Este protocolo presenta un método para analizar la emisión de bolígrafos de impresión 3D. Se mide la concentración de partículas y la distribución del tamaño de partícula de la partícula liberada. Las partículas liberadas se analizan más a fondo con microscopía electrónica de transmisión (TEM). El contenido de metal en filamentos se cuantifica mediante espectrometría de masas plasmáticas acoplada inductivamente (ICP-MS).
La impresión tridimensional (3D) como tipo de fabricación aditiva muestra un aumento continuo de la aplicación y la popularidad del consumidor. La fabricación de filamentos fusionados (FFF) es un método barato utilizado con mayor frecuencia por los consumidores. Los estudios con impresoras 3D han demostrado que durante el proceso de impresión se liberan partículas y sustancias volátiles. Las plumas de impresión 3D portátiles también utilizan el método FFF, pero la proximidad del consumidor a las plumas 3D da razón para una mayor exposición en comparación con una impresora 3D. Al mismo tiempo, las plumas de impresión 3D a menudo se comercializan para niños que podrían ser más sensibles a la emisión de impresión. El objetivo de este estudio fue implementar un método de bajo costo para analizar las emisiones de los bolígrafos de impresión 3D. Se probaron filamentos de polilactida (PLA) y acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) de diferentes colores. Además, se analizaron filamentos que contienen nanotubos metálicos y de carbono (CT). Se utilizó una cámara de 18,5 L y un muestreo cercano a la fuente de emisión para caracterizar las emisiones y concentraciones cercanas a la zona respiratoria del usuario.
Se midieron las emisiones de partículas y las distribuciones de tamaño de partículas y se investigó la posible liberación de partículas metálicas y CNSC. Las concentraciones de número de partículas se encontraron en un rango de 105 – 106 partículas/cm3,lo que es comparable a los informes anteriores de impresoras 3D. El análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM) mostró nanopartículas de los diferentes materiales termoplásticos, así como de partículas metálicas y CCT. Se observaron altos contenidos de metal por espectrometría de masas plasmáticas acopladas inductivamente (ICP-MS).
Estos resultados requieren un uso cauteloso de plumas 3D debido al riesgo potencial para los consumidores.
La impresión 3D es un método prometedor de fabricación aditiva, que además de sus aplicaciones industriales también se utiliza en hogares, escuelas y los llamados espacios de fabricación. Las impresoras 3D ahora se pueden comprar a partir de 200 euros, lo que las hace atractivas para los consumidores. Estas impresoras se pueden utilizar para producir piezas de repuesto, artículos para el hogar, regalos u otros objetos. Los niños pueden incluso hacer sus propios juguetes usando impresoras 3D. Debido a su fácil manejo y bajo precio, las impresoras basadas en la fabricación de filamentos fusionados (FFF) son el tipo más extendido en el sector hobby1. En este método de impresión, un material termoplástico, llamado filamento, se funde, se empuja a través de una boquilla y se aplica capa por capa utilizando un cabezal de impresión móvil hasta que el objeto tridimensional se termina. Los modelos de diseño asistido por ordenador digital (CAD) necesarios para la impresión FFF están disponibles gratuitamente en línea o se pueden diseñar en muchos programas de dibujo CAD diferentes.
Los estudios iniciales han demostrado que durante el proceso de impresión del filamento, se liberan partículas ultrafinas2,3,4,5,6,7,8 y sustancias volátiles9,10,11,12,13,14,15,17,18. Las partículas ultrafinas pueden penetrar más profundamente en el sistema respiratorio y podrían ser más difíciles de eliminar del cuerpo19. En un estudio con empleados que utilizan regularmente impresoras 3D el 59% han notificado síntomas respiratorios20. La mayoría de las impresoras del aficionado no están herméticamente selladas y no tienen dispositivos de extracción de gases de escape. Por lo tanto, las emisiones se liberan directamente en el aire ambiente y podrían suponer un riesgo para el usuario tras la inhalación.
Estudios previos se han centrado en las emisiones de los filamentos más utilizados de polilactida (PLA) y acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Algunos estudios han analizado diferentes filamentos, como el nylon y el poliestireno de alto impacto (HIPS)4,10,13. Además, los nuevos filamentos, que están provistos de aditivos como el metal o la madera, se lanzan constantemente al mercado. Estos filamentos permiten al consumidor imprimir objetos que se ven y se sienten como madera natural o metal. Otros filamentos permiten imprimir materiales conductores que contienen nanotubos de grafeno o carbono (CST)21. Las nanopartículas metálicas22 y los CNS muestran efectos citotóxicos y causan daños en el ADN23. Hasta ahora, sólo se llevó a cabo poca investigación con respecto a los filamentos que contienen aditivos. 13 analizados PLA suplementados con bronce; 3 investigado PLA mezclado con cobre, madera, bambú y un filamento con fibra de carbono. Ambos estudios midieron la concentración de partículas y la distribución del tamaño, sin embargo, la morfología y la composición de las partículas liberadas no se investigó más. Se sabe que las nanopartículas de relación de aspecto especialmente alta (HARN), como los CNN o las fibras de amianto, causan efectos peligrosos para la salud24. Un estudio reciente de Stefaniak et al.25 analizó filamentos con CIT y observó la emisión de partículas de polímeros respirables que contienen CIT visibles.
