JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
공학

Impression 3D - Évaluation des émissions de particules d’un stylo d’impression 3D

Published: October 09, 2020
doi:
10.3791/61829
, , , , ,
1Department of Chemical and Product Safety,German Federal Institute for Risk Assessment (BfR), 2Department of Biological Safety,German Federal Institute for Risk Assessment (BfR)

Summary

Ce protocole présente une méthode pour analyser l’émission de stylos d’impression 3D. La concentration de particules et la distribution de la taille des particules de la particule libérée sont mesurées. Les particules libérées sont analysées plus en détail avec la microscopie électronique de transmission (TEM). La teneur en métaux dans les filaments est quantifiée par spectrométrie de masse plasmatique inductivement couplée (ICP-MS).

Abstract

L’impression tridimensionnelle (3D) en tant que type de fabrication additive montre une augmentation continue de l’application et de la popularité des consommateurs. La fabrication de filaments fondus (FFF) est une méthode peu coûteuse utilisée le plus fréquemment par les consommateurs. Des études avec des imprimantes 3D ont montré que pendant le processus d’impression, des particules et des substances volatiles sont libérées. Les stylos d’impression 3D portatifs utilisent également la méthode FFF, mais la proximité du consommateur avec les stylos 3D donne raison d’une exposition plus élevée par rapport à une imprimante 3D. Dans le même temps, les stylos d’impression 3D sont souvent commercialisés pour les enfants qui pourraient être plus sensibles à l’émission d’impression. L’objectif de cette étude était de mettre en œuvre une méthode à faible coût pour analyser les émissions des stylos d’impression 3D. Des filaments de polylactide (PLA) et de styrène de butadiène acrylonitrile (ABS) de différentes couleurs ont été examinés. De plus, des filaments contenant des nanotubes métalliques et de carbone (TN) ont été analysés. Une chambre de 18,5 L et un échantillonnage près de la source d’émission ont été utilisés pour caractériser les émissions et les concentrations près de la zone respiratoire de l’utilisateur.

Les émissions de particules et les distributions de la taille des particules ont été mesurées et la libération potentielle de particules métalliques et de TNT a été étudiée. Des concentrations de nombre de particules ont été trouvées dans une gamme de10 5 – 106 particules/cm3,ce qui est comparable aux rapports précédents des imprimantes 3D. L’analyse de la microscopie électronique de transmission (TEM) a montré des nanoparticules des différents matériaux thermoplastiques ainsi que des particules métalliques et des TN. Un contenu élevé de métal a été observé par spectrométrie de masse plasmatique inductivement couplée (ICP-MS).

Ces résultats appellent une utilisation prudente des stylos 3D en raison des risques potentiels pour les consommateurs.

Introduction

L’impression 3D est une méthode prometteuse de fabrication additive, qui en plus de ses applications industrielles est également utilisée dans les maisons, les écoles et les espaces dits de fabricant. Les imprimantes 3D peuvent désormais être achetées à partir de 200 €, ce qui les rend attractives pour les consommateurs. Ces imprimantes peuvent être utilisées pour produire des pièces de rechange, des articles ménagers, des cadeaux ou d’autres objets. Les enfants peuvent même fabriquer leurs propres jouets à l’aide d’imprimantes 3D. En raison de leur maniabilité facile et de leur prix bas, les imprimantes basées sur la fabrication de filaments fondus (FFF) sont le type le plus répandu dans le secteur des loisirs1. Dans cette méthode d’impression, un matériau thermoplastique, appelé filament, est fondu, poussé à travers une buse et appliqué couche par couche à l’aide d’une tête d’impression mobile jusqu’à ce que l’objet tridimensionnel soit terminé. Les modèles numériques de conception assistée par ordinateur (CAO) nécessaires à l’impression FFF sont disponibles gratuitement en ligne ou peuvent être conçus dans de nombreux programmes de dessin CAO différents.

Les études initiales ont montré que pendant le processus d’impression du filament, les particules ultrafines2,3,4,5,6,7,8 et les substances volatiles9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 sont libérés. Les particules ultrafines peuvent pénétrer plus profondément dans le système respiratoire et pourraient être plus difficiles à dégager du corps19. Dans une étude menée auprès d’employés utilisant régulièrement des imprimantes 3D, 59 % ont signalé des symptômesrespiratoires 20. La plupart des imprimantes de l’amateur ne sont pas hermétiquement scellées et n’ont pas de dispositifs d’extraction des gaz d’échappement. Les émissions sont donc libérées directement dans l’air ambiant et pourraient poser un risque pour l’utilisateur lors de l’inhalation.

