食品に安全な 3D プリント:デザインのヒント、素材、仕上げ

過去 10 年間で、3D プリント技術は非常に洗練されて成長し、一貫性があり、耐久性があり、さらには複雑なパーツを製造することが可能になりました。これらのパーツは、従来の製造方法によるものと同等です。

ますます多くの業界が、製造に 3D プリントを採用しています。その 1 つが食品業界で、多くの用途で 3D プリントが広く採用されています。ただし、食品のパッケージ、キッチン/調理器具、さらには生産設備のスペアの製造において遵守しなければならない厳しい規制のため、食品業界での技術の適用には懸念があります.

食品に安全な 3D プリントで考慮すべき要素

食品安全とは、品目が使用目的の要件を満たし、食品安全上の危険を生じないことを意味します。 EU 食品規制は、食品と飼料の生産、加工、流通のすべての段階に適用されます。欧州規則 EC 1935/2004 は、汚染を防止する目的で、食品と接触することを目的とした材料および物体のガイドラインを提供します。

一般に、食品に安全な 3D パーツについて考慮すべき 3 つの要素があります。それは、パーツの設計、使用される材料、および後処理です。

食品に安全な部品設計

部品を食品に安全なものにするために、製品の表面を設計する際には、以下を考慮する必要があります:

• アンダーカットと割れ目: 表面は、表面のアンダーカットや隙間を完全になくして設計する必要があります。機能に基づいてこれらの機能を避けることができない場合、適切なクリーニングを可能にするために、部品または製品を分解するときにこれらの領域に簡単にアクセスできるようにする必要があります。
• フィレット エッジ: エッジには可能な限り大きな半径のフィレットを使用し、角は鋭くするのではなく十分に丸くする必要があります。
• 丈夫さ: パーツは、使用中の故障に耐えられるように、動作環境、用途、材料特性を十分に考慮して設計する必要があります。

食品に安全な 3D プリント材料

多くの食品に安全な材料は、徹底的なテストの後、適切な認証を通じて識別されます。 PETG や PP などの一部の素材は、本質的に食品に安全であることが知られています。材料を選択する際には、アプリケーションも考慮する必要があります。たとえば、PLA は食品に安全ですが、ティーカップや食器洗い機などの高温の用途で使用すると溶けてしまいます。

以下は、食品に安全な 3D プリント材料を選択する際に考慮すべき特性の一部です:

• 非吸収性: 研磨やコーティングなどの後処理は、多くの場合、非多孔質の表面にするために必要です。
• スクラッチ/スコアリングに対する耐性: 傷や摩耗に強い素材を選択する必要があります。
• 色や味がなく、無毒です: すべての食品に安全な材料は、食品に対して不活性でなければなりません。無着色の天然繊維を使用することをお勧めします。素材を導入する前に、素材の安全性データ シート (MSDS) を必ず使用する必要があります。

殺菌

滅菌は、食品に安全な材料をさらに安全にするための追加のステップになる可能性があります。加熱、化学薬品の使用、照射、高圧、ろ過など、さまざまな方法で行うことができます。ただし、すべての材料を滅菌できるわけではありません。

ここで取り上げる 5 種類の滅菌は次のとおりです。

• エチレンオキサイドガス (EtO)
• 過酸化水素ガスプラズマ
• ガンマ線
• オートクレーブ
• フラッシュオートクレーブ

適切な 3D 印刷技術を備えた食品に安全な素材

3D プリント技術	材料	適切な滅菌技術
SLS / MJF	ナイロン PA 11 とナイロン PA 12	EtO、ガンマ線、ガスプラズマ、オートクレーブ
SLS / MJF	ポリプロピレン	オートクレーブ
FDM	ABS M30	EtO、ガンマ線
FDM	PC – ISO	EtO、ガンマ線
FDM	ULTEM 1010 / ULTEM 9085	EtO、ガンマ線、オートクレーブ
FDM	PETG	Eto
カーボン DLS	CE 221、EPX 82、RPU 70	照射、EtO、ガンマ線、オートクレーブ
カーボン DLS	FPU 50、EPU 40、SIL 30	照射、ガンマ線
DMLS	ステンレス鋼 17.4 およびステンレス鋼 316L	EtO、ガンマ線、ガスプラズマ、オートクレーブ
SLA	真のシリコーン	照射、EtO、オートクレーブ