Las plumas 3D utilizan el mismo método FFF que las impresoras 3D, pero hasta ahora sólo se ha publicado un estudio que examina las plumas 3D26. Los autores utilizaron filamentos PLA y ABS, pero ninguno con aditivos fueron analizados. Debido a su uso de mano, las plumas 3D son aún más fáciles de usar que las impresoras 3D. Son más intuitivos, tienen un tamaño pequeño y no requieren el uso de modelos CAD. Las plumas 3D se pueden utilizar para dibujar o crear objetos, y además para reparar piezas impresas en 3D y otros artículos de plástico. Los precios comienzan desde tan solo 30 euros, diferentes formas y colores están disponibles para los grupos de edad más bajos. Pero, en particular, los niños son más vulnerables a las emisiones de partículas. Sus mecanismos de defensa pulmonar contra la contaminación de partículas y gases no están completamente evolucionados y están respirando un mayor volumen de aire por peso corporal27.
Para una mejor comprensión de la liberación y los riesgos para la salud de las emisiones de pluma 3D, investigamos diferentes filamentos que consisten en los materiales estándar PLA y ABS en diferentes colores. Además, se investigaron filamentos con aditivos de cobre, aluminio, acero y CNT y un filamento con efecto brillante en la oscuridad. Para obtener información completa sobre el proceso de impresión de plumas 3D y el análisis de emisiones de partículas se llevó a cabo mediante la medición en aerosol en línea de las concentraciones de número de partículas y distribuciones de tamaño, mediante el examen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para la morfología y la identificación de materiales y mediante espectrometría de masas plasmáticas acopladas inductivamente (ICP-MS) para la evaluación cuantitativa de metales de los filamentos.
El protocolo muestra un método rápido, económico y fácil de usar para analizar las emisiones de un lápiz de impresión 3D. Además de la comparación de PLA y ABS, se pueden investigar filamentos que contienen cantidades significativas de metales y CNC.
Los pasos críticos son la limpieza de la cámara para evitar la contaminación cruzada y para asegurarse de que la concentración de fondo es baja. Usamos un desecador como opción de cámara disponible, pero otras cámaras podrían ser utilizadas.
Las concentraciones de partículas y las distribuciones de tamaño de partícula se miden en línea durante y después del proceso de impresión. En este estudio, se registraron concentraciones de partículas que alcanzaron valores superiores a10 6 partículas/cm3, lo que podría ser preocupante. En particular, cuando se encontraron partículas de menos de 100 nm. Las mediciones de aerosoles permitieron mediciones de concentración de partículas con el CPC en el rango de tamaño de 4 nm a 3 m. Las mediciones SMPS solo permitían mediciones de distribución del tamaño de partícula entre 14,4 nm y 673,2 nm. Las partículas más pequeñas o más grandes podrían perderse en esas mediciones.
El método confirma la presencia de partículas en las emisiones de la pluma 3D mediante el análisis TEM fuera de línea. En el estudio se detectaron nanopartículas de los diferentes materiales termoplásticos, así como de partículas metálicas y CCT.
Para el análisis TEM, nos basamos en la sedimentación de las partículas a lo largo del tiempo, ya que otros métodos de muestreo no funcionaron, pero la mejora o modificación del muestreo podría ser útil. La concentración del aire ambiente fue muy baja e insignificante para las concentraciones de emisiones, pero el uso de filtros de entrada podría ser valioso. En el futuro, se utilizarán otros volúmenes de cámara para comparar el resultado con las emisiones de impresoras 3D. El protocolo se centró en la liberación de partículas, pero siguen existiendo preguntas abiertas, como por ejemplo, con respecto a la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV). Para las impresoras 3D ya se demostró que, además de las partículas, los COV se liberan9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. Se puede suponer que las plumas 3D pueden causar emisiones similares.
Las impresoras 3D se pueden iniciar y luego imprimir sin la presencia del usuario. Sin embargo, los bolígrafos de impresión 3D son dispositivos portátiles y se utilizan principalmente manualmente. Por lo tanto, el usuario permanece más cerca del dispositivo durante todo el proceso de impresión, lo que resulta en una exposición potencialmente mayor. Esto debe tenerse especialmente en cuenta, ya que las plumas 3D a menudo se anuncian por ser utilizables por los niños. En general, las emisiones de partículas de los procesos FFF 3D son comparables a las impresoras láser, en términos de concentraciones de número de partículas34. Por consiguiente, se deben tomar precauciones para reducir el nivel de exposición. Parece razonable aconsejar que los bolígrafos 3D se deben utilizar a bajas temperaturas de impresión y sólo en ambientes bien ventilados. Los filamentos con metal u otros aditivos deben utilizarse con cuidado, ya que es probable que se liberen nanopartículas o fibras metálicas potencialmente dañinas.
En el futuro, este protocolo se puede utilizar para comparar más filamentos y diferentes bolígrafos de impresión 3D para obtener una mejor comprensión de las emisiones de estos dispositivos y el posible riesgo para los consumidores. Además, este protocolo se puede utilizar para analizar otros casos de generación de aerosoles (por ejemplo, productos de pulverización).
The authors have nothing to disclose.
Gracias a Sebastian Malke y Nadine Dreiack por el apoyo de 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 |