يقدم هذا البروتوكول طريقة لتحليل انبعاث أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد. يتم قياس تركيز الجسيمات وتوزيع حجم الجسيمات من الجسيمات المفرج عنها. يتم تحليل الجزيئات المنبعثة بشكل أكبر باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM). يتم تحديد كمية المحتوى المعدني في خيوط بواسطة قياس الطيف الكتلي البلازما مقرونة بشكل حثائي (ICP-MS).
ثلاثي الأبعاد (3D) الطباعة كنوع من التصنيع المضافة يظهر استمرار الزيادة في التطبيق وشعبية المستهلك. إن تصنيع خيوط تنصهر (FFF) هو طريقة غير مكلفة تستخدم في معظم الأحيان من قبل المستهلكين. وقد أظهرت الدراسات مع الطابعات 3D أنه خلال عملية الطباعة يتم الإفراج عن الجسيمات والمواد المتطايرة. تستخدم أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد المحمولة أيضًا طريقة FFF ولكن القرب من المستهلك من الأقلام ثلاثية الأبعاد يعطي سببًا للتعرض العالي مقارنة بطابعة ثلاثية الأبعاد. وفي الوقت نفسه، غالبا ما يتم تسويق أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد للأطفال الذين يمكن أن يكونوا أكثر حساسية لانبعاثات الطباعة. وكان الهدف من هذه الدراسة هو تنفيذ طريقة منخفضة التكلفة لتحليل انبعاثات أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد. تم اختبار خيوط البولي لاكريد (PLA) والأكريلونيتريل بوتادين (ABS) خيوط من ألوان مختلفة. وبالإضافة إلى ذلك، تم تحليل خيوط تحتوي على الأنابيب النانوية المعدنية والكربونية (CNTs). واستخدمت غرفة 18.5 لتر وأخذ عينات قريبة من مصدر الانبعاثات لتوصيف الانبعاثات والتركيزات بالقرب من منطقة تنفس المستخدم.
وتم قياس انبعاثات الجسيمات وتوزيعات حجم الجسيمات، وتم التحقيق في الإطلاقات المحتملة للجسيمات المعدنية وCNTs. تم العثور على تركيزات عدد الجسيمات في مجموعة من 105 – 106 جسيمات /سم3، وهو مشابه للتقارير السابقة من الطابعات ثلاثية الأبعاد. أظهر تحليل المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) جسيمات نانوية للمواد الحرارية المختلفة وكذلك من الجسيمات المعدنية وCNTs. وقد لوحظت محتويات عالية من المعدن بواسطة قياس الطيف الكتلي الكتلي البلازما مقرونة بشكل حثائي (ICP-MS).
وتدعو هذه النتائج إلى توخي الحذر في استخدام الأقلام ثلاثية الأبعاد بسبب المخاطر المحتملة على المستهلكين.
الطباعة ثلاثية الأبعاد هي طريقة تصنيع مضافة واعدة ، والتي إلى جانب تطبيقاتها الصناعية تستخدم أيضًا في المنازل والمدارس وما يسمى بمساحات صانع. ويمكن الآن 3D الطابعات التي يمكن شراؤها بدءا من 200 €، مما يجعلها جذابة للمستهلكين. ويمكن استخدام هذه الطابعات لإنتاج قطع الغيار، والأدوات المنزلية، والهدايا أو غيرها من الأشياء. يمكن للأطفال حتى جعل اللعب الخاصة بهم باستخدام طابعات 3D. نظرا لسهولة التعامل مع وانخفاض الأسعار ، والطابعات على أساس تصنيع خيوط تنصهر (FFF) هي النوع الأكثر انتشارا في قطاع هواية1. في هذه الطريقة الطباعة مادة بالحرارة، ودعا خيوط، هو ذاب، دفعت من خلال فوهة وتطبيق طبقة باستخدام رأس الطباعة المنقولة حتى يتم الانتهاء من الكائن ثلاثي الأبعاد. الرقمية بمساعدة الكمبيوتر تصميم (CAD) نماذج اللازمة للطباعة FFF متاحة بحرية على الانترنت أو يمكن تصميمها في العديد من برامج الرسم CAD مختلفة.
