La guida essenziale alla sicurezza alimentare nella stampa 3D: normative, tecnologie, materiali e molto altro

La stampa 3D offre una libertà di progettazione senza uguali: consente di creare parti personalizzate e forme organiche o complesse, che sarebbero costose o addirittura impossibili da realizzare con i metodi di produzione tradizionali.

Questi vantaggi possono essere essenziali per una serie di applicazioni relative al settore alimentare. Tuttavia, se le parti stampate in 3D sono destinate a essere in contatto con i prodotti alimentari, occorre tenere in considerazione norme e buone pratiche relative alla sicurezza, così da evitare il contatto con sostanze tossiche e prevenire lo sviluppo di batteri nocivi.

La sicurezza alimentare nella stampa 3D è possibile e ci sono sempre più materiali approvati in quanto sicuri, ma c'è poca chiarezza sui flussi di lavoro, e può essere difficile individuare quali siano i regolamenti applicabili.

Continua a leggere per scoprire un'introduzione alla sicurezza alimentare, istruzioni di sicurezza per la stampa 3D e un'ampia gamma di metodi per realizzare prodotti sicuri per uso alimentare con i normali processi di stampa 3D, tra cui la stereolitografia (SLA), la modellazione a deposizione fusa (FDM) e la sinterizzazione laser selettiva (SLS).

In che cosa consiste realmente la sicurezza alimentare?

Innanzitutto è importante chiarire il significato di alcuni termini fondamentali:

• Se è un materiale è per uso alimentare , può essere commestibile o può entrare in contatto con il cibo in tutta sicurezza.
• Se un materiale è sicuro per gli alimenti , è un materiale per uso alimentare che soddisfa i requisiti per l'uso finale e non comporta rischi.
• Le superfici di contatto degli alimenti sono quelle che possono entrare in contatto diretto con il cibo. Tali superfici devono essere realizzate in materiali non tossici e progettati per resistere alle condizioni ambientali dell'uso a cui sono destinate, come l'esposizione a prodotti per la pulizia, ad agenti disinfettanti e a procedure per la pulizia.

L'uso e la sicurezza alimentare riguardano un modo specifico di ingerire le parti, detto migrazione. Ogni volta che diversi materiali entrano in contatto, per esempio dai componenti della stampante 3D all'oggetto stampato, possono essere trasferite dall'uno all'altro, e dall'oggetto al cibo, particelle di dimensioni che possono variare da pochi nanometri a varie centinaia di nanometri.

Poiché nel contatto occasionale i livelli di migrazione sono molto bassi, i materiali per uso alimentare sono solitamente quelli che restano in contatto prolungato con il cibo, per esempio contenitori, cannucce, posate, piatti e stampi per gli alimenti. Le varie istituzioni si attengono a diverse tolleranze di rischio e sostanze approvate, descritte per gli Stati Uniti dall' FDA CFR 21 e per l'UE nelle linee guida 10/2011.

I seguenti simboli indicano l'approvazione dell'Agenzia per gli alimenti e i medicinali degli Stati Uniti (FDA) e dell'Unione Europea. Attenzione: se un materiale è "conforme" non significa che sia stato esplicitamente approvato dalle istituzioni, quindi occorre sempre cercare il certificato nelle schede tecniche.

Per essere considerato sicuro secondo il codice di regolamentazione dell'Agenzia per gli alimenti e i medicinali degli Stati Uniti (FDA), un materiale deve soddisfare i seguenti requisiti:

• Nessuna migrazione di sostanze deleterie
• Non lascia colori, odori o sapori
• Sicuro nelle condizioni d'uso normali
• Durevole, resistente alla corrosione e non assorbente
• Dotato di un peso sufficiente per sopportare ripetuti lavaggi
• Dotato di una finitura che permetta di avere una superficie liscia e facilmente lavabile, senza crepe o bruschi spigoli interni
• Resistente all'incisione, alla scheggiatura, ai graffi, alla deformazione e alla decomposizione
• Accessibile all'ispezione

Qualsiasi materiale approvato dall'Agenzia per gli alimenti e i medicinali degli Stati Uniti (FDA) o dall'Unione Europea comprende non solo il polimero grezzo, ma anche gli additivi o coloranti. Questi ultimi potrebbero contenere componenti come plastificanti, modificatori dell'impatto e della deformazione, stabilizzatori UV, ritardanti di fiamma, antivegetativi, antistatici, antiscivolo, agenti schiumogeni e chiarificanti, antiossidanti, nucleatori aromatici, leghe di carbonio, fosforescenti, riempitivi, addensanti, prolungatori di catene polimeriche, disattivatori di metalli, tinture e resine veicolanti.

