Může 3D tisk způsobit rakovinu? Jak jej správně používat? Jak si školy vybírají 3D tiskárny?

Čína každý rok vyrábí miliony spotřebitelských 3D tiskáren a prodává je do všech částí světa. Poměrně část z nich využívají uživatelé doma nebo v kanceláři. Nedávno měla kancelář antarktických medvědů novou 3D tiskárnu LCD vytvrzovanou světlem. Celou noc byl vytištěn model. Druhý den, když se otevřely dveře kanceláře, se mi do obličeje dostal ostrý zápach fotocitlivé pryskyřice. Musel jsem okamžitě vyčistit pryskyřičné materiály a otevřít okno pro větrání. Než jsem se vrátil do kanceláře, zůstal jsem několik minut venku.

Dnes chci mluvit o vážné otázce: jak je to s bezpečností 3D tisku?

Když se vzduch naplní nádhernou vůní tajícího se plastu, jen to dokazuje, že 3D tiskárna v této době tvrdě pracuje. Ale možná jste viděli, že poté, co média minulý rok odhalila, že 3D tisk byl jedovatý, musí mít obavy: „Jak moc uškodí tyto plyny emitované 3D tiskárnami lidem? Uškodí to lidskému zdraví, pokud 3D tiskárnu v ložnici a nechat ji fungovat přes noc? Bude mít vliv na zdraví zaměstnanců, když 3D tiskárnu umístíte do kanceláře?

Bez ohledu na to, kam plánujete umístit 3D tiskárnu v interiéru, můžete se prostřednictvím tohoto článku dozvědět, jak vybrat a zakoupit 3D tiskárnu z pohledu vědy, výzkumu a praxe, a také jak zajistit kvalitu vzduchu a bezpečnost v procesu používání .

Jaké je složení těchto plynů? Může způsobit rakovinu?

Výzkum ukazuje, že všechny 3D tiskárny (v tomto článku jsou analyzovány hlavně 3D tiskárny FDM/FFF a vytvrzování UV zářením a další technologie budou sledovány a zkoumány později) budou při tisku produkovat emise. Některé z nich jsou neškodné, ale mají zápach, který vzniká po zahřátí materiálů, jiné mohou být zdraví škodlivé. Pro posouzení, zda jsou tyto emise bezpečné, je nutné věnovat zvláštní pozornost obsahu pevných částic (PM) a těkavých organických sloučenin (VOC) uvolňovaných tiskárnou.

Částice (PM) a těkavé organické sloučeniny (VOC) emitované 3D tiskárnou (zdroj fotografií: US EPA)

Vdechovatelné částice (PM): Částice vdechované lidmi se obecně hromadí v plicích. Pokud je obsah částic příliš vysoký, způsobí onemocnění dýchacích cest, jako je astma. Kromě 3D tiskáren se tyto částice objevují také v každodenním životě, jako jsou výfuky automobilů, hoření horských požárů atd. PM2,5 je také index znečištění, kterému často věnujeme pozornost v každodenním životě.

Těkavé organické sloučeniny (VOC): Obvykle bude při zdobení nebo nákupu automobilu věnována zvláštní pozornost VOC, jako je formaldehyd. V loňském roce, jak uvedly příslušné zprávy, některé VOC způsobené 3D tiskárnami jsou karcinogenní, ale toxicita těchto emisí nebyla důkladně studována a vyšetřování stále probíhá.

Přestože podrobné vyšetřování stále probíhá, poškození emisí FDM pro lidské tělo závisí na provozním prostředí a době expozice. V roce 2021 studie zjistila, že vystavení člověka emisím po dobu jedné hodiny nebo méně neovlivní zdraví. Kdo se ale zdržuje u tiskárny každý týden a pracuje déle než 40 hodin, může trpět onemocněním dýchacích cest. Šedá oblast mezi 1 hodinou a 40 hodinami musí být dále ověřena experimenty.

△ Všechny tiskárny v laboratoři Kettering University v Michiganu byly zapečetěny ve filtračním boxu 3DPrintClean (zdroj fotografií: Kettering University)

Přestože jsou data a závěry o dětech také ve studiu, musíme školám věnovat větší pozornost, zejména laboratoři pro inovace 3D tisku na školách. Výzkumná zpráva o emisích 3D tiskáren od Agentury pro ochranu životního prostředí USA (EPA) ukazuje, že děti mohou být zvláště zranitelné vůči dopadu emisí 3D tiskáren. Studie zjistila, že ve srovnání s dospělými, děti ve věku 9 až 18 let vdechovaly částice emitované 3D tiskem, plocha jejich plic pokrytá částicemi byla větší. EPA se domnívá, že to může souviset s větší zvídavostí dětí a preferencí blízkého kontaktu s tiskovými hlavami a dýchací trakt dětí je stále ve fázi vývoje a náchylný k infekci.

