Food-Grade Additive Manufacturing: Uitgebreide veiligheidsrichtlijnen

Is 3D-printen voedselveilig?

3D-printen is de afgelopen decennium gerijpt als productietechnologie, dichterbij mainstream productie gekomen. Dit is grotendeels omdat de technologie gesofistikeerder is geworden, wat leidt tot consistentere, duurzamere en complexere prints die gelijk komen aan tegenhangers gemaakt met injectiegieten en CNC-bewerking.

Met deze aanhoudende acceptatie verkennen meer industrieën het gebruik van 3D-printen als onderdeel van hun productiestrategie. Een daarvan is de voedingsmiddelenindustrie, waar voedselverpakking, bestek, of reserveonderdelen voor voedselproductielijnen allemaal belangrijke 3D-geprinte onderdelen kunnen worden. De voedingsmiddelenindustrie heeft strenge veiligheidsreguleringen die overwogen moeten worden bij het plannen van een nieuwe productietechnologie. Dit artikel bespreekt hoe voedselveilige 3D-printen te ontwerpen en implementeren en verduidelijkt de verantwoordelijkheden van klant en fabrikant bij het waarborgen dat geprinte onderdelen aan strenge eisen voldoen.

Wat maakt een onderdeel voedselveilig?

Om een onderdeel voedselveilig te maken, is het belangrijk de relevante reguleringen in de regio te herzien waar het onderdeel gedistribueerd of gebruikt wordt. Deze sectie focust op de uitdagingen van voedselveilige 3D-printing, gebaseerd op de 3-A Sanitary Standards die ontwikkeld zijn om bedrijven te helpen voldoen aan FDA- en USDA-reguleringen. Over het algemeen bepalen drie factoren of een onderdeel veilig is voor gebruik met voedsel: het ontwerp, de gebruikte materialen en het productieproces.

1. Voedselveilig 3D-printontwerp

Volgens de 3-A Sanitary Standards worden onderdelen in twee categorieën eingedeeld voor voedselveiligheid:

1. Product Contact Oppervlakken – "Essenieel elk onderdeeloppervlak dat blootgesteld is aan het product alsook elk oppervlak waarop ander voedselmateriaal kan splashing of drainen op het product." Kortom: elk oppervlak van het onderdeel dat voedsel kan raken.
2. Niet-Product Contact Oppervlakken – "Elk onderdeeloppervlak dat niet in contact komt met het product of gebieden zoals structurele steunen of andere externe componenten." Kortom: elk oppervlak dat geen voedsel raakt.

Bij het evalueren van een component voor voedselveilige 3D-printing, is het belangrijk om te focussen op de product contact oppervlakken. Hieronder belangrijke overwegingen in de ontwerpfase:

• Vrij van kluizen of holtes – Onderdelen mogen niet ontworpen worden met kluizen of holtes. Dit creëert gebieden die niet adequaat gereinigd kunnen worden, wat bacteriegroei toestaat. Als dergelijke holtes noodzakelijk zijn voor functionaliteit, moeten ze gemakkelijk toegankelijk zijn bij demontage voor regelmatige reiniging.
• Gladde hoeken en radii – Het is belangrijk om scherpe hoeken in een ontwerp te elimineren en waar praktisch grote-radii afrondingen te gebruiken. Scherpe hoeken zijn moeilijk te reinigen en moeten vermeden worden.
• Roerendheid – Voedselgraad onderdelen moeten robuust genoeg zijn om de beoogde toepassing te weerstaan zonder af te breken, te corroderen of te scheuren. Elke van deze falenmodi kan gebieden voor bacteriægroeien introduceren. Over het algemeen kunnen 3D-geprinte onderdelen en materialen corrosie en afbraak weerstaan als correct ontworpen.

