Fabricación aditiva apta para alimentos: Guía completa de seguridad

¿Es la impresión 3D apta para alimentos?

La impresión 3D ha madurado como tecnología de fabricación en la última década, acercándose a convertirse en una tecnología de fabricación principal. Esto se debe en gran parte a que la tecnología de impresión 3D se ha vuelto más sofisticada, llevando a impresiones más consistentes, duraderas y complejas que igualan a sus contrapartes hechas con moldeo por inyección y mecanizado CNC.

Con esta aceptación continua, más industrias están explorando el uso de impresión 3D como parte de su estrategia de fabricación. Una de estas es la industria alimentaria, donde envases de alimentos, utensilios o piezas de repuesto para líneas de producción de alimentos pueden convertirse en importantes piezas impresas en 3D. La industria alimentaria tiene estrictas regulaciones de seguridad que deben considerarse al planear el uso de una nueva tecnología de fabricación. Este artículo discutirá cómo diseñar e implementar impresión 3D apta para alimentos y clarificará las responsabilidades del cliente y fabricante para asegurar que las piezas impresas cumplan con requisitos estrictos.

¿Qué hace que una pieza sea apta para alimentos?

Para hacer una pieza apta para alimentos, es importante revisar las regulaciones relevantes en la región donde la pieza será distribuida o usada. Esta sección se centrará en los desafíos de implementar impresión 3D apta para alimentos basándose en los Estándares Sanitarios 3-A desarrollados para ayudar a las empresas a cumplir con regulaciones FDA y USDA. En general, hay tres factores que determinan si una pieza es segura para uso con alimentos: su diseño, los materiales usados y el proceso de fabricación.

1. Diseño de impresión 3D apta para alimentos

En términos de seguridad alimentaria, las piezas se dividen en dos categorías según los Estándares Sanitarios 3-A:

1. Superficies de Contacto con Producto — "Esencialmente cualquier superficie de pieza expuesta al producto así como cualquier superficie sobre la cual otro material alimentario pueda salpicar o drenar sobre el producto." En resumen, cualquier superficie de la pieza que pueda contactar alimentos.
2. Superficies sin Contacto con Producto — "Cualquier superficie de pieza que no entre en contacto con el producto o áreas como soportes estructurales u otros componentes externos." En resumen, cualquier superficie de la pieza que no contacte alimentos.

Al evaluar un componente para impresión 3D apta para alimentos, es importante enfocarse en las superficies de contacto con producto. A continuación se listan algunos puntos clave a considerar en la fase de diseño.

• Libre de grietas o vacíos — Las piezas no deben diseñarse con grietas o vacíos. Esto creará áreas que no pueden limpiarse adecuadamente, permitiendo crecimiento bacteriano. Si estos vacíos son necesarios para la funcionalidad del artículo, las áreas deben ser fácilmente accesibles cuando el dispositivo se desarme para que puedan limpiarse regularmente.
• Esquinas suaves y radios — Es importante eliminar cualquier esquina aguda en un diseño y usar radios de gran radio donde sea práctico. Las esquinas agudas son difíciles de limpiar y deben evitarse.
• Robustez — Las piezas aptas para alimentos deben ser lo suficientemente robustas para soportar su aplicación prevista sin descomponerse, corroerse o agrietarse. Cada uno de estos modos de fallo puede introducir áreas para que crezcan bacterias. En general, las piezas y materiales impresos en 3D pueden resistir corrosión y descomposición si se diseñan correctamente.

2. Materiales aditivos para impresión 3D apta para alimentos

Otro factor crítico para determinar la seguridad alimentaria de las piezas es el material. A continuación se listan algunos factores clave específicos del material que los diseñadores de productos deben considerar.

