Lebensmittelechter 3D-Druck: Design-Tipps, Materialien & Veredelungen

In den letzten Jahren sind die 3D-Druckverfahren immer ausgefeilter geworden, sodass die Produktion konsistenter, langlebiger und komplexer Komponenten, die mit konventionell gefertigten Produkten mithalten können, möglich geworden ist.

Die Zahl der Industrien, die 3D-Druckverfahren in der Fertigung einsetzten, nimmt stetig zu. Eine dieser Industrien ist die Lebensmittelindustrie, die den 3D-Druck mittlerweile in großem Umfang und für viele verschiedene Anwendungen einsetzt. Aufgrund der strengen Vorschriften, die bei der Produktion von Lebensmittelverpackungen, Küchenutensilien und sogar von Ersatzteilen für Produktionsmaschinen eingehalten werden müssen, gibt es beim Einsatz der neuen Fertigungsverfahren jedoch einiges zu berücksichtigen.

Wichtige Faktoren für den lebensmittelechten 3D-Druck

Lebensmittelecht bedeutet, dass ein Produkt die für den angedachten Nutzungszweck geltenden Anforderungen erfüllt und kein Lebensmittelrisiko darstellt. Die EU-Bestimmungen zur Lebensmittelsicherheit gelten für alle Produktions-, Verarbeitungs- und Vertriebsstufen von Lebens- und Futtermitteln. In der Europäische Verordnung EG 1935/2004 legt die Richtlinien für Materialien und Gegenstände fest, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in Kontakt zu kommen und hat die Verhinderung von Kontaminationen zum Ziel.

Im Allgemeinen sind beim 3D-Druck lebensmittelechter Teile drei Faktoren zu berücksichtigen: Die Konstruktion der Teile, die verwendeten Werkstoffe und die Veredelungsprozesse.

Design lebensmittelechter Produkte

Folgende Punkte müssen bei der Konstruktion der Oberflächen lebensmittelechter Produkter beachtet werden:

• Hinterschneidungen und Spalten: Die Teile müssen so konstruiert werden, dass die Oberflächen frei von Hinterschneidungen und Spalten sind. Bereiche, die diese Merkmale für ihre Funktionalität benötigen, sollten so konstruiert werden, dass sie im demontierten Zustand möglichst leicht zugänglich sind, um eine ordnungsgemäße Reinigung zu ermöglichen.
• Abrunden von Verschneidungen: Kanten sollten, soweit möglich, einen größeren Ausrundungsradius besitzen und Ecken sollten  abgerundet und nicht zu scharfkantig sein.
• Festigkeit: Die Teile sollten unter umfassender Berücksichtigung der Einsatzbedingungen, des Verwendungszwecks und der Materialeigenschaften konstruiert werden, um so sicherzustellen, dass diese den Belastungen standhalten können.

Lebensmittelechte Materialien für den 3D-Druck 

Lebensmittelechte Materialien müssen ausführliche Tests bestehen, bevor sie die entsprechenden Zertifikate erhalten. Einige Materialien wie z.B. PETG und PP sind von Haus aus lebensmittelecht. Die jeweilige Anwendung muss bei der Materialauswahl ebenfalls berücksichtigt werden. So ist zum Beispiel PLA zwar lebensmittelecht, aber für Produkte wie Tassen oder Spülmaschinen ungeeignet, da dieses Material bei höheren Temperaturen schmilzt.

Die folgenden Eigenschaften sollten bei der Auswahl lebensmittelechter Materialien für den 3D-Druck berücksichtigt werden:

• Nicht absorbierend: In vielen Fällen sind weitere Veredelungen (z.B. Polieren oder Beschichten) notwendig, damit eine porenfreie Oberfläche erreicht werden kann.
• Kratzfest: Die gewählten Materialien müssen kratz- und verschleißfest sein.
• Das Material darf weder die Farbe noch den Geschmack des Lebensmittels beeinflussen und das verwendete Material muss ungiftig sein: Alle lebensmittelechten Materialien müssen lebensmitteltauglich sein. Filamente ohne zusätzlich beigefügte Farbstoffe sind zu bevorzugen. Das Sicherheitsdatenblatt (auch Material Safety Data Sheet, MSDS) des jeweiligen Materials muss vor dem Einsatz des Materials geprüft werden.

Sterilisation

In einem weiteren Schritt können die Teile einer Sterilisation unterzogen  werden, um die lebensmittelechten Materialien noch sicherer zu machen. Dies kann auf verschiedenen Wegen, durch Hitze, den Einsatz von Chemikalien, Bestrahlung, hohen Druck oder durch Filtration erreicht werden. Es sind jedoch nicht alle Materialien zur Sterilisation geeignet.

Die fünf Sterilisationsverfahren, die wir hier betrachten sind:

• Ethylenoxid-Sterilisation (EO)
• Plasma-Sterilisation (Wasserstoffperoxid)
• Gamma-Sterilisation
• Autoklavieren (Dampfsterilisation)

Lebensmittelechte Materialien und geeignete 3D-Druckverfahren 

Lebensmittelechte 3D-Druckverfahren

Für die verschiedenen Materialien stehen jeweils verschiedene 3D-Druckverfahren zur Verfügung. Der Druckvorgang umfasst sowohl das eingesetzte Verfahren als auch die verwendeten Materialien. Bei der Wahl des 3D-Drucks müssen sowohl das Verfahren als auch das Material berücksichtigt werden.

