La stampa 3D può causare il cancro? Come usarlo correttamente? In che modo le scuole scelgono le stampanti 3D?

La Cina produce milioni di stampanti 3D di fascia consumer ogni anno e le vende in tutte le parti del mondo. Una parte relativamente di essi viene utilizzata dagli utenti a casa o in ufficio. Non molto tempo fa, l'ufficio dell'orso antartico aveva una nuova stampante 3D fotopolimerizzante LCD. Un modello era stato stampato tutta la notte. Il giorno dopo, quando la porta dell'ufficio è stata aperta, mi è venuta in faccia un forte odore di resina fotosensibile. Ho dovuto pulire immediatamente i materiali in resina e aprire la finestra per la ventilazione. Rimasi fuori per diversi minuti prima di tornare in ufficio.

Oggi voglio parlare di una domanda seria: che ne dici della sicurezza della stampa 3D?

Quando l'aria è piena del meraviglioso odore della plastica che si scioglie, dimostra che la stampante 3D sta lavorando sodo in questo momento. Ma potresti aver visto che dopo che i media hanno rivelato che la stampa 3D era velenosa l'anno scorso, devono essere preoccupati: "Quanto male faranno questi gas emessi dalle stampanti 3D agli esseri umani? Danneggerà la salute umana se metti il Stampante 3D in camera da letto e lasciarlo in funzione durante la notte? Influirà sulla salute dei dipendenti se metti la stampante 3D in ufficio?

Indipendentemente da dove prevedi di mettere la stampante 3D all'interno, puoi imparare come scegliere e acquistare la stampante 3D dal punto di vista della scienza, della ricerca e della pratica attraverso questo articolo, nonché come garantire la qualità dell'aria e la sicurezza durante il processo di utilizzo .

Qual è la composizione di questi gas? Può provocare il cancro?

La ricerca mostra che tutte le stampanti 3D (le stampanti 3D FDM/FFF sono principalmente analizzate in questo documento e la polimerizzazione UV e altre tecnologie verranno monitorate e studiate in seguito) produrranno emissioni durante la stampa. Alcuni di essi sono innocui ma hanno un odore, che si genera dopo il riscaldamento dei materiali, e altri possono essere dannosi per la salute. Per giudicare se queste emissioni sono sicure, è necessario prestare particolare attenzione al contenuto di particolato (PM) e composti organici volatili (VOC) rilasciati dalla stampante.

Particolato (PM) e composti organici volatili (VOC) emessi dalla stampante 3D (fonte foto: US EPA)

Particolato inalabile (PM): generalmente, le particelle inalate dalle persone si accumulano nei polmoni. Se il contenuto di particelle è troppo alto, causerà malattie respiratorie, come l'asma. Oltre alle stampanti 3D, queste particelle compaiono anche nella vita quotidiana, come i gas di scarico delle auto, gli incendi in montagna, ecc. Il PM2,5 è anche un indice di inquinamento a cui spesso prestiamo attenzione nella vita quotidiana.

Composti organici volatili (VOC): Di solito, quando si decora o si acquista un'auto, si presterà particolare attenzione ai COV, come la formaldeide. L'anno scorso, come dicevano le notizie pertinenti, alcuni COV causati dalle stampanti 3D sono cancerogeni, ma la tossicità di queste emissioni non è stata studiata a fondo e l'indagine è ancora in corso.

Sebbene siano ancora in corso indagini dettagliate, il danno delle emissioni di FDM al corpo umano dipende dall'ambiente operativo e dal tempo di esposizione. Nel 2021, uno studio ha rilevato che l'esposizione umana alle emissioni per un'ora o meno non influirà sulla salute. Ma chi sta attorno alla stampante ogni settimana e lavora per più di 40 ore può soffrire di malattie respiratorie. L'area grigia tra 1 ora e 40 ore deve essere ulteriormente verificata mediante esperimenti.

△ Tutte le stampanti nel laboratorio della Kettering University nel Michigan sono state sigillate nella scatola del filtro 3DPrintClean (fonte foto: Kettering University)

Sebbene siano allo studio anche i dati e le conclusioni sui bambini, occorre prestare maggiore attenzione alle scuole, in particolare al laboratorio di innovazione della stampa 3D nelle scuole. Un rapporto di ricerca sulle emissioni delle stampanti 3D dell'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) mostra che i bambini possono essere particolarmente vulnerabili all'impatto delle emissioni delle stampanti 3D. Lo studio ha rilevato che rispetto agli adulti, i bambini di età compresa tra 9 e 18 anni hanno inalato le particelle emesse dalla stampa 3D, la superficie dei loro polmoni coperta dalle particelle era maggiore. L'EPA ritiene che ciò possa essere correlato alla maggiore curiosità e preferenza dei bambini per il contatto ravvicinato con le testine di stampa e il tratto respiratorio dei bambini è ancora in fase di sviluppo e vulnerabile alle infezioni.

