Lebensmittelsicherheit im 3D-Druck: Design-Tipps, Materialien & Oberflächen

Im letzten Jahrzehnt haben sich 3D-Drucktechnologien stark weiterentwickelt und ermöglichen die Produktion konsistenter, langlebiger und komplexer Teile, die mit traditionellen Fertigungsverfahren mithalten können.

Immer mehr Branchen setzen 3D-Druck ein. Eine davon ist die Lebensmittelindustrie, die 3D-Druck in zahlreichen Anwendungen nutzt. Allerdings bestehen Bedenken hinsichtlich der Anwendung der Technologie in der Lebensmittelbranche aufgrund strenger Vorschriften, die bei der Herstellung von Lebensmittelverpackungen, Küchen-/Kochutensilien und sogar Ersatzteilen für Produktionsanlagen eingehalten werden müssen.

Faktoren für lebensmittelsicheren 3D-Druck

Lebensmittelsicher bedeutet, dass ein Artikel die Anforderungen für den vorgesehenen Verwendungszweck erfüllt und keine lebensmittelsicherheitsrelevanten Gefahren erzeugt. Die EU-Lebensmittelvorschriften gelten für alle Stufen der Produktion, Verarbeitung und Verteilung von Lebensmitteln und Futtermitteln. Die Europäische Verordnung EG 1935/2004 legt Richtlinien für Materialien und Gegenstände fest, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen, um Kontamination zu verhindern.

Generell sind drei Faktoren für lebensmittelsichere 3D-Teile entscheidend: Teiledesign, verwendete Materialien und Nachbearbeitungsbehandlungen.

Lebensmittelsicheres Teiledesign

Folgende Aspekte sind bei der Gestaltung von Produktoberflächen für lebensmittelsichere Teile zu beachten:

• Unterschnitte und Vertiefungen: Die Oberfläche muss so gestaltet sein, dass Unterschnitte oder Vertiefungen vollständig eliminiert werden. Wo diese funktionsbedingt unvermeidbar sind, muss bei Demontage des Teils leichter Zugang zu diesen Bereichen für die Reinigung bestehen.
• Abgerundete Kanten (Fasen): Kanten sollten wo möglich größere Radien aufweisen, Ecken gut abgerundet statt scharf sein.
• Stabilität: Teile müssen unter Berücksichtigung der Betriebsumgebung, der vorgesehenen Anwendung und der Materialeigenschaften so ausgelegt sein, dass sie im Einsatz nicht versagen.

Lebensmittelsichere 3D-Druckmaterialien

Viele lebensmittelsichere Materialien werden durch entsprechende Zertifizierungen nach gründlichen Tests identifiziert. Einige Materialien wie PETG und PP sind von Natur aus lebensmittelsicher. Die Anwendung muss bei der Materialwahl ebenfalls berücksichtigt werden. Beispielsweise ist PLA lebensmittelsicher, schmilzt aber bei heißen Anwendungen wie Teetassen oder in der Spülmaschine.

Im Folgenden einige Eigenschaften, die bei der Wahl eines lebensmittelsicheren 3D-Druckmaterials zu beachten sind:

• Nicht saugfähig: Nachbearbeitung wie Polieren oder Beschichten ist oft erforderlich, um eine porenfreie Oberfläche zu erhalten.
• Kratz- und verschleißfest: Gewählte Materialien müssen kratz- und verschleißfest sein.
• Keine Farb- oder Geschmacksabgabe, ungiftig: Alle lebensmittelsicheren Materialien müssen gegenüber Lebensmitteln inert sein. Natürliche Filamente ohne Zusatzfarbstoffe sind vorzuziehen. Das Sicherheitsdatenblatt (MSDS) jedes Materials muss vor Einsatz geprüft werden.

Sterilisation

Sterilisation kann ein zusätzlicher Schritt sein, um lebensmittelsichere Materialien noch sicherer zu machen. Sie kann durch verschiedene Verfahren erfolgen: Hitze, Chemikalien, Bestrahlung, Hochdruck und Filtration. Nicht alle Materialien sind jedoch sterilisierbar.

Hier werden fünf Sterilisationsarten behandelt:

• Ethylenoxid-Gas (EtO)
• Wasserstoffperoxid-Gasplasma
• Gammastrahlung
• Autoklav
• Flash-Autoklav

Lebensmittelsichere Materialien mit geeigneten 3D-Drucktechnologien

3D-Drucktechnologie	Materialien	Geeignete Sterilisationstechnik
SLS / MJF	Nylon PA 11 und Nylon PA 12	EtO, Gammastrahlung, Gasplasma, 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
Carbon DLS	CE 221, EPX 82, RPU 70	Bestrahlung, EtO, Gammastrahlung, Autoklav
Carbon DLS	FPU 50, EPU 40, SIL 30	Bestrahlung, Gammastrahlung
DMLS	Edelstahl 17.4 und Edelstahl 316L	EtO, Gammastrahlung, Gasplasma, Autoklav
SLA	True Silicone	Bestrahlung, EtO, Autoklav

Lebensmittelsicherer 3D-Druckprozess

Es gibt verschiedene 3D-Drucktechnologien für unterschiedliche Materialien – ob Kunststoff, flexibel oder Metall. Der 3D-Druckprozess umfasst sowohl die Technologie als auch die Druckmaterialien. Beides muss vor der Wahl des richtigen Prozesses berücksichtigt werden.

