Questo protocollo presenta un metodo per analizzare l’emissione delle penne da stampa 3D. Viene misurata la concentrazione di particelle e la distribuzione granulometria della particella rilasciata. Le particelle rilasciate vengono ulteriormente analizzate con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Il contenuto di metallo nei filamenti è quantificato dalla spettrometria di massa plasmatica accoppiata induttivamente (ICP-MS).
La stampa tridimensionale (3D) come tipo di produzione additiva mostra un continuo aumento dell’applicazione e della popolarità dei consumatori. La fabbricazione di filamenti fusi (FFF) è un metodo economico utilizzato più frequentemente dai consumatori. Studi con stampanti 3D hanno dimostrato che durante il processo di stampa vengono rilasciate particelle e sostanze volatili. Anche le penne da stampa 3D portatili utilizzano il metodo FFF, ma la vicinanza del consumatore alle penne 3D è motivo di maggiore esposizione rispetto a una stampante 3D. Allo stesso tempo, le penne da stampa 3D sono spesso commercializzate per bambini che potrebbero essere più sensibili alle emissioni di stampa. Lo scopo di questo studio era quello di implementare un metodo a basso costo per analizzare le emissioni delle penne da stampa 3D. Sono stati testati filamenti di polilactide (PLA) e acrilonitrile butadiene stirene (ABS) di diversi colori. Inoltre, sono stati analizzati filamenti contenenti nanotubi metallici e di carbonio (CNC). Per caratterizzare le emissioni e le concentrazioni in prossimità della zona di respirazione dell’utilizzatore è stata utilizzata una camera da 18,5 L e un campionamento vicino alla fonte di emissione.
Sono state misurate le emissioni di particelle e le distribuzioni granulose e si è esaminato il potenziale rilascio di particelle metalliche e CNC. Le concentrazioni di particelle sono state trovate in un intervallo di 105 – 106 particelle/cm3, che è paragonabile ai precedenti rapporti delle stampanti 3D. L’analisi della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ha mostrato nanoparticelle dei diversi materiali termoplastici, nonché di particelle metalliche e CTT. L’alto contenuto di metallo è stato osservato dalla spettrometria di massa plasmatica accoppiata induttivamente (ICP-MS).
Questi risultati richiedono un uso cauto delle penne 3D a causa del potenziale rischio per i consumatori.
La stampa 3D è un promettente metodo di produzione additiva, che oltre alle sue applicazioni industriali viene utilizzato anche nelle case, nelle scuole e nei cosiddetti spazi maker. Le stampanti 3D possono ora essere acquistate già a partire da 200 €, rendendole così attraenti per i consumatori. Queste stampanti possono essere utilizzate per produrre parti di ricambio, articoli per la casa, regali o altri oggetti. I bambini possono persino creare i propri giocattoli utilizzando stampanti 3D. Grazie alla loro facilità di gestione e al basso prezzo, le stampanti basate sulla fabbricazione di filamenti fusi (FFF) sono il tipo più diffuso nel settore hobby1. In questo metodo di stampa un materiale termoplastico, chiamato filamento, viene fuso, spinto attraverso un ugello e applicato strato per strato utilizzando una testina di stampa mobile fino al termine dell’oggetto tridimensionale. I modelli CAD (Digital Computer-Aided Design) necessari per la stampa FFF sono liberamente disponibili online o possono essere progettati in molti programmi di disegno CAD diversi.
I primi studi hanno dimostrato che durante il processo di stampa del filamento vengono rilasciate particelleultrafini2,3,4,5,6,7,8 e sostanze volatili9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Le particelle ultrafine possono penetrare più in profondità nel sistema respiratorio e potrebbero essere più difficili da cancellare dalcorpo 19. In uno studio con dipendenti che utilizzano regolarmente stampanti 3D il 59% ha riportato sintomi respiratori20. La maggior parte delle stampanti dell’hobbista non sono sigillate ermeticamente e non hanno dispositivi di aspirazione dei fumi di scarico. Le emissioni vengono quindi rilasciate direttamente nell’aria ambiente e potrebbero rappresentare un rischio per l’utente al momento dell’inalazione.
Studi precedenti si sono concentrati sulle emissioni dei filamenti più comunemente usati polilattide (PLA) e acrilonitrile butadiene stirene (ABS). Alcuni studi hanno analizzato diversi filamenti, come nylon e polistirolo ad alto impatto (HIPS)4,10,13. Inoltre, nuovi filamenti, dotati di additivi come metallo o legno, vengono costantemente lanciati sul mercato. Questi filamenti consentono al consumatore di stampare oggetti che sembrano legno naturale o metallo. Altri filamenti consentono di stampare materiali conduttivi contenenti grafene o nanotubi di carbonio (CNC)21. Le nanoparticelle metalliche22 e i CNC mostrano effetti citotossici e hanno causato danni al DNA23. Finora sono state condotte poche ricerche sui filamenti contenenti additivi. Floyed et al. 3 ha studiato il PLA miscelato con rame, legno, bambù e un filamento con fibra di carbonio. Entrambi gli studi hanno misurato la concentrazione delle particelle e la distribuzione delle dimensioni, tuttavia la morfologia e la composizione delle particelle rilasciate non sono state ulteriormente studiate. Sono note nanoparticelle particolarmente elevate di proporzioni (HARN) come CNC o fibre di amianto che causano effetti pericolosi sulla salute24. Un recente studio di Stefaniak etal.
