Waiting
Login processing...

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

Engineering

הדפסה בתלת-ממד - הערכת פליטות חלקיקים של עט הדפסה בתלת-ממד

Published: October 9, 2020 doi: 10.3791/61829

Summary

פרוטוקול זה מציג שיטה לניתוח הפליטה של עטי הדפסה בתלת-ממד. ריכוז החלקיקים וחלוקת גודל החלקיקים של החלקיקים שפורסמו נמדדים. חלקיקים משוחררים מנותחים עוד יותר עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM). תכולת מתכת בנינים מכמתת ספקטרומטריה מסת פלזמה בשילוב השראתי (ICP-MS).

Abstract

הדפסה תלת-ממדית (תלת-ממדית) כסוג של ייצור תוסף מציגה עלייה מתמשכת בפופולריות של יישומים וצרכנים. ייצור נימה התמזגה (FFF) היא שיטה זולה בשימוש בתדירות הגבוהה ביותר על ידי צרכנים. מחקרים עם מדפסות תלת-ממד הראו כי במהלך תהליך ההדפסה חלקיקים וחומרים נדיפים משתחררים. עטי הדפסה בתלת-ממד ידניים משתמשים גם בשיטת FFF, אך קרבתו של הצרכן לעטות תלת-ממד מספקת סיבה לחשיפה גבוהה יותר בהשוואה למדפסת תלת-ממד. במקביל, עטי הדפסה בתלת-ממד משווקים לעתים קרובות לילדים שיכולים להיות רגישים יותר לפליטת ההדפסה. מטרת מחקר זה הייתה ליישם שיטת עלות נמוכה כדי לנתח את הפליטות של עטי הדפסה בתלת-ממד. פולילקטיד (PLA) ו acrylonitrile butadiene סטירן (ABS) נימי צבעים שונים נבדקו. בנוסף, ניתחו חוטים המכילים צינורות מתכת ופחמן (CNTs). תא 18.5 L ותדגמה קרוב למקור הפליטה שימשו לאפיון פליטות וריכוזים ליד אזור הנשימה של המשתמש.

פליטות חלקיקים והפצות גודל חלקיקים נמדדו ושחרור פוטנציאלי של חלקיקי מתכת וCNTs נחקר. ריכוזי מספר חלקיקים נמצאו בטווח של 105 - 106 6 חלקיקים / ס"מ3, אשר דומה לדיווחים קודמים ממדפסות 3D. ניתוח מיקרוסקופאלקטרונים שידור (TEM) הראה חלקיקים של חומרים תרמופלסטיים שונים, כמו גם של חלקיקי מתכת ו CNTs. תוכן גבוה של מתכת נצפו על ידי ספקטרומטריה מסת פלזמה בשילוב השראתי (ICP-MS).

תוצאות אלה קוראות לשימוש זהיר של עטים תלת-מיוד בשל סיכון פוטנציאלי לצרכנים.

Introduction

הדפסה בתלת-ממד היא שיטת ייצור תוסף מבטיחה, אשר מלבד היישומים התעשייתיים שלה משמשת גם בבתים, בתי ספר וחללים יצרנית כביכול. מדפסות תלת-ממד ניתן לרכוש כעת החל מ 200 €, ובכך להפוך אותם אטרקטיביים לצרכנים. ניתן להשתמש במדפסות אלה כדי לייצר חלקי חילוף, פריטי משק בית, מתנות או אובייקטים אחרים. ילדים יכולים אפילו להכין צעצועים משלהם באמצעות מדפסות תלת-ממד. בשל הטיפול הקל שלהם ומחיר נמוך, מדפסות המבוססות על ייצור נימה מותכת (FFF) הם הסוג הנפוץ ביותר במגזר התחביבים1. בשיטת הדפסה זו חומר תרמופלסטי, הנקרא נימי גומי, נמס, נדחף דרך זרבובית ומוחל שכבה אחר שכבה באמצעות ראש הדפסה נייד עד לסיום האובייקט התלת מימדי. דגמי עיצוב דיגיטליים בעזרת מחשב (CAD) הדרושים להדפסת FFF זמינים באופן חופשי באינטרנט או שניתן לעצבם בתוכניות ציור CAD רבות ושונות.

