De essentiële gids voor voedselveilig 3D-printen: regelgeving, technologieën, materialen en meer

3D-printen biedt een ongeëvenaarde ontwerpvrijheid om op maat gemaakte onderdelen en complexe of organische vormen te produceren die met conventionele productiemethoden duur of onmogelijk te vervaardigen zijn.

Deze voordelen kunnen interessant zijn voor een reeks voedsel-gerelateerde toepassingen. Als 3D-geprinte onderdelen echter bedoeld zijn om in contact te komen met levensmiddelen, moet je rekening houden met veiligheidspraktijken en -voorschriften om contact met giftige stoffen te vermijden en de opbouw van schadelijke bacteriën te voorkomen.

Voedselveilig 3D-printen is mogelijk. De verscheidenheid aan als voedselveilig goedgekeurde materialen neemt toe. Er is echter een grote mate van ambiguïteit rond de workflows. Ook het vinden van de juiste toepasselijke regelgeving kan een uitdaging zijn.

In deze blog lees je meer over de voedselveiligheid, overwegingen inzake voedselveiligheid bij 3D-printen en een aantal methoden om voedselveilige producten te maken. Daartoe behoren stereolithografie (SLA), Fused Deposition Modeling (FDM) en Selective Laser Sintering (SLS).

N.B. Geen van de Formlabs resins zijn voedselveilig, tenzij de gebruiker extra maatregelen neemt.

Wat betekent voedselveilig nu eigenlijk?

Om te beginnen is het belangrijk een paar belangrijke termen te verduidelijken:

• Food grade betekent dat het materiaal veilig is voor menselijke consumptie of in contact mag komen met voedsel.
• Voedselveilig betekent dat een food grade materiaal voldoet aan de vereisten voor het beoogde gebruik en geen gevaar voor de voedselveiligheid oplevert.
• Met levensmiddelen in aanraking komende oppervlakken zijn alle oppervlakken die rechtstreeks met levensmiddelen in contact kunnen komen. Deze oppervlakken moeten gemaakt zijn van niet-giftige materialen en ontworpen om de omgeving van het beoogde gebruik te weerstaan. Inclusief blootstelling aan reinigingsmiddelen, ontsmettingsmiddelen en reinigingsprocedures.

Bij de sortering en de veiligheid van levensmiddelen gaat het om een specifieke manier om onderdelen binnen te krijgen, ook wel migratie genoemd. Deeltjes van enkele nanometers tot enkele honderden nanometers kunnen worden overgedragen zodra verschillende materialen met elkaar in contact komen, bijvoorbeeld van onderdelen van de 3D-printer naar het 3D-geprinte voorwerp en van het voorwerp naar het voedsel.

Omdat de migratie bij incidenteel contact zeer laag is, betreft de classificatie van levensmiddelen doorgaans voorwerpen die langdurig met levensmiddelen in contact komen zoals bakjes, rietjes, bestek, borden en mallen. Verschillende testinstituten houden zich aan verschillende door de overheid opgelegde risicotoleranties en goedgekeurde stoffen. Voor de VS wordt dit beschreven in FDA CFR 21 en voor de EU in richtsnoeren 10/2011.

Let op deze etiketten die de goedkeuring van de FDA en de EU aangeven. Let erop dat een materiaal dat "conform" is niet betekent dat het expliciet is goedgekeurd door deze instellingen. Controleer voor een certificaat dus altijd de technische specificaties.

Om volgens de FDA Food Code als voedselveilig te worden beschouwd, moet een materiaal aan de volgende eisen voldoen:

• Geen migratie van schadelijke stoffen
• Geeft geen kleuren, geuren of smaken af
• Veilig onder normale gebruiksomstandigheden
• Duurzaam, corrosiebestendig en niet-absorberend
• Voldoende gewicht om herhaaldelijk wassen te weerstaan
• Afgewerkt met een glad, gemakkelijk te reinigen oppervlak zonder breuken en scherpe interne hoeken
• Bestand tegen putjes, afschilfering, barsten, krassen, kerven, vervorming en ontbinding
• Toegankelijk voor inspectie

Elk door de FDA of de EU goedgekeurd materiaal omvat niet alleen het ruwe polymeer, maar ook de additieven of masterbatch. Deze kunnen bestanddelen bevatten zoals weekmakers, slag- en warmtevervormingsmodificatoren, UV-stabilisatoren, vlamvertragers, antifoulings, antistatisch, antislip, schuim- en klaringsmiddelen, antioxidanten, aromatische kernen, koolstoflegeringen, fosforescerende stoffen, vulstoffen, verdikkingsmiddelen, ketenverlengers, stoffen om metalen chemisch inactief te maken, verfstoffen en harsen.

