הדפסה בתלת-ממד - הערכת פליטות חלקיקים של עט הדפסה בתלת-ממד
Summary
פרוטוקול זה מציג שיטה לניתוח הפליטה של עטי הדפסה בתלת-ממד. ריכוז החלקיקים וחלוקת גודל החלקיקים של החלקיקים שפורסמו נמדדים. חלקיקים משוחררים מנותחים עוד יותר עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM). תכולת מתכת בנינים מכמתת ספקטרומטריה מסת פלזמה בשילוב השראתי (ICP-MS).
Abstract
הדפסה תלת-ממדית (תלת-ממדית) כסוג של ייצור תוסף מציגה עלייה מתמשכת בפופולריות של יישומים וצרכנים. ייצור נימה התמזגה (FFF) היא שיטה זולה בשימוש בתדירות הגבוהה ביותר על ידי צרכנים. מחקרים עם מדפסות תלת-ממד הראו כי במהלך תהליך ההדפסה חלקיקים וחומרים נדיפים משתחררים. עטי הדפסה בתלת-ממד ידניים משתמשים גם בשיטת FFF, אך קרבתו של הצרכן לעטות תלת-ממד מספקת סיבה לחשיפה גבוהה יותר בהשוואה למדפסת תלת-ממד. במקביל, עטי הדפסה בתלת-ממד משווקים לעתים קרובות לילדים שיכולים להיות רגישים יותר לפליטת ההדפסה. מטרת מחקר זה הייתה ליישם שיטת עלות נמוכה כדי לנתח את הפליטות של עטי הדפסה בתלת-ממד. פולילקטיד (PLA) ו acrylonitrile butadiene סטירן (ABS) נימי צבעים שונים נבדקו. בנוסף, ניתחו חוטים המכילים צינורות מתכת ופחמן (CNTs). תא 18.5 L ותדגמה קרוב למקור הפליטה שימשו לאפיון פליטות וריכוזים ליד אזור הנשימה של המשתמש.
פליטות חלקיקים והפצות גודל חלקיקים נמדדו ושחרור פוטנציאלי של חלקיקי מתכת וCNTs נחקר. ריכוזי מספר חלקיקים נמצאו בטווח של 105 – 106 6 חלקיקים / ס”מ3, אשר דומה לדיווחים קודמים ממדפסות 3D. ניתוח מיקרוסקופאלקטרונים שידור (TEM) הראה חלקיקים של חומרים תרמופלסטיים שונים, כמו גם של חלקיקי מתכת ו CNTs. תוכן גבוה של מתכת נצפו על ידי ספקטרומטריה מסת פלזמה בשילוב השראתי (ICP-MS).
תוצאות אלה קוראות לשימוש זהיר של עטים תלת-מיוד בשל סיכון פוטנציאלי לצרכנים.
Introduction
הדפסה בתלת-ממד היא שיטת ייצור תוסף מבטיחה, אשר מלבד היישומים התעשייתיים שלה משמשת גם בבתים, בתי ספר וחללים יצרנית כביכול. מדפסות תלת-ממד ניתן לרכוש כעת החל מ 200 €, ובכך להפוך אותם אטרקטיביים לצרכנים. ניתן להשתמש במדפסות אלה כדי לייצר חלקי חילוף, פריטי משק בית, מתנות או אובייקטים אחרים. ילדים יכולים אפילו להכין צעצועים משלהם באמצעות מדפסות תלת-ממד. בשל הטיפול הקל שלהם ומחיר נמוך, מדפסות המבוססות על ייצור נימה מותכת (FFF) הם הסוג הנפוץ ביותר במגזר התחביבים1. בשיטת הדפסה זו חומר תרמופלסטי, הנקרא נימי גומי, נמס, נדחף דרך זרבובית ומוחל שכבה אחר שכבה באמצעות ראש הדפסה נייד עד לסיום האובייקט התלת מימדי. דגמי עיצוב דיגיטליים בעזרת מחשב (CAD) הדרושים להדפסת FFF זמינים באופן חופשי באינטרנט או שניתן לעצבם בתוכניות ציור CAD רבות ושונות.
מחקרים ראשוניים הראו כי במהלך תהליך ההדפסה של הנימה, חלקיקים עדיניםבמיוחד 2,3,4,5,6,7,8 וחומרים נדיפים 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 משוחררים. חלקיקים דקים במיוחד יכולים לחדור עמוק יותר לתוך מערכת הנשימה ואולי יהיה קשה יותר לנקות מהגוף19. במחקר עם עובדים באופן קבוע באמצעות מדפסות 3D 59% דיווחו על תסמינים נשימתיים20. רוב המדפסות של החובב אינן אטומות הרמטית ותו לא כוללות התקני מיצוי. לכן פליטות משתחררות ישירות לאוויר הסביבה עלולות להוות סיכון למשתמש בעת שאיפתו.