מחקרים ראשוניים הראו כי במהלך תהליך ההדפסה של הנימה, חלקיקים עדיניםבמיוחד 2,3,4,5,6,7,8 וחומרים נדיפים 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 משוחררים. חלקיקים דקים במיוחד יכולים לחדור עמוק יותר לתוך מערכת הנשימה ואולי יהיה קשה יותר לנקות מהגוף19. במחקר עם עובדים באופן קבוע באמצעות מדפסות 3D 59% דיווחו על תסמינים נשימתיים20. רוב המדפסות של החובב אינן אטומות הרמטית ותו לא כוללות התקני מיצוי. לכן פליטות משתחררות ישירות לאוויר הסביבה עלולות להוות סיכון למשתמש בעת שאיפתו.

מחקרים קודמים התמקדו בפליטות של הנפוץ ביותר נפוץ polylactide (PLA) ו acrylonitrile butadiene סטירן (ABS). מחקרים מסוימים ניתחו חוטים שונים, כגון ניילון ופוליסטירן בעל השפעה גבוהה (HIPS)4,10,13. יתר על כן, ניבים חדשים, אשר מסופקים עם תוספים כגון מתכת או עץ, כל הזמן להיות השיקה לשוק. נטים אלה מאפשרים לצרכן להדפיס אובייקטים הראים ומרגישים כמו עץ טבעי או מתכת. חוטים אחרים מאפשרים להדפיס חומרים מוליך המכיל גרפן או פחמן צינורות (CNTs)21. חלקיקי מתכת22 ו CNTs להראות אפקטים cytotoxic וגרם נזק DNA23. עד כה, רק מעט מחקר נערך לגבי ניבים המכילים תוספים. Floyed ואח '.13 ניתח PLA בתוספת ברונזה; Stabile et al.3 חקר PLA מעורבב עם נחושת, עץ, במבוק חוט עם סיבי פחמן. שני המחקרים מדדו ריכוז חלקיקים וחלוקת גודל עם זאת מורפולוגיה והרכב של החלקיקים שפורסמו לא נחקרו עוד. חלקיקים יחס גובה-רוחב גבוה במיוחד (HARN) כגון CNTs או סיבי אסבסט ידועים לגרום להשפעות בריאותיות מסוכנות24. מחקר שנערך לאחרונה על ידי Stefaniak ואח '.25 ניתח נימי עם CNTs ופליטה נצפתה של חלקיקי פולימר הנשמה המכילים CNTs גלוי.

עטים תלת-ממד משתמשים באותה שיטת FFF כמו מדפסות תלת-ממד, אך עד כה פורסם רק מחקר אחד הבוחן עטים תלת-ממד26. המחברים השתמשו בניני PLA ו-ABS, אך אף אחד מהם לא נותח. בשל השימוש שלהם כף יד, עטים תלת-ממד קלים אף יותר לשימוש מאשר מדפסות תלת-ממד. הם אינטואיטיביים יותר, יש גודל קטן ואינם דורשים את השימוש של מודלים CAD. ניתן להשתמש בעטים תלת-ממדיים כדי לצייר או ליצור אובייקטים, יתר על כן כדי לתקן חלקים מודפסים בתלת-ממד ופריטי פלסטיק אחרים. המחירים מתחילים מ-30 €, צורות וצבעים שונים זמינים כדי לפלח קבוצות גיל נמוכות יותר. אבל במיוחד, ילדים פגיעים יותר לפליטת חלקיקים. מנגנוני הגנת הריאות שלהם מפני חלקיקים וזיהום גזים אינם מפותחים באופן מלא והם נושמים נפח גבוה יותר של אוויר לכל משקל גוף27.

להבנה טובה יותר של השחרור ואת הסיכונים הבריאותיים של פליטת עט 3D, חקרנו נפתים שונים המורכבים החומרים הסטנדרטיים PLA ו ABS בצבעים שונים. יתר על כן, חוטים עם נחושת, אלומיניום, פלדה ותוספים CNT חוט עם אפקט זוהר בחושך נחקרו. כדי לקבל תובנות מקיפות על תהליך הדפסת עט 3D וניתוח פליטת חלקיקים נערך על ידי מדידה מקוונת של תרסיס של ריכוזי מספר חלקיקים והפצות גודל, על ידי שידור אלקטרון מיקרוסקופי (TEM) בדיקה לזיהוי מורפולוגיה וחומרים ועל ידי ספקטרומטריה מסת פלזמה בשילוב השראתי (ICP-MS) להערכת מתכת כמותית של הסיבים.