△ 3 Doodler, un produttore straniero, ha sviluppato appositamente una penna per stampa 3D per bambini per ridurre il PM riducendo il punto di fusione

Pertanto, questo articolo ti guiderà attraverso i risultati della ricerca attuale uno per uno per aiutarti, in particolare gli educatori, a capire come proteggerti quando usi le stampanti 3D in ambienti chiusi e come considerare se prevedi di acquistare stampanti 3D.

Come ridurre i possibili rischi per la salute quando si utilizzano stampanti 3D

△ Lo studio di stampa 3D dell'Università di Alto, in Finlandia, ha raccolto un gran numero di dati sulle stampanti 3D e sull'impatto delle loro emissioni sulla salute e sulla qualità dell'aria. Questo articolo cita in parte i dati della scuola.

1. Utilizzare materiali a basse emissioni (come PLA) e selezionare filo originale o di marca

In primo luogo, il principale fattore che influenza le emissioni di FDM sono i materiali di consumo. Secondo una serie di studi condotti dall'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) e altri dipartimenti, il tipo di materiali di consumo ha un impatto cruciale sulle emissioni, a seconda delle materie prime utilizzate dai produttori e del processo di sintesi intermedio: diversi materiali di consumo contengono diversi tipi di tenacità , coloranti e altri additivi, che risentono in modo diverso della fusione a caldo. Anche la Food and Drug Administration (FDA) statunitense ha affermato di recente: "Con l'applicazione sempre più ampia della tecnologia di stampa 3D, è necessario studiare l'impatto degli additivi di consumo sulla salute umana. In futuro, la FDA continuerà a studiare le caratteristiche di altri additivi, i composti organici volatili e il particolato coinvolti, ed emettono standard pertinenti."

Attualmente, la maggior parte degli studi della FDA si concentra sull'analisi dei tre materiali di consumo più comuni: ABS, PLA e nylon. L'ABS è generalmente classificato come materiale ad alte emissioni. Oltre a generare una grande quantità di PM e COV all'inizio dell'utilizzo dell'ABS, le emissioni durante l'intero processo di stampa sono molto stabili. Come accennato in precedenza, poiché i COV emessi si combineranno rapidamente con il particolato e si integreranno, le principali emissioni continuamente generate in futuro sono sostanzialmente il particolato. L'emissione dei materiali PLA e nylon è inferiore a quella dell'ABS. Questi materiali produrranno anche un gran numero di particelle all'inizio dell'uso, ma non continueranno a scaricarsi. Pertanto, generalmente chiamiamo questi materiali materiali a basse emissioni.

Allo stesso tempo, hanno anche notato che le emissioni di PLA sarebbero state influenzate dalle marche di materiali di consumo. La qualità dei materiali di consumo di diverse marche non era uniforme e le emissioni di alcuni PLA erano addirittura vicine a quelle dell'ABS. Rodney Weber, ricercatore del Georgia Institute of Technology, lo ha scoperto già nel 2017 dopo aver condotto un esperimento sull'emissione di materiali di consumo. Ha esortato gli utenti a prestare attenzione all'acquisto di materiali di consumo senza licenza a basso costo. Ha affermato: "Abbiamo scoperto che la concentrazione di aerosol generata durante la stampa sarà maggiore quando si utilizzano materiali di consumo economici rispetto a quelli prodotti o consigliati dalla fabbrica originale o da noti produttori di marchi. Sebbene il PLA sia realizzato con materiali biodegradabili come l'amido di mais, noi e l'Aerosol Association ha scoperto che alcune particelle e composti emessi dal PLA sono ancora più tossici dell'ABS, ma poiché il PLA produce queste sostanze nocive solo all'inizio della stampa Con il passare del tempo, la tossicità delle emissioni dei materiali di consumo dell'ABS supererà gradualmente quella del PLA emissioni di materiali di consumo.

△ Per quanto riguarda l'emissione della stampa 3D, Rodney Weberz, ricercatore presso il Georgia Institute of Technology, sta conducendo un esperimento di indagine pionieristico (fonte foto: Journal of Aerosol Science and Technology)

2. Ottimizzazione dell'impostazione: ugello più sottile, temperatura dell'ugello più bassa e selezionare l'effetto migliore

In secondo luogo, i parametri hardware dei diversi produttori sono diversi e questi parametri influenzeranno le emissioni. Soprattutto quando vengono utilizzati materiali di consumo PLA e materiali di consumo in nylon, l'influenza del marchio e dei parametri della stampante è più evidente. Alcune impostazioni hanno anche un impatto significativo sui tassi di emissione di PM e COV.

