在过去的十年里，3D打印技术显著发展，能够生产出与传统制造方法相媲美的一致性强、耐用性好以及复杂度高的部件。
越来越多的行业在其制造过程中采用3D打印技术，其中之一就是食品行业，该行业在许多应用中广泛使用3D打印技术。然而，由于在食品行业中制造食品包装、厨房/烹饪器具以及生产设备备件时必须遵守严格的法规，业界对这项技术在行业中的应用存在一些担忧。
进行食品安全3D打印时需要考虑的因素
食品安全意味着该物品符合预期用途的要求，并且不会产生食品安全风险。欧盟食品法规适用于食品和饲料的所有生产、加工和分销阶段。为预防食品污染，欧盟法规EC 1935/2004对接触食品的材料和物体提供了指导原则。
通常，确保3D打印部件符合食品安全的三个因素包括：部件设计、所使用的材料以及后处理方法。
食品安全部件设计
设计产品表面以确保部件符合食品安全要求时，需要考虑以下内容：
- 凹槽和裂缝：表面设计必须完全消除凹槽或裂缝。如果根据功能无法避免这些特征，则在拆解部件或产品时应能够轻松触达这些区域，以便进行适当的清洁。
- 圆角边缘：尽可能在边缘处使用较大半径的圆角，角落应该是圆滑的，而不是尖锐的。
- 坚固性：部件设计时应充分考虑操作环境、预期应用和材料特性，确保其能够承受使用过程中的应力和负荷。
食品安全3D打印材料
许多食品安全材料经过充分测试并获得相应的认证。一些材料如PETG和PP本身就被认定是食品安全的材料。在选择材料时还必须考虑其应用情况。例如，PLA虽然是食品安全材料，但如果用于如茶杯或洗碗机等高温应用中会融化。
选择食品安全3D打印材料时需要考虑以下一些特性：
- 非吸收性：通常需要进行后处理，如抛光或涂层，以获得无孔表面。
- 抗划伤/划痕：所选材料必须具备耐划伤和耐磨损的特性。
- 不影响颜色或气味且无毒：所有食品级材料必须对食物有惰性。最好使用无添加色素的天然纤维，任何材料在使用之前都必须始终参考材料安全数据表（MSDS）
消毒
消毒可以作为额外步骤，使食品安全材料更加安全。可以通过多种方式进行消毒，例如加热、使用化学品、辐射、高压和过滤。然而，并非所有材料都能进行消毒。
这里涵盖的五种消毒方法是：
- 环氧乙烷气体 (EtO)
- 过氧化氢气体等离子
- 伽马辐射
- 高压灭菌
- 快速高压灭菌
适用于3D打印技术的食品安全材料
| 3D打印技术 | 材料 | 适用的消毒方法 |
| SLS / MJF | 尼龙 PA 11 和尼龙 PA 12 | 环氧乙烷气体、伽马辐射、气体等离子和高压灭菌 |
| SLS / MJF | 聚丙烯 | 高压灭菌 |
| FDM | ABS M30 | 环氧乙烷气体、伽马辐射 |
| FDM | PC – ISO | 环氧乙烷气体、伽马辐射 |
| FDM | ULTEM 1010 / ULTEM 9085 | 环氧乙烷气体、伽马辐射、高压灭菌 |
| FDM | PETG | 环氧乙烷气体 |
| Carbon DLS | CE 221, EPX 82, RPU 70 | 辐射、环氧乙烷气体、伽马辐射、 高压灭菌 |
| Carbon DLS | FPU 50, EPU 40, SIL 30 | 辐射、伽马辐射 |
| DMLS | 不锈钢17.4 and 不锈钢316L | 环氧乙烷气体、伽马辐射、气体等离子和高压灭菌 |
| SLA | 真硅树脂 | 辐射、环氧乙烷气体、高压灭菌 |
食品安全3D打印过程
不同的3D打印技术适用于不同的材料，如塑料、柔性材料或金属。3D打印过程包括技术和打印材料的选择，选择合适的3D打印过程前必须考虑这两者。
3D打印技术
树脂光固化成型（SLA）3D打印在所有3D打印技术中能够产生分辨率最高、精度最高和表面最光滑的部件。SLA使用树脂材料，这些材料本身并不属于食品安全材料。可以使用涂层来密封部件以防止细菌的滋生。然而，涂层会随着时间逐渐磨损。SLA打印可以使用陶瓷材料，而该材料被认为是最适合与食品接触的材料之一。
热塑性材料熔融沉积成型（FDM）打印的特点是在层与层之间留下非常窄的裂缝。然而，这种打印技术通常不能生成光滑的表面。为了长期的食品安全考虑，通过这种技术制造的部件表面需要保持光滑，可以后续涂上食品安全涂层。
对于SLS和MJF打印，可以使用食品级尼龙聚酰胺12来打印出高质量的部件。无论如何，强烈建议使用食品级涂层，以避免零件的孔隙问题。
3D打印材料
不安全的3D打印材料，即打印机本身制造所用的材料，即使使用经过认证的食品安全材料，也可能导致部件被污染。因此，确保打印机所有直接参与打印的部件都经过食品安全认证非常重要。
对于热塑性材料熔融沉积成型（FDM）打印机，黄铜喷嘴可能含有铅，会污染打印的部件。将这些喷嘴更换为不锈钢喷嘴可以使打印过程更安全。因此，必须对打印机的材料进行全面评估，确保它们本身符合食品安全标准，然后再使用它们打印任何部件。
食品安全后处理方法
如上所述，许多3D打印部件在被认为是食品安全之前需要进行后处理。可以对3D打印部件进行后处理和涂层处理，以实现无裂缝或空隙的光滑表面。
后处理
包含了旨在生成光滑平整的表面甚至是曲面的处理方法。现有多种不同的后处理方法，可以是机械处理或化学处理。以下是可用于后处理的方法：
- 滚筒抛光：对于含有高比例金属粉末混合物的部件，滚筒抛光是一种有效的抛光方法。仅需一个小时的抛光时间就可以大幅提高金属打印件的光滑度。延长抛光时间可以得到更好的效果。
- 蒸汽抛光：这种方法快速且有效。使用的蒸汽类型取决于打印部件的材料。这一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：这是最简单的光滑处理方法之一，使用砂纸可以去除大部分瑕疵并掩盖层线。由于打磨依赖于摩擦，产生的热量可能会使零件变形，因此湿打磨更为理想。
- 机械加工：这种方法在金属加工中比在塑料加工中更为常见。然而，对于壁薄的部件来说，这种方法通常既不经济也不实用。
涂层
涂层的使用是一种实现光滑表面的有效方法。作为密封剂的涂层还可以封住不符合食品安全要求的材料，例如在树脂光固化成型（SLA）打印中使用的树脂。常用的涂层是环氧树脂。由于涂层会增加部件的厚度，因此在设计部件时应考虑这一点。
结语
3D打印在食品行业的应用可以减少产品推向市场所需的成本和时间。然而，产品部件的食品安全至关重要。虽然大多数3D打印机无法直接生产出光滑的表面，但通过后处理工艺可以显著提升部件的光滑度。对部件进行涂层处理不仅是实现光滑表面的最佳方法，也是确保部件与食品之间形成密封的有效途径。
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