Der ultimative Leitfaden für den lebensmittelechten 3D-Druck: Behördliche Vorgaben, Technologien, Materialien und mehr

3D-Druck bietet eine unvergleichliche Designfreiheit für die Fertigung von maßgefertigten Teilen und komplexen oder organischen Formen, die mit traditionellen Fertigungsmethoden nur unter enormem Kostenaufwand oder überhaupt nicht herstellbar sind.

Diese Vorteile sind für viele verschiedene Anwendungen im Bereich Lebensmittel überzeugend. Doch wenn 3D-gedruckte Teile mit Lebensmitteln in Kontakt kommen, müssen Sie Sicherheitspraktiken und behördliche Vorgaben berücksichtigen, um den Kontakt mit toxischen Substanzen und den Befall durch schädliche Bakterien zu verhindern.

Lebensmittelechter 3D-Druck ist möglich und immer mehr Materialien werden als lebensmittelecht zugelassen. Doch viele Arbeitsabläufe sind nicht eindeutig geregelt und es kann schwerfallen, die entsprechenden Vorgaben zu ausfindig zu machen.

Im Folgenden finden Sie eine Einführung zu Lebensmittelsicherheit, relevanten Aspekten für den 3D-Druck und eine Vielzahl von Methoden zur Herstellung lebensmittelechter Produkte mit verbreiteten 3D-Drucktechnologien wie der Stereolithografie (SLA), der Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) und selektivem Lasersintern (SLS).

Inhaltsverzeichnis:

1. Was bedeutet Lebensmittelsicherheit?
2. Für den 3D-Druck relevante Aspekte der Lebensmittelsicherheit
3. Lebensmittelechter 3D-Druck mit Stereolithografie (SLA)
4. Lebensmittelechter 3D-Druck mit Schmelzschichtung (FDM)
5. Lebensmittelechter 3D-Druck mit selektivem Lasersintern (SLS)
6. Fazit und weitere Ressourcen

Definieren wir zunächst wichtige Begrifflichkeiten:

• Lebensmittelqualität bedeutet, dass das Material entweder zum menschlichen Verzehr geeignet ist oder mit Lebensmittel in Kontakt kommen kann.
• Lebensmittelecht bedeutet, dass ein Produkt in Lebensmittelqualität die für die angedachten Nutzungszweck geltenden Anforderungen erfüllt und kein Lebensmittelrisiko darstellt.
• Lebensmittelkontaktoberflächen umfassen alle Oberflächen, die direkt mit Lebensmitteln in Berührung kommen können. Diese Oberflächen müssen aus nichttoxischen Materialien bestehen und der Umgebung ihres angedachten Nutzungszwecks widerstehen, wie zum Beispiel dem Kontakt mit Reinigungsmitteln, Desinfektionsmitteln und Reinigungsverfahren.

Lebensmittelqualität und Lebensmittelsicherheit beziehen sich auf eine bestimmte Art und Weise des Verzehrs von Teilen, die als „Migration“ bezeichnet wird. Partikel in einer Größenordnung von wenigen Nanometern und bis mehreren Hundert Nanometern werden bei Kontakt von einer Oberfläche auf eine andere übertragen, beispielsweise von den Komponenten eines 3D-Druckers auf einen 3D-gedruckten Gegenstand oder von dem Gegenstand auf Lebensmittel.

Da die Migration bei kurzzeitigem Kontakt äußerst gering ist, wird die Lebensmittelqualität vor allem bei Gegenständen bewertet, die sich für geraume Zeit mit Lebensmitteln in Kontakt befinden, wie Behälter, Strohhalme, Küchenutensilien und Lebensmittelformen. Verschiedene Prüfbehörden bringen verschiedene behördlich festgelegte Risikotoleranzen zur Anwendung und genehmigen unterschiedliche Substanzen. In den USA gilt hier die FDA CFR 21 und für die EU die Richtlinien 10/2011.

Diese Kennzeichnungen bedeuten die Genehmigung durch die US-amerikanische FDA bzw. die EU. Seien Sie sich bewusst, dass die „Compliance“ eines Materials nicht automatisch bedeutet, dass es von diesen Institutionen genehmigt wurde, also sehen Sie stets auf den technischen Datenblättern nach, ob ein Zertifikat vorliegt.

