3D打印食品安全专家指南：设计技巧、材料选择与表面处理

过去十年，3D打印技术日趋成熟，能生产出与传统制造方法媲美的一致、耐用甚至复杂的零件。

越来越多行业采用3D打印制造。食品行业便是其中之一，广泛应用3D打印于多个场景。然而，因食品包装、厨房/烹饪用具甚至生产设备备件制造须遵守严格法规，该技术在食品行业的应用仍存担忧。

食品安全3D打印的考量因素

食品安全意指物品满足预期用途要求，不会产生食品安全隐患。欧盟食品法规适用于食品和饲料生产、加工和分销的所有阶段。欧洲法规EC 1935/2004为接触食品的材料和物品提供指导方针，旨在防止污染。

通常，食品安全3D零件需考虑三大因素：零件设计、所用材料和后处理处理。

食品安全零件设计

为使零件达到食品安全，设计产品表面时需考量以下要点：

• 凹槽和缝隙： 表面设计须彻底消除凹槽或缝隙。若因功能无法避免，拆卸零件时应便于清洁这些区域。
• 圆角边缘： 边缘应尽可能采用较大半径圆角，棱角应圆滑而非尖锐。
• 坚固性： 设计零件时应充分考虑工作环境、预期应用和材料特性，确保其在服役中不发生破损。

食品安全3D打印材料

许多食品安全材料经彻底测试后通过相应认证识别。如PETG和PP等材料本身即为食品安全。应用场景也影响材料选择。例如PLA虽属食品安全，但用于茶杯或洗碗机等高温场景会熔化。

选择食品安全3D打印材料时需考量以下属性：

• 非吸附性： 常需抛光或涂层等后处理以获得无孔表面。
• 抗划伤/刻痕： 所选材料须耐划耐磨。
• 不迁移颜色或气味且无毒： 所有食品安全材料必须对食品惰性。优选无添加色素的天然丝材。使用前必须查阅材料安全数据表（MSDS）。

灭菌

灭菌可作为让食品安全材料更安全的额外步骤。可通过热力、化学品、辐照、高压和过滤等多种方式实现。但并非所有材料都可灭菌。

此处涵盖五种灭菌方式：

• 环氧乙烷气体 (EtO)
• 过氧化氢气体等离子体
• 伽马射线
• 高压蒸汽灭菌
• 快速高压蒸汽灭菌

食品安全材料与适用3D打印技术

食品安全3D打印工艺

针对塑料、柔性或金属等不同材料，有不同3D打印技术可用。3D打印工艺涵盖技术和打印材料，选择前须两者兼顾。

3D打印技术

光固化立体成型（SLA）在所有3D打印技术中分辨率最高、精度最好、表面最光滑。SLA使用树脂，树脂本身非食品安全。事后可用涂层密封零件防止细菌滋生，但涂层会随时间磨损。SLA可打印陶瓷，被视为最食品安全的材料。

FDM打印的特性会在层间留下极窄缝隙。但该技术不以生产光滑表面著称。为长期食品安全，该技术生产的零件表面需光滑，后续仍可涂覆食品安全涂层。

SLS和MJF打印可使用食品级尼龙PA 12获得高质量零件。但仍强烈建议使用食品安全涂层以避免零件多孔性。

3D打印机材料

不安全的3D打印机材料（即制造打印机本身的材料）即使使用认证食品安全材料，也可能导致零件污染。直接参与打印的打印机所有部件必须认证为食品安全。

FDM打印机的黄铜喷嘴可能含铅，污染打印件。更换为不锈钢喷嘴可提高安全性。因此，在打印任何零件前，必须彻底评估打印机材料本身是否食品安全。

食品安全后处理处理

如前所述，许多3D打印零件需后处理处理才能视为食品安全。精加工和涂层工艺可应用于3D打印零件，以获得无缝隙或空隙的光滑表面。

精加工

旨在生产光滑均匀表面的工艺。精加工分机械和化学两类。可用的精加工工艺包括：

• 滚筒抛光： 对含高比例金属粉末的零件，滚筒抛光是有效方式。仅1小时抛光即可指数级提升金属打印件光滑度，时间越长效果越好。
• 蒸汽熔平： 该方法快速有效。所用蒸汽类型取决于打印件材料。易于自动化。但某些情况下可能降低打印件强度。
• 打磨： 最简单的光滑化方式之一。使用砂纸可去除大部分瑕疵并隐藏层纹。因打磨依赖摩擦产热可能导致零件变形，湿打磨更佳。
• 机加工： 金属比塑料更常用此工艺。但对于薄壁零件往往不经济且不切实际。

涂层

使用涂层是获得光滑表面的有效方式。密封剂形式的涂层还能密封SLA打印用树脂等不合格材料。常用涂层为环氧树脂。涂层会增加零件厚度，设计时应考虑。

结语

食品行业的3D打印可降低推向市场的成本和时间。但零件食品安全至关重要。虽然大多数3D打印机无法生产所需光滑表面，但后处理可增强零件光滑度。在零件上涂覆涂层是获得光滑表面并建立零件与食品间隔离层的最佳方式。

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