Le penne 3D utilizzano lo stesso metodo FFF delle stampanti 3D, ma finora è stato pubblicato un solo studio che esamina le penne 3D26. Gli autori hanno usato filamenti PLA e ABS, ma nessuno con additivi è stato analizzato. Grazie al loro uso portatile, le penne 3D sono ancora più facili da usare rispetto alle stampanti 3D. Sono più intuitivi, hanno dimensioni ridotte e non richiedono l’uso di modelli CAD. Le penne 3D possono essere utilizzate per disegnare o creare oggetti e, inoltre, per riparare parti stampate in 3D e altri oggetti in plastica. I prezzi partono da 30 €, diverse forme e colori sono disponibili per le fasce di età più basse. Ma in particolare, i bambini sono più vulnerabili alle emissioni di particelle. I loro meccanismi di difesa polmonare contro il particolato e l’inquinamento gassoso non sono completamente evoluti e stanno respirando un volume più elevato di aria per pesocorporeo 27.
Per una migliore comprensione del rilascio e dei rischi per la salute delle emissioni di penna 3D, abbiamo studiato diversi filamenti costituiti dai materiali standard PLA e ABS in diversi colori. Inoltre, sono stati studiati filamenti con additivi in rame, alluminio, acciaio e CNT e un filamento con effetto glow-in-the-dark. Per ottenere informazioni complete sul processo di stampa a penna 3D e sull’analisi delle emissioni di particolato è stata condotta mediante misurazione online dell’aerosol delle concentrazioni di particelle e distribuzioni delle dimensioni, mediante microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per l’identificazione morfologica e dei materiali e mediante spettrometria di massa plasmatica accoppiata induttivamente (ICP-MS) per la valutazione quantitativa dei metalli dei filamenti.
Il protocollo mostra un metodo veloce, economico e intuitivo per analizzare le emissioni di una penna da stampa 3D. Oltre al confronto tra PLA e ABS, è possibile esaminare filamenti contenenti quantità significative di metalli e CNC.
I passaggi critici sono la pulizia della camera per evitare la contaminazione incrociata e garantire che la concentrazione di fondo sia bassa. Abbiamo usato un essiccatore come opzione di camera disponibile, ma potrebbero essere utilizzate altre camere.
Le concentrazioni di particelle e le distribuzioni granulografiche vengono misurate online durante e dopo il processo di stampa. In questo studio sono state registrate concentrazioni di particelle che raggiungono valori superioria 10 6 particelle/cm3, il che potrebbe de preoccupante. In particolare, quando sono state trovate particelle inferiori a 100 nm. Le misurazioni aerosol hanno permesso misurazioni della concentrazione di particelle con il CPC nell’intervallo di dimensioni da 4 nm a 3 μm. Le misurazioni SMPS consentivano solo misurazioni della distribuzione delle dimensioni delle particelle tra 14,4 nm e 673,2 nm. In queste misurazioni potrebbero mancare particelle più piccole o più grandi.
Il metodo conferma la presenza di particelle nelle emissioni di penna 3D mediante analisi TEM offline. Nello studio sono state rilevate nanoparticelle dei diversi materiali termoplastici, particelle metalliche e CNC.
Per l’analisi TEM, ci siamo basati sulla sedimentazione delle particelle nel tempo poiché altri metodi di campionamento non hanno funzionato, ma il miglioramento o la modifica del campionamento potrebbe essere utile. La concentrazione dell’aria ambiente era molto bassa e insignificante rispetto alle concentrazioni di emissioni, ma l’uso di filtri di ingresso potrebbe essere prezioso. In futuro, altri volumi di camere verranno utilizzati per confrontare il risultato con le emissioni della stampante 3D. Il protocollo si è concentrato sul rilascio di particelle, ma rimangono interrogativi aperti, come ad esempio per quanto riguarda l’emissione di composti organici volatili (COV). Per le stampanti 3D è già stato dimostrato che oltre alle particelle, i COVvengono rilasciati 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. Si può presumere che le penne 3D possano causare emissioni simili.
Le stampanti 3D possono essere avviate e quindi stampate senza la presenza dell’utente. Le penne da stampa 3D sono, tuttavia, dispositivi portatili e sono per lo più azionate manualmente. Pertanto, l’utente rimane più vicino al dispositivo durante l’intero processo di stampa con conseguente esposizione potenzialmente più elevata. Questo dovrebbe essere notato in particolare poiché le penne 3D sono spesso pubblicizzate per essere utilizzabili dai bambini. In generale, le emissioni di particelle dei processi 3D FFF sono paragonabili alle stampanti laser, in termini di concentrazioni di particelle34. Di conseguenza, dovrebbero essere prese precauzioni per ridurre il livello di esposizione. Sembra ragionevole consigliare che le penne 3D debbano essere utilizzate a basse temperature di stampa e solo in ambienti ben ventilati. I filamenti con metallo o altri additivi devono essere utilizzati con cura, poiché è probabile il rilascio di nanoparticelle o fibre metalliche potenzialmente dannose.
In futuro, questo protocollo può essere utilizzato per confrontare più filamenti e diverse penne da stampa 3D per comprendere meglio le emissioni di questi dispositivi e il possibile rischio per i consumatori. Inoltre, questo protocollo può essere utilizzato per analizzare altri casi di generazione di aerosol (ad esempio, prodotti spray).
The authors have nothing to disclose.
Grazie a Sebastian Malke e Nadine Dreiack per il supporto di laboratorio.
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 |