Des études antérieures ont porté sur les émissions du polylactide filaments (PLA) et du styrène de butadiène acrylonitrile (ABS) les plus couramment utilisés. Certaines études ont analysé différents filaments, tels que le nylon et le polystyrène à fort impact (HIPS)4,10,13. En outre, de nouveaux filaments, qui sont fournis avec des additifs tels que le métal ou le bois, sont constamment lancés sur le marché. Ces filaments permettent au consommateur d’imprimer des objets qui ressemblent et se sentent comme du bois naturel ou du métal. D’autres filaments permettent d’imprimer des matériaux conductrices contenant du graphène ou des nanotubes de carbone (TN)21. Les nanoparticules métalliques22 et les TNT présentent des effets cytotoxiques et ont causé des dommages à l’ADN23. Jusqu’à présent, peu de recherches ont été menées concernant les filaments contenant des additifs. Floyed et coll.13 ont analysé l’APL complétée par du bronze; Stabile et coll.3 ont étudié pla mélangé avec le cuivre, le bois, le bambou et un filament avec la fibre de carbone. Les deux études ont mesuré la concentration de particules et la répartition de la taille, mais la morphologie et la composition des particules libérées n’ont pas été étudiées plus avant. On sait que les nanoparticules à rapport d’aspect particulièrement élevé (HARN) comme les TN ou les fibres d’amiante causent des effets dangereux surla santé 24. Une étude récente de Stefaniak et coll.25 a analysé les filaments avec les TN et observé l’émission de particules de polymère respirables contenant des TN visibles.

Les stylos 3D utilisent la même méthode FFF que les imprimantes 3D, mais jusqu’à présent une seule étude portant sur les stylos 3D aété publiée 26. Les auteurs ont employé des filaments de PLA et d’ABS, mais aucun avec des additifs n’a été analysé. En raison de leur utilisation portatif, les stylos 3D sont encore plus faciles à utiliser que les imprimantes 3D. Ils sont plus intuitifs, ont une petite taille et ne nécessitent pas l’utilisation de modèles CAO. Les stylos 3D peuvent être utilisés pour dessiner ou créer des objets, et en outre pour réparer des pièces imprimées en 3D et d’autres articles en plastique. Les prix commencent à partir d’aussi bas que 30 €, différentes formes et couleurs sont disponibles pour cibler les groupes d’âge inférieurs. Mais en particulier, les enfants sont plus vulnérables aux émissions de particules. Leurs mécanismes de défense pulmonaire contre les particules et la pollution gazeux ne sont pas entièrement évolués et ils respirent un volume plus élevé d’air par poids corporel27.

Pour une meilleure compréhension de la libération et les risques pour la santé des émissions de stylo 3D, nous avons étudié différents filaments composés des matériaux standard PLA et ABS dans différentes couleurs. En outre, des filaments avec des additifs de cuivre, d’aluminium, d’acier et de CNT et un filament avec l’effet glow-in-the-dark ont été étudiés. Pour obtenir un aperçu complet du processus d’impression du stylo 3D et de l’analyse des émissions de particules, on a effectué une mesure en ligne des concentrations de nombres de particules et des distributions de taille, par microscopie électronique de transmission (TEM) pour la morphologie et l’identification des matériaux et par spectrométrie de masse plasmatique inductivement couplée (ICP-MS) pour l’évaluation quantitative des métaux des filaments.

