Fabricación aditiva de calidad alimentaria:directrices de seguridad integrales

¿La impresión 3D es segura para los alimentos?

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

Con esta aceptación continua, más industrias están explorando el uso de la impresión 3D como parte de su estrategia de fabricación. Una de ellas es la industria alimentaria, donde los envases de alimentos, los utensilios o los repuestos para líneas de producción de alimentos pueden convertirse en importantes piezas impresas en 3D. La industria alimentaria tiene normas estrictas en materia de seguridad que deben tenerse en cuenta al planificar el uso de una nueva tecnología de fabricación. Este artículo analizará cómo diseñar e implementar la impresión 3D segura para los alimentos y aclarará las responsabilidades del cliente y del fabricante cuando se trata de garantizar que las piezas impresas cumplan con requisitos estrictos.

¿Qué hace que una parte del alimento sea segura?

Para que una pieza sea segura para los alimentos, es importante revisar las regulaciones pertinentes en la región donde se distribuirá o utilizará la pieza. Esta sección se centrará en los desafíos de implementar la impresión 3D segura para los alimentos basando el análisis en los Estándares Sanitarios 3-A que se desarrollaron para ayudar a las empresas a cumplir con las regulaciones de la FDA y el USDA. En general, hay tres factores que determinan si una pieza es segura para su uso con alimentos:su diseño, los materiales utilizados y el proceso de fabricación.

1. Diseño de impresión 3D apto para alimentos

En términos de seguridad alimentaria, las piezas se dividen en dos categorías según las Normas Sanitarias 3-A:

1. Superficies de contacto del producto - “Esencialmente cualquier superficie de la pieza que esté expuesta al producto, así como cualquier superficie sobre la cual otro material alimenticio pueda salpicar o escurrirse sobre el producto”. En definitiva, cualquier superficie de la pieza que pueda entrar en contacto con los alimentos.
2. Superficies sin contacto con el producto - “Cualquier superficie de pieza que no entre en contacto con el producto o áreas como soportes estructurales u otros componentes externos”. En definitiva, se trata de cualquier superficie de la pieza que no entra en contacto con los alimentos.

Al evaluar un componente para la impresión 3D segura para alimentos, es importante centrarse en las superficies de contacto del producto. A continuación se enumeran algunos puntos clave que deben considerarse en la fase de diseño.

• Libre de grietas o huecos - Las piezas no deben diseñarse con grietas o huecos. Esto creará áreas que no se pueden limpiar adecuadamente y, por lo tanto, permitirá el crecimiento bacteriano. Si este tipo de huecos son necesarios para la funcionalidad del artículo, las áreas deben ser de fácil acceso cuando el dispositivo esté desmontado para que puedan limpiarse regularmente.
• Esquinas y radios suaves - Es importante eliminar las esquinas afiladas en un diseño y, en su lugar, utilizar filetes de radio grande siempre que sea práctico. Las esquinas afiladas son difíciles de limpiar y, por lo tanto, deben evitarse.
• Robustez - Las piezas de calidad alimentaria deben ser lo suficientemente robustas para soportar la aplicación prevista sin romperse, corroerse o agrietarse. Cada uno de estos modos de falla puede introducir áreas donde crezcan bacterias. En general, las piezas y materiales impresos en 3D pueden resistir la corrosión y las roturas si se diseñan correctamente.

2. Materiales aditivos para impresión 3D segura para alimentos

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

• No contaminante y no tóxico - El material base, además de cualquier aditivo posterior al procesamiento, como tintes o recubrimientos, debe ser apto para alimentos. En términos de plásticos impresos en 3D, es posible que el material a granel sea apto para alimentos inicialmente, pero que los pigmentos y otros aditivos lo vuelvan inseguro. Es importante consultar la Hoja de datos de seguridad del material (MSDS) para conocer todo lo que se incluirá 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. Algunos ejemplos de materiales resistentes a la corrosión para la impresión 3D apta para alimentos incluyen plásticos como el policarbonato o polipropileno y metales como el acero inoxidable. Una superficie corroída puede convertirse en un caldo de cultivo para las bacterias porque es más difícil de limpiar adecuadamente. También se deben considerar los productos químicos de limpieza.
• Suave, 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 las tecnologías de impresión 3D construyen piezas capa por capa. Cada una de estas capas interactúa para generar grietas microscópicas en las que los productos alimenticios pueden acumularse y promover un crecimiento bacteriano peligroso. Los materiales porosos y absorbentes son difíciles de limpiar y, por tanto, favorecen el crecimiento de bacterias. Este es uno de los mayores desafíos de la impresión 3D apta para alimentos y, a menudo, requiere un pulido posterior al proceso o recubrimientos aptos para alimentos para crear una superficie lisa y no porosa.

