Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

الطباعة ثلاثية الأبعاد - تقييم انبعاثات الجسيمات من قلم الطباعة ثلاثية الأبعاد

Published: October 9, 2020 doi: 10.3791/61829
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 1, 1
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

يقدم هذا البروتوكول طريقة لتحليل انبعاث أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد. يتم قياس تركيز الجسيمات وتوزيع حجم الجسيمات من الجسيمات المفرج عنها. يتم تحليل الجزيئات المنبعثة بشكل أكبر باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM). يتم تحديد كمية المحتوى المعدني في خيوط بواسطة قياس الطيف الكتلي البلازما مقرونة بشكل حثائي (ICP-MS).

Abstract

ثلاثي الأبعاد (3D) الطباعة كنوع من التصنيع المضافة يظهر استمرار الزيادة في التطبيق وشعبية المستهلك. إن تصنيع خيوط تنصهر (FFF) هو طريقة غير مكلفة تستخدم في معظم الأحيان من قبل المستهلكين. وقد أظهرت الدراسات مع الطابعات 3D أنه خلال عملية الطباعة يتم الإفراج عن الجسيمات والمواد المتطايرة. تستخدم أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد المحمولة أيضًا طريقة FFF ولكن القرب من المستهلك من الأقلام ثلاثية الأبعاد يعطي سببًا للتعرض العالي مقارنة بطابعة ثلاثية الأبعاد. وفي الوقت نفسه، غالبا ما يتم تسويق أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد للأطفال الذين يمكن أن يكونوا أكثر حساسية لانبعاثات الطباعة. وكان الهدف من هذه الدراسة هو تنفيذ طريقة منخفضة التكلفة لتحليل انبعاثات أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد. تم اختبار خيوط البولي لاكريد (PLA) والأكريلونيتريل بوتادين (ABS) خيوط من ألوان مختلفة. وبالإضافة إلى ذلك، تم تحليل خيوط تحتوي على الأنابيب النانوية المعدنية والكربونية (CNTs). واستخدمت غرفة 18.5 لتر وأخذ عينات قريبة من مصدر الانبعاثات لتوصيف الانبعاثات والتركيزات بالقرب من منطقة تنفس المستخدم.

وتم قياس انبعاثات الجسيمات وتوزيعات حجم الجسيمات، وتم التحقيق في الإطلاقات المحتملة للجسيمات المعدنية وCNTs. تم العثور على تركيزات عدد الجسيمات في مجموعة من 105 - 106 جسيمات /سم3، وهو مشابه للتقارير السابقة من الطابعات ثلاثية الأبعاد. أظهر تحليل المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) جسيمات نانوية للمواد الحرارية المختلفة وكذلك من الجسيمات المعدنية وCNTs. وقد لوحظت محتويات عالية من المعدن بواسطة قياس الطيف الكتلي الكتلي البلازما مقرونة بشكل حثائي (ICP-MS).

وتدعو هذه النتائج إلى توخي الحذر في استخدام الأقلام ثلاثية الأبعاد بسبب المخاطر المحتملة على المستهلكين.

Introduction

الطباعة ثلاثية الأبعاد هي طريقة تصنيع مضافة واعدة ، والتي إلى جانب تطبيقاتها الصناعية تستخدم أيضًا في المنازل والمدارس وما يسمى بمساحات صانع. ويمكن الآن 3D الطابعات التي يمكن شراؤها بدءا من 200 €، مما يجعلها جذابة للمستهلكين. ويمكن استخدام هذه الطابعات لإنتاج قطع الغيار، والأدوات المنزلية، والهدايا أو غيرها من الأشياء. يمكن للأطفال حتى جعل اللعب الخاصة بهم باستخدام طابعات 3D. نظرا لسهولة التعامل مع وانخفاض الأسعار ، والطابعات على أساس تصنيع خيوط تنصهر (FFF) هي النوع الأكثر انتشارا في قطاع هواية1. في هذه الطريقة الطباعة مادة بالحرارة، ودعا خيوط، هو ذاب، دفعت من خلال فوهة وتطبيق طبقة باستخدام رأس الطباعة المنقولة حتى يتم الانتهاء من الكائن ثلاثي الأبعاد. الرقمية بمساعدة الكمبيوتر تصميم (CAD) نماذج اللازمة للطباعة FFF متاحة بحرية على الانترنت أو يمكن تصميمها في العديد من برامج الرسم CAD مختلفة.

