Руководство по безопасной для пищевых продуктов 3D-печати: законодательство, способы, материалы и много другое

С помощью 3D-печати производят нестандартные детали и сложные формы, которые невозможно или невыгодно изготавливать традиционными способами.

Преимущества 3D-печати можно применить к целому ряду изделий, связанных с пищевыми продуктами. Для использования напечатанных изделий с пищевыми продуктами нужно учитывать правила техники безопасности и местное законодательство. Несоблюдение норм может привести к отравлению токсичными веществами и размножению вредных бактерий.

Количество безопасных для пищевых продуктов материалов растет, поэтому найти их не составляет труда. Куда сложнее разобраться в законодательных актах, регулирующих производственные процессы безопасной для пищевых продуктов 3D-печати.

Ознакомьтесь с введением в пищевую безопасность, особенностями безопасной для пищевых продуктов 3D-печати и способами их производства с помощью стандартных технологий, включая стереолитографию (SLA), моделирование методом наплавления (FDM) и селективное лазерное спекание (SLS).

Важно уточнить несколько ключевых терминов:

• Совместимый с пищевыми продуктами материал безопасен для потребления человеком или одобрен для контакта с пищевыми продуктами.
• Безопасный для пищевых продуктов материал пригоден для контакта с пищевыми продуктами, соответствует требованиям предполагаемого использования и не представляет угрозы для безопасности пищевых продуктов.
• К поверхностям, контактирующим с пищевыми продуктами, относятся любые поверхности, которые могут вступать в непосредственный контакт с пищевыми продуктами. Они должны быть изготовлены из нетоксичных материалов и выдерживать условия их предполагаемого использования, включая воздействие чистящих соединений, дезинфицирующих средств и мытье.

Совместимость с пищевыми продуктами и безопасность пищевых продуктов связаны с миграцией — особым способом перемещения частиц. Каждый раз, когда материалы сталкиваются друг с другом, они обмениваются мельчайшими частицами, например при контакте напечатанной модели и пищи.

Степень миграции при случайных контактах низка. Совместимость с пищевыми продуктами требуется при создании изделий, которые многократно контактируют с пищей, например контейнеров, соломинок, тарелок и форм для выпечки. Испытательные лаборатории придерживаются разных утвержденных списков веществ и допустимых уровней риска в зависимости от государства. Нормы, действующие в США, изложены в акте Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA CFR 21), а в ЕС — в регламентах ЕС 10/2011.

Если продукт был одобрен в США или ЕС, он имеет соответствующую этикетку. «Соответствие» материала не означает, что он был напрямую одобрен учреждениями, поэтому всегда проверяйте технические паспорта на наличие сертификата.

Согласно Продовольственному кодексу США безопасным для пищевых продуктов считается материал, который соответствует следующим требованиям:

• Отсутствует миграция вредных веществ
• Не передает цвет, запах или вкус
• Безопасен при применении по назначению
• Долговечен, устойчив к коррозии, негигроскопичен
• Имеет достаточный вес, чтобы выдержать многократное мытье
• Имеет гладкую легко очищаемую поверхность без изломов и острых углов
• Устойчив к ржавчине, сколам, растрескиванию, царапинам и разрушению
• Доступен для анализа

Любой материал, одобренный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) или ЕС, включает не только необработанный полимер, но и добавки или концентрат. Они могут содержать пластификаторы, модификаторы ударопрочности и тепловой деформации, УФ-стабилизаторы, антипирены, противообрастающие, антистатические, противоскользящие, пенообразующие и осветляющие вещества, антиоксиданты, ароматические нуклеаторы, углеродные сплавы, фосфоресценты, наполнители, загустители, удлинители цепи, деактиваторы металлов, красители и полимерный носитель.

За несколько недель модель, напечатанная на 3D-принтере, может превратиться в кишащую бактериями чашку Петри. Кишечные палочки и сальмонеллы могут скрываться в труднодоступных местах, например в сгибах и углах. Поэтому даже посудомоечная машина не может полностью обезопасить напечатанную модель. Некоторые токсичные виды плесени способны размножаться на пластиковой поверхности и устойчивы к обработке. Ни чистка отбеливателем, ни нагревание полимеров в микроволновой печи не помогут избавиться от микробов. 

Размножение бактерий — не проблема для одноразовых предметов. Но если вы планируете печатать продукты для длительного использования, настоятельно рекомендуем использовать безопасное для пищевых продуктов покрытие.

