Impressão 3D - Avaliando emissões de partículas de uma caneta de impressão 3D

Este protocolo apresenta um método para analisar a emissão de canetas de impressão 3D. A concentração de partículas e a distribuição do tamanho das partículas liberadas são medidas. As partículas liberadas são ainda analisadas com microscopia eletrônica de transmissão (TEM). O teor metálico em filamentos é quantificado por espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplada (ICP-MS).

Impressoras e canetas 3D podem emitir partículas e substâncias voláteis. Desenvolvemos um método para analisar as emissões de canetas 3D. Nosso método é simples, fácil de implementar e econômico de configurar.

Pode ser usado para caracterizar as emissões de partículas perto da zona respiratória do usuário. Essa técnica também pode ser usada para analisar emissões de aerossol de outras fontes e dispositivos como produtos de pulverização ou processos de ablação. Antes de iniciar um experimento, selecione uma caneta de impressão 3D capaz de gerar temperaturas superiores a 200 graus Celsius e selecione filamentos com diâmetro de 1,75 milímetros, adequado para a caneta 3D.

Limpe o interior de um dessecador, com uma entrada de um lado para inserir a caneta de impressão 3D e uma saída na parte superior para inserir o tubo de amostragem. Certifique-se de que uma entrada de ar na conexão com a caneta 3D esteja estabelecida. A tubulação de saída deve estar a 10 centímetros da ponta da caneta de impressão 3D para imitar a distância entre a cabeça do usuário e a fonte de emissão.

10 minutos antes de iniciar a medição de emissão de aerossol de caneta 3D, ligue os instrumentos de medição on-line CPC e SNPs e pré-carregue a caneta 3D com o filamento de juros. Quando a caneta tiver esfriado, conecte um filtro HEPA à entrada SMPS e execute uma medição de verificação limpa com o SMPS para garantir que o SMPS não esteja contaminado das medidas anteriores. Conecte a saída da câmara à entrada do CPC e use o CPC para verificar a concentração dentro da câmara para garantir que a câmara esteja limpa e que os experimentos estejam funcionando sob as mesmas condições.

Para medir as emissões de aerossol de caneta 3D, insira a caneta 3D pré-carregada e resfriada na câmara e certifique-se de que a tubulação de saída da câmara esteja conectada ao CPC. Inicie o computador conectado ao CPC e abra um novo arquivo, com um nome adequado para as medições a serem tomadas. Certifique-se de que o fluxo CPC está definido para 0,3 litros por minuto e meça a concentração de fundo por 10 minutos.

No final da medição, ligue a caneta 3D e selecione a temperatura apropriada para o filamento carregado. Quando a temperatura do filamento for atingida, inicie o processo de impressão e deixe a caneta 3D imprimir por 15 minutos. Ao final do período de impressão, conecte a tubulação de saída ao SMPS e obtenha medições de distribuição de tamanho a cada três minutos, pelos próximos 30 minutos.

Quando todas as medidas tiverem sido adquiridas, remova o filamento impresso e limpe a câmara. Para quantificar a preparação da amostra por espectrometria de massa plasmática indutivamente acoplada, imprima o filamento de interesse em uma superfície plástica para evitar contaminação com metal e use uma faca de cerâmica para cortar o filamento em pedaços menores. Pese aproximadamente 150 miligramas de filamento a granel e impresso e transfira os pedaços de filamento em vasos de micro-ondas.

Adicione 1,5 mililitros de água, 3,5 mililitros de ácido nítrico e um mililitro de peróxido de hidrogênio a cada amostra. Coloque os vasos no micro-ondas e aqueça as amostras a 200 graus Celsius, por 20 minutos. No final da digestão, diluir todas as amostras de filamentos em água ultrauso, para a qual se sabe ou se suspeita uma alta concentração metálica, para evitar a contaminação do instrumento.

Em seguida, use uma varredura de pesquisa para determinar quais metais estão nas amostras e quantificar o conteúdo metálico dos metais específicos usando os padrões de calibração apropriados. Como observado, um número maior de partículas pretas ABS são liberadas durante a impressão em comparação com a impressão com PLA preto. O aumento da temperatura durante a impressão de PLA resulta em concentrações mais altas de número de partículas, sem efeito significativo sobre o diâmetro médio geométrico das partículas.

A impressão com ABS resulta em altas concentrações de número de partículas e partículas maiores em comparação com a impressão com PLA. Como esperado, observa-se uma clara tendência de diferença no diâmetro da média geométrica entre as partículas emitidas durante a impressão com filamentos ABS e PLA. A imagem de microscopia eletrônica de transmissão mostra tamanhos de partículas, em sua maioria em torno de 50 nanômetros, para PLA e partículas quase consistentemente maiores até 100 nanômetros, para o preto ABS.

Filamentos de cobre PLA continham cobre, principalmente em forma cristalina, bem como partículas PLA. Nesta imagem, um nanotubo de carbono liberado de um filamento de nanotubo de carbono PLA é possivelmente observado. A liberação de pequenas partículas de aço durante a impressão com um filamento de aço PLA e uma possível aglomeração de flocos de alumínio prateado durante a impressão com composto PLA com uma quantidade incrivelmente alta de flocos de alumínio prateado também pode ser observada.

Uma análise mais aprofundada do aerossol pelo acoplamento on-line do ICPMS, abreviatura de espectrometria de massa plasmática indutivamente acoplada, pode facilitar o esclarecimento dos métodos emitidos. Nosso método rápido e econômico também pode ser usado para identificar emissões de partículas em outras áreas que poderiam se beneficiar de caracterizações aerossóis.