Waiting
Login processing...

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

Engineering

3D-utskrift – Evaluering av partikkelutslipp av en 3D-utskriftspenn

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

Denne protokollen presenterer en metode for å analysere utslipp av 3D-utskriftspenner. Partikkelkonsentrasjon og partikkelstørrelsesfordeling av den frigjorte partikkelen måles. Frigjorte partikler analyseres videre med transmisjonselektronmikroskopi (TEM). Metallinnhold i filamenter kvantifiseres ved induktivt skrevet plasmamassespektrometri (ICP-MS).

Abstract

Tredimensjonal (3D) utskrift som en type additiv produksjon viser fortsatt økning i søknad og forbruker popularitet. Den smeltede filamentfabrikasjonen (FFF) er en billig metode som brukes oftest av forbrukerne. Studier med 3D-skrivere har vist at partikler og flyktige stoffer under utskriftsprosessen frigjøres. Håndholdte 3D-utskriftspenner bruker også FFF-metoden, men forbrukerens nærhet til 3D-pennene gir grunn til høyere eksponering sammenlignet med en 3D-skriver. Samtidig markedsføres ofte 3D-utskriftspenner for barn som kan være mer følsomme for utskriftsutslippene. Målet med denne studien var å implementere en lavprismetode for å analysere utslippene av 3D-utskriftspenner. Polylaktid (PLA) og akrylnitril butadien styren (ABS) filamenter av forskjellige farger ble testet. I tillegg ble filamenter som inneholder metall- og karbonnanorør (CNTs) analysert. Et 18,5 l kammer og prøvetaking nær utslippskilden ble brukt til å karakterisere utslipp og konsentrasjoner nær brukerens pustesone.

Partikkelutslipp og partikkelstørrelsesfordelinger ble målt og den potensielle frigjøringen av metallpartikler og CNT-er undersøkt. Partikkeltallkonsentrasjoner ble funnet i et område på 105 - 106 partikler/cm3, som kan sammenlignes med tidligere rapporter fra 3D-skrivere. Overføring elektron mikroskopi (TEM) analyse viste nanopartikler av de ulike termoplastiske materialer samt av metallpartikler og CNTs. Høyt innhold av metall ble observert ved induktivt koblede plasma massespektrometri (ICP-MS).

Disse resultatene krever en forsiktig bruk av 3D-penner på grunn av potensiell risiko for forbrukerne.

Introduction

3D-utskrift er en lovende additiv produksjonsmetode, som i tillegg til sine industrielle applikasjoner også brukes i boliger, skoler og såkalte maker-områder. 3D-skrivere kan nå kjøpes fra og med 200 €, noe som gjør dem attraktive for forbrukerne. Disse skriverne kan brukes til å produsere reservedeler, husholdningsartikler, gaver eller andre gjenstander. Barn kan til og med lage sine egne leker ved hjelp av 3D-skrivere. På grunn av enkel håndtering og lav pris, skrivere basert på smeltet filament fabrikasjon (FFF) er den mest utbredte typen i hobbysektoren1. I denne utskriftsmetoden smeltes et termoplastisk materiale, kalt filament, gjennom en dyse og påføres lag for lag ved hjelp av et bevegelig skrivehode til det tredimensjonale objektet er ferdig. Modeller for digital dataassistert design (CAD) som trengs for FFF-utskrift, er fritt tilgjengelige på nettet eller kan utformes i mange forskjellige CAD-tegneprogrammer.

Innledende studier har vist at under utskriftsprosessen av filamentet frigjøres ultrafinepartikler 2,3,4,5,6,7,8 og flyktigestoffer 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Ultrafine partikler kan trenge dypere inn i luftveiene og kan være vanskeligere å fjerne fra kroppen19. I en studie med ansatte som regelmessig bruker 3D-skrivere, har 59 % rapportert respiratoriske symptomer20. De fleste hobbyistskrivere er ikke hermetisk forseglet og har ikke eksos røykavsugsenheter. Utslipp slippes derfor direkte ut i omgivelsesluften og kan utgjøre en risiko for brukeren ved innånding.

