Kann 3D-Druck Krebs verursachen? Wie benutzt man es richtig? Wie wählen Schulen 3D-Drucker aus?

China produziert jedes Jahr Millionen von 3D-Druckern für Verbraucher und verkauft sie in alle Teile der Welt. Ein relativ großer Teil davon wird von Benutzern zu Hause oder im Büro verwendet. Vor nicht allzu langer Zeit hatte das Büro von Antarctic Bear einen neuen lichthärtenden LCD-3D-Drucker. Die ganze Nacht war ein Modell gedruckt worden. Am nächsten Tag, als die Bürotür geöffnet wurde, stieg mir ein scharfer Geruch von lichtempfindlichem Harz ins Gesicht. Ich musste die Harzmaterialien sofort reinigen und das Fenster zum Lüften öffnen. Ich blieb mehrere Minuten draußen, bevor ich ins Büro zurückkehrte.

Heute möchte ich über eine ernsthafte Frage sprechen: Wie sieht es mit der Sicherheit des 3D-Drucks aus?

Wenn die Luft mit dem wunderbaren Geruch von geschmolzenem Kunststoff erfüllt ist, beweist das nur, dass der 3D-Drucker in dieser Zeit hart arbeitet. Aber Sie haben vielleicht gesehen, dass, nachdem die Medien letztes Jahr bekannt gegeben haben, dass 3D-Druck giftig ist, sie sich Sorgen machen müssen: „Wie viel Schaden werden diese von 3D-Druckern ausgestoßenen Gase für Menschen anrichten? Wird es der menschlichen Gesundheit schaden, wenn Sie das sagen 3D-Drucker im Schlafzimmer und über Nacht in Betrieb lassen – schadet es der Gesundheit der Mitarbeiter, wenn man den 3D-Drucker im Büro aufstellt?

Egal, wo Sie den 3D-Drucker in Innenräumen aufstellen möchten, in diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie den 3D-Drucker aus Sicht von Wissenschaft, Forschung und Praxis auswählen und kaufen sowie Luftqualität und Sicherheit im Nutzungsprozess gewährleisten .

Welche Zusammensetzung haben diese Gase? Kann es Krebs verursachen?

Die Forschung zeigt, dass alle 3D-Drucker (FDM/FFF-3D-Drucker werden hauptsächlich in diesem Papier analysiert, und UV-Härtung und andere Technologien werden später verfolgt und untersucht) beim Drucken Emissionen erzeugen. Einige von ihnen sind harmlos, haben aber Gerüche, die nach dem Erhitzen der Materialien entstehen, und andere können gesundheitsschädlich sein. Um zu beurteilen, ob diese Emissionen unbedenklich sind, muss dem Gehalt an Feinstaub (PM) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die vom Drucker freigesetzt werden, besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Feinstaub (PM) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die von 3D-Druckern emittiert werden (Fotoquelle: US EPA)

Einatembare Partikel (PM): Im Allgemeinen sammeln sich Partikel, die von Menschen eingeatmet werden, in der Lunge an. Ein zu hoher Partikelgehalt führt zu Atemwegserkrankungen wie Asthma. Neben 3D-Druckern treten diese Partikel auch im täglichen Leben auf, z. B. in Autoabgasen, brennenden Bergbränden usw. PM2,5 ist auch ein Verschmutzungsindex, auf den wir im täglichen Leben oft achten.

Flüchtige organische Verbindungen (VOC): Normalerweise wird bei der Dekoration oder beim Autokauf auf VOC wie Formaldehyd geachtet. Letztes Jahr waren einige VOCs, die von 3D-Druckern verursacht wurden, krebserregend, wie die einschlägigen Nachrichtenberichte sagten, aber die Toxizität dieser Emissionen wurde nicht gründlich untersucht, und die Untersuchung ist noch im Gange.

Obwohl eine detaillierte Untersuchung noch im Gange ist, hängt der Schaden von FDM-Emissionen für den menschlichen Körper von der Betriebsumgebung und der Expositionszeit ab. Im Jahr 2021 ergab eine Studie, dass die Exposition des Menschen gegenüber Emissionen für eine Stunde oder weniger die Gesundheit nicht beeinträchtigt. Aber wer jede Woche in der Nähe des Druckers bleibt und mehr als 40 Stunden arbeitet, kann an Atemwegserkrankungen leiden. Der Graubereich zwischen 1 Stunde und 40 Stunden muss durch Experimente weiter verifiziert werden.

