3D 프린팅 식품 안전성 확보: 전문가 설계 팁, 소재, 마감 가이드

식품 안전 3D 프린팅을 위한 고려 요소

지난 10년간 3D 프린팅 기술은 크게 발전하여 기존 제조 방식과 동등한 수준의 일관성 있고 내구성 있으며 복잡한 부품 생산이 가능해졌습니다.

점점 더 많은 산업이 제조에 3D 프린팅을 활용하고 있습니다. 그중 하나가 식품 산업으로, 다양한 응용 분야에서 3D 프린팅을 광범위하게 사용합니다. 그러나 식품 포장, 주방/조리 도구, 생산 장비 예비 부품 제조 시 준수해야 할 엄격한 규정 때문에 기술 적용에 대한 우려가 있습니다.

식품 안전 3D 프린팅을 위한 3가지 핵심 요소

식품 안전이란 해당 품목이 의도된 용도 요구 사항을 충족하며 식품 안전 위험을 발생시키지 않음을 의미합니다. EU 식품 규정은 식품 및 사료의 생산, 가공, 유통 모든 단계에 적용됩니다. 유럽 규정 EC 1935/2004는 식품과 접촉하는 재료 및 물체에 대한 지침을 제공하여 오염을 방지하는 것을 목표로 합니다.

일반적으로 식품 안전 3D 부품을 위한 세 가지 요소는 부품 설계, 사용 소재, 후처리 처리입니다.

식품 안전 부품 설계

제품 표면을 설계하여 부품을 식품 안전하게 만들기 위해 다음을 고려해야 합니다:

• 언더컷 및 틈새 제거: 표면의 언더컷이나 틈새를 완전히 제거해야 합니다. 기능상 피할 수 없는 경우 부품 분해 시 해당 영역에 쉽게 접근하여 제대로 세척할 수 있어야 합니다.
• 모서리 필렛 처리: 가능한 한 모서리에 큰 반경의 필렛을 적용하고, 날카로운 모서리 대신 잘 둥글게 처리해야 합니다.
• 견고성: 작동 환경, 용도, 소재 특성을 충분히 고려하여 부품이 사용 중 파손되지 않도록 설계해야 합니다.

식품 안전 3D 프린팅 소재

많은 식품 안전 소재는 철저한 테스트 후 적절한 인증을 통해 식별됩니다. PETG와 PP 같은 소재는 본질적으로 식품 안전성이 있는 것으로 알려져 있습니다. 용도도 소재 선택 시 고려해야 합니다. 예를 들어 PLA는 식품 안전하지만 뜨거운 차잔이나 식기세척기 같은 고온 용도에서는 녹습니다.

식품 안전 3D 프린팅 소재 선택 시 고려할 특성은 다음과 같습니다:

• 비흡수성: 연마나 코팅 같은 후처리를 통해 비다공성 표면을 만들어야 하는 경우가 많습니다.
• 스크래치/긁힘 저항성: 선택된 소재는 스크래치와 마모에 강해야 합니다.
• 색상이나 맛을 내지 않고 무독성: 모든 식품 안전 소재는 식품에 불활성이어야 합니다. 첨가 색소가 없는 천연 필라멘트 사용이 바람직합니다. 어떤 소재든 물질안전보건자료(MSDS)를 항상 확인 후 사용해야 합니다.

멸균

멸균은 식품 안전 소재를 더 안전하게 만드는 추가 단계가 될 수 있습니다. 열, 화학약품, 조사, 고압, 여과 등 다양한 방법으로 가능합니다. 하지만 모든 소재가 멸균 가능한 것은 아닙니다.

여기서 다루는 5가지 멸균 유형:

• 산화 에틸렌 가스 (EtO)
• 과산화수소 가스 플라즈마
• 감마선 조사
• 오토클레이브
• 플래시 오토클레이브

식품 안전 소재 및 적합한 3D 프린팅 기술

3D 프린팅 기술	소재	적합한 멸균 기술
SLS / MJF	나일론 PA 11, 나일론 PA 12	EtO, 감마선, 가스 플라즈마, 오토클레이브
SLS / MJF	폴리프로필렌	오토클레이브
FDM	ABS M30	EtO, 감마선
FDM	PC-ISO	EtO, 감마선
FDM	ULTEM 1010 / ULTEM 9085	EtO, 감마선, 오토클레이브
FDM	PETG	EtO
Carbon DLS	CE 221, EPX 82, RPU 70	조사, EtO, 감마선, 오토클레이브
Carbon DLS	FPU 50, EPU 40, SIL 30	조사, 감마선
DMLS	스테인리스강 17.4, 스테인리스강 316L	EtO, 감마선, 가스 플라즈마, 오토클레이브
SLA	True Silicone	조사, EtO, 오토클레이브

식품 안전 3D 프린팅 공정

플라스틱, 플렉시블, 금속 등 다양한 소재에 맞는 3D 프린팅 기술이 있습니다. 3D 프린팅 공정에는 기술과 프린터 소재가 모두 포함되며, 둘 다 적절한 공정 선택 전 고려해야 합니다.