Algemene overwegingen voor voedselveilig 3D-printen

Ophoping van bacteriën

Een 3D-geprint onderdeel kan binnen enkele weken veranderen in een petrischaaltje vol bacteriën. Sommige materialen overleven de vaatwasser. Zo ook gevaarlijke bacteriën zoals E. coli en salmonella die in de kleine hoekjes en gaatjes leven. Sommige giftige schimmels vinden gunstige groeiomstandigheden op verschillende soorten plastic en zijn lastig te verwijderen. Reinigen met bleekwater of polymeren in de magnetron is dan ook geen optie om ziektekiemen te verwijderen. 

Het ophopen van bacteriën is misschien geen probleem voor wegwerpartikelen. Ben je echter voornemens een onderdeel te maken voor langdurig gebruik, dan is het gebruik van een voedselveilige coating sterk aan te bevelen.>

Voedselveilige coatings en afdichtingsmiddelen

De beste optie om het risico van deeltjesmigratie en bacterievorming te beperken, is de 3D-geprinte onderdelen te voorzien van een voor levensmiddelen geschikte epoxy- of polyurethaanhars. Zoals bijvoorbeeld Masterbonds EP42HT-2FG of ArtResin of een door de FDA goedgekeurd PTFE (bekend als Teflon®) om het oppervlak af te dichten.

Let wel, een coating garandeert ook geen voedselveiligheid bij langdurig gebruik. Niet al deze coatings zijn vaatwasmachinebestendig en ze kunnen na verloop van tijd afbreken, waardoor het oorspronkelijke, mogelijk onveilige oppervlak bloot komt te liggen.

Vaatwasmachinebestendig

De meeste 3D-printmaterialen hebben een lage warmteafbuigingstemperatuur (HDT). Dit betekent dat de 3D-geprinte onderdelen broos kunnen worden en kunnen barsten, of vervormen en kromtrekken bij hogere temperaturen. Als je van plan bent een 3D-geprint onderdeel in de vaatwasser te reinigen, controleer dan goed of het materiaal vaatwasmachinebestendig is en of er specifieke aanbevelingen zijn voor de wastemperatuur.

Voedselveilige apparatuur

Deeltjes kunnen migreren van onderdelen van een 3D-printer naar 3D-geprinte onderdelen. Daarom is het van essentieel belang dat alle onderdelen die in contact komen met het 3D-printmateriaal of het onderdeel geschikt zijn voor levensmiddelen en geen schadelijke chemicaliën bevatten of uitlogen. 

Dit houdt ook in dat voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen bij het gebruik van meerdere materialen. Sommige materialen die eerder in de 3D-printer zijn gebruikt, kunnen namelijk giftige deeltjes hebben bevat en in contact zijn gekomen met bepaalde onderdelen.

Voedselveilige 3D-printmaterialen

Veel 3D-printmaterialen zijn niet voedselveilig en kunnen giftige chemicaliën bevatten. Gebruik voor het 3D-printen van onderdelen die bestemd zijn voor contact met voedsel alleen materialen die gecertificeerd zijn voor voedselveiligheid.

Contacttijd met voedsel

Uiteraard is het risico op migratie groter als het voedsel gedurende langere tijd aan het 3D-geprinte onderdeel wordt blootgesteld. Probeer in het algemeen de contacttijd met voedsel te beperken en neem verdere voorzorgsmaatregelen voor onderdelen die langere tijd in contact komen met voedsel.

3D-printen gebruiken om voorwerpen te maken die in contact komen met voedsel

Denk na over de reden waarom je 3D-printen wilt gebruiken voor een voorwerp dat met voedsel in contact komt. Als het gaat om het maken van vormen op maat, zijn er in de meeste gevallen indirecte manieren om 3D-printen te gebruiken om deze onderdelen op maat te maken, bijvoorbeeld met gieten. Zie voorbeeld in de volgende paragraaf.