Protocol

1. Exigences du protocole Achetez un stylo d’impression 3D capable de générer des températures > 200 °C (figure 1) pour pouvoir imprimer des filaments avec une température d’impression plus élevée (p. ex., ABS ou filaments avec additifs) pour comparer différents filaments. Différents stylos 3D sont disponibles en ligne. Achetez des filaments d’un diamètre de 1,75 mm, adaptés au stylo 3D. Une variété de filaments PLA et ABS standard ainsi que des filaments avec additifs sont disponibles en ligne sur différents sites Web. Pour une configuration facile, utilisez un dessiccator (18,5 L) comme chambre d’émission. Assurez-vous que la chambre est propre. Choisissez un desiccateur avec une entrée d’un côté pour être en mesure d’insérer le stylo d’impression 3D et une prise sur le dessus pour insérer le tube d’échantillonnage. Assurez-vous qu’une entrée d’air à la connexion au stylo 3D est établie. L’air ambiant sera utilisé comme arrière-plan. Le tube de sortie doit être à 10 cm de la pointe du stylo d’impression 3D pour imiter la distance entre la tête de l’utilisateur et la source d’émission. Utilisez des tubes conductrices pour minimiser la perte de particules. La longueur du tube doit être aussi courte que possible et exempte de virages. Utilisez condensation Particle Counter (CPC) et Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) ou d’autres dispositifs de suivi des particules pour la mesure en ligne de la concentration de particules et de la distribution de la taille des particules (Figure 2). Utilisez un four à micro-ondes et des produits chimiques respectifs pour digérer les échantillons de filament. Utilisez un ICP-MS ou un autre instrument d’analyse multi-éléments pour quantifier la teneur en métaux dans les échantillons. Utilisez un microscope électronique pour caractériser la morphologie des particules. 2. Mesures aérosols des émissions de stylos 3D Préparation avant l’expérience Allumez les instruments de mesure en ligne respectifs (SMPS, CPC). Il y a un bouton à l’arrière de la machine. Réchauffer les instruments pendant environ 10 min. Préchargez le stylo 3D avec un filament choisi (commencez par PLA comme matériau le plus utilisé) et laissez refroidir le stylo. Fixez un filtre HEPA à l’entrée SMPS et exécutez une mesure de vérification propre avec le SMPS pour vous assurer que le SMPS n’est pas contaminé par les mesures précédentes. Ne mesurez pas les particules si le SMPS n’est pas propre. Connectez la sortie de chambre à l’entrée CPC. Vérifiez la concentration à l’intérieur de la chambre avec le CPC pour vous assurer que la chambre est propre (< 103 particules/m3)et que les expériences se déroulent dans les mêmes conditions. Commencez une mesure. Procédure expérimentale Insérez le stylo 3D préchargé et refroidi dans la chambre. Assurez-vous que le tube de sortie de la chambre est relié au CPC. Démarrez l’ordinateur connecté au CPC. Ouvrez un nouveau fichier avec un nom adapté aux mesures. Assurez-vous que le paramètre de débit CPC est réglé à 0,3 L/min et que le temps d’échantillonnage est réglé à au moins 90 minutes. Démarrez la mesure CPC pour mesurer la concentration de fond pendant 10 minutes.REMARQUE : Les paramètres de débit de 0,3 L/min et le volume de chambre de 18,5 L se traduira par un taux de change de l’air (ACH) de 1,0 h-1. Après 10 min, allumez le stylo 3D. Sélectionnez la température nécessaire pour le filament choisi. Une fois la température nécessaire atteinte, démarrez le processus d’impression. Laissez le stylo 3D imprimer pendant 15 minutes.REMARQUE : Aucun objet, mais une chaîne continue ne sera imprimée et collectée en bas. Après 15 minutes, arrêtez le stylo 3D, connectez le tube de sortie au SMPS et commencez les mesures de distribution de taille toutes les 3 minutes pendant les 1 heure suivantes. Une fois l’expérience terminée, retirez le filament imprimé et nettoyez la chambre. Répétez chaque mesure trois fois. 3. Morphologie des particules à l’aide de TEM Pour s’assurer que les signaux mesurés proviennent de particules émises et non de molécules de vapeur, utilisez la microscopie électronique de transmission (TEM) pour analyser l’aérosol. Préparation de la grille TEM Utilisez des grilles de cuivre de 3,5 mm en maille. Enduire les grilles de Collodion. Laissez sécher les grilles toute la nuit et conservez-les dans une chambre de dessiccation jusqu’à nouvel usage. Vous pouvez également utiliser des grilles précoated (par exemple, SF162-4 Formvar-Film sur 400 mailles Cu-net). Le jour de l’expérience, les grilles devraient être hydrophilisées avec 2% de bleu alcien dans une solution d’acide acétique à 0,3%. Pipette 30 μL de la solution bleue alcienne préparée sur une surface, par exemple un morceau de parafilm. Laissez flotter les grilles sur les gouttelettes bleues alciennes pendant 5 à 10 minutes et séchez-les à l’aide d’un papier filtre. Placez les grilles TEM préparées à l’intérieur de la chambre pendant le processus d’impression et laissez en place par la suite pendant 5 heures pour permettre la sédimentation des particules.REMARQUE : Pour faciliter la manipulation des grilles, placez les grilles sur une plate-forme recouverte de parafilm. Examinez au moins quatre zones différentes de chaque grille avec TEM et utilisez des modèles de diffraction à partir des ressources publiées pour identifier la composition des matériaux. 4. Quantitation de la teneur en métaux avant et après impression à l’aide de l’ICP-MS Préparation de l’échantillon Imprimez le filament sur une surface en plastique pour éviter la contamination par le métal. Pesez environ 150 mg de filament en vrac et de filament imprimé. Pour éviter la contamination par le métal, utilisez un couteau en céramique pour couper de plus petits morceaux. Digestion micro-ondes Transférer les filaments pondérés dans les récipients à micro-ondes. Ajouter 1,5 mL d’eau (p. ex., MilliQ), 3,5 mL d’acide nitrique et 1 mL de peroxyde d’hydrogène à chaque échantillon.ATTENTION : Ajoutez d’abord de l’eau, puis de l’acide! Placez les vaisseaux dans le four à micro-ondes et commencer la digestion. Chauffer jusqu’à 200 °C et tenir pendant 20 minutes. Concentration déterminée de métaux avec ICP-MS Diluer tous les échantillons de filaments où une forte concentration de métaux est connue ou soupçonnée d’éviter la contamination de l’ICP-SP. Utilisez une analyse d’enquête pour désigner les métaux qui se trouvent dans les échantillons. Quantifier la teneur en métaux des métaux spécifiques à l’aide des normes d’étalonnage appropriées.

