Additive Fertigung in Lebensmittelqualität:Umfassende Sicherheitsrichtlinien

Ist 3D-Druck lebensmittelecht?

Der 3D-Druck hat sich im letzten Jahrzehnt als Fertigungstechnologie weiterentwickelt und nähert sich immer mehr einer Mainstream-Fertigungstechnologie. Dies ist zum großen Teil darauf zurückzuführen, dass die 3D-Drucktechnologie immer ausgefeilter geworden ist und zu gleichmäßigeren, langlebigeren und komplexeren Drucken führt, die mit den durch Spritzguss und CNC-Bearbeitung hergestellten Gegenstücken mithalten können.

Aufgrund dieser anhaltenden Akzeptanz erwägen immer mehr Branchen den Einsatz des 3D-Drucks als Teil ihrer Fertigungsstrategie. Eine davon ist die Lebensmittelindustrie, wo Lebensmittelverpackungen, Utensilien oder Ersatzteile für Lebensmittelproduktionslinien zu wichtigen 3D-gedruckten Teilen werden können. In der Lebensmittelindustrie gelten strenge Sicherheitsvorschriften, die bei der Planung des Einsatzes einer neuen Herstellungstechnologie berücksichtigt werden müssen. In diesem Artikel wird erläutert, wie ein lebensmittelsicherer 3D-Druck entworfen und implementiert werden kann, und es werden die Verantwortlichkeiten des Kunden und des Herstellers erläutert, wenn es darum geht, sicherzustellen, dass die gedruckten Teile strenge Anforderungen erfüllen.

Was macht ein Teil lebensmittelecht?

Um ein Teil lebensmittelecht zu machen, ist es wichtig, die relevanten Vorschriften in der Region zu prüfen, in der das Teil vertrieben oder verwendet werden soll. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die Herausforderungen bei der Implementierung eines lebensmittelsicheren 3D-Drucks, indem die Analyse auf den 3-A-Hygienestandards basiert, die entwickelt wurden, um Unternehmen bei der Einhaltung der FDA- und USDA-Vorschriften zu unterstützen. Im Allgemeinen bestimmen drei Faktoren, ob ein Teil für die Verwendung mit Lebensmitteln geeignet ist:sein Design, die verwendeten Materialien und der Herstellungsprozess.

1. Lebensmittelsicheres 3D-Druckdesign

Im Hinblick auf die Lebensmittelsicherheit werden die Teile gemäß den 3-A-Hygienestandards in zwei Kategorien eingeteilt:

1. Produktkontaktflächen - „Im Wesentlichen jede Teiloberfläche, die dem Produkt ausgesetzt ist, sowie jede Oberfläche, auf die andere Lebensmittelmaterialien spritzen oder auf das Produkt tropfen können.“ Kurz gesagt, jede Oberfläche des Teils, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen kann.
2. Nicht produktberührende Oberflächen - „Jede Teiloberfläche, die nicht mit dem Produkt oder Bereichen wie strukturellen Stützen oder anderen externen Komponenten in Kontakt kommt.“ Kurz gesagt handelt es sich hierbei um jede Oberfläche des Teils, die nicht mit Lebensmitteln in Berührung kommt.

Bei der Bewertung eines Bauteils für den lebensmittelechten 3D-Druck ist es wichtig, sich auf die Produktkontaktflächen zu konzentrieren. Nachfolgend sind einige wichtige Punkte aufgeführt, die in der Entwurfsphase berücksichtigt werden müssen.

• Frei von Spalten oder Hohlräumen - Teile sollten keine Spalten oder Hohlräume aufweisen. Dadurch entstehen Bereiche, die nicht ausreichend gereinigt werden können und somit Bakterienwachstum ermöglichen. Sind solche Hohlräume für die Funktionalität des Artikels notwendig, sollten die Bereiche im zerlegten Zustand des Geräts leicht zugänglich sein, damit sie regelmäßig gereinigt werden können.
• Glatte Ecken und Radien - Es ist wichtig, alle scharfen Ecken in einem Design zu eliminieren und stattdessen, wo immer möglich, Abrundungen mit großem Radius zu verwenden. Scharfe Ecken sind schwer zu reinigen und sollten daher vermieden werden.
• Robustheit - Teile in Lebensmittelqualität müssen robust genug sein, um der vorgesehenen Anwendung standzuhalten, ohne zu zerfallen, zu korrodieren oder zu reißen. Jeder dieser Fehlermodi kann Bereiche schaffen, in denen Bakterien wachsen können. Im Allgemeinen können 3D-gedruckte Teile und Materialien bei richtiger Konstruktion Korrosion und Ausfällen standhalten.