Protocol

1. דרישות פרוטוקול

  1. רכוש עט הדפסה תלת-ממדי המסוגל לייצר טמפרטורות > 200 °C (איור 1) כדי שתוכל להדפיס ניבים עם טמפרטורת הדפסה גבוהה יותר (לדוגמה, ABS או ניבים עם תוספים) כדי להשוות בין ניים שונים. עטים תלת-מית-מיוד שונים זמינים באינטרנט.
  2. לרכוש נימה בקוטר של 1.75 מ"מ, מתאים עט 3D. מגוון של נימה PLA ו ABS סטנדרטיים, כמו גם נימה עם תוספים זמינים באינטרנט באתרי אינטרנט שונים.
  3. להתקנה קלה, השתמש במתיי (18.5 L) כתא הפליטה.
    1. תוודאי שהתא נקי. בחר מייבש עם מפרצון בצד אחד כדי שתוכל להכניס את העט להדפסה בתלת-ממד ושקע למעלה כדי להכניס את צינור הדגימה.
    2. ודא כי היכנס אוויר בחיבור לעט 3D נוצר. אוויר אמביינט ישמש כרקע. צינורות השקע צריכים להיות במרחק של 10 ס"מ מהקצה של עט ההדפסה בתלת-ממד כדי לחקות את המרחק בין ראש המשתמש למקור הפליטה.
    3. השתמש בצינורות מוליכים כדי למזער את אובדן החלקיקים. אורך הצינורות צריך להיות קצר ככל האפשר ונחוץ מעיקולים.
  4. השתמש מונה חלקיקים עיסוק (CPC) וסריקה ניידות חלקיק Sizer (SMPS) או התקני מעקב אחר חלקיקים עבור המדידה המקוונת של ריכוז חלקיקים וחלוקת גודל חלקיקים (איור 2).
  5. השתמש במיקרוגל ובכימיקלים בהתאמה לעיכול דגימות נימה.
  6. השתמש ב- ICP-MS או בכלי ניתוח מרובה רכיבים אחר כדי לכמת את תוכן המתכת בדוגמאות.
  7. השתמש במיקרוסקופ אלקטרונים כדי לאפיין את מורפולוגיה החלקיקים.

2. מדידות אירוסול של פליטת עט תלת-מימד

  1. הכנה לפני הניסוי
    1. הפעל את מכשירי המדידה המקוונים המתאימים (SMPS, CPC). יש כפתור בחלק האחורי של המכונה. מחממים את המכשירים במשך כ-10 דקות.
    2. טען מראש את העט ה-3D עם נימה שנבחרה (התחל עם PLA כחומר הנפוץ ביותר) ותן לעט להתקרר.
    3. צרף מסנן HEPA למפרצון SMPS והריץ מדידת בדיקה נקייה עם ה-SMPS כדי להבטיח שה-SMPS לא יהיה מזוהם ממדידות קודמות. אל תמדדו חלקיקים אם ה-SMPS אינו נקי.
    4. חבר את שקע התא לשקע CPC. בדוק את הריכוז בתוך התא עם CPC כדי לוודא את התא נקי (< 103 חלקיקים / m3) וניסוייםפועלים באותם תנאים. התחל מדידה.
  2. הליך ניסיוני
    1. הכנס את העט התת-מיוען והקירור מראש לתא.
    2. ודא שצינורות השקע של התא מחוברים ל-CPC.
    3. הפעל את המחשב המחובר ל- CPC. פתח קובץ חדש עם שם המתאים למדידות. ודא שהגדרת זרימת CPC מוגדרת ל- 0.3 ל'/דקה ושזמן הדגימה מוגדר ל- 90 דקות לפחות. הפעל את מדידת CPC כדי למדוד את ריכוז הרקע במשך 10 דקות.
      הערה: הגדרות זרימה של 0.3 L/min ונפח התא של 18.5 L יביאו שער חליפין אוויר (ACH) של 1.0 h-1.
    4. לאחר 10 דקות, הפעל את העט תלת-הת-מיו. בחר את הטמפרטורה הדרושה עבור הנוי שנבחר.
    5. לאחר הגעת הטמפרטורה הדרושה, התחל את תהליך ההדפסה. תן לעט תלת-הת-מידי להדפיס למשך 15 דקות.
      הערה: אין אובייקט, אך מחרוזת רציפה תודפס ותאסוף בתחתית.
    6. לאחר 15 דקות, הפסק את העט התת-מימדי, חבר את צינורות השקע ל-SMPS והתחיל את מידות חלוקת הגודל כל 3 דקות למשך השעה הקרובה.
    7. לאחר סיום הניסוי, הסר את הנוי המודפס ונקה את התא.
    8. חזור על כל מדידה שלוש פעמים.