△ 3 Doodler, zahraniční výrobce, speciálně vyvinul 3D tiskové pero pro děti ke snížení PM snížením bodu tání

Tento článek vás proto jeden po druhém provede aktuálními výsledky výzkumu, aby vám, zejména pedagogům, pomohl pochopit, jak se chránit při používání 3D tiskáren v interiéru a jak zvážit, pokud plánujete nákup 3D tiskáren.

Jak snížit možná zdravotní rizika při používání 3D tiskáren

△ Studio 3D tisku Univerzity Alto ve Finsku shromáždilo velké množství dat o 3D tiskárnách a dopadu jejich emisí na zdraví a kvalitu ovzduší. Tento dokument částečně cituje údaje školy.

1. Použijte materiály s nízkými emisemi (jako je PLA) a vyberte originální nebo značkový vodič

Za prvé, největším faktorem ovlivňujícím emise FDM jsou spotřební materiály. Podle řady studií provedených US Environmental Protection Agency (EPA) a dalšími odděleními má typ spotřebního materiálu zásadní vliv na emise v závislosti na surovinách používaných výrobci a procesu meziproduktové syntézy – různé spotřební materiály obsahují různá zpevnění , barviva a další přísady, které jsou jinak ovlivněny tavením. Americký Úřad pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) nedávno také uvedl: "Se stále širším uplatněním technologie 3D tisku je nutné prozkoumat dopad spotřebních přísad na lidské zdraví. V budoucnu bude FDA pokračovat ve zkoumání vlastností další přísady a příslušné těkavé organické sloučeniny a částice a vydat příslušné normy."

V současnosti se většina studií FDA zaměřuje na analýzu tří nejběžnějších spotřebních materiálů – ABS, PLA a nylonu. ABS je obecně klasifikován jako materiál s vysokými emisemi. Kromě generování velkého množství PM a VOC na začátku používání ABS jsou emise během celého procesu tisku velmi stabilní. Jak bylo uvedeno výše, protože se emitované VOC rychle spojí s částicemi a integrují se, hlavní emise, které budou v budoucnu nepřetržitě vznikat, jsou v podstatě částice. Emise materiálů PLA a nylonu jsou nižší než emise ABS. Tyto materiály budou také na začátku používání produkovat velké množství částic, ale nebudou dále vybíjet. Proto tyto materiály obecně nazýváme nízkoemisní materiály.

Zároveň si také všimli, že emise PLA budou ovlivněny značkami spotřebního materiálu. Kvalita spotřebního materiálu různých značek byla nerovnoměrná a emise některých PLA se dokonce blížily emisím ABS. Rodney Weber, výzkumník z Georgia Institute of Technology, to objevil již v roce 2017 poté, co provedl experiment s emisemi spotřebního materiálu. Vyzval uživatele, aby byli opatrní při nákupu levného nelicencovaného spotřebního materiálu. Řekl: "Zjistili jsme, že koncentrace aerosolu generovaná během tisku bude při použití levného spotřebního materiálu vyšší než ten, který vyrábí nebo doporučuje původní továrna nebo výrobci známých značek. Přestože je PLA vyrobena z biologicky odbouratelných materiálů, jako je kukuřičný škrob, my a Aerosol Association zjistila, že některé částice a sloučeniny emitované PLA jsou ještě toxičtější než ABS. Ale protože PLA produkuje tyto škodlivé látky pouze na začátku tisku Postupem času bude toxicita emisí ze spotřebního materiálu ABS postupně převyšovat toxicitu PLA spotřební emise.

△ Pokud jde o emise 3D tisku, Rodney Weberz, výzkumník z Georgia Institute of Technology, provádí průkopnický výzkumný experiment (zdroj fotografií: Journal of Aerosol Science and Technology)

2. Optimalizace nastavení: tenčí tryska, nižší teplota trysky a výběr nejlepšího efektu

Za druhé, hardwarové parametry různých výrobců se liší a tyto parametry ovlivní emise. Zejména při použití spotřebního materiálu PLA a nylonového spotřebního materiálu je vliv značky a parametrů tiskárny patrnější. Některá nastavení mají také významný dopad na míru emisí PM a VOC.