2. Additive Materialien für lebensmittelechten 3D-Druck

Ein weiterer entscheidender Faktor für die Lebensmittelsicherheit von Teilen ist das Material. Nachfolgend sind einige wichtige materialspezifische Faktoren aufgeführt, die Produktdesigner berücksichtigen sollten.

• Nicht kontaminierend und ungiftig - Das Grundmaterial sowie etwaige Nachbearbeitungszusätze wie Farbstoffe oder Beschichtungen müssen lebensmittelecht sein. Bei 3D-gedruckten Kunststoffen ist es möglich, dass das Grundmaterial zunächst lebensmittelecht ist, durch Pigmente und andere Zusatzstoffe jedoch unsicher wird. Es ist wichtig, das Materialsicherheitsdatenblatt (MSDS) für alles zu konsultieren, was in dem Artikel enthalten sein wird.
• Korrosionsbeständig - Ein Schlüsselfaktor für die Aufrechterhaltung einer glatten und sauberen Oberfläche ist die Wahl eines inerten oder korrosionsbeständigen Materials. Einige Beispiele für korrosionsbeständige Materialien für den lebensmittelechten 3D-Druck sind Kunststoffe wie Polycarbonat oder Polypropylen und Metalle wie Edelstahl. Eine korrodierte Oberfläche kann zum Nährboden für Bakterien werden, da sie schwieriger ausreichend zu reinigen ist. Auch Reinigungschemikalien müssen berücksichtigt werden.
• Glatt, nicht porös und nicht absorbierend - Für lebensmittelechte 3D-Druckprodukte sollte ein Oberflächenprofil von 32 Ra oder besser erreicht werden. Die meisten 3D-Drucktechnologien bauen Teile Schicht für Schicht auf. Jede dieser Schichten bildet an ihren Schnittstellen mikroskopisch kleine Spalten, in denen sich Lebensmittel sammeln und das Wachstum gefährlicher Bakterien fördern können. Poröse und saugfähige Materialien sind schwer zu reinigen und fördern daher das Bakterienwachstum. Dies ist eine der größten Herausforderungen beim lebensmittelechten 3D-Druck und erfordert oft nachträgliches Polieren oder lebensmittelechte Beschichtungen, um eine porenfreie, glatte Oberfläche zu schaffen.

Welche 3D-gedruckten Materialien sind sterilisierbar?

Es ist wichtig zu verstehen, dass sterilisierbar nicht unbedingt lebensmittelecht bedeutet. Sterilisierbar bedeutet einfach, dass das Material effektiv von allen Bakterien befreit werden kann. Allerdings können die oben genannten Faktoren darüber entscheiden, ob das Teil letztendlich lebensmittelecht ist. Ein Beispiel hierfür in der folgenden Liste ist ABS; Es ist zwar sterilisierbar, aber nicht lebensmittelecht. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung verschiedener sterilisierbarer 3D-Druckmaterialien.