3. מורפולוגיה חלקיקים באמצעות TEM

  1. כדי להבטיח כי האותות הנמדדים מקורם חלקיקים שנפלט ולא מולקולות אדים להשתמש מיקרוסקופאלקטרונים שידור (TEM) כדי לנתח את התרסיס.
  2. הכנת רשת TEM
    1. השתמש ברשתות נחושת 3.5 מ"מ רשת 400 רשת.
    2. תעיל את הרשתות בקולודיון. נותנים לרשתות להתייבש במשך הלילה ולאחסן אותן בתא התייבשות עד לשימוש נוסף. לחלופין, השתמש ברשתות מקוונות מראש (לדוגמה, SF162-4 Formvar-Film ב- 400 רשת Cu-net).
    3. ביום הניסוי, הרשתות צריכות להיות הידרופיליות עם 2% כחול אלסי ב 0.3% תמיסת חומצה אצטית.
    4. פיפט 30 μL של הפתרון הכחול האלסי מוכן על פני השטח, למשל חתיכת parafilm. תן לרשתות לצוף על הטיפות הכחולות האלסיות למשך 5 עד 10 דקות וייבש אותן באמצעות נייר סינון.
  3. מניחים את רשתות TEM מוכנות בתוך התא במהלך תהליך ההדפסה ולהשאיר במקום לאחר מכן במשך 5 שעות כדי לאפשר מעיעי חלקיקים.
    הערה: לקבלת טיפול קל יותר ברשתות, מקם את הרשתות בפלטפורמה מצופה ב- parafilm.
  4. בדוק לפחות ארבעה אזורים שונים של כל רשת באמצעות TEM והשתמש בתבניות פירוק ממכובים שפורסמו כדי לזהות הרכב חומרים.

4. כמות תכולת מתכת לפני ואחרי הדפסה באמצעות ICP-MS

  1. הכנה לדוגמה
    1. הדפס נימה על משטח פלסטיק כדי למנוע זיהום עם מתכת.
    2. לשקול כ 150 מ"ג של נימה בתפזורת ונימה מודפסת. כדי למנוע זיהום עם מתכת, השתמש בסכין קרמיקה כדי לחתוך חתיכות קטנות יותר.
  2. עיכול מיקרוגל
    1. מעבירים נמשים משוקללים לכלי מיקרוגל.
    2. להוסיף 1.5 מ"ל של מים (למשל, MilliQ), 3.5 מ"ל של חומצה חנקתית ו 1 מ"ל של מי חמצן לכל דגימה.
      התראה: להוסיף מים ראשון ולאחר מכן חומצה!
    3. מניחים את כלי הדם במיקרוגל ומתחילים את העיכול. מחממים עד 200 מעלות צלזיוס ומחזיקים במשך 20 דקות.
  3. ריכוז מתכת מוגדר עם ICP-MS
    1. לדלל את כל הדגימות של ייבורים שבו ריכוז מתכת גבוה ידוע או חשוד כדי למנוע זיהום של ICP-MS.
    2. השתמש בסריקת סקר כדי לקבוע אילו מתכות נמצאות בדגימות.
    3. לכמת את תכולת המתכת של המתכות הספציפיות באמצעות תקני הכיול המתאימים.

Representative Results

ריכוז מספר חלקיקים
ריכוז מספר החלקיקים הגבוה ביותר נמדד עבור PLA-copper עם 4.8 x 106 #/cm3 והנמוך ביותר עבור PLA-שחור עם 4.3 x 105 #/cm3. באופן כללי, פליטה גבוהה יותר עבור ABS > 106 #/cm3 לעומת PLA נצפתה. אף על פי כן, כמה סיבי PLA הביא ריכוזי חלקיקים מעל 106 #/ס"מ3 (PLA-לבן ו PLA-כחול). ריכוזי החלקיקים השונים עשויים להיות קשורים לשימוש בתוספים. ג'אנג ואח'28 הצהירו כי חלקיקים עשויים להיווצר על ידי כמה תוספים כמו למשל פיגמנטים, עם זאת לא על ידי החומר בתפזורת. לכן, השימוש פיגמנטים שונים עבור צבעים שונים עשוי להשפיע על מספר החלקיקים שפורסמו.