Эффективный способ борьбы с миграцией частиц и бактериями — покрытие напечатанных на 3D-принтере моделей пищевой эпоксидной или полиуретановой смолой, например Masterbond EP42HT-2FG, ArtResin или одобренным FDA политетрафторэтиленом (Teflon®).

Обратите внимание, что даже покрытие не гарантирует безопасность пищевых продуктов при длительном использовании модели. Не все покрытия можно мыть в посудомоечной машине. Кроме того, они могут износиться и обнажить исходную поверхность.

Большинство материалов для 3D-печати имеют низкую температуру тепловой деформации. Это означает, что они могут потрескаться или деформироваться при высокой температуре. Перед мытьем убедитесь, что материал устойчив к температуре нагревания посудомоечной машины.

Частицы могут мигрировать с поверхности 3D-принтера на модели. Поэтому крайне важно, чтобы все компоненты, которые контактируют с материалом для 3D-печати или моделью, были совместимы с пищевыми продуктами, не содержали и не выделяли вредных химических веществ. 

Следует соблюдать осторожность при работе с несколькими материалами, поскольку ранее использованные материалы могут оставить токсичные частицы на компонентах принтера.

Многие материалы для 3D-печати небезопасны для пищевых продуктов и могут содержать токсичные химические вещества. Используйте только те материалы, которые сертифицированы как безопасные для пищевых продуктов.

Если напечатанная модель контактирует с пищей в течение длительного времени, риск миграции увеличивается. Ограничьте время контакта небезопасных материалов с пищевыми продуктами и примите меры предосторожности при изготовлении моделей, которые будут соприкасаться с пищевыми продуктами в течение длительного времени.

Подумайте о преимуществах 3D-печати для изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. Если нужно создать нестандартные формы, можно воспользоваться косвенными способами применения 3D-печати, например литьем. См. пример в следующем разделе.

В основе 3D-печати с технологией SLA лежит фотополимеризация — процесс отверждения жидкого полимера в пластмассу с помощью лазера. В результате модели, напечатанные этим способом, имеют самое высокое разрешение, точность и качество поверхности по сравнению с другими технологиями.

Безопасен ли полимер для пищевых продуктов? Ответ — нет. Вещества могут мигрировать со стереолитографических моделей, что по умолчанию делает полимеры и напечатанные изделия небезопасными для пищевых продуктов. Хотя некоторые стоматологические и медицинские полимеры сертифицированы как биосовместимые, это не означает, что они безопасны для пищевых продуктов. Эти материалы сертифицированы для конкретной области применения и не должны использоваться для моделей, контактирующих с пищевыми продуктами.

Стереолитографические модели имеют гладкую поверхность, которая облегчает нанесение покрытий для герметизации и защиты от бактерий. Гладкость поверхности зависит от полимера, толщины слоя, ориентации относительно рабочей платформы, разрешения триангуляции сетки и профиля полимеризации полимера SLA. Перед нанесением покрытия напечатанные модели следует промыть и полимеризовать в соответствии с инструкциями производителя. Обратите внимание, что покрытие не гарантирует безопасность пищевых продуктовпри длительном использовании модели, так как со временем оно разрушается до исходной поверхности.

Создание индивидуальных пресс-форм — распространенный способ использования 3D-печати SLA для производства высокодетализированных моделей без прямого контакта с пищевыми продуктами. Хотя стереолитографические модели нельзя использовать для прямого контакта с пищевыми продуктами, 3D-принтеры SLA позволяют создавать вогнутые пресс-формы путем вакуумного формования с использованием безопасной для пищевых продуктов пластмассы.

Инструменты и способы печати пресс-форм для пищевых продуктов просты и эффективны.

Напечатанные пресс-формы для термоформования и силикон позволили создавать уникальный дизайн.

Узнайте больше о создании пресс-форм для вакуумного формования в нашем подробном пособии.

Гальванизация — это процесс покрытия моделей металлом с помощью электрического тока. Обычно этот способ используется в декоративных целях или для создания прочной поверхности, чтобы защитить изделие от коррозии.

Стереолитографические модели идеально подходят для гальванизации благодаря гладкой поверхности. Пластмасса не проводит электрический ток, поэтому стереолитографические модели нужно сделать проводящими. Для этого можно использовать графит, токопроводящий лак, пластину с химическим покрытием или напылением.

Вы также можете использовать безопасные для пищевых продуктов металлические покрытия. Но поскольку процесс производства связан с различными химическими веществами, вам придется позаботиться о безопасности изделий для пищевых продуктов.

