3D-Druck - Bewertung der Partikelemissionen eines 3D-Druckstifts

3D-Drucker und -Stifte können Partikel und flüchtige Substanzen emittieren. Wir haben eine Methode entwickelt, um die Emissionen von 3D-Stiften zu analysieren. Unsere Methode ist einfach, einfach zu implementieren und kostengünstig einzurichten.

Es kann verwendet werden, um die Partikelemissionen in der Nähe der Atemzone des Benutzers zu charakterisieren. Diese Technik kann auch verwendet werden, um Aerosolemissionen aus anderen Quellen und Geräten wie Sprühprodukten oder Ablationsprozessen zu analysieren. Bevor Sie mit einem Experiment beginnen, wählen Sie einen 3D-Druckstift aus, der Temperaturen von mehr als 200 Grad Celsius erzeugen kann, und wählen Sie Filamente mit einem Durchmesser von 1,75 Millimetern aus, die für den 3D-Stift geeignet sind.

Reinigen Sie die Innenseite eines Trockenhauses, mit einem Einlass auf einer Seite zum Einlegen des 3D-Druckstifts und einem Auslass auf der Oberseite zum Einlegen des Probenahmerohrs. Stellen Sie sicher, dass ein Lufteinlass an der Verbindung zum 3D-Stift hergestellt ist. Der Auslassschlauch sollte 10 Zentimeter von der Spitze des 3D-Druckstifts entfernt sein, um den Abstand zwischen dem Kopf des Benutzers und der Emissionsquelle nachzuahmen.

10 Minuten vor Beginn der 3D-Pen-Aerosol-Emissionsmessung schalten Sie die Online-Messinstrumente CPC und SNPs ein und laden Sie den 3D-Stift mit dem Interessensfaden vor. Wenn der Stift abgekühlt ist, befestigen Sie einen HEPA-Filter am SMPS-Einlass und führen Sie eine saubere Kontrollmessung mit dem SMPS durch, um sicherzustellen, dass das SMPS nicht durch frühere Messungen kontaminiert ist. Schließen Sie den Kammerauslass an den CPC-Einlass an und verwenden Sie den CPC, um die Konzentration in der Kammer zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die Kammer sauber ist und die Experimente unter den gleichen Bedingungen laufen.

Um die 3D-Pen-Aerosolemissionen zu messen, legen Sie den vorinstallierten und abgekühlten 3D-Stift in die Kammer ein und stellen Sie sicher, dass der Auslassschlauch der Kammer mit dem CPC verbunden ist. Starten Sie den Computer, der mit dem CPC verbunden ist, und öffnen Sie eine neue Datei mit einem Namen, der für die durchzuführenden Messungen geeignet ist. Stellen Sie sicher, dass der CPC-Fluss auf 0,3 Liter pro Minute eingestellt ist, und messen Sie die Hintergrundkonzentration für 10 Minuten.

Schalten Sie am Ende der Messung den 3D-Stift ein und wählen Sie die entsprechende Temperatur für das geladene Filament aus. Wenn die Filamenttemperatur erreicht ist, starten Sie den Druckvorgang und lassen Sie den 3D-Stift 15 Minuten drucken. Schließen Sie am Ende der Druckperiode den Auslassschlauch an das SMPS an und erhalten Sie alle drei Minuten für die nächsten 30 Minuten Größenverteilungsmessungen.

Wenn alle Messungen erfasst sind, entfernen Sie das bedruckte Filament und reinigen Sie die Kammer. Um die Probenvorbereitung durch induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie zu quantifizieren, drucken Sie das Filament von Interesse auf eine Kunststoffoberfläche, um eine Kontamination mit Metall zu vermeiden, und verwenden Sie ein Keramikmesser, um das Filament in kleinere Stücke zu schneiden. Wiegen Sie ca. 150 Milligramm sowohl Masse als auch gedrucktes Filament ab und übertragen Sie die Filamentstücke in Mikrowellengefäße.

Fügen Sie 1,5 Milliliter Wasser, 3,5 Milliliter Salpetersäure und einen Milliliter Wasserstoffperoxid zu jeder Probe hinzu. Legen Sie die Gefäße in die Mikrowelle und erhitzen Sie die Proben auf 200 Grad Celsius, für 20 Minuten. Am Ende der Verdauung alle Filamentproben in Reinstwasser verdünnen, für das eine hohe Metallkonzentration bekannt ist oder vermutet wird, um eine Kontamination des Instruments zu vermeiden.

Verwenden Sie dann einen Vermessungscan, um zu bestimmen, welche Metalle sich in den Proben befinden, und quantifizieren Sie den Metallgehalt der spezifischen Metalle anhand der entsprechenden Kalibrierstandards. Wie beobachtet, werden beim Drucken höhere Mengen an ABS-Schwarzpartikeln freigesetzt als beim Drucken mit PLA-Schwarz. Die Erhöhung der Temperatur während des Drucks von PLA führt zu höheren Partikelzahlenkonzentrationen, ohne signifikante Auswirkungen auf den geometrischen Mittleren Durchmesser der Partikel.

Der Druck mit ABS führt zu hohen Partikelzahlenkonzentrationen und größeren Partikeln im Vergleich zum Drucken mit PLA. Wie erwartet wird ein deutlicher Unterschied im geometrischen Mittleren Durchmesser zwischen den Partikeln beobachtet, die beim Drucken mit ABS- und PLA-Filamenten emittiert werden. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt Partikelgrößen, meist rund 50 Nanometer, für PLA und fast durchgängig größere Partikel bis zu 100 Nanometer für ABS-Schwarz.

PLA-Kupferfilamente enthielten Kupfer, meist in kristalliner Form, sowie PLA-Partikel. In diesem Bild wird möglicherweise ein freigesetztes Kohlenstoff-Nanorohr aus einem PLA-Kohlenstoff-Nanoröhrenfilament beobachtet. Die Freisetzung kleiner Stahlpartikel während des Drucks mit einem PLA-Stahlfilament und eine mögliche Agglomeration von Silberaluminiumflocken beim Drucken mit PLA-Verbindung mit einer unglaublich hohen Silber-Aluminium-Flockenmenge kann ebenfalls beobachtet werden.

Eine weitere Analyse des Aerosols durch Online-Kopplung von ICPMS, kurz für induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie, kann die Klärung emittierter Methoden erleichtern. Unsere schnelle und kostengünstige Methode kann auch verwendet werden, um Partikelemissionen in anderen Bereichen zu identifizieren, die von Aerosolcharakterisierungen profitieren könnten.