پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی: مقررات، فناوری‌ها و مواد

پرینت سه بعدی آزادی طراحی بی‌نظیری را برای تولید قطعات سفارشی و اشکال پیچیده یا ارگانیک فراهم می‌کند که با روش‌های سنتی ساخت، هزینه‌بر یا غیرممکن هستند.

این مزایا می‌توانند برای طیف وسیعی از کاربردهای مرتبط با مواد غذایی جذاب باشند. ولی، اگر قطعات پرینت سه بعدی برای تماس با مواد غذایی در نظر گرفته شده‌اند، باید اقدامات ایمنی و مقررات مربوطه را در نظر بگیرید تا از تماس با مواد سمی و تجمع باکتری‌های مضر جلوگیری شود.

پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی امکان‌پذیر است و تنوع مواد تایید شده به عنوان ایمن برای مواد غذایی در حال افزایش است، اما ابهامات زیادی در مورد فرآیندهای کاری و یافتن مقررات قابل اجرا وجود دارد.
در ادامه، مقدمه‌ای بر ایمنی مواد غذایی، ملاحظات ایمنی مواد غذایی برای پرینت سه بعدی و روش‌های مختلف برای تولید محصولات ایمن برای مواد غذایی با استفاده از فرآیندهای رایج، از جمله استریولیتوگرافی (SLA)، مدل‌سازی رسوب ذوبی (FDM) و جوش لیزری انتخابی (SLS) ارائه می‌شود.

ایمن برای مواد غذایی واقعاً به چه معناست؟

برای شروع، مهم است که چند اصطلاح کلیدی را روشن کنیم:

• درجه مواد غذایی (Food Grade): به این معنی که ماده یا برای مصرف انسان ایمن است یا مجاز به تماس با مواد غذایی است.
• ایمن برای مواد غذایی (Food Safe): به این معنی که یک ماده درجه مواد غذایی الزامات تعیین شده توسط استفاده مورد نظر را برآورده می‌کند و خطری برای ایمنی مواد غذایی ایجاد نمی‌کند.
• سطوح تماس با مواد غذایی: شامل هر سطحی است که ممکن است به طور مستقیم با مواد غذایی تماس داشته باشد. این سطوح باید از مواد غیرسمی ساخته شده و برای مقاومت در برابر محیط استفاده مورد نظر طراحی شده باشند، از جمله قرار گرفتن در معرض مواد شوینده، ضدعفونی‌کننده‌ها و روش‌های نظافت.

درجه‌بندی و ایمنی مواد غذایی به روش خاصی از تماس قطعات با مواد غذایی مربوط می‌شود که به آن مهاجرت (Migration) می‌گویند. ذراتی به کوچکی چند نانومتر و تا چند صد نانومتر ممکن است در هر بار تماس مواد مختلف با یکدیگر منتقل شوند، مثلاً از اجزای پرینتر سه بعدی صنعتی به شیء چاپ شده و از آن شیء به مواد غذایی.

از آنجا که سطح مهاجرت در تماس‌های گاه‌به‌گاه بسیار کم است، درجه‌بندی مواد غذایی معمولاً به مواردی مربوط می‌شود که به طور طولانی‌مدت با مواد غذایی تماس دارند، مانند ظروف، نی‌ها، وسایل آشپزی، بشقاب‌ها و قالب‌های مواد غذایی. مؤسسات آزمایشی مختلف به تحمل‌های ریسک تعیین‌شده توسط دولت و مواد تایید شده پایبند هستند که برای ایالات متحده در FDA CFR 21 و برای اتحادیه اروپا در دستورالعمل‌های 10/2011 شرح داده شده است.

به این برچسب‌ها که نشان‌دهنده تاییدیه FDA و EU هستند، توجه کنید. مراقب باشید که «مطابقت با» به این معنی نیست که یک ماده به طور صریح توسط این مؤسسات تایید شده است، بنابراین همیشه برگه‌های فنی را برای گواهی بررسی کنید.

