JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

3D-печать - Оценка выбросов частиц 3D-печати пера

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

Этот протокол представляет собой метод анализа выбросов ручек 3D-печати. Измеряется концентрация частиц и распределение размера частицы высвобождаемой частицы. Выпущенные частицы дополнительно анализируются с помощью электронной микроскопии передачи (TEM). Содержание металла в нитей количественно измеряется с помощью индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии (ICP-MS).

Abstract

Трехмерная (3D) печать как вид аддитивного производства свидетельствует о продолжающемся росте популярности приложений и потребителей. Сплавленное изготовление нити (FFF) недорогой метод используемый наиболее часто едоками. Исследования с помощью 3D-принтеров показали, что в процессе печати высвобождаются твердые частицы и летучие вещества. Ручные ручки для 3D-печати также используют метод FFF, но близость потребителя к 3D-ручкам дает основания для более высокой экспозиции по сравнению с 3D-принтером. В то же время, 3D-печати ручки часто на рынке для детей, которые могут быть более чувствительны к печати выбросов. Целью данного исследования было внедрение недорогого метода анализа выбросов ручек 3D-печати. Были протестированы полилактид (PLA) и акрилонитриле бутадиеновый стирол (ABS) различных цветов. Кроме того, были проанализированы нити, содержащие металлические и углеродные нанотрубки (НСТ). Для характеристики выбросов и концентраций вблизи дыхательной зоны пользователя использовалась камера объемом 18,5 л и выборка, близкая к источнику выбросов.

Были измерены выбросы частиц и распределение размеров частиц и исследован потенциальный выброс металлических частиц и НСТ. Концентрации частиц были обнаружены в диапазоне от 105 до 106 частиц/см3,что сопоставимо с предыдущими отчетами с 3D-принтеров. Анализ передачи электронной микроскопии (TEM) показал, что наночастицы различных термопластичных материалов, а также металлических частиц и НСТ. Высокое содержание металла наблюдалось с помощью индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии (ICP-MS).

Эти результаты требуют осторожного использования 3D-ручек из-за потенциального риска для потребителей.

Introduction

3D-печать является перспективным методом аддитивного производства, который помимо его промышленного применения используется также в домах, школах и так называемых производственных помещениях. 3D принтеры теперь можно приобрести, начиная уже с 200 евро, что делает их привлекательными для потребителей. Эти принтеры могут быть использованы для производства запасных частей, предметов домашнего обихода, подарков или других предметов. Дети могут даже делать свои собственные игрушки с помощью 3D-принтеров. Из-за их легкой обработки и низкой цены, принтеры на основе сплавленной нити изготовления (FFF) являются наиболее распространенным типом всекторе хобби 1. В этом методе печати термопластичный материал, называемый нитью, расплавляется, проталкивается через сопло и наносится слоем за слоем с помощью подвижной печатной головки до тех пор, пока трехмерный объект не будет закончен. Модели цифрового компьютерного дизайна (CAD), необходимые для печати FFF, находятся в свободном доступе в Интернете или могут быть разработаны в различных программах рисования CAD.

Первоначальные исследования показали, что в процессе печати нити высвобождаютсясверхтонкие частицы 2,3,4,5,6,7,8 и летучие вещества9,10,11, 12,13,14,15,16,17,18. Ультратонкие частицы могут проникать глубже в дыхательную систему и может быть труднее очистить от тела19. В исследовании с сотрудниками регулярно используют 3D принтеры 59% сообщили респираторные симптомы20. Большинство принтеров любителей не герметично запечатаны и не имеют выхлопных газов извлечения устройств. Таким образом, выбросы высвобождаются непосредственно в окружающий воздух и могут представлять опасность для пользователя при вдыхании.

Предыдущие исследования были сосредоточены на выбросах наиболее часто используемых филаментов полилактида (PLA) и акрилонитриле бутадиен стирол (ABS). Некоторые исследования проанализировали различные нити, такие как нейлон и высокоэмпьютивный полистирол (HIPS)4,10,13. Кроме того, на рынок постоянно высовывляются новые нити, которые обеспечиваются такими добавками, как металл или древесина. Эти нити позволяют потребителю печатать предметы, которые выглядят и чувствуют себя как натуральное дерево или металл. Другие нити позволяют печатать проводящие материалы, содержащие графен или углеродные нанотрубки (НСТ)21. Металлические наночастицы22 и CNTs показывают цитотоксические эффекты и причинили повреждениеДНК 23. До сих пор было проведено лишь небольшое исследование нитей, содержащих добавки. Floyed et al.13 проанализировали НОАК, дополненную бронзой; Stabile et al.3 исследовали НОАК в сочетании с медью, деревом, бамбуком и нитью с углеродным волокном. Оба изучения измерили концентрацию частиц и распределение размера однако морфология и состав выпущенных частиц не были более далее исследованы. Особенно высокое соотношение аспектов наночастиц (HARN), таких как НСТ или асбестовых волокон, как известно, вызывают опасные последствия для здоровья24. В недавнем исследовании, проведенном Stefaniak et al.25, были проанализированы нити с КТТ и наблюдалось излучение спирируемых полимерных частиц, содержащих видимые АНТ.