Voedselveilig 3D-printen met stereolithografie (SLA)

SLA 3D-printen maakt gebruik van een laser om vloeibare resin uit te harden tot een gehard kunststof in een proces genaamd fotopolymerisatie. Dit resulteert in onderdelen met de hoogste resolutie en nauwkeurigheid, de duidelijkste details en de gladste oppervlakteafwerking van alle kunststof 3D-printtechnologieën.

Is resin voedselveilig? Het antwoord is nee. Uit SLA-onderdelen kunnen stoffen migreren. Dat maakt geen van de resins en geprinte onderdelen standaard voedselveilig. Sommige resins voor tandheelkundige en medische toepassingen zijn weliswaar gecertificeerd als biocompatibel, maar dat betekent niet dat ze voedselveilig zijn. Deze materialen zijn gecertificeerd voor specifieke toepassingen en mogen niet worden gebruikt voor producten die in contact komen met voedsel.

SLA-onderdelen hebben een glad oppervlak, waardoor het gemakkelijker is coatings te gebruiken om het oppervlak af te dichten en de opbouw van bacteriën te voorkomen. De factoren die van invloed zijn op de uiteindelijke gladheid van een onderdeel zijn onder meer het type resin, de laagdikte, bouwrichting, mesh triangulatie-resolutie van het 3D-model en het uithardingsprofiel van de SLA-resin. Geprinte onderdelen moeten volgens de instructies van de fabrikant worden gewassen en uitgehard voordat de coating wordt aangebracht. Maar let op: coatings garanderen geen voedselveiligheid, omdat de coating kan interageren met de resin of na verloop van tijd kan degraderen. Dan kan het oorspronkelijke, mogelijk onveilige oppervlak bloot komen te liggen.

Mallen

Het maken van mallen op maat is een gebruikelijke manier om de voordelen van SLA 3D-printen te benutten. Zo kunnen zeer gedetailleerde onderdelen op maat worden gemaakt zonder dat de 3D-printonderdelen in direct contact komen met voedsel. Hoewel SLA 3D-prints niet geschikt zijn voor het direct gieten van voedsel, zijn SLA 3D-printers perfecte hulpmiddelen om vormnegatieven te maken. Deze kunnen vacuüm worden gevormd met voedselveilig kunststof.

De gereedschappen en technieken voor het maken van 3D-geprinte mallen voor voedsel zijn gemakkelijk onder de knie te krijgen. De resultaten zijn vaak indrukwekkend.

Met 3D-geprinte mallen voor thermovormen en siliconen kunnen unieke vormen en ontwerpen worden gemaakt.

Galvaniseren

Galvaniseren is het proces waarbij onderdelen met behulp van een elektrische stroom met metaal worden bekleed. Het proces wordt meestal gebruikt voor decoratieve doeleinden of om corrosie te voorkomen door een duurzaam oppervlak te creëren.

SLA-onderdelen zijn ideaal voor galvaniseren vanwege hun gladde oppervlak. Maar omdat kunststoffen niet-geleidende oppervlakken zijn, moeten SLA 3D-prints geleidend worden gemaakt door ze te coaten met grafiet, geleidende lak, middels stroomloos metalliseren of een verdampte coating.

Er zijn voedselveilige metaalcoatings beschikbaar. Maar aangezien het proces verschillende chemicaliën omvat, moet de ontwikkelaar er zelf voor zorgen dat de workflow is goedgekeurd voor contact met levensmiddelen.

Keramiek

SLA 3D-printen biedt de unieke mogelijkheid om keramische onderdelen te produceren. Na het 3D-printen kunnen de onderdelen worden gebakken in een oven om de resin eruit te branden en een echt keramisch onderdeel te vormen dat sterk en hittebestendig is. Met daaropvolgend voedselveilig glazuur worden de onderdelen hygiënischer en bestand tegen de meeste chemicaliën.

Er zijn verschillende voedselveilige glazuren op de markt. Zorg er wel voor dat je de instructies van de fabrikant volgt, overeenkomstig de richtlijnen voor voedselveiligheid.

3D-printen in keramiek is ideaal voor het vervaardigen van complexe geometrieën die met de hand onmogelijk zijn.

Voedselveilig 3D-printen met Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM is een 3D-printproces waarbij onderdelen worden gemaakt door thermoplastisch filament te smelten en extruderen.

