food product using the assembly according to the invention comprises: i. at least one step of injecting said food paste into said matrix, so as to produce a food product; ii. at least one step of solidifying said food product obtained in step i.
  • said method comprises a step of moving said printing tray from the 3D printing device according to the invention towards the device allowing the heating of the food product.
  • the print head is sunk to a depth of 1 to 20 cm, preferably 2 to 8 cm, into the matrix in order to ensure good cohesion between the layers and complete erasure. effects of gravity and obtain the targeted aesthetic qualities.
  • the matrix is composed of discrete solid elements or gels, preferably microgels.
  • the matrix is composed only of edible elements. This ensures that the taste and texture of the food products produced are not altered.
  • said method further comprises a step of vibrating the printing tray containing the matrix, said step of vibrating being carried out after or simultaneously with the step of injecting the food paste in the matrix.
  • said method further comprises a step of sequential filling of the printing tank with food powder or gel, the filling of the printing tank being carried out following the injection height of the food paste in the print tray.
  • the food paste is in a viscous and uniform form.
  • the assembly further comprises a device allowing the separation of the food product from the matrix, and the method further comprises a step of separating the food product from the matrix.
  • the separation step is a depowdering step.
  • the device allowing the solidification of the food product is a device for heating the food product between 10°C and 200°C, and step ii. is a step of heating the food product (4) obtained in step i between 10°C and 200°C.
  • the invention relates to the use of the 3D printing device according to the invention or of the system according to the invention to make a food product.
  • said use makes it possible to prepare cereal products ready for filling.
  • said use makes it possible to make food products based on chocolate, preferably chocolate cakes, fresh pasta based on durum wheat semolina, gelled coulis inserts, or dry cakes. and soft.
  • FIG 1 is a schematic representation of the Cartesian type 3D printing device for a food product according to the invention.
  • FIG 2 is a flowchart representing an additive manufacturing process for a food product implemented by an assembly comprising the 3D printing device of Figure 1.
  • FIG 3 is a perspective view of an example of a final food product obtained using the device and the method according to the invention.
  • FIG 4 is a front view of the food product in Figure 3.
  • FIG 5 is another front view of the food product of Figure 3, in which the food product was turned.
  • Cartesian 3D printer is meant according to the invention the most common type of 3D printer, so called because of the Cartesian coordinate system that they use. This consists of three orthogonal axes - the X, Y and Z axes - which are used to determine where and how the print head should move correctly and therefore to correct the direction of movement. Depending on the model and manufacturer of the printer, the print bed of this machine will be in charge of the Z axis, allowing the extruder to position itself on the X and Y axes, in order to be able to move in all directions. A person skilled in the art familiar with Cartesian 3D printers is able to determine the correspondence of the X, Y and Z axes.
  • print head is meant according to the invention the element allowing food paste to come out and incorporated into the food matrix.
  • paste is meant a food suitable for consumption formulated in a more or less soft and viscous manner.
  • the pasta is added to the matrix.
  • the food pastes are added to the matrix in such a way that a mixture between the food paste and the food matrix is produced in situ immediately at the time of deposit. Mixing the food paste and the matrix during 3D printing produces the food product.
  • the food product is meant a food consumable by a human.
  • the food product obtained thanks to 3D printing preferably has a viscous and uniform shape, without grain, before solidification. After solidification, the food product is in a solid form.
  • extrude is meant the shaping by mechanical treatment and under pressure of moistened or non-moistened food and pasta.
  • food powder is meant a solid substance formed of fine particles, here a particle size of between 1 pm and 1500 pm in diameter, preferably between 5 pm and 200 pm.
  • food gel is meant an edible food product in the form of networked macromolecules forming a liquid or even semi-liquid structure depending on their viscosity.
  • matrix or even “food matrix” is meant all of the food powder or food gel deposited in the printing tray, representing the base of the food product where the print head will print.
  • system for supplying food powder or gel is meant the element which makes it possible to distribute the powder or gel to the device.
  • the powder is called food because it comes from an edible food, for example cereals, vegetables, etc.
  • printing plate is meant according to the invention the element located at the base of the device and moving along the Z axis, and thus allowing the relative movement along the Z axis between the plate of print and the print head.
  • printing tray is meant according to the invention the container receiving the powder or gel distributed by the delivery system, and therefore comprising the matrix.
  • vibration system is meant according to the invention a device making it possible to apply vibrations, in order to set adjacent devices in motion.
  • anti-vibration decoupling system a device allowing that the vibrations applied to one element of the device are not applied to other elements.
  • Such an anti-vibration decoupling system can for example include one or more spring(s) fixed on the one hand to the printing plate and on the other hand to the printing tray.
  • step of injecting said food paste into the matrix is meant that the print head injects said food paste inside the matrix.
  • heating step is meant a step of applying a temperature to said food product, in order to cook it.
  • step of removing the food product is meant the removal of the food product from the matrix in order to obtain an independent, consumable, packageable food product, etc.
  • additive manufacturing is meant according to the invention a process making it possible to manufacture a physical object from a digital object by adding material.
  • separation of the food product is meant according to the invention the action of isolating the food product obtained from the matrix in which it was made, powder or gel.
  • bindering is meant the action of removing the powder used for 3D printing, in order to obtain the food product.
  • connection to is meant according to the invention that the element is “in contact with”, and therefore it can be “positioned on”, “positioned in”, “positioned outside of”, as long as that the element remains in contact with the other element to which it is connected.
  • vibration system is connected to the print tray.
  • discrete solid elements is meant according to the invention the particles constituting all of the food powder.
  • Figure 1 shows a three-dimensional (3D) printing device of the Cartesian type for manufacturing a food product 4.
  • the 3D printing device comprises a food powder or gel supply system 1, a print head 2, a print plate 5, a removable print tray 6, a vibration system 7 and an anti-vibration decoupling system 8.
  • the 3D printing device can be part of an assembly (not shown in Figure 1) comprising, in addition to the 3D printing device, a device for heating the food product 4 and a powder removal device.
  • the heating device is configured to allow the heating of the food product 4 to a temperature between 10°C and 200°C.
  • the food powder or gel supply system 1 makes it possible to supply food powder or gel during printing into the printing tray 6.
  • the food powder or gel supply system 1 is configured to allow sequential or regular filling of the printing tray 6 with powder or food gel.
  • the food powder or gel deposited in the printing tray 6 constitutes a matrix (in particular a food matrix).