Istruzioni generali per la sicurezza alimentare nella stampa 3D

Sviluppo di batteri

In poche settimane una parte stampata in 3D può trasformarsi in una piastra di Petri popolata di batteri. Alcuni materiali sono resistenti alla lavastoviglie, ma lo sono anche certi batteri, come l'Escherichia coli e la salmonella, che proliferano negli angoli. Alcune muffe tossiche trovano condizioni favorevoli alla crescita su diversi tipi di plastiche e sono difficili da rimuovere. I germi non possono essere eliminati né pulendo con la candeggina né mettendo in microonde i polimeri. 

Se lo sviluppo dei batteri non è un problema per i prodotti usa e getta, quando si vuole creare una parte per uso a lungo termine è consigliabile usare rivestimenti sicuri per gli alimenti.

Rivestimenti e sigillanti sicuri per gli alimenti

La migliore opzione per ridurre il rischio di migrazione di particelle e sviluppo di batteri è quella di intingere il rivestimento delle parti stampate in 3D in una resina epossidica o al poliuretano come l' EP42HT-2FG di Masterbond o l'ArtResin sul politetrafluoroetilene approvato dall'Agenzia per gli alimenti e i medicinali degli Stati Uniti (FDA) (noto come Teflon®), così da sigillarne la superficie.

Tuttavia, il rivestimento non garantisce la sicurezza alimentare per l'uso prolungato, così come non tutti i rivestimenti sono adatti alla lavastoviglie e potrebbero degradarsi nel tempo, esponendo la superficie originale, potenzialmente non sicura per gli alimenti.

Sicurezza in lavastoviglie

La maggior parte dei materiali per la stampa 3D ha una bassa temperatura di distorsione termica: ciò significa che le parti stampate in 3D potrebbero essere soggette a crepe e deformazione ad alte temperature. Se hai intenzione di lavare una parte stampata in 3D nella lavastoviglie, accertati di controllare bene che il materiale sia adatto per questo elettrodomestico e di consultare eventuali indicazioni specifiche relative alla temperatura di lavaggio.

Attrezzatura per la sicurezza alimentare

Poiché le parti possono migrare dai componenti di una stampante 3D alle parti stampate, è fondamentale che qualsiasi componente che possa entrare in contatto con il materiale di stampa 3D o la parte sia adatto per uso alimentare e non rilasci sostanze chimiche nocive. 

Per questo occorre adottare precauzioni quando si usano più materiali, perché alcuni di quelli già usati nella stampante 3D potrebbero aver contenuto delle particelle tossiche ed essere entrati in contatto con alcuni componenti.

Materiali per la stampa 3D sicuri per gli alimenti

Molti materiali per la stampa 3D non sono sicuri per gli alimenti e possono contenere sostanze chimiche tossiche. Per stampare parti in 3D usa solo materiali adatti al contatto con il cibo che siano certificati per la sicurezza alimentare.

Tempo di contatto con gli alimenti

Naturalmente il rischio di migrazione è maggiore se il cibo è esposto al contatto con la parte stampata in 3D per un periodo di tempo prolungato. In generale, è bene cercare di limitare il tempo di contatto con il cibo e prendere ulteriori precauzioni per le parti che saranno in contatto con gli alimenti più a lungo.

Come usare la stampa 3D per creare oggetti adatti al contatto con gli alimenti

Pensa al motivo per cui vorresti usare la stampa 3D per un oggetto destinato al contatto con gli alimenti. Se lo scopo è quello di creare forme personalizzate, nella maggior parte dei casi esistono modi indiretti di usare la stampa 3D per creare parti su misura, ad esempio con gli stampi, come illustrato nella sezione successiva.

Stampare in 3D prodotti a uso alimentare con la stereolitografia (SLA)

La stampa 3D SLA si serve di un laser per polimerizzare la resina liquida e trasformarla in plastica indurita: questo processo si chiama fotopolimerizzazione. In questo modo le parti stampate in stereolitografia presentano una migliore risoluzione e precisione, dettagli più accurati e finiture superficiali più lisce rispetto a tutte le altre tecnologie di stampa 3D.