Representative Results

Concentration du nombre de particulesLa concentration maximale la plus élevée de particules a été mesurée pour pla-cuivre avec 4,8 x 106 #/cm3 et la plus faible pour pla-noir avec 4,3 x 105 #/cm3. En général, une émission plus élevée pour ABS > 106 #/cm3 par rapport à l’APL a été observée. Néanmoins, certains filaments pla ont entraîné des concentrations de particules supérieures à10 6 #/cm3 (PLA-blanc et PLA-bleu). Les différentes concentrations de particules peuvent être liées à l’utilisation d’additifs. Zhang et coll.28 ont déclaré que les particules pourraient être formées par certains additifs comme par exemple les pigments, mais pas par le matériau en vrac. Ainsi, l’utilisation de différents pigments pour différentes couleurs pourrait influencer le nombre de particules libérées. Dans la figure 3, des exemples d’augmentation des émissions de particules au cours du processus d’impression sont présentés pour pla noir et ABS-noir. Les résultats sont en accord avec les études précédentes d’imprimante 3D, montrant des concentrations de particulesde 10 5-106 #/cm3 et des valeurs plus élevées pour l’ABS par rapport à PLA12,13. Floyd et coll.13 ont mesuré une concentration maximale de 3,5 x 106 #/cm3 pour l’ABS et de 1,1 x 106 #/cm3 pour l’APL. Il est important de mentionner que l’ABS est généralement imprimé à des températures plus élevées par rapport à l’APL. Pour analyser l’influence de la température d’impression sur la libération de particules, des expériences utilisant pla-noir ont été réalisées à 210 °C (réglage standard pour l’ABS). Les résultats ont été comparés à l’établissement standard de 200 °C pour l’APL. Avec le réglage de température plus élevé, la concentration de particules a augmenté de près d’un ordre de grandeur. La concentration moyenne pendant l’impression avec pla-noir est passée de 2,6 x10 5 #/cm3 à 200°C à 1,3 x 106 #/cm3 à 210 °C. Des émissions plus élevées causées par une température d’impression plus élevée ont déjà été observées dans des études antérieures avec des imprimantes3D 3. Distribution de la taille des particules dans les émissions de différents filamentsLa figure 4 montre les distributions de la taille des particules pour l’APL à 200 et 210 °C et pour l’ABS à 210 °C. L’impression de l’ABS a entraîné une concentration de particules plus élevée et des particules plus grosses par rapport à l’APL. L’augmentation de la température lors de l’impression de pla a entraîné des concentrations plus élevées de nombres de particules, mais n’a eu aucun effet significatif sur le diamètre moyen géométrique (GMD). Ceci est en accord avec une étude précédente28. La figure 5 montre le GMD en fonction du nombre de nombres pour tous les filaments mesurés. Il y avait une nette tendance à la différence observée entre les particules émises lors de l’impression avec des filaments ABS ou PLA. Les échantillons abs avaient le plus grand GMD allant de 203,9 nm pour ABS-vert et jusqu’à 262,1 nm pour ABS-bleu. Abs-green est fabriqué par un fabricant différent des autres filaments ABS; cela pourrait être la raison d’une taille de particule légèrement différente. Les filaments PLA émettaient de plus petites particules avec des GMD et 100 nm (63,8 nm pour pla-clear jusqu’à 88,3 nm PLA-bleu). Pour les autres filaments avec additifs, le GMD 100 rangeait de 73,1 nm pour l’acier PLA à 183,9 nm pour pla-cuivre. La reproductibilité des mesures est évidente à partir des écarts types relatifs faibles (DSR) des mesures de la taille des particules. La fourchette se situe principalement entre 0,96 et 5,58 %. Seulement dans le cas de pla avec de l’acier (10.55%) et PLA avec LES (18.52%) une plage plus élevée a été observée. Ceci pourrait, cependant, être dû à l’inhomogeneity dans les filaments. Les produits avec additifs sont un mélange d’un thermoplastique (p. ex., dans ce cas PLA) et de métal ou d’autres petites particules. Les particules pourraient ne pas être réparties uniformément et pourraient ainsi provoquer un écart type plus élevé. Les écarts-types géométriques terminaient entre 1,6 et 1,9, ce qui indique une distribution modale unique dans la gamme de particules fines et ultrafines, comme on l’a observé dans les études précédentes des imprimantes 3D13. Les résultats montrent une différence significative dans les émissions de particules entre les filaments PLA et ABS; cela n’était pas encore clair dans les publications précédentes, car souvent seulement un ou deux filaments avaient été analysés29. Certains auteurs ont décrit de plus grosses particules pour ABS5,12, certaines plus grandes pour PLA2,9. Dans d’autres études, aucune différence de taille n’a étéobservée 4,13. Byrley et coll.29 ont examiné 13 publications et décrit des diamètres de particules moyenne s’étendant de 14,0 nm à 108,1 nm pour pla et de 10,5 nm à 88,5 nm pour ABS. La différence dans la taille des particules peut être due à des mesures à différents moments. Certains mesurés à la concentration la plusélevée 12,13 et certains ont signalé les tailles pour l’ensemble du processus d’impression5,9. La seule étude des stylos 3D disponibles à ce jour signale des particules jusqu’à 60,4 nm pour pla et jusqu’à 173,8 nm pour ABS26, ce qui est similaire aux résultats ici. La mesure de la distribution de la taille ne représente qu’un instantané d’un instant. Afin d’observer la variabilité du temps concernant la taille de l’aérosol émis, la distribution de la taille des particules pour filament PLA-noir a été mesurée 10 fois toutes les 3 minutes après l’arrêt de l’impression (figure 6A). Les mesures montrent une augmentation de la DMO (figure 6B) et une diminution de la concentration de particules (figure 6C) à chaque mesure consécutive. L’augmentation de la taille des particules pourrait être due à l’agglomération, ce qui expliquerait également la diminution de la concentration de particules. Fait intéressant, cette occurrence d’augmentation de la taille des particules et de diminution de la concentration a été observée non seulement après l’arrêt de l’impression, mais aussi pendant les processus d’impression. Cela montre que le temps de mesure est un facteur important. Quantitation de la