△ Alle Drucker im Labor der Kettering University in Michigan wurden in der 3DPrintClean-Filterbox versiegelt (Fotoquelle: Kettering University)

Obwohl die Daten und Schlussfolgerungen zu Kindern ebenfalls untersucht werden, müssen wir den Schulen mehr Aufmerksamkeit schenken, insbesondere dem 3D-Druck-Innovationslabor in Schulen. Ein Forschungsbericht über die Emissionen von 3D-Druckern der US-Umweltschutzbehörde (EPA) zeigt, dass Kinder möglicherweise besonders anfällig für die Auswirkungen der Emissionen von 3D-Druckern sind. Die Studie ergab, dass Kinder im Alter von 9 bis 18 Jahren im Vergleich zu Erwachsenen Partikel einatmeten, die durch 3D-Druck emittiert wurden, die Oberfläche ihrer Lungen, die mit Partikeln bedeckt war, größer war. Die EPA glaubt, dass dies mit der größeren Neugier und Präferenz von Kindern für engen Kontakt mit Druckköpfen zusammenhängt, und dass sich die Atemwege von Kindern noch in der Entwicklungsphase befinden und anfällig für Infektionen sind.

△ 3 Doodler, ein ausländischer Hersteller, hat speziell einen 3D-Druckstift für Kinder entwickelt, um PM durch Senkung des Schmelzpunktes zu reduzieren

Daher führt Sie dieser Artikel Schritt für Schritt durch die aktuellen Forschungsergebnisse, um Ihnen, insbesondere Pädagogen, zu helfen, zu verstehen, wie Sie sich schützen können, wenn Sie 3D-Drucker in Innenräumen verwenden, und wie Sie überlegen sollten, ob Sie vorhaben, 3D-Drucker zu kaufen.

So reduzieren Sie mögliche Gesundheitsrisiken bei der Verwendung von 3D-Druckern

△ Das 3D-Druckstudio der Alto University, Finnland, hat eine große Anzahl von Daten über 3D-Drucker und die Auswirkungen ihrer Emissionen auf Gesundheit und Luftqualität gesammelt. Diese Arbeit zitiert teilweise die Daten der Schule.

1. Verwenden Sie emissionsarme Materialien (z. B. PLA) und wählen Sie Original- oder Markenkabel

Erstens sind Verbrauchsmaterialien der größte Faktor, der die FDM-Emissionen beeinflusst. Laut einer Reihe von Studien der US-Umweltschutzbehörde (EPA) und anderer Abteilungen hat die Art der Verbrauchsmaterialien einen entscheidenden Einfluss auf die Emissionen, abhängig von den von den Herstellern verwendeten Rohstoffen und dem zwischengeschalteten Syntheseprozess - verschiedene Verbrauchsmaterialien enthalten unterschiedliche Zähigkeit , Farbstoffe und andere Zusatzstoffe, die unterschiedlich durch Heißschmelzen beeinflusst werden. Auch die US Food and Drug Administration (FDA) sagte kürzlich: „Mit der immer breiteren Anwendung der 3D-Drucktechnologie ist es notwendig, die Auswirkungen von Verbrauchszusatzstoffen auf die menschliche Gesundheit zu untersuchen sonstige Zusatzstoffe und die beteiligten flüchtigen organischen Verbindungen und Feinstaub und erlässt entsprechende Normen.“

Derzeit konzentrieren sich die meisten FDA-Studien auf die Analyse der drei häufigsten Verbrauchsmaterialien – ABS, PLA und Nylon. ABS wird allgemein als Material mit hoher Emission eingestuft. Neben der Erzeugung einer großen Menge an PM und VOC zu Beginn der ABS-Verwendung sind die Emissionen während des gesamten Druckprozesses sehr stabil. Da sich die emittierten VOCs, wie oben erwähnt, schnell mit den Partikeln verbinden und integriert werden, sind die in Zukunft kontinuierlich erzeugten Hauptemissionen im Wesentlichen Partikel. Die Emission von PLA- und Nylonmaterialien ist geringer als die von ABS. Auch diese Materialien werden zu Beginn der Verwendung eine große Anzahl von Partikeln produzieren, werden aber nicht weiter ausgetragen. Daher bezeichnen wir diese Materialien allgemein als emissionsarme Materialien.

