식품 안전 3D 프린팅을 위한 필수 안내서: 규정, 기술, 소재를 비롯한 사항

3D 프린팅은 설계의 자유도를 향유할 수 있어 비용이 많이 들거나 기존 방법으로는 제작할 수 없는 맞춤형 파트와 복잡하거나 유기적인 형태를 생산할 수 있는 점에서 비견할 기술이 없습니다.

이러한 이점이 다양한 식품 관련 응용 분야에 거부할 수 없는 매력으로 다가갈 수 있습니다. 그러나 3D 프린팅된 파트가 식품에 접촉하는 품목용일 때는 독성 물질과 접촉을 피하고 유해한 박테리아의 축적을 방지하기 위해 안전 관행과 규정을 고려해야 합니다.

식품 안전 3D 프린팅이 가능하고 식품에 안전한 것으로 승인된 다양한 소재가 증가하고 있지만 워크플로에 아주 모호한 부분이 있고 적절한 적용 규정을 찾기가 어려울 수 있습니다.

식품 안전에 대한 소개, 3D 프린팅에 대한 식품 안전 고려 사항, 광경화성 수지 조형 방식(SLA), 용융 적층 모델링 방식(FDM), 선택적 레이저 소결 방식(SLS)을 비롯한 일반적인 3D 프린팅 공정으로 식품 안전 제품을 생산하는 다양한 방법에 대해 읽어보세요.

시작하기 전에 몇 가지 핵심 용어를 명확히 하는 것이 중요합니다.

• 식품 등급은 해당 물질이 사람이 섭취하기에 안전하거나 식품과 접촉해도 된다는 의미입니다.
• 식품 안전은 식품 등급 재료가 의도된 용도에 따라 결정된 요구 사항을 충족하며 식품 안전상 위험을 생성하지 않음을 의미합니다.
• 식품 접촉면  식품과 직접 접촉할 수 있는 모든 표면에 해당합니다. 이러한 표면은 무독성 재료로 만들어져야 하며 세척제, 살균제 및 세척 절차에 대한 노출을 포함하여 의도된 사용 환경을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다.

식품 등급 및 식품 안전은 마이그레이션이라고 하는 부품을 섭취하는 특정 방법과 관련이 있습니다. 예를 들어 3D 프린터의 구성 요소에서 3D 프린팅된 물체로, 물체에서 음식으로 다양한 재료가 서로 만날 때마다 수 나노미터에서 수백 나노미터만큼 작은 입자가 이동할 수 있습니다.

가끔 접촉하는 경우 이동 수준이 매우 낮기 때문에 식품 등급은 일반적으로 용기, 빨대, 기구, 접시 및 식품 틀과 같이 식품과 장기간 접촉하는 항목과 관련됩니다. 많은 테스트 기관이 정부가 부과한 다양한 위험 허용 범위와 물질 승인을 준수하며 미국의 경우 FDA CFR 21이며 유럽의 경우 10/2011 규정입니다.

FDA 및 EU 승인을 나타내는 해당 라벨을 찾아보세요. 재료가 '규격'이라고 해서 기관에서 명시적으로 승인했다는 의미는 아니므로 항상 기술 데이터시트에서 인증서를 확인하십시오.

FDA 식품 코드에 따라 식품 안전으로 간주하려면 재료가 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.

• 유해 물질의 이동이 없음
• 색깔, 냄새 또는 맛을 전달하지 않음
• 정상적인 사용 조건에서 안전
• 내구성, 내부식성, 비흡수성
• 반복 세척에도 견딜 수 있는 충분한 무게
• 끊김과 날카로운 내각이 없이 매끄럽고 쉽게 청소할 수 있는 표면을 갖도록 마감
• 피팅(강판에 생긴 점상의 부식), 치핑, 잔금, 긁힘, 스코어링(이물질 입자의 예리한 끝 부분에 긁혀서 생긴 흠집), 뒤틀림, 분해에 대한 내성
• 검사 가능

FDA 또는 EU 승인 재료라면 어떤 것이라도 원료 폴리머뿐만 아니라 첨가제 또는 마스터배치가 들어 있습니다. 여기에는 가소제, 충격 및 열 변형 조절제, UV 안정제, 난연제, 오염 방지제, 정전기 방지제, 미끄럼 방지제, 발포제 및 투명화제, 항산화제, 방향족 핵형성제, 탄소 합금, 인광제, 충전제, 증점제, 사슬 연장제, 금속 불활성화제, 염료, 캐리어 레진 같은 구성 성분이 포함될 수 있습니다.