באות 3 דוגמאות של עלייה פליטת חלקיקים במהלך תהליך ההדפסה מוצגים עבור PLA-שחור ABS-שחור. התוצאות הן בהסכמה עם מחקרים קודמים מדפסת 3D, מראה ריכוזי חלקיקים של 105 -106 #/cm3 וערכים גבוהים יותר עבור ABS לעומת PLA12,13. פלויד ואח '.13 נמדד ריכוז שיא של 3.5 x 106 #/ס"מ3 עבור ABS ו 1.1 x 106 #/cm3 עבור PLA. חשוב לציין, כי ABS מודפס בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות יותר בהשוואה PLA. כדי לנתח את ההשפעה של טמפרטורת ההדפסה על שחרור חלקיקים, ניסויים באמצעות PLA-שחור בוצעו ב 210 °C (הגדרה סטנדרטית עבור ABS). התוצאות הושוו להגדרה הסטנדרטית של 200 °C עבור PLA. עם הגדרת טמפרטורה גבוהה יותר, ריכוז החלקיקים גדל כמעט בסדר גודל אחד. הריכוז הממוצע במהלך הדפסה עם PLA-שחור גדל מ 2.6 x 105 #/ס"מ3 ב 200 ° C כדי 1.3 x 106 #/ ס"מ3 ב 210 ° C. פליטות גבוהות יותר הנגרמות על ידי טמפרטורת הדפסה גבוהה יותר נצפו כבר במחקרים קודמים עם מדפסות תלת-ממד3.

התפלגות גודל חלקיקים בפליטות של נכים שונים
איור 4 מציג הפצות גודל חלקיקים עבור PLA ב- 200 ו- 210 °C וב- ABS ב- 210 °C. הדפסת ABS הביאה לריכוז חלקיקים גבוה יותר וחלקיקים גדולים יותר בהשוואה ל-PLA. עליית הטמפרטורה במהלך ההדפסה של PLA הביא ריכוזים גבוהים יותר של מספר חלקיקים, אבל לא הייתה השפעה משמעותית על קוטר ממוצע גיאומטרי (GMD). זאת בהסכמה עם מחקר קודם28.

איור 5 מציג את ה- GMD בהתבסס על ספירת המספר עבור כל הנתכי הם שנמדדו. הייתה מגמה ברורה בהבדל שנצפה בין חלקיקים הנפלטים במהלך הדפסה עם ABS או ניני PLA. דגימות ABS היה GMD הגדול ביותר החל 203.9 נארם עבור ABS-ירוק ועד 262.1 נה"מ עבור ABS-כחול. ABS-ירוק מיוצר על ידי יצרן שונה מאשר ניני ABS אחרים; זו יכולה להיות הסיבה לגודל חלקיק שונה במקצת. נימה PLA פלט חלקיקים קטנים יותר עם GMDs < 100 נה"מ (63.8 נה"מ עבור PLA-ברור עד 88.3 נמית PLA-כחול). עבור חוטים אחרים עם תוספים, GMD נע בין 73.1 נה"מ עבור פלדה PLA כדי 183.9 נמילה עבור PLA-נחושת. שכפול של מדידות ניכר מסטיות התקן היחסיות הנמוכות (RSD) של מדידות גודל החלקיקים. הטווח היה בעיקר בין 0.96 ל-5.58%. רק במקרה של PLA עם פלדה (10.55%) ו-PLA עם CNTs (18.52%) נצפה טווח גבוה יותר. זה יכול, עם זאת, להיות בשל חומוסגניות בהטינים. מוצרים עם תוספים הם תערובת של תרמופלסטי (למשל, במקרה זה PLA) ומתכת או חלקיקים קטנים אחרים. ייתכן שהחלקיקים לא יופצו באופן שווה ובכך עלולים לגרום לסטייה גבוהה יותר של תקן. סטיות התקן הגיאומטריות נעו בין 1.6 ל- 1.9, המצביעות על התפלגות מודאלית אחת בטווח החלקיקים הפיין והצבעני במיוחד, כפי שנצפה במחקרים קודמים של מדפסות תלת-ממד13.