وقد أظهرت الدراسات الأولية أنه خلال عملية طباعة خيوط، الجسيمات فائقة الدقة2،3،4، 5،6،7،8 والمواد المتطايرة9،10، 11،12،13،14،15،16،17،18 يتم إطلاقها. يمكن أن تخترق الجسيمات الترافين أعمق في الجهاز التنفسي، وقد يكون من الصعب مسح من الجسم19. في دراسة مع الموظفين بانتظام باستخدام الطابعات 3D 59٪ وقد أبلغت أعراض الجهاز التنفسي20. معظم الطابعات الهواة ليست مغلقة بشكل محكم وليس لديها أجهزة استخراج الدخان العادم. ولذلك فإن الانبعاثات تُطلق مباشرة في الهواء المحيط ويمكن أن تشكل خطراً على المستخدم عند الاستنشاق.

وقد ركزت الدراسات السابقة على انبعاثات من خيوط الأكثر شيوعاً polylactide (جيش التحرير الشعبي) والأكريلونيتريل بوتاديين الستايرين (ABS). وقد حللت بعض الدراسات خيوط مختلفة، مثل النايلون والبوليستيرين عالية التأثير (HIPS)4،10،13. وعلاوة على ذلك، فإن خيوطا جديدة، التي تزود بالمواد المضافة مثل المعادن أو الخشب، يتم إطلاقها باستمرار في السوق. هذه الخيوط تمكن المستهلك من طباعة الأشياء التي تبدو وتشعر مثل الخشب الطبيعي أو المعدن. خيوط أخرى تسمح بطباعة مواد موصلة تحتوي على الجرافين أو الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)21. جسيمات نانويةمعدنية 22 وCNTs تظهر الآثار السامة للخلايا وتسبب الضرر الحمض النووي23. حتى الآن، لم تجر سوى القليل من البحوث بشأن خيوط تحتوي على المواد المضافة. فلويد وآخرون13 تحليل جيش التحرير الشعبي تكمل مع البرونز; ستابل وآخرون3 التحقيق PLA المخلوطة مع النحاس والخشب والخيزران وخيوط مع ألياف الكربون. كلّ دراسات قاس جزيء تركيز وحجم توزيع مهما التشكل وتركيبة من ال يفرج جسيمات كان أبعد تحري. ومن المعروف أن نسبة الارتفاع بشكل خاص الجسيمات النانوية (HARN) مثل CNTs أو ألياف الأسبستوس تسبب تأثيرات صحية خطرة24. وقد قامت دراسة حديثة أجراها ستيفانياك وآخرون25 بتحليل خيوط مع وحدات البوليتانات والانبعاثات الملاحظة لجسيمات البوليمر القابلة للتنفس التي تحتوي على مركبات كيميائية ناكرة للتنفس.

3D الأقلام استخدام نفس الأسلوب FFF كما 3D الطابعات، ولكن حتى الآن فقط دراسة واحدة فحص 3D الأقلام وقد نشرت26. استخدم المؤلفون خيوط جيش التحرير الشعبي وABS ، ولكن لم يتم تحليل أي منها مع إضافات. بسبب استخدامها المحمولة، الأقلام 3D حتى أسهل للاستخدام من الطابعات 3D. فهي أكثر بديهية، لديها حجم صغير ولا تتطلب استخدام نماذج CAD. يمكن استخدام الأقلام ثلاثية الأبعاد لرسم أو إنشاء كائنات ، وعلاوة على ذلك لإصلاح الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد وغيرها من العناصر البلاستيكية. تبدأ الأسعار من 30 €، وأشكال وألوان مختلفة متاحة لاستهداف الفئات العمرية الأقل. ولكن الأطفال أكثر عرضة بشكل خاص لانبعاثات الجسيمات. لم تتطور آليات دفاع الرئة ضد الجسيمات والتلوث الغازي بشكل كامل وهم يتنفسون كمية أعلى من الهواء لكل وزن الجسم27.

من أجل فهم أفضل للإطلاق والمخاطر الصحية لانبعاثات القلم 3D، قمنا بالتحقيق خيوط مختلفة تتكون من المواد القياسية جيش التحرير الشعبى الصينى و ABS في ألوان مختلفة. وعلاوة على ذلك، تم التحقيق خيوط مع النحاس والألومنيوم والصلب والإضافات CNT وخيوط مع تأثير توهج في الظلام. للحصول على رؤى شاملة في عملية طباعة القلم ثلاثي الأبعاد وتحليل انبعاثات الجسيمات تم إجراؤها عن طريق قياس الهباء الجوي عبر الإنترنت لتركيزات عدد الجسيمات وتوزيعات الحجم ، عن طريق فحص المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) لتحديد المورفولوجيا والمواد وعن طريق قياس الطيف الكتلي الكتلي بلازما مقرونة بشكل حثائي (ICP-MS) للتقييم المعدني الكمي للخيوط.