teneur en métaux avant et après l’impression à l’aide de l’ICP-MSUne comparaison des filaments contenant des additifs métalliques avant et après le processus d’impression n’a révélé aucune différence en ce qui concerne leur teneur en métaux. Ce rapport métal-polymère inchangé indique que les particules libérées ne sont pas uniquement polymères, car cela entraînerait une concentration plus élevée de métal dans le matériau imprimé en raison de la perte de polymère. Les nanoparticules métalliques libérées pourraient entraîner un risque plus élevé pour la santé del’utilisateur 22. En général, il convient de noter la quantité élevée de métal dans les filaments avancés. Les métaux peuvent causer des effets néfastes sur la santé et, en particulier, la libération de particules à l’échelle nanométrique nécessite des précautions de sécurité dans les scénarios de lavie quotidienne 30. Pour le filament PLA-cuivre, nous avons mesuré un pourcentage de poids de 70 pour le cuivre. Pour le filament d’acier, nous avons mesuré des pourcentages de poids de 30% Fe, 8% Cr et 6% Ni dans le filament. Souvent, la composition exacte des filaments n’est pas déclarée, et les risques possibles ne sont donc pas connus de l’utilisateur. L’exposition au nickel peut avoir des effets néfastes sur la santé humaine et causer des allergies cutanées, la fibrose pulmonaire, les maladies cardiovasculaires et rénales. L’élément est suspecté cancérogène pourl’homme 31. Outre les filaments métalliques, pla clair a été analysé avant et après l’impression. Ici, une augmentation de Cu, Zn, Fe, Cr et Ni a été mesurée après le processus d’impression. Cela pourrait être dû à d’autres matériaux ayant été extraits à travers le stylo 3D avant et résultant en un effet de mémoire. Les mesures ont été répétées avec un stylo 3D nouvellement acheté et ici aucune augmentation significative n’a pu être observée( Figure 7). Morphologie des particules à l’aide de TEMLes images TEM ont confirmé la présence de particules et vérifié la différence de taille des particules entre l’ABS et l’APL, mesurée avec le SMPS. Les images TEM ont montré des tailles de particules principalement autour de 50 nm pour PLA (Figure 8A). Abs noir a montré presque constamment de plus grosses particules jusqu’à 100 nm( Figure 8B). La différence de taille des particules entre pla et ABS, comme on le voit avec le SMPS, pourrait être confirmée. Cependant, de plus petites tailles ont été mesurées par TEM. Les tailles plus petites pourraient être dues aux aggloméates de particules de mesure SMPS, comme décrit précédemment, et aux images TEM montrant des particules non agglomées. Le filament pla-cuivre contenait du cuivre ainsi que des particules PLA (Figure 8C). Le cuivre était principalement sous forme cristalline avec des tailles autour de 150 nm. Cela correspond à la mesure SMPS du filament de cuivre, qui a abouti à un GMD moyen de 178 nm (Figure 5). La figure 8D représente peut-être un CNT libéré du filament PLA-CNT. De plus, la libération de petites particules d’acier lors de l’impression avec filament pla-acier a été observée (Figure 8E). Le filament d’aluminium a été décrit comme « composé PLA – avec une quantité incroyablement élevée de flocons d’aluminium argentés ajoutés» 32. La figure 8F montre une agglomération possible de ces flocons, car la taille est beaucoup plus grande que le GMD mesuré de 124 nm à l’aide du SMPS. Figure 1 : Image des stylos d’impression 3D et construction schématique d’un stylo d’impression 3D. Le stylo d’impression 3D chauffe le filament à la température choisie et extrudes le thermoplastique fondu. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 2 : Configuration expérimentale pour la mesure des aérosols en ligne. La concentration de particules est mesurée à l’aide d’un CPC et de la distribution de la taille des particules à l’aide d’un SMPS. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 3 : Mesure cpc des concentrations de particules. Les mesures montrent une augmentation après le début de l’impression et des concentrations plus élevées pour l’ABS par rapport à l’APL. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 4 : Répartition de la taille des particules mesurée avec SMPS avec écart type (n=3). L’impression pla se traduit par une plus petite comparaison des particules avec l’ABS. L’augmentation de la température entraîne une concentration plus élevée, mais ne montre aucun effet significatif sur la taille des particules. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 5 : Diamètre moyen géométrique moyen avec écart type (n=3) pour tous les filaments analysés. L’impression avec PLA a permis de comparer les particules plus petites à l’ABS. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 6 : Distribution de la taille des particules mesurée juste après l’arrêt de l’impression. (A) Distribution de la taille des particules mesurée toutes les 3 minutes sur une période de 30 minutes après un processus d’impression avec pla-noir. (B) Augmentation de gmd. (C) Diminution de la concentration. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 7 : Teneur en métaux dans les filaments digérés mesurés à l’aide de l’ICP-SP. Augmentation de la teneur en métaux dans le filament pla-clear après le processus d’impression. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 8 : TEM-Images d’échantillons provenant du processus d’impression : (A) filament pla-noir ayant pour résultat des particules pla autour de 50 nm. (B) Filament abs-noir résultant en particules ABS jusqu’à 100 nm. (C) Filament PLA-cuivre résultant en cristaux de cuivre (120-150 nm) en plus de PLA. (D) filament PLA-CNT entraînant la libération de CNT. (E) Filament pla-acier résultant en fragments d’acier libérés. (F) Filament PLA-Aluminium résultant en grosses particules d’aluminium. (C) – (D):Flèches indiquant PLA et cercles de métal ou CNT respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Le protocole montre une méthode rapide, peu coûteuse et conviviale pour analyser les émissions d’un stylo d’impression 3D. Outre la comparaison de l’APL et de l’ABS, on peut étudier des filaments contenant des quantités importantes de métaux et d’ENN.

