Imprimarea 3D poate provoca cancer? Cum să-l folosești corect? Cum aleg școlile imprimantele 3D?

China produce anual milioane de imprimante 3D pentru consumatori și le vinde în toate părțile lumii. O parte relativă dintre ele sunt folosite de utilizatori acasă sau la birou. Nu cu mult timp în urmă, biroul Ursul Antarctic avea o nouă imprimantă 3D cu fotopolimerizare LCD. Un model fusese imprimat toată noaptea. A doua zi, când s-a deschis ușa biroului, mi-a venit pe față un miros ascuțit de rășină fotosensibilă. A trebuit să curăț imediat materialele de rășină și să deschid geamul pentru aerisire. Am stat afară câteva minute înainte de a mă întoarce la birou.

Astăzi vreau să vorbesc despre o întrebare serioasă: ce zici de securitatea imprimării 3D?

Când aerul este umplut cu mirosul minunat de topire a plasticului, doar dovedește că imprimanta 3D lucrează din greu în acest moment. Dar poate ați văzut că, după ce mass-media a dezvăluit că imprimarea 3D a fost otrăvitoare anul trecut, trebuie să fie îngrijorați: „Cât de mult rău vor face aceste gaze emise de imprimantele 3D ființelor umane? Va dăuna sănătății umane dacă puneți Imprimanta 3D în dormitor și lăsați-o să funcționeze peste noapte? Va afecta sănătatea angajaților dacă puneți imprimanta 3D la birou?

Indiferent unde intenționați să puneți imprimanta 3D în interior, puteți afla cum să alegeți și să cumpărați imprimanta 3D din perspectiva științei, cercetării și practicii prin intermediul acestui articol, precum și cum să asigurați calitatea aerului și siguranța în procesul de utilizare. .

Care este compoziția acestor gaze? Poate provoca cancer?

Cercetarea arată că toate imprimantele 3D (imprimantele 3D FDM/FFF sunt analizate în principal în această lucrare, iar întărirea UV și alte tehnologii vor fi urmărite și investigate ulterior) vor produce emisii la imprimare. Unele dintre ele sunt inofensive, dar au miros, care sunt generate după ce materialele sunt încălzite, iar altele pot fi dăunătoare sănătății. Pentru a aprecia dacă aceste emisii sunt sigure, este necesar să se acorde o atenție deosebită conținutului de particule (PM) și compuși organici volatili (COV) eliberați de imprimantă.

Particule (PM) și compuși organici volatili (COV) emise de imprimanta 3D (sursa foto: US EPA)

Particule inhalabile (PM): În general, particulele inhalate de oameni se vor acumula în plămâni. Dacă conținutul de particule este prea mare, va provoca boli respiratorii, cum ar fi astmul. Pe lângă imprimantele 3D, aceste particule apar și în viața de zi cu zi, cum ar fi evacuarea mașinii, arderea incendiilor de munte etc. PM2.5 este, de asemenea, un indice de poluare căruia îi acordăm atenție adesea în viața de zi cu zi.

Compuși organici volatili (COV): De obicei, la decorarea sau cumpărarea unei mașini, se va acorda o atenție deosebită COV, cum ar fi formaldehida. Anul trecut, după cum spuneau știrile relevante, unele COV cauzate de imprimantele 3D sunt cancerigene, dar toxicitatea acestor emisii nu a fost studiată temeinic, iar investigația este încă în curs.

Deși investigațiile detaliate sunt încă în desfășurare, efectele nocive ale emisiilor de FDM asupra corpului uman depind de mediul de operare și de timpul de expunere. În 2021, un studiu a constatat că expunerea umană la emisii timp de o oră sau mai puțin nu va afecta sănătatea. Dar cei care stau în preajma imprimantei în fiecare săptămână și lucrează mai mult de 40 de ore pot suferi de boli respiratorii. Zona gri între 1 oră și 40 de ore trebuie să fie verificată în continuare prin experimente.

△ Toate imprimantele din laboratorul Universității Kettering din Michigan au fost sigilate în cutia de filtru 3DPrintClean (sursa foto: Universitatea Kettering)

Deși datele și concluziile despre copii sunt și ele în studiu, trebuie să acordăm mai multă atenție școlilor, în special laboratorului de inovație în imprimare 3D din școli. Un raport de cercetare privind emisiile de imprimante 3D de către Agenția pentru Protecția Mediului din SUA (EPA) arată că copiii pot fi deosebit de vulnerabili la impactul emisiilor de imprimante 3D. Studiul a constatat că, în comparație cu adulții, copiii cu vârsta cuprinsă între 9 și 18 ani au inhalat particule emise prin imprimarea 3D, suprafața plămânilor lor acoperită de particule a fost mai mare. EPA consideră că acest lucru poate fi legat de curiozitatea și preferința mai mare a copiilor pentru contactul strâns cu capetele de imprimare, iar căile respiratorii ale copiilor sunt încă în stadiu de dezvoltare și sunt vulnerabile la infecții.

