Additieve productie van voedingskwaliteit:uitgebreide veiligheidsrichtlijnen

Is 3D-printen voedselveilig?

3D-printen is de afgelopen tien jaar volwassen geworden als productietechnologie en komt steeds dichterbij een reguliere productietechnologie. Dit komt voor een groot deel doordat de 3D-printtechnologie geavanceerder is geworden, wat heeft geleid tot consistentere, duurzamere en complexere prints die overeenkomen met zijn tegenhangers die zijn gemaakt met spuitgieten en CNC-bewerking.

Met deze voortdurende acceptatie onderzoeken steeds meer industrieën het gebruik van 3D-printen als onderdeel van hun productiestrategie. Eén daarvan is de voedingsindustrie, waar voedselverpakkingen, gebruiksvoorwerpen of reserveonderdelen voor voedselproductielijnen allemaal belangrijke 3D-geprinte onderdelen kunnen worden. De voedingsindustrie heeft strikte veiligheidsvoorschriften waarmee rekening moet worden gehouden bij het plannen van het gebruik van een nieuwe productietechnologie. In dit artikel wordt besproken hoe voedselveilig 3D-printen kan worden ontworpen en geïmplementeerd en worden de verantwoordelijkheden van de klant en fabrikant verduidelijkt als het erom gaat ervoor te zorgen dat de geprinte onderdelen aan strenge eisen voldoen.

Wat maakt een onderdeel voedselveilig?

Om een onderdeel voedselveilig te maken, is het belangrijk om de relevante regelgeving in de regio waar het onderdeel gedistribueerd of gebruikt gaat worden te herzien. In dit gedeelte wordt de nadruk gelegd op de uitdagingen bij het implementeren van voedselveilig 3D-printen, door de analyse te baseren op de 3-A Sanitaire Standaarden die zijn ontwikkeld om bedrijven te helpen voldoen aan de FDA- en USDA-regelgeving. Over het algemeen zijn er drie factoren die bepalen of een onderdeel veilig is voor gebruik met voedsel:het ontwerp, de gebruikte materialen en het productieproces.

1. Voedselveilig 3D-printontwerp

Op het gebied van voedselveiligheid zijn de onderdelen volgens de 3-A Sanitaire Normen in twee categorieën verdeeld:

1. Productcontactoppervlakken - “In wezen elk deeloppervlak dat wordt blootgesteld aan het product, evenals elk oppervlak waarop ander voedselmateriaal kan spatten of op het product kan weglopen.” Kortom, elk oppervlak van het onderdeel dat in contact kan komen met voedsel.
2. Oppervlakken die niet met producten in contact komen - “Elk onderdeeloppervlak dat niet in contact komt met het product of gebieden zoals structurele steunen of andere externe componenten.” Kortom, dit is elk oppervlak van het onderdeel dat niet in contact komt met voedsel.

Bij het beoordelen van een component voor voedselveilig 3D-printen is het belangrijk om te focussen op de productcontactoppervlakken. Hieronder vindt u enkele belangrijke punten waarmee rekening moet worden gehouden in de ontwerpfase.

• Vrij van spleten of holtes - Onderdelen mogen niet worden ontworpen met spleten of holtes. Hierdoor ontstaan ​​gebieden die niet voldoende kunnen worden gereinigd, waardoor bacteriegroei mogelijk wordt. Als dit soort holtes nodig zijn voor de functionaliteit van het item, moeten de gebieden gemakkelijk toegankelijk zijn wanneer het apparaat wordt gedemonteerd, zodat ze regelmatig kunnen worden schoongemaakt.
• Gladde hoeken en stralen - Het is belangrijk om eventuele scherpe hoeken in een ontwerp te elimineren en in plaats daarvan waar mogelijk afrondingen met een grote straal te gebruiken. Scherpe hoeken zijn moeilijk schoon te maken en moeten daarom worden vermeden.
• Robuustheid - Onderdelen van voedingskwaliteit moeten robuust genoeg zijn om de beoogde toepassing te kunnen doorstaan zonder te breken, te corroderen of te barsten. Elk van deze faalwijzen kan gebieden introduceren waar bacteriën kunnen groeien. Over het algemeen zijn 3D-geprinte onderdelen en materialen bestand tegen corrosie en defecten als ze correct zijn ontworpen.

