Lebensmittelechter 3D-Druck:Designtipps, Materialien und Oberflächen

In den letzten zehn Jahren sind die 3D-Drucktechnologien mit großer Raffinesse gewachsen, was die Herstellung konsistenter, haltbarer und sogar komplexer Teile ermöglicht, die ihren Gegenstücken aus den traditionellen Herstellungsmethoden ebenbürtig sind.

Immer mehr Branchen setzen den 3D-Druck für ihre Fertigung ein. Eine davon ist die Lebensmittelindustrie, die den 3D-Druck in vielen Anwendungen einsetzt. Es gibt jedoch Bedenken hinsichtlich der Anwendung der Technologie in der Lebensmittelindustrie aufgrund strenger Vorschriften, die bei der Herstellung von Verpackungen für Lebensmittel, Küchen-/Kochutensilien und sogar Ersatzteilen für die Produktionsausrüstung eingehalten werden müssen.

Zu berücksichtigende Faktoren für lebensmittelsicheren 3D-Druck

Lebensmittelecht bedeutet, dass ein Artikel die Anforderungen für den vorgesehenen Verwendungszweck erfüllt und keine Gefahr für die Lebensmittelsicherheit darstellt. Die EU-Lebensmittelverordnung gilt für alle Stufen der Produktion, Verarbeitung und des Vertriebs von Lebens- und Futtermitteln. Die europäische Verordnung EG 1935/2004 gibt die Richtlinien für Materialien und Gegenstände vor, die für den Kontakt mit Lebensmitteln bestimmt sind, mit dem Ziel, eine Kontamination zu verhindern.

Im Allgemeinen sind bei lebensmittelechten 3D-Teilen drei Faktoren zu berücksichtigen:Teiledesign, verwendete Materialien und Nachbehandlungen.

Lebensmittelsicheres Teiledesign

Bei der Gestaltung von Produktoberflächen sind folgende Punkte zu beachten, um die Teile lebensmittelecht zu machen:

• Unterschnitte und Spalten: Die Oberfläche muss so gestaltet sein, dass Hinterschnitte oder Spalten auf ihren Oberflächen vollständig beseitigt sind. Wenn diese Merkmale aufgrund der Funktion nicht vermieden werden können, sollten diese Bereiche leicht zugänglich sein, wenn das Teil oder Produkt zerlegt wird, um eine ordnungsgemäße Reinigung zu ermöglichen.
• Kanten verrunden: Kanten sollten, wo immer möglich, Rundungen mit größerem Radius haben, und Ecken sollten gut abgerundet und nicht scharf sein.
• Robustheit: Teile sollten unter vollständiger Berücksichtigung der Betriebsumgebung, der beabsichtigten Anwendung und der Materialeigenschaften konstruiert werden, um sicherzustellen, dass sie einem Ausfall im Betrieb standhalten.

Lebensmittelechte 3D-Druckmaterialien

Viele lebensmittelechte Materialien werden nach eingehender Prüfung durch entsprechende Zertifizierungen gekennzeichnet. Einige Materialien wie PETG und PP sind als von Natur aus lebensmittelecht bekannt. Auch die Anwendung muss bei der Materialauswahl berücksichtigt werden. Zum Beispiel ist PLA lebensmittelecht, aber es schmilzt, wenn es in heißen Anwendungen wie Teetassen oder Geschirrspülern verwendet wird.

Nachfolgend sind einige der Eigenschaften aufgeführt, die bei der Auswahl eines lebensmittelechten 3D-Druckmaterials zu berücksichtigen sind:

• Nicht absorbierend: Häufig ist eine Nachbearbeitung wie Polieren oder Beschichten erforderlich, um eine porenfreie Oberfläche zu erhalten.
• Kratz-/Riefenbeständigkeit: Die ausgewählten Materialien müssen kratz- und verschleißfest sein.
• Verleiht weder Farbe noch Geschmack und ist ungiftig: Alle lebensmittelechten Materialien müssen gegenüber den Lebensmitteln inert sein. Es ist vorzuziehen, natürliche Filamente ohne Zusatz von Farbstoffen zu verwenden. Das Materialsicherheitsdatenblatt (MSDS) eines Materials muss immer verwendet werden, bevor das Material eingeführt wird.

Sterilisation

Die Sterilisation kann ein zusätzlicher Schritt sein, um lebensmittelechte Materialien noch sicherer zu machen. Dies kann durch verschiedene Mittel wie Hitze, Verwendung von Chemikalien, Bestrahlung, Hochdruck und Filtration erfolgen. Allerdings können nicht alle Materialien sterilisiert werden.

Die fünf hier behandelten Arten der Sterilisation sind:

• Ethylenoxidgas (EtO)
• Wasserstoffperoxidgasplasma
• Gammastrahlung
• Autoklav
• Flash-Autoklav

Lebensmittelechte Materialien mit geeigneten 3D-Drucktechnologien

3D-Drucktechnologie	Materialien	Geeignete Sterilisationstechnik
SLS/MJF	Nylon PA 11 und Nylon PA 12	EtO, Gammastrahlung, Gasplasma und Autoklav
SLS/MJF	Polypropylen	Autoklav
FDM	ABS M30	EtO, Gammastrahlung
FDM	PC – ISO	EtO, Gammastrahlung
FDM	ULTEM 1010 / ULTEM 9085	EtO, Gammastrahlung, Autoklav
FDM	PETG	EtO
Kohlenstoff-DLS	CE 221, EPX 82, RPU 70	Bestrahlung, EtO, Gammastrahlung, Autoklav
Kohlenstoff-DLS	FPU 50, EPU 40, SIL 30	Bestrahlung, Gammastrahlung
DMLS	Edelstahl 17.4 und Edelstahl 316L	EtO, Gammastrahlung, Gasplasma, Autoklav
SLA	Echtes Silikon	Bestrahlung, EtO, Autoklav

Lebensmittelechtes 3D-Druckverfahren

Es stehen verschiedene 3D-Drucktechnologien für unterschiedliche Materialien zur Verfügung, sei es Kunststoff, flexibel oder Metall. Der 3D-Druckprozess umfasst sowohl die Technologie als auch die Druckmaterialien. Beides muss vor der Auswahl des richtigen 3D-Druckverfahrens berücksichtigt werden.