התוצאות מראות הבדל משמעותי בפליטת חלקיקים בין PLA ו- ABS Filaments; זה עדיין לא היה ברור מפרסומים קודמים כמו לעתים קרובות רק אחד או שניים ננתח29. חלק מהמחברים תיארו חלקיקים גדולים יותר עבור ABS5,12, חלקם גדולים יותר עבור PLA2,9. במחקרים נוספים, לא נצפתה כל הבדל בגודל4,13. Byrley et al.29 סקר 13 פרסומים ותיאר קוטרים חלקיקים ממוצעים הנעים בין 14.0 נמילה ל 108.1 נמית עבור PLA ומ 10.5 נמיל ל 88.5 נארם עבור ABS. ההבדל בגדלים של חלקיקים יכול להיות בגלל מדידות בנקודות זמן שונות. חלקם נמדדו בריכוזהגבוה ביותר 12,13 וחלקם דיווחו על הגדלים של כל תהליךההדפסה 5,9. המחקר היחיד של עטים תלת-מימד זמינים עד כה מדווח חלקיקים עד 60.4 נארם עבור PLA ועד 173.8 נה"מ עבור ABS26, אשר דומה לממצאים כאן.

מדידת התפלגות הגודל מייצגת תמונה של רגע אחד בלבד. על מנת לבחון את השתנות הזמן לגבי גודל התרסיס הנפלט, התפלגות גודל החלקיקים עבור ה-Filament PLA-שחור נמדדה 10 פעמים כל 3 דקות לאחר שההדפסההופסקה (איור 6A). המדידות מראות עלייה ב-GMD (איור 6B) וירידה בריכוז החלקיקים (איור 6C) עם כל מדידה רצופה. העלייה בגודל החלקיקים יכולה להיות בשל agglomeration, אשר גם להסביר את הירידה בריכוז החלקיקים. מעניין, מופע זה של גודל החלקיקים להגדיל וירידה בריכוז נצפתה לא רק לאחר ההדפסה הופסקה, אלא גם במהלך תהליכי הדפסה. כך עולה מכך שזמן המדידה הוא גורם חשוב.

כמות תוכן מתכת לפני ואחרי הדפסה באמצעות ICP-MS
השוואה בין הניים המכילים תוספי מתכת לפני ואחרי תהליך ההדפסה לא גילתה כל הבדל ביחס לתוכן המתכת שלהם. יחס זה ללא שינוי מתכת פולימר מציין כי החלקיקים שפורסמו אינם רק פולימר, כפי שזה יוביל לריכוז מתכת גבוה יותר בחומר המודפס בשל אובדן הפולימר. חלקיקי מתכת שפורסמו יכולים לרמוז על סיכון בריאותי גבוה יותר עבור המשתמש22. באופן כללי, יש ל ציין את הכמות הגבוהה של מתכת בפירים מתקדמים. מתכות עלולות לגרום להשפעות בריאותיות שליליות ובמיוחד שחרור של חלקיקים nanoscale דורש אמצעי זהירות בתרחישי חיי היומיום30.

עבור חוט נחושת PLA מדדנו אחוז משקל של 70 לנחושת. עבור נימה פלדה מדדנו אחוזי משקל של 30% Fe, 8% Cr ו 6% Ni ב נימה. לעתים קרובות ההרכב המדויק של הנינים אינו מוצהר, וסיכונים אפשריים ולכן אינם ידועים למשתמש. חשיפה ניקל עשוי להיות תופעות לוואי על בריאות האדם והוא יכול לגרום לאלרגיות לעור, פיברוזיס ריאות, מחלות לב וכלי דם וכליות. האלמנט חשוד מסרטנים אנושיים31.

מלבד הניים מתכת, PLA ברור נותח לפני ואחרי הדפסה. כאן, עלייה של Cu, Zn, Fe, Cr ו- Ni נמדד לאחר תהליך ההדפסה. זה יכול להיות בגלל חומרים אחרים לאחר שחולצו דרך העט 3D לפני וכתוצאה מכך אפקט זיכרון. המדידות חזרו על עצמן בעט תלת-מימד שנרכש לאחרונה, וכאן לא ניתן היה לצפות בעלייה משמעותית(איור 7).