¿Qué materiales impresos en 3D son esterilizables?

Es importante comprender que esterilizable no significa necesariamente que sea seguro para los alimentos. Esterilizable simplemente significa que el material puede eliminarse eficazmente de todas las bacterias. Sin embargo, los factores mencionados anteriormente pueden determinar si la pieza es, en última instancia, apta para alimentos. Un ejemplo de esto en la lista siguiente es el ABS; Si bien es esterilizable, no es apto para alimentos. A continuación se enumera un resumen de varios materiales impresos en 3D esterilizables.

Materiales impresos en 3D esterilizables

Proceso Material Método de esterilización Consideraciones

Proceso

SLS/HP MJF

Materiales

Nailon 11 o 12

Método de esterilización

Químico, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Autoclave de vapor

Consideraciones

Absorción de humedad, superficie mate

Proceso

FDM

Materiales

ABS-M30i

Método de esterilización

EtO, Gamma

Consideraciones

Huecos y grietas en la superficie

Proceso

FDM

Materiales

PC-ISO

Método de esterilización

EtO, Gamma

Consideraciones

Huecos y grietas en la superficie

Proceso

FDM

Materiales

ULTEM

Método de esterilización

EtO, Gamma, Autoclave de vapor

Consideraciones

Huecos y grietas en la superficie

Proceso

DLS de carbono

Materiales

CE, EPX, RPU

Método de esterilización

Irradiación por haz de electrones, EtO, gamma, autoclave de vapor

Consideraciones

Ciclos limitados o cambios menores en las propiedades mecánicas

Proceso

DLS de carbono

Materiales

FPU, EPU, SIL

Método de esterilización

Irradiación por haz de electrones, gamma

Consideraciones

Ciclos limitados o cambios menores en las propiedades mecánicas

Proceso

DMLS

Materiales

Acero inoxidable 17-4PH o 316L

Método de esterilización

Químico, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Autoclave de vapor

Consideraciones

Superficie mate

Lista de Materiales Esterilizables

3. Tecnología de fabricación

La técnica y el proceso de fabricación también deben elegirse cuidadosamente cuando se intenta lograr una impresión 3D segura para los alimentos.  A continuación se presentan dos consideraciones para elegir el proceso de impresión 3D adecuado:

Tecnología de impresión 3D - Es importante elegir la tecnología de impresión 3D correcta para el proyecto en cuestión. En términos generales, las máquinas de modelado por deposición fundida (FDM) crearán piezas con acabados superficiales más rugosos, mientras que la estereolitografía (SLA) y la sinterización láser selectiva (SLS) pueden crear superficies más suaves. Sin embargo, estas decisiones deben tomarse en conjunto con la selección de materiales, el diseño de piezas y los acabados de superficie de posprocesamiento, que analizamos en la siguiente sección.

Materiales de la Impresora 3D - Si el material que se está imprimiendo está clasificado como apto para alimentos y se logra el perfil de superficie con la suavidad correcta, a una pieza aún se le puede negar su clasificación de apto para alimentos si la máquina en la que se imprime no es apta para alimentos. Un ejemplo de esto sería una boquilla de latón en una máquina FDM que puede contener trazas de plomo o lubricantes utilizados para los componentes mecánicos que no son aptos para alimentos.

Vídeo:Fabricación aditiva en la industria alimentaria (Programa de educación virtual 3-A SSI, 2021)

Únase a Greg Paulsen mientras ofrece una introducción sobre los diferentes procesos de impresión 3D y dónde se pueden aplicar dentro de la industria alimentaria y las necesidades de procesamiento de alimentos. Greg explora los puntos fuertes de la impresión 3D y, al mismo tiempo, ofrece una visión sincera de los desafíos que plantean las impresiones cualificadas para el diseño higiénico. Esto incluye un resumen de los materiales que se pueden esterilizar, así como novedosos acabados de superficie, como el alisado químico con vapor.

¿Qué acabados de superficie pueden hacer que una pieza impresa en 3D sea segura para los alimentos?

Las piezas mecanizadas impresas en 3D pueden tener acabados superficiales con una rugosidad que no cumple con el estándar mínimo de rugosidad superficial de 32 Ra establecido por los Estándares Sanitarios 3-A. Para ayudar a que los acabados de las superficies logren una suavidad superficial que no contenga pequeñas bolsas para el crecimiento de bacterias y que se pueda limpiar fácilmente, una pieza puede someterse a posprocesos como acabado mecánico y recubrimientos superficiales.