Um unter dem FDA Food Code als lebensmittelecht zu gelten, muss ein Material die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Keine Migration schädlicher Substanzen
• Gibt keine Farben, Gerüche oder Geschmäcker ab
• Sicher unter normalen Nutzungsbedingungen
• Haltbar, korrosionsresistent und nicht-absorbierend
• Ausreichendes Gewicht, um mehrfachem Waschen zu widerstehen
• Oberfläche ist glatt und leicht zu reinigen und verfügt über keinerlei Bruchstellen oder scharfe Innenwinkel
• Resistent gegenüber Lochfraß, Absplittern, Verkratzen, Einkerbungen, Verbiegen und Zersetzung
• Inspektion möglich

Zu durch die FDA oder die EU genehmigten Materialien zählen nicht nur der Kunststoff selbst, sondern auch Zusatzstoffe oder Farbgranulate. Dazu gehören Komponenten wie Weichmacher, Stoß- oder Hitzeverzugsmodifikatoren, UV-Stabilisatoren, Flammschutzmittel, Faulschutzmittel, Antistatikprodukte, rutschhemmende Behandlungen, Schäum- und Reinigungsmittel, Antioxidationsmittel, aromatische Nukleatoren, Kohlenstofflegierungen, Leuchtmittel, Füllstoffe, Bindemittel, Kettenverlängerungsmittel, Metalldeaktivatoren, Farbstoffe und Trägermaterialien.

3D-gedruckte Teile können innerhalb weniger Wochen zu einer Petrischale voller Bakterien werden. Und während einige Materialien spülmaschinenfest sind, können auch gefährliche Bakterien wie E. coli und Salmonellen in kleinen Ritzen überleben. Manche toxischen Schimmelsorten finden auf verschiedenen Kunststoffarten gute Wachstumsbedingungen und lassen sich nur schwer entfernen. Weder die Reinigung mit Bleichmittel noch ein erhitzen in der Mikrowelle sind geeignete Methoden, um Keime abzutöten. 
Für Einwegartikel ist Bakterienwuchs kein Problem, doch wenn Sie ein Teil für die langfristige Nutzung herstellen wollen, ist die Verwendung einer lebensmittelechten Beschichtung empfohlen.

Die beste Möglichkeit, um das Risiko von Partikelmigration und Bakterienwuchs zu mindern, ist die Tauchbeschichtung 3D-gedruckter Teile mit Epoxid- oder Polyurethanharz in Lebensmittelqualität wie EP42HT-2FG von Masterbond oder ArtResin oder ein FDA-zugelassenes PTFE (auch als Teflon® bekannt) zur Versiegelung der Oberfläche.

Beachten Sie jedoch, dass auch diese Beschichtungen die Lebensmittelsicherheit für eine langfristige Nutzung nicht garantieren, da nicht alle dieser Beschichtungen spülmaschinengeeignet sind und mit der Zeit abgenutzt werden können und so die ursprüngliche, nicht lebensmittelechte Oberfläche freilegen.

Die meisten 3D-Druckmaterialien verfügen über eine niedrige Wärmeformbeständigkeitstemperatur (Heat Deflection Temperature, HDT), sodass sie bei hohen Temperaturen leicht spröde und rissig werden oder sich verformen. Wenn Sie ein 3D-gedrucktes Teil im Geschirrspüler reinigen wollen, prüfen Sie, ob das verwendete Material spülmaschinenfest ist und ob Empfehlungen für die Spültemperatur gegeben werden.

Da Partikel vom 3D-Drucker auf 3D-gedruckte Teile migrieren können, müssen alle Komponenten, die mit 3D-Druckmaterial oder dem Teil in Berührung kommen, über Lebensmittelqualität verfügen und frei von schädlichen Chemikalien sein bzw. keine solchen freigeben. 
Dementsprechend müssen Sie bei der Verwendung verschiedener Materialien Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, denn auch Materialien, die Sie zuvor in Ihrem 3D-Drucker verwendet haben, können toxische Partikel enthalten und mit verschiedenen Komponenten in Berührung gekommen sein.

Viele 3D-Druckmaterialien sind nicht lebensmittelecht und enthalten toxische Chemikalien. Verwenden Sie für den 3D-Druck von Teilen, die zur Verwendung mit Lebensmitteln gedacht sind, nur Materialien mit Lebensmittelqualität-Zertifizierung.

Wie nicht anders zu erwarten, ist das Risiko für eine Partikelmigration größer, wenn Lebensmittel dem 3D-gedruckten Teil länger ausgesetzt sind. Minimieren Sie im Allgemeinen den Lebensmittelkontakt und treffen Sie zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für Teile, die länger mit Lebensmitteln in Kontakt sein werden.