2. Additieve materialen voor voedselveilig 3D-printen

Een andere kritische factor bij het bepalen van de voedselveiligheid van onderdelen is het materiaal. Hieronder vindt u enkele belangrijke materiaalspecifieke factoren waarmee productontwerpers rekening moeten houden.

• Niet-vervuilend en niet-giftig - Het basismateriaal, plus eventuele nabewerkingsadditieven zoals kleurstoffen of coatings, moeten voedselveilig zijn. Bij 3D-geprinte kunststoffen is het mogelijk dat het bulkmateriaal in eerste instantie voedselveilig is, maar onveilig wordt door pigmenten en andere additieven. Het is belangrijk om het veiligheidsinformatieblad (MSDS) te raadplegen voor alles wat in het artikel wordt behandeld.
• Corrosiebestendig - Een sleutelfactor bij het behouden van een glad en schoon oppervlak is het kiezen van een inert materiaal of een materiaal dat bestand is tegen corrosie. Enkele voorbeelden van corrosiebestendige materialen voor voedselveilig 3D-printen zijn kunststoffen zoals polycarbonaat of polypropyleen, en metalen zoals roestvrij staal. Een gecorrodeerd oppervlak kan een voedingsbodem voor bacteriën worden, omdat het moeilijker is om het goed schoon te maken. Er moet ook rekening worden gehouden met schoonmaakmiddelen.
• Glad, niet-poreus en niet-absorberend - Voor voedselveilige 3D-geprinte producten moet een oppervlakteprofiel van 32 Ra of beter worden bereikt. Bij de meeste 3D-printtechnologieën worden onderdelen laag voor laag opgebouwd. Elk van deze lagen vormt een interface om microscopisch kleine spleten te creëren waarin voedselproducten zich kunnen verzamelen en gevaarlijke bacteriegroei kunnen bevorderen. Poreuze en absorberende materialen zijn lastig schoon te maken en bevorderen daardoor de groei van bacteriën. Dit is een van de grootste uitdagingen bij voedselveilig 3D-printen en vereist vaak polijsten na het proces of voedselveilige coatings om een niet-poreus, glad oppervlak te creëren.

Welke 3D-geprinte materialen zijn steriliseerbaar?

Het is belangrijk om te begrijpen dat steriliseerbaar niet noodzakelijkerwijs voedselveilig betekent. Steriliseerbaar betekent eenvoudigweg dat het materiaal effectief kan worden gezuiverd van alle bacteriën. De hierboven genoemde factoren kunnen echter bepalen of het onderdeel uiteindelijk voedselveilig is. Een voorbeeld hiervan in de onderstaande lijst is ABS; hoewel het steriliseerbaar is, is het niet voedselveilig. Hieronder vindt u een overzicht van verschillende steriliseerbare 3D-geprinte materialen.

