Etude et réalisation d’une tête d’impression 3D pour aliments carnés

Centre de Clermont- Theix-Lyon

63122 Saint Genès

Champanelle – France www.clermont.inra.fr

ETUDE ET RÉALISATION D’UNE TÊTE D’IMPRESSION 3D POUR

ALIMENTS CARNÉS

P. TOURNAYRE, S. PORTANGUEN, J. SICARD ET P.S. MIRADE

INRA, UR370 QuaPA, Equipe IT, F-63122 Saint-Genès-Champanelle, France.

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Journées de la Mesure et de la Métrologie, 8-11 Octobre 2018, Saint Pierre d’Oléron, France.

CONTEXTE et OBJECTIFS

La fabrication additive ou impression 3D est une technique qui est en pleine expansion. Elle est utilisée dans un grand nombre de domaines tels que la mécanique, l’aéronautique, le design, le biomédical, l’industrie pharmaceutique, les biotechnologies ou l’alimentation. Ce dernier domaine est déjà exploité pour créer des éléments de décoration culinaires mais également quelques produits à base de gelées ou de pâtes pâtissières.

Nous présentons ici les modifications apportées à une imprimante commerciale en kit de type Prusa i3 afin de réaliser des aliments à base de matières carnées destinées à répondre aux exigences particulières de certaines catégories de population (enfants, jeunes adultes, sportifs, seniors…).

MATERIEL EXISTANT

L’imprimante Prusa i3 est commercialisée sous forme de kit pour un tarif très raisonnable < 500€. De base elle permet, grâce à l’utilisation de la technique « Fused Deposition Modelling » (FDM) d’imprimer des pièces d’un volume de 7,2 litres (200 x 200 x 180 mm) à partir de filaments en divers matériaux à base de matière plastique.

Les axes de déplacement X, Y, Z et l’extrudeur de filament sont entraînés par des moteurs pas à pas pilotés par une électronique composée d’une carte Arduino Mega 2560 associée à une carte de puissance RAMPS 1.4. Le logiciel (Firmware) Marlin de type open source est libre d’usage (licence GPLv3). Il est ainsi possible de le paramétrer facilement selon l’imprimante à piloter.

Portanguen, S., Tournayre, P., Sicard, J., Astruc, T., & Mirade, P. S. (2018). Vers la conception d’aliments à fonctionnalités ciblées et de bioproduits par impression 3D. Science et technologie des aliments, 1(Numéro 1).

Portanguen, S., Tournayre, P., Sicard, J., Astruc, T., & Mirade, P. S. Toward the design of functional foods and biobased products by 3D printing: A review. En cours de soumission dans Trends in Food Science and Technology.

CONCLUSIONS

La modification d’une imprimante 3D commerciale permet d’envisager des impressions de nombreux produits et particulièrement d’aliments comme les produits carnés.

Ces modifications sont relativement simples à mettre en œuvre en utilisant des logiciels de conception de pièces en 3D comme Inventor puis de les imprimer à l’aide d’une autre imprimante 3D.

Les résultats obtenus lors des premiers essais sur des gels à base de protéines animales et de polysaccharides laissent envisager de larges possibilités d’impression de produits carnés pour des populations ciblées de consommateurs.

PESPECTIVES L’imprimante Prusa est pratique à

modifier mais sa mécanique est basique, son volume d’impression et la charge ajoutable sont limités.

Nous avons donc acquis une nouvelle imprimante 3D de fabrication Chinoise (Modèle Ghost de FlyingBear) qui a l’avantage d’avoir un plateau mobile sur l’axe vertical, libérant beaucoup d’espace d’impression.

La tête qui se déplace seulement en XY permet d’embarquer l’ensemble de l’équipement au dessus de l’imprimante et ainsi d’envisager l’ajout de nombreux dispositifs dont les volumes et poids seront beaucoup moins limités.

MATERIELS et METHODES

Afin de pouvoir imprimer des aliments, il fallait modifier l’imprimante aussi bien d’un point de vue mécanique que logiciel. Il fallait également pouvoir créer les nouveaux aliments à partir d’au moins 2 sources de produits d’où la réalisation d’un système à double extraction.

Modifications mécaniques :

Ces modifications ont entraîné la suppression de la tête d’impression d’origine et la réalisation d’une nouvelle tête d’impression entièrement conçue et réalisée au laboratoire.

Les nouvelles pièces de la tête d’impression ont été dessinées à l’aide du logiciel Inventor Pro 2018 d’Autodesk.

La réalisation des pièces a été effectuée à l’aide d’une imprimante 3D commerciale de type

« Volumic Stream30 Pro MK2 ».

Le logiciel pilote de la Prusa i3 (Marlin) a été modifié, à l’aide d’un éditeur de texte, pour intégrer les 2 extrudeurs de la nouvelle tête ainsi que les nouveaux paramètres de déplacements, de températures et de vitesse d’extraction des produits.

Modifications électroniques :

RESULTATS

Ces deux résultats ont été obtenus dès les premiers essais de l’imprimante équipée de sa nouvelle tête et montrent la faisabilité de ce type d’impression.

Imprimante Prusa équipée de sa nouvelle tête d’impression

Seringue en place Vis sans fin d’entrainement

Purge Support

Au total, une dizaine de pièces ont été conçues, réalisées puis assemblées pour donner la tête d’impression ci-contre

Cette tête est équipée de :

2 seringues standards de 20 mL

2 buses d’extrusion de 0,4 à 0,8 mm

Ci-dessous, les premiers essais réalisés sur des gels

de protéines animales et de polysaccharides.