Brevet FR3134687A1 — publié le 20231027

L’invention concerne un dispositif d’impression 3D de type cartésien pour produit alimentaire (4), ainsi qu’un ensemble comprenant ledit dispositif et un dispositif permettant le chauffage 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. Dispositif d’impression 3D alimentaire L’invention concerne un dispositif d’impression 3D de type cartésien pour produit alimentaire, ainsi qu’un ensemble comprenant ledit dispositif et un dispositif permettant le chauffage 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. L’invention se rapporte au domaine des dispositif d’impression 3D alimentaire. Art Antérieur 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. 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. 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. 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... 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. 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. 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. 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. 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 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 traditionnaux, et facilement nettoyable. Description de l’invention Ainsi, selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend un bac d’impression (6) amovible. Le bac d’impression (6) est maintenu statique pendant le déplacement de la tête d’impression (2), de manière à éviter le maximum de déplacement et de décalage potentiel entre chaque couche imprimée. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend une tête d’impression (2) positionnée en regard du bac d’impression (6). De manière préférée, ladite tête d’impression (2) se déplace selon deux axes orthogonaux De manière préférée, ladite tête d’impression (2) est capable d’extruder des pâtes alimentaires (3). De manière encore plus préférée, lesdites pâtes alimentaires (3) ont une viscosité comprise entre 10 -1 mPa.s et 10 7 mPa.s. Selon un mode de réalisation, la tête d’impression (2) comprend un réservoir permettant de contenir de la pâte alimentaire (3). La tête d’impression (2) est maintenue solidement pour pouvoir imprimer avec précision dans la matrice, et donc fabriquer une représentation fidèle du fichier 3D transmis par ordinateur. La tête d’impression (2) 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. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend un plateau d’impression (5). De manière préférée, ledit plateau d’impression (5) permet le déplacement de la tête d’impression selon un troisième axe orthogonal aux deux autres. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend un système d’apport de poudre alimentaire ou de gel alimentaire (1). De manière préférée, ledit système d’apport de poudre alimentaire ou de gel alimentaire (1) permet un remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression (6). Ce remplissage séquentiel ou régulier est réalisé afin de maintenir une hauteur constante de poudre ou de gel comprise entre 1 et 5 cm pour constituer la matrice et ainsi garder une hauteur 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 tout en limitant les efforts. De manière préférée, dans le cas d’un apport de poudre, ladite poudre alimentaire a une granulométrie comprise entre 1 µm et 1500 µm de diamètre, de préférence entre 5 µm et 200 µm, 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. De manière préférée, ladite poudre alimentaire ou ledit gel alimentaire déposée constitue une matrice. Ledit bac d’impression (6) comprend la matrice. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend un système de vibration (7). De manière préférée, ledit système de vibration (7) est relié au bac d’impression (6). Les poudres utilisées dans le cadre de l’invention sont très cohésives et par conséquent le passage de la tête d’impression (2) peut poser des problèmes. Ce passage de la tête d’impression (2) 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 (3) extrudée par la tête (2). Par conséquent, la matrice ne joue plus son rôle antigravitaire. L’ajout dudit système de vibration (7) sur le bac d’impression (6) 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 (7) permet ainsi d’améliorer la réparabilité et la densité de la poudre. De manière préférée, ledit système de vibration (7) a une amplitude de vibration comprise entre 10 µm 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. Ledit système de vibration (7) permet de faire vibrer ladite matrice alimentaire dans ledit bac d’impression (6). Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend un système de découplage anti-vibration (8). De manière préférée, ledit système de découplage anti-vibration (8) est positionné entre le plateau d’impression (5) et le reste des éléments du dispositif. De manière préférée, ledit système de découplage anti-vibration (8) peut comporter un ou plusieurs ressort(s) fixé(s) d’une part au plateau d’impression (5) et d’autre part au bac d’impression (6). Ce système de découplage anti-vibration (8) permet de ne pas créer de vibration sur le reste de la machine. Selon un mode de réalisation préféré, ledit dispositif d’impression 3D de type cartésien pour produit alimentaire (4), comprend : 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) et une viscosité comprise entre 10 -1 mPa.s et 10 7 mPa.s, ladite tête d’impression (2) se déplaçant selon deux axes orthogonaux ; Un plateau d’impression (5) permettant 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) permettant un remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression (6), ledit bac d’impression (6) contenant ladite matrice alimentaire formée ; Un système de vibration (7) positionné sur le bac d’impression (6), permettant de faire vibrer ladite matrice alimentaire dans ledit bac d’impression (6), ledit système de vibration (7) ayant une amplitude de vibration comprise entre 10 µm 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 ; Un système de découplage anti-vibration (8) entre le plateau d’impression (5) et le reste des éléments du dispositif. 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. Selon un deuxième 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. De manière préférée, ledit chauffage peut être effectué entre 10°C et 200°C. Le chauffage permet de solidifier la pièce et éventuellement de le cuire. 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. 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. 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 ; 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 (6) comprenant la matrice. Selon un mode de réalisation, ledit procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire comprend au moins une étape de chauffage. 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 ; Selon un mode de réalisation, ledit procédé de fabrication additive comprend une étape de séparation du produit alimentaire (4) obtenu de la matrice. 