• No contaminante y no tóxico — El material base, más cualquier aditivo de post-procesado como tintes o recubrimientos, debe ser apto para alimentos. En términos de plásticos impresos en 3D, es posible que el material a granel sea inicialmente apto para alimentos, pero se vuelva inseguro por pigmentos y otros aditivos. Es importante consultar la Hoja de Datos de Seguridad del Material (MSDS) para todo lo que irá en el artículo.
• Resistente a la corrosión — Un factor clave para mantener una superficie lisa y limpia es elegir un material inerte o resistente a la corrosión. Ejemplos de materiales resistentes a la corrosión para impresión 3D apta para alimentos incluyen plásticos como policarbonato o polipropileno, y metales como acero inoxidable. Una superficie corroída puede convertirse en caldo de cultivo para bacterias porque es más difícil de limpiar adecuadamente. Los productos químicos de limpieza también deben considerarse.
• Liso, no poroso y no absorbente — Se debe lograr un perfil de superficie de 32 Ra o mejor para productos impresos en 3D aptos para alimentos. La mayoría de tecnologías de impresión 3D construyen piezas capa por capa. Cada una de estas capas se interconecta para generar grietas microscópicas en las que los productos alimentarios pueden acumularse y promover crecimiento bacteriano peligroso. Los materiales porosos y absorbentes son difíciles de limpiar y por tanto promueven crecimiento bacteriano. Este es uno de los mayores desafíos con la impresión 3D apta para alimentos, y a menudo requiere pulido de post-proceso o recubrimientos aptos para alimentos para crear una superficie no porosa y lisa.

¿Qué materiales impresos en 3D son esterilizables?

Es importante entender que esterilizable no necesariamente significa apto para alimentos. Esterilizable simplemente significa que el material puede purgarse efectivamente de todas las bacterias. Sin embargo, los factores mencionados arriba pueden determinar si la pieza es finalmente apta para alimentos. Un ejemplo en la lista a continuación es ABS; aunque es esterilizable, no es apto para alimentos. A continuación se resume una lista de materiales impresos en 3D esterilizables.

Proceso	Material	Método de Esterilización	Consideraciones
SLS / HP MJF	Nylon 11 o 12	Químico, EtO, Gamma, Plasma, Químico, Autoclave de vapor	Absorción de humedad, superficie mate
FDM	ABS-M30i	EtO, Gamma	Huecos y grietas en superficie
FDM	PC-ISO	EtO, Gamma	Huecos y grietas en superficie
FDM	ULTEM	EtO, Gamma, Autoclave de vapor	Huecos y grietas en superficie
Carbon DLS	CE, EPX, RPU	Irradiación por haz de electrones, EtO, Gamma, Autoclave de vapor	Ciclos limitados o cambios menores en propiedades mecánicas
Carbon DLS	FPU, EPU, SIL	Irradiación por haz de electrones, Gamma	Ciclos limitados o cambios menores en propiedades mecánicas
DMLS	Acero Inoxidable 17-4PH o 316L	Químico, EtO, Gamma, Plasma, Químico, Autoclave de vapor	Superficie mate

Lista de Materiales Esterilizables

3. Tecnología de fabricación

La técnica y proceso de fabricación también deben elegirse cuidadosamente al intentar lograr impresión 3D apta para alimentos. A continuación hay dos consideraciones para elegir el proceso de impresión 3D correcto:

Tecnología de Impresión 3D — Es importante elegir la tecnología correcta para el proyecto. En general, las máquinas de modelado por deposición fundida (FDM) crearán piezas con acabados superficiales más rugosos, mientras que la estereolitografía (SLA) y el sinterizado selectivo por láser (SLS) pueden crear superficies más lisas. Sin embargo, estas decisiones deben tomarse en tándem con selección de material, diseño de pieza y acabados superficiales de post-proceso, que discutimos en la siguiente sección.

Materiales de la Impresora 3D — Si el material que se imprime está calificado como apto para alimentos y se logra el perfil de suavidad correcto, una pieza aún puede ser denegada su clasificación apta para alimentos si la máquina en la que se imprime no es apta para alimentos. Un ejemplo sería una boquilla de latón en una máquina FDM que pueda contener trazas de plomo o lubricantes usados para componentes mecánicos que no son aptos para alimentos.

Video: Fabricación Aditiva en la Industria Alimentaria (Programa Virtual de Educación 3-A SSI, 2021)

Únase a Greg Paulsen mientras proporciona una introducción a diferentes procesos de impresión 3D y dónde pueden aplicarse dentro de la industria alimentaria y necesidades de procesamiento de alimentos. Greg explora las fortalezas de la impresión 3D mientras da una visión sincera de los desafíos para calificar impresiones para diseño higiénico. Esto incluye un resumen de materiales que pueden esterilizarse así como acabados superficiales novedosos como alisado químico por vapor.

¿Qué acabados superficiales pueden hacer una pieza impresa en 3D apta para alimentos?

Las piezas impresas en 3D tal como salen de la máquina pueden tener acabados superficiales con rugosidad que no cumple el estándar mínimo de rugosidad superficial 32 Ra establecido por los Estándares Sanitarios 3-A. Para ayudar a que los acabados superficiales logren una suavidad que no contenga pequeños bolsillos para crecimiento bacteriano y que puedan limpiarse fácilmente, una pieza puede someterse a post-procesos como acabado mecánico y recubrimientos superficiales.