3D ручки использовать тот же метод FFF, как 3D принтеры, но до сих пор только одно исследование изучения 3D ручки была опубликована26. Авторы использовали нити НОАК и АБС, но ни одна из них с добавками не была проанализирована. Благодаря их ручного использования, 3D ручки даже проще в использовании, чем 3D принтеры. Они более интуитивно понятны, имеют небольшой размер и не требуют использования моделей CAD. 3D ручки могут быть использованы для рисовать или создавать объекты, и, кроме того, для ремонта 3D печатных деталей и других пластиковых изделий. Цены начинаются от как низко как 30 евро, различные формы и цвета доступны для целевых нижних возрастных групп. Но особенно дети более уязвимы к выбросам частиц. Их механизмы защиты легких от твердых частиц и газиозного загрязнения не полностью развиты, и они дышат более высоким объемом воздуха на вес тела27.

Для лучшего понимания выпуска и рисков для здоровья 3D выбросов пера, мы исследовали различные нити, состоящие из стандартных материалов PLA и ABS в разных цветах. Кроме того, были исследованы нити с медью, алюминием, сталью и CNT добавками и нитью со светящимся в темноте эффектом. Для получения всестороннего понимания процесса печати 3D-печати пера и анализа выбросов твердых частиц было проведено онлайн-измерение аэрозолей концентраций и распределения количества частиц, путем исследования электронной микроскопии (TEM) для идентификации морфологии и материалов и путем индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии (ICP-MS) для количественной оценки металлов нитей.