Tidligere studier har fokusert på utslipp av de mest brukte filamenter polylaktid (PLA) og akrylnitril butadien styren (ABS). Noen studier har analysert forskjellige filamenter, for eksempel nylon og høyeffekts polystyren (HIPS)4,10,13. Videre lanseres nye filamenter, som er utstyrt med tilsetningsstoffer som metall eller tre, stadig til markedet. Disse filamentene gjør det mulig for forbrukeren å skrive ut gjenstander som ser ut og føles som naturlig tre eller metall. Andre filamenter gjør det mulig å skrive ut ledende materialer som inneholder grafen eller karbonnanorør (CNTs)21. Metall nanopartikler22 og CNTs viser cytotoksiske effekter og forårsaket DNA-skade23. Så langt ble det bare forsket lite om filamenter som inneholder tilsetningsstoffer. Floyed et al.13 analysert PLA supplert med bronse; Stabile et al.3 undersøkte PLA blandet med kobber, tre, bambus og en filament med karbonfiber. Begge studiene målte partikkelkonsentrasjon og størrelsesfordeling, men morfologien og sammensetningen av de frigjorte partiklene ble ikke videre undersøkt. Spesielt høyt sideforhold nanopartikler (HARN) som CNTs eller asbestfibre er kjent for å forårsake farlige helseeffekter24. En nylig studie av Stefaniak et al.25 analyserte filamenter med CNTs og observert utslipp av respirable polymerpartikler som inneholder synlige CNTs.

3D-penner bruker samme FFF-metode som 3D-skrivere, men så langt er det bare én studie som undersøker 3D-pennerpublisert 26. Forfatterne brukte PLA og ABS filamenter, men ingen med tilsetningsstoffer ble analysert. På grunn av håndholdt bruk er 3D-penner enda enklere å bruke enn 3D-skrivere. De er mer intuitive, har en liten størrelse og krever ikke bruk av CAD-modeller. 3D-penner kan brukes til å tegne eller lage gjenstander, og dessuten reparere 3D-trykte deler og andre plastartikler. Prisene starter fra så lite som 30 €, ulike former og farger er tilgjengelige for å målrette mot lavere aldersgrupper. Men spesielt er barn mer utsatt for partikkelutslipp. Deres lungeforsvarsmekanismer mot partikler og gassforurensning er ikke fullt utviklet, og de puster et høyere volum luft per kroppsvekt27.

For en bedre forståelse av utgivelsen og helserisikoen ved 3D-pennutslipp, undersøkte vi ulike filamenter bestående av standardmaterialene PLA og ABS i forskjellige farger. Videre ble filamenter med kobber, aluminium, stål og CNT tilsetningsstoffer og en filament med glow-in-the-dark effekt undersøkt. For å få omfattende innsikt i 3D-pennutskriftsprosessen og partikkelutslippsanalysen ble utført ved online aerosolmåling av partikkelnummerkonsentrasjoner og størrelsesfordelinger, ved overføring av elektronmikroskopi (TEM) undersøkelse for morfologi og materialidentifikasjon og ved induktivt koplet plasmamassespektrometri (ICP-MS) for kvantitativ metallvurdering av filamentene.

Protocol

1. Krav til protokoll

  1. Kjøp en 3D-utskriftspenn som kan generere temperaturer > 200 °C (figur 1) for å kunne skrive ut filamenter med høyere utskriftstemperatur (f.eks. ABS eller filamenter med tilsetningsstoffer) for å sammenligne forskjellige filamenter. Ulike 3D-penner er tilgjengelige på nettet.
  2. Kjøp filamenter med en diameter på 1,75 mm, egnet for 3D-pennen. En rekke standard PLA og ABS filamenter samt filamenter med tilsetningsstoffer er tilgjengelig online på forskjellige nettsteder.
  3. For et enkelt oppsett, bruk en desiccator (18,5 L) som utslippskammer.
    1. Kontroller at kammeret er rent. Velg en desiccator med et innløp på den ene siden for å kunne sette inn 3D-utskriftspennen og en stikkontakt på toppen for å sette inn prøvetakingsrøret.
    2. Kontroller at det er opprettet et luftinntak ved tilkobling til 3D-pennen. Omgivelsesluft vil brukes som bakgrunn. Utløpsslangen skal være 10 cm unna spissen av 3D-utskriftspennen for å etterligne avstanden mellom brukerens hode og utslippskilden.
    3. Bruk ledende slange for å minimere partikkeltap. Slangelengden skal være så kort som mulig og fri for svinger.
  4. Bruk kondenspartikkelteller (CPC) og skanning av mobilitetspartikkelstørrelse (SMPS) eller andre partikkelsporingsenheter for online måling av partikkelkonsentrasjon og partikkelstørrelsesfordeling (figur 2).
  5. Bruk en mikrobølgeovn og respektive kjemikalier for å fordøye filamentprøver.
  6. Bruk et ICP-MS eller et annet analyseinstrument med flere elementer til å kvantifisere metallinnholdet i prøvene.
  7. Bruk et elektronmikroskop for å karakterisere partikkelmorfologien.