La resina è sicura per gli alimenti? La risposta è no. Alcune sostanze potrebbero migrare dalle parti stampate in stereolitografia, quindi le resine e le parti stampate non sono in nessun caso sicure in partenza. Anche se alcune resine a uso odontoiatrico e medico sono certificate in quanto biocompatibili, ciò non significa che siano sicure per gli alimenti. Tali materiali sono certificati per applicazioni specifiche, ma non dovrebbero essere usati per prodotti che entrano in contatto con il cibo.

Le parti stampate in stereolitografia sono dotate di una finitura superficiale liscia che rende più facile l'uso di rivestimenti per sigillarne la superficie e impedire lo sviluppo di batteri. I fattori che influenzano il fatto che la parte sia liscia includono il tipo di resina, lo spessore dello strato, l'orientamento di stampa, la risoluzione della triangolazione dei mesh del modello 3D e il profilo di polimerizzazione della resina SLA. Prima che sia applicato il rivestimento, le parti stampate devono essere lavate e sottoposte a polimerizzazione post-stampa secondo le istruzioni del produttore. Tuttavia, il rivestimento non garantisce la sicurezza alimentare, perché potrebbe interagire con la resina o degradarsi nel tempo, esponendo la superficie originale, potenzialmente non sicura per gli alimenti.

Stampi

Creare stampi personalizzati è un metodo comune utilizzato per produrre parti su misura con dettagli molto precisi approfittando dei vantaggi offerti dalla stampa 3D SLA, senza che le parti stampate in 3D entrino in contatto diretto con gli alimenti. Se le stampe 3D SLA non sono adatte allo stampaggio diretto di alimenti, le stampanti 3D SLA sono ottimi strumenti per creare i negativi degli stampi che possono essere formati sottovuoto usando plastica sicura per gli alimenti.

Gli strumenti e le tecniche per creare stampi per alimenti in 3D sono facili da padroneggiare e i risultati sono spesso sorprendenti.

Gli stampi prodotti tramite la stampa 3D per la termoformatura e il silicone hanno reso possibile la creazione di forme e design unici.

Scopri di più su come creare stampi per formatura sottovuoto nel nostro tutorial approfondito.

Galvanizzazione

La galvanizzazione è il processo tramite cui si rivestono le parti con il metallo usando la corrente elettrica. Questo procedimento è usato comunemente a scopi decorativi o per evitare la corrosione creando una superficie durevole.

Le parti stampate in stereolitografia sono ideali per la galvanizzazione, grazie alla loro finitura superficiale liscia. Ma, poiché le plastiche non sono superfici che conducono energia, le parti stampate in 3D devono essere ricoperte di grafite, vernice conduttiva, sottoposte a un trattamento di nichelatura o ricoperte con un rivestimento vaporizzato.

I rivestimenti metallici sicuri per gli alimenti si trovano in commercio ma, poiché il procedimento richiede l'uso di varie sostanze chimiche, bisogna assumersi la responsabilità di assicurarsi che il workflow sia stato approvato per il contatto con gli alimenti.

Ceramica

La stampa 3D SLA offre la possibilità unica di produrre parti in ceramica. Dopo la stampa 3D le parti possono essere cotte in una fornace per bruciare la resina e realizzare una vera parte in ceramica che sia forte e resistente al calore. Se sottoposte a una smaltatura con un prodotto sicuro per gli alimenti, le parti diventeranno più igieniche e resistenti alla maggior parte delle sostanze chimiche.

Sul mercato sono disponibili molti smalti diversi sicuri per gli alimenti, ma accertati di seguire le istruzioni del produttore oltre alle linee guida per la sicurezza alimentare.

La stampa 3D in ceramica è l'ideale per la fabbricazione di geometrie complesse, impossibili da realizzare a mano.

Stampare in 3D prodotti a uso alimentare con la modellazione a deposizione fusa (FDM)

La modellazione a deposizione fusa è un processo di stampa 3D che costruisce le parti fondendo ed estrudendo il filamento termoplastico, che un ugello di stampa deposita strato per strato nell'area di stampa.

Il materiale estruso è circolare in sezione trasversale, quindi lascia fessure molto strette tra gli strati, con una profondità direttamente proporzionale allo spessore dello strato. In ogni caso, si consiglia di stampare allo spessore dello strato più basso possibile nel caso in cui si stiano realizzando parti sicure per gli alimenti.

Di conseguenza, la sfida principale per quanto riguarda le parti stampate con modellazione a deposizione fusa è evitare lo sviluppo di batteri. Per essere davvero sicura per gli alimenti nel lungo termine, una stampa 3D con modellazione a deposizione fusa deve avere una superficie liscia. La levigatura chimica per mezzo di solventi come acetone, D-limonene o acetato di etile rimuove molte delle irregolarità della stampa dando come risultato un aspetto liscio e lucente. Tuttavia, si consiglia caldamente di applicare un ulteriore rivestimento sicuro per gli alimenti.