食品に安全な 3D プリント プロセス

プラスチック、フレキシブル、金属など、さまざまな素材に使用できるさまざまな 3D プリント技術があります。 3D プリント プロセスには、テクノロジーとプリンター材料の両方が含まれます。適切な 3D プリント プロセスを選択する前に、両方を考慮する必要があります。

3D プリント技術

Stereolithography (SLA) 3D プリンティングは、すべての 3D プリンティング技術の中で最高の解像度、精度、および最も滑らかな表面仕上げを備えた部品を製造します。 SLA は、食品に安全ではない樹脂を使用しています。細菌の蓄積を防ぐために、後で部品を密閉するためにコーティングが使用される場合があります。ただし、コーティングは時間の経過とともに剥がれます。 SLA 印刷では、最も食品に安全な素材と考えられているセラミックの印刷が可能です。

FDM 印刷の特殊性により、レイヤー間に非常に狭い隙間が残ります。ただし、この印刷技術は、滑らかな表面を生成することは知られていません。長期的な食品の安全性のために、この技術で製造された部品の表面は滑らかである必要があります。その後、食品に安全なコーティングを適用することもできます。

SLS および MJF 印刷の場合、食品グレードのタイプのナイロン PA 12 で部品を印刷して、非常に高品質の部品を得ることができます。いずれにせよ、部品の多孔性を避けるために、食品に安全なコーティングを強くお勧めします。

3D プリンター素材

安全でない 3D プリンター材料、つまり 3D プリンター自体が製造される材料は、認定された食品安全材料が使用されている場合でも、汚染された部品になる可能性があります。印刷に直接関与するプリンターのすべての部品が、食品に安全であると認定されていることが重要です。

FDM プリンターの場合、真ちゅうのノズルに鉛が含まれている可能性があり、これが印刷されたパーツを汚染します。これらのノズルをステンレス鋼に交換すると、印刷がより安全になります。したがって、プリンターの材料を徹底的に評価して、部品を印刷する前に食品に安全であることを確認することが重要です.

食品に安全な後処理

前述のように、多くの 3D プリント パーツは、食品に安全であると見なされる前に、後処理が必要です。 3D プリント パーツに仕上げおよびコーティング プロセスを適用して、隙間や空隙のない滑らかな表面を実現できます。

仕上げ

これらには、滑らかで均一な表面を作成することを目的としたプロセスが含まれます。さまざまな仕上げプロセスがあり、機械的または化学的のいずれかです。使用できる仕上げプロセスは次のとおりです。

• タンブルで磨く: 金属粉の混入率が高い部品の場合、タンブリングは効果的な研磨方法です。メタリック プリントの滑らかさは、わずか 1 時間の研磨で飛躍的に向上します。長時間の研磨で結果が良くなります
• 蒸気の平滑化: この方法は迅速かつ効果的です。使用する蒸気の種類は、印刷部品の素材によって異なります。このプロセスは簡単に自動化できます。ただし、場合によっては、印刷部分の強度が低下する可能性があります
• サンディング: これは、平滑化の最も簡単な方法の 1 つです。それにはサンドペーパーの使用が含まれます。これにより、ほとんどの欠陥が取り除かれ、レイヤーの線が隠されます。研磨は摩擦に依存しているため、発生した熱によって部品が歪む可能性があります。したがって、湿式サンディングが望ましい
• 機械加工: このプロセスは、プラスチックよりも金属でさらに一般的です。ただし、多くの場合、薄肉のパーツには経済的ではなく、実用的ではありません。

コーティング

コーティングの使用は、滑らかな表面を実現する効果的な方法です。シーラントの形でのコーティングは、SLA 印刷で使用される樹脂などの非認定材料も密閉します。一般的に使用されるコーティングはエポキシです。コーティングによりパーツの厚みが増すため、パーツの設計時に考慮する必要があります。

結論

食品業界での 3D プリントは、製品を市場に投入するために必要なコストと時間を削減できます。ただし、食品の安全性は製品部品にとって最も重要です。ほとんどの 3D プリンターは必要な滑らかな表面を生成しませんが、後処理によってパーツの滑らかさを高めることができます。部品にコーティングを施すことは、滑らかな表面を実現し、部品と食品の間にシールを作成するための最良の方法です.

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