Les étapes critiques sont le nettoyage de la chambre pour éviter la contamination croisée et pour s’assurer que la concentration de fond est faible. Nous avons utilisé un dessiccator comme option de chambre disponible, mais d’autres chambres pourraient être utilisées.

Les concentrations de particules et les distributions de la taille des particules sont mesurées en ligne pendant et après le processus d’impression. Dans cette étude, des concentrations de particules atteignant des valeurs supérieures à10 6 particules/cm3 ont été enregistrées, ce qui pourrait être préoccupant. En particulier, lorsque des particules de moins de 100 nm ont été trouvées. Les mesures des aérosols ont permis des mesures de concentration de particules avec le CPC de la taille de 4 nm à 3 μm. Les mesures du SMPS n’ont permis que des mesures de distribution de la taille des particules entre 14,4 nm et 673,2 nm. Des particules plus petites ou plus grosses peuvent être manquées dans ces mesures.

La méthode confirme la présence de particules dans les émissions des stylos 3D par analyse TEM hors ligne. Dans l’étude, des nanoparticules des différents matériaux thermoplastiques ainsi que des particules métalliques et des TN ont été détectées.

Pour l’analyse tem, nous nous sommes appuyés sur la sédimentation des particules au fil du temps car d’autres méthodes d’échantillonnage n’ont pas fonctionné, mais l’amélioration ou la modification de l’échantillonnage pourrait être utile. La concentration de l’air ambiant était très faible et insignifiante pour les concentrations d’émissions, mais l’utilisation d’un filtre à entrées pourrait être précieuse. À l’avenir, d’autres volumes de chambre seront utilisés pour comparer le résultat aux émissions des imprimantes 3D. Le protocole était axé sur la libération de particules, mais des questions ouvertes demeurent, comme par exemple, en ce qui concerne l’émission de composés organiques volatils (COV). Pour les imprimantes 3D, il a déjà été démontré qu’en plus des particules, les COV sontlibérés 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. On peut supposer que les stylos 3D peuvent causer des émissions similaires.

Les imprimantes 3D peuvent être démarrées puis imprimées sans la présence de l’utilisateur. Les stylos d’impression 3D sont, cependant, des appareils portatifs et sont principalement actionnés manuellement. Par conséquent, l’utilisateur reste plus proche de l’appareil pendant tout le processus d’impression, ce qui entraîne une exposition potentiellement plus élevée. Ceci devrait particulièrement être noté car les stylos 3D sont souvent annoncés pour être utilisables par des enfants. En général, les émissions de particules des procédés FFF 3D sont comparables aux imprimantes laser, en termes de concentrations de nombres de particules34. Par conséquent, des précautions devraient être prises pour réduire le niveau d’exposition. Il semble raisonnable de conseiller que les stylos 3D doivent être utilisés à basse température d’impression et seulement dans des environnements bien ventilés. Les filaments avec du métal ou d’autres additifs doivent être utilisés avec soin, car la libération de nanoparticules ou de fibres métalliques potentiellement nocives est probable.