3D-Drucktechnologien

Die Stereolithographie (SLA) besitzt von allen 3D-Druckverfahren die höchste Auflösung und Genauigkeit und kann die glattesten Oberflächen erzeugen. SLA verwendet Harze, die nicht lebensmittelecht sind. Daher müssen die gedruckten Teile anschließend beschichtet werden, um Bakterienablagerungen zu vermeiden. Die Beschichtungen nutzen sich jedoch mit der Zeit ab. Mit Hilfe der Stereolithografie lassen sich auch Teile aus Keramik herstellen, die oft als eine der lebensmittelechtesten Materialien angesehen wird.

Eine Eigenheit des FDM 3D-Drucks sind die sehr kleinen Spalten, die zwischen den einzelnen Lagen entstehen. Das FDM 3D-Druckverfahren ist nicht dafür bekannt besonders glatte Oberflächen zu erzeugen. Um eine langfristige Lebensmittelsicherheit zu erreichen, müssen die Oberflächen der mit diesem Verfahren hergestellten Teile jedoch glatt sein. Daher sollten FDM-Teile eine lebensmittelechte Beschichtung erhalten.

Sowohl der SLS 3D-Druck als auch der MJF 3D-Druck können lebensmitteltaugliche Varianten des Nylon PA 12 Werkstoffs einsetzen, um hochwertige Teile herzustellen. Dennoch werden auch hier lebensmittelechte Beschichtungen empfohlen, um die Porosität der Teile zu verringern.

Material des 3D-Druckers

Bestehen Komponenten des 3D-Druckers aus einem Material, das nicht lebensmittelecht ist, so kann dies zu einer Kontamination der hergestellten Teile führen, auch wenn das eingesetzte Druckmaterial lebensmittelecht ist. Deshalb ist es wichtig, dass alle Teile des Druckers, die direkt in den Druckvorgang involviert sind ebenfalls lebensmittelecht zertifiziert sind.

Die Messingdüsen von FDM 3D-Druckern können Blei enthalten, was wiederum das gefertigte Teil kontaminieren kann. Zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit können diese Messingdüsen durch Edelstahldüsen ersetzt werden. Daher muss gründlich geprüft werden, ob das Material des 3D-Druckers selbst auch lebensmittelecht ist, bevor der Drucker zum Herstellen von lebensmittelechten Teilen eingesetzt wird.

Lebensmittelechte Nachbearbeitungsverfahren

Wie oben beschrieben sind bei vielen 3D-gedruckten Teilen zusätzliche Veredelungen erforderlich, damit sie als lebensmittelecht eingestuft werden können. Mit Hilfe von Oberflächenveredelungs- und Beschichtungsverfahren können glatte Oberflächen erzeugt werden, die frei von Lücken und Spalten sind.

Oberflächenveredelungen

Diese Verfahren streben haben unter anderem die Erzeugung glatter und ebenen Oberflächen zum Ziel. Es stehen verschiedene Veredelungsverfahren zur Auswahl, die auf chemischen oder mechanischen Prinzipien basieren. Unter anderem bieten sich die folgenden Veredelungsverfahren an: 

• Polieren: Teile, die einen hohen Metallpulver-Anteil besitzen können effektiv poliert werden. Die Oberflächenglätte metallischer Drucke lässt sich innerhalb einer Stunde bereits exponentiell verbessern. Die Ergebnisse werden mit zunehmender Bearbeitungsdauer besser.
• Vapour Smoothing: Dieses Verfahren ist schnell und effektiv. Je nach Druckmaterial wird ein anderes Gas eingesetzt. Dieser Veredelungsprozess lässt sich leicht automatisieren. In manchen Fällen kann es jedoch zu einer Verringerung der Festigkeit führen.
• Abschleifen: Dies ist eine der einfachsten Verfahren zur Oberflächenglättung. Hierbei kommt Schleifpapier zum Einsatz. Damit können die meisten Unregelmäßigkeiten entfernt und die Rückstände der Schichtstruktur verringert werden. Da dieses Schleifverfahren auf Reibung basiert, kommt es zu Hitzeentwicklung, die zu einer Verformung des Teils führen kann. Daher ist Nass-Schleifen zu bevorzugen.
• Mechanische Oberflächenveredelung: Dieses Verfahren ist für Metallteile noch verbreiteter als für Kunststoffteile. Allerdings ist das Verfahren in vielen Fällen nicht wirtschaftlich und kann für Teile, die sehr dünne Wände besitzen, nicht eingesetzt werden.

Oberflächenbeschichtungen

Mit Hilfe von Beschichtungen lassen sich glatte Oberflächen sehr effektiv  erzeugen. Darüber hinaus übernimmt eine Beschichtung die Rolle einer Versiegelung und kann so zuvor ungeeignete Materialien, wie z.B. SLA typische Harze, für die Lebensmittelindustrie nutzbar machen. Epoxidharze sind ein gängiges Material für Beschichtungen. Da die Beschichtung zu einer Vergrößerung der Abmessungen führt, sollte sie bei der Konstruktion des Teils berücksichtigt werden.

Fazit

Der 3D-Druck kann in der Lebensmittelindustrie zu einer Kostensenkung und Beschleunigung der Markteinführung neuer Produkte führen. Die Lebensmittelsicherheit der Produkte und Teile ist hierbei von zentraler Bedeutung. Die meisten 3D-Drucksysteme können die erforderlichen glatten Oberflächen zwar nicht direkt herstellen, jedoch lässt sich dies durch zusätzliche Veredelungsprozesse umgehen. Das beste Verfahren zur Erzeugung der notwendigen glatten Oberflächen ist die Beschichtung der Teile. So entsteht eine schützende Schicht zwischen dem Teil und dem Lebensmittel.

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