Denken Sie darüber nach, warum Sie einen Gegenstand für den Lebensmittelkontakt 3D-drucken möchten. Wenn es Ihnen um die maßgefertigten Formen geht, können Sie den 3D-Druck oft indirekt anwenden, um diese Teile maßzufertigen, beispielsweise indem Sie Gießformen 3D-drucken. Dieses Beispiel wird im nächsten Abschnitt besprochen.

Der SLA-3D-Druck verwendet einen Laser, um in einem „Photopolymerisation“ genannten Vorgang flüssiges Kunstharz zu Kunststoff zu härten. Er liefert die höchste Auflösung und Genauigkeit, den höchsten Detailgrad und die glatteste Oberfläche aller 3D-Drucktechnologien.

Sind Kunstharze (auch Resin genannt) lebensmittelecht? Die Antwort ist nein. Substanzen können von SLA-Teilen migrieren, wodurch kein Kunstharze und kein gedrucktes Teil standardmäßig lebensmittelecht ist. Zwar sind manche Kunstharze für (zahn)medizische Anwendungen biokompatibel, doch das macht sie nicht gleichzeitig auch lebensmittelecht. Diese Materialien sind für spezifische Anwendungen zertifiziert und sollten nicht mit Produkte mit Lebensmittelkontakt verwendet werden.

SLA-Teile verfügen über eine glatte Oberfläche, was das Auftragen von Beschichtungen zur Versiegelung der Oberfläche zur Verhinderung von Bakterienwachstum erleichtert. Faktoren, die sich auf die Glätte eines Teils auswirken, sind unter anderem die Art von Kunstharz, die Schichtdicke, die Ausrichtung bei der Konstruktion, die Auflösung des Gitternetzes des 3D-Modells und das Nachhärtungsprofil des SLA-Kunstharzes. Gedruckte Teile müssen vor Beschichtung entsprechend der Anleitung des Herstellers gewaschen und nachgehärtet werden. Beachten Sie jedoch, dass auch diese Beschichtungen die Lebensmittelsicherheit nicht garantieren, da sie mit dem Kunstharz interagieren oder mit der Zeit abgenutzt werden können und so die ursprüngliche, nicht lebensmittelechte Oberfläche freilegen.

Die Herstellung maßgefertigter Formen ist eine verbreitete Methode, um die Vorteile des SLA-3D-Drucks zur Herstellung detaillierter maßgefertigter Teile zu verwenden, ohne dass 3D-gedruckte Teile direkt mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Während SLA-3D-Drucke sich nicht als Lebensmittelformen eignen, können Sie mit SLA-3D-Druckern Formnegative herstellen, die dann mit lebensmittelechtem Kunststoff vakuumgeformt werden können.

Die Tools und Techniken für die Herstellung 3D-gedruckter Lebensmittelformen sind leicht zu erlernen, und die Ergebnisse sind oft beeindruckend.

3D-gedruckte Formen für Thermoformen und Silikone ermöglichen einzigartige Formen und Designs.

Galvanotechnik bezeichnet ein Verfahren, mit dem Teile mithilfe von Strom mit Metall beschichtet werden. Dieses Verfahren wird hauptsächlich für dekorative Zwecke verwendet, oder um durch die Erzeugung einer haltbaren Oberfläche Korrosion vorzubeugen.

SLA-Teile eignen sich aufgrund ihrer glatten Oberfläche hervorragend für Galvanotechnik. Da Kunststoffoberflächen jedoch nicht leiten, müssen SLA-3D-gedruckte Teile mithilfe von Graphit, leitendem Lack, stromloser Abschneidung oder aufgedampften Beschichtungen leitfähig gemacht werden.

Lebensmittelechte Beschichtungen stehen zur Verfügung, doch da das Verfahren die Verwendung verschiedener Chemikalien erfordert, obliegt es dem Hersteller sicherzustellen, dass der Arbeitsablauf die Lebensmittelsicherheit des Endprodukts gewährleistet.

Der 3D-Druck mit Keramik eignet sich hervorragend, um komplexe Formen herzustellen, die von Hand nicht zu erreichen sind.

Bei FDM handelt es sich um einen 3D-Druckverfahren, bei dem Teile durch Schmelzen und Extrudieren eines drahtförmigen, thermoplastischen Kunststoffs (genannt Filament) erzeugt werden, der von einer Druckdüse schichtweise auf der Bauplattform aufgetragen wird.