Protocol

1. Требования к протоколу Приобрети ручку для 3D-печати, способную генерировать температуру 200 градусов поЦельсию (рисунок 1),чтобы иметь возможность печатать нити с более высокой температурой печати (например, АБС или нити с добавками) для сравнения различных нитей. Различные 3D ручки доступны в Интернете. Приобрети нити диаметром 1,75 мм, подходящие для 3D-ручки. Различные стандартные нити PLA и ABS, а также нити с добавками доступны в Интернете на различных веб-сайтах. Для простой установки используйте desiccator (18,5 л) в качестве эмиссионной камеры. Убедитесь, что камера чистая. Выберите desiccator с впусткой на одной стороне, чтобы иметь возможность вставить ручку 3D-печати и розетку на вершине, чтобы вставить трубку отбора проб. Убедитесь, что вход воздуха при подключении к 3D-ручке установлен. В качестве фона будет использоваться окружающий воздух. Розетка трубки должна быть 10 см от кончика пера 3D-печати, чтобы имитировать расстояние между головой пользователя и источником выбросов. Используйте проводящие трубки, чтобы свести к минимуму потерю частиц. Длина труб должна быть как можно короче и свободной от изгибов. Используйте счетчик конденсации частиц (CPC) и сканирующий размер частицы (SMPS) или другие устройства слежения за частицами для онлайн-измерения концентрации частиц и распределения размера частиц(рисунок 2). Используйте микроволновую печь и соответствующие химические вещества для переваривания образцов нити. Используйте ICP-MS или другой инструмент анализа нескольких элементов для количественной оценки содержания металла в образцах. Используйте электронный микроскоп для характеристики морфологии частиц. 2. Аэрозольные измерения выбросов 3D Pen Подготовка перед экспериментом Включите соответствующие онлайн-измерительные приборы (SMPS, CPC). В задней части машины есть кнопка. Разогреть инструменты около 10 минут. Предварительно загрузите 3D ручку с выбранной нитью (начните с НОАК как наиболее часто используемого материала) и дайте ручке остыть. Прикрепите фильтр HEPA к входу SMPS и запустите чистое измерение проверки с SMPS, чтобы гарантировать, что SMPS не загрязнен от предыдущих измерений. Не измерять частицы, если SMPS не чист. Подключите розетку камеры к входу CPC. Проверьте концентрацию внутри камеры с помощью КПК, чтобы убедиться, что камера чистая (Lt; 103 частиц/м 3) и эксперименты прогорять в тех же условиях. Начало измерения. Экспериментальная процедура Вставьте предварительно загруженную и охлаждаемую 3D ручку в камеру. Убедитесь, что розетка труб камеры подключена к КПК. Запуск компьютера, подключенного к КПК. Откройте новый файл с именем, подходящим для измерений. Убедитесь, что настройка потока CPC установлена на уровне 0,3 л/мин, а время отбора проб установлено по крайней мере на 90 минут. Начните измерение CPC для измерения фоновой концентрации в течение 10 минут.ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры потока 0,3 л/мин и объем камеры 18,5 л приведет к обменному курсу воздуха (ACH) 1,0 ч-1. Через 10 минут включите 3D ручку. Выберите необходимую температуру для выбранной нити. После того, как необходимая температура будет достигнута, начните процесс печати. Пусть 3D перо печати в течение 15 минут.ПРИМЕЧАНИЕ: Нет объекта, но непрерывная строка будет напечатана и собрана на дне. Через 15 минут остановите 3D ручку, подключите розетку к SMPS и начните измерения распределения размеров каждые 3 минуты в течение следующих 1 часа. После завершения эксперимента снимите печатную нить и очистите камеру. Повторите каждое измерение три раза. 3. Морфология частиц с использованием TEM Для обеспечения того, чтобы измеренные сигналы исходят от испускаемых частиц, а не от молекул пара, для анализа аэрозоля используется электронная микроскопия передачи (TEM). Подготовка сетки TEM Используйте 400 сетчатых 3,5 мм медных сеток. Пальто сетки с Collodion. Пусть сетки высохнуть на ночь и хранить их в камере высыхания до дальнейшего использования. Кроме того, используйте сетки с покрытием (например, SF162-4 Formvar-Film на 400 сетках Cu-net). В день эксперимента, сетки должны быть гидрофилизированы с 2% Alcian Blue в 0,3% уксусной кислоты раствора. Pipette 30 йл подготовленного алцианского синего раствора на поверхности, например, кусок парафильма. Пусть сетки плавают на Alcian синие капли в течение 5 до 10 минут и высушить их с помощью фильтровальной бумаги. Поместите подготовленные сетки TEM внутри камеры во время процесса печати и оставьте на месте после этого в течение 5 часов, чтобы частицы осадок.ПРИМЕЧАНИЕ: Для облегчения обработки сеток поместите сетки на платформу, покрытую парафильмом. Изучите по крайней мере четыре различных области каждой сетки с ПОМОЩЬю TEM и используйте дифракционные шаблоны из опубликованных ресурсов для определения состава материала. 4. Количественная оценка содержания металла до и после печати с использованием ICP-MS Подготовка образцов Печать нити на пластиковой поверхности, чтобы избежать загрязнения металлом. Взвесить около 150 мг массовой нити и печатной нити. Чтобы избежать загрязнения металлом, используйте керамический нож, чтобы сократить мелкие кусочки. Микроволновое пищеварение Передача взвешенных нитей в микроволновые сосуды. Добавьте 1,5 мл воды (например, Милли), 3,5 мл азотной кислоты и 1 мл перекиси водорода в каждый образец.ВНИМАНИЕ: Добавить воду, а затем кислоты! Поместите сосуды в микроволновую печь и начните пищеварение. Нагрейте до 200 градусов по Цельсию и удерживайте в течение 20 минут. Определение концентрации металла с помощью ICP-MS Разбавить все образцы нитей, где высокая концентрация металла известна или подозревается, чтобы избежать загрязнения ICP-MS. Используйте сканирование для определения того, какие металлы находятся в образцах. Количественная оценка содержания металла в конкретных металлах с использованием соответствующих стандартов калибровки.

