SIMULATION OF THE HYDRODYNAMICS OF FOOD MATERIAL FLOW IN THE EXTRUSION 3D PRINTING PROCESS

Abstract

Экструзионная 3D-печать пищевых продуктов представляет собой роботизированный, управляемый программой процесс создания 3D-пищевого объекта сложной формы методом послойного наращивания. Для пони- мания процесса трехмерной печати важна прогнозируемость свойств текучести пищевых материалов. Целью насто- ящего исследования является численное моделирование гидродинамики потока для построения поля скоростей те- чения пищевого материала во время экструзионной 3D-печати. Анализ полей потока в цилиндре и экструзионном сопле 3D-принтера был проведен с помощью модуля компьютерного гидродинамического моделирования в среде COMSOL Multiphysics. В качестве материала использовали тесто для макаронных изделий, получаемых методом экструзионной 3D-печати. Определено, что с уменьшением вязкости материала давление в канале снижается. При снижении вязкости с 2500 Па · с до 500 Па · с давление на входе в сопло уменьшилось с 115725 Па до 104203 Па, т. е. снижение составило около 10%. При увеличении объемного расхода на входе в цилиндр с 2 до 10 мм3/с скорость потока на выходе из сопла возросла с 8,048 · 10–5 м/с до 40,04 · 10–5 м/с, а скорость сдвига повысилась с 0,055 1/с до 0,279 1/с. При увеличении диаметра сопла с 0,5 мм до 2,6 мм давление внутри сопла снизилось на 36%, с 160961 Па до 103556 Па, что указывает на обратную зависимость между этими параметрами. Установлено, что такие показатели, как вязкость материала, объемный расход на входе в сопло и его диаметр, влияют на параметры движения потока в канале, которые, в свою очередь, остаются стабильными в секции цилиндра, но существенно изменяются в секции сопла. Определенные в данной работе характеристики могут иметь практическое значение для оптимизации процес- са экструзионной 3D-печати мучных изделий, а также при проектировании экструзионного канала для 3D-печати. Extrusion 3D printing of food products is a robotic program-controlled process of creating a 3D food object of complex shape using the layer-by-layer method. To understand the 3D printing process, predictability of the fl ow properties of food materials is important. The purpose of this study is to numerically simulate fl ow hydrodynamics to construct the fl ow velocity fi eld of food material during the extrusion process of 3D printing. The fl ow fi elds in the cylinder and extrusion nozzle of the 3D printer were analyzed using the CFD module in COMSOL Multiphysics. In this study, 3D printed pasta dough was used as the material. It was found that as the viscosity of the material decreas es, the pressure in the channel decreases. When the viscosity decreased from 2500 Pa · s to 500 Pa · s, the pressure at the nozzle inlet decreased from 115725 Pa to 104203 Pa, and the decrease was about 10%. With an increase in the volumetric fl ow at the cylinder inlet from 2 mm3/s to 10 mm3/s, the fl ow rate at the nozzle exit increased from 8,048 · 10–5 m/s to 40,04 · 10–5 m/s, and the shear rate increased from 0,055 1/s up to 0,279 1/s. When the nozzle diameter increased from 0,5 mm to 2,6 mm, the pressure inside the nozzle decreased by 36%, from 160961 Pa to 103556 Pa, indicating an inverse relationship between these parameters. It was found that indicators such as the viscosity of the material, the volumetric fl ow rate at the nozzle inlet and the nozzle diameter affect various parameters of the fl ow in the channel, which, in turn, remain stable in the cylinder section, but change signifi cantly in the nozzle section. The characteristics determined in this work can be of practical importance for optimizing the process of extrusion 3D printing of fl our products, as well as when designing an extrusion channel for 3D printing.