Het geëxtrudeerde materiaal heeft een ronde doorsnede, waardoor tussen de lagen zeer smalle spleten overblijven met een diepte die recht evenredig is met de laaghoogte. Voor voedselveilige onderdelen wordt in elk geval aanbevolen om met de laagst haalbare laaghoogte te printen.

De grootste uitdaging bij FDM-onderdelen is dan ook het voorkomen van de ophoping van bacteriën. Om op lange termijn echt voedselveilig te zijn, moet een FDM 3D-print een glad oppervlak hebben. Chemisch gladmaken met oplosmiddelen zoals aceton, d-limoneen of ethylacetaat verwijdert veel van de onregelmatigheden van de print. Het resultaat is een glad, glanzend uiterlijk. Het aanbrengen van een volgende voedselveilige coating wordt echter nog steeds sterk aanbevolen.

Lagen op FDM (links) en SLA (rechts) 3D-prints.

Food grade filamenten bevatten geen composietdeeltjes. De spuitmond slijt dus niet in de print. Vermijd echter koperen spuitmonden die lood bevatten. Gebruik in plaats daarvan een speciale spuitmond van roestvrij staal voor alle voorwerpen die met voedsel in aanraking komen.

Controleer altijd de compatibiliteit van de componenten van jouw 3D-printer met het filament. PEI is bijvoorbeeld een materiaal dat voldoet aan de FDA-normen en grote mechanische voordelen biedt. Het moet echter worden verwerkt bij meer dan 300 °C en dit vereist een specifieke printeroplossing.

Voedselveilige FDM-materialen (voedselveilige 3D-printerfilamenten)

De meest voorkomende vragen over FDM-voedselveiligheid gaan over twee populaire materialen. Is PLA voedselveilig? Is ABS voedselveilig? Het antwoord is: dat hangt ervan af.

Voedselveilige 3D-printfilamenten zijn PLA, PP, co-polyester, PET, PET-G, HIPS en nylon-6, evenals sommige merken ABS, ASA en PEI. Onderdelen die in de vaatwasser moeten, zijn uitgesloten van PET, nylon en PLA. Deze kunststoffen worden namelijk zacht en vervormen rond 60-70 °C. Voor toepassingen met hete vloeistoffen zijn co-polyester, High Temperature PLA of PEI het meest geschikt.

Hoewel dit niet in de regelgeving is opgenomen, wordt in sommige studies verondersteld dat polystyreen styreen kan uitlogen. Co-polyesters zouden gezondheidsproblemen kunnen veroorzaken. Food grade FDM-filamenten zouden hun veilige status kunnen verliezen door oxidatie en thermische degradatie tijdens het printproces.

N.B.: de gegevens in deze tabel kunnen worden gewijzigd.

Voedselveilig 3D-printen met Selective Laser Sintering (SLS)

Selective Laser Sintering is een 3D-printproces waarbij een krachtige laser wordt gebruikt om kleine deeltjes polymeerpoeder samen te smelten. Het meest gebruikte materiaal voor lasersintering is nylon, een populaire thermoplast met uitstekende mechanische eigenschappen.

Hoewel sommige SLS-poeders voedselveilig zijn, is het mogelijk dat de deeltjes op het oppervlak van de geprinte onderdelen niet volledig versmelten. Dit resulteert in onderdelen die poreus zijn en niet goed tegen vocht en schimmelgroei kunnen. Hoewel het nylon 12-poeder met stoom kan worden gereinigd in een autoclaaf, is het het beste om SLS-onderdelen te coaten met voedselveilige coatings om het oppervlak af te dichten.

Een gebruikelijke nabewerking van SLS-onderdelen is het verven. Maar let op: nadat een SLS-onderdeel is geverfd, kan de verf in het geprinte onderdeel uitlogen. Dat maakt het onderdeel niet voedselveilig.

Conclusie en meer lezen

Voedselveiligheid met 3D-printen is geen eenvoudige kwestie met een duidelijk ja of nee antwoord. De productie van 3D-geprinte onderdelen voor voorwerpen die in contact komen met voedsel vereist een zorgvuldige afweging van de risico's, afhankelijk van het beoogde gebruik.

Voor meer informatie over voedselveiligheid en 3D-printen raden wij je aan het volgende te lezen:

• FDA-voorschriften CFR 21
• EU-richtlijnen 10/2011
• Risicobeoordeling van 3D-printers en 3D-geprinte producten
• De lastige kwestie van het kiezen van kunststof voor toepassingen die in contact komen met voedsel