Acabados Mecánicos y Químicos

Para reducir la rugosidad superficial de las piezas destinadas a uso alimentario, es posible utilizar métodos mecánicos para alisar determinados materiales. Si bien las piezas metálicas responden bien al pulido, algunos plásticos se pueden esmerilar, girar o mecanizar para mejorar sus superficies.  

1. Molido - Se pueden utilizar muelas abrasivas para eliminar material y alisar superficies. Sin embargo, esto no es ideal para geometrías complejas porque el rectificado solo puede acceder a áreas cilíndricas o planas.
2. Cayendo - La volteo se puede utilizar como método para alisar piezas. Sin embargo, al igual que el esmerilado, las geometrías internas complejas no son adecuadas para este método, ya que las esquinas internas y otras características pueden ser inaccesibles para los medios abrasivos.
3. Mecanizado - El mecanizado se puede utilizar en piezas impresas tanto en plástico como en metal para crear superficies lisas. Si bien esta es una opción, puede no ser práctica o económica a escala y, a menudo, no funciona bien para piezas de paredes delgadas. 
4. Pulido - Se pueden utilizar varios métodos de pulido para alisar piezas metálicas. El pulido se puede realizar de forma manual mediante técnicas de lijado progresivo o mediante electropulido (para metales). 
5. Suavizado con vapor - Este proceso se puede utilizar para alisar algunas piezas de plástico exponiéndolas al vapor de disolvente. Los bordes y elementos externos se derretirán químicamente y se volverán a sellar creando una superficie más suave. Sin embargo, es posible que el proceso no alise ni elimine de manera confiable todos los posibles huecos o grietas internas. Obtenga más información sobre el suavizado químico con vapor.

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

Recubrimientos

Cuando el acabado mecánico no es posible o rentable, es posible recubrir piezas no calificadas con un recubrimiento apto para alimentos, permitiendo así la impresión 3D segura para alimentos. Estos recubrimientos pueden incluir cualquier cosa, desde epoxi de calidad alimentaria hasta poliuretano. Suavizan eficazmente la superficie rellenando todos los huecos y huecos, además de crear un sello impermeable y apto para alimentos entre la pieza y los alimentos. Es importante que estos recubrimientos estén libres de los defectos típicos del recubrimiento (problemas como formación de ampollas, delaminación y picaduras, por nombrar algunos). Estos recubrimientos también deben ser compatibles con cualquier producto de limpieza que se vaya a utilizar para limpiar periódicamente la pieza en servicio.

Cómo diseñar piezas impresas en 3D seguras para los alimentos

La impresión 3D segura para los alimentos depende de muchos factores. En conjunto, los materiales, el diseño, el método de fabricación y la aplicación ayudarán a un organismo certificador a determinar si un producto cumple con todos los estándares de seguridad. Si bien Xometry no puede garantizar que un producto sea seguro para los alimentos, nuestro equipo de ingenieros de aplicaciones puede brindarle orientación experta sobre qué materiales, principios de diseño y técnicas de fabricación lo ubicarán en el mejor camino posible para lograr el nivel necesario de seguridad alimentaria. Xometry ofrece ocho tecnologías de fabricación aditiva diferentes a través de su servicio de impresión 3D bajo demanda. Para obtener más información sobre las opciones para la fabricación de impresiones 3D seguras para alimentos, comuníquese hoy con un representante de Xometry.

Descargo de responsabilidad

El contenido que aparece en esta página web tiene fines únicamente informativos. Xometry no ofrece ninguna representación ni garantía de ningún tipo, ya sea expresa o implícita, en cuanto a la exactitud, integridad o validez de la información. No se debe inferir que ningún parámetro de rendimiento, tolerancias geométricas, características de diseño específicas, calidad y tipos de materiales o procesos representan lo que entregarán terceros proveedores o fabricantes a través de la red de Xometry. Los compradores que buscan cotizaciones de piezas son responsables de definir los requisitos específicos de esas piezas. Consulte nuestros términos y condiciones para obtener más información.

Greg Paulsen

Como ingeniero sénior de soluciones y líder de desarrollo empresarial en Xometry, Greg Paulsen trabaja en la intersección de la ingeniería y el crecimiento. Desarrolla recursos de diseño para fabricación, brinda consultoría sobre proyectos complejos de fabricación personalizados y ayuda a las organizaciones a pasar del prototipo a la producción. Greg trabaja estrechamente con los clientes para identificar las soluciones de fabricación adecuadas según los requisitos del proyecto (desde prototipos de bajo volumen hasta producción a escala) en mecanizado CNC, fabricación aditiva, chapa metálica, fundición de uretano y moldeo por inyección.

Leer más artículos de Greg Paulsen