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3D Druck mit Schokolade

Das eigene Gesicht aus Schokolade, noch schnell ein schokoladenes Geschenk ausdrucken… Schokolade bietet viele Möglichkeiten, doch sind Schokoladendrucker zukunftsfähig?

Das Material Schokolade

Die Eigenschaften von Schokolade unterscheiden sich zu den typischerweise in der generativen Fertigung verwendeten Thermoplasten wie ABS und PLA. Bei Schokolade werden durch den hohen Fettanteil verschieden Kristallstrukturen ausgebildet. Mit Hilfe des sogenannten Temperns kann die Schokolade in den gewünschten Aggregatzustand gebracht werden. Dabei ist es wichtig die Schokolade auf 40-50°C zu erwärmen, dann diese in einen Temperaturbereich von 17-29°C herunter zu kühlen um anschließend die Schokolade erneut zu erwärmen, jedoch diesmal auf eine Temperatur zwischen 24 und 32°C. Durch falsches Erwärmen, zu schnelles Abkühlen oder Nichteinhalten der geforderten, von der Schokoladenart abhängigen, Temperier-Kurve wird ein anderer Kristallzustand erreicht. Dies führt zu altbekannten weißen Verfärbungen, unschöner Oberfläche oder schlechtem Formverhalten. Besonders zu beachten ist, dass die schönste Oberfläche der Schokolade entsteht, wenn diese bei Raumtemperatur ausgehärtet wird. [vgl. Slawik, 2011 S 7-8]

Mögliche Verfahren

Um Schokolade in die richtig temperierte Form zu bekommen und diese zu 3D Objekten zu drucken, gibt es unterschiedliche Ansätze. Über diverse Plattformen wie [Thingiverse] werden von den Usern eigene Konzepte zum Nachbau von Schokoladen/Pasten Extrudern mit 3D gedruckten Teilen veröffentlicht, beschrieben im Teil Selbstbau. Zusätzlich gibt es seit einigen Jahren eine wachsende Anzahl von kommerziellen 3D-Schokoladen Druckern bzw. Bausätzen, um den eigenen 3D-Drucker um die „Schokoladenfunktion“ zu erweitern. Diese werden unter „Kommerzielle Drucker“ vorgestellt.

Selbstbau
•Spritzenprinzip
Basis für die meisten veröffentlichten Konzepte sind handelsübliche 50/60ml Spritzen, welche mit flüssiger Schokolade oder Schokoladenstückchen gefüllt werden.
– Druckluft: Das Druckluftprinzip extrudiert die Schokolade durch Luftdruck in der Spritze. Zu beachten ist hierbei, dass Druckluft benötigt wird die die Schokolade nicht verschmutzt. [unfold, 2012] zeigt das Bsp. aus Abbildung 2
– Kolbenbewegung: Hierbei wird die Schokolade durch eine klassische Kolbenbewegung extrudiert. Siehe Abbildung 3
•Schneckenprinzip: Dieses Prinzip basiert auf einer Schnecke, welche auf dem Prinzip einer Schlauchpumpe basiert, siehe Abbildung 4, Bsp. aus [Ioan, 2011].

Kommerzielle Drucker
Auf dem stetig wachsenden Markt der Schokodrucker, gibt es schon einige interessante Prinzipien, die verfolgt werden. Hauptbasis ist das Spritzenprinzip. Unterschieden werden kann durch die Zuführung der Schokolade wie auch der Druckgenauigkeit. Dies ist z.B. der Choc Edge siehe [vgl. Choc Edge], bei dem die Schokolade in flüssiger Form in eine Spritze gefüllt werden muss. Dabei sind Strichstärken von 0,5-1mm möglich. Ein weiterer Vertreter dieses Funktionsprinzips ist der fab@home, welcher nicht nur Schokolade sondern viele weitere Materialien, welche in Spritzen gefüllt werden können, drucken kann [vgl. fab@home]. Der ChocJet besitzt ein anderes Funktionsprinzip. Am Extruder befindet sich ein Schokoladenreservoir, welches eine Temperierung und Rührung vornimmt, um die gleichbleibende Schokoladenqualität zu gewährleisten [vgl. Choc Jet]. Ein weiteres Prinzip wurde durch den QiaoKe umgesetzt. Hier wird die Schokolade in Chip Form eingefüllt, was die Handhabung wesentlich erleichtert. [vgl. 3D-Drucken.de].

Herausforderungen

Die Schokolade muss um in der Generativen Fertigung verwendet werden zu können, die richtige kristalline Struktur und Konsistenz nach dem Tempern besitzen um für den 3D Druck verwendet werden zu können. Jede Schokolade hat dabei andere Kennwerte die individuell angepasst werden müssen. Wurde die Schokolade in der richtigen kristallinen Struktur zum Druck verwendet dauert der Abkühlvorgang je nach Dicke der gedruckten Schokoschicht mehrere Minuten, um die Oberflächenqualität nicht zu verschlechtern und erfordert um die Druckzeiten zu verkürzen eine aktive Kühlung. Dazu gibt es einige technologische Ansätze. Besonders beachtet werden muss, dass die Schokolade während des ganzen Druckprozess gleichmäßig erwärmt wird, um ein Anbrennen oder Verklumpen zu verhindern. Auch ist zu beachten, dass ohne Erwärmung die Schokolade sehr schnell aushärtet und so die Düse verstopfen würde.