برای اینکه یک ماده مطابق با کد مواد غذایی FDA ایمن برای مواد غذایی در نظر گرفته شود، باید شرایط زیر را داشته باشد:

• عدم مهاجرت مواد مضر
• عدم انتقال رنگ، بو یا طعم
• ایمن تحت شرایط استفاده عادی
• بادوام، مقاوم در برابر خوردگی و غیرجاذب
• به اندازه کافی سنگین برای تحمل شستشوی مکرر
• دارای سطحی صاف، قابل نظافت بدون شکستگی و زوایای تیز داخلی
• مقاوم در برابر حفره‌دار شدن، ترک خوردن، خراشیدگی، تغییر شکل و تجزیه
• قابل بازرسی

هر ماده تایید شده توسط FDA یا EU نه تنها شامل پلیمر خام، بلکه افزودنی‌ها یا مستربچ نیز می‌شود. این مواد ممکن است حاوی اجزایی مانند نرم‌کننده‌ها، اصلاح‌کننده‌های مقاومت در برابر ضربه و تغییر شکل حرارتی، تثبیت‌کننده‌های UV، بازدارنده‌های شعله، ضد جلبک، ضد استاتیک، ضد لغزش، عوامل کف‌کننده و شفاف‌کننده، آنتی‌اکسیدان‌ها، هسته‌زن‌های آروماتیک، آلیاژهای کربن، مواد فسفرسانت، پرکننده‌ها، غلیظ‌کننده‌ها، گسترش‌دهنده‌های زنجیره، غیرفعال‌کننده‌های فلزی، رنگ‌ها و یک رزین حامل باشند.

ملاحظات کلی پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی

تجمع باکتری‌ها

قطعه پرینت سه بعدی می‌تواند در عرض چند هفته به یک ظرف پرورش‌دهنده باکتری تبدیل شود. حتی اگر برخی مواد در ماشین ظرفشویی دوام بیاورند، باکتری‌های خطرناکی مانند E. coli و سالمونلا که در گوشه و کنارهای کوچک قطعه زندگی می‌کنند نیز زنده می‌مانند. برخی کپک‌های سمی شرایط مساعدی برای رشد روی انواع مختلف پلاستیک پیدا می‌کنند و به سختی قابل حذف هستند. نه تمیز کردن با سفیدکننده و نه قرار دادن پلیمرها در مایکروویو، گزینه‌های مناسبی برای از بین بردن میکروب‌ها نیستند.
تجمع باکتری‌ها ممکن است برای اقلام یک‌بار مصرف مشکلی ایجاد نکند، ولی اگر قصد دارید قطعه‌ای برای استفاده طولانی‌مدت ایجاد کنید، استفاده از پوشش ایمن برای مواد غذایی بسیار توصیه می‌شود.

پوشش‌ها و درزگیرهای ایمن برای مواد غذایی

بهترین گزینه برای کاهش خطر مهاجرت ذرات و تجمع باکتری‌ها، آغشته کردن قطعات پرینت سه بعدی با یک اپوکسی یا رزین پلی‌اورتان درجه مواد غذایی، مانند Masterbond’s EP42HT-2FG یا ArtResin یا PTFE تایید شده توسط FDA (معروف به تفلون®) برای مهر و موم کردن سطح آن‌ها است.
با این حال، توجه داشته باشید که پوشش‌دهی نیز ایمنی مواد غذایی را برای استفاده طولانی‌مدت تضمین نمی‌کند، زیرا همه این پوشش‌ها برای ماشین ظرفشویی ایمن نیستند و ممکن است با گذشت زمان تخریب شوند و سطح اصلی و بالقوه ناامن را در معرض دید قرار دهند.

ایمنی در ماشین ظرفشویی

بیشتر مواد پرینت سه بعدی دارای دمای تغییر شکل حرارتی (HDT) پایینی هستند، به این معنی که قطعات پرینت سه بعدی ممکن است در دمای بالا شکننده و ترک‌خورده یا تغییر شکل داده و تاب برداشته شوند. اگر قصد دارید یک قطعه پرینت سه بعدی را در ماشین ظرفشویی تمیز کنید، مطمئن شوید که ماده برای ماشین ظرفشویی ایمن است و اینکه آیا توصیه‌های خاصی برای دمای شستشو وجود دارد یا خیر.

تجهیزات ایمن برای مواد غذایی

از آنجا که ذرات ممکن است از اجزای پرینتر سه بعدی به قطعات چاپ شده مهاجرت کنند، بسیار مهم است که هر جزء که ممکن است با ماده پرینت سه بعدی یا قطعه تماس داشته باشد، درجه مواد غذایی باشد و حاوی مواد شیمیایی مضر نباشد یا آن‌ها را آزاد نکند.

این شامل احتیاط در هنگام استفاده از چندین ماده می‌شود، زیرا ممکن است برخی مواد قبلاً استفاده شده در پرینتر سه بعدی حاوی ذرات سمی بوده و با برخی اجزا تماس داشته باشند.

