Technologia druku 3D oferuje niespotykane do tej pory możliwości tworzenia kształtów i części jedynych w swoim rodzaju, które nie mogłyby być wytworzone lub byłyby nieekonomiczne w wytwarzaniu za pomocą tradycyjnych metod.
Zalety wytwarzania metodą druku 3D są niewątpliwe, jednak w przypadku wytwarzania rzeczy przeznaczonych do kontaktu z żywnością, należy stosować się do obowiązujących zasad dotyczących zdrowia aby uniknąć kontaktu z toksycznymi związkami oraz zapobiec zbieraniu się bakterii.
W tym artykule poruszę kwestie bezpieczeństwa w kontakcie z żywnością, ogólne zasady wytwarzania elementów metodą druku 3D, które będą miały kontakt z żywnością, omówię powszechnie stosowane technologie druku 3D oraz sposoby bezpiecznego dla żywności drukowania elementów 3D.
1. Co to dokładnie znaczy “wydruki 3d bezpieczne w kontakcie z żywnością”?
2. Ogólne zasady bezpieczeństwa dla wydruków 3D które będą miały kontakt z żywnością.
3. Technologie druku 3D do żywności.
4. Bezpieczne dla żywności drukowanie elementów 3D w technologii FFF / FDM.
5. Podsumowanie oraz literatura.
1. Co to dokładnie znaczy “wydruki 3d bezpieczne w kontakcie z żywnością”?
Klasa spożywcza (Food Grade) oznacza, że materiał jest albo bezpieczny do spożycia przez ludzi, albo dopuszczony do kontaktu z żywnością.
Bezpieczny dla żywności (Food Safe) oznacza, że materiał spożywczy spełnia wymagania określone przez zamierzone zastosowanie i nie stwarza zagrożenia dla bezpieczeństwa żywności.
Powierzchnie mające kontakt z żywnością (Food contact surfaces) obejmują każdą powierzchnię, która może mieć bezpośredni kontakt z żywnością. Powierzchnie te muszą być wykonane z materiałów nietoksycznych i zaprojektowane tak, aby były odporne na środowisko ich przeznaczenia, w tym na działanie związków czyszczących, środków odkażających i procedur czyszczenia.
Klasyfikacja żywności i bezpieczeństwo żywności dotyczą specyficznego sposobu spożywania części, zwanego migracją. Cząsteczki o wielkości zaledwie kilku nanometrów i nawet kilkuset nanometrów mogą się przenosić za każdym razem, gdy różne materiały zetkną się ze sobą, na przykład z elementów drukarki 3D do drukowanego obiektu 3D, a z obiektu do żywności.
Ponieważ poziomy migracji są bardzo niskie w przypadku sporadycznego kontaktu, klasyfikacja żywności zazwyczaj dotyczy przedmiotów, które mają długotrwały kontakt z żywnością, takich jak pojemniki, słomki, przybory, talerze i pleśnie do żywności. Różne instytucje badawcze będą stosować się do różnych tolerancji ryzyka narzuconych przez rząd i zatwierdzonych substancji, które w USA są opisane w FDA CFR 21, a w UE w wytycznych 10/2011.
Aby materiał mógł być uważany za bezpieczny dla żywności zgodnie z Kodeksem Żywności FDA, musi spełniać następujące wymagania:
- Brak migracji szkodliwych substancji
- Nie nadaje kolorów, zapachów ani smaków
- Bezpieczny w normalnych warunkach użytkowania
- Trwały, odporny na korozję i nienasiąkliwy
- Waga wystarczająca, aby wytrzymać wielokrotne zmywanie mechaniczne
- Wykończone, aby mieć gładką, łatwą do czyszczenia powierzchnię bez pęknięć i ostrych kątów wewnętrznych
- Odporny na wżery, odpryski, spękania, zarysowania, zadrapania, zniekształcenia i rozkład
- Dostępny do wglądu
Każdy materiał zatwierdzony przez FDA lub UE obejmuje nie tylko surowy polimer, ale także dodatki. Mogą zawierać takie składniki jak plastyfikatory, modyfikatory udarności i odkształcenia cieplnego, stabilizatory UV, uniepalniacze, przeciwporostowe, antystatyczne, antypoślizgowe, pieniące i klarujące, przeciwutleniacze, zarodki aromatyczne, stopy węgla, środki fosforyzujące, wypełniacze, zagęszczacze, przedłużacze łańcucha, dezaktywatory metali, barwniki i żywica nośnikowa.