2. Aerosolmålinger av 3D-pennutslipp

  1. Forberedelse før eksperimentet
    1. Slå på de respektive online måleinstrumentene (SMPS, CPC). Det er en knapp på baksiden av maskinen. Varm opp instrumentene i rundt 10 min.
    2. Forhåndslast 3D-pennen med en valgt filament (start med PLA som det mest brukte materialet) og la pennen avkjøles.
    3. Fest et HEPA-filter til SMPS-innløpet og kjør en ren sjekkmåling med SMPS for å sikre at SMPS ikke er forurenset fra tidligere målinger. Ikke mål partikler hvis SMPS ikke er ren.
    4. Koble kammeruttaket til CPC-innløpet. Kontroller konsentrasjonen inne i kammeret med CPC for å sikre at kammeret er rent (< 103 partikler/m3) og eksperimenter kjører under samme forhold. Start en måling.
  2. Eksperimentell prosedyre
    1. Sett den forhåndslastede og avkjølte 3D-pennen inn i kammeret.
    2. Kontroller at utløpsslangen på kammeret er koblet til CPC.
    3. Start datamaskinen som er koblet til CPC. Åpne en ny fil med et navn som passer til målingene. Kontroller at CPC-flytinnstillingen er satt til 0,3 l/min, og at samplingstiden er satt til minst 90 minutter. Start CPC-målingen for å måle bakgrunnskonsentrasjonen i 10 minutter.
      MERK: Strømningsinnstillinger på 0,3 l/min og kammervolumet på 18,5 L vil resultere i en luftvekslingskurs (ACH) på 1,0 t-1.
    4. Etter 10 min slår du på 3D-pennen. Velg nødvendig temperatur for den valgte filamentet.
    5. Når den nødvendige temperaturen er nådd, starter du utskriftsprosessen. La 3D-pennen skrive ut i 15 minutter.
      MERK: Ingen gjenstander, men en kontinuerlig streng vil bli skrevet ut og samlet inn nederst.
    6. Etter 15 minutter stopper du 3D-pennen, kobler utløpsslangen til SMPS og starter størrelsesfordelingsmålingene hvert tredje minutt i de neste 1 time.
    7. Etter at eksperimentet er ferdig, fjern den trykte filamentet og rengjør kammeret.
    8. Gjenta hver måling tre ganger.

3. Partikkelmorfologi ved hjelp av TEM

  1. For å sikre at de målte signalene stammer fra utgitte partikler og ikke fra dampmolekyler, bruk transmisjonselektronmikroskopi (TEM) for å analysere aerosolen.
  2. Tem rutenett forberedelse
    1. Bruk 400 mesh 3,5 mm kobbergitter.
    2. Belegg rutenettene med Collodion. La gittene tørke over natten og oppbevar dem i et tørkekammer til videre bruk. Alternativt kan du bruke forhåndsbelagte rutenett (f.eks. SF162-4 Formvar-Film på 400 netting Cu-net).
    3. På dagen for eksperimentet bør rutenettene hydrofiliseres med 2% Alcian Blue i 0,3% eddiksyreoppløsning.
    4. Pipette 30 μL av den tilberedte Alcian blå oppløsning på en overflate, for eksempel et stykke parafilm. La rutenettene flyte på Alcian blå dråper i 5 til 10 minutter og tørke dem ved hjelp av et filterpapir.
  3. Plasser de tilberedte TEM-gitterene inne i kammeret under utskriftsprosessen og la det stå på plass etterpå i 5 timer for å tillate partikkelsedimentering.
    MERK: For enklere håndtering av gitteret, plasser rutenettene på en plattform belagt med parafilm.
  4. Undersøk minst fire forskjellige områder av hvert rutenett med TEM og bruk diffraksjonsmønstre fra publiserte ressurser for å identifisere materialsammensetning.

