Worauf man beim 3D-Druck in der Lebensmittelindustrie achten sollte

Wer Produkte für den Kontakt mit Lebensmitteln additiv fertigt, muss ganz besondere Anforderungen erfüllen. Grundsätzlich regelt das die EU-Verordnung 1935/2004, außerdem gibt es nationale Regeln. Sie sollen vor allem eines garantieren: Von Materialien und Gegenständen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, darf keine Gefahr für die Gesundheit ausgehen.

Inhaltsverzeichnis
1. Wie designe ich mein Bauteil?
2. Welche Materialien kann ich einsetzen?
3. Kombination von lebensmittelechten Materialien mit geeigneten 3D-Drucktechnologien
4. Welche Technologie ist geeignet?
5. Welchen Drucker soll ich nehmen?
6. Welche Nachbehandlung ist möglich?
7. Beschichtungen

Die Produktionsplattform Xometry Europe vermittelt täglich Teile, die für den Lebensmittelbereich produziert werden. Aufgrund dieser Erfahrungen wurden geeignete Materialien und Nachbehandlungsmethoden zusammengestellt, mit denen der lebensmittelsichere 3D-Druck möglich ist. So lassen sich additiv Lebensmittelverpackungen, Küchen- und Kochutensilien oder sogar Ersatzteile für die Produktionsanlagen produzieren. Bei lebensmittelechten 3D-Teilen sind drei Faktoren entscheidend: Design, eingesetzte Materialien sowie mögliche Nachbearbeitungsschritte.

Wie designe ich mein Bauteil?

Bereits bei der Gestaltung von Produktoberflächen sind einige Aspekte wichtig, damit Teile lebensmittelecht werden:

• Hinterschneidungen und Ritzen: Die Oberfläche muss ohne Hinterschneidungen oder Spalten gestaltet werden. Lassen sich diese aus funktionalen Gründen nicht vermeiden, sollte man die entsprechenden Bereiche leicht demontieren und reinigen können.
• Kanten verrunden: Kanten sollten nach Möglichkeit größere Radien aufweisen, Ecken dürfen nicht scharf, sondern müssen gut abgerundet sein.
• Widerstandsfähigkeit: Bauteile sollten unter Berücksichtigung der Betriebsumgebung, der beabsichtigten Anwendung sowie der Materialeigenschaften konstruiert werden. So können Produktionsausfälle vermieden werden.

Welche Materialien kann ich einsetzen?

Viele lebensmittelechte Materialien besitzen entsprechende Zertifizierungen und haben dazu gründliche Tests durchlaufen. Zum Teil sind sie, wie PETG und PP, von Natur aus lebensmittelecht. Bei der Auswahl des Materials muss unbedingt die Anwendung berücksichtigt werden. So ist PLA zwar lebensmittelecht. Es schmilzt aber bei Hitze, so dass es etwa für Teetassen oder Geschirrspüler ungeeignet ist.

Diese Eigenschaften sollten Sie der Materialauswahl beachten:

• Nicht saugfähig: Für eine porenfreie Oberfläche sind meist noch Schritte wie Polieren oder Beschichten nötig.
• Widerstandsfähig: Die Materialien sollten kratz- und verschleißfest sein.
• Farb- und geschmacksneutral, ungiftig: Alle lebensmittelechten Materialien müssen inert gegenüber Lebensmitteln sein. Daher sind natürliche Fäden ohne Farbzusatz zu bevorzugen. Vor der Einführung eines Materials muss immer dessen Materialsicherheitsdatenblatt (MSDS) eingesehen werden.

Eine Sterilisation kann ein zusätzlicher Schritt sein, um Materialien noch sicherer zu erhalten. Sie kann durch Hitze, Chemikalien, Bestrahlung, Hochdruck oder Filtration erfolgen. Allerdings lassen sich nicht alle Materialien sterilisieren.

Die fünf hier behandelten Arten der Sterilisation sind:

• Ethylenoxid-Gas (EtO)
• Wasserstoffperoxid-Gasplasma
• Gammastrahlung
• Autoklav
• Blitz-Autoklav

Kombination von lebensmittelechten Materialien
mit geeigneten 3D-Drucktechnologien

Igus: Blaues SLS-Material erhöht die Lebensmittelsicherheit

Welche Technologie ist geeignet?

Es gibt unterschiedliche 3D-Druckverfahren und Materialien. Der Druckprozess umfasst sowohl die Technologie, als auch die Druckmaterialien, sei es Kunststoff, Metall oder flexibles Material. Beides muss also berücksichtigt werden, bevor man sich für ein Druckverfahren entscheidet.