وقد أظهرت الدراسات الأولية أنه خلال عملية طباعة خيوط، الجسيمات فائقة الدقة2،3،4، 5،6،7،8 والمواد المتطايرة9،10، 11،12،13،14،15،16،17،18 يتم إطلاقها. يمكن أن تخترق الجسيمات الترافين أعمق في الجهاز التنفسي، وقد يكون من الصعب مسح من الجسم19. في دراسة مع الموظفين بانتظام باستخدام الطابعات 3D 59٪ وقد أبلغت أعراض الجهاز التنفسي20. معظم الطابعات الهواة ليست مغلقة بشكل محكم وليس لديها أجهزة استخراج الدخان العادم. ولذلك فإن الانبعاثات تُطلق مباشرة في الهواء المحيط ويمكن أن تشكل خطراً على المستخدم عند الاستنشاق.
وقد ركزت الدراسات السابقة على انبعاثات من خيوط الأكثر شيوعاً polylactide (جيش التحرير الشعبي) والأكريلونيتريل بوتاديين الستايرين (ABS). وقد حللت بعض الدراسات خيوط مختلفة، مثل النايلون والبوليستيرين عالية التأثير (HIPS)4،10،13. وعلاوة على ذلك، فإن خيوطا جديدة، التي تزود بالمواد المضافة مثل المعادن أو الخشب، يتم إطلاقها باستمرار في السوق. هذه الخيوط تمكن المستهلك من طباعة الأشياء التي تبدو وتشعر مثل الخشب الطبيعي أو المعدن. خيوط أخرى تسمح بطباعة مواد موصلة تحتوي على الجرافين أو الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)21. جسيمات نانويةمعدنية 22 وCNTs تظهر الآثار السامة للخلايا وتسبب الضرر الحمض النووي23. حتى الآن، لم تجر سوى القليل من البحوث بشأن خيوط تحتوي على المواد المضافة. فلويد وآخرون13 تحليل جيش التحرير الشعبي تكمل مع البرونز; ستابل وآخرون3 التحقيق PLA المخلوطة مع النحاس والخشب والخيزران وخيوط مع ألياف الكربون. كلّ دراسات قاس جزيء تركيز وحجم توزيع مهما التشكل وتركيبة من ال يفرج جسيمات كان أبعد تحري. ومن المعروف أن نسبة الارتفاع بشكل خاص الجسيمات النانوية (HARN) مثل CNTs أو ألياف الأسبستوس تسبب تأثيرات صحية خطرة24. وقد قامت دراسة حديثة أجراها ستيفانياك وآخرون25 بتحليل خيوط مع وحدات البوليتانات والانبعاثات الملاحظة لجسيمات البوليمر القابلة للتنفس التي تحتوي على مركبات كيميائية ناكرة للتنفس.
3D الأقلام استخدام نفس الأسلوب FFF كما 3D الطابعات، ولكن حتى الآن فقط دراسة واحدة فحص 3D الأقلام وقد نشرت26. استخدم المؤلفون خيوط جيش التحرير الشعبي وABS ، ولكن لم يتم تحليل أي منها مع إضافات. بسبب استخدامها المحمولة، الأقلام 3D حتى أسهل للاستخدام من الطابعات 3D. فهي أكثر بديهية، لديها حجم صغير ولا تتطلب استخدام نماذج CAD. يمكن استخدام الأقلام ثلاثية الأبعاد لرسم أو إنشاء كائنات ، وعلاوة على ذلك لإصلاح الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد وغيرها من العناصر البلاستيكية. تبدأ الأسعار من 30 €، وأشكال وألوان مختلفة متاحة لاستهداف الفئات العمرية الأقل. ولكن الأطفال أكثر عرضة بشكل خاص لانبعاثات الجسيمات. لم تتطور آليات دفاع الرئة ضد الجسيمات والتلوث الغازي بشكل كامل وهم يتنفسون كمية أعلى من الهواء لكل وزن الجسم27.
من أجل فهم أفضل للإطلاق والمخاطر الصحية لانبعاثات القلم 3D، قمنا بالتحقيق خيوط مختلفة تتكون من المواد القياسية جيش التحرير الشعبى الصينى و ABS في ألوان مختلفة. وعلاوة على ذلك، تم التحقيق خيوط مع النحاس والألومنيوم والصلب والإضافات CNT وخيوط مع تأثير توهج في الظلام. للحصول على رؤى شاملة في عملية طباعة القلم ثلاثي الأبعاد وتحليل انبعاثات الجسيمات تم إجراؤها عن طريق قياس الهباء الجوي عبر الإنترنت لتركيزات عدد الجسيمات وتوزيعات الحجم ، عن طريق فحص المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) لتحديد المورفولوجيا والمواد وعن طريق قياس الطيف الكتلي الكتلي بلازما مقرونة بشكل حثائي (ICP-MS) للتقييم المعدني الكمي للخيوط.