Protocol

1- متطلبات البروتوكول

  1. شراء قلم طباعة ثلاثي الأبعاد قادر على توليد درجات الحرارة > 200 درجة مئوية(الشكل 1)لتكون قادرة على طباعة خيوط مع ارتفاع درجة حرارة الطباعة (على سبيل المثال، ABS أو خيوط مع إضافات) لمقارنة خيوط مختلفة. الأقلام 3D مختلفة متاحة على الانترنت.
  2. خيوط الشراء التي يبلغ قطرها 1.75 مم، وهي مناسبة للقلم ثلاثي الأبعاد. تتوفر مجموعة متنوعة من خيوط PLA و ABS القياسية بالإضافة إلى خيوط مع إضافات على الإنترنت على مواقع مختلفة.
  3. لإعداد سهلة، واستخدام مجفف (18.5 لتر) كغرفة الانبعاثات.
    1. تأكد من أن الغرفة نظيفة. اختر مجففاً مع مدخل على جانب واحد لتتمكن من إدخال قلم الطباعة ثلاثي الأبعاد ومأخذ في الأعلى لإدراج أنبوب أخذ العينات.
    2. تأكد من أن يتم تأسيس مدخل هواء في الاتصال بالقلم ثلاثي الأبعاد. وسوف تستخدم الهواء المحيط كخلفية. يجب أن يكون أنبوب المنفذ على بعد 10 سم من طرف قلم الطباعة ثلاثي الأبعاد لمحاكاة المسافة بين رأس المستخدم ومصدر الانبعاثات.
    3. استخدام أنابيب موصلة لتقليل فقدان الجسيمات. يجب أن يكون طول الأنبوب قصيرًا قدر الإمكان وخالٍ من الانحناءات.
  4. استخدام مضادة الجسيمات التكثيف (CPC) ومسح الحركة الجسيمات Sizer (SMPS) أو غيرها من أجهزة تتبع الجسيمات لقياس على الانترنت من تركيز الجسيمات وتوزيع حجم الجسيمات(الشكل 2).
  5. استخدام الميكروويف والمواد الكيميائية المعنية لهضم عينات خيوط.
  6. استخدام ICP-MS أو أداة تحليل متعددة العناصر أخرى لتحديد المحتوى المعدني في العينات.
  7. استخدام المجهر الإلكتروني لتوصيف مورفولوجيا الجسيمات.

2. قياسات الهباء الجوي من انبعاثات القلم 3D

  1. التحضير قبل التجربة
    1. قم بتشغيل أدوات القياس عبر الإنترنت الخاصة بها (SMPS، CPC). يوجد زر في الجزء الخلفي من الجهاز. الاحماء الصكوك لحوالي 10 دقيقة.
    2. قبل تحميل القلم 3D مع خيوط المختارة (تبدأ مع جيش التحرير الشعبى الصينى كمادة الأكثر استخداما) والسماح للبرص يبرد.
    3. قم بتوصيل فلتر HEPA بمدخل SMPS وقم بتشغيل قياس فحص نظيف مع SMPS لضمان عدم تلوث SMPS من القياسات السابقة. لا تقيس أي جسيمات إذا لم يكن SMPS نظيفًا.
    4. قم بتوصيل منفذ الغرفة بمدخل CPC. تحقق من التركيز داخل الغرفة مع تكلفة النقرة لضمان أن الغرفة نظيفة (<3 3 جسيمات /م3)والتجارب تعمل في ظل نفس الظروف. بدء القياس.
  2. إجراء تجريبي
    1. أدخل القلم ثلاثي الأبعاد الذي تم تحميله مسبقًا وبرده في الغرفة.
    2. تأكد من توصيل أنبوب مخرج الغرفة إلى CPC.
    3. بدء تشغيل الكمبيوتر المتصلة CPC. افتح ملفًا جديدًا مع اسم مناسب للقياسات. تأكد من تعيين إعداد تدفق تكلفة النقرة إلى 0.3 لتر/دقيقة وتعيين وقت أخذ العينات على 90 دقيقة على الأقل. ابدأ قياس تكلفة النقرة لقياس تركيز الخلفية لمدة 10 دقائق.
      ملاحظة: إعدادات التدفق من 0.3 لتر / دقيقة وحجم الغرفة من 18.5 لتر سيؤدي إلى سعر صرف الهواء (ACH) من 1.0 ح-1.
    4. بعد 10 دقائق، قم بتشغيل القلم ثلاثي الأبعاد. حدد درجة الحرارة اللازمة للخيوط المختارة.
    5. بعد الوصول إلى درجة الحرارة اللازمة، بدء عملية الطباعة. اسمحوا 3D القلم طباعة لمدة 15 دقيقة.
      ملاحظة: لا يوجد كائن ولكن سلسلة متصلة سيتم طباعة وتجميعها في الأسفل.
    6. بعد 15 دقيقة، أوقف القلم ثلاثي الأبعاد، وقم بتوصيل أنابيب المنفذ بـ SMPS وابدأ قياسات توزيع الحجم كل 3 دقائق للساعة الواحدة التالية.
    7. بعد الانتهاء من التجربة إزالة خيوط المطبوعة وتنظيف الغرفة.
    8. كرر كل قياس ثلاث مرات.

