このプロトコルは、3D印刷ペンの放出を分析する方法を提示します。放出された粒子の粒子濃度および粒子サイズ分布が測定される。放出粒子は透過型電子顕微鏡(TEM)でさらに解析される。フィラメント中の金属含有量は、誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)によって定量化されます。
添加物製造の一種として3次元(3D)印刷は、アプリケーションと消費者の人気の継続的な増加を示しています。融合フィラメント加工(FFF)は、消費者が最も頻繁に使用する安価な方法です。3Dプリンターを使用した研究では、印刷プロセス中に微粒子や揮発性物質が放出されることを示しています。ハンドヘルド 3D プリント ペンも FFF 方式を使用しますが、消費者が 3D ペンに近い場合は、3D プリンタと比較して露出が高くなります。同時に、3D印刷ペンは、印刷の放出に敏感である可能性のある子供たちのためにしばしば販売されています。本研究の目的は、3Dプリンティングペンの排出量を分析するための低コスト方式を実施することであった。ポリラクチド(PLA)とアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)フィラメントの異なる色のフィラメントを試験した。また、金属およびカーボンナノチューブ(CNT)を含むフィラメントを解析した。排出源に近い18.5 Lチャンバーとサンプリングを使用して、ユーザの呼吸域付近の排出物と濃度を特徴付けた。
粒子放出と粒子サイズ分布を測定し、金属粒子およびCNTの潜在的な放出を調査した。粒子数濃度は、3Dプリンタからの以前の報告に匹敵する105〜10 6粒子 /cm3の範囲で発見された。透過型電子顕微鏡(TEM)分析では、異なる熱可塑性材料のナノ粒子と金属粒子およびCNTsのナノ粒子が示された。
これらの結果は、消費者への潜在的なリスクのために3Dペンの慎重な使用を必要とします。
3Dプリンティングは、工業用途のほかに家庭、学校、いわゆるメーカースペースにも使用されている有望な添加剤製造方法です。3Dプリンタは200€からすでに購入できるため、消費者にとって魅力的です。これらのプリンターは、交換部品、家庭用品、ギフト、その他のオブジェクトを製造するために使用できます。子供は3Dプリンタを使って自分でおもちゃを作ることさえできます。その取り扱いが容易で低価格のため、融合フィラメント加工(FFF)に基づくプリンターは、ホビーセクター1で最も普及しているタイプです。この印刷方法では、フィラメントと呼ばれる熱可塑性材料が溶融し、ノズルを通して押し込まれ、3次元物体が完成するまで可動プリントヘッドを使用して層によって層を適用する。FFF印刷に必要なデジタルコンピュータ支援設計(CAD)モデルは、オンラインで自由に利用でき、多くの異なるCADドローイングプログラムで設計することができます。
初期の研究では、フィラメントの印刷プロセス中に、超微粒子2、3、4、5、6、7、8および揮発性物質9、10、11、12、13、14、15、16、17、18が放出されることを示している。超微粒子は、呼吸器系に深く浸透し、身体19からクリアするのが難しくなる可能性があります。3Dプリンタを定期的に使用している従業員との研究では、59%が呼吸器症状を報告しています20.愛好家のプリンタのほとんどは密閉されておらず、排気ガス抽出装置を持っていません。したがって、放出は周囲の空気中に直接放出され、吸入時にユーザーに危険をもたらす可能性があります。
これまでの研究では、最も一般的に使用されるフィラメントポリラクチド(PLA)およびアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)の排出に焦点を当ててきた。いくつかの研究は、ナイロンと高衝撃ポリスチレン(HIPS)4、10、13などの異なるフィラメントを分析しています。さらに、金属や木材などの添加剤を提供する新しいフィラメントが常に市場に投入されています。これらのフィラメントは、消費者が天然木や金属のように見え、感じるオブジェクトを印刷することを可能にします。他のフィラメントは、グラフェンまたはカーボンナノチューブ(CNT)21を含む導電性材料を印刷することを可能にする。金属ナノ粒子22およびCNTsは細胞傷害効果を示し、DNA損傷23を引き起こした。これまでのところ、添加物を含むフィラメントに関する研究はほとんど行われなかった。Floyedら13青銅を補ったPLAを分析した。Stabileら3は、銅、木材、竹、繊維繊維を配合したPLAを調べた。両方の研究は、粒子濃度とサイズ分布を測定したが、放出された粒子の形態および組成は、それ以上調査されなかった。特にCNTsやアスベスト繊維などの高アスペクト比ナノ粒子(HARN)は、危険な健康影響24を引き起こすことが知られている。Stefaniakらの最近の研究では、CNTを用いたフィラメントを分析し、可視CNTを含む呼吸性ポリマー粒子の放出を観察した。
