Fabrication additive de qualité alimentaire :directives de sécurité complètes

L'impression 3D est-elle sans danger pour les aliments ?

L’impression 3D a mûri en tant que technologie de fabrication au cours de la dernière décennie, se rapprochant de plus en plus de la technologie de fabrication dominante. Cela est dû en grande partie au fait que la technologie d’impression 3D est devenue plus sophistiquée, conduisant à des impressions plus cohérentes, durables et complexes qui correspondent à leurs homologues réalisées par moulage par injection et usinage CNC.

Avec cette acceptation continue, de plus en plus d’industries explorent l’utilisation de l’impression 3D dans le cadre de leur stratégie de fabrication. L’un d’entre eux est l’industrie alimentaire, où les emballages alimentaires, les ustensiles ou les pièces de rechange pour les lignes de production alimentaire peuvent tous devenir d’importantes pièces imprimées en 3D. L'industrie alimentaire a des réglementations strictes en matière de sécurité qui doivent être prises en compte lors de la planification de l'utilisation d'une nouvelle technologie de fabrication. Cet article explique comment concevoir et mettre en œuvre une impression 3D sans danger pour les aliments et clarifie les responsabilités du client et du fabricant lorsqu'il s'agit de garantir que les pièces imprimées répondent à des exigences strictes.

Qu'est-ce qui rend une pièce alimentaire sûre ?

Afin de garantir la sécurité alimentaire d'une pièce, il est important de revoir les réglementations en vigueur dans la région où la pièce doit être distribuée ou utilisée. Cette section se concentrera sur les défis liés à la mise en œuvre de l'impression 3D sans danger pour les aliments en basant l'analyse sur les normes sanitaires 3-A qui ont été développées pour aider les entreprises à se conformer aux réglementations de la FDA et de l'USDA. En général, trois facteurs déterminent si une pièce peut être utilisée sans danger avec des aliments :sa conception, les matériaux utilisés et le processus de fabrication.

1. Conception d'impression 3D sans danger pour les aliments

En termes de sécurité alimentaire, les pièces sont divisées en deux catégories selon les normes sanitaires 3-A :

1. Surfaces de contact avec le produit - « Essentiellement toute surface de pièce exposée au produit ainsi que toute surface sur laquelle d'autres matières alimentaires peuvent éclabousser ou s'écouler sur le produit. » Bref, toute surface de la pièce pouvant entrer en contact avec les aliments.
2. Surfaces sans contact avec le produit - « Toute surface de pièce qui n'entre pas en contact avec le produit ou des zones telles que des supports structurels ou d'autres composants externes. » En bref, il s'agit de toute surface de la pièce qui n'entre pas en contact avec les aliments.

Lors de l’évaluation d’un composant pour une impression 3D sans danger pour les aliments, il est important de se concentrer sur les surfaces en contact avec le produit. Vous trouverez ci-dessous quelques points clés à prendre en compte lors de la phase de conception.

• Sans crevasses ni vides - Les pièces ne doivent pas être conçues avec des crevasses ou des vides. Cela créera des zones qui ne pourront pas être correctement nettoyées et permettra ainsi la croissance bactérienne. Si ces types de vides sont nécessaires au fonctionnement de l'article, les zones doivent être facilement accessibles lorsque l'appareil est démonté afin qu'elles puissent être nettoyées régulièrement.
• Coins et rayons lisses - Il est important d'éliminer tous les angles vifs d'une conception et d'utiliser à la place des congés à grand rayon lorsque cela est possible. Les angles vifs sont difficiles à nettoyer et doivent donc être évités.
• Robustesse - Les pièces de qualité alimentaire doivent être suffisamment robustes pour résister à l'application prévue sans se briser, se corroder ou se fissurer. Chacun de ces modes de défaillance peut introduire des zones propices à la croissance des bactéries. En général, les pièces et matériaux imprimés en 3D peuvent résister à la corrosion et aux pannes s'ils sont conçus correctement.

2. Matériaux additifs pour une impression 3D sans danger pour les aliments

Un autre facteur critique pour déterminer la sécurité alimentaire des pièces est le matériau. Vous trouverez ci-dessous quelques facteurs clés spécifiques aux matériaux que les concepteurs de produits devraient prendre en compte.