3. مورفولوجيا الجسيمات باستخدام TEM

  1. لضمان أن الإشارات المقاسة تنشأ من الجسيمات المنبعثة وليس من جزيئات بخار استخدام المجهر الإرسال الإلكتروني (TEM) لتحليل الهباء الجوي.
  2. إعداد شبكة TEM
    1. استخدام 400 شبكة 3.5 شبكات النحاس ملم.
    2. معطف الشبكات مع كولوديون. دع الشبكات تجف بين عشية وضحاها واحفظها في غرفة جفاف حتى الاستخدام. بدلا من ذلك ، استخدم شبكات مُكَرَف (على سبيل المثال ، SF162-4 Formvar-Film على شبكة 400 Cu-net).
    3. في يوم التجربة، يجب أن تكون الشبكات هيدروفيليد مع 2٪ الأزرق التشيان في 0.3٪ محلول حمض الخليك.
    4. Pipette 30 ميكرولتر من الحل الأزرق Alcian المعدة على سطح، على سبيل المثال قطعة من البارا فيلم. اسمحوا الشبكات تطفو على قطرات الأزرق Alcian لمدة 5 إلى 10 دقائق وتجفيفها باستخدام ورقة مرشح.
  3. ضع شبكات TEM المعدة داخل الغرفة أثناء عملية الطباعة واتركها في مكانها بعد ذلك لمدة 5 ساعات للسماح بترسب الجسيمات.
    ملاحظة: لتسهيل التعامل مع الشبكات، ضع الشبكات على منصة مغلفة بالبارا فيلم.
  4. 10- فحص ما لا يقل عن أربعة مناطق مختلفة من كل شبكة باستخدام TEM واستخدام أنماط الحيود من الموارد المنشورة لتحديد تكوين المواد.

4. كمية من المحتوى المعدني قبل وبعد الطباعة باستخدام ICP-MS

  1. إعداد العينة
    1. طباعة خيوط على سطح بلاستيكي لتجنب التلوث بالمعادن.
    2. تزن حوالي 150 ملغ من خيوط السائبة والخيوط المطبوعة. لتجنب التلوث مع المعدن، استخدم سكين السيراميك لقطع قطع أصغر.
  2. هضم الميكروويف
    1. نقل خيوط مرجحة إلى أوعية الميكروويف.
    2. إضافة 1.5 مل من الماء (على سبيل المثال، ميليك)، 3.5 مل من حمض النيتريك و 1 مل من بيروكسيد الهيدروجين لكل عينة.
      تنبيه: إضافة الماء أولا ثم حمض!
    3. ضع الأوعية في الميكروويف وابدأ الهضم. يُسخّن حتى 200 درجة مئوية ويُمسك لمدة 20 دقيقة.
  3. تحديد تركيز المعادن مع ICP-MS
    1. تخفيف جميع عينات خيوط حيث هو معروف تركيز معدني عال أو يشتبه في تجنب تلوث ICP-MS.
    2. استخدم مسح لتحديد المعادن الموجودة في العينات.
    3. كمي المحتوى المعدني للمعادن المحددة باستخدام معايير المعايرة المناسبة.

Representative Results

تركيز عدد الجسيمات
تم قياس أعلى ذروة تركيز الجسيمات من أجل جيش التحرير الشعبي والنحاس مع 4.8 × 106 # / سم3 وأدنى لـ PLA-black مع 4.3 × 105 # / سم3. بشكل عام، لوحظ ارتفاع الانبعاثات للحصول على ABS > 106 6 # / سم3 مقارنة بجيش التحرير الشعبى الصينى. ومع ذلك، أدت بعض خيوط جيش التحرير الشعبي إلى تركيزات جسيمات فوق 106 6 #/cm3 (PLA-White و PLA-Blue). قد تكون تركيزات الجسيمات المختلفة مرتبطة باستخدام المواد المضافة. وقد ذكر تشانغ وآخرون28 أن الجسيمات قد تتشكل من بعض المواد المضافة مثل الأصباغ، ولكن ليس من المواد السائبة. وبالتالي، فإن استخدام أصباغ مختلفة للألوان المختلفة قد يؤثر على عدد الجزيئات التي يتم إطلاقها.