مواد پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی

بسیاری از مواد پرینت سه بعدی برای مواد غذایی ایمن نیستند و ممکن است حاوی مواد شیمیایی سمی باشند. فقط از موادی برای پرینت سه بعدی قطعاتی که برای تماس با مواد غذایی در نظر گرفته شده‌اند استفاده کنید که گواهی ایمنی مواد غذایی داشته باشند.

زمان تماس با مواد غذایی

همان‌طور که انتظار می‌رود، اگر مواد غذایی برای مدت طولانی در معرض قطعه پرینت سه بعدی قرار گیرد خطر مهاجرت بیشتر است. به طور کلی، سعی کنید زمان تماس با مواد غذایی را محدود کنید و برای قطعاتی که برای مدت طولانی‌تری با مواد غذایی در تماس خواهند بود، اقدامات احتیاطی بیشتری انجام دهید.

استفاده از پرینت سه بعدی برای ایجاد اقلام تماس با مواد غذایی

به این فکر کنید که چرا می‌خواهید از پرینت سه بعدی برای یک آیتم تماس با مواد غذایی استفاده کنید. اگر هدف ایجاد اشکال و فرم‌های سفارشی است، در بیشتر موارد راه‌های غیرمستقیمی برای استفاده از پرینت سه بعدی برای ایجاد این قطعات سفارشی وجود دارد، مثلاً با استفاده از قالب‌سازی. در بخش بعدی یک مثال خواهید دید.

پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی با استریولیتوگرافی (SLA)

پرینت سه بعدی SLA از یک لیزر برای تبدیل رزین مایع به پلاستیک سخت‌شده در فرآیندی به نام فوتوپلیمریزاسیون استفاده می‌کند که منجر به تولید قطعاتی با بالاترین وضوح و دقت، واضح‌ترین جزئیات و صاف‌ترین سطح نهایی در بین تمام فناوری‌های پرینت سه بعدی پلاستیک می‌شود.

آیا رزین برای مواد غذایی ایمن است؟ پاسخ منفی است. مواد ممکن است از قطعات SLA مهاجرت کنند که باعث می‌شود هیچ یک از رزین‌ها و قطعات چاپ شده به طور پیش‌فرض برای مواد غذایی ایمن نباشند. با اینکه برخی رزین‌ها برای کاربردهای دندان‌پزشکی و پزشکی گواهی زیست‌سازگاری دارند، این به معنای ایمن بودن آن‌ها برای مواد غذایی نیست. این مواد برای کاربردهای خاصی گواهی شده‌اند و نباید برای محصولات تماس با مواد غذایی استفاده شوند.

قطعات SLA دارای سطحی صاف هستند که استفاده از پوشش‌ها برای مهر و موم کردن سطح و جلوگیری از تجمع باکتری‌ها را آسان‌تر می‌کند. عواملی که بر صافی نهایی قطعه تأثیر می‌گذارند شامل نوع رزین، ضخامت لایه، جهت‌گیری ساخت، رزولوشن مثلث‌بندی مش مدل سه بعدی و پروفایل پخت رزین SLA است. قطعات چاپ شده قبل از اعمال پوشش، نیاز به شستشو و پخت پس از چاپ طبق دستورالعمل‌های سازنده دارند. با این حال، توجه داشته باشید که پوشش‌ها ایمنی مواد غذایی را تضمین نمی‌کنند، زیرا ممکن است پوشش با رزین واکنش دهد یا با گذشت زمان تخریب شود و سطح اصلی و بالقوه ناامن را در معرض دید قرار دهد.

قالب‌ها: ایجاد قالب‌های سفارشی یک روش رایج برای بهره‌برداری از مزایای پرینت سه بعدی SLA برای تولید قطعات سفارشی با جزئیات بالا بدون تماس مستقیم قطعات پرینت سه بعدی با مواد غذایی است. در حالی که چاپ‌های SLA برای قالب‌گیری مستقیم مواد غذایی مناسب نیستند، پرینترهای رزین (SLA) ابزارهای کاملی برای ایجاد قالب‌های منفی هستند که می‌توانند با استفاده از پلاستیک ایمن برای مواد غذایی به روش فرم‌دهی خلاء ساخته شوند.

قطعات SLA به دلیل سطح صاف و صیقلی‌شان برای آبکاری فلزی ایده‌آل هستند. از آنجا که پلاستیک‌ها سطوح غیررسانا هستند، قطعات چاپ شده با SLA باید با استفاده از گرافیت، لاک رسانا، آبکاری بدون الکترولیز یا پوشش بخار شده، رسانا شوند.

پوشش‌های فلزی ایمن برای مواد غذایی وجود دارند، اما از آنجا که این فرآیند شامل مواد شیمیایی مختلفی است، اطمینان از اینکه فرآیند کاری برای تماس با مواد غذایی تایید شده است، بر عهده توسعه‌دهنده است.