  • the matrix is composed of solid discrete elements or microgels. More preferably, the matrix is composed only of edible elements.
  • the food powder has a particle size of between 1 pm and 1500 pm in diameter, preferably between 5 pm and 200 pm, a relative humidity of between 0 % and 80%, a density between 0.1 kg/liter and 1 kg/liter, preferably between 0.3 kg/liter and 0.8 kg/liter, and a thermal conductivity between 0.01 W/m/K and 1 W/m/K , preferably between 0.03 W/m/K and 0.2 W/m/K.
  • the print head 2 is provided for example with an injection nozzle and a reservoir of edible paste 3, such elements not being shown in Figure 1 for reasons of clarity.
  • the injection nozzle is in fluid communication with the reservoir.
  • the injection nozzle has a food paste outlet 3 whose diameter is for example between 0.2 mm and 5 mm, preferably between 0.5 mm and 2 mm.
  • the print head 2 is positioned opposite the printing tray 6 and is capable of extruding food pastes 3.
  • the print head 2 is capable of extruding food pastes 3 having a viscosity between 10 -1 mPa.s and 10 7 mPa.s.
  • the food paste 3 is presented in a viscous and uniform shape.
  • the print head 2 is configured to move along two orthogonal axes X, Y.
  • the print plate 5 is configured to allow the print head 2 to move along a third axis Z orthogonal to the other two axes X, Y.
  • the printing plate 5 is connected to the printing tray 6 (as will be detailed later), which makes it possible to vary the relative height
  • the printing 2 injects the food paste 3 into the printing tray 6.
  • the printing plate 5 is advantageously mounted movable in translation in a direction corresponding to the axis Z.
  • the printing head 2 is immersed in the matrix at a depth for example between 1 cm and 20 cm, preferably between 2 cm and 8 cm.
  • the vibration system 7 is connected to the printing tray 6, which makes it possible to vibrate the matrix in the printing tray 6.
  • the vibration system 7 has a vibration amplitude of between 10 pm and 2 cm, a vibration frequency between 1 Hz and 10 MHz, and a centrifugal force of the vibration between 1 g and 100 kg.
  • the vibration system 7 has a vibration amplitude of between 1 mm and 10 mm, a vibration frequency substantially equal to 50 Hz, and a centrifugal force of the vibration of between 2.5 kg and 5 kg. , preferably substantially equal to 5kg.
  • Such values for the vibration amplitude, the vibration frequency and the centrifugal force of the vibration make it possible to further improve the flow of the matrix within the printing tray 6.
  • the anti-vibration decoupling system 8 allows decoupling (without vibrations) between the printing plate 5 and the rest of the elements of the 3D printing device.
  • the anti-vibration decoupling system 8 consists of two helical springs fixed on the one hand to the printing plate 5 and on the other hand to the printing tray 6.
  • the anti-vibration decoupling system 8 consists of one or more anti-vibration pad(s) fixed on the one hand to the printing plate 5 and on the other hand to the tray. printing 6.
  • Such anti-vibration pads make it possible to obtain better control of the amplitude of vibrations within the 3D printing device.
  • the movement of the print head 2 can either be done first along the two axes X and Y then along the Z axis for additive manufacturing of the food product 4 layer after layer, or simultaneously along the three axes X, Y and Z for direct three-dimensional manufacturing of the food product 4.
  • the method comprises a first step 20 during which the food paste 3 is injected into the matrix by the print head 2, so as to produce a food product 4.
  • the method comprises a step 22 following or concomitant with step 20, of vibrating, by the vibration system 7, the printing tray 6 containing the matrix.
  • the method comprises a step 23 following or concomitant with step 20, of sequential filling of the printing tray 6 with powder or food gel from the powder or food gel supply system 1.
  • the printing tray 6 is filled by the powder or food gel supply system 1 by following the injection height of the food paste 3 by the print head 2 into the printing tray 6.
  • the process comprises a following step 24 of heating, by the heating device, the food product 4 to a temperature between 10°C and 200°C .
  • the printing tray 6 containing the food product 4 and the matrix is for example taken out of the 3D printing device according to the invention, and conveyed into the heating device.
  • the process preferably comprises a final step 26 of separating the food product 4 from the matrix.
  • this separation step 26 is a depowdering step, and is implemented by the depowdering device.
  • the user prepares the food paste 3 upstream, and inserts it into a reservoir coupled to the print head 2.
  • the printing tray 6 is then filled using the food powder supply system 1 making it possible to obtain a height of between 1 cm and 5 cm above the extrusion level of the food paste 3.
  • the print file is prepared by the user, making it possible to obtain a machine code for the device according to the invention.
  • the vibration system 7 aimed at uniforming the powder matrix, is started at the start of printing and carried out continuously until the end of printing.
  • Printing is then launched, with the print head 2 moving within the matrix to create a first layer.
  • the printing plate 5 then moves according to the height of this first layer.
  • the printing tray 6 is then taken out of the 3D printing device according to the invention, and routed into the device allowing heating.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'impression en trois dimensions de type cartésien pour produit alimentaire (4), ainsi qu'un ensemble comprenant ledit dispositif et un dispositif permettant une solidification du produit alimentaire. L'invention concerne également un procédé de fabrication additive d'un produit alimentaire à l'aide de l'ensemble selon l'invention.

Description

Description
Titre de l’invention : Dispositif d’impression 3D alimentaire
[0001] L’invention concerne un dispositif d’impression en trois dimensions (3D) de type cartésien pour produit alimentaire, ainsi qu’un ensemble comprenant ledit dispositif et un dispositif permettant une solidification du produit alimentaire. L’invention concerne également un procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire à l’aide de l’ensemble selon l’invention.
Domaine technique
[0002] L’invention se rapporte au domaine des dispositif d’impression 3D alimentaire.
Art Antérieur
[0003] On rassemble sous la dénomination générique d'impression 3D les technologies de fabrication additives d'objets, directement à partir d'un modèle numérique et sans passer par une étape (manuelle) de fabrication d'un moule.
[0004] L’impression 3D consiste à fabriquer couche par couche la pièce finale, en agrégeant par divers procédés la matière, seulement à l'endroit où le modèle numérique le prévoit.
[0005] Les technologies d'impression 3D agrègent leur matériau de base par différents procédés : collage, polymérisation d'une poudre monomère, frittage sélectif par laser, fusion par l’utilisation d’arc électrique... Elles ont été en premier lieu développées pour les polymères (résines, plastiques) et pour les métaux.