Representative Results

Концентрация числа частицСамая высокая концентрация пиковых частиц была измерена для PLA-меди с 4,8 x 106 евро/см3 и самой низкой для PLA-черного цвета с 4,3 x 105 евро/см3. В целом, было отмечено более высокое излучение для АБС 106 евро/см 3 по сравнению с НОАК. Тем не менее, некоторые нити НОАК привели к концентрации частиц выше 106 евро/см 3 (PLA-белый и PLA-синий). Различные концентрации частиц могут быть связаны с использованием добавок. Чжан и др.28 заявили, что частицы могут быть сформированы некоторыми добавками, как, например, пигменты, однако не навалом материала. Таким образом, использование различных пигментов для различных цветов может повлиять на количество высвобождаемых частиц. На рисунке 3 приведены примеры увеличения выбросов частиц в процессе печати для PLA-черного и ABS-черного. Результаты в согласии с предыдущими исследованиями 3D принтера, показывающие концентрации частиц 105-106 q/cm 3 и более высокие значения для ABS по сравнению с PLA12,13. Флойд и др.13 измерили пиковую концентрацию 3,5 х10 6 евро/см 3 для АБС и 1,1х 10 6 евро/см3 для НОАК. Важно отметить, что АБС, как правило, печатается при более высоких температурах по сравнению с НОАК. Для анализа влияния температуры печати на высвобождение частиц эксперименты с использованием PLA-черного были проведены при температуре 210 градусов по Цельсию (стандартная установка для АБС). Результаты были сопоставлены со стандартным параметром 200 градусов по Цельсию для НОАК. С более высокой температурой концентрация частиц увеличилась почти на один порядок. Средняя концентрация при печати с PLA-черным увеличена с 2,6 х10 5 евро/см 3 при 200 градусов по Цельсию до 1,3 х 106 евро/см 3 при 210 градусов по Цельсию. Более высокие выбросы, вызванные более высокой температурой печати, уже наблюдались в более ранних исследованиях с помощью 3D-принтеров3. Распределение размера частиц в выбросах различных нитейНа рисунке 4 показаны распределения размера частиц для НОАК при 200 и 210 градусов по Цельсию и для АБС при 210 градусов по Цельсию. Печать АБС привела к более высокой концентрации частиц и более крупных частиц по сравнению с НОАК. Повышение температуры при печати НОАК привело к повышению концентрации количества частиц, но не имело существенного влияния на геометрический средний диаметр (ГМД). Это в согласии с предыдущим исследованием28. На рисунке 5 показан ГМД на основе количества всех измеренных нитей. Наблюдалась явная тенденция к разнице между частицами, испускаемыми при печати с помощью нитей АБС или НОАК. Образцы ABS имели самый большой ГМД в диапазоне от 203,9 нм для ABS-зеленого и до 262,1 нм для ABS-голубого. ABS-зеленый изготовлен другим производителем, чем другие нити ABS; это может быть причиной несколько иного размера частицы. Нити НОАК испускали мелкие частицы с ГМД lt; 100 нм (63,8 нм для PLA-ясно до 88,3 нм PLA-синий). Для других нитей с добавками, GMD колебался от 73,1 нм для PLA-стали до 183,9 нм для PLA-меди. Воспроизводимость измерений проявляется в низких относительных стандартных отклонениях (RSD) измерений размера частиц. Диапазон был в основном между 0,96 и 5,58%. Только в случае НОАК со сталью (10,55%) и НОАК с НСТ (18,52%) наблюдался более высокий диапазон. Это может, однако, быть связано с неоднородностью в нитей. Продукты с добавками представляет собой смесь термопластика (например, в данном случае НОАК) и металла или других мелких частиц. Частицы не могут быть равномерно распределены и, таким образом, могут вызвать более высокое стандартное отклонение. Геометрические стандартные отклонения варьировались от 1,6 до 1,9, что указывает на одно модное распределение в диапазоне мелких и сверхтонких частиц, как это наблюдалось в предыдущих исследованиях 3D-принтеров13. Результаты показывают значительную разницу в выбросах частиц между нитью НОАК и АБС; это еще не ясно из предыдущих публикаций, как часто только одна или две нити были проанализированы29. Некоторые авторы описали более крупные частицы для ABS5,12, некоторые более крупные для PLA2,9. В дальнейших исследованиях никакой разницы в размерах вообще ненаблюдалось 4,13. Byrley et al.29 рассмотрели 13 публикаций и описали средние диаметры частиц в диапазоне от 14,0 нм до 108,1 нм для НОАК и от 10,5 нм до 88,5 нм для АБС. Разница в размерах частиц может быть обусловлена измерениями в разных точках времени. Некоторые измерены в самой высокойконцентрации 12,13, а некоторые сообщили размеры для всегопроцесса печати 5,9. Единственное исследование 3D ручки доступны до сих пор сообщает частиц до 60,4 нм для НОАК и до 173,8 нм для ABS26, который похож на выводы здесь. Измерение распределения размера представляет собой только один момент снимка. Для наблюдения за изменчивостью времени в отношении размера испускаемого аэрозоля распределение размера частиц для Filament PLA-black измерялось 10 раз каждые 3 минуты после того, как печать была остановлена(рисунок 6A). Измерения показывают увеличение ГМД (рисунок6B) и снижение концентрации частиц(рисунок 6C) с каждым последовательным запуском измерения. Увеличение размера частиц может быть связано с агломерацией, что также объясняет снижение концентрации частиц. Интересно, что это появление увеличения размера частиц и снижения концентрации наблюдалось не только после того, как