• Der 3D-Druck mittels Stereolithografie (SLA) erzeugt Teile mit der höchsten Auflösung, Genauigkeit und glatten Oberfläche unter allen 3D-Drucktechnologien.
• SLA verwendet allerdings Harze, die nicht lebensmittelecht sind. Zur Versiegelung der Teile können dann Beschichtungen verwendet werden, um eine Ansammlung von Bakterien zu verhindern. Diese Beschichtungen nutzen sich jedoch mit der Zeit ab. Der SLA-Druck ermöglicht darüberhinaus den Druck von Keramik, dem Lebensmittel echtesten Material.
• FDM-Druck hinterlässt sehr schmale Spalten zwischen den Schichten. Mit dieser Technik können keine glatten Oberflächen erzeugt werden. Um die langfristige Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten, müssen Oberflächen der mit dieser Technologie hergestellten Teile aber glatt sein. Eine lebensmittelechte Beschichtung kann noch nachträglich aufgebracht werden.
• Beim SLS- und MJF-Verfahren können hochwertige Teile mit lebensmittelechtem Nylon PA 12 hergestellt werden. Lebensmittelechte Beschichtungen sind in jedem Fall empfehlenswert, um eine Porosität der Teile zu vermeiden.

Welchen Drucker soll ich nehmen?

Unsichere 3D-Druckmaterialien sind die Materialien, aus denen der Drucker selbst hergestellt wurde. Hier könnten kontaminierte Teile entstehen. Das gilt auch, wenn zertifizierte lebensmittelsichere Materialien verwendet werden. Es ist deshalb wichtig, dass alle Teile des Druckers, die direkt an der Herstellung beteiligt sind, als lebensmittelecht zertifiziert sind.

Bei FDM-Druckern können die Messingdüsen Blei enthalten und das gedruckte Teil verunreinigen. Werden diese Düsen durch Edelstahl ersetzt, ist die additive Produktion sicher. Es ist also wichtig, die Materialien des Druckers vor Beginn gründlich zu überprüfen.

Welche Nachbehandlung ist möglich?

Zwar schaffen die meisten 3D-Drucker noch nicht die für Lebensmittel benötigten glatten Oberflächen. Dieser Nachteil kann jedoch durch eine entsprechende Nachbearbeitung ausgeglichen werden. Grundsätzlich gelten die EU-Lebensmittelvorschriften für sämtliche Stufen der Produktion, der Verarbeitung und des Vertriebs von Lebens- und Futtermitteln.

Das Arbeitsziel ist eine glatte und gleichmäßige Oberfläche, die häufig noch einen finalen Arbeitsschritt nötig macht. Geeignete Endbearbeitungsverfahren sind mechanisch oder chemisch:

• Polieren durch Gleitschleifen (tumbeln): Bei Teilen mit einem hohen Anteil an Metallpulver ist das Polieren im Tumbler effektiv. Die Glätte von Metalldrucken kann damit in nur einer Stunde exponentiell erhöht werden. Mit längerer Polierzeit werden die Ergebnisse immer besser.
• Dampfglätten: Die Methode ist schnell und effektiv. Die Art des verwendeten Dampfes hängt vom Material des gedruckten Teils ab. Der Prozess lässt sich zudem leicht automatisieren. In einigen Fällen verringert das Verfahren jedoch die Festigkeit der gedruckten Teile.
• Schleifen: Eine der einfachsten Methoden zum Glätten. Mit Schleifpapier werden die meisten Unvollkommenheiten entfernt und Schichtlinien verdeckt. Da das Schleifen auf Reibung beruht, könnte die entstehende Hitze die Teile aber verformen. Nassschleifen ist daher vorzuziehen.
• Spanende Bearbeitung: Das Verfahren ist bei Metallen verbreiteter als bei Kunststoffen. Allerdings ist es oft nicht wirtschaftlich und zudem für Teile mit dünnen Wänden unpraktisch.

Beschichtungen

Mit Beschichtungen lassen sich glatte Oberflächen sicher produzieren. Beschichtungen in Form von Dichtungsmitteln versiegeln nicht qualifizierte Materialien wie die beim SLA-Druck verwendeten Harze. Häufig werden Epoxide zum Beschichten eingesetzt. Dieser Vorgang erhöht jedoch die Dicke des Teils, was bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss. (eve)