[0006] Les technologies d’impression 3D ont ensuite été transposées en agroalimentaire, par des méthodes de dépôt par extrusion, par jet d’encre, par projection de liant ou encore par frittage laser sélectif. Ces trois premiers types sont aujourd’hui exploités commercialement dans la confection de produit alimentaire à base de chocolat, de viande, de poisson, de fruits, de légumes, ou encore de céréales...
[0007] En outre, la problématique des chaînes de production et de transformation de nourriture est au centre de l’évolution de nos modes de consommation, des politiques publiques et a pris un nouveau tournant avec la désorganisation liée à la pandémie mondiale Covid-19.
[0008] Les villes et les États soutiennent les projets de production alimentaire locale, visant à réduire l’utilisation de transport carboné pour déplacer les denrées alimentaires fraîches. On observe également que la production au travers de filières en France est de plus en plus souvent mise en avant sur les produits de grande consommation.
[0009] D’autre part, le vieillissement des populations entraîne des besoins en nutrition différenciés pour chaque individu qui sont difficiles à atteindre avec les systèmes de production alimentaire de masse. L’alimentation santé est un des vecteurs majeurs de lutte contre des affections récurrentes telles que le diabète ou les allergies. L’impression 3D alimentaire est considérée par la communauté scientifique comme une des réponses valides à ces problématiques.
[0010] Néanmoins, ces technologies sont coûteuses, ce qui entraine un coût important des produits alimentaires obtenus, qui pour ces raisons ne sont pas adaptés à une utilisation à plus grande échelle dans le secteur alimentaire, que ce soit dans les cuisines des restaurants ou même chez soi.
[0011] Il perdure ainsi le besoin d’une imprimante 3D alimentaire bon marché, spécifiquement adaptée aux métiers de bouche, qui permette de continuer à produire localement des produits alimentaires savoureux, sans additifs, suivant leur propre recette et dans le respect des normes d’hygiène et de sécurité des aliments.
[0012] Ainsi, de manière innovante, la Demanderesse a développé un dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien répondant à ce problème technique, et permettant une productivité accrue, l’obtention de produit alimentaire de n’importe quelle forme, au goût et à la texture maîtrisée, avec une esthétique similaire aux procédés traditionnels, et facilement nettoyable.
[0013] Le document brevet US 2017/0251713 A1 décrit une imprimante 3D alimentaire munie d’un plateau d’impression amovible dans lequel une pièce de nourriture est fabriquée. Un matériau (pâte alimentaire) est extradé d’une tête d’impression puis est injecté par la tête d’impression dans un plateau. Pour ce faire, le plateau est disposé en-dessous de la tête d’impression et reçoit la pâte alimentaire extrudée par la tête d’impression. L’imprimante 3D alimentaire comporte en outre un dispositif de vibration agissant sur le plateau d’impression afin de niveler le matériau. Toutefois, un inconvénient d’une telle imprimante 3D alimentaire est qu’elle impose des limitations en termes de géométrie des matériaux visqueux injectés et de vitesse de dépose. En outre, un autre inconvénient de l’imprimante 3D décrite dans ce document est qu’elle requiert l’ajout d’additifs dans le produit alimentaire fabriqué.
[0014] Afin de résoudre ces inconvénients, il est connu du document brevet US 2003/0090034 A 1 un procédé d’impression d’un matériau visqueux au sein d’une matrice. Les propriétés rhéologiques particulières de la matrice rendent le procédé possible, dans la mesure où la matrice maintient le matériau visqueux en place jusqu’à sa solidification. Cette matrice peut se présenter sous forme de gel ou bien sous forme de poudre. Toutefois, un inconvénient du procédé décrit dans ce document est qu’il ne permet pas de maintenir le niveau de la matrice au-dessus de la zone d’impression, ce qui nuit à l’auto-réparabilité de la matrice et génère des efforts mécaniques sur la tête d’impression (qui est plongée dans la matrice), de tels efforts étant susceptibles d’endommager cette dernière. En outre, un tel système ne permet pas de garantir que le matériau injecté est toujours en suspension dans la matrice. Le dispositif d’impression 3D alimentaire selon la présente invention vise ainsi à mettre à profit un tel procédé, tout en améliorant l’écoulement de la matrice ainsi que la réparabilité et la densité de la poudre, et en réduisant les efforts mécaniques sur la tête d’impression. Le dispositif d’impression 3D alimentaire selon la présente invention vise en outre à obtenir des produits alimentaires fabriqués par impression 3D sans utiliser d’additifs et sans altérer le goût et la texture des produits alimentaires fabriqués.
Description de l’invention
[0015] La présente invention vise à résoudre tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique cités précédemment.
[0016] Ainsi, selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien.
[0017] Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend : a. un bac d’impression amovible ; b. une tête d’impression positionnée en regard du bac d’impression et capable d’extruder des pâtes alimentaires, ladite tête d’impression se déplaçant selon deux axes orthogonaux ; c. un plateau d’impression configuré pour permettre le déplacement de la tête d’impression selon un troisième axe orthogonal aux deux autres axes ; d. un système d’apport de poudre ou de gel alimentaire configuré pour permettre un remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression avec ladite poudre ou ledit gel alimentaire, ladite poudre ou ledit gel alimentaire déposée dans le bac d’impression constituant une matrice ; et e. un système de vibration relié au bac d’impression, permettant de faire vibrer ladite matrice dans ledit bac d’impression.
[0018] Le remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression effectué par le système d’apport de poudre ou de gel alimentaire est réalisé afin de maintenir une hauteur constante de poudre ou de gel comprise entre 1 et 20 cm pour constituer la matrice et ainsi garder une hauteur (niveau de la matrice) au-dessus de la zone d’impression, et cela couche après couche. Ce système est nécessaire car les efforts créés sur la tête d’impression augmentent avec la quantité de poudre ou de gel dans laquelle la tête est plongée. Un remplissage séquentiel en suivant la hauteur d’impression permet de garder une quantité de poudre ou de gel nécessaire à l’auto-réparation de la matrice tout en limitant les efforts s’exerçant sur la tête d’impression. Un tel remplissage séquentiel permet en outre de garantir que le matériau injecté dans la matrice est toujours en suspension dans cette dernière.