печать прекратилась, но и во время процессов печати. Это показывает, что время измерения является важным фактором. Количественная оценка содержания металла до и после печати с использованием ICP-MSСравнение нитей, содержащих металлические добавки до и после процесса печати, не выявило никакой разницы в содержании металла. Это неизменное соотношение металл-полимер указывает на то, что высвобождаемые частицы являются не только полимерными, так как это приведет к более высокой концентрации металла в печатном материале из-за потери полимера. Выпущенные металлические наночастицы могут подразумевать более высокий риск для здоровьяпользователя 22. В целом следует отметить большое количество металла в продвинутых нитей. Металлы могут вызвать неблагоприятные последствия для здоровья и особенно высвобождение наномасштабных частиц требует мер предосторожности в сценариях повседневной жизни30. Для нити НОАК-меди мы измерили процент веса 70 для меди. Для стальной нити мы измерили процент веса 30% Fe, 8% Cr и 6% Ni в нити. Часто точный состав нитей не объявляется, и поэтому возможные риски не известны пользователю. Воздействие никеля может иметь неблагоприятные последствия для здоровья человека и может вызвать аллергию на кожу, фиброз легких, сердечно-сосудистые и почечные заболевания. Элемент подозревается канцероген человека31. Помимо металлических нитей, PLA clear был проанализирован до и после печати. Здесь после процесса печати было измерено увеличение числа Cu, zn, Fe, Cr и Ni. Это может быть связано с другими материалами, которые были извлечены через 3D перо до и в результате эффекта памяти. Измерения повторялись с помощью недавно приобретенной 3D-ручки, и здесь не наблюдалось существенного увеличения(рисунок 7). Морфология частиц с использованием TEMИзображения TEM подтвердили наличие частиц и проверили разницу в размерах частиц между ABS и PLA, измеренную с помощью SMPS. Изображения TEM показали размеры частиц в основном около 50 нм для НОАК(рисунок 8A). ABS черный показал почти последовательно большие частицы до 100 нм (Рисунок 8B). Разница размеров частиц между НОАК и АБС, как видно из SMPS, может быть подтверждена. Тем не менее, меньшие размеры были измерены TEM. Меньшие размеры могут быть связаны с SMPS измерения частиц агломератов, как описано ранее, и TEM изображения, показывающие не агломерационые частицы. НоАК-медная нить содержала медь, а также частицы НОАК(рисунок 8C). Медь была в основном в кристаллической форме с размерами около 150 нм. Это соответствует измерению SMPS медной нити, что привело к среднему ГМД 178 нм(рисунок 5). Рисунок 8D, возможно, изображает выпущенный CNT из нити PLA-CNT. Кроме того, во время печати с помощью PLA-стальной нити наблюдался выброс мелких стальных частиц(рисунок 8E). Алюминиевая нить была описана как “PLA соединение – с невероятно большим количеством серебра алюминиевых хлопьев добавил”32. Рисунок 8F показывает возможную агломерацию этих хлопьев, так как размер намного больше по сравнению с измеренным ГМД 124 нм с помощью SMPS. Рисунок 1: Изображение ручек для 3D-печати и схематическая конструкция пера 3D-печати. Ручка 3D-печати нагревает нить до выбранной температуры и выдавляет расплавленный термопластичный. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 2: Экспериментальная установка для онлайн-измерения аэрозолей. Концентрация частиц измеряется с помощью КТК и распределения размера частиц с помощью SMPS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 3: Измерение концентрации частиц КТК. Измерения показывают увеличение после начала печати и более высокие концентрации для ABS по сравнению с НОАК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 4: Распределение размера частиц, измеряемое с помощью SMPS со стандартным отклонением (n-3). Печать НОАК приводит к меньшему размеру частиц по сравнению с ABS. Повышение температуры приводит к более высокой концентрации, но не показывает существенного влияния на размер частиц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 5: Средний геометрический средний диаметр со стандартным отклонением (n’3) для всех проанализированных нитей. Печать с НОАК привела к меньшим частицам по сравнению с ABS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 6: Распределение размера частиц, измеренное сразу после остановки печати. (A)Распределение размера частиц измеряется каждые 3 минуты в течение 30 минут после процесса печати с PLA-черным. (B)Увеличение ГМД. (C)Снижение концентрации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 7: Содержание металла в переваренных нитей, измеренных с помощью ICP-MS. Увеличение содержания металла в PLA-ясной нити после процесса печати. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 8: TEM-Изображения образцов из процесса печати: ( A ) НОАК-черная нить в результате чего частицы НОАК около 50 нм. (B) АБС-черная нить, в результате чего частицы АБС до 100 нм. (C) PLA-медная нить, приводящая к кристаллам меди (120-150 нм) в дополнение к НОАК. (D) PLA-CNT нити в результате чего CNT релиз. (E )PLA-стальнаянить, приводящая к выпущенным стальным фрагментам. (F) PLA-Алюминиевая нить, приводящая к большим алюминиевым частицам. (C) – (D): Стрелки с указанием НОАК и круги металла или CNT соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Discussion