△ 3 Doodler, un producător străin, a dezvoltat special un stilou de imprimare 3D pentru copii pentru a reduce PM prin reducerea punctului de topire

Prin urmare, acest articol vă va prezenta unul câte unul prin rezultatele cercetării actuale, pentru a vă ajuta, în special pe educatori, să înțelegeți cum să vă protejați atunci când utilizați imprimante 3D în interior și cum să luați în considerare dacă intenționați să achiziționați imprimante 3D.

Cum să reduceți posibilele riscuri pentru sănătate atunci când utilizați imprimante 3D

△ Studioul de imprimare 3D al Universității Alto, Finlanda, a colectat un număr mare de date despre imprimantele 3D și impactul emisiilor acestora asupra sănătății și calității aerului. Această lucrare citează parțial datele școlii.

1. Folosiți materiale cu emisii scăzute (cum ar fi PLA) și selectați fir original sau de marcă

În primul rând, cel mai mare factor care afectează emisiile FDM sunt consumabilele. Potrivit unui număr de studii efectuate de Agenția pentru Protecția Mediului din SUA (EPA) și de alte departamente, tipul de consumabile are un impact crucial asupra emisiilor, în funcție de materiile prime utilizate de producători și de procesul de sinteză intermediară - diferite consumabile conțin întăriri diferite. , coloranți și alți aditivi, care sunt afectați diferit de topirea la cald. Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente (FDA) a mai spus recent: „Odată cu aplicarea tot mai largă a tehnologiei de imprimare 3D, este necesar să se investigheze impactul aditivilor consumabili asupra sănătății umane. În viitor, FDA va continua să investigheze caracteristicile alți aditivi și compușii organici volatili și particulele implicate și emit standarde relevante."

În prezent, majoritatea studiilor FDA se concentrează pe analiza celor mai comune trei consumabile - ABS, PLA și nailon. ABS este în general clasificat ca un material cu emisii ridicate. Pe lângă faptul că generează o cantitate mare de PM și COV la începutul utilizării ABS, emisiile pe parcursul întregului proces de imprimare sunt foarte stabile. După cum sa menționat mai sus, deoarece COV-urile emise se vor combina rapid cu particulele și se vor integra, principalele emisii generate în mod continuu în viitor sunt practic particule. Emisia materialelor PLA și nailon este mai mică decât cea a ABS. Aceste materiale vor produce, de asemenea, un număr mare de particule la începutul utilizării, dar nu vor continua să se descarce. Prin urmare, numim în general aceste materiale materiale cu emisii scăzute.

Totodată, au observat și că emisiile de PLA ar fi afectate de mărcile de consumabile. Calitatea consumabilelor de diferite mărci a fost neuniformă, iar emisiile unor PLA au fost chiar apropiate de emisiile de ABS. Rodney Weber, cercetător la Institutul de Tehnologie din Georgia, a descoperit acest lucru încă din 2017, după ce a efectuat un experiment privind emisia de consumabile. El a îndemnat utilizatorii să fie precauți în ceea ce privește cumpărarea de consumabile ieftine fără licență. El a spus: „Am descoperit că concentrația de aerosoli generată în timpul tipăririi va fi mai mare atunci când se folosesc consumabile ieftine decât cele produse sau recomandate de fabrica originală sau de producătorii de mărci bine-cunoscute. Deși PLA este fabricat din materiale biodegradabile precum amidonul de porumb, noi și Asociația Aerosolilor au descoperit că unele particule și compuși emisi de PLA sunt chiar mai toxice decât ABS.Dar deoarece PLA produce aceste substanțe nocive doar la începutul tipăririi Pe măsură ce trece timpul, toxicitatea emisiilor consumabile ABS va depăși treptat pe cea a PLA. emisii consumabile.

△ În ceea ce privește emisia de imprimare 3D, Rodney Weberz, cercetător la Georgia Institute of Technology, desfășoară un experiment de investigație de pionierat (sursa foto: Journal of Aerosol Science and Technology)

2. Optimizarea setărilor: duză mai subțire, temperatură mai scăzută a duzei și selectați cel mai bun efect

În al doilea rând, parametrii hardware ai diferiților producători sunt diferiți, iar acești parametri vor afecta emisiile. În special atunci când sunt utilizate consumabile PLA și consumabile din nailon, influența mărcii și parametrilor imprimantei este mai evidentă. Unele setări au, de asemenea, un impact semnificativ asupra ratelor de emisie de PM și COV.