Strati su una stampa 3D a modellazione a deposizione fusa (a sinistra) e su una stampa 3D stereolitografica (a destra).

I filamenti per uso alimentare non contengono particelle composite, quindi non saranno sottoposti a usura nel passaggio dall'ugello alla stampa. Tuttavia, si consiglia di evitare ugelli in ottone che contengono piombo e di preferire l'apposito ugello in acciaio inossidabile per tutti gli oggetti che entrano in contatto con gli alimenti.

Controlla sempre la compatibilità dei componenti della tua stampante 3D con il filamento. Per esempio, il polieterimmide è un materiale conforme alle indicazioni dell'Agenzia per gli alimenti e i medicinali degli Stati Uniti (FDA) che offre ottimi vantaggi meccanici, ma deve essere processato a oltre 300 °C, e di conseguenza richiede una stampante specifica.

Materiali per la modellazione a deposizione fusa sicuri per gli alimenti (filamenti sicuri per gli alimenti)

Le domande più frequenti relative alla sicurezza alimentare con la modellazione a deposizione fusa riguardano due materiali molto comuni. L'acido polilattico è sicuro per gli alimenti? L'acrilonitrile-butadiene-stirene è sicuro per gli alimenti? La risposta è: dipende.

Tra i filamenti per la stampa 3D sicuri per gli alimenti ci sono l'acido polilattico, il polipropilene, il copoliestere, il polietilene tereftalato, il PETG, il polistirene antiurto e il nylon-6, oltre ad alcune marche di acrilonitrile-butadiene-stirene, ecrilonitrile stirene acrilato e polieterimmide. Il polietilene tereftalato, il nylon e l'acido polilattico sono esclusi perché non lavabili in lavastoviglie, in quanto soggetti a distorsione intorno ai 60-70 °C. Per le applicazioni che coinvolgono liquidi caldi, i più adatti sono il copoliestere, l'acido polilattico termoresistente e il polieterimmide.

Anche se non è menzionato nei regolamenti, secondo alcuni studi il polistirene potrebbe rilasciare stireni, il copoliestere potrebbe essere rischioso per la salute e i filamenti a uso alimentare realizzati tramite modellazione a deposizione fusa potrebbero perdere la loro sicurezza per via dell'ossidazione e della degradazione termica dovute al processo di stampa.

Nota: i dati in questa tabella sono soggetti a cambiamenti.

Stampare in 3D prodotti a uso alimentare con la sinterizzazione laser selettiva (SLS)

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è un processo di stampa 3D che si serve di un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere di polimeri. Il materiale più utilizzato per la sinterizzazione laser selettiva è il nylon, una termoplastica ingegneristica molto diffusa, con proprietà meccaniche eccellenti.

Se alcune polveri della sinterizzazione laser selettiva sono sicure per gli alimenti, le particelle sulla superficie delle parti stampate possono non fondersi completamente, dando luogo a parti porose poco resistenti all'umidità e allo sviluppo di muffe. Nonostante la polvere di nylon 12 possa essere pulita con il vapore in un'autoclave, è consigliabile coprire le parti ottenute tramite sinterizzazione laser selettiva con rivestimenti sicuri per gli alimenti, così da sigillarne la superficie.

Un comune passaggio di post-elaborazione nel caso delle parti realizzate con sinterizzazione laser selettiva è la tintura. Attenzione però: dopo che una parte ottenuta con sinterizzazione laser selettiva è stata tinta, potrebbe rilasciare colore nella parte stampata rendendola non sicura per gli alimenti.

Conclusione e approfondimenti

La sicurezza alimentare con la stampa 3D è un argomento complesso e non può essere liquidato con un semplice sì o no. Produrre parti stampate in 3D adatte al contatto con gli alimenti richiede una valutazione accurata dei rischi a seconda dell'uso desiderato.

Per ulteriori informazioni sulla sicurezza alimentare e la stampa 3D, ti consigliamo di leggere i seguenti materiali:

• Regolamenti dell'Agenzia per gli alimenti e i medicinali degli Stati Uniti (FDA) CFR 21
• Linee guida dell'Unione Europea 10/2011
• Valutazione del rischio delle stampanti 3D e dei prodotti stampati in 3D
• La difficile scelta della plastica per applicazioni nel contatto con gli alimenti