מורפולוגיה של חלקיקים באמצעות TEM
תמונות TEM אישרו את הנוכחות של חלקיקים ואימתו את ההבדל בגודל החלקיקים בין ABS ו PLA, נמדד עם SMPS. תמונות TEM הראו גדלי חלקיקים בעיקר סביב 50 נה"מ עבור PLA (איור 8A). ABS שחור הראה חלקיקים גדולים כמעט באופן עקבי עד 100 נה"מ (איור 8B). ההבדל בין גדלי חלקיקים בין PLA ו ABS, כפי שניתן לראות עם SMPS, יכול להיות מאושר. עם זאת, גדלים קטנים יותר נמדדו על-ידי TEM. הגדלים הקטנים יותר יכולים להיות בשל agglomerates מדידת SMPS, כמתואר קודם לכן, ותמונות TEM המציגות חלקיקים שאינם agglomerated.

חוט נחושת PLA הכיל נחושת, כמו גם חלקיקי PLA(איור 8C). נחושת היה בעיקר בצורה גבישית עם גדלים סביב 150 נמים. זה מתאים למדידת SMPS של חוט הנחושת, אשר הביא GMD מתכוון של 178 נה"מ (איור 5). איור 8D מתאר אולי CNT שוחרר מן נימה PLA-CNT. יתר על כן, שחרור של חלקיקי פלדה קטנים במהלך ההדפסה עם נימה פלדה PLA נצפתה(איור 8E). נימה אלומיניום תוארה כ"תרכובת PLA - עם כמות גבוהה מאוד של פתיתי אלומיניום כסף הוסיף"32. איור 8F מראה אפשרות של agglomeration של פתיתים אלה כמו הגודל הוא הרבה יותר גדול בהשוואה GMD נמדד של 124 nm באמצעות SMPS.

Figure 1
איור 1: תמונה של עטי הדפסה בתלת-ממד ובנייה סכמטית של עט הדפסה בתלת-ממד. עט ההדפסה בתלת-ממד מחמם את הנימה לטמפרטורה שנבחרה ומפרש את התרמופלסטיק המומס. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: התקנה ניסיונית למדידת אירוסול מקוונת. ריכוז החלקיקים נמדד עם CPC והתפלגות גודל החלקיקים עם SMPS. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: מדידת CPC של ריכוזי חלקיקים. המדידות מראות עלייה לאחר תחילת ההדפסה וריכוזים גבוהים יותר עבור ABS בהשוואה ל-PLA. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: התפלגות גודל החלקיקים הנמדדת ב- SMPS עם סטיית תקן (n=3). תוצאות הדפסת PLA חלקיק קטן יותר להשוות ABS. טמפרטורה עלייה תוצאות ריכוז גבוה יותר, אבל לא מראה השפעה משמעותית על גודל החלקיקים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: קוטר ממוצע גיאומטרי ממוצע עם סטיית תקן (n=3) עבור כל הנינים שנותחו. הדפסה עם PLA הביא חלקיקים קטנים יותר להשוות ABS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של דמות זו.

Figure 6
איור 6: התפלגות גודל החלקיקים נמדדת מיד לאחר עצירת ההדפסה. (א)התפלגות גודל חלקיק נמדד כל 3 דקות על פני תקופה של 30 דקות לאחר תהליך הדפסה עם PLA-שחור. (ב)עלייה של GMD. ירידהבריכוז. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 7
איור 7: תכולת מתכת בנתכי רשת מעוכלים הנמדדים באמצעות ICP-MS. הגדלה של תכולת מתכת ב- PLA-clear נימה לאחר תהליך ההדפסה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 8
איור 8: תמונות TEM של דגימות מתהליך ההדפסה: (A) נימה שחורה PLA וכתוצאה מכך חלקיקי PLA סביב 50 דפים לשעה. (ב)נימה שחורה ABS וכתוצאה מכך חלקיקי ABS עד 100 נה"מ. (C)נימה נחושת PLA וכתוצאה מכך גבישי נחושת (120-150 nm) בנוסף PLA. (D)נימה PLA-CNT וכתוצאה מכך שחרור CNT. (ה)נימה מפלדה PLA וכתוצאה מכך רסיסי פלדה שפורסמו. (F)נימה PLA-אלומיניום וכתוצאה מכך חלקיקי אלומיניום גדולים. (ג)(ד):חצים המציינים PLA ועיגולים מתכת או CNT בהתאמה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Discussion

הפרוטוקול מציג שיטה מהירה, זולה וידידותית למשתמש לניתוח פליטות של עט הדפסה בתלת-ממד. מלבד ההשוואה של PLA ו ABS, ניתן לחקור את הנימונים המכילים כמויות משמעותיות של מתכות ו-CNTs.

