Stampa 3D per l’alimentare: suggerimenti per la progettazione, materiali e finiture

Nell’ultimo decennio, le tecnologie di stampa 3D sono cresciute con maggiori dettagli sofisticati consentendo la produzione di parti ripetibili, durevoli e persino complesse che sono alla pari delle loro controparti create con metodi di produzione tradizionali.

Un numero crescente di industrie utilizza la stampa 3D per la propria produzione. Uno di questi è l’industria alimentare, che impiega ampiamente la stampa 3D in molte applicazioni. Tuttavia, esistono timori sull’applicazione della tecnologia nell’industria alimentare a causa delle rigide normative da rispettare nella produzione di imballaggi per alimenti, utensili da cucina e persino pezzi di ricambio per le apparecchiature di produzione.

Fattori da considerare per la stampa 3D a norma alimentare

Il concetto di sicurezza alimentare implica che un articolo ha soddisfatto i requisiti per l’uso previsto e non genererà un pericolo per la sicurezza alimentare. Le normative alimentari dell’UE si applicano a tutte le fasi della produzione, lavorazione e distribuzione di alimenti e mangimi. Il Regolamento Europeo CE 1935/2004 fornisce le linee guida per i materiali e gli oggetti destinati al contatto con gli alimenti con l’obiettivo di prevenire la contaminazione.

In generale, ci sono tre fattori da considerare per le parti 3D normate per gli alimenti: il design delle parti, i materiali utilizzati e i trattamenti di post-elaborazione.

Disegno della parte sicuro per gli alimenti

Quando si progettano le superfici dei prodotti al fine di rendere le parti sicure per gli alimenti, è necessario considerare quanto segue:

• Sottosquadri e fessure: La superficie deve essere progettata con la completa eliminazione di sottosquadri o fessure sulle sue superfici. Laddove queste caratteristiche non possano essere evitate per esigenze di funzionalità, andrebbe previsto un facile accesso a queste aree quando la parte o il prodotto viene smontato per consentirne una pulizia adeguata.
• Spigoli raccordati: gli spigoli andrebbero raccordati con un raggio più ampio, ove possibile, e gli angoli dovrebbero essere ben arrotondati anziché affilati.
• Robustezza: le parti devono essere progettate tenendo conto dell’ambiente operativo, dell’applicazione prevista e delle proprietà dei materiali per garantire che sopportino urti durante il servizio.

Materiali di stampa 3D per ambito alimentare

Molti materiali per ambiente alimentare vengono identificati attraverso adeguate certificazioni una volta eseguiti test approfonditi. Alcuni materiali come il PETG e il PP sono noti per essere intrinsecamente sicuri per gli alimenti. Il tipo di applicazione deve anche essere tenuta in considerazione nella scelta di un materiale. Ad esempio, il PLA è sicuro per gli alimenti ma si scioglie se impiegato in presenza di calore come per le tazze da tè o in lavastoviglie.

Di seguito sono elencate alcune delle proprietà da considerare quando si sceglie un materiale di stampa 3D per alimenti:

• Non-assorbente:La post-elaborazione, come la lucidatura o il rivestimento, è spesso necessaria per ottenere una superficie non porosa.
• Resistenza a graffi/abrasioni: I materiali scelti devono essere resistenti ai graffi e all’usura.
• Non rilascia colore o sapore ed è atossico: Tutti i materiali per alimenti devono essere inerti al cibo. È preferibile utilizzare filamenti naturali senza coloranti aggiunti. Occorre utilizzare sempre la scheda di sicurezza dei materiali (MSDS) di qualsiasi materiale prima di utilizzare il materiale.

Sterilizzazione

La sterilizzazione può essere un passaggio in più per rendere i materiali adatti agli alimenti ancora più sicuri. Può essere eseguita attraverso vari mezzi come il calore, l’uso di prodotti chimici, l’irradiazione, l’alta pressione e la filtrazione. Tuttavia, non tutti i materiali possono essere sterilizzati.

I cinque tipi di sterilizzazione qui trattati sono:

• Ossido di Etilene (EtO)
• Gas plasma di perossido di Idrogeno
• Raggi gamma
• Autoclave
• Autoclave rapida

Materiali per alimenti con tecnologie di stampa 3D adeguate

Processo di stampa 3D sicuro per l’alimentare

Sono disponibili diverse tecniche di stampa 3D per differenti materiali, siano essi plastica, gomma o metallo. Il processo di stampa 3D coinvolge sia la tecnologia che i materiali della stampante. Entrambi vanno  considerati prima di scegliere il processo di stampa 3D corretto.