Gleichzeitig bemerkten sie auch, dass die Emissionen von PLA durch die Marken von Verbrauchsmaterialien beeinflusst würden. Die Qualität der Verbrauchsmaterialien verschiedener Marken war uneinheitlich, und die Emissionen einiger PLA lagen sogar nahe an den Emissionen von ABS. Rodney Weber, Forscher am Georgia Institute of Technology, entdeckte dies bereits 2017, nachdem er ein Experiment zur Emission von Verbrauchsmaterialien durchgeführt hatte. Er forderte die Benutzer auf, beim Kauf billiger, nicht lizenzierter Verbrauchsmaterialien vorsichtig zu sein. Er sagte: „Wir haben festgestellt, dass die während des Druckens erzeugte Aerosolkonzentration höher ist, wenn billige Verbrauchsmaterialien verwendet werden, als die, die von der Originalfabrik oder von bekannten Markenherstellern hergestellt oder empfohlen werden. Obwohl PLA aus biologisch abbaubaren Materialien wie Maisstärke hergestellt wird, haben wir und Die Aerosol Association hat festgestellt, dass einige Partikel und Verbindungen, die von PLA emittiert werden, sogar noch giftiger sind als ABS.Da PLA diese schädlichen Substanzen jedoch nur zu Beginn des Druckvorgangs produziert, wird die Toxizität der ABS-Verbrauchsemissionen im Laufe der Zeit die von PLA allmählich übersteigen verbrauchbare Emissionen.

△ Zur Emission des 3D-Drucks führt Rodney Weberz, Forscher am Georgia Institute of Technology, ein bahnbrechendes Untersuchungsexperiment durch (Fotoquelle: Journal of Aerosol Science and Technology)

2. Einstellungsoptimierung: dünnere Düse, niedrigere Düsentemperatur und Auswahl des besten Effekts

Zweitens sind die Hardwareparameter verschiedener Hersteller unterschiedlich, und diese Parameter wirken sich auf die Emissionen aus. Besonders wenn PLA-Verbrauchsmaterialien und Nylon-Verbrauchsmaterialien verwendet werden, ist der Einfluss der Druckermarke und der Parameter offensichtlicher. Einige Einstellungen haben auch einen erheblichen Einfluss auf die Emissionsraten von PM und VOC.

An der Technischen Universität Brünn wurde eine Studie durchgeführt, in der Forscher die Auswirkungen der Druckereinstellungen auf ABS-, PLA-, PET- und TPU-Materialien verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass wir bei der Wahl der optimalen Druckeinstellung den Druckerfolg sicherstellen und gleichzeitig die Emissionen minimieren können; Wenn die Düsentemperatur niedrig eingestellt ist, werden gleichzeitig die von ihren Materialien erzeugten Emissionen geringer sein. Aus Sicht der Gesundheit der Atemwege empfehlen die Forscher daher, dass Druckerbenutzer die niedrigstmögliche Düsentemperatur einstellen, sogar niedriger als die Empfehlungen des Herstellers. Die Studie ergab auch, dass die Größe der Düse einen signifikanten Einfluss auf die Emissionsrate und die Partikelkonzentration hat. Bei ABS-, PET- und PLA-Materialien fanden sie heraus, dass die Verwendung einer {{0}},4-mm-Düse am wenigsten Feinstaub produzierte. TPU ist eine Ausnahme. Bei Verwendung von TPU erhöht sich die Düsengröße auf 0,6 mm und der Ausstoß ist geringer.

△ Maximale Partikelbildungsrate beim Drucken bei unterschiedlichen Düsentemperatur-/Größeneinstellungen (Fotoquelle: International Journal of Environmental Research and Public Health, „Parameters Affecting Ultrafine Particle Emission in 3D Printing“)

Die Ergebnisse zeigten auch, dass der Materialdurchfluss oder die Druckgeschwindigkeit nur geringe Auswirkungen auf die Emissionen hatten. Daher ist die Extrudereinstellung der kritischste Faktor, der die Emissionen beeinflusst. Eine andere Studie mit ABS- und PLA-Tests ergab, dass die beheizte Druckplattform die Emissionen nicht erhöhen würde, aber dazu beitragen würde, die Partikelgröße zu erhöhen und die Anzahl der Partikel leichter zu reduzieren.