צעדים קריטיים הם ניקוי התא כדי למנוע זיהום צולב ולהבטיח כי ריכוז הרקע הוא נמוך. השתמשנו במימש כאפשרות תא זמינה, אבל תאים אחרים עשויים לשמש.

ריכוזי חלקיקים והפצות גודל חלקיקים נמדדים באופן מקוון במהלך ואחרי תהליך ההדפסה. במחקר זה, ריכוזי חלקיקים להגיע לערכים מעל 106 חלקיקים / ס"מ3 נרשמו, אשר עשוי להיות דאגה. בפרט, כאשר נמצאו חלקיקים קטנים מ-100 00 00 00 00 00 00 00:00.00.00,000-מ מדידות תרסיס אפשרו מדידות ריכוז חלקיקים עם CPC בטווח הגודל 4 נמיר עד 3 μm. מידות SMPS אפשרו מדידות התפלגות של גודל חלקיקים רק בין 14.4 נה"מ ל- 673.2 נה"מ. חלקיקים קטנים או גדולים יותר עלולים לפספס במדידות אלה.

השיטה מאשרת נוכחות חלקיקים בפליטת עט תלת-מיומת על-ידי ניתוח TEM לא מקוון. חלקיקים המחקר של חומרים תרמופלסטיים שונים, כמו גם של חלקיקי מתכת CNTs זוהו.

עבור ניתוח TEM, הסתמכנו על המשבע של החלקיקים לאורך זמן כמו שיטות דגימה אחרות לא עבד, אבל שיפור או שינוי של הדגימה עשוי להיות שימושי. ריכוז אוויר הסביבה היה נמוך מאוד וחסר חשיבות לריכוזי הפליטה, אך השימוש במסנני הכנסה עשוי להיות בעל ערך. בעתיד, אמצעי אחסון קאמריים אחרים ישמשו להשוואת התוצאה לפליטת מדפסת תלת-ממד. הפרוטוקול התמקד בשחרור חלקיקים, אך שאלות פתוחות נשארות, למשל, בנוגע לפליטה של תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs). עבור מדפסות תלת-ממד כבר הוצג כי בנוסף לחלקיקים, VOCsמשתחררים 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. ניתן להניח כי עטים תלת-מית-מיוד עלולים לגרום לפליטות דומות.

ניתן להתחיל מדפסות תלת-ממד ולאחר מכן להדפיס ללא נוכחות המשתמש. עם זאת, עטי הדפסה בתלת-ממד הם התקני כף-יד ומופעלים בעיקר באופן ידני. לכן, המשתמש נשאר קרוב יותר להתקן במהלך כל תהליך ההדפסה וכתוצאה מכך חשיפה גבוהה יותר פוטנציאלית. זה צריך להיות ציין במיוחד כמו עטים 3D מתפרסמים לעתים קרובות עבור להיות שאף על ידי ילדים. באופן כללי, פליטות חלקיקים מתהליכי FFF 3D דומים למדפסות לייזר, במונחים של ריכוזי מספרחלקיקים 34. בהתאם לכך, יש לנקוט באמצעי זהירות כדי להפחית את רמת החשיפה. זה נראה סביר לעצות כי עטים 3D יש להשתמש בטמפרטורות הדפסה נמוכות ורק בסביבות מאוורר היטב. חוטים עם מתכת או תוספים אחרים יש להשתמש בזהירות, כמו שחרור של חלקיקי מתכת מזיקים או סיבים סביר.

בעתיד, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי להשוות יותר נטבים ועטות הדפסה תלת-ממדיות שונות כדי לקבל הבנה טובה יותר של הפליטות של התקנים אלה ואת הסיכון האפשרי עבור הצרכנים. יתר על כן, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לנתח מקרים אחרים יצירת תרסיס (למשל, ספריי מוצרים).

Disclosures

לסופרים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

תודה לסבסטיאן מלכה ונדין דרייאק על תמיכת מעבדה.

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).
הדפסה בתלת-ממד - הערכת פליטות חלקיקים של עט הדפסה בתלת-ממד
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).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