• Non contaminant et non toxique - Le matériau de base, ainsi que tous les additifs post-traitement tels que les colorants ou les revêtements, doivent être de qualité alimentaire. En ce qui concerne les plastiques imprimés en 3D, il est possible que le matériau en vrac soit initialement sans danger pour les aliments, mais qu'il soit rendu dangereux par les pigments et autres additifs. Il est important de consulter la fiche de données de sécurité (FDS) pour tout ce qui entrera dans la composition de l'article.
• Résistant à la corrosion - Un facteur clé pour conserver une surface lisse et propre est le choix d'un matériau inerte ou résistant à la corrosion. Quelques exemples de matériaux résistants à la corrosion pour l'impression 3D sans danger pour les aliments incluent les plastiques tels que le polycarbonate ou le polypropylène et les métaux comme l'acier inoxydable. Une surface corrodée peut devenir un terrain fertile pour les bactéries car elle est plus difficile à nettoyer adéquatement. Les produits chimiques de nettoyage doivent également être pris en compte.
• Lisse, non poreux et non absorbant - Un profil de surface de 32 Ra ou mieux doit être atteint pour les produits imprimés en 3D de qualité alimentaire. La plupart des technologies d’impression 3D construisent des pièces couche par couche. Chacune de ces couches s’interface pour générer des crevasses microscopiques dans lesquelles les produits alimentaires peuvent s’accumuler et favoriser une croissance bactérienne dangereuse. Les matériaux poreux et absorbants sont difficiles à nettoyer et favorisent donc la croissance des bactéries. Il s'agit de l'un des plus grands défis de l'impression 3D alimentaire, et nécessite souvent un polissage post-traitement ou des revêtements alimentaires pour créer une surface lisse et non poreuse.

Quels matériaux imprimés en 3D sont stérilisables ?

Il est important de comprendre que stérilisable ne signifie pas nécessairement sans danger pour les aliments. Stérilisable signifie simplement que le matériau peut être efficacement purgé de toutes les bactéries. Cependant, les facteurs mentionnés ci-dessus peuvent déterminer si la pièce est finalement sans danger pour les aliments. Un exemple de ceci dans la liste ci-dessous est l’ABS ; bien qu'il soit stérilisable, il n'est pas sans danger pour les aliments. Vous trouverez ci-dessous un résumé de divers matériaux imprimés en 3D stérilisables.

Matériaux imprimés en 3D stérilisables

Processus Matériel Méthode de stérilisation Considérations

Processus

SLS/HP MJF

Matériel

Nylon 11 ou 12

Méthode de stérilisation

Chimique, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Autoclave à vapeur

Considérations

Absorption d'humidité, surface mate

Processus

FDM

Matériel

ABS-M30i

Méthode de stérilisation

EtO, Gamma

Considérations

Lacunes et crevasses dans la surface

Processus

FDM

Matériel

PC-ISO

Méthode de stérilisation

EtO, Gamma

Considérations

Lacunes et crevasses dans la surface

Processus

FDM

Matériel

ULTEM

Méthode de stérilisation

EtO, Gamma, Autoclave à vapeur

Considérations

Lacunes et crevasses dans la surface

Processus

Carbone DLS

Matériel

CE, EPX, RPU

Méthode de stérilisation

Irradiation par faisceau d'électrons, EtO, Gamma, autoclave à vapeur

Considérations

Cycles limités ou modifications mineures des propriétés mécaniques

Processus

Carbone DLS

Matériel

FPU, EPU, SIL

Méthode de stérilisation

Irradiation par faisceau d'électrons, Gamma

Considérations

Cycles limités ou modifications mineures des propriétés mécaniques

Processus

DMLS

Matériel

Acier inoxydable 17-4PH ou 316L

Méthode de stérilisation

Chimique, EtO, Gamma, Plasma, Chemica, Autoclave à vapeur

Considérations

Surface mate

Liste des matériaux stérilisables

3. Technologie de fabrication

La technique et le processus de fabrication doivent également être soigneusement choisis lorsque l’on tente de réaliser une impression 3D sans danger pour les aliments.  Vous trouverez ci-dessous deux éléments à prendre en compte pour choisir le bon processus d'impression 3D :

Technologie d'impression 3D - Il est important de choisir la technologie d'impression 3D adaptée au projet en cours. De manière générale, les machines de modélisation par dépôt fondu (FDM) créeront des pièces avec des finitions de surface plus rugueuses, tandis que la stéréolithographie (SLA) et le frittage sélectif au laser (SLS) peuvent créer des surfaces plus lisses. Cependant, ces décisions doivent être prises en tandem avec la sélection des matériaux, la conception des pièces et les finitions de surface après traitement, dont nous discuterons dans la section suivante.

Matériaux de l'imprimante 3D - Si le matériau à imprimer est classé comme étant de qualité alimentaire et que le profil de surface atteint le niveau de douceur correct, une pièce peut toujours se voir refuser sa classification de sécurité alimentaire si la machine sur laquelle elle est imprimée n'est pas de qualité alimentaire. Un exemple de ceci serait une buse en laiton sur une machine FDM qui peut contenir des traces de plomb ou de lubrifiants utilisés pour les composants mécaniques qui ne sont pas de qualité alimentaire.

Vidéo :Fabrication additive dans l'industrie alimentaire (Programme de formation virtuelle 3-A SSI, 2021)

Rejoignez Greg Paulsen pour une introduction aux différents processus d'impression 3D et aux domaines dans lesquels ils peuvent s'appliquer dans l'industrie alimentaire et aux besoins de transformation des aliments. Greg explore les points forts de l'impression 3D tout en donnant une vision franche des défis liés à la qualification des impressions pour une conception hygiénique. Cela comprend un résumé des matériaux pouvant être stérilisés ainsi qu'une nouvelle finition de surface telle que le lissage par vapeur chimique.

Quelles finitions de surface peuvent rendre une pièce imprimée en 3D sans danger pour les aliments ?