3D-Drucktechnologie

Stereolithographie (SLA) 3D-Druck produziert Teile mit der höchsten Auflösung, Genauigkeit und glattesten Oberflächenbeschaffenheit unter allen 3D-Drucktechnologien. SLA verwendet Harze, die nicht lebensmittelecht sind. Beschichtungen können verwendet werden, um die Teile anschließend zu versiegeln, um die Ansammlung von Bakterien zu verhindern. Beschichtungen nutzen sich jedoch mit der Zeit ab. Der SLA-Druck ermöglicht das Bedrucken von Keramik, die als das lebensmittelsicherste Material gilt.

Die Besonderheit des FDM-Drucks hinterlässt sehr schmale Spalten zwischen den Schichten. Allerdings ist diese Drucktechnik nicht dafür bekannt, glatte Oberflächen zu erzeugen. Für eine langfristige Lebensmittelsicherheit müssen die Oberflächen der mit dieser Technologie hergestellten Teile glatt sein. Eine lebensmittelechte Beschichtung kann noch nachträglich aufgebracht werden.

Für den SLS- und MJF-Druck können Teile mit einem lebensmittelechten Nylon PA 12 bedruckt werden, um sehr hochwertige Teile zu erhalten. Lebensmittelechte Beschichtungen sind jedenfalls dringend zu empfehlen, um die Porosität der Teile zu vermeiden.

3D-Druckermaterial

Unsichere 3D-Druckermaterialien, d. h. die Materialien, aus denen der 3D-Drucker selbst hergestellt ist, können zu kontaminierten Teilen führen, selbst wenn zertifizierte lebensmittelechte Materialien verwendet werden. Es ist wichtig, dass alle Teile des Druckers, die direkt am Drucken beteiligt sind, als lebensmittelecht zertifiziert sind.

Bei FDM-Druckern können die Messingdüsen Blei enthalten, das das gedruckte Teil verunreinigt. Das Ersetzen dieser Düsen durch Edelstahl macht das Drucken sicherer. Daher ist es wichtig, dass die Materialien des Druckers gründlich geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie an sich lebensmittelecht sind, bevor irgendein Teil damit gedruckt wird.

Lebensmittelsichere Nachbehandlungen

Wie oben erwähnt, müssen viele 3D-gedruckte Teile nachbearbeitet werden, bevor sie als lebensmittelecht gelten können. Endbearbeitungs- und Beschichtungsprozesse können auf 3D-gedruckte Teile angewendet werden, um eine glatte Oberfläche zu erzielen, die frei von Spalten oder Hohlräumen ist.

Fertigstellung

Dazu gehören Verfahren, die darauf abzielen, glatte und ebene Oberflächen zu erzeugen. Es gibt verschiedene Veredelungsverfahren, die entweder mechanisch oder chemisch sein können. Die folgenden Veredelungsverfahren können verwendet werden:

• Polieren mit Trommel: Bei Teilen mit einem hohen Anteil an beigemischtem Metallpulver ist das Trommeln eine effektive Poliermethode. Die Glätte von Metallic-Drucken kann in nur einer Stunde Polieren exponentiell gesteigert werden. Die Ergebnisse werden mit längerem Polieren besser
• Dampfglättung: Diese Methode ist schnell und effektiv. Die Art des verwendeten Dampfes hängt vom Material des Druckteils ab. Dieser Prozess kann leicht automatisiert werden. In einigen Fällen kann dies jedoch die Festigkeit der gedruckten Teile verringern
• Schmirgeln: Dies ist eine der einfachsten Arten des Glättens. Es beinhaltet die Verwendung von Sandpapier. Dadurch können die meisten Unvollkommenheiten entfernt und die Ebenenlinien ausgeblendet werden. Da Schleifen auf Reibung beruht, könnte die erzeugte Hitze die Teile verziehen. Nassschliff ist daher zu bevorzugen
• Bearbeitung: Dieses Verfahren ist bei Metallen noch beliebter als bei Kunststoffen. Sie sind jedoch oft nicht wirtschaftlich und für Teile mit dünnen Wandstärken unpraktisch.

Beschichtungen

Der Einsatz von Beschichtungen ist ein wirksames Mittel, um glatte Oberflächen zu erzielen. Die Beschichtung in Form von Versiegelungsmitteln versiegelt auch nicht qualifizierte Materialien wie Harze, die beim SLA-Druck verwendet werden. Üblicherweise verwendete Beschichtungen sind Epoxide. Da die Beschichtung die Dicke des Teils erhöht, sollte dies bei der Konstruktion des Teils berücksichtigt werden.

Schlussfolgerung

Der 3D-Druck in der Lebensmittelindustrie kann die Kosten und den Zeitaufwand für die Markteinführung von Produkten reduzieren. Bei Produktteilen steht jedoch die Lebensmittelsicherheit im Vordergrund. Während die meisten 3D-Drucker nicht die erforderlichen glatten Oberflächen erzeugen, können Nachbearbeitungen die Glätte der Teile verbessern. Das Auftragen von Beschichtungen auf die Teile ist der beste Weg, um eine glatte Oberfläche zu erzielen und auch eine Abdichtung zwischen dem Teil und dem Lebensmittel herzustellen.

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