Протокол показывает быстрый, недорогой и удобный метод анализа выбросов пера 3D-печати. Помимо сравнения НОАК и АБС, могут быть исследованы нити, содержащие значительное количество металлов и НСТ.

Критические шаги очистки камеры, чтобы избежать перекрестного загрязнения и обеспечить, чтобы фоновая концентрация низка. Мы использовали desiccator как доступный вариант камеры, но другие камеры могут быть использованы.

Концентрации частиц и распределение размера частиц измеряются онлайн во время и после процесса печати. В этом исследовании были зарегистрированы концентрации частиц, достигающих значений выше10 6 частиц/см 3, что может быть вызывающим озабоченность. В частности, при обнаружении частиц меньше 100 нм. Измерения аэрозолей позволили измерения концентрации частиц с КТК в диапазоне размеров от 4 нм до 3 мкм. Измерения SMPS позволяли измерять размер частиц только между 14,4 нм и 673,2 нм. Меньшие или большие частицы могут быть пропущены в этих измерениях.

Метод подтверждает присутствие частиц в 3D-выбросах пера с помощью автономного анализа TEM. В исследовании были обнаружены наночастицы различных термопластичных материалов, а также металлических частиц и НСТ.

Для анализа ТЕМ мы полагались на осаждение частиц с течением времени, поскольку другие методы отбора проб не работали, однако улучшение или изменение выборки могло бы оказаться полезным. Концентрация окружающего воздуха была очень низкой и незначительной по сравнению с концентрацией выбросов, однако использование фильтров для входов могло бы быть ценным. В будущем для сравнения результатов с выбросами 3D-принтеров будут использоваться другие объемы камер. В протоколе основное внимание уделяется высвобождению частиц, однако остаются открытыми вопросы, например, в отношении выбросов летучих органических соединений (ЛОС). Для 3D-принтеров уже было показано, что помимо частиц,ЛОС высвобождаются 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. Можно предположить, что 3D ручки могут вызывать аналогичные выбросы.

3D принтеры можно заработать, а затем распечатать без присутствия пользователя. Ручки для 3D-печати, однако, являются портативными устройствами и в основном управляются вручную. Таким образом, пользователь остается ближе к устройству в течение всего процесса печати, что приводит к потенциально более высокой экспозиции. Это следует особенно отметить, как 3D ручки часто рекламируются за то, что можно использовать детьми. В целом, выбросы частиц в результате 3D-процессов FFF сопоставимы с лазерными принтерами, с точки зрения концентрации количества частиц34. Соответственно, следует принять меры предосторожности для снижения уровня воздействия. Представляется разумным совет, что 3D ручки должны использоваться при низких температурах печати и только в хорошо проветриваемых средах. Нити с металлом или другими добавками следует использовать с осторожностью, так как выброс потенциально вредных металлических наночастиц или волокон, вероятно.

В будущем этот протокол может быть использован для сравнения большего количество нитей и различных ручек 3D-печати, чтобы лучше понять выбросы этих устройств и возможный риск для потребителей. Кроме того, этот протокол может быть использован для анализа других аэрозольных генерирующих случаев (например, спрей-продуктов).

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Спасибо Себастьяну Малке и Надин Дрейак за лабораторную поддержку.

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