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 : au moins une étape d’injection de ladite pâte alimentaire dans ladite matrice, de manière à réaliser un produit alimentaire ; au moins une étape de chauffage dudit produit alimentaire obtenu à l’étape i. entre 10°C et 200°C ; une étape de séparation du produit alimentaire de la matrice. De manière préférée, ledit procédé comprend une étape de déplacement dudit bac d’impression (6) du dispositif d’impression 3D selon l’invention vers le dispositif permettant le chauffage du produit alimentaire. Selon un mode de réalisation, la tête d’impression est enfoncée à la profondeur de 1 à 5 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. Selon un mode de réalisation, la matrice est composée d’éléments discrets solides ou de gels, de préférence de microgels. De manière préférée, la matrice est composée uniquement d’éléments comestibles. Selon un mode de réalisation ledit procédé comprend en outre une étape de mise en vibrations du bac 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. 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 étant effectué en suivant la hauteur d’injection de la pâte alimentaire dans le bac d’impression. Selon un mode de réalisation, la pâte alimentaire se présente sous une forme visqueuse et uniforme. Selon un mode de réalisation, dans le cas où la matrice est constituée de poudre, l’étape iii. est une étape de dépoudrage. 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. Selon un mode de réalisation, ladite utilisation permet de confectionner des produits céréaliers prêts à fourrer. 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. 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 est une représentation schématique du dispositif d’impression 3D de type cartésien pour produit alimentaire selon l’invention. est une photographie des produits alimentaires (4) finaux obtenus avec une pâte alimentaire (3) à gâteaux au chocolat et de la poudre similaire à de la poudre de cacao. est une photographie de produits alimentaires (4) finaux obtenus grâce au dispositif et au procédé selon l’invention. est une photographie de produits alimentaires (4) finaux obtenus grâce au dispositif et au procédé selon l’invention. Définitions 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 quatre directions. Un homme du métier familier des imprimantes 3D cartésienne est en mesure de déterminer la correspondance des axes X, Y et Z. 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. 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. 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 une forme visqueuse et uniforme, sans grain. Par « extruder » est entendu la mise en forme par traitement mécanique et sous pression d’aliment humidifiés ou non et de pâtes. Par « poudre alimentaire » est entendu une substance solide formée de particules fines, ici une granulométrie comprise entre 1 µm et 1500 µm de diamètre, de préférence entre 5 µm et 200 µm. 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. Par « matrice » 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 (2) viendra imprimer. Par « système d’apport de poudre alimentaire » est entendu l’élément qui permet de distribuer la poudre au dispositif. La poudre est dite alimentaire car elle provient d’un aliment comestible, par exemple des céréales, des légumes, etc. Par « plateau d’impression » est entendu selon l’invention l’élément situé à la base du dispositif, permettant le déplacement selon l’axe Z de l’ensemble du dispositif d’impression 3D. 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. Par « système de vibration » est entendu selon l’invention un dispositif permettant d’appliquer des vibrations, afin de mettre en mouvement des dispositifs adjacents. 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. 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. Par « étape de chauffage » est entendu une étape d’application d’une température audit produit alimentaire, afin de le cuire. 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. 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. Par « séparation du produit alimentaire » est entendu selon l’invention l’action d’isoler le produit alimentaire (4) obtenu de la matrice dans lequel il a été confectionné, poudre ou gel. Par « dépoudrage » est entendu l’action de retirer la poudre ayant servie pour l’impression 3D, afin d’obtenir le produit alimentaire. 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 (7) est relié au bac d’impression (6). Par « éléments discrets solides » est entendu selon l’invention des particules constituant l'ensemble de la poudre alimentaire.… Dispositif d’impression 3D 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) ayant une viscosité comprise entre 10 -1 mPa.s et 10 7 mPa.s, ladite tête d’impression (2) se déplaçant selon deux axes orthogonaux ; Un plateau d’impression (5) permettant 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) permettant un remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression (6), ledit bac d’impression (6) contenant ladite matrice alimentaire formée ; Un système de vibration (7) positionné sur le bac d’impression (6), permettant de faire vibrer ladite matrice alimentaire dans ledit bac d’impression (6), ledit système de vibration (7) ayant une amplitude de vibration comprise entre 10 µm 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 ; Un système de découplage anti-vibration (8) entre le plateau d’impression (5) et le reste des éléments du dispositif. Dispositif d’impression 3D de type cartésien pour produit alimentaire (4) selon la revendication précédente, 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 µm et 1500 µm de diamètre, de préférence entre 5 µm et 200 µm, 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. Ensemble comprenant un dispositif d’impression 3D alimentaire selon la revendication précédente, et un dispositif permettant le chauffage du produit alimentaire entre 10°C et 200°C. Procédé de fabrication additive d’un produit alimentaire à l’aide de l’ensemble selon la revendication 3, comprenant : au moins une étape d’injection de ladite pâte alimentaire dans ladite matrice, de manière à réaliser un produit alimentaire ; au moins une étape de chauffage dudit produit alimentaire obtenu à l’étape i. entre 10°C et 200°C. une étape de séparation du produit alimentaire de la matrice. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la matrice est composée d’éléments discrets solides ou de microgels. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la matrice est composée uniquement d’éléments comestibles. Procédé selon l’une des revendications 4 à 6, comprenant en outre une étape de mise en vibrations du bac 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. Procédé selon l’une des revendications 4 à 7, comprenant en outre une étape de remplissage séquentiel du bac d’impression par de la poudre ou du gel alimentaire, le remplissage du bac étant effectué en suivant la hauteur d’injection de la pâte alimentaire dans le bac d’impression. Procédé selon l’une des revendications 4 à 8, dans lequel la pâte alimentaire se présente sous une forme visqueuse et uniforme. Procédé selon l’une des revendications 4 à 9, où dans le cas où la matrice est constituée de poudre, l’étape iii. est une étape de dépoudrage.