2. Ogólne zasady bezpieczeństwa dla wydruków 3D które będą miały kontakt z żywnością.
Gromadzenie się bakterii
Wydrukowana w 3D część może zamienić się w szalkę Petriego pełną bakterii w ciągu kilku tygodni. Nawet jeśli niektóre materiały przetrwają w zmywarce, tak samo niebezpieczne bakterie, takie jak E. coli i salmonella, żyjące w małych zakamarkach. Niektóre toksyczne pleśnie znajdują korzystne warunki wzrostu na kilku rodzajach plastiku i są trudne do usunięcia. Ani czyszczenie wybielaczem, ani podgrzewanie polimerów w kuchence mikrofalowej nie pozwala wyeliminować zarazków.
Chociaż gromadzenie się bakterii może nie stanowić problemu w przypadku przedmiotów jednorazowych, jeśli planujesz stworzyć część do długotrwałego użytku, zdecydowanie zaleca się stosowanie powłoki bezpiecznej dla żywności.
Powłoki i uszczelniacze bezpieczne dla żywności
Najlepszą opcją zmniejszenia ryzyka migracji cząstek i gromadzenia się bakterii jest powlekanie przez zanurzenie drukowanych części 3D żywicą epoksydową lub poliuretanową klasy spożywczej, taką jak EP42HT-2FG lub ArtResin firmy Masterbond lub zatwierdzonym przez FDA PTFE (znanym jako Teflon®). uszczelnić ich powierzchnię.
Należy jednak pamiętać, że powłoka nie gwarantuje również bezpieczeństwa żywności w przypadku długotrwałego użytkowania, ponieważ nie wszystkie z tych powłok można myć w zmywarce i mogą z czasem ulegać degradacji, odsłaniając oryginalną, potencjalnie niebezpieczną powierzchnię.
Bezpieczeństwo zmywarki
Większość materiałów do drukowania 3D ma niską temperaturę ugięcia pod wpływem ciepła (HDT), co oznacza, że drukowane części 3D mogą stać się kruche i pękać lub odkształcać się i wypaczać w podwyższonych temperaturach. Jeśli planujesz umyć część z nadrukiem 3D w zmywarce, upewnij się, że materiał nadaje się do mycia w zmywarce i czy istnieją konkretne zalecenia dotyczące temperatury zmywania.
Sprzęt bezpieczny dla żywności
Ponieważ cząsteczki mogą migrować z komponentów drukarki 3D do drukowanych części 3D, ważne jest, aby wszelkie komponenty, które mogą mieć kontakt z materiałem do drukowania 3D lub częścią, były przeznaczone do kontaktu z żywnością i nie zawierały ani nie wypłukiwały szkodliwych chemikaliów.
Obejmuje to podjęcie środków ostrożności podczas korzystania z wielu materiałów, ponieważ niektóre materiały używane wcześniej w drukarce 3D mogły zawierać toksyczne cząsteczki i miały kontakt z niektórymi komponentami.
Materiały do druku 3D bezpieczne dla żywności
Wiele materiałów do drukowania 3D nie jest bezpiecznych dla żywności i może zawierać toksyczne chemikalia. Do drukowania 3D części przeznaczonych do kontaktu z żywnością używaj wyłącznie materiałów posiadających certyfikat bezpieczeństwa żywności.
Czas kontaktu z żywnością
Jak można się spodziewać, ryzyko migracji jest wyższe, jeśli żywność jest wystawiona na część wydrukowaną w 3D przez dłuższy czas. Ogólnie rzecz biorąc, staraj się ograniczać czas kontaktu z żywnością i podejmuj dalsze środki ostrożności w przypadku części, które będą miały kontakt z żywnością przez dłuższy czas.