[0019] Le bac d’impression est maintenu statique pendant le déplacement de la tête d’impression, de manière à éviter le maximum de déplacement et de décalage potentiel entre chaque couche imprimée.
[0020] De manière préférée, la tête d’impression est capable d’extruder des pâtes alimentaires ayant une viscosité comprise entre 10-1 mPa.s et 107 mPa.s. Une telle plage de valeurs permet d’utiliser différentes pâtes alimentaires, présentant un large spectre de viscosité.
[0021] Selon un mode de réalisation, la tête d’impression comprend un réservoir permettant de contenir de la pâte alimentaire. Selon un autre mode de réalisation, le réservoir de pâte alimentaire est déporté de la tête d’impression et est fixé sur la structure du dispositif d’impression 3D.
[0022] La tête d’impression est maintenue solidement pour pouvoir imprimer avec précision dans la matrice, et donc fabriquer une représentation fidèle du fichier 3D transmis par ordinateur.
[0023] Selon un mode de réalisation, la tête d’impression est munie d’une buse d’impression. La buse d’impression a une taille adaptée au produit à confectionner, et peut être changée simplement pour l’adapter à un éventuel autre produit à confectionner. Ceci revient à modifier le débit d’extrusion de la tête, et cela sans dégrader l’aspect esthétique du produit alimentaire final.
[0024] De manière préférée, dans le cas d’un apport de poudre, ladite poudre alimentaire a une granulométrie comprise entre 1 pm et 1500 pm de diamètre, de préférence entre 5 pm et 200 pm, une humidité relative comprise entre 0% et 80%, une densité comprise entre 0.1 kg/litre et 1 kg/litre, de préférence entre 0.3 kg/litre et 0.8 kg/litre, et une thermoconductivité comprise entre 0.01 W/m/K et 1 W/m/K, de préférence entre 0.03 W/m/K et 0.2 W/m/K. La poudre alimentaire présente ainsi des propriétés spécifiques (et particulièrement adaptées à l’application visée) de thermoconduction et de résistance à de fortes températures sans changement de phase (température de vitrification élevée), ni de décomposition sous l’effet de chaleur. De telles propriétés permettent également à la poudre de ne pas changer d’état pendant les phases de congélation/surgélation, ni pendant les phases de cuisson. La poudre alimentaire présente également des propriétés spécifiques (et particulièrement adaptées à l’application visée) de coulabilité (au moment de la dépose), de réparabilité (pendant la phase d’impression 3D) et de densité (après le passage de la tête d’impression et au repos).
[0025] Le bac d’impression comprend la matrice. La matrice (constituée de la poudre ou du gel alimentaire) permet de contenir les pâtes alimentaires en forme.
[0026] De manière préférée, le système de vibration est positionné sur le bac d’impression ou sur un support du bac d’impression.
[0027] Les poudres utilisées dans le cadre de l’invention sont très cohésives et par conséquent le passage de la tête d’impression peut poser des problèmes. Ce passage de la tête d’impression dans la matrice laisse un sillon dans la matrice. Le sillon de la matrice laisse une zone vide de poudre au-dessus de la pâte extrudée par la tête. Par conséquent, la matrice ne joue plus son rôle antigravitaire. La présence du système de vibration sur le bac d’impression permet de faire vibrer la matrice et ainsi lui permettre un écoulement facilité. Dans ce cas, le sillon créé par la tête d’impression se referme rapidement grâce à la poudre aux alentours. Ce système de vibration permet ainsi d’améliorer la réparabilité et la densité de la poudre.
[0028] De manière préférée, ledit système de vibration a une amplitude de vibration comprise entre 10 pm et 2 cm, une fréquence de vibration comprise entre 1 Hz et 10 Mhz, et une force centrifuge de la vibration comprise entre 1 g et 100 kg. De manière plus préférentielle encore, le système de vibration présente une amplitude de vibration comprise entre 1 mm et 10 mm, une fréquence de vibration sensiblement égale à 50 Hz, et une force centrifuge de la vibration comprise entre 2,5 kg et 5 kg, de préférence sensiblement égale à 5kg.
[0029] Le système de vibration permet de faire vibrer la matrice alimentaire dans le bac d’impression.
[0030] Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend un système de découplage anti-vibration.
[0031] De manière préférée, ledit système de découplage anti-vibration est positionné entre le plateau d’impression et le reste des éléments du dispositif.
[0032] De manière préférée, ledit système de découplage anti-vibration peut comporter un ou plusieurs plot(s) anti-vibration fixé(s) d’une part au plateau d’impression et d’autre part au bac d’impression. De tels plots antivibration permettent d’obtenir une meilleure maîtrise de l’amplitude des vibrations au sein du dispositif d’impression 3D. En variante, ledit système de découplage anti-vibration peut comporter un ou plusieurs ressorts) fixé(s) d’une part au plateau d’impression et d’autre part au bac d’impression.
[0033] Ce système de découplage anti-vibration permet de ne pas créer de vibration sur le reste de la machine.
[0034] L’ensemble du dispositif selon l’invention est contrôlé par ordinateur, et suit le fichier 3D chargé par l’utilisateur. Le fichier, de préférence un fichier Gcode, comprend l’ensemble des instructions, y compris des étapes de rétractation et de non-impression éventuelles.
[0035] Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un ensemble comprenant un dispositif d’impression 3D alimentaire selon l’invention, et un dispositif permettant une solidification du produit alimentaire. Selon un mode de réalisation, la solidification du produit alimentaire est effectuée par chauffage ou par refroidissement selon le type de pâte alimentaire imprimée. Lorsque la solidification du produit alimentaire est effectuée par refroidissement, le dispositif permettant une solidification du produit alimentaire est par exemple un réfrigérateur ou un congélateur.
[0036] Selon un autre aspect, l’invention concerne un ensemble comprenant un dispositif d’impression 3D alimentaire selon l’invention, et un dispositif permettant le chauffage du produit alimentaire.
[0037] De manière préférée, ledit chauffage peut être effectué entre 10°C et 200°C.
[0038] Le chauffage permet de solidifier la pièce et éventuellement de le cuire.
[0039] Selon un mode de réalisation, l’ensemble selon l’invention peut également comprendre un dispositif de dépoudrage, permettant d’éliminer les poudres provenant de la matrice.
[0040] Selon un troisième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire à l’aide de l’ensemble selon l’invention.