Na Vysokém učení technickém v Brně proběhla studie, kde vědci porovnávali vliv nastavení tiskárny na materiály ABS, PLA, PET a TPU. Výsledky ukazují, že když zvolíme optimální nastavení tisku, můžeme zajistit úspěch tisku při minimalizaci emisí; Současně, když je teplota trysky nastavena na nízkou, emise generované jejími materiály budou menší. Z hlediska zdraví dýchacích cest proto výzkumníci doporučují uživatelům tiskáren nastavit nejnižší možnou teplotu trysek, dokonce nižší, než doporučuje výrobce. Studie také zjistila, že velikost trysky má významný vliv na rychlost emisí a koncentraci částic. U materiálů ABS, PET a PLA zjistili, že použití trysky {{0}} 0,4 mm produkuje nejméně PM. Výjimkou je TPU. Při použití TPU se velikost trysky zvětší na 0,6 mm a výboj je menší.

△ Maximální rychlost tvorby částic během tisku při různých nastaveních teploty/velikosti trysek (zdroj fotografií: International Journal of Environmental Research and Public Health, „Parameters Affecting Ultrafine Particle Emission in 3D Printing“)

Výsledky také ukázaly, že rychlost toku materiálu nebo rychlost tisku měly malý vliv na emise. Proto je nastavení extrudéru nejkritičtějším faktorem ovlivňujícím emise. Další studie využívající testy ABS a PLA zjistila, že vyhřívaná tisková platforma nezvýší emise, ale pomůže snáze zvětšit velikost částic a snížit počet částic.

Téměř všichni vědci poukazují na to, že správná metoda větrání je klíčem ke zlepšení kvality vnitřního vzduchu. Uživatel by měl umístit tiskárnu na dobře větrané místo a na výfukový port nainstalovat ventilátor, aby bylo dosaženo nejlepšího účinku. Všechny ventilační systémy musí být vybaveny odpovídajícím systémem filtrace vzduchu pro použití. Doporučuje se používat HEPA filtry, které dokážou odstranit až 99,95 procenta pevných částic. Pro snížení emisí VOC je nejlepším řešením filtr s aktivním uhlím.

3. Pro otevřenou tiskárnu přidejte další podpůrná zařízení

Dobrou volbou je zakrýt 3D tiskárnu malým odvětrávaným krytem se vzduchovým filtrem. Výzkum ukazuje, že stolní 3D tiskárna může snížit emise částic o 97 procent tím, že ji umístí do krytu s filtračním a ventilačním výkonem. Je však třeba poznamenat, že při nákupu byste si měli zkontrolovat, zda je zakoupená skořepina vybavena systémem HEPA, protože mnoho skořepin 3D tiskáren na trhu slouží pouze k udržení tepla a nemají žádný emisní efekt.

△ Kryt tiskárny s HEPA filtrem speciálně upraveným francouzskou společností Alveo3D (zdroj obrázku: Alveo3D)

Čistička vzduchu pomocí ventilátoru nasává vzduch a odstraňuje různé škodliviny pomocí různých metod filtrace a dezinfekce. Mohou hrát důležitou roli při zlepšování kvality vzduchu v pracovním prostoru 3D tiskárny, ale je lepší zvolit čističku vzduchu vybavenou HEPA a filtrem s aktivním uhlím. Vzduchový filtr by měl být zakoupen s velkou opatrností, protože filtr speciálně používaný pro prach a dělení nemusí být schopen zcela odstranit částice nebo VOC emitované 3D tiskárnou. Nezapomeňte pravidelně vyměňovat sítko filtru na stroji.

4. Vnitřní instalace monitoru kvality vzduchu

Monitor kvality vzduchu může uživatelům pomoci sledovat obsah potenciálně škodlivých chemikálií v pracovní oblasti v reálném čase. Existují však různé závěry o tom, zda jsou monitorovací produkty na úrovni spotřebitelů dostatečně citlivé, aby detekovaly drobné částice emitované během 3D tisku. Jedna studie ukázala, že velká většina pevných částic emitovaných ze spotřebního materiálu měla velikost mezi 0.05 až 0,2 mikronu. Většina domácích monitorů kvality ovzduší však dokáže detekovat pouze částice o velikosti mezi 1 a 2,5 mikrony (definované jako PM1-PM2,5). Některé monitory však mohou detekovat částice pod 0,1 μm (definované jako PM0,1).