Steriliseerbare 3D-geprinte materialen

Proces Materiaal Sterilisatiemethode Overwegingen

Proces

SLS / HP MJF

Materiaal

Nylon 11 of 12

Sterilisatiemethode

Chemisch, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Stoomautoclaaf

Overwegingen

Vochtopname, mat oppervlak

Proces

FDM

Materiaal

ABS-M30i

Sterilisatiemethode

EtO, Gamma

Overwegingen

Spleten en spleten in het oppervlak

Proces

FDM

Materiaal

PC-ISO

Sterilisatiemethode

EtO, Gamma

Overwegingen

Spleten en spleten in het oppervlak

Proces

FDM

Materiaal

ULTEM

Sterilisatiemethode

EtO, Gamma, Stoomautoclaaf

Overwegingen

Spleten en spleten in het oppervlak

Proces

Koolstof DLS

Materiaal

CE, EPX, RPU

Sterilisatiemethode

Elektronenbundelbestraling, EtO, Gamma, stoomautoclaaf

Overwegingen

Beperkte cycli of kleine veranderingen in mechanische eigenschappen

Proces

Koolstof DLS

Materiaal

FPU, EPU, SIL

Sterilisatiemethode

Elektronenbundelbestraling, Gamma

Overwegingen

Beperkte cycli of kleine veranderingen in mechanische eigenschappen

Proces

DMLS

Materiaal

Roestvrij staal 17-4PH of 316L

Sterilisatiemethode

Chemisch, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Stoomautoclaaf

Overwegingen

Mat oppervlak

Lijst met steriliseerbare materialen

3. Productietechnologie

Ook de productietechniek en het proces moeten zorgvuldig worden gekozen bij het streven naar voedselveilig 3D-printen.  Hieronder staan twee overwegingen bij het kiezen van het juiste 3D-printproces:

3D-printtechnologie - Het is belangrijk om de juiste 3D-printtechnologie te kiezen voor het betreffende project. Over het algemeen zullen machines voor Fused Deposition Modeling (FDM) onderdelen met een ruwere oppervlakteafwerking creëren, terwijl stereolithografie (SLA) en selectieve lasersintering (SLS) gladdere oppervlakken kunnen creëren. Deze beslissingen moeten echter worden genomen in combinatie met de materiaalkeuze, het ontwerp van de onderdelen en de nabewerking van de oppervlakteafwerkingen, die we in de volgende sectie bespreken.

Materialen van de 3D-printer - Als het te printen materiaal als voedselveilig is beoordeeld en het oppervlakteprofiel de juiste gladheid heeft bereikt, kan een onderdeel alsnog de voedselveilige classificatie worden ontzegd als de machine waarop wordt geprint niet voedselveilig is. Een voorbeeld hiervan is een koperen mondstuk op een FDM-machine dat sporen van lood kan bevatten of smeermiddelen die worden gebruikt voor de mechanische componenten die niet voedselveilig zijn.

Video:Additieve productie in de voedingsindustrie (3-A SSI virtueel onderwijsprogramma, 2021)

Sluit je aan bij Greg Paulsen terwijl hij een introductie geeft over verschillende 3D-printprocessen en waar deze kunnen worden toegepast binnen de voedingsindustrie en de behoeften op het gebied van voedselverwerking. Greg onderzoekt de sterke punten van 3D-printen en geeft tegelijkertijd een openhartig beeld van de uitdagingen met in aanmerking komende prints voor hygiënisch ontwerp. Dit omvat een overzicht van materialen die kunnen worden gesteriliseerd, evenals nieuwe oppervlakteafwerkingen, zoals het gladmaken van chemische dampen.

Welke oppervlakteafwerkingen kunnen een 3D-geprint onderdeel voedselveilig maken?

As-machinaal 3D-geprinte onderdelen kunnen een oppervlakteafwerking hebben met een ruwheid die niet voldoet aan de minimale oppervlakteruwheidsnorm van 32 Ra die is vastgelegd in de 3-A Sanitary Standards. Om de oppervlakteafwerking te helpen een gladheid van het oppervlak te bereiken die geen kleine plekjes bevat voor bacteriegroei en die gemakkelijk kan worden gereinigd, kan een onderdeel nabewerkingen ondergaan, zoals mechanische afwerking en oppervlaktecoatings.

Mechanische en chemische afwerking

Om de oppervlakteruwheid van onderdelen die bedoeld zijn voor voedselgebruik te verminderen, is het mogelijk om mechanische methoden te gebruiken om bepaalde materialen glad te strijken. Hoewel metalen onderdelen goed reageren op polijsten, kunnen sommige kunststoffen worden gemalen, getrommeld of machinaal bewerkt om hun oppervlak te verbeteren.  