[0041] Selon un mode de réalisation, ledit procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire comprend au moins une étape d’injection de ladite pâte alimentaire dans ladite matrice de manière à réaliser un produit alimentaire ;
[0042] De manière préférée, ladite au moins une étape d’injection de ladite pâte alimentaire dans ladite matrice est réalisée conjointement avec l’application de vibrations sur le bac d’impression comprenant la matrice. [0043] Selon un mode de réalisation, ledit procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire comprend au moins une étape de chauffage.
[0044] De manière préférée, ladite au moins une étape de chauffage dudit produit alimentaire obtenu à l’étape i. est réalisée entre 10°C et 200°C.
[0045] Selon un autre mode de réalisation, ledit procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire comprend au moins une étape de solidification, qui peut être une étape de chauffage ou de refroidissement du produit alimentaire.
[0046] Selon un mode de réalisation, ledit procédé de fabrication additive comprend une étape de séparation du produit alimentaire obtenu de la matrice.
[0047] Selon un mode de réalisation préféré, ledit procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire à l’aide de l’ensemble selon l’invention comprend : i. au moins une étape d’injection de ladite pâte alimentaire dans ladite matrice, de manière à réaliser un produit alimentaire ; ii. au moins une étape de solidification dudit produit alimentaire obtenu à l’étape i.
[0048] De manière préférée, ledit procédé comprend une étape de déplacement dudit bac d’impression du dispositif d’impression 3D selon l’invention vers le dispositif permettant le chauffage du produit alimentaire.
[0049] Selon un mode de réalisation, la tête d’impression est enfoncée à la profondeur de 1 à 20 cm, de préférence de 2 à 8 cm, dans la matrice afin d’assurer une bonne cohésion entre les couches, un effacement complet des effets de la gravité et obtenir les qualités esthétiques ciblées.
[0050] Selon un mode de réalisation, la matrice est composée d’éléments discrets solides ou de gels, de préférence de microgels.
[0051] De manière préférée, la matrice est composée uniquement d’éléments comestibles. Ceci permet de ne pas altérer le goût et la texture des produits alimentaires fabriqués.
[0052] Selon un mode de réalisation ledit procédé comprend en outre une étape de mise en vibrations du bac d’impression contenant la matrice, ladite étape de mise en vibrations étant effectuée après ou simultanément à l’étape d’injection de la pâte alimentaire dans la matrice.
[0053] Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend en outre une étape de remplissage séquentiel du bac d’impression par de la poudre ou du gel alimentaire, le remplissage du bac d’impression étant effectué en suivant la hauteur d’injection de la pâte alimentaire dans le bac d’impression. [0054] Selon un mode de réalisation, la pâte alimentaire se présente sous une forme visqueuse et uniforme.
[0055] Selon un mode de réalisation, l’ensemble comporte en outre un dispositif permettant la séparation du produit alimentaire de la matrice, et le procédé comprend en outre une étape de séparation du produit alimentaire de la matrice.
[0056] Selon un mode de réalisation, dans le cas où la matrice est constituée de poudre, l’étape de séparation est une étape de dépoudrage.
[0057] Selon un mode de réalisation, le dispositif permettant la solidification du produit alimentaire est un dispositif de chauffage du produit alimentaire entre 10°C et 200°C, et l’étape ii. est une étape de chauffage du produit alimentaire (4) obtenu à l’étape i entre 10°C et 200°C.
[0058] Selon un quatrième aspect, l’invention concerne l’utilisation du dispositif d’impression 3D selon l’invention ou du système selon l’invention pour confectionner un produit alimentaire.
[0059] Selon un mode de réalisation, ladite utilisation permet de confectionner des produits céréaliers prêts à fourrer.
[0060] Selon un mode de réalisation, ladite utilisation permet de confectionner des produits alimentaires à base de chocolat, de préférence des gâteaux au chocolat, des pâtes fraiches à base de semoule de blé dur, des inserts en coulis gélifié, ou des gâteaux secs et moelleux.
[0061] Ceci permet d’améliorer les temps de production des desserts en montage inversé. La technique du montage inversé nécessite de nombreuses étapes de surgélation, une grande consommation d’énergie et requiert d’étaler la production des desserts sur plusieurs jours. En fournissant un biscuit complexe, constitué de plusieurs coques prêtes à garnir, on réduit le temps d’assemblage de 50 à 65%. Cela permet donc au professionnel de libérer du temps pour d’autres tâches, et rend accessible ce type de dessert à des équipes de professionnels (restaurant, pâtisserie artisanale) qui n’avait pas assez de main d’œuvre pour de tels produits.
Figures
[0062] [Fig 1] est une représentation schématique du dispositif d’impression 3D de type cartésien pour produit alimentaire selon l’invention.
[0063] [Fig 2] est un organigramme représentant un procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire mis en œuvre par un ensemble comprenant le dispositif d’impression 3D de la figure 1.
[0064] [Fig 3] est une vue en perspective d’un exemple de produit alimentaire final obtenu grâce au dispositif et au procédé selon l’invention.
[0065] [Fig 4] est une vue de face du produit alimentaire de la figure 3.
[0066] [Fig 5] est une autre vue de face du produit alimentaire de la figure 3, dans laquelle le produit alimentaire a été tourné.
Définitions
[0067] Par « imprimante 3D cartésienne » est entendu selon l’invention le type d’imprimante 3D le plus courant, appelées ainsi en raison du système de coordonnées cartésiennes qu’elles utilisent. Celui-ci se compose de trois axes orthogonaux - les axes X, Y et Z - qui servent à déterminer où et comment la tête d’impression doit se déplacer correctement et donc à corriger la direction du mouvement. Selon le modèle et le fabricant de l’imprimante, le plateau d’impression de cette machine sera en charge de l’axe Z, permettant à l’extrudeur de se positionner sur les axes X et Y, afin de pouvoir se déplacer dans toutes les directions. Un homme du métier familier des imprimantes 3D cartésienne est en mesure de déterminer la correspondance des axes X, Y et Z.
[0068] Par « tête d’impression » est entendu selon l’invention l’élément permettant de faire sortir de la pâte alimentaire et de l’incorporer dans la matrice alimentaire.
[0069] Par « pâte alimentaire » est entendu un aliment propre à la consommation formulé de façon plus ou moins molle et visqueuse. Dans le cadre de l’invention, les pâtes alimentaires sont ajoutées à la matrice. De manière avantageuse, les pâtes alimentaires sont ajoutées à la matrice de telle façon à ce qu’un mélange entre la pâte alimentaire et la matrice alimentaire soit réalisée in situ immédiatement au moment de la dépose. Le mélange de la pâte alimentaire et de la matrice pendant l’impression 3D permet l’obtention du produit alimentaire.