في الشكل 3 أمثلة على زيادة انبعاثات الجسيمات أثناء عملية الطباعة يتم عرضها لـ PLA-Black و ABS-black. النتائج هي في الاتفاق مع الدراسات السابقة الطابعة 3D، وتبين تركيزات الجسيمات من 105-106 # / سم3 والقيم العليا لABS مقارنة مع جيش التحرير الشعبى الصينى12،13. 13 من طراز Floyd etal. قياس ذروة التركيز 3.5 x 106 # / سم3 للحصول على المنافع العامة و 1.1 × 106 # / سم3 لجيش التحرير الشعبى الصينى. ومن المهم أن نذكر، أن ABS تطبع عموما في درجات حرارة أعلى مقارنة جيش التحرير الشعبي. لتحليل تأثير درجة حرارة الطباعة على إطلاق الجسيمات، أجريت تجارب باستخدام PLA-Black عند 210 درجة مئوية (وضع قياسي لـ ABS). تمت مقارنة النتائج بوضع معيار 200 درجة مئوية لجيش التحرير الشعبي. مع ارتفاع درجة الحرارة الإعداد، وزيادة تركيز الجسيمات تقريبا ترتيب واحد من حجم. وارتفع متوسط التركيز أثناء الطباعة مع جيش التحرير الشعبي الأسود من 2.6 × 105 # / سم3 عند 200 درجة مئوية إلى 1.3 × 106 # / سم3 عند 210 درجة مئوية. وقد لوحظ بالفعل ارتفاع الانبعاثات الناجمة عن ارتفاع درجة حرارة الطباعة في الدراسات السابقة مع الطابعات 3D3.

توزيع حجم الجسيمات في انبعاثات خيوط مختلفة
ويبين الشكل 4 توزيعات حجم الجسيمات لجيش التحرير الشعبي عند 200 و 210 درجة مئوية وABS عند 210 درجة مئوية. نتج عن طباعة ABS تركيز جسيمات أعلى وجزيئات أكبر مقارنة بجيش التحرير الشعبي. نتج عن زيادة درجة الحرارة أثناء الطباعة من جيش التحرير الشعبي في تركيزات أعلى عدد الجسيمات ولكن لم يكن لها تأثير كبير على قطر المتوسط الهندسي (GMD). وهذا يتفق مع دراسة سابقة28.

ويبين الشكل 5 نظام الـ GMD استناداً إلى عدد الخيوط المقاسة. كان هناك اتجاه واضح في الاختلاف لوحظ بين الجسيمات المنبعثة أثناء الطباعة مع خيوط ABS أو PLA. وكان العينات ABS أكبر GMD تتراوح بين 203.9 نانومتر لAB-الخضراء و 262.1 نانومتر لAB-blue. ABS-الأخضر مصنوع من قبل مصنع مختلف عن خيوط ABS الأخرى؛ هذا يمكن أن يكون السبب في حجم جسيم مختلف قليلا. خيوط جيش التحرير الشعبى الصينى تنبعث من جزيئات أصغر مع GMDs < 100 نانومتر (63.8 نانومتر لجيش التحرير الشعبى الصينى واضحة تصل إلى 88.3 نانومتر جيش التحرير الشعبى الصينى الأزرق). وبالنسبة للخيوط الأخرى ذات الإضافات، تراوحت الخيوط المعدلة وراثياً من 73.1 نانومتر لـ PLA-Steel إلى 183.9 نانومتر بالنسبة للنحاس PLA.9. ويتضح من قابلية تكرار القياسات من الانحرافات المعيارية النسبية المنخفضة (RSD) لقياسات حجم الجسيمات. وكان النطاق في الغالب بين 0.96 و 5.58٪. فقط في حالة جيش التحرير الشعبي مع الصلب (10.55٪) وSPL مع CNTs (18.52٪) لوحظت مدى أعلى. ومع ذلك، يمكن أن يكون هذا بسبب عدم الاتّهان في الخيوط. المنتجات ذات الإضافات هي خليط من اللدائن الحرارية (على سبيل المثال، في هذه الحالة جيش التحرير الشعبي) والمعادن أو غيرها من الجسيمات الصغيرة. قد لا تكون الجسيمات موزعة بالتساوي ويمكن أن تسبب بالتالي انحرافا معياريا أعلى. تراوحت الانحرافات المعيارية الهندسية بين 1.6 و 1.9، مما يشير إلى توزيع مشروط واحد في نطاق الجسيمات الدقيقة والوافية، كما لوحظ في الدراسات السابقة للطابعات ثلاثية الأبعاد13.

