L’impression 3D de qualité alimentaire : astuces, matériaux et finitions

Au cours de la dernière décennie, les technologies d’impression 3D ont gagné en sophistication, au point d’être capables de produire, au sein d’un processus répétable sur la durée, des pièces complexes et durables qui n’ont rien à envier à leurs homologues issus des méthodes de fabrication traditionnelles.

L’impression 3D est en cours d’adoption par un nombre croissant d’industries, notamment l’industrie agro-alimentaire qui l’utilise aujourd’hui dans de nombreuses applications. Cependant, l’utilisation de cette technologie suscite encore des inquiétudes, en particulier dans une telle industrie où il est nécessaire de se conformer à des normes strictes quant à la fabrication des emballages alimentaires, des ustensiles de cuisine, voire des pièces de rechange pour les machines employées en production.

Critères à prendre en compte pour l’impression 3D de qualité alimentaire

Le label qualité alimentaire implique qu’un article a été capable de satisfaire aux exigences relatives à l’usage qui en est attendu et ne puisse pas générer de problèmes concomitant à l’absorption de nourriture. Les normes alimentaires de l’Union Européenne s’appliquent à toutes les étapes : depuis la production jusqu’à la consommation, en passant par le traitement et la distribution. La norme européenne EC 1935/2004 fournit les indications pour les matériaux et les objets destinés à entrer en contact avec de la nourriture, dans l’optique d’éviter une contamination quelconque.

Pour résumer les choses, il y a trois critères à prendre en compte pour les ouvrages imprimés en 3D de qualité alimentaire : la conception de l’article, le matériau utilisé et les traitements post-usinage.

Concevoir un article de qualité alimentaire

Quand il s’agit de réaliser les surfaces d’un article de qualité alimentaire, il faudra veiller à prendre en considération les points suivants :

• Fentes et contre-dépouilles : la surface devra être conçue de façon à ce qu’il n’y ait pas la moindre fente ou contre-dépouille présente. Si ces éléments ne peuvent être évités pour des raisons fonctionnelles, ils devront être aisément accessibles pour permettre un nettoyage exhaustif en cas de désassemblage du produit.
• Arêtes et congés : les arêtes et les bords devront avoir des congés dont le rayon de courbure sera le plus large possible. Les sommets et les coins devront être arrondis et les angles aigus évités. 
• Robustesse : les articles devront être conçus avec à l’esprit toutes les contraintes liées à l’environnement opérationnel, à l’usage attendu et aux propriétés du matériau de fabrication, ceci afin d’éviter les défaillances en cours d’usage.

Utiliser des matériaux d’impression 3D de qualité alimentaire

De nombreux matériaux de qualité alimentaire obtiennent cette qualification au travers d’une certification appropriée et aux termes de nombreux tests. Certains matériaux, comme le PETG et le PP, sont connus pour être intrinsèquement sans danger vis-à-vis de la nourriture. Le choix du matériau dépend surtout de l’application finale. À titre d’exemple, le PLA est considéré comme étant de qualité alimentaire, mais est prompt à fondre s’il est utilisé dans des applications à hautes températures, comme les lave-vaisselles ou les tasses à thé. 

La liste ci-dessous cite certaines propriétés à prendre en compte quand on choisit un matériau d’impression 3D de qualité alimentaire :

• Non-absorbant : un traitement post-usinage est souvent nécessaire pour rendre les surfaces non poreuses (polissage ou revêtement).
• Résistant aux rayures et aux entailles : le matériau choisi doit être résistant aux rayures et à l’usure.
• N’est pas toxique et n’a pas d’influence sur le goût et la couleur des aliments : tous les matériaux de qualité alimentaire se doivent d’être inertes vis-à-vis de la nourriture. Il est préférable d’utiliser des filaments naturels, sans coloration ajoutée. Le document « Material Safety Data Sheet » (MSDS), normalement disponible pour n’importe quel matériau, devra toujours être consulté avant d’utiliser un matériau spécifique.

Stérilisation

La stérilisation est une étape additionnelle qui peut être utilisée pour augmenter la sécurité des matériaux déjà considérés comme étant de qualité alimentaire. Elle peut être effectuée au travers de nombreuses procédures : chaleur, agents chimiques, radiations, hautes pressions ou filtration. Cependant, tous les matériaux ne peuvent pas être stérilisés.

Les cinq types de stérilisation couvertes dans cette partie sont : 

• Gaz d’oxyde d’éthylène (EtO)
• Plasma gazeux au péroxyde d’hydrogène
• Radiations gamma
• Autoclave
• Autoclave ultra-rapide

Matériaux de qualité alimentaire adaptés à l’impression 3D

Procédés d’impression 3D de qualité alimentaire

Il existe différentes technologies d’impression 3D disponibles pour différents matériaux, qu’il s’agisse de plastiques, de matières flexibles ou de métaux. Le processus d’impression en lui-même est un tout englobant à la fois la technologie d’impression et le matériau utilisé : les deux doivent être choisis avec beaucoup de soin avant de déterminer le processus à adopter.