Les pièces imprimées en 3D telles qu'usinées peuvent avoir des finitions de surface avec une rugosité qui ne répond pas à la norme minimale de rugosité de surface de 32 Ra fixée par les normes sanitaires 3-A. Pour aider les finitions de surface à atteindre une surface lisse qui ne contient pas de petites poches propices à la croissance de bactéries et qui peut être facilement nettoyée, une pièce peut subir des post-traitements tels que la finition mécanique et les revêtements de surface.

Finition Mécanique et Chimique

Pour réduire la rugosité de surface des pièces destinées à un usage alimentaire, il est possible d'avoir recours à des méthodes mécaniques pour lisser certains matériaux. Bien que les pièces métalliques réagissent bien au polissage, certains plastiques peuvent être meulés, culbutés ou usinés pour améliorer leurs surfaces.  

1. Meulage - Des meules abrasives peuvent être utilisées pour enlever de la matière et lisser les surfaces. Toutefois, cette solution n'est pas idéale pour les géométries complexes, car la rectification ne peut accéder qu'aux zones cylindriques ou planes.
2. Tumbling - Le culbutage peut être utilisé comme méthode de lissage des pièces. Cependant, comme pour le meulage, les géométries internes complexes ne sont pas bien adaptées à cette méthode puisque les coins internes et d'autres éléments peuvent être inaccessibles aux supports abrasifs.
3. Usinage - L'usinage peut être utilisé sur des pièces imprimées en plastique et en métal pour créer des surfaces lisses. Bien qu’il s’agisse d’une option, cette solution peut ne pas être pratique ou économique à mettre à l’échelle et ne fonctionne souvent pas bien pour les pièces à parois minces. 
4. Polissage - Différentes méthodes de polissage peuvent être utilisées pour lisser les pièces métalliques. Le polissage peut être effectué manuellement en utilisant des techniques de ponçage progressif ou par électropolissage (pour les métaux). 
5. Lissage de la vapeur - Ce procédé peut être utilisé pour lisser certaines pièces en plastique en les exposant à des vapeurs de solvant. Les bords et les caractéristiques externes fondront chimiquement et se refermeront, créant une surface plus lisse. Cependant, le processus peut ne pas lisser et éliminer de manière fiable tous les vides ou crevasses internes possibles. En savoir plus sur le lissage chimique par vapeur.

Il convient de noter qu’avec certains matériaux et procédés, il n’est tout simplement pas possible d’obtenir une finition de surface de qualité alimentaire, même avec les procédés mentionnés ci-dessus. La conception de produits sûrs pour les aliments commence par la conception, les matériaux et le processus de fabrication ; une fois ceux-ci correctement choisis, la finition mécanique peut aider les produits alimentaires à atteindre les normes de sécurité.

Revêtements

Lorsque la finition mécanique n'est pas réalisable ou rentable, il est possible de recouvrir les pièces non qualifiées d'un revêtement alimentaire, permettant ainsi une impression 3D sans danger pour les aliments. Ces revêtements peuvent inclure n'importe quoi, de l'époxy de qualité alimentaire au polyuréthane. Ils lissent efficacement la surface en comblant tous les espaces et vides et en créant un joint imperméable de qualité alimentaire entre la pièce et les aliments. Il est important que ces revêtements soient exempts de défauts typiques (problèmes tels que cloques, délaminage et piqûres, pour n'en nommer que quelques-uns). Ces revêtements doivent également être compatibles avec tous les produits de nettoyage qui doivent être utilisés pour nettoyer périodiquement la pièce en service.

Comment concevoir des pièces imprimées en 3D sans danger pour les aliments

L'impression 3D sans danger pour les aliments dépend de nombreux facteurs. Ensemble, les matériaux, la conception, la méthode de fabrication et l'application aideront un organisme de certification à déterminer si un produit respecte toutes les normes de sécurité. Bien que Xometry ne puisse pas garantir qu'un produit sera sans danger pour les aliments, notre équipe d'ingénieurs d'application peut vous fournir des conseils d'experts sur les matériaux, les principes de conception et les techniques de fabrication qui vous mettront sur la meilleure voie possible pour atteindre le niveau de sécurité alimentaire nécessaire. Xometry propose huit technologies de fabrication additive différentes via son service d'impression 3D à la demande. Pour en savoir plus sur les options de fabrication par impression 3D sans danger pour les aliments, contactez un représentant Xometry dès aujourd'hui.

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Greg Paulsen

En tant qu'ingénieur principal de solutions et responsable du développement commercial chez Xometry, Greg Paulsen travaille à l'intersection de l'ingénierie et de la croissance. Il développe des ressources de conception pour la fabrication, conseille sur des projets de fabrication personnalisés complexes et aide les organisations à passer du prototype à la production. Greg travaille en étroite collaboration avec les clients pour identifier les bonnes solutions de fabrication en fonction des exigences du projet (des prototypes en faible volume à la production à grande échelle) dans l'usinage CNC, la fabrication additive, la tôlerie, le moulage d'uréthane et le moulage par injection.

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