À l’avenir, ce protocole peut être utilisé pour comparer plus de filaments et différents stylos d’impression 3D pour mieux comprendre les émissions de ces appareils et le risque possible pour les consommateurs. De plus, ce protocole peut être utilisé pour analyser d’autres cas générateurs d’aérosols (p. ex., produits pulvérisés).

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Merci à Sebastian Malke et Nadine Dreiack pour le soutien en laboratoire.

Materials

3D printing pen lovebay bought on: www.amazon.de
ABS black Filamentworld ABS175XBLK bought on: www.filamentworld.de
ABS blue Filamentworld ABS175XSB bought on: www.filamentworld.de
ABS glow in the dark Formfutura ABS175XGID bought on: www.filamentworld.de
Alcian Blue Sigma Aldrich, Germany
Collodion Electron Microscopy Services GmbH, Germany
CPC TSI Inc. Model 3775 other particle tracking measurement devices can be used
Hydrogen peroxide Merck KGaA 30%, suprapur
Imaging camera Olympus, Germany Veleta G2 camera
iTEM software Olympus, Germany
MilliQ water Merck KGaA Milli-Q® System
Nitric acid 69%, In-house cleaned by distillation
PLA black Filamentworld PLA175XBLK bought on: www.filamentworld.de
PLA blue Filamentworld PLA175XSBL bought on: www.filamentworld.de
PLA clear Filamentworld PLA175XCLR bought on: www.filamentworld.de
PLA red Filamentworld PLA175XRED bought on: www.filamentworld.de
PLA white Filamentworld PLA175XWHT bought on: www.filamentworld.de
PLA wiht Aluminium Formfutura GPLA175XTSI bought on: www.filamentworld.de
PLA wiht CNTs 3DXTech 3DX175XPLAESD bought on: www.filamentworld.de
PLA with Copper Formfutura MFL175XCOP bought on: www.filamentworld.de
PLA with Steel Proto-Pasta PP175X500SST bought on: www.filamentworld.de
SMPS TSI Inc. Model 3938 other particle tracking measurement devices can be used
TEM Jeol GmbH, Germany Jeol 1400 Plus
TEM grids alternative (plastic coated): Formvar-Film auf 400 mesh Cu-Netzchen Plano GmbH, Germany SF162-4
TEM grids: 400 mesh 3.5 mm copper grids Plano GmbH, Germany
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Most used 3D printing technologies in 2019 [Graph]. Statista Available from: https://www.statista.com/statistics/560304/worldwide-survey-3d-printing-top-technnologies/ (2020)
  2. Stephens, B., Azimi, P., El Orch, Z., Ramos, T. J. A. E. Ultrafine particle emissions from desktop 3D printers. Atmospheric Environment. 79, 334-339 (2013).
  3. Stabile, L., Scungio, M., Buonanno, G., Arpino, F., Ficco, G. Airborne particle emission of a commercial 3D printer: the effect of filament material and printing temperature. Indoor Air. 27 (2), 398-408 (2017).
  4. Kwon, O., et al. Characterization and control of nanoparticle emission during 3D printing. Environmental Science & Technology. 51 (18), 10357-10368 (2017).
  5. Yi, J., et al. Emission of particulate matter from a desktop three-dimensional (3D) printer. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A. 79 (11), 453-465 (2016).
  6. Rao, C., et al. Capturing PM2. 5 emissions from 3D printing via nanofiber-based air filter. Scientific reports. 7 (1), 10366 (2017).
  7. Zontek, T. L., Ogle, B. R., Jankovic, J. T., Hollenbeck, S. M. An exposure assessment of desktop 3D printing. Journal of Chemical Health & Safety. 24 (2), 15-25 (2017).
  8. Zhang, Q., Wong, J. P., Davis, A. Y., Black, M. S., Weber, R. J. Characterization of particle emissions from consumer fused deposition modeling 3D printers. Aerosol Science Technology. 51 (11), 1275-1286 (2017).
  9. Kim, Y., et al. Emissions of Nanoparticles and Gaseous Material from 3D Printer Operation. Environmental Science & Technology. 49 (20), 12044-12053 (2015).
  10. Azimi, P., Zhao, D., Pouzet, C., Crain, N. E., Stephens, B. Emissions of ultrafine particles and volatile organic compounds from commercially available desktop three-dimensional printers with multiple filaments. Environmental Science & Technology. 50 (3), 1260-1268 (2016).
  11. Steinle, P. Characterization of emissions from a desktop 3D printer and indoor air measurements in office settings. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 13 (2), 121-132 (2016).
  12. Vance, M. E., et al. Aerosol emissions from fuse-deposition modeling 3D printers in a chamber and in real indoor environments. Environmental Science & Technology. 51 (17), 9516-9523 (2017).
  13. Floyd, E. L., Wang, J., Regens, J. L. Fume emissions from a low-cost 3-D printer with various filaments. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 14 (7), 523-533 (2017).