Technologie d’impression 3D

La stéréolithographie (SLA) est la technologie d’impression 3D qui produit les ouvrages les plus exacts, avec la meilleure résolution et le rendu de surface le plus lisse. La SLA utilise des résines qui, en elles-mêmes, ne sont pas de qualité alimentaire. La prolifération de bactéries nocives peut être prévenue par l’application d’un revêtement, mais ce dernier finira par s’user avec le temps. La technologie SLA permet également d’imprimer à l’aide de matériaux céramiques qui sont considérés comme étant les plus sûrs du point de vue alimentaire.

De par ses spécificités, l’impression FDM produit des pièces comportant de nombreuses failles très étroites entre chaque couche. De plus, elle n’est pas particulièrement connue pour générer des surfaces lisses. Afin d’assurer une qualité alimentaire sur le long terme, les surfaces obtenues par impression 3D FDM doivent être polies et un revêtement de qualité alimentaire pourra être subséquemment appliqué.

Dans le cas des technologies SLS et MJF, les articles peuvent être directement imprimés avec des matériaux de qualité alimentaire, comme le nylon PA 12, pour obtenir des pièces de haute qualité. Néanmoins, l’ajout d’un revêtement de qualité alimentaire est hautement recommandé pour rendre les articles non poreux.

Matériaux d’impression 3D

Utiliser un matériau d’impression 3D qui est le même que celui ayant servi à fabriquer l’imprimante est une pratique dangereuse : il pourra en résulter une contamination des articles produits, et ce même si le matériau employé est certifié de qualité alimentaire. Il est capital que toutes les pièces de l’imprimante directement impliquées dans la fabrication soient certifiées sans danger pour la nourriture. 

Pour les imprimantes FDM, la buse en laiton peut contenir des traces de plomb, lesquelles viendront contaminer les articles imprimés. On peut pallier ce défaut en remplaçant les buses en laiton par des buses en acier inoxydable pour une impression plus sûre. Par conséquent, avant d’imprimer un ouvrage de qualité alimentaire, il est capital d’évaluer rigoureusement tous les matériaux composant une imprimante afin de s’assurer qu’ils le sont eux-mêmes.

Traitements post-usinage de qualité alimentaire

Comme il a été dit plus haut, nombreuses sont les pièces imprimées en 3D à nécessiter un traitement post-usinage avant d’être considérées comme étant de qualité alimentaire. Différents traitements et revêtements pourront être appliqués pour garantir une surface des plus lisses, dépourvue de failles ou d’entailles.

Finitions

Cette catégorie inclut les procédés destinés à produire une surface lisse et plane. Il en existe de différentes sortes, mécaniques ou chimiques :

• Polissage au tambour : pour les pièces présentant un taux élevé de poudre métallique, le polissage au tambour est particulièrement efficace. Les impressions métalliques, déjà relativement lisses par nature, pourront l’être encore plus après juste une heure au tambour. Des durées prolongées permettront d’obtenir un état de surface encore plus lisse.
• Polissage à la vapeur : une méthode rapide et efficace. Le type de vapeur employé dépend du matériau d’impression. Ce procédé peut être facilement automatisé mais peut, dans certains cas, altérer la résistance mécanique de la pièce.
• Polissage au papier de verre : l’une des méthodes de polissage les plus simples, elle peut aisément retirer la plupart des imperfections et dissimuler les failles entre les couches d’impression. Attention cependant : la chaleur dégagée au cours de l’abrasion peut entraîner des déformations de la pièce. On recommandera donc plutôt un polissage au papier abrasif humide.
• Usinage : un procédé davantage populaire avec les pièces métalliques qu’avec les pièces plastiques. Il est malheureusement peu pratique et onéreux dès qu’on a affaire à des articles dont les parois sont minces.

Revêtements

L’application d’un revêtement est une méthode efficace pour obtenir des surfaces lisses. Un revêtement sous forme d’enduit peut être appliqué même sur des pièces non certifiées, comme les résines employées en SLA. Les revêtements les plus communément utilisés sont à base d’époxy. Garder à l’esprit, cependant, que l’application d’un revêtement fera varier l’épaisseur de la pièce, un facteur qu’il faudra prendre en compte au cours de la phase de conception.

Conclusion

L’impression 3D appliquée à l’industrie agro-alimentaire peut aider à réduire les coûts des produits et leur temps de mise sur le marché. Cependant, dès qu’il s’agit de nourriture, la sécurité revêt rapidement une importance de premier plan. Bien que la plupart des imprimantes 3D ne soient pas capables de produire des surfaces suffisamment lisses pour cette industrie, l’utilisation de traitements post-usinages peut permettre d’atteindre le degré de finesse requis. L’application d’un revêtement est la meilleure façon d’obtenir une surface lisse, tout en créant une couche de séparation étanche entre la pièce et la nourriture.

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