سرامیک‌ها: پرینت سه بعدی SLA امکان منحصر به فردی برای تولید قطعات سرامیکی فراهم می‌کند. پس از پرینت سه بعدی، قطعات را می‌توان در کوره پخت تا رزین سوخته و یک قطعه سرامیکی واقعی تشکیل شود که قوی و مقاوم در برابر حرارت است. با استفاده از لعاب‌های ایمن برای مواد غذایی، قطعات بهداشتی‌تر و مقاوم‌تر در برابر بیشتر مواد شیمیایی می‌شوند.

پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی با مدل‌سازی رسوب ذوبی (FDM)

FDM یک فرآیند پرینت سه بعدی است که قطعات را با ذوب و اکسترود کردن فیلامنت ترموپلاستیک می‌سازد و یک نازل پرینتر سه بعدی، مواد را لایه به لایه در ناحیه ساخت رسوب می‌دهد.

مواد اکسترود شده در مقطع دایره‌ای هستند، که شکاف‌های بسیار باریکی بین لایه‌ها باقی می‌گذارد که عمق آن‌ها مستقیماً با ارتفاع لایه مرتبط است. در هر صورت، توصیه می‌شود برای قطعات ایمن برای مواد غذایی، با کمترین ارتفاع لایه ممکن چاپ کنید.

در نتیجه، چالش اصلی با قطعات FDM جلوگیری از تجمع باکتری‌ها است. برای اینکه یک قطعه چاپ شده با FDM در بلندمدت واقعاً ایمن برای مواد غذایی باشد، باید سطحی صاف داشته باشد. صاف‌کردن شیمیایی با حلال‌هایی مانند استون، d-Limonene یا اتیل استات بسیاری از ناهمواری‌های چاپ را از بین می‌برد و ظاهری صاف و براق ایجاد می‌کند. با این حال، استفاده از یک پوشش ایمن برای مواد غذایی پس از آن همچنان بسیار توصیه می‌شود.

فیلامنت‌های درجه مواد غذایی حاوی ذرات کامپوزیتی نیستند، بنابراین نازل را فرسوده نمی‌کنند. با این وجود، از نازل‌های برنجی که حاوی سرب هستند اجتناب کنید و به جای آن از نازل استیل ضدزنگ اختصاصی برای تمام اقلام تماس با مواد غذایی استفاده کنید.

همیشه مطمئن شوید که اجزای پرینتر سه بعدی شما با فیلامنت سازگار هستند. به عنوان مثال، PEI ماده‌ای است که با FDA مطابقت دارد و مزایای مکانیکی عالی ارائه می‌دهد، اما باید در دمای بالای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد پردازش شود، که نیاز به یک راه‌حل پرینتر خاص دارد.

مواد FDM ایمن برای مواد غذایی (فیلامنت‌های پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی)

رایج‌ترین سوالات در مورد ایمنی مواد غذایی در FDM مربوط به دو ماده محبوب است. آیا PLA ایمن برای مواد غذایی است؟ آیا ABS ایمن برای مواد غذایی است؟ پاسخ این است که بستگی دارد.
فیلامنت‌های پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی شامل PLA، PP، کوپلی‌استر، PET، PET-G، HIPS و نایلون-۶ و همچنین برخی برندهای ABS، ASA و PEI هستند. نیاز به شستشوی قطعات در ماشین ظرفشویی، PET، نایلون و PLA را حذف می‌کند، زیرا این پلاستیک‌ها در حدود ۶۰-۷۰ درجه سانتی‌گراد نرم و تغییر شکل می‌دهند. برای کاربردهای مربوط به مایعات داغ، کوپلی‌استر، PLA دمای بالا یا PEI بیشترین سازگاری را دارند.

با اینکه این موضوع در مقررات منعکس نشده است، اما برخی مطالعات مشکوک هستند که پلی‌استایرن ممکن است استایرن آزاد کند، کوپلی‌استرها ممکن است باعث نگرانی‌های سلامتی شوند و فیلامنت‌های FDM درجه مواد غذایی ممکن است به دلیل اکسیداسیون و تخریب حرارتی ناشی از فرآیند چاپ، وضعیت ایمن خود را از دست بدهند.