È stato condotto uno studio presso l'Università di tecnologia di Brno, in cui i ricercatori hanno confrontato gli effetti delle impostazioni della stampante su materiali ABS, PLA, PET e TPU. I risultati mostrano che quando scegliamo l'impostazione di stampa ottimale, possiamo garantire il successo della stampa riducendo al minimo le emissioni; Allo stesso tempo, quando la temperatura dell'ugello è bassa, le emissioni generate dai suoi materiali saranno inferiori. Pertanto, dal punto di vista della salute respiratoria, i ricercatori raccomandano agli utenti della stampante di impostare la temperatura dell'ugello più bassa possibile, anche inferiore alle raccomandazioni del produttore. Lo studio ha anche rilevato che la dimensione dell'ugello ha un impatto significativo sul tasso di emissione e sulla concentrazione di particelle. Per i materiali ABS, PET e PLA, hanno scoperto che l'utilizzo di un ugello di {{0}} da 0,4 mm produceva il minimo PM. Il TPU è un'eccezione. Quando si utilizza il TPU, la dimensione dell'ugello aumenta a 0,6 mm e lo scarico è inferiore.

△ Velocità massima di formazione delle particelle durante la stampa con diverse impostazioni di temperatura/dimensione dell'ugello (fonte foto: International Journal of Environmental Research and Public Health, "Parameters Affecting Ultrafine Particle Emission in 3D Printing")

I risultati hanno anche mostrato che la portata del materiale o la velocità di stampa avevano scarso effetto sulle emissioni. Pertanto, l'impostazione dell'estrusore è il fattore più critico che influisce sulle emissioni. Un altro studio che utilizza test ABS e PLA ha rilevato che la piattaforma di stampa riscaldata non aumenterebbe le emissioni, ma aiuterebbe ad aumentare la dimensione delle particelle e ridurre il numero di particelle più facilmente.

Quasi tutti i ricercatori sottolineano che un metodo di ventilazione adeguato è la chiave per migliorare la qualità dell'aria interna. L'utente deve posizionare la stampante in una posizione ben ventilata e installare una ventola sulla porta di scarico per ottenere l'effetto migliore. Tutti i sistemi di ventilazione devono essere dotati di un sistema di filtraggio dell'aria corrispondente per l'uso. Si consiglia di utilizzare filtri HEPA, che possono rimuovere fino al 99,95% del particolato. Per ridurre le emissioni di COV, il filtro a carboni attivi è la soluzione migliore.

3. Per la stampante aperta, aggiungere altri dispositivi di supporto

È una buona scelta coprire la stampante 3D con un piccolo involucro ventilato con un filtro dell'aria. La ricerca mostra che una stampante 3D desktop può ridurre le emissioni di particelle del 97% posizionandola in un recinto con prestazioni di filtraggio e ventilazione. Tuttavia, va notato che al momento dell'acquisto, è necessario verificare se la calotta acquistata è dotata di un sistema HEPA, perché molti gusci di stampanti 3D in commercio vengono utilizzati solo per mantenere il calore e non hanno alcun effetto di emissione.

△ Guscio della stampante con filtro HEPA appositamente personalizzato da Alveo3D, un'azienda francese (fonte immagine: Alveo3D)

Il purificatore d'aria utilizza una ventola per aspirare l'aria e rimuovere vari inquinanti attraverso vari metodi di filtraggio e disinfezione. Possono svolgere un ruolo importante nel migliorare la qualità dell'aria nell'area di lavoro della stampante 3D, ma è meglio scegliere il purificatore d'aria dotato di filtro HEPA e carbone attivo. Il filtro dell'aria va acquistato con molta cura, perché il filtro appositamente utilizzato per la polvere e la divisione potrebbe non essere in grado di rimuovere completamente le particelle o i COV emessi dalla stampante 3D. Ricordarsi di sostituire regolarmente lo schermo del filtro sulla macchina.