3D 프린팅 기술

광조형(SLA) 3D 프린팅은 모든 3D 프린팅 기술 중 가장 높은 해상도, 정확도, 가장 매끄러운 표면 마감을 생성합니다. SLA는 레진을 사용하며, 이는 식품 안전하지 않습니다. 코팅을 사용하여 부품을 밀봉하고 박테리아 번식을 방지할 수 있습니다. 하지만 코팅은 시간이 지나면 마모됩니다. SLA 프린팅은 세라믹 프린팅을 허용하며, 이는 가장 식품 안전한 소재로 간주됩니다.

FDM 프린팅의 특성상 층 사이에 매우 좁은 틈새가 남습니다. 하지만 이 기술은 매끄러운 표면을 생성하는 것으로 알려지지 않았습니다. 장기적 식품 안전을 위해 이 기술로 생산된 부품 표면은 매끄러워야 합니다. 식품 안전 코팅을 이후에 추가로 적용할 수 있습니다.

SLS 및 MJF 프린팅의 경우 식품 등급 나일론 PA 12로 프린팅하여 매우 고품질의 부품을 얻을 수 있습니다. 부품의 다공성을 피하기 위해 식품 안전 코팅이 적극 권장됩니다.

3D 프린터 소재

안전하지 않은 3D 프린터 소재(즉, 3D 프린터 자체 제조 소재)는 인증된 식품 안전 소재를 사용하더라도 오염된 부품을 만들 수 있습니다. 프린팅에 직접 관여하는 프린터의 모든 부품이 식품 안전 인증을 받았는지 확인하는 것이 중요합니다.

FDM 프린터의 경우 황동 노즐에 납이 포함되어 있어 프린트 부품을 오염시킬 수 있습니다. 이를 스테인리스강 노즐로 교체하면 더 안전하게 프린팅할 수 있습니다. 따라서 프린터 소재가 자체적으로 식품 안전한지 철저히 평가한 후 프린팅해야 합니다.

식품 안전 후처리 처리

앞서 논의한 바와 같이 많은 3D 프린팅 부품은 식품 안전으로 간주되기 전에 후처리 처리가 필요합니다. 마감 및 코팅 공정을 3D 프린팅 부품에 적용하여 틈새나 보이드가 없는 매끄러운 표면을 얻을 수 있습니다.

마감

매끄럽고 균일한 표면을 만드는 공정입니다. 기계적 또는 화학적 다양한 마감 공정이 있습니다. 사용할 수 있는 마감 공정은 다음과 같습니다:

• 텀블 연마: 금속 분말 함량이 높은 부품에 텀블링은 효과적인 연마 방법입니다. 금속 프린트의 매끄러움을 1시간 연마로 기하급수적으로 높일 수 있으며, 연마 시간이 길수록 결과가 좋아집니다.
• 증기 평활화: 빠르고 효과적입니다. 사용 증기 유형은 프린트 부품 소재에 따라 다릅니다. 이 공정은 쉽게 자동화할 수 있습니다. 하지만 경우에 따라 프린트 부품 강도를 낮출 수 있습니다.
• 샌딩: 가장 간단한 매끄럽게 하는 방법 중 하나입니다. 사포를 사용합니다. 대부분의 결함을 제거하고 레이어 라인을 숨길 수 있습니다. 샌딩은 마찰에 의존하므로 발생하는 열이 부품을 변형시킬 수 있습니다. 습식 샌딩이 바람직합니다.
• 가공: 금속에 플라스틱보다 더 많이 사용됩니다. 하지만 얇은 벽 부품에는 종종 비경제적이고 비현실적입니다.

코팅

코팅 사용은 매끄러운 표면을 얻는 효과적인 방법입니다. 실런트 형태의 코팅은 SLA 프린팅에 사용되는 레진 같은 비인증 소재도 밀봉합니다. 흔히 사용되는 코팅은 에폭시입니다. 코팅은 부품 두께를 늘리므로 부품 설계 시 고려해야 합니다.

결론

식품 산업의 3D 프린팅은 제품 출시 비용과 시간을 줄일 수 있습니다. 그러나 제품 부품의 식품 안전이 최우선입니다. 대부분의 3D 프린터가 필요한 매끄러운 표면을 생성하지 못하지만, 후처리로 부품 매끄러움을 향상시킬 수 있습니다. 부품에 코팅을 적용하는 것이 매끄러운 표면을 얻고 부품과 식품 사이의 밀봉을 만드는 최선의 방법입니다.

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