3D 프린팅된 파트는 몇 주 안에 박테리아로 꿈틀거리는 샬레로 바뀔 수 있습니다. 일부 재료는 식기 세척기를 사용해도 살아남을 수 있지만 작은 구석구석에 서식하는 대장균과 살모넬라와 같은 위험한 박테리아도 살아남을 것입니다. 일부 독성 곰팡이는 여러 유형의 플라스틱에서 유리한 성장 조건을 찾아내므로 제거하기 어렵습니다. 폴리머 소재를 표백제로 세척하거나 전자레인지에 돌리는 것은 세균을 제거할 수 있는 옵션이 아닙니다. 

일회용품의 경우 박테리아 축적은 문제가 되지 않을 수 있지만 장기간 사용할 파트를 제작할 계획이라면 식품 안전 코팅을 사용하는 것이 좋습니다.

입자 이동 및 박테리아 축적 위험을 줄이기에 가장 좋은 방법은 3D   프린팅 파트를 마스터본드( Masterbond)의 EP42HT-2FG 또는 ArtResin이나 FDA 승인 PTFE(Teflon®으로 알려짐) 같은 식품 등급 에폭시 또는 폴리우레탄 수지로 딥 코팅하여 표면을 밀봉합니다.

그러나 모든 코팅이 식기 세척기에 안전하지 않으므로 코팅은 시간이 지남에 따라 벗겨지고 잠재적으로 안전하지 않은 원래 표면이 노출될 수 있으므로 장기간 사용  시 식품 안전을 보장하지 않는 점에 유의해야 합니다.

대부분의 3D 프린팅 재료는 열 변형 온도(HDT)가 낮습니다. 즉, 3D 프린팅된 파트는 잘 부서지고 균열이 발생하거나 고온에서 변형되고 휘어질 수 있습니다. 3D 프린팅 파트를 식기 세척기로 세척할 계획이라면 재료가 식기 세척기에 안전한지, 세척 온도에 대한 특정 권장 사항이 있는지 다시 한 번 확인하십시오.

입자가 3D 프린터의 구성 요소에서 3D 프린팅 파트로 이동할 수 있으므로 3D 프린팅 재료 또는 파트와 접촉할 수 있는 모든 구성품이 식품 등급이고 유해한 화학 물질을 포함하거나 침출하지 않는 것이 중요합니다. 

여기에는 이전에 3D 프린터에 사용된 일부 재료가 독성 입자를 포함하고 일부 구성 요소와 접촉했을 수 있으므로 여러 재료를 사용할 때 주의를 기울이는 것이 포함됩니다.

식품 안전성이 없고 유독한 화학물질이 함유된 3D 프린팅 재료가 많습니다. 식품 안전 인증을 받은 식품 접촉용 부품만 3D 프린트 부품에 사용하십시오.

예상할 수 있듯이 음식이 3D 프린팅된 파트에 장기간 노출되면 위험 요소가 전파될 가능성이 더 높아집니다. 일반적으로 식품 접촉 시간을 제한하고 장기간 식품과 접촉하게 될 파트는 추가 예방 조치를 취하세요.

식품 접촉 품목에 3D 프린팅을 사용하고 싶은 이유를 생각해 보세요. 맞춤형 모양과 형태를 만드는 경우 대부분의 경우 금형 제작 같이 이러한 맞춤형 파트를 만들기 위해 3D 프린팅을 간접적으로 사용하는 방법이 있습니다. 다음 섹션의 예를 참조하십시오.

SLA 3D 프린팅은 레이저를 사용하는 광중합이라는 공정에서 액체 수지를 경화 플라스틱으로 경화시키는 기술로 모든 플라스틱 3D 프린팅 기술 중 가장 높은 해상도와 정확도, 가장 선명한 디테일, 가장 매끄러운 표면 마감을 갖춘 제품을 만듭니다.

