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食品级 3D 打印:设计技巧、材料和后处理

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。
Food-safe 3D printed containers (Image credit: PrusaPrinters Blog)
食品安全3D打印容器(图片来源:PrusaPrinters博客)

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PETGPP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。建议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
FDMABS M30环氧乙烷气体、伽马辐射
FDMPC – ISO环氧乙烷气体、伽马辐射
FDMULTEM 1010 / ULTEM 9085环氧乙烷气体、伽马辐射、高压灭菌
FDMPETG环氧乙烷气体
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更高、精度更高和表面更光滑的部件。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,而该材料被认为是更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:这是更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。
 Powder coatings on metal parts
金属部件的粉末涂层

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更佳方法,也是确保部件与食品之间形成密封的有效途径。

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