3Dプリンティングにおける食品安全性の確保: 専門家による設計ヒント、材料、仕上げ

過去10年間で、3Dプリンティング技術は大幅に洗練され、従来の製造法と同等の一貫性、耐久性、複雑な部品の製造が可能になりました。

ますます多くの業界が製造に3Dプリンティングを採用しています。その一つが食品業界で、多くの用途で3Dプリンティングを活用しています。しかし、食品包装、調理器具、生産設備のスペアパーツ製造において遵守すべき厳格な規制があるため、食品業界での技術適用には懸念があります。

食品安全3Dプリンティングで考慮すべき要素

食品安全とは、アイテムが意図された用途要件を満たし、食品安全上の危険を生じさせないことを意味します。EU食品規則は、食品および飼料の生産、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、食品と接触することを意図した材料および物体に関するガイドラインを定め、汚染防止を目的としています。

一般的に、食品安全な3D部品には3つの要素があります: 部品設計、使用材料、後処理処理。

食品安全な部品設計

製品表面を設計して食品安全な部品にするには、以下を考慮してください:

• アンダーカットと隙間: 表面からアンダーカットや隙間を完全に排除する設計にする。機能上避けられない場合は、部品や製品を分解したときにこれらの領域に容易にアクセスでき、適切な洗浄が可能であること。
• 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設け、コーナーは鋭角ではなく丸みを帯びた形状にする。
• 堅牢性: 動作環境、意図された用途、材料特性を十分考慮し、使用中に破損しないよう設計する。

食品安全な3Dプリンティング材料

多くの食品安全材料は、徹底的な試験後の適切な認証によって特定されます。PETGやPPのように本質的に食品安全とされる材料もあります。用途も材料選択時に考慮すべきです。例えば、PLAは食品安全ですが、ティーカップや食洗機のような高温用途では溶けてしまいます。

食品安全な3Dプリンティング材料を選ぶ際に考慮すべき特性:

• 非吸収性: ポリッシングやコーティングなどの後処理で非多孔質表面を実現することが多い。
• 耐傷・耐スコア性: 選択材料は耐傷性と耐摩耗性を持つこと。
• 色や味を移さず、無毒: すべての食品安全材料は食品に対して不活性でなければならない。着色剤のない天然フィラメントの使用が望ましい。材料安全データシート (MSDS) は材料導入前に必ず確認する。

滅菌

滅菌は食品安全材料をさらに安全にする追加ステップとなり得ます。熱、化学薬品、照射、高圧、ろ過などさまざまな方法で実施可能です。ただし、すべての材料が滅菌可能なわけではありません。

ここで扱う5つの滅菌タイプ:

• 酸化エチレンガス (EtO)
• 過酸化水素ガスプラズマ
• ガンマ線照射
• オートクレーブ
• フラッシュオートクレーブ

食品安全材料と適した3Dプリンティング技術

3Dプリンティング技術	材料	適した滅菌技術
SLS / MJF	ナイロン PA 11およびナイロン PA 12	EtO、ガンマ線照射、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、ガンマ線照射
FDM	PC-ISO	EtO、ガンマ線照射
FDM	ULTEM 1010 / ULTEM 9085	EtO、ガンマ線照射、オートクレーブ
FDM	PETG	EtO
Carbon DLS	CE 221、EPX 82、RPU 70	照射、EtO、ガンマ線照射、オートクレーブ
Carbon DLS	FPU 50、EPU 40、SIL 30	照射、ガンマ線照射
DMLS	ステンレス鋼 17.4およびステンレス鋼 316L	EtO、ガンマ線照射、ガスプラズマ、オートクレーブ
SLA	True Silicone	照射、EtO、オートクレーブ

食品安全な3Dプリンティングプロセス

プラスチック、フレキシブル、金属など、さまざまな材料に対応した3Dプリンティング技術があります。3Dプリンティングプロセスには技術とプリンター材料の両方が関わり、適切なプロセスを選ぶ前に両方を考慮する必要があります。

3Dプリンティング技術

光造形 (SLA) 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、最も滑らかな表面仕上げで部品を製造します。SLAはレジンを使用しますが、レジンは食品安全ではありません。プリント後にコーティングで部品を密封し、細菌の繁殖を防ぐことは可能ですが、コーティングは時間とともに摩耗します。SLAではセラミックスのプリントも可能で、最も食品安全な材料と見なされています。

FDMプリントの特性上、層間に非常に狭い隙間が残ります。しかし、この技術は滑らかな表面を生み出すことで知られていません。長期的な食品安全のためには、FDMで製造された部品の表面を滑らかにする必要があります。その後、食品安全コーティングを施すこともできます。

SLSおよびMJFプリントでは、食品グレードのナイロンPA 12でプリントすることで高品質な部品が得られます。それでも部品の多孔性を避けるため、食品安全コーティングが強く推奨されます。

3Dプリンター材料

安全でない3Dプリンター材料（3Dプリンター自体が製造されている材料）は、認定食品安全材料を使用していてもプリント部品を汚染する可能性があります。プリントに直接関わるプリンターのすべての部品が食品安全認定されていることが重要です。

FDMプリンターでは、真鍮ノズルに鉛が含まれ、プリント部品を汚染する恐れがあります。ステンレス鋼ノズルに交換することでより安全にプリントできます。したがって、プリント前にプリンターの材料がそれ自体食品安全であるか徹底的に評価することが重要です。

食品安全な後処理処理

前述の通り、多くの3Dプリント部品は食品安全と見なされる前に後処理処理を必要とします。仕上げとコーティングプロセスを3Dプリント部品に適用し、隙間やボイドのない滑らかな表面を実現します。

仕上げ

滑らかで均一な表面を生み出すプロセスです。機械的または化学的なさまざまな仕上げプロセスがあります。以下が使用可能です:

• タンブル研磨: 金属粉末を高割合で含む部品には、タンブリングが効果的です。金属プリントの滑らかさは1時間の研磨で指数関数的に向上し、より長時間でさらに改善されます。
• 蒸気平滑化: 迅速かつ効果的。使用する蒸気の種類はプリント部品の材料によります。自動化しやすいプロセスですが、場合によってはプリント部品の強度を低下させる可能性があります。
• サンディング: 最もシンプルな平滑化方法の一つ。サンドペーパーを使用し、ほとんどの不完全さと積層痕を除去できます。摩擦熱で部品が変形する可能性があるため、ウェットサンディングが望ましいです。
• 機械加工: プラスチックよりも金属でより一般的ですが、薄肉部品には非経済的かつ非現実的なことが多いです。

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。シーラントとしてのコーティングは、SLAプリントで使用されるレジンなどの非適格材料も封じ込めます。一般的なコーティングはエポキシです。コーティングは部品厚を増すため、設計時に考慮する必要があります。

結論

食品業界での3Dプリンティングは、製品を市場に投入するコストと時間を削減できます。しかし、製品部品の食品安全性は最優先事項です。ほとんどの3Dプリンターは必要な滑らかな表面を生み出しませんが、後処理で部品の滑らかさを向上させられます。部品へのコーティングは、滑らかな表面を実現し、部品と食品の間にシールを作る最良の方法です。

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