4. Mengde metallinnhold før og etter utskrift ved hjelp av ICP-MS

  1. Prøve forberedelse
    1. Skriv ut filament på en plastoverflate for å unngå kontaminering med metall.
    2. Vei ca. 150 mg bulkfilament og trykt filament. For å unngå forurensning med metall, bruk en keramisk kniv til å kutte mindre stykker.
  2. Mikrobølgeovn fordøyelse
    1. Overfør vektede filamenter til mikrobølgeovner.
    2. Tilsett 1,5 ml vann (f.eks. MilliQ), 3,5 ml salpetersyre og 1 ml hydrogenperoksid til hver prøve.
      FORSIKTIG: Tilsett vann først og deretter syre!
    3. Plasser karene i mikrobølgeovnen og start fordøyelsen. Varm opp til 200 °C og hold i 20 minutter.
  3. Bestemme metallkonsentrasjon med ICP-MS
    1. Fortynn alle prøver av filamenter der en høy metallkonsentrasjon er kjent eller mistenkt for å unngå kontaminering av ICP-MS.
    2. Bruk en undersøkelsesskanning til å bestemme hvilke metaller som er i prøvene.
    3. Kvantifisere metallinnholdet i de spesifikke metallene ved hjelp av de riktige kalibreringsstandardene.

Representative Results

Konsentrasjon av partikkelnummer
Den høyeste konsentrasjonen av antall partikler ble målt for PLA-kobber med 4,8 x 106 #/cm 3 og denlaveste for PLA-svart med 4,3 x 105 #/cm3. Generelt ble det observert høyere utslipp for ABS > 106 #/cm3 sammenlignet med PLA. Likevel resulterte noen PLA-filamenter i partikkelkonsentrasjoner over 106 #/cm3 (PLA-hvit og PLA-blå). De forskjellige partikkelkonsentrasjonene kan være relatert til bruk av tilsetningsstoffer. Zhang et al.28 har uttalt at partikler kan dannes av noen tilsetningsstoffer som for eksempel pigmenter, men ikke av bulkmaterialet. Dermed kan bruken av forskjellige pigmenter for forskjellige farger påvirke antall partikler som frigjøres.

I figur 3 er det vist at partikkelutslippsøkning under utskriftsprosessen er vist for PLA-svart og ABS-svart. Resultatene er i samsvar med tidligere 3D-skriverstudier, som viser partikkelkonsentrasjoner på 105-106 #/cm 3 og høyere verdier for ABSsammenlignet med PLA12,13. Floyd et al.13 målte maksimal konsentrasjon på 3,5 x 106 #/cm3 for ABS og 1,1 x 106 #/cm3 for PLA. Det er viktig å nevne, at ABS er generelt trykt ved høyere temperaturer sammenlignet med PLA. For å analysere påvirkningen av utskriftstemperaturen på partikkelutløsning, ble eksperimenter med PLA-svart utført ved 210 °C (standardinnstilling for ABS). Resultatene ble sammenlignet med standardinnstillingen på 200 °C for PLA. Med høyere temperaturinnstilling økte partikkelkonsentrasjonen nesten en størrelsesorden. Gjennomsnittlig konsentrasjon under utskrift med PLA-svart økte fra 2,6 x 105 #/cm3 ved 200 °C til 1,3 x 106 #/cm3 ved 210 °C. Høyere utslipp forårsaket av høyere utskriftstemperatur ble allerede observert i tidligere studier med 3D-skrivere3.