Tecnologia di stampa 3D 

La stampa 3D stereolitografica (SLA) produce parti con la più alta risoluzione, precisione e finitura superficiale liscia tra tutte le tecnologie di stampa 3D. L’SLA utilizza resine, che non sono compatibili con gli alimenti. I rivestimenti possono essere utilizzati per sigillare le parti in seguito preservandole dall’accumulo di batteri. Tuttavia, i rivestimenti si deteriorano nel tempo. L’SLA consente la stampa di ceramica, considerato il materiale più sicuro per gli alimenti.

La particolarità della stampa FDM è data dal fatto che lascia piccole fessure tra gli strati. Tuttavia, questa tecnologia di stampa non è nota per la produzione di superfici lisce. Per la sicurezza alimentare a lungo termine, le superfici delle parti prodotte con questa tecnologia devono essere lisce. Successivamente è ancora possibile applicare un rivestimento per alimenti.

Per la stampa SLS e MJF, le parti possono essere stampate con un tipo alimentare di Nylon PA 12 per ottenere parti di altissima qualità. I rivestimenti per alimenti sono comunque altamente raccomandati per evitare la porosità delle parti.

Materiale per stampanti 3D

I materiali della stampante 3D non sicuri, come i materiali con cui viene prodotta la stampante stessa, possono contaminare le parti anche in caso di utilizzo di materiali certificati per la sicurezza alimentare. È importante che tutte le componenti della stampante direttamente coinvolte nella stampa siano certificate come sicure per gli alimenti.

Per le stampanti FDM, gli ugelli in ottone possono contenere piombo, che contamina la parte stampata. La sostituzione di questi ugelli con l’acciaio inossidabile rende più sicura la stampa. Pertanto, è importante che i materiali della stampante siano valutati a fondo per assicurarsi che siano sicuri per gli alimenti prima di realizzare qualsiasi parte con essi.

Trattamenti di post-elaborazione sicuri per l’alimentare

Come discusso in precedenza, molte parti stampate in 3D richiedono trattamenti di post-elaborazione prima di poter essere considerate sicure per gli alimenti. I processi di finitura e rivestimento possono essere applicati alle parti stampate in 3D per ottenere una superficie liscia priva di fessure o regioni vuote.

Finitura

Questi includono processi volti a produrre superfici lisce e uniformi. Esistono diverse lavorazioni di finitura, che possono essere meccaniche o chimiche. Possono essere utilizzati i seguenti processi di finitura:

• Lucidatura con burattatura: Per le parti che contengono un’alta percentuale di polvere metallica mescolata, la burattatura è un efficace metodo per lucidarle. La levigatezza delle stampe metalliche può essere incrementata esponenzialmente in appena un’ora di lucidatura. I risultati migliorano con una lucidatura più prolungata
• Lucidatura a vapore: Questo è un metodo rapido ed efficace. Il tipo di vapore utilizzato dipende dal materiale della parte stampata. Questo processo può essere facilmente automatizzato. Tuttavia, in alcuni casi, può ridurre la resistenza delle parti stampate
• Sabbiatura: Questo è uno dei modi più semplici per levigare una parte. Prevede l’uso di carta vetrata. Esso può rimuovere la maggior parte delle imperfezioni e nascondere le linee dei layer. Siccome la levigatura si basa sull’attrito, il calore generato potrebbe deformare le parti. È quindi preferibile la sabbiatura ad umido
• Lavorazione: Questo processo è ancora più comune con i metalli che con la plastica. Tuttavia, spesso risulta antieconomico e poco pratico per le parti con facce sottili.

Rivestimenti

L’uso di rivestimenti è un metodo efficace per ottenere superfici lisce. Il rivestimento sotto forma di elemento di tenuta copre anche materiali non certificati come le resine utilizzate nella stampa SLA. I rivestimenti comunemente usati sono gli epossidici. Durante la progettazione si dovrebbe tenere in considerazione che il rivestimento aumenta lo spessore della parte.

Conclusione

La stampa 3D nell’industria alimentare può ridurre i costi e i tempi necessari per dare una spinta ai prodotti sul mercato. Tuttavia, la sicurezza alimentare è fondamentale per le componenti del prodotto. Sebbene la maggior parte delle stampanti 3D non produca le superfici lisce necessarie, i processi di post-elaborazione possono migliorare la levigatezza delle parti. L’applicazione dei rivestimenti sulle parti è il metodo migliore per ottenere una superficie liscia e creare anche una tenuta tra la parte e il cibo.

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