Das extrudierte Material hat einen kreisförmigen Durchmesser, wodurch kleine Spalten zwischen den Schichten entstehen, deren Tiefe direkt proportional zur Schichthöhe ist. Für lebensmittelechte Teile wird in jedem Fall empfohlen, mit der geringstmöglichen Schichthöhe zu drucken.

Die größte Herausforderung bei FDM-Teilen ist damit das Verhindern eines Bakterienwachstums. Um die Lebensmittelsicherheit langfristig zu gewährleisten, muss der FDM-3D-Druck über eine glatte Oberfläche verfügen. Chemisches Glätten mit Lösungsmitteln wie Aceton, d-Limonen oder Essigester entfernt viele der Unebenmäßigkeiten des 3D-Drucks und führt zu einem glatten, glänzenden Finish. Dennoch ist die Auftragung einer lebensmittelechten Beschichtung empfehlenswert.

Schichten bei FDM (links) und SLA (rechts).

Lebensmittelechte Filamente enthalten keine Verbundstoffpartikel, weshalb die Düse beim Druck nicht verschleißt. Vermeiden Sie trotzdem Messingdüsen mit Bleigehalt. Verwenden Sie stattdessen für alle Gegenstände für den Lebensmittelkontakt speziellen Edelstahl.

Überprüfen Sie stets die Kompatibilität Ihres 3D-Druckers mit dem Filament. PEI ist beispielsweise FDA-compliant und hat hervorragende mechanische Eigenschaften. Es muss jedoch bei über 300 °C verarbeitet werden, wodurch eine besondere Druckerlösung erforderlich wird.

Die häufigsten Fragen zur Lebensmittelsicherheit von FDM betreffen zwei beliebte Materialien. Ist PLA lebensmittelecht? Ist ABS lebensmittelecht? Die Antwort ist: Kommt drauf an.

Zu den lebensmittelechten Filamenten für den 3D-Druck zählen PLA, PP, Co-Polyester, PET, PET-G, HIPS und Nylon-6 sowie bestimmte Marken von ABS, ASA und PEI. Wenn das Produkt spülmaschinenfest sein muss, kommen PET, Nylon und PLA nicht in Frage, da diese Kunststoffe bei 60-70 °C weich werden und sich verformen. Für Produkte, die heißen Flüssigkeiten trotzen müssen eignen sich am besten Co-Polyester oder hitzebeständiges PLA oder PEI.

Polystyren gab in einigen Studien Styrene ab, Co-Polyester könnte für gesundheitliche Beschwerden verantwortlich sein und lebensmittelechtes FDM-Filament könnte beim Drucken aufgrund von Oxidation und thermischem Abbau seine Eigenschaften verlieren. Dies hat sich jedoch bislang noch nicht im Zulassungsstatus dieser Materialien niedergeschlagen.

Selektives Laser-Sintern (SLS) ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem kleine Teilchen aus Polymerpulver durch einen leistungsstarken Laser miteinander verschmolzen werden. Das am häufigsten für das Lasersintern eingesetzte Material ist Nylon, ein beliebter technischer Thermoplast mit exzellenten mechanischen Eigenschaften.

Während lebensmittelechte SLS-Pulver verfügbar sind, verschmelzen die Partikel auf der Oberfläche des Teils unter Umständen nicht vollständig. So entstehen Teile, die inhärent porös sind und für die deshalb Feuchtigkeit und Schimmelbefall problematisch sein können. Und obwohl Nylon-12-Pulver in einem Autoclave dampfgereinigt werden kann, sollten SLS-Teile mit lebensmittelechten Beschichtungen versiegelt werden.

Ein verbreiteter Nachbearbeitungsprozess für SLS-Teile ist das Färben. Beachten Sie dabei, dass das Färbemittel vom eingefärbten SLS-Teil in das Druckteil entweichen kann, wodurch das Teil seinen Status als lebensmittelecht einbüßen kann.

Lebensmittelsicherheit mit 3D-Druck ist nicht trivial und kann selten eindeutig mit „ja“ oder „nein“ beantwortet werden. Die Fertigung von 3D-gedruckten Teilen für den Kontakt mit Lebensmitteln muss sorgfältig hinsichtlich der Risiken für den Verwendungszweck abgewogen werden.

Weitere Informationen zu Lebensmittelsicherheit und 3D-Druck finden Sie hier:
FDA-Bestimmungen CFR 21
EU-Richtlinien 10/2011
Risikobewertung von 3D-Druckern und 3D-gedruckten Produkten
Die Wahl des richtigen Kunststoffs für den Lebenmittelkontakt – ein heikles Unterfangen [EN]