食品安全 3D 打印：设计技巧、材料和饰面

在过去十年中，3D 打印技术发展得非常成熟，可以生产出与传统制造方法相媲美的一致、耐用甚至复杂的零件。

越来越多的行业使用 3D 打印进行制造。其中之一是食品行业，该行业在许多应用中大量使用 3D 打印。然而，由于食品包装、厨房/炊具甚至生产设备备件的制造必须遵守严格的规定，因此该技术在食品行业的应用存在担忧。

食品安全 3D 打印需要考虑的因素

食品安全意味着物品已满足预期用途要求并且不会产生食品安全危害。欧盟食品法规适用于食品和饲料的生产、加工和分销的所有阶段。欧洲法规 EC 1935/2004 提供了用于与食品接触的材料和物体的指南，旨在防止污染。

一般来说，食品安全 3D 零件需要考虑三个因素：零件设计、使用的材料和后处理处理。

食品安全部件设计

在设计产品表面时应考虑以下因素，以使零件食品安全：

• 底切和裂缝： 表面的设计必须完全消除其表面上的底切或裂缝。如果根据功能无法避免这些特征，则在拆卸零件或产品时应该可以轻松进入这些区域，以便进行适当的清洁。
• 圆角边缘： 边缘应尽可能有较大半径的圆角，角应圆角而不是尖锐。
• 坚固性： 部件的设计应充分考虑操作环境、预期应用和材料特性，以确保它们能够承受使用中的故障。

食品安全的 3D 打印材料

许多食品安全材料是在经过全面测试后通过适当的认证确定的。众所周知，PETG 和 PP 等一些材料本质上是食品安全的。选择材料时还必须考虑应用。例如，PLA 是食品安全的，但如果用于茶杯或洗碗机等高温应用，它会融化。

以下是选择食品安全 3D 打印材料时需要考虑的一些特性：

• 不吸水： 通常需要进行抛光或涂层等后处理以提供无孔表面。
• 耐刮擦/划痕： 选择的材料必须耐刮擦和耐磨。
• 不赋予颜色或味道并且无毒： 所有食品安全材料必须对食品呈惰性。最好使用不添加色素的天然长丝。在引入材料之前，必须始终使用任何材料的材料安全数据表 (MSDS)。

杀菌

灭菌可能是使食品安全材料更加安全的额外步骤。它可以通过各种方式来完成，例如加热、使用化学品、辐照、高压和过滤。但是，并非所有材料都可以消毒。

这里介绍的五种灭菌方式是：

• 环氧乙烷气体 (EtO)
• 过氧化氢气体等离子体
• 伽马辐射
• 高压灭菌器
• 快速高压灭菌器

具有合适 3D 打印技术的食品安全材料

食品安全 3D 打印工艺

有不同的 3D 打印技术可用于不同的材料，无论是塑料、柔性还是金属。 3D打印过程涉及技术和打印机材料。在选择正确的 3D 打印工艺之前，必须同时考虑这两者。

3D 打印技术

立体光刻 (SLA) 3D 打印可生产所有 3D 打印技术中分辨率、精度和表面光洁度最高的零件。 SLA 使用不安全的树脂。之后可以使用涂层来密封部件，以防止细菌滋生。然而，涂层确实会随着时间的推移而磨损。 SLA 打印允许打印被认为是最安全的食品材料陶瓷。

FDM 打印的特殊性在层之间留下了非常狭窄的缝隙。然而，这种印刷技术在生产光滑表面方面并不为人所知。为了长期的食品安全，采用这种技术生产的零件表面需要光滑。随后仍可应用食品安全涂层。

对于 SLS 和 MJF 打印，可以使用食品级类型的 Nylon PA 12 打印零件，以获得非常高质量的零件。无论如何，强烈建议使用食品安全涂层来避免零件的孔隙率。

3D 打印机材料

不安全的 3D 打印机材料，即制造 3D 打印机本身的材料，即使使用经过认证的食品安全材料也可能导致部件受到污染。打印机的所有直接参与打印的部件都必须经过食品安全认证，这一点很重要。

对于 FDM 打印机，黄铜喷嘴可能含有铅，会污染打印部件。用不锈钢替换这些喷嘴使打印更安全。因此，在使用它们打印任何部件之前，对打印机的材料进行彻底评估以确保它们本身是食品安全的，这一点很重要。

食品安全的后加工处理

如上所述，许多 3D 打印部件需要后处理处理才能被认为是食品安全的。可对 3D 打印部件应用精加工和涂层工艺，以实现无缝隙或空隙的光滑表面。

整理

这些包括旨在生产光滑和均匀表面的工艺。有不同的精加工工艺，可以是机械的也可以是化学的。以下是可以使用的整理工艺：

• 滚筒抛光： 对于含有高比例金属粉末的零件，滚磨是一种有效的抛光方式。金属印花的平滑度可以在抛光一小时内成倍增加。抛光时间越长效果越好
• 蒸汽平滑： 这种方法快速有效。使用的蒸汽类型取决于打印部件的材料。这个过程可以很容易地自动化。但是，在某些情况下，它可能会降低打印部件的强度
• 打磨： 这是最简单的平滑方法之一。它涉及使用砂纸。这可以消除大部分瑕疵并隐藏图层线。由于打磨依赖于摩擦，因此产生的热量可能会使零件翘曲。因此最好采用湿法打磨
• 加工： 这个过程在金属上比塑料更受欢迎。但是，对于薄壁零件，它们通常既不经济也不实用。

涂料

使用涂层是获得光滑表面的有效方法。密封剂形式的涂层还可以密封不合格的材料，例如 SLA 打印中使用的树脂。常用的涂料是环氧树脂。由于涂层增加了零件的厚度，因此在设计零件时应加以考虑。

结论

食品行业的 3D 打印可以降低将产品推向市场所需的成本和时间。然而，食品安全对于产品部件来说至关重要。虽然大多数 3D 打印机不能产生所需的光滑表面，但后处理可以提高零件的光滑度。在零件上应用涂层是获得光滑表面并在零件和食物之间形成密封的最佳方法。

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