البروتوكول يظهر طريقة سريعة وغير مكلفة وسهلة الاستعمال لتحليل الانبعاثات من قلم الطباعة 3D. وإلى جانب المقارنة بين جيش التحرير الشعبي و ABS، يمكن التحقيق في خيوط تحتوي على كميات كبيرة من المعادن وCNTs.
الخطوات الحاسمة هي تنظيف الغرفة لتجنب التلوث المتقاطع ولضمان انخفاض تركيز الخلفية. استخدمنا مجففات كخيار غرفة متاحة، ولكن قد يتم استخدام غرف أخرى.
يتم قياس تركيزات الجسيمات وتوزيعات حجم الجسيمات عبر الإنترنت أثناء وبعد عملية الطباعة. وفي هذه الدراسة، سُجلت تركيزات جسيمات تصل إلى قيم تزيد على10 6 جسيمات/سم3، مما قد يثير القلق. وعلى وجه الخصوص، عندما تم العثور على جزيئات أصغر من 100 نانومتر. وسمحت قياسات الهباء الجوي بقياسات تركيز الجسيمات باستخدام تكلفة النقرة في نطاق الحجم 4 نانومتر إلى 3 ميكرومتر. ولم تسمح قياسات SMPS إلا بقياسات توزيع حجم الجسيمات بين 14.4 نانومتر و673.2 نانومتر. قد يتم تفويت الجسيمات الأصغر أو الأكبر في تلك القياسات.
وتؤكد هذه الطريقة وجود الجسيمات في انبعاثات القلم 3D عن طريق تحليل TEM حاليا. في الدراسة تم الكشف عن الجسيمات النانوية من مختلف المواد الحرارية وكذلك من الجسيمات المعدنية وCNTs.
وبالنسبة لتحليل TEM، اعتمدنا على ترسب الجسيمات بمرور الوقت لأن طرق أخذ العينات الأخرى لم تنجح، ولكن قد يكون من المفيد تحسين أو تعديل العينات. وكان تركيز الهواء المحيط منخفضاً جداً وهُمّاً بالنسبة إلى تركيزات الانبعاثات، ولكن استخدام فلاتر مدخل قد يكون ذا قيمة. في المستقبل، سيتم استخدام وحدات تخزين أخرى للغرفة لمقارنة النتيجة بانبعاثات الطابعة ثلاثية الأبعاد. وركز البروتوكول على إطلاق الجسيمات، ولكن لا تزال هناك أسئلة مفتوحة، كما هو الحال على سبيل المثال، فيما يتعلق بانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة. ل 3D الطابعات كان قد تبين بالفعل أنه بالإضافة إلى الجسيمات ، يتم إطلاق VOCs9،10،11،12،13،14،15،16،17،18،33. ويمكن افتراض أن الأقلام ثلاثية الأبعاد قد تتسبب في انبعاثات مماثلة.
يمكن بدء تشغيل الطابعات ثلاثية الأبعاد ثم طباعتها دون وجود المستخدم. أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد هي، مع ذلك، أجهزة محمولة باليد ويتم تشغيلها في الغالب يدوياً. لذلك، يبقى المستخدم أقرب إلى الجهاز أثناء عملية الطباعة بأكملها مما يؤدي إلى تعرض أعلى محتمل. وينبغي أن يلاحظ هذا خاصة كما يتم الإعلان عن الأقلام 3D في كثير من الأحيان لكونها قابلة للاستخدام من قبل الأطفال. وبصفة عامة، فإن انبعاثات الجسيمات من عمليات 3D FFF مماثلة لطابعات الليزر، من حيث تركيزات عدد الجسيمات34. وبناء على ذلك، ينبغي اتخاذ الاحتياطات اللازمة لخفض مستوى التعرض. يبدو من المعقول أن المشورة التي ينبغي استخدام أقلام 3D في درجات حرارة الطباعة المنخفضة وفقط في بيئات جيدة التهوية. خيوط مع المعادن أو غيرها من المضافات ينبغي أن تستخدم بعناية، كما إطلاق الجسيمات النانوية المعدنية الضارة المحتملة أو الألياف من المرجح.
في المستقبل، يمكن استخدام هذا البروتوكول لمقارنة المزيد من خيوط وأقلام الطباعة 3D مختلفة للحصول على فهم أفضل للانبعاثات من هذه الأجهزة والمخاطر المحتملة للمستهلكين. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام هذا البروتوكول لتحليل حالات توليد الهباء الجوي الأخرى (مثل منتجات الرش).
The authors have nothing to disclose.
بفضل سيباستيان مالك ونادين دراياك للدعم المختبري.
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 |