Wykorzystanie druku 3D do tworzenia elementów mających kontakt z żywnością
Zastanów się, dlaczego chciałbyś użyć druku 3D dla artykułu przeznaczonego do kontaktu z żywnością. Jeśli chodzi o tworzenie niestandardowych kształtów i form, w większości przypadków istnieją pośrednie sposoby wykorzystania druku 3D do tworzenia tych niestandardowych części, na przykład za pomocą formowania (odlewania na zimno).
3. Technologie druku 3D do żywności.
Technologie druku 3D oberjmują trzy podstawowe metody, stosowane powszechnie i ogólnodostępne. Są to:
- Stereolithography (SLA)
- Selective Laser Sintering (SLS)
- Fused Deposition Modeling (FDM)
4. Bezpieczne dla żywności drukowanie elementów 3D w technologii FFF / FDM.
Bezpieczny dla żywności druk 3D z modelowaniem topionego osadzania (FDM)
FDM to proces drukowania 3D, który tworzy części poprzez topienie i wytłaczanie termoplastycznego włókna, które dysza drukuje warstwa po warstwie w obszarze roboczym.
Wytłaczany materiał ma okrągły przekrój, co pozostawia bardzo wąskie szczeliny pomiędzy warstwami o głębokości wprost proporcjonalnej do wysokości warstwy. W każdym przypadku zaleca się drukowanie na najniższej możliwej wysokości warstwy dla części bezpiecznych dla żywności.
W związku z tym głównym wyzwaniem związanym z częściami FDM jest zapobieganie gromadzeniu się bakterii. Aby być naprawdę bezpiecznym dla żywności na dłuższą metę, druk 3D FDM musi mieć gładką powierzchnię. Wygładzanie chemiczne rozpuszczalnikami, takimi jak aceton, d-limonen lub octan etylu, usuwa wiele nieregularności wydruku, zapewniając gładki, błyszczący wygląd. Jednak nadal zaleca się nakładanie kolejnej powłoki bezpiecznej dla żywności.
Filamenty przeznaczone do kontaktu z żywnością nie zawierają żadnych cząstek kompozytowych, więc nie powodują ścierania dyszy w druku. Niemniej jednak należy unikać mosiężnych dysz zawierających ołów i stosować zamiast nich specjalną dyszę ze stali nierdzewnej do wszystkich artykułów mających kontakt z żywnością.
Zawsze sprawdzaj kompatybilność komponentów drukarki 3D z filamentem. Na przykład PEI jest materiałem zgodnym z wymogami FDA i oferującym duże korzyści mechaniczne, ale musi być przetwarzany w temperaturze powyżej 300 °C, co wymaga specjalnego rozwiązania w zakresie drukarki.
Materiały FDM bezpieczne dla żywności (filamenty bezpieczne dla żywności)
Najczęstsze pytania dotyczące bezpieczeństwa żywności FDM dotyczą dwóch popularnych materiałów. Czy żywność PLA jest bezpieczna? Czy żywność ABS jest bezpieczna? Odpowiedź brzmi, to zależy.
Bezpieczne dla żywności filamenty do druku 3D obejmują PLA, PP, kopoliester, PET, PET-G, HIPS i nylon-6, a także niektóre marki ABS, ASA i PEI. Konieczność przepuszczania części przez zmywarkę wyklucza PET, nylon i PLA, ponieważ te tworzywa sztuczne miękną i odkształcają się w temperaturze około 60–70 °C. Do zastosowań związanych z gorącymi cieczami najbardziej odpowiednie są kopoliester, wysokotemperaturowy PLA lub PEI.