  14. Stefaniak, A. B., et al. Characterization of chemical contaminants generated by a desktop fused deposition modeling 3-dimensional Printer. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 14 (7), 540-550 (2017).
  15. Azimi, P., Fazli, T., Stephens, B. Predicting concentrations of ultrafine particles and volatile organic compounds resulting from desktop 3D printer operation and the impact of potential control strategies. Journal of Industrial Ecology. 21, 107-119 (2017).
  16. Gu, J., Wensing, M., Uhde, E., Salthammer, T. Characterization of particulate and gaseous pollutants emitted during operation of a desktop 3D printer. Environment International. 123, 476-485 (2019).
  17. Davis, A. Y., Zhang, Q., Wong, J. P., Weber, R. J., Black, M. S. Characterization of volatile organic compound emissions from consumer level material extrusion 3D printers. Building and Environment. 160, 106209 (2019).
  18. Wojtyła, S., Klama, P., Śpiewak, K., Baran, T. 3D printer as a potential source of indoor air pollution. International Journal of Environmental Science and Technology. 17 (1), 207-218 (2020).
  19. Bierkandt, F. S., Leibrock, L., Wagener, S., Laux, P., Luch, A. The impact of nanomaterial characteristics on inhalation toxicity. Toxicology Research. 7 (3), 321-346 (2018).
  20. Chan, F., et al. Health survey of employees regularly using 3D printers. Occupational Medicine. 68 (3), 211-214 (2018).
  21. Acquah, S. F., Berber, M. A., Hafez, I. H., et al. Carbon nanotubes and graphene as additives in 3D printing. Nanotubes-current progress of their polymer composites. , 227-253 (2016).
  22. Schrand, A. M., et al. Metal-based nanoparticles and their toxicity assessment. Wiley interdisciplinary reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2 (5), 544-568 (2010).
  23. Karlsson, H. L., Cronholm, P., Gustafsson, J., Moller, L. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes. Chemical Research In Toxicology. 21 (9), 1726-1732 (2008).
  24. Donaldson, K., Murphy, F. A., Duffin, R., Poland, C. A. Asbestos, carbon nanotubes and the pleural mesothelium: a review of the hypothesis regarding the role of long fibre retention in the parietal pleura, inflammation and mesothelioma. Particle and Fibre Toxicology. 7 (1), 5 (2010).
  25. Stefaniak, A. B., et al. Three-dimensional printing with nano-enabled filaments releases polymer particles containing carbon nanotubes into air. Indoor Air. 28 (6), 840-851 (2018).
  26. Yi, J., et al. Particle and organic vapor emissions from children’s 3-D pen and 3-D printer toys. Inhalation Toxicology. , 1-14 (2019).
  27. Salvi, S. Health effects of ambient air pollution in children. Paediatric Respiratory Reviews. 8 (4), 275-280 (2007).
  28. Zhang, Q., et al. Investigating particle emissions and aerosol dynamics from a consumer fused deposition modeling 3D printer with a lognormal moment aerosol model. Aerosol Science and Technology. 52 (10), 1099-1111 (2018).
  29. Byrley, P., George, B. J., Boyes, W. K., Rogers, K. Particle emissions from fused deposition modeling 3D printers: Evaluation and meta-analysis. Science of The Total Environment. 655, 395-407 (2019).
  30. Singh, A. V., et al. Review of emerging concepts in nanotoxicology: opportunities and challenges for safer nanomaterial design. Toxicology Mechanisms and Methods. 29 (5), 378-387 (2019).
  31. Denkhaus, E., Salnikow, K. Nickel essentiality, toxicity, and carcinogenicity. Critical Reviews In Oncology/Hematology. 42 (1), 35-56 (2002).
  32. Technical Data Sheet, Galaxy PLA. Formfutura Available from: https://bit.ly/31Bco0O (2020)
  33. Stefaniak, A., et al. Particle and vapor emissions from vat polymerization desktop-scale 3-dimensional printers. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 16 (8), 519-531 (2019).
  34. Uhde, E., He, C., Wensing, M. Characterization of ultra-fine particle emissions from a laser printer. Proc. Int. Conf. Healthy Building. 2, 479-482 (2006).

Tags

3D Printing3D PenParticle EmissionsAerosol EmissionsAir QualityCharacterizationSMPSCPCHEPA FilterParticle Size DistributionBreathing ZoneEmission MeasurementAir InletDesiccatorFilamentTemperaturePrinting Process

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Sigloch, H., Bierkandt, F. S., Singh, A. V., Gadicherla, A. K., Laux, P., Luch, A. 3D Printing – Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen. J. Vis. Exp. (164), e61829, doi:10.3791/61829 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image