Některé studie naznačují, že monitory kvality ovzduší nejsou nutně spolehlivé ani na pokročilých výzkumných pracovištích. Pokud však váš monitor ukazuje, že koncentrace PM je vyšší než 35 mikrogramů/m3, měli byste začít hledat způsoby, jak emise z pracovního prostoru odstranit.

Jak se mám rozhodnout pro nákup tiskárny, která zaručuje kvalitu vzduchu?

1. Kupte si FDM tiskárnu s vestavěným HEPA filtrem

Vzhledem k tomu, že v současné době neexistuje žádný vyspělý testovací standard, abychom zajistili kvalitu vnitřního ovzduší při používání 3D tiskáren, můžeme při hledání odpovídajících řešení začít od samotných 3D tiskáren a vnitřního prostředí. Nejprve můžete začít s 3D tiskárnou. Nyní je na trhu mnoho 3D tiskáren se zabudovanými vzduchovými filtry. S těmito tiskárnami si můžete uložit krok nákupu příslušenství vzduchového filtru samostatně a kontrolovat emise ze „zdroje“.

Většina spotřebitelských 3D tiskáren není vybavena konvenčními vzduchovými filtry. Některé profesionální modely jimi budou vybaveny, jiné je třeba dodatečně nainstalovat. Při nákupu věnujte zvláštní pozornost. Průmyslová 3D tiskárna je speciálně navržena pro továrnu a musí být vybavena vzduchovým filtrem, aby splňovala bezpečnostní pravidla a předpisy na pracovišti. Uživatelé si mohou zakoupit odpovídající 3D tiskárny podle počtu tiskových modelů a prostředí, ale je lepší přímo zakoupit modely vybavené filtračními systémy.

Raise3D

Nová tiskárna Raise3D Pro3 je vybavena systémem řízení proudění vzduchu Air Flow Manager, který nejprve cirkuluje komorou tiskárny a poté filtruje přes HEPA. Skutečný efekt je mnohem lepší než u modelu, který k filtrování používá pouze HEPA. Principem může být, že se z malých částic při vzájemném kontaktu v procesu cirkulace v kabině stanou velké prachové částice, aby se mohly snadněji adsorbovat nebo usazovat.

2. Přidejte vzduchový filtr pro rozšiřující tiskárnu FDM

Některé 3D tiskárny nemají vlastní systém vzduchového filtru, ale poskytují také příslušenství vzduchového filtru odpovídající vybavení. Přestože je možné kontrolovat emise ze „zdroje“, takové 3D tiskárny budou muset vynaložit dodatečné náklady a kroky na přidání příslušenství a náklady budou vyšší než u zařízení s vestavěnými filtry s podobnými cenami a funkcemi.

Zortrax

Vrchní kryt HEPA společnosti Zortrax (dodatečných 250 $, asi 1500 juanů) je vhodný pro většinu modelů Zortrax. Vestavěný filtr s aktivním uhlím dokáže během tisku pohltit mnoho nepříjemných pachů, zatímco HEPA filtr dokáže zachytit většinu škodlivých částic.

MakerBot

Clean Air System všech tiskáren MakerBot Method a Method X (dodatečná instalace stojí 899 $, asi 6300 juanů) je vybaven HEPA filtrem, který je certifikovaný GreenGuard pro ochranu životního prostředí.

Ultimaker

Podle výrobce Ultimaker je Ultimaker S5 Air Manager (dodatečná instalace stojí 925 $, asi 6500 juanů) vybaven částicovým filtrem E10, který dokáže odfiltrovat až 95 procent ultrajemných částic, včetně tichého ventilátoru.

souhrn

S rozvojem vědy a techniky bude stále více učeben, vysokých škol a podniků používat 3D tiskárny, protože mohou hrát obrovskou roli ve vzdělávání a vědeckém výzkumu. Přestože současná data stále nepostačují k podpoře stanovení průmyslových standardů, musíme stále věnovat zvláštní pozornost potenciálním nebezpečím, předcházet jim dříve, než nastanou, snížit možná pracovní rizika a chránit děti před incidenty podobnými melaminu v minulosti.