Impresión 3D - Evaluación de las emisiones de partículas de una pluma de impresión 3D

Concentración del número de partículasLa concentración más alta del número de partículas pico se midió para pla-cobre con 4,8 x 106 s/cm3 y la más baja para PLA-negro con 4,3 x 105 s/cm3. En general, se observó una emisión más alta para ABS >10 6 s/cm3 en comparación con pla. Sin embargo, algunos filamentos PLA dieron lugar a concentraciones de partículas superiores a 106o/cm 3 (blanco PLA y PLA-azul). Las diferentes concentraciones de partículas podrían estar relacionadas con el uso de aditivos. 28 han declarado que las partículas podrían estar formadas por algunos aditivos como por ejemplo pigmentos, sin embargo no por el material a granel. Por lo tanto, el uso de diferentes pigmentos para diferentes colores podría influir en el número de partículas liberadas. En la Figura 3 se muestran ejemplos de aumento de la emisión de partículas durante el proceso de impresión para PLA-negro y ABS-negro. Los resultados están de acuerdo con estudios previos de impresoras 3D, mostrando concentraciones de partículas de 105-106 s/cm3 y valores más altos para ABS en comparación con PLA12,13. 13 concentración máxima medida de 3,5 x 106 s/cm3 para ABS y 1,1 x 106 s/cm3 para PLA. Es importante mencionar, que el ABS se imprime generalmente a temperaturas más altas en comparación con PLA. Para analizar la influencia de la temperatura de impresión en la liberación de partículas, los experimentos con PLA-negro se llevaron a cabo a 210 oC (ajuste estándar para ABS). Los resultados se compararon con el ajuste estándar de 200 oC para PLA. Con el ajuste de temperatura más alto, la concentración de partículas aumentó casi un orden de magnitud. La concentración media durante la impresión con negro PLA aumentó de 2,6 x 105 s/cm3 a 200 oC a 1,3 x 106o/cm 3 a 210oC. Las emisiones más altas causadas por una temperatura de impresión más alta ya se observaron en estudios anteriores con impresoras 3D3. Distribución del tamaño de las partículas en emisiones de diferentes filamentosLa Figura 4 muestra las distribuciones del tamaño de las partículas para PLA a 200 y 210 oC y para el ABS a 210 oC. La impresión de ABS dio lugar a una mayor concentración de partículas y partículas más grandes en comparación con PLA. El aumento de temperatura durante la impresión de PLA dio lugar a mayores concentraciones de número de partículas, pero no tuvo ningún efecto significativo en el diámetro medio geométrico (GMD). Esto está de acuerdo con un estudio anterior28. La Figura 5 muestra el GMD basado en el número de todos los filamentos medidos. Hubo una clara tendencia en la diferencia observada entre las partículas emitidas durante la impresión con filamentos ABS o PLA. Las muestras de ABS tenían el GMD más grande que van desde 203,9 nm para ABS-verde y hasta 262,1 nm para ABS-azul. ABS-verde está hecho por un fabricante diferente de los otros filamentos ABS; esto podría ser la razón de un tamaño de partícula ligeramente diferente. Los filamentos PLA emitieron partículas más pequeñas con GMD < 100 nm (63,8 nm para PLA-claro hasta 88,3 nm PLA-azul). Para los demás filamentos con aditivos, el GMD osciló entre 73,1 nm para el acero PLA y 183,9 nm para PLA-cobre. La reproducibilidad de las mediciones es evidente a partir de las bajas desviaciones estándar relativas (RSD) de las mediciones de tamaño de partícula. El rango fue principalmente entre 0,96 y 5,58%. Sólo en el caso de PLA con acero (10,55%) y PLA con C/O CNT (18,52%) se observó un rango más alto. Sin embargo, esto podría deberse a la inhomogeneidad en los filamentos. Los productos con aditivos son una mezcla de un termoplástico (por ejemplo, en este caso PLA) y metal u otras partículas pequeñas. Es posible que las partículas no se distribuyan uniformemente y, por lo tanto, podrían causar una desviación estándar más alta. Las desviaciones geométricas estándar oscilaron entre 1,6 y 1,9, lo que indica una única distribución modal en el rango de partículas finas y ultrafinas, como se observó en estudios anteriores de impresoras 3D13. Los resultados muestran una diferencia significativa en las emisiones de partículas entre los filamentos PLA y ABS; esto aún no estaba claro en publicaciones anteriores, ya que a menudo sólo se había analizado uno o dos filamentos29. Algunos autores describieron partículas más grandes para ABS5,12, algunas más grandes para PLA2,9. En otros estudios, no se observó ninguna diferencia de tamaño en absoluto4,13. 29 revisaron 13 publicaciones y describieron diámetros medios de partículas que oscilaban entre 14,0 nm y 108,1 nm para PLA y de 10,5 nm a 88,5 nm para ABS. La diferencia en el tamaño de las partículas podría deberse a mediciones en diferentes puntos de tiempo. Algunos medidos a la concentración más alta12,13 y otros informaron de los tamaños para todo el proceso de impresión5,9. El único estudio de plumas 3D disponibles hasta ahora informa partículas de hasta 60,4 nm para PLA y hasta 173,8 nm para ABS26,que es similar a los hallazgos aquí. La medición de distribución de tamaño representa solo una instantánea de un momento. Para observar la variabilidad del tiempo con respecto al tamaño del aerosol emitido, la distribución del tamaño de partícula para filamento PLA-negro se midió 10 veces cada 3 minutos después de que se detuvo la impresión (Figura 6A). Las mediciones muestran un aumento de la GMD (Figura 6B) y una disminución en la concentración de partículas (Figura 6C) con cada ejecución de medición consecutiva. El aumento en el tamaño de las partículas podría deberse a la aglomeración, lo que también explicaría la disminución de la concentración de partículas. Curiosamente, esta ocurrencia de aumento del tamaño de partícula y disminución de la concentración no sólo se observó después