وتظهر النتائج وجود فرق كبير في انبعاثات الجسيمات بين خيوط جيش التحرير الشعبي و ABS؛ وهذا لم يكن واضحا بعد من المنشورات السابقة كما في كثير من الأحيان فقط واحد أو اثنين من خيوط قد تم تحليل29. بعض المؤلفين وصف الجسيمات أكبر لAB5،12، وبعض أكبر منها لجيش التحرير الشعبى الصينى2،9. في دراسات أخرى، لم يلاحظ أي اختلاف في الحجم على الإطلاق4،13. استعرض Byrley etal. 29 13 منشورًا ووصفوا متوسط أقطار الجسيمات التي تتراوح بين 14.0 نانومتر و108.1 نانومتر لجيش التحرير الشعبي ومن 10.5 نانومتر إلى 88.5 نانومتر للحصول على ABS. الفرق في أحجام الجسيمات يمكن أن يكون بسبب القياسات في نقاط زمنية مختلفة. بعض يقاس في أعلى تركيز12,13 وبعض أفاد أحجام لعملية الطباعة بأكملها5,9. الدراسة الوحيدة للأقلام 3D المتاحة حتى الآن تقارير الجسيمات تصل إلى 60.4 نانومتر لجيش التحرير الشعبي وما يصل إلى 173.8 نانومتر لAB26، وهو ما يشبه النتائج هنا.

يمثل قياس توزيع الحجم لقطة لحظة واحدة فقط. من أجل مراقبة تقلب الوقت فيما يتعلق بحجم الهباء الجوي المنبعث تم قياس توزيع حجم الجسيمات لخيوط PLA-Black 10 مرات كل 3 دقائق بعد إيقاف الطباعة (الشكل 6A). وتبين القياسات زيادة في معدل الخفض(الشكل 6B)وانخفاض في تركيز الجسيمات(الشكل 6C)مع كل عملية قياس متتالية. ويمكن أن تعزى الزيادة في حجم الجسيمات إلى التكتل، وهو ما يفسر أيضاً انخفاض تركيز الجسيمات. ومن المثير للاهتمام، لم يلاحظ هذا الحدوث لزيادة حجم الجسيمات وانخفاض التركيز فقط بعد توقف الطباعة، ولكن أيضا أثناء عمليات الطباعة. وهذا يدل على أن وقت القياس هو عامل مهم.

كمية المحتوى المعدني قبل وبعد الطباعة باستخدام ICP-MS
ولم تكشف مقارنة بين الخيوط التي تحتوي على إضافات معدنية قبل وبعد عملية الطباعة عن أي اختلاف فيما يتعلق بمحتوياتها المعدنية. وتشير نسبة المعادن إلى البوليمرات التي لم تتغير إلى أن الجزيئات التي تم إطلاقها ليست بوليمرات فقط، لأن هذا من شأنه أن يؤدي إلى زيادة تركيز المعادن في المواد المطبوعة بسبب فقدان البوليمر. يمكن أن جسيمات نانوية معدنية الافراج يعني مخاطر صحية أعلى للمستخدم22. بشكل عام ، ينبغي ملاحظة الكمية العالية من المعدن في الخيوط المتقدمة. المعادن قد تسبب آثار صحية ضارة وخاصة إطلاق الجسيمات النانوية يتطلب احتياطات السلامة في سيناريوهات الحياة اليومية30.

بالنسبة لخيوط النحاس في جيش التحرير الشعبي قمنا بقياس نسبة وزن 70 للنحاس. بالنسبة لخيوط الصلب قمنا بقياس نسب الوزن من 30٪ Fe و 8٪ Cr و 6٪ Ni في خيوط. غالبا ما لا يتم الإعلان عن التركيب الدقيق للخيوط ، وبالتالي فإن المخاطر المحتملة غير معروفة للمستخدم. قد يكون للتعرض للنيكل آثار ضارة على صحة الإنسان ويمكن أن يسبب الحساسية الجلدية، تليف الرئة، وأمراض القلب والأوعية الدموية والكلى. العنصر يشتبه الإنسان المسرطنة31.

وإلى جانب خيوط معدنية، تم تحليل جيش التحرير الشعبى الصينى واضحة قبل وبعد الطباعة. هنا، تم قياس زيادة Cu، Zn، Fe، Cr و Ni بعد عملية الطباعة. هذا يمكن أن يكون بسبب مواد أخرى بعد أن تم استخراجها من خلال القلم 3D قبل، مما أدى إلى تأثير الذاكرة. وتكررت القياسات مع القلم 3D شراؤها حديثا وهنا لا يمكن ملاحظة أي زيادة كبيرة (الشكل 7).

مورفولوجيا الجسيمات باستخدام TEM
وأكدت صور TEM وجود الجسيمات والتحقق من الفرق في حجم الجسيمات بين ABS وSPL، تقاس مع SMPS. وأظهرت صور TEM أحجام الجسيمات في الغالب حول 50 نانومتر لجيش التحرير الشعبى الصينى (الشكل 8A). أظهر ABS أسود تقريبا باستمرار أكبر الجسيمات تصل إلى 100 نانومتر (الشكل 8B). ويمكن تأكيد الفرق بين أحجام الجسيمات بين جيش التحرير الشعبي وABS، كما رأينا مع SMPS. ومع ذلك، تم قياس الأحجام الأصغر بواسطة TEM. ويمكن أن تكون الأحجام الأصغر بسبب قياس الجسيمات الصغيرة التي تقيس تجمعات الجسيمات، كما هو موضح سابقاً، وصور TEM التي تظهر جزيئات غير متكتنة.