2. Additieve materialen voor voedselveilige 3D-printing

Een ander kritisch factor is het materiaal. Hieronder belangrijke materiaalspecifieke factoren voor productontwerpers:

• Niet-verontreinigend en niet-toxisch – Basismateriaal, plus eventuele post-processing additieven zoals kleurstoffen of coatings, moeten voedselveilig zijn. Bij 3D-geprinte kunststoffen kan het bulk-materiaal initieel voedselveilig zijn, maar onveilig gemaakt worden door pigmenten en andere additieven. Raadpleeg de Material Safety Data Sheet (MSDS) voor alles wat in het item gaat.
• Corrosiebestendig – Een sleutelfactor voor het behoud van een glad en schoon oppervlak is het kiezen van een inert materiaal of een dat bestendig is tegen corrosie. Voorbeelden: kunststoffen zoals polycarbonaat of polypropyleen, metalen zoals roestvrij staal. Een gecorrudeerd oppervlak kan een broedplaats voor bacteriën worden omdat het moeilijker adequaat te reinigen is. Reinigingschemicaliën moeten ook overwogen worden.
• Glad, non-poriëus en non-absorberend – Een oppervlakteprofiel van 32 Ra of beter moet behaald worden voor voedselveilige 3D-geprinte producten. Meeste 3D-printtechnologieën bouwen onderdelen laag voor laag op. Elke laag interfaceert om microscopische kluizen te genereren waarin voedselproducten kunnen verzamelen en gevaarlijke bacteriægroeien bevorderen. Poriëne en absorberende materialen zijn moeilijk te reinigen en bevorderen bacteriægroeien. Dit is een van de grootste uitdagingen bij voedselveilige 3D-printing, en vereist vaak post-process polishing of voedselveilige coatings om een non-poriëus, glad oppervlak te creëren.

Welke 3D-geprinte materialen zijn sterilisabel?

Belangrijk om te begrijpen: sterilisabel betekent niet noodzakelijk voedselveilig. Sterilisabel betekent simpelweg dat het materiaal effectief van alle bacteriën ontdaan kan worden. De bovengenoemde factoren bepalen of het onderdeel uiteindelijk voedselveilig is. Een voorbeeld is ABS; hoewel sterilisabel, is het niet voedselveilig. Hieronder een overzicht van diverse sterilisabele 3D-geprinte materialen.

Lijst van Sterilisabele Materialen

3. Productietechnologie

De productietechniek en -proces moeten ook zorgvuldig gekozen worden voor voedselveilige 3D-printing. Twee overwegingen:

3D-printtechnologie – Het is belangrijk de juiste 3D-printtechnologie te kiezen voor het project. Over het algemeen creëren FDM-machines onderdelen met ruwere oppervlakteafwerkingen, terwijl SLA en SLS gladere oppervlakken kunnen creëren. Deze beslissingen moeten gemaakt worden in tandem met materiaalkeuze, ontwerp en post-processing oppervlakteafwerkingen.

Materialen van de 3D-printer – Als het te printen materiaal als voedselveilig gewaardeerd wordt en het oppervlakteprofiel de juiste gladheid bereikt, kan een onderdeel nog steeds geweigerd worden voor voedselveilige classificatie als de machine waarop het geprint wordt niet voedselveilig is. Een voorbeeld: een messing mondstuk op een FDM-machine dat sporen lood of smeermiddelen voor mechanische componenten kan bevatten die niet voedselveilig zijn.

Video: Additive Manufacturing in de Voedingsmiddelenindustrie (3-A SSI Virtual Education Program, 2021)

Greg Paulsen geeft een introductie tot verschillende 3D-printprocessen en waar ze in de voedingsmiddelenindustrie en voedselverwerkingsbehoeftes kunnen worden toegepast. Hij verkent de sterktes van 3D-printen en geeft een eerlijk blik op de uitdagingen bij het kwalificeren van prints voor hygiënisch ontwerp. Dit omvat een samenvatting van materialen die gesteriliseerd kunnen worden alsook nieuwe oppervlakteafwerkingen zoals chemische vapor smoothing.

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

As-machined 3D-geprinte onderdelen kunnen oppervlakteafwerkingen hebben met een ruwheid die niet voldoet aan de minimale 32 Ra oppervlakteruwheid standaard van de 3-A Sanitary Standards. Om oppervlakteafwerkingen te helpen een gladheid te bereiken die geen kleine zakjes voor bacteriægroeien bevat en die gemakkelijk gereinigd kan worden, kan een onderdeel post-processen ondergaan zoals mechanische afwerking en oppervlaktecoatings.