de que la impresión se ha detenido, sino también durante los procesos de impresión. Esto muestra que el tiempo de medición es un factor importante. Cantidad de contenido metálico antes y después de la impresión con ICP-MSUna comparación de los filamentos que contienen aditivos metálicos antes y después del proceso de impresión no reveló ninguna diferencia con respecto a su contenido de metal. Esta relación metal-polímero sin cambios indica que las partículas liberadas no son únicamente polímeros, ya que esto conduciría a una mayor concentración de metal en el material impreso debido a la pérdida de polímero. Las nanopartículas metálicas liberadas podrían implicar un mayor riesgo para la salud del usuario22. En general, se debe tener en cuenta la alta cantidad de metal en filamentos avanzados. Los metales pueden causar efectos adversos para la salud y, especialmente, la liberación de partículas a nanoescala requiere precauciones de seguridad en escenarios de la vida diaria30. Para el filamento de pla-cobre medimos un porcentaje de peso de 70 para el cobre. Para el filamento de acero medimos porcentajes de peso de 30% Fe, 8% Cr y 6% Ni en el filamento. A menudo no se declara la composición exacta de los filamentos, por lo que el usuario no conoce los posibles riesgos. La exposición al níquel puede tener efectos adversos en la salud humana y puede causar alergias cutáneas, fibrosis pulmonar, enfermedades cardiovasculares y renales. El elemento se sospecha de carcinógeno humano31. Además de los filamentos metálicos, PLA clear fue analizado antes y después de la impresión. Aquí, un aumento de Cu, Zn, Fe, Cr y Ni se midió después del proceso de impresión. Esto podría deberse a que otros materiales se han extraído a través de la pluma 3D antes y resulta en un efecto de memoria. Las mediciones se repitieron con una pluma 3D recién comprada y aquí no se pudo observar ningún aumento significativo (Figura 7). Morfología de partículas usando TEMLas imágenes TEM confirmaron la presencia de partículas y verificaron la diferencia en el tamaño de las partículas entre abs y PLA, medida con el SMPS. Las imágenes TEM mostraron tamaños de partículas en su mayoría alrededor de 50 nm para PLA(Figura 8A). El negro ABS mostró partículas casi consistentemente más grandes de hasta 100 nm(Figura 8B). La diferencia de tamaños de partículas entre PLA y ABS, como se ve con el SMPS, podría confirmarse. Sin embargo, los tamaños más pequeños fueron medidos por TEM. Los tamaños más pequeños podrían deberse a los aglomerados de partículas de medición SMPS, como se describió anteriormente, y a las imágenes TEM que muestran partículas no aglomeradas. El filamento PLA-cobre contenía cobre, así como partículas PLA(Figura 8C). El cobre era principalmente en forma cristalina con tamaños alrededor de 150 nm. Esto se ajusta a la medición SMPS del filamento de cobre, que resultó en GMD medio de 178 nm(Figura 5). La Figura 8D posiblemente representa un CNT liberado del filamento PLA-CNT. Además, se observó la liberación de pequeñas partículas de acero durante la impresión con filamento de acero PLA ( Figura8E). El filamento de aluminio fue descrito como “compuesto PLA – con una cantidad increíblemente alta de plata de escamas de aluminio añadido”32. La Figura 8F muestra posible una aglomeración de esas escamas, ya que el tamaño es mucho mayor en comparación con el GMD medido de 124 nm utilizando SMPS. Figura 1: Imagen de bolígrafos de impresión 3D y construcción esquemática de un lápiz de impresión 3D. La pluma de impresión 3D calienta el filamento a la temperatura elegida y extruye el termoplástico fundido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Configuración experimental para la medición de aerosoles en línea. La concentración de partículas se mide con un CPC y la distribución del tamaño de partícula con un SMPS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Medición de CPC de las concentraciones de partículas. Las mediciones muestran un aumento después del inicio de impresión y mayores concentraciones de ABS en comparación con PLA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: Distribución del tamaño de las partículas medida con SMPS con desviación estándar (n-3). La impresión PLA da como resultado una partícula más pequeña en comparación con el ABS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: Diámetro medio geométrico medio con desviación estándar (n-3) para todos los filamentos analizados. La impresión con PLA dio lugar a partículas más pequeñas en comparación con ABS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: Distribución del tamaño de partícula medida justo después de la parada de impresión. (A) Distribución del tamaño de las partículas medida cada 3 minutos durante un período de 30 minutos después de un proceso de impresión con PLA-negro. (B) Aumento de la GMD. (C) Disminución de la concentración. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7: Contenido metálico en filamentos digeridos medidos con ICP-MS. Aumento del contenido de metal en filamento transparente PLA después del proceso de impresión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8: TEM-Imágenes de muestras del proceso de impresión: (A) filamento PLA-negro dando como resultado partículas PLA alrededor de 50 nm. (B) filamento ABS-negro que da como resultado partículas ABS de hasta 100 nm. (C) Filamento PLA-cobre dando como resultado cristales de cobre (120-150 nm) además de PLA. (D) filamento PLA-CNT que da como resultado la liberación de CNT. (E) filamento de acero PLA que da como resultado fragmentos de acero liberados. (F) Filamento PLA-Aluminio dando como resultado grandes partículas de aluminio. (C) – (D): Flechas que indican PLA y círculos metálicos o CNT respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.