PLA-النحاس خيوط الواردة النحاس وكذلك جزيئات جيش التحرير الشعبي (الشكل 8C). وكان النحاس في الغالب في شكل بلوري مع أحجام حول 150 نانومتر. وهذا يناسب قياس SMPS من خيوط النحاس، مما أدى إلى متوسط GMD من 178 نانومتر (الشكل 5). الشكل 8D ربما يصور CNT صدر من خيوط جيش التحرير الشعبى الصينى CNT. وعلاوة على ذلك، لوحظ إطلاق جزيئات الصلب الصغيرة أثناء الطباعة مع خيوط فولاذية جيش التحرير الشعبي (الشكل 8E). وقد وصفت خيوط الألومنيوم بأنها "مجمع جيش التحرير الشعبي - مع كمية عالية بشكل لا يصدق من الفضة الألومنيوم رقائق وأضاف"32. ويبين الشكل 8F إمكانية تجمع تلك الرقائق حيث أن الحجم أكبر بكثير مقارنة بـ GMD مقاسه 124 نانومتر باستخدام SMPS.

Figure 1
الشكل 1: صورة أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد والبناء التخطيطي لقلم الطباعة ثلاثي الأبعاد. قلم الطباعة ثلاثي الأبعاد يسخن الخيط إلى درجة الحرارة المختارة وينقذ بالبلاستيك الحراري المذاب. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: الإعداد التجريبي لقياس الهباء الجوي عبر الإنترنت. يتم قياس تركيز الجسيمات مع CPC وتوزيع حجم الجسيمات مع SMPS. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: قياس تركيزات الجسيمات من نوع CPC. وتبين القياسات زيادة بعد بدء الطباعة وتركيزات أعلى لABS مقارنة بجيش التحرير الشعبي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: توزيع حجم الجسيمات مقاساً مع SMPS مع الانحراف المعياري (n =3). ينتج عن طباعة جيش التحرير الشعبى الصينى في جسيمات أصغر مقارنة بـ ABS. تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة التركيز ولكنها لا تظهر أي تأثير كبير على حجم الجسيمات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: متوسط قطر هندسي متوسط مع الانحراف المعياري (n = 3) لجميع خيوط تحليلها. أدت الطباعة مع جيش التحرير الشعبى الصينى إلى جسيمات أصغر مقارنة بـ ABS. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: توزيع حجم الجسيمات الذي تم قياسه بعد توقف الطباعة. (أ)توزيع حجم الجسيمات يقاس كل 3 دقائق على مدى 30 دقيقة بعد عملية الطباعة مع جيش التحرير الشعبي الأسود. (ب) زيادة في المعدل المعدل وراثياً. (C) انخفاض في التركيز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: المحتوى المعدني في خيوط هضم تقاس مع ICP-MS. زيادة المحتوى المعدني في خيوط جيش التحرير الشعبي واضحة بعد عملية الطباعة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: TEM-صور العينات من عملية الطباعة: (A) خيوط جيش التحرير الشعبي الأسود مما أدى إلى جزيئات جيش التحرير الشعبي حوالي 50 نانومتر. (B) ABS-خيوط سوداء مما أدى إلى جزيئات ABS تصل إلى 100 نانومتر. (ج)جيش التحرير الشعبى الصينى النحاسى الناتج عن بلورات النحاس (120-150 نانومتر) بالإضافة إلى جيش التحرير الشعبى الصينى. (D) PLA-CNT خيوط مما أدى إلى إطلاق CNT. (E) خيوط PLA-steel الناتجة عن شظايا الصلب صدر. (F) PLA-الألومنيوم خيوط مما أدى إلى جسيمات الألومنيوم الكبيرة. (C) – (D):الأسهم التي تشير إلى جيش التحرير الشعبى الصينى والدوائر المعادن أو CNT على التوالي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

البروتوكول يظهر طريقة سريعة وغير مكلفة وسهلة الاستعمال لتحليل الانبعاثات من قلم الطباعة 3D. وإلى جانب المقارنة بين جيش التحرير الشعبي و ABS، يمكن التحقيق في خيوط تحتوي على كميات كبيرة من المعادن وCNTs.

الخطوات الحاسمة هي تنظيف الغرفة لتجنب التلوث المتقاطع ولضمان انخفاض تركيز الخلفية. استخدمنا مجففات كخيار غرفة متاحة، ولكن قد يتم استخدام غرف أخرى.