Un studiu a fost realizat la Universitatea de Tehnologie din Brno, unde cercetătorii au comparat efectele setărilor imprimantei asupra materialelor ABS, PLA, PET și TPU. Rezultatele arată că atunci când alegem setarea optimă de imprimare, putem asigura succesul tipăririi minimizând în același timp emisiile; În același timp, atunci când temperatura duzei este setată la un nivel scăzut, emisiile generate de materialele sale vor fi mai mici. Prin urmare, din perspectiva sănătății respiratorii, cercetătorii recomandă utilizatorilor de imprimante să seteze cea mai scăzută temperatură posibilă a duzei, chiar mai mică decât recomandările producătorului. De asemenea, studiul a constatat că dimensiunea duzei are un impact semnificativ asupra ratei de emisie și asupra concentrației de particule. Pentru materialele ABS, PET și PLA, ei au descoperit că utilizarea unei duze de {{0}},4 mm a produs cel puțin PM. TPU este o excepție. Când utilizați TPU, dimensiunea duzei crește la 0,6 mm, iar descărcarea este mai mică.

△ Viteza maximă de formare a particulelor în timpul imprimării sub diferite setări de temperatură/dimensiune a duzei (sursa foto: Jurnalul Internațional de Cercetare a Mediului și Sănătate Publică, „Parameters Affecting Ultrafine Particle Emission in 3D Printing”)

Rezultatele au arătat, de asemenea, că debitul materialului sau viteza de imprimare au avut un efect redus asupra emisiilor. Prin urmare, setarea extruderului este cel mai critic factor care afectează emisiile. Un alt studiu care utilizează teste ABS și PLA a constatat că platforma de imprimare încălzită nu ar crește emisiile, dar ar ajuta la creșterea dimensiunii particulelor și la reducerea numărului de particule mai ușor.

Aproape toți cercetătorii subliniază că metoda de ventilație adecvată este cheia pentru îmbunătățirea calității aerului din interior. Utilizatorul trebuie să plaseze imprimanta într-o poziție bine ventilată și să instaleze un ventilator la portul de evacuare pentru a obține cel mai bun efect. Toate sistemele de ventilație trebuie să fie echipate cu un sistem corespunzător de filtrare a aerului pentru utilizare. Se recomandă utilizarea filtrelor HEPA, care pot elimina până la 99,95 la sută din particule. Pentru a reduce emisiile de COV, filtrul de cărbune activ este cea mai bună soluție.

3. Pentru imprimanta deschisă, adăugați alte dispozitive suport

Este o alegere bună să acoperiți imprimanta 3D cu o carcasă mică ventilată cu un filtru de aer. Cercetările arată că o imprimantă 3D de desktop poate reduce emisia de particule cu 97 la sută prin plasarea într-o carcasă cu performanță de filtrare și ventilație. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că atunci când cumpărați, ar trebui să verificați dacă carcasa achiziționată este echipată cu un sistem HEPA, deoarece multe carcase de imprimante 3D de pe piață sunt folosite doar pentru a menține căldura și nu au niciun efect de emisie.

△ Carcasă de imprimantă cu filtru HEPA personalizat special de Alveo3D, o companie franceză (sursa imagine: Alveo3D)

Purificatorul de aer folosește un ventilator pentru a aspira aer și a elimina diferiți poluanți prin diferite metode de filtrare și dezinfecție. Acestea pot juca un rol important în îmbunătățirea calității aerului în zona de lucru a imprimantei 3D, dar este mai bine să alegeți purificatorul de aer echipat cu HEPA și filtru de cărbune activ. Filtrul de aer trebuie achiziționat cu mare grijă, deoarece filtrul folosit special pentru praf și diviziune poate să nu poată elimina complet particulele sau COV-urile emise de imprimanta 3D. Nu uitați să înlocuiți regulat sita filtrului de pe mașină.

4. Instalarea în interior a monitorului de calitate a aerului

Monitorul calității aerului poate ajuta utilizatorii să monitorizeze conținutul de substanțe chimice potențial dăunătoare din zona de lucru în timp real. Cu toate acestea, există concluzii diferite cu privire la dacă produsele de monitorizare la nivel de consumator sunt suficient de sensibile pentru a detecta particulele mici emise în timpul imprimării 3D. Un studiu a arătat că marea majoritate a particulelor solide emise de materiale consumabile avea dimensiuni cuprinse între 0.05 și 0,2 microni. Cu toate acestea, majoritatea monitoarelor de calitate a aerului domestic pot detecta numai particule cu dimensiunea cuprinsă între 1 și 2,5 microni (definite ca PM1-PM2,5). Cu toate acestea, unele monitoare pot detecta particule sub 0.1 μm (definit ca PM0.1).