Einsatzgebiet und Nutzen

Schokoladendrucker können vor allem für Verzierungen von Nachspeisen wie Torten, Cremes etc. eingesetzt werde. Hierbei sind der Phantasie keine Grenzen gesetzt und individuelle gestaltete Einzelstücke können hergestellt werden. Ein weiterer Nutzen könnte in einzigartigen, personalisierten Geschenken liegen wie z.B. einem beschrifteten Schokoriegel, individuellen Pralinen oder das 3D Gesicht aus Schokolade auf der Torte.
Die aktuellen auf dem Markt verfügbaren Technologien bieten noch nicht die Möglichkeit, Schokolade so präzise, genau und schnell zu drucken, wie es für eine industrielle Fertigung notwendig wäre, da die lange Druckdauer und die Genauigkeit zu einem Hindernis werden. Denkbar wäre eine Verwendung in Konditoreien, Restaurants oder im Bereich des Event-Caterings. Bei einem Preis von mehreren tausend Euro will die Anschaffung eines solchen Schoko-Druckers jedoch wohl überlegt sein. Ein weiteres Manko sind die, wegen der Technologie sichtbaren Rillenstrukturen auf der Oberfläche von 3D Objekten, welche gerade bei filigranen Druckobjekten unschöne Auswirkungen auf den Gesamteindruck des Schokoladenkunstwerks haben können. Eine mögliche Anwendung zeigt das Schokodruckerprojekt des Instituts für Advanced Engineering Technologies und MI5. Hierzu wird dargestellt, wie eine auf Industrie 4.0 basierende Fertigung mit verschiedenen Lebensmittelprodukten gestaltet werden kann. Ein Teil davon ist ein 3D Schokodrucker. Dieser zeigt das Potential gerade bei individuellen kostengünstig produzierten Schokoladenobjekten in der Fabrik der Zukunft.

Projekt Schokodrucker
Institut für Advanced Engineering Technologies – FH Technikum Wien
Das Institut für Advanced Engineering Technologies (IAET) ist sowohl in Lehre als auch Forschung und Entwicklung auf Aspekte der modernen Produktion ausgerichtet. Dazu werden Prozesse in produzierenden Unternehmen untersucht und unter ökologischen und ökonomischen Zielsetzungen weiterentwickelt. Das umschließt die Entwicklung und Herstellung von wettbewerbsfähigen Produkten, den effizienten Einsatz von Ressourcen und den Aufbau nachhaltig effizienter Strukturen. [vgl. FH Technikum Wien]

Projekt MI5 von ITQ
ITQ arbeitet gemeinsam mit Studenten der TU München an dem Projekt MI5, das anhand eines begreifbaren Showcases darstellen soll, wie mechatronisches Engineering „idealerweise“ durchzuführen ist. Gedankliche Grundlage für diesen Showcase ist eine neu zu entwickelnde Produktionslinie für einen großen Food Konzern, mit dem ITQ eng zusammenarbeitet. Diese wird virtuell und real aufgebaut und stellt die Interpretation von MI5 zu Industrie 4.0 dar. [vgl. MI5]

Für diese Produktionslinie arbeitet das IAET im Rahmen des Projekts „Schokodrucker“ an einer dieser Produktionsstationen. Diese ist dafür Zuständig die Schokolade auf den Keks aufzubringen. Idee ist dazu einen 3D Schokodrucker zu entwickeln, welcher 3D Objekte aus Schokolade auf den Keks druckt.
Dazu wurde ein Fabbster 3D Drucker auf OpenSource Basierung umgebaut. Dieser soll als Grundlage für die Ansteuerung verwendet werden. Zur Extrudieren der Schokolade wurde ein Düsenkonzept entwickelt das automatisch nachfüllbar ist. Dieses Konzept basiert auf einer handelsüblichen Spritze, welche über ein Förderkonzept mit flüssiger Schokolade gefüllt wird. Dabei ist Schokolade lediglich ein Beispielwerkstoff der durch andere Lebensmittel ersetzt werden kann. Damit sind viele andere Anwendungsbeispiele mögliche.
Eine Erweiterung dieses Konzeptes wäre mit Kooperation des 3D Scan. Dazu könnten eingescannte Objekte direkt aus Schokolade ausgedruckt werden.
Der entwickelte Schokodrucker ist mit diesen Funktionen ein Standardprodukt, welches auf dem kommerziellen Markt durch andere Produkte, wie bereits oben beschriebe, erworben werden kann. Das Projekt zeigt deshalb eher die Möglichkeiten des Einsatzes eines 3D Schokodruckers in Kooperation mit dem Thema Internet of Things. Gerade die Herstellung personalisierter Produkte wäre eine denkbare Anwendung.

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