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浦上財団研究報告書

Vol.25（2018）＜平成 27 年度助成＞

マイクロ 3D プリンタを利用した次世代食品加工技術の創成
梅津信 二郎（早稲田大学 創造理工学部総合機械工学科）

1. はじめに

2. 実験装置と実験方法

現在我々の身の回りは加工食品で溢れており、多高精度にプリントするために静電インクジェット

くは機械化された食品工場において生産されてい法を用いた。図 1 に模式図を示す。静電インクジェッ

る。食品工場における食品製造は、24 時間連続的にト法は、高電圧を印加することにより、静電力を用生産可能であり、さらには人間が介在する工程を最いて液体を引っ張る形で吐出するというものであ小限にできることから衛生管理がしやすいという利り、我々が過去に基礎特性を把握済みである。メ点がある。一方、パティシエや高度技能を有する職

リットとしては、市販のインクジェット法と比較し人がつくる創造性に溢れた複雑で緻密な食品は、製て、高粘性な液体を高画質に吐出可能な点が挙げら

造機械で作製するには不向きなため、高度技能者がれる。電源装置にはグリーンテクノの GS50P 小型時間をかけて丹念に作製している。さらに、技術を高電圧電源を用いた。印加電圧は 0.0 kV から 50 kV習得し、一人前になるには長期間を要する。これらまで変更可能である。ノズルは内径 0.33 mm、外径のことから、複雑で緻密な食品は品薄で高コストと0.64 mm の Nordson の Precision Tips を用いた。ス

いう事態を招いている。このことを解決するにあた

テージにはシグマ光機の XY リニアステージを用い

り我々は、高精度に描画可能なマイクロフードプリた。プリント時にノズルではなくステージを駆動さンタの開発が重要になると考えた。このような製造せる構造にしている。これはノズル先端が移動する装置を開発することによって、デザインに関してのことによって液滴が慣性の影響を受け、吐出精度に良いアイデアはあるものの、製造スキルがさほど高影響を及ぼすことを防ぐためである。印刷したチョ

くない技能者が第一線で活躍できるようになると考コレートの細線をマイクロスコープで撮影し、画像えたからである。そこで、本研究では、身の回りのから細線の直径を測定した。印刷した細線の撮影は一般的な食品の材料としてチョコレートに注目し、これを高精度にプリントするマイクロフードプリンタの開発と、チョコレートを精密にライン描画し、評価することを目的とした。チョコレートをプリント対象として選んだのは、再成形しやすく、三次元状の構造物を作製した際に見栄えがすること、および、それ自体に味があるため、追加で味を付与する必要がないことが理由である。

図１

実験装置図（1. 電源装置 2. グラウンド 3. ノズル
4. 金属平板とペルチェ素子 5.XY ステージ 6. 加減圧ユニット）

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KEYENCE の VH-Z100R で行った。ノズルとステー

さらに、微小な液滴の吐出、高精度な描画を目的

ジのギャップは実験を通して 1.5 mm で固定した。に、細線をノズル先端に搭載した。これを行うこと

これまで我々が用いていた装置との変更点としてにより、より小さなテーラーコーンがこの細線を包は、下記の２つである。ノズル後方に加減圧調整ユむように形成されるので、吐出される液滴径が小さニットを設け、フードインクの吐出量の大雑把な調くなると考えた。図 3 に ABS 細線を搭載した場合と整を図った上で、さらに電圧制御によって、微細な先端を先鋭化させた ABS 細線を搭載した場合のチョものを造形する。これにより、ノズル先端に液溜まコレートライン幅の結果を示す。先鋭化 ABS 樹脂線りができてしまうことを抑制した。さらには、描画を搭載することで 50µm 以下の線幅での描画が容易

対象表面にペルチェ素子を設置し、表面の温度を調に達成された。50µm は、視覚・味覚の両面から、整する。インクの粘度は温度に依存するので、着弾十分に高精度であると考えられる。

後の広がり抑制を実現させた。そして、ノズル先端から液滴がちぎれる際の液切れを良くすることで、液滴の微小化が図れると考え、加振機を使用した。
なお、印刷する材料として、市販されているチョコレート製品を加熱し、溶解させたものを用いる。