Acabado mecánico y químico

Para reducir la rugosidad superficial de piezas destinadas a uso alimentario, es posible usar métodos mecánicos para alisar ciertos materiales. Mientras que las piezas metálicas responden bien al pulido, algunos plásticos pueden rectificarse, tumbarse o mecanizarse para mejorar sus superficies.

1. Rectificado (Grinding) — Ruedas abrasivas pueden usarse para remover material y alisar superficies. Sin embargo, no es ideal para geometrías complejas porque el rectificado solo puede acceder a áreas cilíndricas o planas.
2. Tumbado (Tumbling) — El tumbado puede usarse como método de alisado de piezas. Sin embargo, similar al rectificado, geometrías internas complejas no se adaptan bien a este método ya que esquinas internas y otras características pueden ser inaccesibles a los medios abrasivos.
3. Mecanizado (Machining) — El mecanizado puede usarse en piezas impresas tanto en plástico como en metal para crear superficies lisas. Aunque es una opción, puede no ser práctico o económico a escala y a menudo no funciona bien para piezas de paredes delgadas.
4. Pulido (Polishing) — Varios métodos de pulido pueden usarse para alisar piezas metálicas. El pulido puede hacerse como proceso manual usando técnicas de lijado progresivo o via electropulido (para metales).
5. Alisado por vapor (Vapor Smoothing) — Este proceso puede usarse para alisar algunas piezas plásticas exponiéndolas a vapor de solvente. Los bordes y características externas se derretirán químicamente y re-sellarán creando una superficie más lisa. El proceso, sin embargo, puede no alisar y eliminar de forma fiable todos los vacíos o grietas internos posibles. Aprenda más sobre alisado químico por vapor.

Cabe notar que con algunos materiales y procesos, simplemente no es posible obtener un acabado superficial apto para alimentos incluso con los procesos mencionados. El diseño de productos aptos para alimentos comienza con el diseño, material y proceso de fabricación; una vez elegidos correctamente, el acabado mecánico puede ayudar a que los productos aptos para alimentos alcancen estándares de seguridad.

Recubrimientos

Cuando el acabado mecánico no es alcanzable o rentable, es posible recubrir piezas no calificadas con un recubrimiento apto para alimentos, permitiendo así la impresión 3D apta para alimentos. Estos recubrimientos pueden incluir desde epoxi apto para alimentos hasta poliuretano. Efectivamente alisan la superficie rellenando todos los huecos y vacíos, así como creando un sello impermeable apto para alimentos entre la pieza y el alimento. Es importante que estos recubrimientos estén libres de defectos típicos de recubrimiento (problemas como ampollado, deslaminación y picaduras, por nombrar algunos). Estos recubrimientos también deben ser compatibles con cualquier producto de limpieza que se use para limpiar periódicamente la pieza en servicio.

Cómo diseñar piezas impresas en 3D aptas para alimentos

La impresión 3D apta para alimentos depende de muchos factores. Juntos, los materiales, diseño, método de fabricación y aplicación ayudarán a un organismo certificador a determinar si un producto cumple con todos los estándares de seguridad. Aunque Xometry no puede garantizar que un producto será apto para alimentos, nuestro equipo de ingenieros de aplicaciones puede proporcionar orientación experta sobre qué materiales, principios de diseño y técnicas de fabricación lo pondrán en el mejor camino posible para lograr el nivel necesario de seguridad alimentaria. Xometry ofrece ocho tecnologías diferentes de fabricación aditiva a través de su servicio de impresión 3D bajo demanda. Para más información sobre opciones de fabricación de impresión 3D apta para alimentos, contacte a un representante de Xometry hoy.

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Greg Paulsen

Como Ingeniero Senior de Soluciones y líder de Desarrollo de Negocio en Xometry, Greg Paulsen trabaja en la intersección de ingeniería y crecimiento. Desarrolla recursos de diseño para fabricación, consulta en proyectos de fabricación personalizados complejos y ayuda a organizaciones a moverse de prototipo a producción. Greg trabaja estrechamente con clientes para identificar las soluciones de fabricación adecuadas basadas en requisitos del proyecto — desde prototipos de bajo volumen hasta producción escalada — a través de mecanizado CNC, fabricación aditiva, chapa metálica, fundición de uretano y moldeo por inyección.

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