3D-Drucktechnologie

Stereolithografie (SLA) erzeugt Teile mit der höchsten Auflösung, Genauigkeit und glattesten Oberflächenbeschaffenheit aller 3D-Drucktechnologien. SLA verwendet Harze, die nicht lebensmittelsicher sind. Beschichtungen können nachträglich aufgetragen werden, um Bakterienansammlungen zu verhindern. Allerdings nutzen sich Beschichtungen mit der Zeit ab. SLA ermöglicht auch den Druck von Keramik, das als das lebensmittelsicherste Material gilt.

Die Besonderheit des FDM-Drucks hinterlässt sehr schmale Spalten zwischen den Schichten. Diese Technologie ist jedoch nicht für glatte Oberflächen bekannt. Für langfristige Lebensmittelsicherheit müssen Oberflächen von FDM-Teilen glatt sein. Eine lebensmittelsichere Beschichtung kann nachträglich aufgebracht werden.

Bei SLS- und MJF-Druck können Teile mit einem lebensmittelechten Typ von Nylon PA 12 gedruckt werden, um sehr hochwertige Teile zu erhalten. Lebensmittelsichere Beschichtungen sind dennoch dringend empfohlen, um die Porosität der Teile zu vermeiden.

3D-Drucker-Material

Unsichere 3D-Drucker-Materialien – also die Materialien, aus denen der Drucker selbst gefertigt ist – können zu kontaminierten Teilen führen, selbst wenn zertifizierte lebensmittelsichere Materialien verwendet werden. Es ist wichtig, dass alle Druckerkomponenten, die direkt am Druck beteiligt sind, als lebensmittelsicher zertifiziert sind.

Bei FDM-Druckern können Messingdüsen Blei enthalten, das das gedruckte Teil kontaminiert. Der Austausch gegen Edelstahldüsen macht den Druck sicherer. Daher muss das Druckermaterial gründlich geprüft werden, um sicherzustellen, dass es selbst lebensmittelsicher ist, bevor Teile damit gedruckt werden.

Lebensmittelsichere Nachbearbeitungsbehandlungen

Wie oben besprochen, benötigen viele 3D-gedruckte Teile Nachbearbeitung, bevor sie als lebensmittelsicher gelten können. Veredelungs- und Beschichtungsprozesse können angewendet werden, um eine glatte, riss- und hohlraumfreie Oberfläche zu erzielen.

Veredelung (Finishing)

Dazu gehören Prozesse zur Erzeugung glatter, ebener Oberflächen. Es gibt verschiedene Veredelungsverfahren, mechanisch oder chemisch. Folgende Verfahren eignen sich:

• Trommelpolieren: Für Teile mit hohem Metallpulveranteil ist Trommeln eine effektive Poliermethode. Die Glätte metallischer Drucke kann in nur einer Stunde exponentiell steigen, bei längerer Dauer verbessern sich die Ergebnisse weiter.
• Dampfglättung: Diese Methode ist schnell und effektiv. Der verwendete Dampf hängt vom Material des Druckteils ab. Der Prozess lässt sich leicht automatisieren. In manchen Fällen kann er jedoch die Festigkeit der Teile verringern.
• Schleifen: Eine der einfachsten Methoden zum Glätten. Dabei wird Schleifpapier verwendet. Dies kann die meisten Unvollkommenheiten beseitigen und Schichtlinien verbergen. Da Schleifen auf Reibung beruht, kann die entstehende Wärme das Teil verziehen. Nassschleifen ist daher vorzuziehen.
• Zerspanen: Dieser Prozess ist bei Metallen noch populärer als bei Kunststoffen. Er ist jedoch oft unwirtschaftlich und unpraktisch für Teile mit dünnen Wänden.

Beschichtungen (Coatings)

Der Einsatz von Beschichtungen ist ein effektiver Weg zu glatten Oberflächen. Beschichtungen in Form von Versiegelungen dichten auch nicht qualifizierte Materialien wie SLA-Harze ab. Häufig verwendete Beschichtungen sind Epoxidharze. Da Beschichtungen die Teile-Dicke erhöhen, sollte dies bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Fazit

3D-Druck in der Lebensmittelindustrie kann Kosten und Zeit bis zur Markteinführung reduzieren. Lebensmittelsicherheit ist jedoch oberstes Gebot für Produktteile. Während die meisten 3D-Drucker nicht die erforderlichen glatten Oberflächen erzeugen, können Nachbearbeitungsprozesse die Glätte verbessern. Das Aufbringen von Beschichtungen ist der beste Weg, um eine glatte Oberfläche zu erreichen und gleichzeitig eine Barriere zwischen Teil und Lebensmittel zu schaffen.

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