يتم قياس تركيزات الجسيمات وتوزيعات حجم الجسيمات عبر الإنترنت أثناء وبعد عملية الطباعة. وفي هذه الدراسة، سُجلت تركيزات جسيمات تصل إلى قيم تزيد على10 6 جسيمات/سم3، مما قد يثير القلق. وعلى وجه الخصوص، عندما تم العثور على جزيئات أصغر من 100 نانومتر. وسمحت قياسات الهباء الجوي بقياسات تركيز الجسيمات باستخدام تكلفة النقرة في نطاق الحجم 4 نانومتر إلى 3 ميكرومتر. ولم تسمح قياسات SMPS إلا بقياسات توزيع حجم الجسيمات بين 14.4 نانومتر و673.2 نانومتر. قد يتم تفويت الجسيمات الأصغر أو الأكبر في تلك القياسات.

وتؤكد هذه الطريقة وجود الجسيمات في انبعاثات القلم 3D عن طريق تحليل TEM حاليا. في الدراسة تم الكشف عن الجسيمات النانوية من مختلف المواد الحرارية وكذلك من الجسيمات المعدنية وCNTs.

وبالنسبة لتحليل TEM، اعتمدنا على ترسب الجسيمات بمرور الوقت لأن طرق أخذ العينات الأخرى لم تنجح، ولكن قد يكون من المفيد تحسين أو تعديل العينات. وكان تركيز الهواء المحيط منخفضاً جداً وهُمّاً بالنسبة إلى تركيزات الانبعاثات، ولكن استخدام فلاتر مدخل قد يكون ذا قيمة. في المستقبل، سيتم استخدام وحدات تخزين أخرى للغرفة لمقارنة النتيجة بانبعاثات الطابعة ثلاثية الأبعاد. وركز البروتوكول على إطلاق الجسيمات، ولكن لا تزال هناك أسئلة مفتوحة، كما هو الحال على سبيل المثال، فيما يتعلق بانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة. ل 3D الطابعات كان قد تبين بالفعل أنه بالإضافة إلى الجسيمات ، يتم إطلاق VOCs9،10،11،12،13،14،15،16،17،18،33. ويمكن افتراض أن الأقلام ثلاثية الأبعاد قد تتسبب في انبعاثات مماثلة.

يمكن بدء تشغيل الطابعات ثلاثية الأبعاد ثم طباعتها دون وجود المستخدم. أقلام الطباعة ثلاثية الأبعاد هي، مع ذلك، أجهزة محمولة باليد ويتم تشغيلها في الغالب يدوياً. لذلك، يبقى المستخدم أقرب إلى الجهاز أثناء عملية الطباعة بأكملها مما يؤدي إلى تعرض أعلى محتمل. وينبغي أن يلاحظ هذا خاصة كما يتم الإعلان عن الأقلام 3D في كثير من الأحيان لكونها قابلة للاستخدام من قبل الأطفال. وبصفة عامة، فإن انبعاثات الجسيمات من عمليات 3D FFF مماثلة لطابعات الليزر، من حيث تركيزات عدد الجسيمات34. وبناء على ذلك، ينبغي اتخاذ الاحتياطات اللازمة لخفض مستوى التعرض. يبدو من المعقول أن المشورة التي ينبغي استخدام أقلام 3D في درجات حرارة الطباعة المنخفضة وفقط في بيئات جيدة التهوية. خيوط مع المعادن أو غيرها من المضافات ينبغي أن تستخدم بعناية، كما إطلاق الجسيمات النانوية المعدنية الضارة المحتملة أو الألياف من المرجح.

في المستقبل، يمكن استخدام هذا البروتوكول لمقارنة المزيد من خيوط وأقلام الطباعة 3D مختلفة للحصول على فهم أفضل للانبعاثات من هذه الأجهزة والمخاطر المحتملة للمستهلكين. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام هذا البروتوكول لتحليل حالات توليد الهباء الجوي الأخرى (مثل منتجات الرش).

Disclosures

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

بفضل سيباستيان مالك ونادين دراياك للدعم المختبري.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. Statista. 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., et al. Carbon nanotubes and graphene as additives in 3D printing. Nanotubes-current progress of their polymer composites. Berber, M. A., Hafez, I. H. , InTech. 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

الهندسة، الإصدار 164، الطباعة ثلاثية الأبعاد، قلم الطباعة ثلاثية الأبعاد، الانبعاثات، التكنولوجيات الناشئة، المواد المتقدمة، الجسيمات النانوية المنبعثة، الجسيمات فائقة الوضوح، الاستنشاق، الهباء الجوي، جودة الهواء الداخلي، الملوثات الداخلية
الطباعة ثلاثية الأبعاد - تقييم انبعاثات الجسيمات من قلم الطباعة ثلاثية الأبعاد
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sigloch, H., Bierkandt, F. S.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter