3D打印是否會致癌,？如何正確使用,？學校如何選擇3D打印機？

南極熊導讀：中國每年生產數(shù)百萬臺消費級3D打印機,，賣到全球各地,，其中相對一部分是被用戶放在家里或者辦公室里使用。不久前南極熊辦公室新到了LCD 光固化3D打印機,，某個模型打印了一晚上,，第二天打開辦公室門口的瞬間，一陣光敏樹脂的刺激味道撲面而來,，不得不立即清理干凈樹脂材料,，并開窗通風透氣，我在外面呆了好幾分鐘后,，才又回到辦公室,。



今天要談論一個嚴肅的問題：3D打印的安全性,，到底如何？

當空氣中彌漫著塑料融化的奇妙氣味時,，恰恰證明此時3D打印機正在努力工作,。但您可能看到去年有媒體披露3D打印有毒的消息后，肯定會產生擔憂：“3D打印機排放的這些氣體會對人體造成多大危害呢,？如果把3D打印機放在臥室,，讓它徹夜運作會對身體產生危害嗎？如果把3D打印機放在辦公室內會影響員工的健康嗎,？
無論您打算把3D打印機放在室內任何地方,，都可以通過這篇文章從科學、研究和實踐角度了解如何選擇和購買3D打印機,，以及在使用過程中如何保障空氣質量安全,。

這些氣體由什么成分組成？會不會致癌,？

研究表明,，所有3D打印機（本文主要對FDM/FFF 3D打印機進行分析，光固化及其他技術會在后期進行跟蹤調研）在進行打印時都會產生排放物,，其中一些無害但有異味,，是材料加熱后產生的，另一些則可能會危害健康,。要判斷這些排放物是否安全,，需要尤其關注打印機釋放的顆粒物（PM）和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）含量。


3D打印機排放顆粒物（PM）和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）（圖片來源：美國環(huán)保局 [US EPA]）

可吸入顆粒物（PM）：通常情況下,，人吸入的顆粒物會堆積在肺部,，如果顆粒物的含量過高，將會引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病,，例如哮喘等,。除了3D打印機之外，這些顆粒物也出現(xiàn)在日常生活中,，如汽車尾氣,、山火燃燒等，PM2.5也是我們日常生活中會時常關注的污染指數(shù),。

揮發(fā)性有機化合物（VOC）：通常在裝修或者購買汽車時候會特別關注VOC的情況，如甲醛,。去年,，如相關新聞報道所說，有些3D打印機造成的VOCs具有致癌性,，但這些排放物的毒性還未徹底研究清楚,，調查仍在進行中,。

盡管詳細的調查仍然在進行中，但是FDM排放物對人體的危害大小取決于操作環(huán)境和接觸時間,。2021年有項研究發(fā)現(xiàn),，人體接觸排放物一個小時或更短時間內，不會影響健康,。但那些每周待在打印機周圍,，工作40小時以上的人群可能罹患呼吸系統(tǒng)疾病。1小時到40小時之間的灰度區(qū)域還需要實驗來進一步驗證,。


△美國密歇根凱特林大學（Kettering University）的實驗室中所有打印機都密封在3DPrintClean過濾箱內（圖片來源：凱特林大學）

雖然關于兒童的數(shù)據和結論同樣也在研究中,，但我們需要對于學校，特別是學校內的3D打印創(chuàng)新實驗室的情況更加重視,。美國環(huán)保局（EPA）針對3D打印機排放情況做的一份研究報告表明,，兒童可能特別容易受到3D打印機排放物的影響。研究發(fā)現(xiàn)與成人相比,，9歲至18歲的兒童吸入3D打印排放的顆粒物后,，肺部被顆粒覆蓋的表面積更大。EPA認為這可能與孩童好奇心比較大,，更偏好近距離接觸打印頭有關,，并且兒童的呼吸道還處于發(fā)育階段，容易受到感染,。


△國外廠商3Doodler專為兒童開發(fā)了一款3D打印筆,，通過降低熔點來減少PM

因此本文會帶大家逐一了解目前的研究成果，幫助大家特別是教育工作者了解如何在室內使用3D打印機時進行自我保護,，如果計劃購買3D打印機,，該如何考慮。

如何在使用3D打印機時減少可能產生的健康風險


△芬蘭阿爾托大學3D打印工作室,，該校收集了大量有關3D打印機的資料以及其排放物對健康和空氣質量的影響數(shù)據,，本文部分援引該校數(shù)據。

1.使用低排放型材料（如PLA）,，并選擇原廠或品牌線材

首先,，影響FDM排放量情況的最大因素是耗材。根據美國環(huán)境保護局（EPA）等部門進行的多項研究,，耗材的種類對于排放量有至關重要的影響,，取決于制造商使用的原料和中間的合成工藝——不同耗材中含有不同增韌、著色等添加劑,，其受到熱熔的影響不一,。美國食品和藥物管理局（FDA）最近也表示，“隨著3D打印技術的應用范圍越來越廣泛,，有必要調查清楚耗材添加劑會對人體健康造成什么影響,。未來FDA會繼續(xù)調查其他添加劑和涉及的揮發(fā)性有機化合物與顆粒物質的特性,，并出臺相關標準�,！�

目前FDA的大多數(shù)研究都集中分析最常見的三種耗材——ABS,、PLA和尼龍，ABS一般都被列為高排放材料,。ABS使用時除了最開始會產生大量PM和VOCs,，之后整個打印過程排放量都很穩(wěn)定。如上所述,，因為排放的VOCs會迅速與顆粒物結合,，融為一體，后續(xù)持續(xù)產生的主要排放物基本都是顆粒物,。PLA和尼龍材料使用時的排放量比ABS少,。這些材料同樣在剛開始使用時會產生大量顆粒物，但不會持續(xù)排放,。所以一般我們稱這些材料為低排放材料,。

同時他們也注意到，PLA排放情況會受耗材品牌的影響,，不同品牌的耗材品質參差不齊,，有些PLA的排放量甚至接近ABS的排放量。佐治亞理工學院的研究員Rodney Weber早在2017年做了關于耗材排放情況的實驗后,，就發(fā)現(xiàn)了這一點,，他呼吁用戶謹慎購買廉價的無牌耗材。他說,，“我們發(fā)現(xiàn),，使用廉價的耗材比使用原廠或者知名品牌廠商生產或推薦的耗材，打印時產生的氣溶膠濃度將更高,。雖然PLA是由玉米淀粉等可生物降解材料制成的,，但是我們和氣溶膠協(xié)會相關研究都發(fā)現(xiàn)，某些PLA排放的顆粒物和化合物甚至比ABS的毒性更強,。但由于PLA只在打印最開始時會產生這些有害物質,，隨著時間推移，ABS耗材排放物的毒性就會慢慢超過PLA耗材排放物的毒性,。


△針對3D打印的排放情況,佐治亞理工學院的研究員Rodney Weberz正在展開開創(chuàng)性調查實驗（圖片來源：氣溶膠科學與技術雜志）

2. 設定優(yōu)化：更細噴嘴,，降低噴嘴溫度，并選擇最佳效果

其次,，不同制造商的硬件參數(shù)各不相同,，這些參數(shù)都會影響排放情況。特別是使用PLA耗材和尼龍耗材時,，打印機品牌和參數(shù)的影響更為明顯,。有些設定也會對PM和VOCs排放速率產生巨大影響。

布爾諾理工大學進行了一項研究,，研究人員對比打印機設置對ABS,、PLA、PET和TPU材料的影響,。結果表明,，當我們選擇最優(yōu)打印設定時候，能確保打印成功的同時,，最大程度減少排放量,；同時當噴嘴溫度設定的比較低的時候，其材料產生的排放物都將更少,。因此,，從呼吸道健康的角度出發(fā)，研究人員推薦打印機用戶盡可能設定最低的噴嘴溫度,，甚至比制造商建議的更低,。該研究還發(fā)現(xiàn)，噴嘴尺寸大小對排放率和顆粒濃度都有明顯影響,。針對ABS,、PET和PLA材料，他們發(fā)現(xiàn)使用0.4mm的噴嘴產生的PM最少,。TPU則是個例外,，使用TPU時噴嘴尺寸增加到0.6mm排放量更少。


△不同噴嘴溫度/尺寸設定下,，打印期間顆粒形成最高速率（圖片來源：國際環(huán)境研究和公共衛(wèi)生雜志,，“3D打印中影響超細顆粒排放的參數(shù)”）
研究結果還顯示材料流量或打印速度幾乎不影響排放量。因此,，擠出機設定是影響排放的最關鍵因素,。而另一項使用ABS和PLA測試的研究發(fā)現(xiàn)，加熱的打印平臺不會增大排放量,，反而有助于增大顆粒大小,，更容易減少顆粒物數(shù)量。

幾乎所有研究人員都指出,，要改善室內空氣質量問題,，恰當?shù)耐�風方法是關鍵。用戶應把打印機放在通風良好的位置,，排氣口安裝上風扇,，這樣才能達到最佳效果。所有通風系統(tǒng)都應該配備相應的空氣過濾系統(tǒng)來配合使用,。建議使用高效空氣（HEPA）過濾器,，它能去除高達99.95%的微粒,。要減少VOCs的排放，活性炭過濾器則是最好的解決方案,。

3. 對于開放式打印機,，增加其他配套裝置

給3D打印機罩上一個帶有空氣過濾器的小型通風外殼是不錯的選擇。研究表明,，把一臺桌面型3D打印機放在具備過濾通風性能的外殼中,，可以減少97%的粒子排放率。但需要注意的是,，在選購時要查看購買的外殼是否帶有HEPA系統(tǒng),，因為市面上很多3D打印機外殼只是用來維持熱量，并沒有排放功效,。



△法國公司Alveo3D專門定制的帶有HEPA過濾器的打印機外殼（圖片來源：Alveo3D）

空氣凈化器使用風扇將空氣吸入,，通過各種過濾和消毒手段清除各種污染物。在改善3D打印機工作區(qū)域空氣質量上,，它們能發(fā)揮巨大作用,，但最好選用配備HEPA和活性炭過濾器的空氣凈化器。選購空氣過濾器要非常仔細謹慎,，因為專門用于灰塵和劃分的過濾器可能無法完全清除3D打印機排放的顆粒物或VOCs,。記得定期更換機器上的過濾網。



4. 在室內安裝空氣質量監(jiān)測器

空氣質量監(jiān)測器可以幫助用戶實時監(jiān)控工作區(qū)域中潛在有害化學物質的含量,。然而,，關于消費級監(jiān)測器產品是否足夠敏銳，能否在3D打印過程中檢測出排放的微小顆粒,，研究結論不一,。一項研究表明，耗材中排放出的絕大多數(shù)固體顆粒材料大小在0.05到0.2微米間,。而大多數(shù)家用空氣質量監(jiān)測器只能檢測到大小在1到2.5微米間的顆粒物（定義為PM1-PM2.5）,。不過有一些監(jiān)測器可以檢測到0.1微米以下的顆粒物（定義為PM0.1）。
一些研究指出,，即使在高級研究場所中,，空氣質量監(jiān)測器也不一定可靠。但如果您的監(jiān)測器顯示PM濃度已經高于35微克/立方米時,，就要開始想辦法清除工作區(qū)域排放物了,。

如何選擇購買保證空氣質量的打印機？

1. 選購內置HEPA過濾器的FDM打印機

由于暫時沒有成熟的檢測標準,，為了在使用3D打印機時能保障室內空氣質量,，可以從3D打印機本身和室內環(huán)境出發(fā)，找到相應的解決方案。首先,，可以從3D打印機入手�,，F(xiàn)在市面上有很多內置空氣過濾器的3D打印機，有了這些打印機可以省去單獨購買空氣過濾器配件的步驟,，并從“源頭上”對排放物進行控制,。
大部分消費級3D打印機不配備常規(guī)空氣過濾器，專業(yè)級機型有的會配置,，有的則需要額外加裝，選購時候需要特別注意,。而工業(yè)級3D打印機則是專為工廠設計的,，必須配備空氣過濾器，以滿足工作場所的安全規(guī)章制度,。用戶可以根據打印模型的數(shù)量和所處環(huán)境,，購買相應的3D打印機，但最好是直接選購配備過濾系統(tǒng)的機型,。

Raise3D

Raise3D 新款 Pro3打印機搭載了Air Flow Manager 氣流管家系統(tǒng),，先通過打印機倉內循環(huán)，再通過HEPA過濾,，實際效果遠高于僅僅使用HEPA進行過濾的機型,。其原理可能是讓細小的顆粒物在艙內循環(huán)過程中互相接觸時變成大的的灰塵顆粒而更容易吸附或沉降。



2. 為可擴展的FDM打印機加配空氣過濾器

還有一些3D打印機雖然沒有自帶的空氣過濾器系統(tǒng),，但也提供與設備配套的空氣過濾器配件,。雖然都可以做到從“源頭上”對排放物進行控制，但這類3D打印機將需要花費額外的費用和步驟去添置配件,，相對于價格和功能相似的內置過濾器的設備來說,，成本也將更高。

Zortrax

Zortrax的HEPA頂蓋（額外$250,，約合1,500元人民幣) 適合大部分Zortrax模型,，內置活性炭過濾器在打印過程中能夠吸收很多難聞氣味，HEPA過濾器則可以捕捉大部分有害顆粒,。

MakerBot

所有MakerBot Method和Method X打印機的Clean Air System（額外加裝需$899,，約合人民幣6,300元）都裝有一個HEPA過濾器，而且是經過GreenGuard環(huán)保認證的,。

Ultimaker

據Ultimaker制造商稱,，Ultimaker S5 Air Manager（額外加裝需$925，約合人民幣6,500元）配備E10級顆粒過濾器,，能夠過濾掉高達95%的超細顆粒,，其中還裝載了一個靜音風扇。



總結

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多課堂,、高校和企業(yè)都會使用3D打印機,，因為它們在教育、科研中能發(fā)揮巨大作用,。盡管目前數(shù)據仍然不足以支持行業(yè)標準的建立,，但我們仍然需要特別關注潛在的危害，防患于未然,，減少可能產生的職業(yè)危害,，同時保護兒童出現(xiàn)類似過去三聚氰胺的事件發(fā)生。

原文鏈接：https://all3dp.com/1/3d-printing-emissions-air-quality/