מחקרים קודמים התמקדו בפליטות של הנפוץ ביותר נפוץ polylactide (PLA) ו acrylonitrile butadiene סטירן (ABS). מחקרים מסוימים ניתחו חוטים שונים, כגון ניילון ופוליסטירן בעל השפעה גבוהה (HIPS)4,10,13. יתר על כן, ניבים חדשים, אשר מסופקים עם תוספים כגון מתכת או עץ, כל הזמן להיות השיקה לשוק. נטים אלה מאפשרים לצרכן להדפיס אובייקטים הראים ומרגישים כמו עץ טבעי או מתכת. חוטים אחרים מאפשרים להדפיס חומרים מוליך המכיל גרפן או פחמן צינורות (CNTs)21. חלקיקי מתכת22 ו CNTs להראות אפקטים cytotoxic וגרם נזק DNA23. עד כה, רק מעט מחקר נערך לגבי ניבים המכילים תוספים. Floyed ואח ‘.13 ניתח PLA בתוספת ברונזה; Stabile et al.3 חקר PLA מעורבב עם נחושת, עץ, במבוק חוט עם סיבי פחמן. שני המחקרים מדדו ריכוז חלקיקים וחלוקת גודל עם זאת מורפולוגיה והרכב של החלקיקים שפורסמו לא נחקרו עוד. חלקיקים יחס גובה-רוחב גבוה במיוחד (HARN) כגון CNTs או סיבי אסבסט ידועים לגרום להשפעות בריאותיות מסוכנות24. מחקר שנערך לאחרונה על ידי Stefaniak ואח ‘.25 ניתח נימי עם CNTs ופליטה נצפתה של חלקיקי פולימר הנשמה המכילים CNTs גלוי.
עטים תלת-ממד משתמשים באותה שיטת FFF כמו מדפסות תלת-ממד, אך עד כה פורסם רק מחקר אחד הבוחן עטים תלת-ממד26. המחברים השתמשו בניני PLA ו-ABS, אך אף אחד מהם לא נותח. בשל השימוש שלהם כף יד, עטים תלת-ממד קלים אף יותר לשימוש מאשר מדפסות תלת-ממד. הם אינטואיטיביים יותר, יש גודל קטן ואינם דורשים את השימוש של מודלים CAD. ניתן להשתמש בעטים תלת-ממדיים כדי לצייר או ליצור אובייקטים, יתר על כן כדי לתקן חלקים מודפסים בתלת-ממד ופריטי פלסטיק אחרים. המחירים מתחילים מ-30 €, צורות וצבעים שונים זמינים כדי לפלח קבוצות גיל נמוכות יותר. אבל במיוחד, ילדים פגיעים יותר לפליטת חלקיקים. מנגנוני הגנת הריאות שלהם מפני חלקיקים וזיהום גזים אינם מפותחים באופן מלא והם נושמים נפח גבוה יותר של אוויר לכל משקל גוף27.
להבנה טובה יותר של השחרור ואת הסיכונים הבריאותיים של פליטת עט 3D, חקרנו נפתים שונים המורכבים החומרים הסטנדרטיים PLA ו ABS בצבעים שונים. יתר על כן, חוטים עם נחושת, אלומיניום, פלדה ותוספים CNT חוט עם אפקט זוהר בחושך נחקרו. כדי לקבל תובנות מקיפות על תהליך הדפסת עט 3D וניתוח פליטת חלקיקים נערך על ידי מדידה מקוונת של תרסיס של ריכוזי מספר חלקיקים והפצות גודל, על ידי שידור אלקטרון מיקרוסקופי (TEM) בדיקה לזיהוי מורפולוגיה וחומרים ועל ידי ספקטרומטריה מסת פלזמה בשילוב השראתי (ICP-MS) להערכת מתכת כמותית של הסיבים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול מציג שיטה מהירה, זולה וידידותית למשתמש לניתוח פליטות של עט הדפסה בתלת-ממד. מלבד ההשוואה של PLA ו ABS, ניתן לחקור את הנימונים המכילים כמויות משמעותיות של מתכות ו-CNTs.
צעדים קריטיים הם ניקוי התא כדי למנוע זיהום צולב ולהבטיח כי ריכוז הרקע הוא נמוך. השתמשנו במימש כאפשרות תא זמינה, אבל תאים אחרים עשויים לשמש.