[0070] Par « produit alimentaire » est entendu un aliment consommable par un humain. Dans le cadre de l’invention, le produit alimentaire obtenu grâce à l’impression 3D a de préférence avant solidification une forme visqueuse et uniforme, sans grain. Après solidification, le produit alimentaire se présente sous une forme solide.
[0071] Par « extruder » est entendu la mise en forme par traitement mécanique et sous pression d’aliment humidifiés ou non et de pâtes.
[0072] Par « poudre alimentaire » est entendu une substance solide formée de particules fines, ici une granulométrie comprise entre 1 pm et 1500 pm de diamètre, de préférence entre 5 pm et 200 pm.
[0073] Par « gel alimentaire » est entendu un produit alimentaire comestible sous formes de macromolécules en réseau formant une structure liquide voir semi-liquide en fonction de leur viscosité.
[0074] Par « matrice » ou encore « matrice alimentaire » est entendu l’ensemble de la poudre alimentaire ou du gel alimentaire déposé dans le bac d’impression, représentant la base du produit alimentaire où la tête d’impression viendra imprimer. [0075] Par « système d’apport de poudre ou de gel alimentaire » est entendu l’élément qui permet de distribuer la poudre ou le gel au dispositif. La poudre est dite alimentaire car elle provient d’un aliment comestible, par exemple des céréales, des légumes, etc.
[0076] Par « plateau d’impression » est entendu selon l’invention l’élément situé à la base du dispositif et se déplaçant selon l’axe Z, et permettant ainsi le déplacement relatif selon l’axe Z entre le plateau d’impression et la tête d’impression.
[0077] Par « bac d’impression » est entendu selon l’invention le récipient réceptionnant la poudre ou le gel distribuée par le système d’apport, et comprenant de fait la matrice.
[0078] Par « système de vibration » est entendu selon l’invention un dispositif permettant d’appliquer des vibrations, afin de mettre en mouvement des dispositifs adjacents.
[0079] Par « système de découplage anti-vibration » est entendu selon l’invention un dispositif permettant que les vibrations appliquées à un élément du dispositif ne soient pas appliquées à d’autres éléments. Un tel système de découplage anti-vibration peut par exemple comporter un ou plusieurs ressort(s) fixé(s) d’une part au plateau d’impression et d’autre part au bac d’impression.
[0080] Par « étape d’injection de ladite pâte alimentaire dans la matrice » est entendu que la tête d’impression injecte ladite pâte alimentaire à l’intérieur de la matrice.
[0081] Par « étape de chauffage » est entendu une étape d’application d’une température audit produit alimentaire, afin de le cuire.
[0082] Par « étape de retrait du produit alimentaire » est entendu le retrait du produit alimentaire de la matrice afin d’obtenir un produit alimentaire indépendant, consommable, conditionnable, etc.
[0083] Par « fabrication additive » est entendu selon l’invention un procédé permettant de fabriquer par ajout de matière un objet physique à partir d’un objet numérique.
[0084] Par « séparation du produit alimentaire » est entendu selon l’invention l’action d’isoler le produit alimentaire obtenu de la matrice dans lequel il a été confectionné, poudre ou gel.
[0085] Par « dépoudrage » est entendu l’action de retirer la poudre ayant servie pour l’impression 3D, afin d’obtenir le produit alimentaire.
[0086] Par « relié au » est entendu selon l’invention que l’élément est « en contact avec », et donc il peut être « positionné sur », « positionné dans », « positionné à l’extérieur de », tant que l’élément reste en contact avec l’autre élément auquel il est relié. Ici, le système de vibration est relié au bac d’impression. [0087] Par « éléments discrets solides » est entendu selon l’invention des particules constituant l’ensemble de la poudre alimentaire.
Description détaillée de l’invention
[0088] Sur la figure 1 est représenté un dispositif d’impression en trois dimensions (3D) de type cartésien pour fabriquer un produit alimentaire 4. Le dispositif d’impression 3D comporte un système d’apport de poudre ou de gel alimentaire 1 , une tête d’impression 2, un plateau d’impression 5, un bac d’impression 6 amovible, un système de vibration 7 et un système de découplage anti-vibration 8. Le dispositif d’impression 3D peut faire partie d’un ensemble (non représenté sur la figure 1) comprenant, outre le dispositif d’impression 3D, un dispositif de chauffage du produit alimentaire 4 et un dispositif de dépoudrage. De préférence, le dispositif de chauffage est configuré pour permettre le chauffage du produit alimentaire 4 à une température comprise entre 10°C et 200°C.
[0089] Le système d’apport de poudre ou de gel alimentaire 1 permet d’apporter de la poudre ou du gel alimentaire en cours d’impression dans le bac d’impression 6. Le système d’apport de poudre ou de gel alimentaire 1 est configuré pour permettre un remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression 6 avec de la poudre ou du gel alimentaire. La poudre ou le gel alimentaire déposée dans le bac d’impression 6 constitue une matrice (notamment une matrice alimentaire). De préférence, la matrice est composée d’éléments discrets solides ou de microgels. De préférence encore, la matrice est composée uniquement d’éléments comestibles. De préférence encore, dans le cas d’un apport de poudre alimentaire par le système 1 , la poudre alimentaire a une granulométrie comprise entre 1 pm et 1500 pm de diamètre, de préférence entre 5 pm et 200 pm, une humidité relative comprise entre 0% et 80%, une densité comprise entre 0.1 kg/litre et 1 kg/litre, de préférence entre 0.3 kg/litre et 0.8 kg/litre, et une thermoconductivité comprise entre 0.01 W/m/K et 1 W/m/K, de préférence entre 0.03 W/m/K et 0.2 W/m/K.
[0090] La tête d’impression 2 est munie par exemple d’une buse d’injection et d’un réservoir de pâte alimentaire 3, de tels éléments n’étant pas représentés sur la figure 1 pour des raisons de clarté. La buse d’injection est en communication fluidique avec le réservoir. La buse d’injection présente un orifice de sortie de pâte alimentaire 3 dont le diamètre est par exemple compris entre 0,2 mm et 5 mm, de préférence compris entre 0,5 mm et 2 mm. La tête d’impression 2 est positionnée en regard du bac d’impression 6 et est capable d’extruder des pâtes alimentaires 3. De préférence, la tête d’impression 2 est capable d’extruder des pâtes alimentaires 3 ayant une viscosité comprise entre 10-1 mPa.s et 107 mPa.s. De préférence, la pâte alimentaire 3 se présente sous une forme visqueuse et uniforme.