Chociaż nie ma to odzwierciedlenia w przepisach, niektóre badania podejrzewają, że polistyren może wypłukiwać styren, kopoliestry mogą powodować problemy zdrowotne, a włókna FDM klasy spożywczej mogą stracić swój status bezpieczeństwa z powodu utleniania i degradacji termicznej w procesie drukowania.
| FILAMENT | Marka | Uzyskane | zezwolenia | Możliwość wygładzania | Bezpieczny w zmywarce | Gorące płyny | |
| FDA | EU | ||||||
| ABS | Adwire PRO | Approved | NA | Tak, acetone | Tak | Tak | |
| Innofil3D | Approved except red, orange, and pink | Approved except red, orange, and pink | Tak, acetone | Tak | Tak | ||
| ASA | Innofil3D | NA | Compliant | Tak | Nie | ||
| Bendlay | Orbi-Tech | NA | Compliant | Tak, brake cleaner | Nie | Nie | |
| Biocompound | Extrudr GreenTEC | NA | Compliant | ||||
| Co-Polyester | Colorfabb XT | Approved | Compliant | Nie | Tak | Tak | |
| HIPS | Easyfil | Compliant | Compliant | Tak, d-limonene | Tak | Nie | |
| Fillamentum | NA | Compliant | Tak, d-limonene | Tak | Nie | ||
| Innofil3D | Approved | Approved | Tak, d-limonene | Tak | Nie | ||
| Nylon | Taulman Nylon 680 | Compliant | NA | Nie | Nie | ||
| PEI | ULTEM® 1000 | Compliant | NA | Tak | Tak | ||
| PET | InNiePet EPR | Approved except red and orange | Approved except red and orange | Tak, ethyl acetate | Nie | Nie | |
| Refil | Approved | NA | Tak, ethyl acetate | Nie | Nie | ||
| Taulman T-Glase | Approved | NA | Tak, ethyl acetate | Nie | Nie | ||
| Verbatim | Compliant | NA | Tak, ethyl acetate | Nie | Nie | ||
| PET-G | Extrudr MF | NA | Approved | Tak, ethyl acetate | Nie | Nie | |
| HDGlass | Approved | Approved | Tak, ethyl acetate | Nie | Nie | ||
| PLA | Filaments.ca TrueFS | Approved | NA | Nie | Nie | Nie | |
| Fillamentum | NA | Compliant | Nie | Nie | Nie | ||
| Innofil3D | Approved except red, orange, pink, apricot skin, grey, and magenta | Approved except red, orange, pink, apricot skin, grey, and magenta | Nie | Nie | Nie | ||
| Copper3D PLActive Antibacterial | Approved | Compliant | Nie | Nie | Nie | ||
| Makergeeks | Approved | NA | Nie | Nie | Nie | ||
| Purement Antibacterial | Approved | Approved | Nie | Nie | Nie | ||
| PLA-HT | Makergeeks Raptor | Approved | NA | Nie | Tak | Tak | |
| Makergeeks Raptor | Approved | NA | Nie | Tak | Tak | ||
| PP | Centaur | Compliant | Compliant | Nie | Tak | Tak | |
| Innofil3D | Approved | Approved | Nie | Tak | Tak | ||
| Nunus | Compliant | Compliant | Nie | Tak | Tak | ||
| Verbatim | Compliant | NA | Nie | Tak | Tak | ||
| SBS | Filamentarno | NA | Approved only in Russia | Tak, d-limonene | Tak | Tak |
Więcej materiałów można znaleźć tu: https://all3dp.com/2/food-safe-filament-brands-compared/
Różnica między Approved a Compliant jest taka, że Approved (Zaakceptowany) jest materiał, który dana organizacja (FDA) zatwierdziła jako bezpieczny dla żywności, a Compliant (zgodny z normą) jest materiał, którego producent lub działające w jego imieniu zewnętrzne ciało notyfikujące uznało, że produkt spełnia wymagania normy.
Podsumowanie i literatura
Bezpieczeństwo żywności dzięki drukowi 3D nie jest prostą sprawą, która sprowadza się do jednoznacznej odpowiedzi tak lub nie. Produkcja drukowanych części 3D do artykułów mających kontakt z żywnością wymaga starannego rozważenia zagrożeń w zależności od ich przeznaczenia.
Literatura i więcej informacji:
Risk Assessment of 3D Printers and 3D Printed Products
The Tricky Business of Choosing Plastic for Food Contact Applications
Żródła:
https://formlabs.com/blog/guide-to-food-safe-3d-printing/#fdm
https://all3dp.com/2/food-safe-filament-brands-compared/
https://ultimaker.com/learn/what-is-fff-fused-filament-fabrication-technology-for-3d-printing