3. 実験結果
粘度 9668 cps のチョコレートペーストを用いてライン描画を行った。印加電圧が 8 kV を上回ると、図3ABS 樹脂線を挿入して描画した際のチョコレートライン幅ノズル先端にテーラーコーンの形成が確認できた。

上記の結果を踏まえて、ステージの駆動を制御す

一方、印加電圧が 11 kV を超えると火花放電現象がることによって、デザインの描画を行う。図 4 では観察され、ペーストの吐出ができなくなった。印加二次元パターンの例としてアルファベットの W を電圧が 8 ～ 11 kV の範囲でライン描画を行った際の描画した。線幅は 50µm 以下で印刷を行うことがで結果を、図 2 に示す。印加電圧が高いほど、ラインきた。描画範囲は 500µm 四方で、フォントにして幅が小さくなった。これは印加電圧を上げることで、およそ 1.4pt となっているため、十分高精度といえテーラーコーン先端に作用するイオン風の反発力がる。また角部は、ステージの移動方向を変更し、描大きくなり、テーラーコーンが先鋭化され、吐出さ画する必要があるが、力の急激な変化などに起因すれる液滴が小さくなったためであると考えている。

るボタ落ち現象などといった印刷精度の低下に繋が11 kV の印加電圧で描画することにより、ライン幅が 50µm になった。

図2

印加電圧を変化させた際のチョコレートライン幅

図4W 文字の描画

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る現象はみられなかった。図 5 に螺旋パターンを描Vol.25（2018）

4. おわりに画したサンプルを示す。本サンプルにおいても、ス高精度なフードプリンタの開発を目的に、静電テージの移動方向の急激な変更による精度低下はみインクジェット法を用いたマイクロフードプリンられなかった。

タの開発を行った。先鋭化された（ABS）細線をノズル先端に搭載することによって、50µm 以下での描画を達成した。視力が 1.2 の人の場合、眼球から30cm 離れた物体の大きさは 73µm まで認識することが可能であることから、視覚的に十分な精度といえる。また、味覚受容体である味蕾と呼ばれる器官は直径およそ 50µm の突起に位置しており、50µm以下の構造は味覚的に感知できない。これらのことから、50µm 以下の太さのチョコレートラインを描画できる装置を試作できた意義は大きいと考えてい図5

螺旋パターンの描画る。一方で、本装置はシングルノズルであり、スループットは低い。このことから、大雑把な描画でもよい箇所に関しては手作業または開発されているフードプリンタを用いた上で、高精度な描画が要求される箇所に本研究で開発した装置を用いることで、複雑造形物を短時間に作製できるようになるのではないかと考えている。
謝辞
本研究を遂行するにあたり、研究助成を賜りました公益財団法人 浦上食品・食文化振興財団に厚く御礼を申し上げます。

Creation of Next Generation Food-Processing Technology Utilizing a Micro 3D PrinterCreation of Next Generation Food-Processing TechnologyUtilizing a Micro 3D PrinterShinjiro Umezu
Department of Modern Mechanical Engineering, Waseda University
Abstract
In recent years, we have become surrounded by many types of manufactured
foods that are automatically produced in food factories. While such foodfactories operate for 24 consecutive hours, hygiene control is easy, as thenumber of human-operated pro cesses have drast ically decreased. On theother hand, complex, precision foods are difficult to fabricate via automatic
processes, so that highly-skilled cooks now fabricate such foods. As the training
and cultivation of these employees require substantial time and money, thecost and value of precision foods are extremely high. In this study, I developed
an electrostatic inkjet printer for food printing technology. The merits ofthis inkjet printer, which include both high resolution and the ability to ejecthighly viscous liquids, are suitable for precision food printing. The viscosityof chocolate paste is 9668 cps. By inserting a slenderized ABS fiber at thetip of the nozzle and controlling the paste pressure via the pressure unit, thedeveloped electrostatic inkjet printer was able to print a line with a very narrow
width of less than 50µm. This result is sufficiently precise from both visualand taste perspectives. By moving the printed target in the x and y directions
using two linear motors, unique decoration patterns could be generated with nodecrease in precision.

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