[0091] La tête d’impression 2 est configurée pour se déplacer selon deux axes orthogonaux X, Y. Le plateau d’impression 5 est configuré pour permettre le déplacement de la tête d’impression 2 selon un troisième axe Z orthogonal aux deux autres axes X, Y. Pour ce faire, le plateau d’impression 5 est relié au bac d’impression 6 (comme cela sera détaillé par la suite), ce qui permet de faire varier la hauteur relative Z au niveau de laquelle la tête d’impression 2 injecte la pâte alimentaire 3 dans le bac d’impression 6. En effet, le plateau d’impression 5 est avantageusement monté mobile en translation selon une direction correspondant à l’axe Z. La tête d’impression 2 est plongée dans la matrice à une profondeur par exemple comprise entre 1 cm et 20 cm, de préférence comprise entre 2 cm et 8 cm.
[0092] Le système de vibration 7 est relié au bac d’impression 6, ce qui permet de faire vibrer la matrice dans le bac d’impression 6. De préférence, le système de vibration 7 présente une amplitude de vibration comprise entre 10 pm et 2 cm, une fréquence de vibration comprise entre 1 Hz et 10 Mhz, et une force centrifuge de la vibration comprise entre 1 g et 100 kg. De manière plus préférentielle encore, le système de vibration 7 présente une amplitude de vibration comprise entre 1 mm et 10 mm, une fréquence de vibration sensiblement égale à 50 Hz, et une force centrifuge de la vibration comprise entre 2,5 kg et 5 kg, de préférence sensiblement égale à 5kg. De telles valeurs pour l’amplitude de vibration, la fréquence de vibration et la force centrifuge de la vibration permettent d’améliorer encore l’écoulement de la matrice au sein du bac d’impression 6.
[0093] Le système de découplage anti-vibration 8 permet un découplage (sans vibrations) entre le plateau d’impression 5 et le reste des éléments du dispositif d’impression 3D. Dans l’exemple de réalisation particulier illustré sur la figure 1 , le système de découplage anti-vibration 8 est constitué de deux ressorts hélicoïdaux fixés d’une part au plateau d’impression 5 et d’autre part au bac d’impression 6. En variante non représentée, le système de découplage anti-vibration 8 est constitué d’un ou plusieurs plot(s) anti-vibration fixé(s) d’une part au plateau d’impression 5 et d’autre part au bac d’impression 6. De tels plots anti-vibration permettent d’obtenir une meilleure maîtrise de l’amplitude des vibrations au sein du dispositif d’impression 3D.
[0094] Le procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire 4 selon l’invention, mis en œuvre par un ensemble comprenant le dispositif d’impression 3D précédemment décrit, un dispositif de chauffage du produit alimentaire 4 entre 10°C et 200°C, et éventuellement un dispositif de dépoudrage, va maintenant être décrit en référence à la figure 2. Initialement, de la poudre ou du gel alimentaire est déposé dans le bac d’impression 6 par le système d’apport de poudre ou de gel alimentaire 1 , constituant ainsi la matrice. La tête d’impression 2 est alors déplacée selon les axes X, Y et Z, et plongée dans la matrice. Le déplacement de la tête d’impression 2 peut soit se faire d’abord selon les deux axes X et Y puis selon l’axe Z pour une fabrication additive du produit alimentaire 4 couche après couche, soit simultanément selon les trois axes X, Y et Z pour une fabrication tridimensionnelle directe du produit alimentaire 4. [0095] Le procédé comporte une première étape 20 au cours de laquelle la pâte alimentaire 3 est injectée dans la matrice par la tête d’impression 2, de manière à réaliser un produit alimentaire 4.
[0096] De préférence, le procédé comporte une étape 22 suivante ou concomitante à l’étape 20, de mise en vibrations, par le système de vibration 7, du bac d’impression 6 contenant la matrice.
[0097] De préférence, le procédé comporte une étape 23 suivante ou concomitante à l’étape 20, de remplissage séquentiel du bac d’impression 6 par de la poudre ou du gel alimentaire issu du système d’apport de poudre ou de gel alimentaire 1 . Le remplissage du bac d’impression 6 est effectué par le système d’apport de poudre ou de gel alimentaire 1 en suivant la hauteur d’injection de la pâte alimentaire 3 par la tête d’impression 2 dans le bac d’impression 6.
[0098] Lorsque l’injection de la pâte alimentaire 3 dans la matrice est terminée, le procédé comporte une étape suivante 24 de chauffage, par le dispositif de chauffage, du produit alimentaire 4 à une température comprise entre 10°C et 200°C. Pour ce faire, le bac d’impression 6 contenant le produit alimentaire 4 et la matrice est par exemple sorti du dispositif d’impression 3D selon l’invention, et acheminé dans le dispositif de chauffage.
[0099] Le procédé comporte de préférence une étape finale 26 de séparation du produit alimentaire 4 de la matrice. Dans le cas où la matrice est constituée de poudre, cette étape de séparation 26 est une étape de dépoudrage, et est mise en œuvre par le dispositif de dépoudrage.
[0100] De manière détaillée, dans le cas de la confection d’un gâteau au chocolat avec de la poudre de cacao, un utilisateur du dispositif selon l’invention peut procéder ainsi.
[0101] L’utilisateur prépare en amont la pâte alimentaire 3, et insert celle-ci dans un réservoir couplé à la tête d’impression 2.
[0102] Le bac d’impression 6 est ensuite rempli grâce au système d’apport de poudre alimentaire 1 permettant d’obtenir une hauteur comprise entre 1 cm et 5 cm au-dessus du niveau d’extrusion de la pâte alimentaire 3. [0103] Le fichier d’impression est préparé par l’utilisateur, permettant d’obtenir un code machine pour le dispositif selon l’invention.
[0104] Le système de vibration 7, visant à uniformiser la matrice de poudre est démarrée au début de l’impression et réalisée en continu jusqu’à la fin de celle-ci.
[0105] L’impression est ensuite lancée, avec déplacement de la tête d’impression 2 au sein de la matrice pour créer une première couche.
[0106] Le plateau d’impression 5 se déplace ensuite en fonction de la hauteur de cette première couche.
[0107] Le cycle de déplacement de la tête d’impression 2 et du déplacement du plateau d’impression 5 est répété jusqu’à obtenir la réalisation finale du produit alimentaire, en suivant le code machine initialement renseigné.
[0108] Le bac d’impression 6 est ensuite sorti du dispositif d’impression 3D selon l’invention, et acheminé dans le dispositif permettant le chauffage.
[0109] L’ensemble du bac d’impression 6 contenant la pâte alimentaire 3 et la poudre alimentaire, formant les produits alimentaires 4, sont ensuite cuits.
[0110] Une fois la cuisson terminée, une étape de dépoudrage a lieu, visant à séparer les produits alimentaires 4, constitués de la pâte alimentaire 3 solidifiée, de la poudre alimentaire.
[OUI] Les produits alimentaires 4 sont ainsi obtenus. Un exemple d’un tel produit alimentaire 4 obtenu selon le procédé selon l’invention à l’aide du dispositif selon l’invention est présenté sur les figures 3 à 5. Le produit alimentaire 4 obtenu est ici un corail, sans que cela ne soit limitatif dans le cadre de la présente invention.
Liste des signes de références
[0112] (1) : système d’apport de poudre ou de gel alimentaire
[0113] (2) : tête d’impression
[0114] (3) : pâte alimentaire
[0115] (4) : produit alimentaire
[0116] (5) : plateau d’impression
[0117] (6) : bac d’impression
[0118] (7) : système de vibration
[0119] (8) : système de découplage anti-vibration

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif d’impression en trois dimensions de type cartésien pour produit alimentaire (4), comprenant :
- un bac d’impression (6) amovible ;
- une tête d’impression (2) positionnée en regard du bac d’impression (6) et capable d’extruder des pâtes alimentaires (3), ladite tête d’impression (2) se déplaçant selon deux axes orthogonaux ;
- un plateau d’impression (5) configuré pour permettre le déplacement de la tête d’impression selon un troisième axe orthogonal aux deux autres axes ;
- un système d’apport de poudre ou de gel alimentaire (1) configuré pour permettre un remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression (6) avec ladite poudre ou ledit gel alimentaire, ladite poudre ou ledit gel alimentaire déposée dans le bac d’impression constituant une matrice ; et
- un système de vibration (7) relié au bac d’impression (6), permettant de faire vibrer ladite matrice dans ledit bac d’impression (6).
[Revendication 2] Dispositif d’impression en trois dimensions de type cartésien pour produit alimentaire (4) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif d’impression en trois dimensions comporte en outre un système de découplage anti-vibration (8) entre le plateau d’impression (5) et le reste des éléments du dispositif.
[Revendication 3] Dispositif d’impression en trois dimensions de type cartésien pour produit alimentaire (4) selon la revendication 1 ou 2, où dans le cas d’un apport de poudre par le système d’apport de poudre (1), ladite poudre alimentaire a une granulométrie comprise entre 1 pm et 1500 pm de diamètre, de préférence entre 5 pm et 200 pm, une humidité relative comprise entre 0% et 80%, une densité comprise entre 0.1 kg/litre et 1 kg/litre, de préférence entre 0.3 kg/litre et 0.8 kg/litre, et une thermoconductivité comprise entre 0.01 W/m/K et 1 W/m/K, de préférence entre 0.03 W/m/K et 0.2 W/m/K. [Revendication 4] Dispositif d’impression en trois dimensions de type cartésien pour produit alimentaire
(4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête d’impression (2) est capable d’extruder des pâtes alimentaires (3) ayant une viscosité comprise entre 10-1 mPa.s et 107 mPa.s.
[Revendication 5] Dispositif d’impression en trois dimensions de type cartésien pour produit alimentaire (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit système de vibration (7) présente une amplitude de vibration comprise entre 10 pm et 2 cm, une fréquence de vibration comprise entre 1 Hz et 10 Mhz, et une force centrifuge de la vibration comprise entre 1 g et 100 kg.
[Revendication 6] Ensemble comprenant un dispositif d’impression en trois dimensions de type cartésien pour produit alimentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, et un dispositif permettant la solidification du produit alimentaire.
[Revendication 7] Procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire (4) à l’aide de l’ensemble selon la revendication 6, comprenant : i. au moins une étape (20) d’injection de ladite pâte alimentaire (3) dans ladite matrice, de manière à réaliser un produit alimentaire (4) ; ii. au moins une étape (24) de solidification dudit produit alimentaire (4) obtenu à l’étape i.
[Revendication 8] Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la matrice est composée d’éléments discrets solides ou de microgels.
[Revendication 9] Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la matrice est composée uniquement d’éléments comestibles.
[Revendication 10] Procédé selon l’une des revendications 7 à 9, comprenant en outre une étape (22) de mise en vibrations du bac d’impression (6) contenant la matrice, ladite étape de mise en vibrations (22) étant effectuée après ou simultanément à l’étape (20) d’injection de la pâte alimentaire (3) dans la matrice.
[Revendication 11] Procédé selon l’une des revendications 7 à 10, comprenant en outre une étape (23) de remplissage séquentiel du bac d’impression (6) par de la poudre ou du gel alimentaire, le remplissage du bac d’impression (6) étant effectué en suivant la hauteur d’injection de la pâte alimentaire (3) dans le bac d’impression (6).
[Revendication 12] Procédé selon l’une des revendications 7 à 11, dans lequel la pâte alimentaire (3) se présente sous une forme visqueuse et uniforme.
[Revendication 13] Procédé selon l’une des revendications 7 à 12, dans lequel l’ensemble comporte en outre un dispositif permettant la séparation du produit alimentaire (4) de la matrice, et dans lequel le procédé comprend en outre une étape (26) de séparation du produit alimentaire (4) de la matrice.
[Revendication 14] Procédé selon la revendication précédente, où dans le cas où la matrice est constituée de poudre, l’étape de séparation (26) est une étape de dépoudrage.
[Revendication 15] Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 13, dans lequel le dispositif permettant la solidification du produit alimentaire est un dispositif de chauffage du produit alimentaire entre 10°C et 200°C, et dans lequel l’étape ii. est une étape de chauffage du produit alimentaire (4) obtenu à l’étape i entre 10°C et 200°C.
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