3D ペンは 3D プリンタと同じ FFF 方式を使用していますが、3D ペンを調べる研究はこれまでに 1 つの研究のみで 26.著者らはPLAとABSフィラメントを使用したが、添加物を含むものは分析されなかった。ハンドヘルドの使用により、3Dペンは3Dプリンタよりも使いやすくなります。彼らはより直感的で、小さなサイズを持っており、CADモデルの使用を必要としません。3D ペンを使用してオブジェクトを描画または作成したり、3D プリントパーツやその他のプラスチックアイテムを修復することができます。価格は30€から始まり、異なる形状や色は、低年齢層をターゲットに利用可能です。しかし、特に、子供たちは粒子放出に対してより脆弱です。粒子状および気体汚染に対する彼らの肺防御機構は完全には進化しておらず、体重17当たりの空気量が多い。
3Dペンの放出の放出と健康上のリスクをよりよく理解するために、我々は異なる色で標準的な材料PLAとABSからなる異なるフィラメントを調査した。さらに、銅、アルミニウム、鋼およびCNT添加剤を用いたフィラメントと、暗闇の中で輝くフィラメントを調査した。3Dペン印刷プロセスと粒子状排出分析に関する包括的な洞察を得るために、粒子数濃度およびサイズ分布のオンラインエアロゾル測定、形態および材料同定のための透過電子顕微鏡(TEM)検査、およびフィラメントの定量金属評価のための誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)によって行われた。
このプロトコルは、3D印刷ペンの放出を分析するための高速で安価でユーザーフレンドリーな方法を示しています。PLAとABSの比較に加えて、大量の金属とCNTを含むフィラメントを調査することができます。
重要なステップは、交差汚染を避け、バックグラウンド濃度が低いようにチャンバーを清掃することです。私たちは利用可能なチャンバーオプションとしてデシケータを使用しましたが、他のチャンバーが使用される可能性があります。
粒子濃度と粒子サイズ分布は、印刷プロセス中および印刷プロセス後にオンラインで測定されます。本研究では、10個以上の値 に達する粒子濃度が記録され、 懸念される可能性があります。特に、100nm未満の粒子が見つかった場合。エアロゾル測定では、サイズ範囲4nm~3 μmのCPCで粒子濃度測定が可能でした。SMPS測定では、14.4 nm~673.2 nmの間の粒度分布測定のみが可能でした。これらの測定値では、小さいまたは大きいパーティクルが見逃される可能性があります。
この方法は、オフラインTEM解析により、3Dペンの放出中の粒子存在を確認します。研究では、異なる熱可塑性材料のナノ粒子だけでなく、金属粒子およびCNTsが検出された。
TEM解析では、他のサンプリング方法が機能しないほど粒子の堆積に依存していましたが、サンプリングの改善や変更が役に立つ可能性があります。周囲の空気の濃度は非常に低く、排出濃度に重要ではありませんでしたが、入口フィルターの使用は貴重かもしれません。将来的には、他のチャンバーの容積は3Dプリンターの放出と結果を比較するために使用される。このプロトコルは粒子の放出に焦点を当てたが、例えば揮発性有機化合物(VOC)の放出に関しては、オープンな疑問が残っている。3Dプリンタの場合、VOCは、粒子に加えて、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、33をリリースされていることが既に示されていました。3D ペンでも同様の放出が発生する可能性があると仮定できます。
3Dプリンタは、ユーザーの存在なしに開始し、印刷することができます。しかし、3D印刷ペンはハンドヘルドデバイスであり、ほとんどが手動で操作されます。したがって、印刷プロセス全体の間、ユーザーはデバイスに近いままで、露出が高くなる可能性があります。これは特に、3Dペンは子供が使える広告を出すことが多いので注意してください。一般に、FFF 3Dプロセスからの粒子放出は、レーザープリンタに匹敵し、粒子数濃度34の点で。したがって、暴露のレベルを減らすために予防措置を講じる必要があります。3Dペンは、低い印刷温度で、換気の良い環境でのみ使用する必要があることをアドバイスするのは合理的なようです。潜在的に有害な金属ナノ粒子または繊維の放出が起こりそうであるため、金属または他の添加剤を含むフィラメントは注意して使用する必要があります。
将来的には、このプロトコルを使用して、より多くのフィラメントと異なる3D印刷ペンを比較して、これらのデバイスの排出量と消費者のリスクをより深く理解することができます。さらに、このプロトコルは、他のエアロゾル発生例(例えば、スプレー製品)を分析するために使用することができる。
The authors have nothing to disclose.
セバスチャン・マルケとナディーン・ドライアックに研究室のサポートをありがとう。
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 |