4. Installazione interna del monitor della qualità dell'aria

Il monitoraggio della qualità dell'aria può aiutare gli utenti a monitorare in tempo reale il contenuto di sostanze chimiche potenzialmente dannose nell'area di lavoro. Tuttavia, ci sono diverse conclusioni sul fatto che i prodotti di monitoraggio a livello di consumatore siano sufficientemente sensibili da rilevare minuscole particelle emesse durante la stampa 3D. Uno studio ha mostrato che la stragrande maggioranza dei materiali in particelle solide emessi dai materiali di consumo avevano dimensioni comprese tra 0.{3}}5 e 0.2 micron. Tuttavia, la maggior parte dei monitor della qualità dell'aria domestica è in grado di rilevare solo particelle con dimensioni comprese tra 1 e 2,5 micron (definite come PM1-PM2,5). Tuttavia, alcuni monitor possono rilevare particelle inferiori a 0,1 μ m (definito come PM0,1).

Alcuni studi indicano che i monitor della qualità dell'aria non sono necessariamente affidabili anche nei siti di ricerca avanzata. Tuttavia, se il tuo monitor mostra che la concentrazione di PM è superiore a 35 microgrammi/m3, dovresti iniziare a trovare il modo di rimuovere le emissioni dall'area di lavoro.

Come faccio a scegliere di acquistare una stampante che garantisca la qualità dell'aria?

1. Acquista una stampante FDM con filtro HEPA integrato

Poiché per il momento non esiste uno standard di test maturo, al fine di garantire la qualità dell'aria interna quando si utilizzano stampanti 3D, possiamo iniziare dalle stesse stampanti 3D e dall'ambiente interno per trovare le soluzioni corrispondenti. Innanzitutto, puoi iniziare con una stampante 3D. Ora ci sono molte stampanti 3D con filtri dell'aria integrati sul mercato. Con queste stampanti, puoi risparmiare la fase di acquisto degli accessori del filtro dell'aria separatamente e controllare le emissioni dalla "fonte".

La maggior parte delle stampanti 3D di consumo non è dotata di filtri dell'aria convenzionali. Alcuni modelli professionali ne saranno dotati, mentre altri dovranno essere installati in aggiunta. Prestare particolare attenzione al momento dell'acquisto. La stampante 3D industriale è appositamente progettata per la fabbrica e deve essere dotata di un filtro dell'aria per soddisfare le norme e i regolamenti di sicurezza sul lavoro. Gli utenti possono acquistare stampanti 3D corrispondenti in base al numero di modelli di stampa e all'ambiente, ma è meglio acquistare direttamente modelli dotati di sistemi di filtraggio.

Alza 3D

La nuova stampante Raise3D Pro3 è dotata del sistema di gestione del flusso d'aria Air Flow Manager, che prima circola attraverso la camera della stampante e quindi filtra attraverso HEPA. L'effetto effettivo è molto migliore di quello del modello che utilizza solo HEPA per il filtraggio. Il principio potrebbe essere quello di trasformare piccole particelle in grandi particelle di polvere quando entrano in contatto tra loro nel processo di circolazione della cabina, in modo che possano essere più facilmente assorbite o depositate.

2. Aggiungere il filtro dell'aria per la stampante FDM espandibile

Alcune stampanti 3D non dispongono di un proprio sistema di filtri dell'aria, ma forniscono anche accessori per filtri dell'aria abbinati all'attrezzatura. Sebbene sia possibile controllare le emissioni dalla "fonte", tali stampanti 3D dovranno spendere costi e passaggi aggiuntivi per aggiungere accessori e il costo sarà superiore a quello di apparecchiature con filtri integrati con prezzi e funzioni simili.

Zortrax

La copertura superiore HEPA di Zortrax (ulteriori $ 250, circa 1500 yuan) è adatta per la maggior parte dei modelli Zortrax. Il filtro a carboni attivi integrato può assorbire molti odori sgradevoli durante la stampa, mentre il filtro HEPA può catturare la maggior parte delle particelle nocive.

MakerBot

Il Clean Air System di tutte le stampanti MakerBot Method e Method X (l'installazione aggiuntiva costa $ 899, circa 6300 yuan) è dotato di un filtro HEPA, certificato da GreenGuard per la protezione ambientale.

Ultimaker

Secondo il produttore di Ultimaker, Ultimaker S5 Air Manager (l'installazione aggiuntiva costa $ 925, circa 6500 yuan) è dotato di filtro antiparticolato E10, che può filtrare fino al 95 percento delle particelle ultrafini, inclusa una ventola silenziosa.

riepilogo

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, sempre più aule, college e imprese utilizzeranno le stampanti 3D, perché possono svolgere un ruolo enorme nell'istruzione e nella ricerca scientifica. Sebbene i dati attuali siano ancora insufficienti per supportare la definizione di standard di settore, dobbiamo comunque prestare particolare attenzione ai potenziali rischi, prevenirli prima che si verifichino, ridurre i possibili rischi professionali e proteggere i bambini da incidenti simili alla melamina in passato.