레진이 식품에 안전할까요? 그 대답은 아니오입니다. SLA 파트에서 물질이 이동할 수 있으므로 기본적으로 레진도 레진으로 프린팅한 파트도 식품에 안전하지 않습니다. 일부 치과와 의료용 레진은 생체적합성 인증을 받았지만 이것이 식품에 안전하다는 의미는 아닙니다. 이러한 재료는 특정 응용 분야에만 사용하도록 인증되었으며 식품과 접촉하는 제품에 사용해서는 안 됩니다.

SLA 방식으로 제작된 파트는 표면이 매끄럽게 마감되어 코팅으로 표면을 밀봉하고 박테리아 축적을 방지하기가 더 쉽습니다. 파트의 궁극적인 평활도에 영향을 미치는 요인에는 수지 유형, 레이어 두께, 빌드 방향, 3D 모델의 메쉬 삼각 분할 해상도, SLA 수지의 경화 프로파일 등이 있습니다. 프린팅한 파트는 코팅을 입히기 전에 제조업체의 지침에 따라 세척 및 후 경화해야 합니다. 그러나 코팅은 레진과 상호 작용하거나 시간이 지남에 따라 열화되어 잠재적으로 안전하지 않은 원래 표면이 노출될 수 있으므로 코팅이 식품 안전을 보장하지는 않습니다.

맞춤형 금형을 제작하면 일반적으로 SLA 3D 프린팅의 이점을 활용하여 3D 프린팅으로 제작된 파트가 식품과 직접 접촉하지 않고 아주 세밀한 맞춤형 파트를 생산할 수 있습니다. SLA 3D 프린팅 결과물이 식품의 형태를 직접 만드는 데는 적합하지 않지만 SLA 3D 프린터에 식품 안전 플라스틱을 사용하면 진공 성형에 쓸 수 있는 음형 금형을 완벽하게 제작할 수 있습니다.

3D 프린팅 식품 금형을 만들기 위한 도구와 기술은 마스터하기 쉽고 종종 놀랄만한 결과를 낳습니다.

열성형 및 실리콘용 3D 프린팅 금형을 이용한 독특한 모양과 디자인 제작

심화 튜토리얼에서 진공 성형을 위한 금형 제작을 자세히 알아보세요.

전기 도금은 전류를 사용하여 금속으로 파트를 코팅하는 공정입니다. 이 공정은 장식용 목적으로나 내구성 있는 표면을 만들어 부식을 방지하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.

SLA로 제작된 파트는 매끄러운 표면 마감 덕분에 전기 도금하기에 아주 좋습니다. 그러나 플라스틱은 표면이 비전도성이므로 SLA 3D 프린팅물을 흑연, 전도성 래커, 무전해 도금 또는 기화 코팅으로 코팅하여 전도성을 부여해야 합니다.

식품 안전 금속 코팅을 사용할 수 있지만, 프로세스에 다양한 화학 물질이 포함되므로 워크플로가 식품 접촉에 대해 승인되었는지 확인하는 것은 모두 개발사의 몫입니다.

SLA 3D 프린팅에는 유일하게 세라믹 소재를 생산할 수 있는 기술입니다. 3D 프린팅 후 파트를 가마에서 소성하여 레진을 태워 튼튼하고 내열성이 있는 진정한 세라믹 파트로 만들 수 있습니다. 이후에 식품 안전 유약을 사용하면 파트가 더 위생적이고 화학 물질 대부분에 내성이 생깁니다.

시중에서 다양한 식품 안전 유약을 구할 수 있지만 식품 안전 지침에 따른 제조업체의 지침을 따르십시오.

세라믹 3D 프린팅은 수작업으로는 불가능한 복잡한 형상을 제작하기에 제격입니다.

FDM은 열가소성 필라멘트를 녹이고 압출하여 파트를 제작하는 3D 프린팅 공정으로, 프린트 노즐이 빌드 영역에 층별로 증착합니다.

압출된 재료는 단면이 원형이어서 층 사이에 미세한 틈이 남고 이 틈은 깊이가 층 높이에 정비례합니다. 식품 안전 파트의 경우 어떠한 것도 실현 가능한 가장 낮은 층 높이로 프린팅하는 것이 좋습니다.