Partikkelstørrelsesfordeling i utslipp av ulike filamenter
Figur 4 viser partikkelstørrelsesfordelinger for PLA ved 200 og 210 °C og for ABS ved 210 °C. Utskrift av ABS resulterte i en høyere partikkelkonsentrasjon og større partikler sammenlignet med PLA. Temperaturøkningen under utskrift av PLA resulterte i høyere partikkelnummerkonsentrasjoner, men hadde ingen signifikant effekt på den geometriske gjennomsnittsdiameteren (GMD). Dette er enig med en tidligere studie28.

Figur 5 viser GMD basert på antallet for alle målte filamenter. Det var en klar trend i forskjell observert mellom partikler som slippes ut under utskrift med ABS eller PLA-filamenter. ABS-prøvene hadde den største GMD fra 203,9 nm for ABS-grønn og opptil 262,1 nm for ABS-blå. ABS-grønn er laget av en annen produsent enn de andre ABS filamenter; dette kan være årsaken til en litt annen partikkelstørrelse. PLA-filamenter som slippes ut mindre partikler med GMDs < 100 nm (63,8 nm for PLA-klar opp til 88,3 nm PLA-blå). For de andre filamenter med tilsetningsstoffer varierte GMD fra 73,1 nm for PLA-stål til 183,9 nm for PLA-kobber. Reproduserbarhet av målinger er tydelig fra de lave relative standardavvikene (RSD) av partikkelstørrelsesmålinger. Området var for det meste mellom 0,96 og 5,58%. Bare i tilfelle av PLA med stål (10,55%) og PLA med CNTs (18,52 %) et høyere område ble observert. Dette kan imidlertid skyldes inhomogenitet i filamenter. Produkter med tilsetningsstoffer er en blanding av termoplastisk (f.eks. i dette tilfellet PLA) og metall eller andre små partikler. Partiklene kan ikke fordeles jevnt og kan dermed forårsake et høyere standardavvik. De geometriske standardavvikene varierte mellom 1,6 og 1,9, noe som indikerer en enkelt modal fordeling i det fine og ultrafine partikkelområdet, som observert i tidligere studier av 3D-skrivere13.

Resultatene viser en betydelig forskjell i partikkelutslipp mellom PLA og ABS filamenter; Dette var ennå ikke klart fra tidligere publikasjoner så ofte bare en eller to filamenter hadde blitt analysert29. Noen forfattere beskrev større partikler for ABS5,12, noen større for PLA2,9. I videre studier ble det ikke observert noen forskjell i størrelse i det heletatt 4,13. Byrley et al.29 anmeldte 13 publikasjoner og beskrev gjennomsnittlige partikkeldiameter fra 14,0 nm til 108,1 nm for PLA og fra 10,5 nm til 88,5 nm for ABS. Forskjellen i partikkelstørrelser kan skyldes målinger på forskjellige tidspunkter. Noen målt ved høyeste konsentrasjon12,13 og noen rapporterte størrelsene for hele utskriftsprosessen5,9. Den eneste studien av 3D penner tilgjengelig så langt rapporterer partikler opp til 60,4 nm for PLA og opp til 173,8 nm for ABS26, som ligner på funnene her.

Størrelsesfordelingsmålingen representerer bare et øyeblikksbilde på ett øyeblikk. For å observere tidsvariabilitet angående størrelsen på den utgitte aerosolen ble partikkelstørrelsesfordelingen for Filament PLA-svart målt 10 ganger hvert tredje minutt etter at utskriften ble stoppet (figur 6A). Målingene viser en økning i GMD (figur 6B) og en reduksjon i partikkelkonsentrasjon (figur 6C) med hver påfølgende målekjøring. Økningen i partikkelstørrelse kan skyldes agglomerasjon, noe som også vil forklare nedgangen i partikkelkonsentrasjon. Interessant, denne forekomsten av partikkelstørrelseøkning og konsentrasjonsreduksjon ble ikke bare observert etter at utskriften har stoppet, men også under utskriftsprosesser. Dette viser at måletiden er en viktig faktor.