Fast alle Forscher weisen darauf hin, dass die richtige Belüftungsmethode der Schlüssel zur Verbesserung der Raumluftqualität ist. Der Benutzer sollte den Drucker an einem gut belüfteten Ort aufstellen und einen Lüfter an der Abluftöffnung installieren, um die beste Wirkung zu erzielen. Alle Lüftungssysteme müssen mit einem entsprechenden Luftfiltersystem für den Gebrauch ausgestattet sein. Es wird empfohlen, HEPA-Filter zu verwenden, die bis zu 99,95 Prozent der Partikel entfernen können. Um die Emission von VOCs zu reduzieren, ist ein Aktivkohlefilter die beste Lösung.

3. Fügen Sie für offene Drucker andere unterstützende Geräte hinzu

Es ist eine gute Wahl, den 3D-Drucker mit einem kleinen belüfteten Gehäuse mit Luftfilter abzudecken. Untersuchungen zeigen, dass ein Desktop-3D-Drucker die Partikelemission um 97 Prozent reduzieren kann, indem er in ein Gehäuse mit Filter- und Belüftungsleistung eingebaut wird. Allerdings sollte beachtet werden, dass beim Kauf darauf geachtet werden sollte, ob die gekaufte Hülle mit einem HEPA-System ausgestattet ist, da viele 3D-Drucker-Hüllen auf dem Markt nur der Wärmeerhaltung dienen und keine Emissionswirkung haben.

△ Druckergehäuse mit HEPA-Filter, speziell angepasst von Alveo3D, einem französischen Unternehmen (Bildquelle: Alveo3D)

Der Luftreiniger verwendet einen Ventilator, um Luft anzusaugen und verschiedene Schadstoffe durch verschiedene Filter- und Desinfektionsmethoden zu entfernen. Sie können eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Luftqualität im Arbeitsbereich des 3D-Druckers spielen, aber es ist besser, den mit HEPA und Aktivkohlefilter ausgestatteten Luftreiniger zu wählen. Der Luftfilter sollte mit großer Sorgfalt gekauft werden, da der speziell für Staub und Spaltung verwendete Filter möglicherweise nicht in der Lage ist, die vom 3D-Drucker emittierten Partikel oder VOCs vollständig zu entfernen. Denken Sie daran, das Filtersieb der Maschine regelmäßig auszutauschen.

4. Inneninstallation des Luftqualitätsmonitors

Der Luftqualitätsmonitor kann Benutzern helfen, den Gehalt potenziell schädlicher Chemikalien im Arbeitsbereich in Echtzeit zu überwachen. Es gibt jedoch unterschiedliche Schlussfolgerungen darüber, ob Monitorprodukte auf Verbraucherebene empfindlich genug sind, um winzige Partikel zu erkennen, die während des 3D-Drucks emittiert werden. Eine Studie zeigte, dass die überwiegende Mehrheit der von Verbrauchsmaterialien freigesetzten Feststoffpartikel eine Größe zwischen 0,05 und 0,2 Mikrometer aufwies. Die meisten häuslichen Luftqualitätsmonitore können jedoch nur Partikel mit einer Größe zwischen 1 und 2,5 Mikrometer (definiert als PM1-PM2,5) erkennen. Einige Monitore können jedoch Partikel unter 0,1 μm (definiert als PM0,1) erkennen.

Einige Studien weisen darauf hin, dass Luftqualitätsmonitore selbst an fortgeschrittenen Forschungsstandorten nicht unbedingt zuverlässig sind. Wenn Ihr Monitor jedoch anzeigt, dass die PM-Konzentration höher als 35 Mikrogramm/m3 ist, sollten Sie damit beginnen, Wege zu finden, um die Emissionen aus dem Arbeitsbereich zu entfernen.

Wie entscheide ich mich für den Kauf eines Druckers, der Luftqualität garantiert?

