食品级增材制造：综合安全指南

3D 打印食品安全吗？

过去十年，3D打印作为一种制造技术已经日趋成熟，正在一步步成为主流制造技术。这在很大程度上是因为 3D 打印技术变得更加复杂，可以打印出更加一致、耐用和复杂的打印件，与注塑和 CNC 加工制造的打印件相匹配。

随着这种持续的接受度，越来越多的行业正在探索使用 3D 打印作为其制造战略的一部分。其中之一是食品行业，食品包装、器具或食品生产线的备件都可以成为重要的3D打印零件。食品行业有严格的安全规定，在计划使用新的制造技术时必须考虑这一点。本文将讨论如何设计和实施食品安全3D打印，并明确客户和制造商在确保打印部件满足严格要求方面的责任。

什么使零件食品安全？

为了确保零件食品安全，重要的是要审查该零件分销或使用地区的相关法规。本节将根据 3-A 卫生标准进行分析，重点关注实施食品安全 3D 打印所面临的挑战，该标准旨在帮助公司遵守 FDA 和 USDA 法规。一般来说，决定零件是否可以安全用于食品的三个因素是：设计、使用的材料和制造工艺。

1。食品安全 3D 打印设计

在食品安全方面，零件按照3-A卫生标准分为两类：

1. 产品接触面 - “基本上是暴露于产品的任何部件表面，以及其他食品材料可能溅到或流到产品上的任何表面。”简而言之，可以接触食品的部件的任何表面。
2. 非产品接触表面 - “任何不与产品接触的零件表面或结构支撑或其他外部组件等区域。”简而言之，这是不接触食品的部件的任何表面。

在评估食品安全 3D 打印组件时，重点关注产品接触表面非常重要。下面列出了设计阶段需要考虑的一些关键点。

• 无缝隙或空隙 - 零件的设计不应有缝隙或空隙。这将产生无法充分清洁的区域，从而导致细菌生长。如果这些类型的空隙对于物品的功能是必要的，那么在拆卸设备时这些区域应该易于接近，以便可以定期清洁。
• 平滑拐角和半径 - 重要的是消除设计中的任何尖角，并在可行的情况下使用大半径圆角。尖角难以清洁，因此应避免。
• 稳健性 - 食品级零件必须足够坚固，能够承受其预期应用而不会破裂、腐蚀或破裂。这些故障模式中的每一种都会产生细菌生长的区域。一般来说，如果设计正确，3D 打印零件和材料可以承受腐蚀和损坏。

2。用于食品安全 3D 打印的添加剂材料

决定零件食品安全性的另一个关键因素是材料。下面列出了产品设计师应考虑的一些关键材料特定因素。

• 无污染且无毒 - 基材以及任何后加工添加剂（例如染料或涂料）必须是食品安全的。就 3D 打印塑料而言，散装材料最初可能是食品安全的，但由于颜料和其他添加剂而变得不安全。请务必查阅材料安全数据表 (MSDS)，了解该物品中的所有内容。
• 耐腐蚀 - 保持表面光滑清洁的关键因素是选择惰性材料或耐腐蚀材料。用于食品安全 3D 打印的耐腐蚀材料的一些示例包括聚碳酸酯或聚丙烯等塑料以及不锈钢等金属。腐蚀的表面可能成为细菌的滋生地，因为更难以充分清洁。还必须考虑清洁化学品。
• 光滑、无孔、不吸水 - 食品安全 3D 打印产品的表面轮廓应达到 32 Ra 或更好。大多数 3D 打印技术都是逐层构建零件。这些层中的每一层都会产生微小的缝隙，食品可以在这些缝隙中聚集并促进危险的细菌生长。多孔和吸收性材料难以清洁，因此会促进细菌生长。这是食品安全 3D 打印面临的最大挑战之一，通常需要进行后处理抛光或食品安全涂层来创建无孔、光滑的表面。

哪些 3D 打印材料可消毒？

重要的是要了解可灭菌并不一定意味着食品安全。可灭菌仅仅意味着该材料可以有效地清除所有细菌。然而，上述因素可以决定该部件最终是否食品安全。下面的列表中的一个例子是 ABS；虽然它是可消毒的，但它不符合食品安全。下面列出了各种可灭菌3D打印材料的摘要。