결과적으로 FDM 파트의 주요 과제는 박테리아 축적을 피하는 것입니다. 장기적으로 진정한 식품 안전을 위해서는 FDM 3D 프린트의 표면이 매끄러워야 합니다. 아세톤, d-리모넨, 에틸 아세테이트 같은 용제를 사용한 화학적 평활화는 프린팅물의 불규칙성을 다수 제거하여 매끄럽고 광택 있는 외관을 만듭니다. 그러나 나중에 반드시 식품 안전 코팅을 하시도록 적극적으로 권장합니다.

FDM(왼쪽) 및 SLA(오른쪽) 3D 프린팅 결과에서 보이는 레이어.

식품 등급 필라멘트에는 복합재 입자가 포함되어 있지 않으므로 노즐이 프린팅 결과물에 마모되지 않습니다. 그렇지만 납이 포함된 황동 노즐은 피하고 식품 접촉 품목에는 전부 전용 스테인리스 스틸 노즐을 대신 사용하십시오.

3D 프린터 구성품과 필라멘트의 호환성은 항상 확인하십시오. 예를 들어, PEI는 FDA를 준수하고 뛰어난 기계적 이점을 제공하지만 300°C 이상의 온도에서 처리해야 하는 재료라서 특정 프린터 솔루션이 필요합니다.

FDM 식품 안전에 관한 가장 일반적인 질문은 인기 있는 재료 두 가지에 관한 것입니다. PLA는 식품에 안전한가요? ABS는 식품에 안전한가요? 답은 상황에 따라 다릅니다.

식품에 안전한 3D 프린팅 필라멘트에는 PLA, PP, 코폴리에스터, PET, PET-G, HIPS, 나일론 6 및 일부 브랜드의 ABS, ASA, PEI가 포함됩니다. PET, 나일론, PLA는 약 60~70°C에서 연화되고 뒤틀리기 때문에 식기세척기 사용 품목에서는 제외해야 합니다. 뜨거운 액체와 관련된 응용 분야에는 코폴리에스터, 고온 PLA 또는 PEI가 가장 적합합니다.

규정에 반영되지는 않았지만 일부 연구에서는 폴리스티렌이 스티렌을 침출할 수 있고 코폴리에스터가 건강 문제를 일으킬 수 있으며 식품 등급 FDM 필라멘트가 프린팅 공정에서 산화 및 열 분해로 인해 안전한 상태를 잃을 수 있다고 의심합니다.

선택적 레이저 소결은 폴리머 파우더의 미세한 입자를 융합하는 데 고출력 레이저를 사용하는 3D 프린팅 프로세스입니다. 선택적 레이저 소결 방식에 사용되는 가장 기본적인 재료는 우수한 기계적 물성을 가져 많은 작업자가 선호하는 엔지니어링 열가소성 수지인 나일론입니다.

일부 SLS 파우더는 식품 안전 등급이지만 프린팅한 파트 표면의 입자가 완전히 융합되지 않아 파트가 본질적으로 다공성이고 습기 및 곰팡이 성장에 잘 대처하지 못할 수 있습니다. Nylon 12 파우더는 오토클레이브에서 증기로 세척할 수 있지만 SLS 파트에 식품 안전 코팅을 진행하여 표면을 밀봉하는 것이 가장 좋습니다.

SLS 파트의 일반적인 후처리는 대개 도색입니다. 그러나 SLS 파트를 도색한 후에는 염료가 프린팅된 파트에 침출되어 식품에 안전하지 않을 수 있습니다.

3D 프린팅을 통한 식품 안전은 분명하게 예 또는 아니오로 요약되는 간단한 문제가 아닙니다. 식품 접촉 품목을 3D 프린팅 파트로 생산하려면 의도된 용도에 따라 위험을 신중하게 고려해야 합니다.

식품 안전 및 3D 프린팅에 관한 자세한 내용은 다음을 참조하세요.

• FDA 규정 CFR 21
• EU 10/2011 가이드라인
• 3D 프린터와 3D 프린팅 제작 제품의 위기 평가
• 식품 접촉 용도로 플라스틱을 선택하기에 까다로운 사업