1. Kaufen Sie einen FDM-Drucker mit eingebautem HEPA-Filter

Da es derzeit noch keinen ausgereiften Prüfstandard gibt, um die Raumluftqualität beim Einsatz von 3D-Druckern sicherzustellen, können wir bei den 3D-Druckern selbst und dem Raumklima ansetzen, um entsprechende Lösungen zu finden. Zunächst können Sie mit einem 3D-Drucker beginnen. Mittlerweile gibt es viele 3D-Drucker mit eingebauten Luftfiltern auf dem Markt. Mit diesen Druckern können Sie sich den Schritt sparen, Luftfilterzubehör separat zu kaufen, und die Emissionen von der „Quelle“ aus kontrollieren.

Die meisten Consumer-3D-Drucker sind nicht mit herkömmlichen Luftfiltern ausgestattet. Einige professionelle Modelle werden damit ausgestattet, andere müssen zusätzlich installiert werden. Achten Sie beim Kauf besonders darauf. Der industrielle 3D-Drucker ist speziell für die Fabrik konzipiert und muss mit einem Luftfilter ausgestattet sein, um die Sicherheitsregeln und -vorschriften am Arbeitsplatz zu erfüllen. Nutzer können entsprechende 3D-Drucker entsprechend der Anzahl der Druckmodelle und der Umgebung erwerben, besser ist es jedoch, Modelle mit Filtersystemen direkt zu erwerben.

Erhöhen3D

Der neue Raise3D Pro3-Drucker ist mit dem Air Flow Manager Air Flow Steward-System ausgestattet, das zuerst durch die Druckerkammer zirkuliert und dann durch HEPA filtert. Die tatsächliche Wirkung ist viel besser als die des Modells, das nur HEPA zum Filtern verwendet. Das Prinzip kann darin bestehen, kleine Partikel zu großen Staubpartikeln zu machen, wenn sie im Kabinenzirkulationsprozess miteinander in Kontakt kommen, damit sie leichter adsorbiert oder abgesetzt werden können.

2. Luftfilter für den erweiterbaren FDM-Drucker hinzufügen

Einige 3D-Drucker haben kein eigenes Luftfiltersystem, bieten aber auch Luftfilterzubehör passend zur Ausstattung an. Obwohl es möglich ist, die Emissionen von der „Quelle“ zu kontrollieren, müssen solche 3D-Drucker zusätzliche Kosten und Schritte aufwenden, um Zubehör hinzuzufügen, und die Kosten werden höher sein als die von Geräten mit eingebauten Filtern mit ähnlichen Preisen und Funktionen.

Zortrax

Die HEPA-Oberabdeckung von Zortrax (zusätzliche 250 $, etwa 1500 Yuan) ist für die meisten Zortrax-Modelle geeignet. Der eingebaute Aktivkohlefilter kann viele unangenehme Gerüche während des Druckens absorbieren, während der HEPA-Filter die meisten schädlichen Partikel auffangen kann.

MakerBot

Das Clean Air System aller MakerBot Method- und Method X-Drucker (zusätzliche Installation kostet 899 US-Dollar, etwa 6300 Yuan) ist mit einem HEPA-Filter ausgestattet, der von GreenGuard für den Umweltschutz zertifiziert ist.

Ultimaker

Laut dem Hersteller von Ultimaker ist der Ultimaker S5 Air Manager (zusätzliche Installation kostet 925 US-Dollar, etwa 6500 Yuan) mit einem E10-Partikelfilter ausgestattet, der bis zu 95 Prozent der ultrafeinen Partikel filtern kann, einschließlich eines leisen Lüfters.

Zusammenfassung

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie werden immer mehr Klassenzimmer, Hochschulen und Unternehmen 3D-Drucker verwenden, da sie eine große Rolle in Bildung und wissenschaftlicher Forschung spielen können. Obwohl die aktuellen Daten immer noch nicht ausreichen, um die Festlegung von Industriestandards zu unterstützen, müssen wir potenziellen Gefahren besondere Aufmerksamkeit widmen, sie verhindern, bevor sie auftreten, mögliche Berufsgefahren reduzieren und Kinder vor ähnlichen Vorfällen wie Melamin in der Vergangenheit schützen.