可消毒3D打印材料

进程 材质 灭菌方法 注意事项

流程

SLS/HP MJF

材质

尼龙11或12

灭菌方法

化学、EtO、伽玛、等离子体、化学、蒸汽高压灭菌器

注意事项

吸湿、哑光表面

流程

频分复用

材质

ABS-M30i

灭菌方法

环氧乙烷、伽玛

注意事项

表面的缝隙和缝隙

流程

频分复用

材质

PC-ISO

灭菌方法

环氧乙烷、伽玛

注意事项

表面的缝隙和缝隙

流程

频分复用

材质

超透射电镜

灭菌方法

EtO、伽玛、蒸汽高压釜

注意事项

表面的缝隙和缝隙

流程

碳DLS

材质

CE、EPX、RPU

灭菌方法

电子束辐照、EtO、伽玛、蒸汽高压釜

注意事项

有限的循环或机械性能的微小变化

流程

碳DLS

材质

FPU、EPU、SIL

灭菌方法

电子束辐照，伽马

注意事项

有限的循环或机械性能的微小变化

流程

DMLS

材质

不锈钢17-4PH或316L

灭菌方法

化学、EtO、伽玛、等离子体、化学、蒸汽高压灭菌器

注意事项

磨砂表面

可灭菌材料列表

3。制造技术

在尝试实现食品安全的 3D 打印时，还需要仔细选择制造技术和工艺。  以下是选择正确的 3D 打印工艺的两个考虑因素：

3D打印技术 - 为手头的项目选择正确的 3D 打印技术非常重要。一般来说，熔融沉积成型 (FDM) 机器将制造表面粗糙的零件，而立体光刻 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS) 可以制造更光滑的表面。然而，这些决定需要与材料选择、零件设计和后处理表面光洁度一起做出，我们将在下一节中讨论。

材料 3D打印机 - 如果所打印的材料被评为食品安全且表面轮廓达到正确的光滑度，但如果打印该零件的机器不符合食品安全要求，则该零件仍可能被拒绝其食品安全分类。例如，FDM 机器上的黄铜喷嘴可能含有微量铅或用于不符合食品安全的机械部件的润滑剂。

视频：食品行业中的增材制造（3-A SSI 虚拟教育计划，2021 年）

跟随 Greg Paulsen 的脚步，他介绍了不同的 3D 打印工艺以及它们在食品行业中的应用以及食品加工需求。 Greg 探讨了 3D 打印的优势，同时坦率地看待卫生设计合格打印所面临的挑战。其中包括可灭菌材料的摘要以及化学蒸汽平滑等新颖的表面处理。

哪些表面处理可以使 3D 打印零件达到食品安全？

加工后的 3D 打印零件的表面光洁度可能不符合 3-A 卫生标准规定的最低 32 Ra 表面粗糙度标准。为了帮助表面光洁度达到不含有细菌生长的小孔且易于清洁的表面光滑度，零件可以进行机械精加工和表面涂层等后处理。

机械和化学精加工

为了降低食品用部件的表面粗糙度，可以使用机械方法平滑某些材料。虽然金属零件对抛光反应良好，但某些塑料零件可以通过研磨、滚磨或机械加工来改善其表面。  

1. 研磨 - 砂轮可用于去除材料和平滑表面。然而，这对于复杂的几何形状来说并不理想，因为磨削只能进入圆柱形或平面区域。
2. 翻滚 - 翻滚可用作平滑零件的方法。然而，与磨削类似，复杂的内部几何形状不太适合这种方法，因为研磨介质可能无法接触到内角和其他特征。
3. 机械加工 - 机械加工可用于塑料和金属打印零件，以创建光滑的表面。虽然这是一种选择，但规模化可能不实用或不经济，并且通常不适用于薄壁零件。 
4. 抛光 - 可以使用各种抛光方法来平滑金属部件。抛光可以使用渐进式打磨技术或通过电解抛光（对于金属）作为手动过程来完成。 
5. 蒸汽平滑 - 此工艺可用于通过将某些塑料部件暴露在溶剂蒸汽中来使其光滑。外部边缘和特征将化学熔化并重新密封，形成更光滑的表面。然而，该过程可能无法可靠地平滑并消除所有可能的内部空隙或裂缝。了解有关化学蒸汽平滑的更多信息。

应该指出的是，对于某些材料和工艺，即使采用上述工艺，也根本不可能获得食品安全的表面光洁度。食品安全产品设计从设计、材料和制造工艺开始；一旦选择正确，机械精加工可以帮助食品安全产品达到安全标准。

涂层

当机械精加工无法实现或无法实现成本效益时，可以在不合格的部件上涂上食品安全涂层，从而实现食品安全 3D 打印。这些涂层可以包括从食品级环氧树脂到聚氨酯的任何材料。它们通过填充所有间隙和空隙以及在零件和食品之间形成不渗透的食品安全密封来有效地平滑表面。重要的是，这些涂层不存在典型的涂层缺陷（例如起泡、分层和点蚀等问题）。这些涂层还应与用于定期清洁使用中零件的任何清洁产品兼容。

如何设计食品安全 3D 打印零件

食品安全 3D 打印取决于许多因素。材料、设计、制造方法和应用共同帮助认证机构确定产品是否符合所有安全标准。虽然 Xometry 不能保证产品食品安全，但我们的应用工程师团队可以提供专家指导，了解哪些材料、设计原理和制造技术将使您走上实现必要食品安全水平的最佳途径。 Xometry 通过其按需 3D 打印服务提供八种不同的增材制造技术。要了解有关食品安全 3D 打印制造选项的更多信息，请立即联系 Xometry 代表。

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格雷格·保尔森

作为 Xometry 的高级解决方案工程师和业务开发领导者，Greg Paulsen 的工作涉及工程和增长的交叉领域。他开发制造设计资源，为复杂的定制制造项目提供咨询，并帮助组织从原型转向生产。 Greg 与客户密切合作，根据项目要求（从小批量原型到规模化生产）确定正确的制造解决方案，涵盖 CNC 加工、增材制造、钣金、聚氨酯铸造和注塑成型。

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