Стереолитографическая 3D-печать позволяет производить модели из керамики. После печати их можно обжигать в печи, чтобы выжечь полимер и создать прочную термостойкую керамическую модель. Благодаря глазурованию модели становятся гигиеничнее и устойчивее к большинству химических веществ.

На рынке доступны различные безопасные для пищевых продуктов глазури. При их использовании обязательно следуйте инструкциям производителя и правилам безопасности пищевых продуктов.

Керамическая 3D-печать идеально подходит для изготовления сложных геометрических форм, которые невозможно выполнить вручную.

Моделирование методом наплавления (FDM) — это способ создания моделей путем плавления и экструзии термопластичной нити, которую слой за слоем наносит сопло принтера.

Экструдированный материал имеет круглое поперечное сечение, которое оставляет между слоями узкие щели. Их глубина прямо пропорциональна высоте слоя. При печати безопасных для пищевых продуктов моделей рекомендуется использовать наименьшую возможную высоту слоя.

Основная сложность при печати с помощью моделирования методом наплавления —избежать размножения бактерий. По-настоящему безопасной для длительного контакта с пищевыми продуктами считается модель с гладкой поверхностью. Химическое полирование растворителями, такими как ацетон, Д-лимонен или этилацетат, делает поверхность глянцевой. Тем не менее рекомендуется последующее нанесение безопасного для пищевых продуктов покрытия.

Слои, напечатанные с помощью моделирования методом наплавления (слева) и SLA (справа).

Совместимые с пищевыми продуктами нити не изнашивают сопло при печати, так как не содержат композитных частиц. Не следует использовать латунные сопла, содержащие свинец. Для изделий, контактирующих с пищевыми продуктами, выбирайте специальные сопла из нержавеющей стали.

Всегда проверяйте совместимость компонентов 3D-принтера с нитью. Например, полиэфиримид, материал, соответствующий требованиям Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, нужно обрабатывать при температуре более 300 °C. Подобная функция предусмотрена не во всех принтерах.

Чаще всего вопросы о безопасности изделий для пищевых продуктов, напечатанных с помощью моделирования методом наплавления, касаются двух материалов. Является ли ПЛА безопасной для пищевых продуктов? Является ли АБС безопасным для пищевых продуктов? Ответ — это зависит от некоторых условий.

Безопасные для пищевых продуктов нити содержат ПЛА, ПП, кополиэстер, ПЭТ, ПЭТГ, ударопрочный полистирол, нейлон-6 и некоторые виды АБС, АСА и ПЭИ. Необходимость мыть модель в посудомоечной машине исключает ПЭТ, нейлон и ПЛА, потому что они размягчаются и деформируются при температуре 60–70 °C. Если модель будет подвергаться воздействию высоких температур, лучше использовать кополиэстер, PLA-HT или ПЭИ.

Некоторые исследования свидетельствуют о потенциальном вреде этих веществ, хотя это и не отражено в законодательстве. Предполагается, что полистирол может выделять стиролы, кополиэстер вреден для здоровья, а безопасные для пищевых продуктов нити становятся токсичными из-за окисления и термической деградации в процессе печати.

В 3D-принтерах с селективным лазерным спеканием (SLS) используется высокомощный лазер для спекания мелких частиц порошка полимера. Самый распространенный материал для селективного лазерного спекания — нейлон, популярный инженерный термопластик с превосходными механическими свойствами.

Некоторые порошки SLS считаются безопасными для пищевых продуктов, однако частицы на поверхности моделей могут спекаться не полностью. В этом случае поверхность остается пористой и уязвимой для влаги и плесени. Хотя Nylon 12 Powder можно обрабатывать паром в автоклаве, мы рекомендуем покрывать модель безопасными для пищевых продуктов покрытиями, чтобы защитить поверхность.

Окрашивание — неотъемлемый этап постобработки моделей SLS. Обратите внимание, что краска может проникнуть внутрь модели. В этом случае она станет небезопасной для пищевых продуктов.

Безопасность 3D-печати для пищевых продуктов — не самая простая тема. Печать моделей, контактирующих с пищевыми продуктами, требует тщательного учета рисков в зависимости от предполагаемого использования.

Для получения дополнительной информации о безопасности пищевых продуктов и 3D-печати мы рекомендуем прочитать следующее:

• Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA CFR 21)
• Регламенты ЕС 10/2011.
• Оценка рисков 3D-принтеров и напечатанных моделей
• Внимательно выбирайте пластмассу для создания моделей, контактирующих с пищевыми продуктами