Unele studii indică faptul că monitoarele de calitate a aerului nu sunt neapărat fiabile chiar și în locurile de cercetare avansate. Cu toate acestea, dacă monitorul arată că concentrația PM este mai mare de 35 micrograme/m3, ar trebui să începeți să găsiți modalități de a elimina emisiile din zona de lucru.

Cum aleg să cumpăr o imprimantă care să garanteze calitatea aerului?

1. Achiziționați o imprimantă FDM cu filtru HEPA încorporat

Deoarece nu există un standard de testare matur pentru moment, pentru a asigura calitatea aerului din interior atunci când folosim imprimante 3D, putem începe de la imprimantele 3D în sine și mediul interior pentru a găsi soluții corespunzătoare. În primul rând, puteți începe cu o imprimantă 3D. Acum există pe piață multe imprimante 3D cu filtre de aer încorporate. Cu aceste imprimante, puteți salva separat etapa de achiziție a accesoriilor pentru filtrul de aer și puteți controla emisiile de la „sursă”.

Majoritatea imprimantelor 3D pentru consumatori nu sunt echipate cu filtre de aer convenționale. Unele modele profesionale vor fi echipate cu ele, în timp ce altele trebuie instalate suplimentar. Acordați o atenție deosebită atunci când cumpărați. Imprimanta 3D industrială este special concepută pentru fabrică și trebuie să fie echipată cu un filtru de aer pentru a respecta regulile și reglementările de siguranță la locul de muncă. Utilizatorii pot achiziționa imprimante 3D corespunzătoare în funcție de numărul de modele de printare și de mediu, dar este mai bine să achiziționeze direct modele echipate cu sisteme de filtrare.

Ridica 3D

Noua imprimantă Raise3D Pro3 este echipată cu sistemul de gestionare a fluxului de aer Air Flow Manager, care circulă mai întâi prin camera imprimantei și apoi filtrează prin HEPA. Efectul real este mult mai bun decât cel al modelului care folosește doar HEPA pentru filtrare. Principiul poate fi acela de a face particulele mici să devină particule mari de praf atunci când intră în contact una cu cealaltă în procesul de circulație în cabină, astfel încât să poată fi adsorbite sau sedimentate mai ușor.

2. Adăugați filtru de aer pentru imprimanta FDM extensibilă

Unele imprimante 3D nu au propriul sistem de filtru de aer, dar oferă și accesorii pentru filtru de aer care se potrivesc cu echipamentul. Deși este posibil să se controleze emisiile de la „sursă”, astfel de imprimante 3D vor trebui să cheltuiască costuri și pași suplimentari pentru a adăuga accesorii, iar costul va fi mai mare decât cel al echipamentelor cu filtre încorporate cu prețuri și funcții similare.

Zortrax

Capacul superior HEPA de la Zortrax (în plus 250 USD, aproximativ 1500 de yuani) este potrivit pentru majoritatea modelelor Zortrax. Filtrul de cărbune activ încorporat poate absorbi multe mirosuri neplăcute în timpul imprimării, în timp ce filtrul HEPA poate capta cele mai multe particule dăunătoare.

MakerBot

Sistemul de aer curat al tuturor imprimantelor MakerBot Method și Method X (instalarea suplimentară costă 899 USD, aproximativ 6300 yuani) este echipat cu un filtru HEPA, care este certificat de GreenGuard pentru protecția mediului.

Ultimaker

Potrivit producătorului Ultimaker, Ultimaker S5 Air Manager (instalarea suplimentară costă 925 USD, aproximativ 6500 de yuani) este echipat cu filtru de particule E10, care poate filtra până la 95 la sută din particulele ultrafine, inclusiv un ventilator silentios.

rezumat

Odată cu dezvoltarea științei și tehnologiei, tot mai multe săli de clasă, colegii și întreprinderi vor folosi imprimante 3D, deoarece acestea pot juca un rol imens în educație și cercetare științifică. Deși datele actuale sunt încă insuficiente pentru a susține stabilirea standardelor din industrie, trebuie totuși să acordăm o atenție deosebită potențialelor pericole, să le prevenim înainte ca acestea să apară, să reducem posibilele riscuri profesionale și să protejăm copiii de incidente similare cu melamina din trecut.