ריכוזי חלקיקים והפצות גודל חלקיקים נמדדים באופן מקוון במהלך ואחרי תהליך ההדפסה. במחקר זה, ריכוזי חלקיקים להגיע לערכים מעל 106 חלקיקים / ס”מ3 נרשמו, אשר עשוי להיות דאגה. בפרט, כאשר נמצאו חלקיקים קטנים מ-100 00 00 00 00 00 00 00:00.00.00,000-מ מדידות תרסיס אפשרו מדידות ריכוז חלקיקים עם CPC בטווח הגודל 4 נמיר עד 3 μm. מידות SMPS אפשרו מדידות התפלגות של גודל חלקיקים רק בין 14.4 נה”מ ל- 673.2 נה”מ. חלקיקים קטנים או גדולים יותר עלולים לפספס במדידות אלה.
השיטה מאשרת נוכחות חלקיקים בפליטת עט תלת-מיומת על-ידי ניתוח TEM לא מקוון. חלקיקים המחקר של חומרים תרמופלסטיים שונים, כמו גם של חלקיקי מתכת CNTs זוהו.
עבור ניתוח TEM, הסתמכנו על המשבע של החלקיקים לאורך זמן כמו שיטות דגימה אחרות לא עבד, אבל שיפור או שינוי של הדגימה עשוי להיות שימושי. ריכוז אוויר הסביבה היה נמוך מאוד וחסר חשיבות לריכוזי הפליטה, אך השימוש במסנני הכנסה עשוי להיות בעל ערך. בעתיד, אמצעי אחסון קאמריים אחרים ישמשו להשוואת התוצאה לפליטת מדפסת תלת-ממד. הפרוטוקול התמקד בשחרור חלקיקים, אך שאלות פתוחות נשארות, למשל, בנוגע לפליטה של תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs). עבור מדפסות תלת-ממד כבר הוצג כי בנוסף לחלקיקים, VOCsמשתחררים 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. ניתן להניח כי עטים תלת-מית-מיוד עלולים לגרום לפליטות דומות.
ניתן להתחיל מדפסות תלת-ממד ולאחר מכן להדפיס ללא נוכחות המשתמש. עם זאת, עטי הדפסה בתלת-ממד הם התקני כף-יד ומופעלים בעיקר באופן ידני. לכן, המשתמש נשאר קרוב יותר להתקן במהלך כל תהליך ההדפסה וכתוצאה מכך חשיפה גבוהה יותר פוטנציאלית. זה צריך להיות ציין במיוחד כמו עטים 3D מתפרסמים לעתים קרובות עבור להיות שאף על ידי ילדים. באופן כללי, פליטות חלקיקים מתהליכי FFF 3D דומים למדפסות לייזר, במונחים של ריכוזי מספרחלקיקים 34. בהתאם לכך, יש לנקוט באמצעי זהירות כדי להפחית את רמת החשיפה. זה נראה סביר לעצות כי עטים 3D יש להשתמש בטמפרטורות הדפסה נמוכות ורק בסביבות מאוורר היטב. חוטים עם מתכת או תוספים אחרים יש להשתמש בזהירות, כמו שחרור של חלקיקי מתכת מזיקים או סיבים סביר.
בעתיד, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי להשוות יותר נטבים ועטות הדפסה תלת-ממדיות שונות כדי לקבל הבנה טובה יותר של הפליטות של התקנים אלה ואת הסיכון האפשרי עבור הצרכנים. יתר על כן, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לנתח מקרים אחרים יצירת תרסיס (למשל, ספריי מוצרים).
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תודה לסבסטיאן מלכה ונדין דרייאק על תמיכת מעבדה.
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 |
References
- Most used 3D printing technologies in 2019 [Graph]. Statista Available from: https://www.statista.com/statistics/560304/worldwide-survey-3d-printing-top-technnologies/ (2020)
- 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).
- 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).
- Kwon, O., et al. Characterization and control of nanoparticle emission during 3D printing. Environmental Science & Technology. 51 (18), 10357-10368 (2017).
- 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).
- Rao, C., et al. Capturing PM2. 5 emissions from 3D printing via nanofiber-based air filter. Scientific reports. 7 (1), 10366 (2017).
- 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).
- 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).
- Kim, Y., et al. Emissions of Nanoparticles and Gaseous Material from 3D Printer Operation. Environmental Science & Technology. 49 (20), 12044-12053 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chan, F., et al. Health survey of employees regularly using 3D printers. Occupational Medicine. 68 (3), 211-214 (2018).
- 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).
- Schrand, A. M., et al. Metal-based nanoparticles and their toxicity assessment. Wiley interdisciplinary reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2 (5), 544-568 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Salvi, S. Health effects of ambient air pollution in children. Paediatric Respiratory Reviews. 8 (4), 275-280 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Denkhaus, E., Salnikow, K. Nickel essentiality, toxicity, and carcinogenicity. Critical Reviews In Oncology/Hematology. 42 (1), 35-56 (2002).
- Technical Data Sheet, Galaxy PLA. Formfutura Available from: https://bit.ly/31Bco0O (2020)
- 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).
- 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).