فیلامنت	برند	FDA	EU	قابل صاف‌کردن	ایمن در ماشین ظرفشویی	مناسب برای مایعات داغ
ABS	Adwire PRO	تایید شده	NA	بله، استون	بله	بله
	Innofil3D	تایید شده به جز قرمز، نارنجی و صورتی	تایید شده به جز قرمز، نارنجی و صورتی	بله، استون	بله	بله
ASA	Innofil3D	NA	مطابق		بله	خیر
Bendlay	Orbi-Tech	NA	مطابق	بله، تمیزکننده ترمز	خیر	خیر
Biocompound	Extrudr GreenTEC	NA	مطابق
Co-Polyester	Colorfabb XT	تایید شده	مطابق	خیر	بله	بله
HIPS	Easyfil	مطابق	مطابق	بله، d-limonene	بله	خیر
	Fillamentum	NA	مطابق	بله، d-limonene	بله	خیر
	InnoFil3D	تایید شده	تایید شده	بله، d-limonene	بله	خیر
Nylon	Taulman Nylon 680	مطابق	NA		خیر	خیر
PEI	ULTEM® 1000	مطابق	NA		بله	بله
PET	InnoPet EPR	تایید شده به جز قرمز و نارنجی	تایید شده به جز قرمز و نارنجی	بله، اتیل استات	خیر	خیر
	Refil	تایید شده	NA	بله، اتیل استات	خیر	خیر
	Taulman T-Glase	تایید شده	NA	بله، اتیل استات	خیر	خیر
	Verbatim	مطابق	NA	بله، اتیل استات	خیر	خیر
PET-G	Extrudr MF	NA	تایید شده	بله، اتیل استات	خیر	خیر
	HDGlass	تایید شده	تایید شده	بله، اتیل استات	خیر	خیر
PLA	Filaments.ca TrueFS	تایید شده	NA	خیر	خیر	خیر
	Fillamentum	NA	مطابق	خیر	خیر	خیر
	Innofil3D	تایید شده به جز قرمز، نارنجی، صورتی، پوست زردآلو، خاکستری و سرخابی	تایید شده به جز قرمز، نارنجی، صورتی، پوست زردآلو، خاکستری و سرخابی	خیر	خیر	خیر
	Copper3D PLActive Antibacterial	تایید شده	مطابق	خیر	خیر	خیر
	Makergeeks	تایید شده	NA	خیر	خیر	خیر
	Purement Antibacterial	تایید شده	تایید شده	خیر	خیر	خیر
PLA-HT	Makergeeks Raptor	تایید شده	NA	خیر	بله	بله
PP	Centaur	مطابق	مطابق	خیر	بله	بله
	InnoFil3D	تایید شده	تایید شده	خیر	بله	بله
	Nunus	مطابق	مطابق	خیر	بله	بله
	Verbatim	مطابق	NA	خیر	بله	بله
SBS	Filamentarno	NA	تایید شده فقط در روسیه	بله، d-limonene	بله	بله

توجه: لطفاً توجه داشته باشید که داده‌های این جدول ممکن است تغییر کنند.

پرینت سه بعدی ایمن برای مواد غذایی با لیزر انتخابی (SLS)

جوش لیزری انتخابی (SLS) یک فرآیند پرینت سه بعدی است که از یک لیزر پرتوان برای ذوب ذرات کوچک پودر پلیمر استفاده می‌کند. رایج‌ترین ماده برای جوش لیزری، نایلون است، یک ترموپلاستیک مهندسی محبوب با خواص مکانیکی عالی.

در حالی که برخی پودرهای SLS درجه مواد غذایی دارند، ذرات روی سطح قطعات چاپ شده ممکن است به طور کامل ذوب نشوند، که منجر به قطعاتی می‌شود که ذاتاً متخلخل هستند و با رطوبت و رشد کپک به خوبی کنار نمی‌آیند. حتی اگر پودر نایلون ۱۲ بتواند در اتوکلاو با بخار تمیز شود، بهتر است قطعات SLS با پوشش‌های ایمن برای مواد غذایی پوشانده شوند تا سطح آن‌ها مهر و موم شود.
یک مرحله رایج پس از پردازش برای قطعات SLS، رنگرزی است. اما توجه داشته باشید که پس از رنگرزی یک قطعه SLS، رنگ ممکن است به داخل قطعه چاپ شده نفوذ کند که باعث می‌شود آیتم ایمن برای مواد غذایی نباشد.

نتیجه‌گیری

ایمنی مواد غذایی با پرینت سه بعدی موضوع ساده‌ای نیست که به یک پاسخ واضح بله یا خیر ختم شود. تولید قطعات پرینت سه بعدی برای اقلام تماس با مواد غذایی نیاز به توجه دقیق به خطرات بسته به استفاده مورد نظر دارد.