Sterilisierbare 3D-gedruckte Materialien

Prozess Material Sterilisationsmethode Überlegungen

Prozess

SLS / HP MJF

Material

Nylon 11 oder 12

Sterilisationsmethode

Chemie, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Dampfautoklav

Überlegungen

Feuchtigkeitsaufnahme, matte Oberfläche

Prozess

FDM

Material

ABS-M30i

Sterilisationsmethode

EtO, Gamma

Überlegungen

Lücken und Spalten in der Oberfläche

Prozess

FDM

Material

PC-ISO

Sterilisationsmethode

EtO, Gamma

Überlegungen

Lücken und Spalten in der Oberfläche

Prozess

FDM

Material

ULTEM

Sterilisationsmethode

EtO, Gamma, Dampfautoklav

Überlegungen

Lücken und Spalten in der Oberfläche

Prozess

Carbon DLS

Material

CE, EPX, RPU

Sterilisationsmethode

Elektronenstrahlbestrahlung, EtO, Gamma, Dampfautoklav

Überlegungen

Begrenzte Zyklen oder geringfügige Änderungen der mechanischen Eigenschaften

Prozess

Carbon DLS

Material

FPU, EPU, SIL

Sterilisationsmethode

Elektronenstrahlbestrahlung, Gamma

Überlegungen

Begrenzte Zyklen oder geringfügige Änderungen der mechanischen Eigenschaften

Prozess

DMLS

Material

Edelstahl 17-4PH oder 316L

Sterilisationsmethode

Chemie, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Dampfautoklav

Überlegungen

Matte Oberfläche

Liste der sterilisierbaren Materialien

3. Fertigungstechnik

Um einen lebensmittelsicheren 3D-Druck zu erreichen, müssen auch die Herstellungstechnik und der Herstellungsprozess sorgfältig ausgewählt werden.  Im Folgenden finden Sie zwei Überlegungen zur Auswahl des richtigen 3D-Druckverfahrens:

3D-Drucktechnologie - Es ist wichtig, die richtige 3D-Drucktechnologie für das jeweilige Projekt auszuwählen. Im Allgemeinen erzeugen Fused Deposition Modeling (FDM)-Maschinen Teile mit raueren Oberflächenbeschaffenheiten, während Stereolithographie (SLA) und selektives Lasersintern (SLS) glattere Oberflächen erzeugen können. Diese Entscheidungen müssen jedoch im Zusammenhang mit der Materialauswahl, dem Teiledesign und der Nachbearbeitung der Oberflächenbeschaffenheit getroffen werden, die wir im nächsten Abschnitt besprechen.

Materialien des 3D-Druckers - Wenn das zu bedruckende Material als lebensmittelecht eingestuft ist und das Oberflächenprofil die richtige Glätte aufweist, kann einem Teil dennoch die Einstufung als lebensmittelecht verweigert werden, wenn die Maschine, auf der es gedruckt wird, nicht lebensmittelecht ist. Ein Beispiel hierfür wäre eine Messingdüse an einer FDM-Maschine, die Spuren von Blei oder Schmiermitteln enthalten kann, die für die mechanischen Komponenten verwendet werden und nicht lebensmittelecht sind.

Video:Additive Fertigung in der Lebensmittelindustrie (3-A SSI Virtual Education Program, 2021)

Begleiten Sie Greg Paulsen bei seiner Einführung in die verschiedenen 3D-Druckverfahren und wo sie in der Lebensmittelindustrie und Lebensmittelverarbeitung eingesetzt werden können. Greg erkundet die Stärken des 3D-Drucks und gibt gleichzeitig einen offenen Einblick in die Herausforderungen bei der Qualifizierung von Drucken für hygienisches Design. Dazu gehört eine Übersicht über Materialien, die sterilisiert werden können, sowie neuartige Oberflächenveredelungen wie die chemische Dampfglättung.

Welche Oberflächenveredelungen können ein 3D-gedrucktes Teil lebensmittelecht machen?

3D-gedruckte Teile im bearbeiteten Zustand können Oberflächenbeschaffenheiten mit einer Rauheit aufweisen, die nicht dem von den 3-A Sanitary Standards festgelegten Mindeststandard für die Oberflächenrauheit von 32 Ra entspricht. Um bei der Oberflächenveredelung eine Oberflächenglätte zu erreichen, die keine kleinen Taschen für das Wachstum von Bakterien enthält und die sich leicht reinigen lässt, kann ein Teil Nachbearbeitungen wie mechanischer Veredelung und Oberflächenbeschichtungen unterzogen werden.

Mechanische und chemische Endbearbeitung

Um die Oberflächenrauheit von Teilen, die für den Lebensmittelgebrauch bestimmt sind, zu verringern, ist es möglich, bestimmte Materialien mit mechanischen Methoden zu glätten. Während Metallteile gut auf Polieren reagieren, können einige Kunststoffe geschliffen, gewalkt oder maschinell bearbeitet werden, um ihre Oberflächen zu verbessern.  