1. Slijpen - Schuurwielen kunnen worden gebruikt om materiaal en gladde oppervlakken te verwijderen. Dit is echter niet ideaal voor complexe geometrieën, omdat slijpen alleen toegang heeft tot cilindrische of vlakke gebieden.
2. Tuimelen - Tuimelen kan worden gebruikt als methode om onderdelen glad te maken. Echter, net als bij slijpen, zijn complexe interne geometrieën niet goed geschikt voor deze methode, omdat interne hoeken en andere kenmerken mogelijk ontoegankelijk zijn voor de schurende media.
3. Bewerking - Bewerking kan worden toegepast op zowel kunststof- als metaalbedrukte onderdelen om gladde oppervlakken te creëren. Hoewel dit een optie is, is dit misschien niet praktisch of economisch te schalen en werkt het vaak niet goed voor dunwandige onderdelen. 
4. Polijsten - Er kunnen verschillende polijstmethoden worden gebruikt om metalen onderdelen glad te maken. Polijsten kan handmatig worden uitgevoerd met behulp van progressieve schuurtechnieken of via elektrolytisch polijsten (voor metalen). 
5. Dampverzachting - Dit proces kan worden gebruikt om sommige plastic onderdelen glad te maken door ze bloot te stellen aan oplosmiddeldampen. Externe randen en onderdelen smelten chemisch en sluiten opnieuw af, waardoor een gladder oppervlak ontstaat. Het is echter mogelijk dat het proces niet op betrouwbare wijze alle mogelijke interne holtes of spleten gladmaakt en verwijdert. Meer informatie over het gladmaken van chemische dampen.

Opgemerkt moet worden dat het bij sommige materialen en processen eenvoudigweg niet mogelijk is om zelfs met de bovengenoemde processen een voedselveilige oppervlakteafwerking te verkrijgen. Voedselveilig productontwerp begint bij het ontwerp, het materiaal en het productieproces; Zodra deze op de juiste manier zijn gekozen, kan mechanische afwerking ervoor zorgen dat voedselveilige producten aan de veiligheidsnormen voldoen.

Coatings

Wanneer mechanische afwerking niet haalbaar of kosteneffectief is, is het mogelijk om niet-gekwalificeerde onderdelen te coaten met een voedselveilige coating, waardoor voedselveilig 3D-printen mogelijk wordt. Deze coatings kunnen alles omvatten, van epoxy voor levensmiddelen tot polyurethaan. Ze maken het oppervlak effectief glad door alle gaten en holtes op te vullen en creëren een ondoordringbare, voedselveilige afdichting tussen het onderdeel en het voedsel. Het is belangrijk dat deze coatings vrij zijn van typische coatingdefecten (problemen zoals blaasvorming, delaminatie en putjes, om er maar een paar te noemen). Deze coatings moeten ook compatibel zijn met eventuele reinigingsproducten die worden gebruikt om het onderdeel dat in gebruik is periodiek schoon te maken.

Hoe u voedselveilige 3D-geprinte onderdelen ontwerpt

Voedselveilig 3D-printen is van veel factoren afhankelijk. Samen zullen de materialen, het ontwerp, de productiemethode en de toepassing een certificerende instantie helpen bepalen of een product aan alle veiligheidsnormen voldoet. Hoewel Xometry niet kan garanderen dat een product voedselveilig is, kan ons team van applicatie-ingenieurs u deskundig advies geven over welke materialen, ontwerpprincipes en productietechnieken u op de best mogelijke weg zullen brengen om het noodzakelijke niveau van voedselveiligheid te bereiken. Xometry biedt acht verschillende additieve productietechnologieën aan via zijn on-demand 3D-printservice. Neem vandaag nog contact op met een Xometry-vertegenwoordiger voor meer informatie over de opties voor voedselveilige productie van 3D-printen.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Greg Paulsen

Als Sr. Solutions Engineer en Business Development leider bij Xometry werkt Greg Paulsen op het snijvlak van engineering en groei. Hij ontwikkelt hulpmiddelen voor ontwerp voor productie, adviseert over complexe productieprojecten op maat en helpt organisaties bij de overstap van prototype naar productie. Greg werkt nauw samen met klanten om de juiste productieoplossingen te identificeren op basis van projectvereisten – van prototypes in kleine volumes tot productie op schaal – voor CNC-bewerking, additieve productie, plaatwerk, urethaangieten en spuitgieten.

Lees meer artikelen van Greg Paulsen