Mechanische en Chemische Afwerking

Om de oppervlakteruwheid van voor voedsel bestemde onderdelen te verminderen, is het mogelijk om mechanische methoden te gebruiken om bepaalde materialen glad te maken. Metaalonderdelen reageren goed op polijsten, sommige kunststoffen kunnen geslepen, getumbled of bewerkt worden om hun oppervlakken te verbeteren.

1. Slijpen – Slijpstenen kunnen materiaal verwijderen en oppervlakken gladmaken. Niet ideaal voor complexe geometrieën omdat slijpen alleen cilindrische of vlakke gebieden kan bereiken.
2. Tumbelen – Tumbelen kan gebruikt worden als methode om onderdelen glad te maken. Evenals slijpen, zijn complexe interne geometrieën niet geschikt omdat interne hoeken en andere kenmerken onbereikbaar zijn voor het slijpmiddel.
3. Bewerken – Bewerken kan op zowel plastic- als metaal-geprinte onderdelen gebruikt worden om gladde oppervlakken te creëren. Hoewel een optie, is dit niet altijd praktisch of economisch schaalbaar en werkt vaak niet goed voor dunwandige onderdelen.
4. Polijsten – Verschillende polijstmethoden voor metalen. Handmatig met progressieve slijftechnieken of via electropolijsten (voor metalen).
5. Vapor Smoothing – Dit proces kan sommige plastic onderdelen gladmaken door blootstelling aan oplosmiddeldamp. Externe randen en kenmerken smelten chemisch en hermetisch, creërend een gladder oppervlak. Het proces kan echter niet betrouwbaar alle interne holtes of kluizen gladmaken en verwijderen. Lees meer over chemische vapor smoothing.

Het moet opgemerkt worden dat met sommige materialen en processen het simpelweg niet mogelijk is om een voedselveilige oppervlakteafwerking te bereiken, zelfs met de bovenstaande processen. Voedselveilig productontwerp begint met ontwerp, materiaal en productieproces; eenmaal correct gekozen, kan mechanische afwerking helpen voedselveilige producten veiligheidsstandards te laten halen.

Coatings

Wanneer mechanische afwerking niet haalbaar of kosteneffectief is, is het mogelijk om niet-gekwalificeerde onderdelen te coaten met een voedselveilige coating, wat voedselveilige 3D-printing mogelijk maakt. Deze coatings kunnen variëren van voedselgraad epoxy tot polyurethane. Ze gladden effectief het oppervlak door alle gaten en holtes op te vullen en een ondoorlatend voedselveilig seal tussen het onderdeel en het voedsel te creëren. Het is belangrijk dat deze coatings vrij zijn van typische coatingdefecten (problemen zoals blaasvorming, delaminatie, putvorming, etc.). Deze coatings moeten ook compatibel zijn met eventuele reinigingsproducten die periodiek gebruikt worden om het onderdeel in dienst te reinigen.

Hoe ontwerpt u voedselveilige 3D-geprinte onderdelen?

Voedselveilige 3D-printing berust op veel factoren. Samen bepalen materialen, ontwerp, productiemethode en toepassing of een product voldoet aan alle veiligheidsstandards. Hoewel Xometry niet kan garanderen dat een product voedselveilig zal zijn, kan ons team van application engineers expert guidance bieden over welke materialen, ontwerpprincipes en productietechnieken u op het beste pad zetten om het benodigde voedselveiligheidsniveau te bereiken. Xometry biedt acht verschillende additieve productietechnologieën via zijn on-demand 3D-printservice. Voor meer informatie over opties voor voedselveilige 3D-printproductie, neem vandaag nog contact op met een Xometry-vertegenwoordiger.

Disclaimer

De inhoud van deze pagina is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele garantie, expliciet of impliciet, over de accurate, volledigheid of geldigheid van de informatie. Prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en typen materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat derde leveranciers of fabrikanten via Xometry's netwerk leveren. Klanten die offertes aanvragen zijn verantwoordelijk voor het specificeren van de exacte eisen. Raadpleeg onze 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 design-for-manufacturing bronnen, adviseert over complexe custom productieprojecten, en helpt organisaties van prototype naar productie. Greg werkt nauw met klanten om de juiste productieoplossingen te identificeren op basis van projectvereisten – van low-volume prototypes tot geschaalde productie – across CNC-bewerking, additieve productie, platenmetaal, urethane casting, en injectiegieten.

Lees meer artikelen van Greg Paulsen