1. Schleifen - Mit Schleifscheiben können Material abgetragen und Oberflächen geglättet werden. Dies ist jedoch für komplexe Geometrien nicht ideal, da beim Schleifen nur zylindrische oder ebene Bereiche erreicht werden können.
2. Stolpern - Trommeln kann als Methode zum Glätten von Teilen eingesetzt werden. Allerdings sind komplexe Innengeometrien, ähnlich wie beim Schleifen, für diese Methode nicht gut geeignet, da Innenecken und andere Merkmale für das Schleifmedium möglicherweise unzugänglich sind.
3. Bearbeitung - Die maschinelle Bearbeitung kann sowohl bei mit Kunststoff als auch mit Metall bedruckten Teilen durchgeführt werden, um glatte Oberflächen zu erzeugen. Obwohl dies eine Option ist, ist sie möglicherweise nicht praktikabel oder wirtschaftlich zu skalieren und funktioniert bei dünnwandigen Teilen oft nicht gut. 
4. Polieren - Zum Glätten metallischer Teile können verschiedene Polierverfahren eingesetzt werden. Das Polieren kann als manueller Prozess mit progressiven Schleiftechniken oder durch Elektropolieren (für Metalle) erfolgen. 
5. Dampfglättung - Mit diesem Verfahren können einige Kunststoffteile geglättet werden, indem man sie Lösungsmitteldämpfen aussetzt. Außenkanten und -merkmale werden chemisch geschmolzen und wieder versiegelt, wodurch eine glattere Oberfläche entsteht. Der Prozess glättet und entfernt jedoch möglicherweise nicht alle möglichen inneren Hohlräume oder Spalten zuverlässig. Erfahren Sie mehr über die chemische Dampfglättung.

Dabei ist zu beachten, dass es bei einigen Materialien und Verfahren selbst mit den oben genannten Verfahren schlichtweg nicht möglich ist, eine lebensmittelechte Oberflächenveredelung zu erzielen. Lebensmittelsicheres Produktdesign beginnt mit dem Design, dem Material und dem Herstellungsprozess; Sobald diese richtig ausgewählt sind, kann die mechanische Veredelung dazu beitragen, dass lebensmittelechte Produkte Sicherheitsstandards erreichen.

Beschichtungen

Wenn eine mechanische Nachbearbeitung nicht möglich oder kostengünstig ist, besteht die Möglichkeit, nicht qualifizierte Teile mit einer lebensmittelechten Beschichtung zu beschichten und so einen lebensmittelechten 3D-Druck zu ermöglichen. Diese Beschichtungen können alles von Epoxidharz in Lebensmittelqualität bis hin zu Polyurethan umfassen. Sie glätten effektiv die Oberfläche, indem sie alle Lücken und Hohlräume ausfüllen und eine undurchdringliche, lebensmittelechte Versiegelung zwischen dem Teil und den Lebensmitteln schaffen. Es ist wichtig, dass diese Beschichtungen frei von typischen Beschichtungsfehlern sind (Probleme wie Blasenbildung, Delaminierung und Lochfraß, um nur einige zu nennen). Diese Beschichtungen sollten auch mit allen Reinigungsmitteln kompatibel sein, die zur regelmäßigen Reinigung des im Betrieb befindlichen Teils verwendet werden sollen.

So entwerfen Sie lebensmittelechte 3D-gedruckte Teile

Der lebensmittelechte 3D-Druck hängt von vielen Faktoren ab. Zusammengenommen helfen Materialien, Design, Herstellungsmethode und Anwendung einer Zertifizierungsstelle dabei, festzustellen, ob ein Produkt allen Sicherheitsstandards entspricht. Obwohl Xometry nicht garantieren kann, dass ein Produkt lebensmittelecht ist, kann unser Team aus Anwendungstechnikern Ihnen fachkundige Beratung dazu bieten, welche Materialien, Designprinzipien und Herstellungstechniken Sie auf den bestmöglichen Weg bringen, das erforderliche Maß an Lebensmittelsicherheit zu erreichen. Xometry bietet über seinen On-Demand-3D-Druckservice acht verschiedene additive Fertigungstechnologien an. Um mehr über die Möglichkeiten einer lebensmittelechten 3D-Druckfertigung zu erfahren, kontaktieren Sie noch heute einen Xometry-Vertreter.

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Greg Paulsen

Als Senior Solutions Engineer und Business Development Leader bei Xometry arbeitet Greg Paulsen an der Schnittstelle von Technik und Wachstum. Er entwickelt Design-for-Manufacturing-Ressourcen, berät bei komplexen kundenspezifischen Fertigungsprojekten und unterstützt Unternehmen beim Übergang vom Prototyp zur Produktion. Greg arbeitet eng mit Kunden zusammen, um die richtigen Fertigungslösungen basierend auf den Projektanforderungen zu identifizieren – von Kleinserien-Prototypen bis hin zur Großserienfertigung – in den Bereichen CNC-Bearbeitung, additive Fertigung, Blech, Urethanguss und Spritzguss.

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