Mengde metallinnhold før og etter utskrift ved hjelp av ICP-MS
En sammenligning av filamenter som inneholder metalltilsetningsstoffer før og etter utskriftsprosessen viste ingen forskjell i forhold til metallinnholdet. Dette uendrede metallpolymerforholdet indikerer at de frigjorte partiklene ikke utelukkende er polymer, da dette ville føre til en høyere metallkonsentrasjon i det trykte materialet på grunn av polymertapet. Utgitte metall nanopartikler kan innebære høyere helserisiko for brukeren22. Generelt bør den høye mengden metall i avanserte filamenter noteres. Metaller kan forårsake negative helseeffekter, og spesielt frigjøring av nanoskalapartikler krever sikkerhetsforanstaltninger i dagliglivet scenarier30.

For PLA-kobberfilamentet målte vi en vektprosent på 70 for kobber. For stålfilamentet målte vi vektprosenter på 30% Fe, 8% Cr og 6% Ni i filamentet. Ofte er den nøyaktige sammensetningen av filamenter ikke erklært, og mulige risikoer er derfor ikke kjent for brukeren. Eksponering for nikkel kan ha negative effekter på menneskers helse og kan forårsake hudallergier, lungefibrose, kardiovaskulære og nyresykdommer. Elementet er mistenkt humant kreftfremkallende31.

Foruten metallfilamenter ble PLA clear analysert før og etter utskrift. Her ble en økning av Cu, Zn, Fe, Cr og Ni målt etter utskriftsprosessen. Dette kan skyldes at andre materialer har blitt ekstrahert gjennom 3D-pennen før og resulterer i en minneeffekt. Målinger ble gjentatt med en nyinnkjøpt 3D-penn, og her kunne det ikke observeres noen signifikant økning (figur 7).

Partikkelmorfologi ved hjelp av TEM
TEM-bildene bekreftet tilstedeværelsen av partikler og bekreftet forskjellen i partikkelstørrelse mellom ABS og PLA, målt med SMPS. TEM-bilder viste for det meste partikkelstørrelser rundt 50 nm for PLA (figur 8A). ABS svart viste nesten konsekvent større partikler opp til 100 nm (Figur 8B). Forskjellen på partikkelstørrelser mellom PLA og ABS, sett med SMPS, kan bekreftes. Imidlertid ble mindre størrelser målt ved TEM. De mindre størrelsene kan skyldes SMPS målepartikkel agglomerater, som beskrevet tidligere, og TEM bilder som viser ikke agglomererte partikler.

PLA-kobberfilament inneholdt kobber samt PLA partikler (Figur 8C). Kobber var for det meste i krystallinsk form med størrelser rundt 150 nm. Dette passer til SMPS-målingen av kobberfilamentet, noe som resulterte i gjennomsnittlig GMD på 178 nm (figur 5). Figur 8D viser muligens en utgitt CNT fra PLA-CNT-filamentet. Videre ble det observert frigjøring av små stålpartikler under utskriften med PLA-stålfilament ( figur8E). Aluminiumfilamentet ble beskrevet som "PLA-forbindelse - med en utrolig høy mengde sølvaluminiumflak lagt til"32. Figur 8F viser mulig agglomerasjon av disse flakene, da størrelsen er mye større sammenlignet med den målte GMD på 124 nm ved hjelp av SMPS.

Figure 1
Figur 1: Bilde av 3D-utskriftspenner og skjematisk konstruksjon av en 3D-utskriftspenn. 3D-utskriftspennen varmer filamentet til den valgte temperaturen og ekstruderer smeltet termoplastisk. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Eksperimentelt oppsett for online aerosolmåling. Partikkelkonsentrasjonen måles med en CPC og partikkelstørrelsesfordelingen med en SMPS. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: CPC-måling av partikkelkonsentrasjoner. Målingene viser en økning etter utskriftsstart og høyere konsentrasjoner for ABS sammenlignet med PLA. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Partikkelstørrelsesfordeling målt med SMPS med standardavvik (n=3). PLA-utskrift resulterer i mindre partikkel sammenlignet med ABS. Temperaturøkning resulterer i høyere konsentrasjon, men viser ingen signifikant effekt på partikkelstørrelsen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Gjennomsnittlig geometrisk gjennomsnittsdiameter med standardavvik (n=3) for alle filamenter analysert. Utskrift med PLA resulterte i mindre partikler sammenlignet med ABS. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Partikkelstørrelsesfordeling målt like etter utskriftsstopp. (A)Partikkelstørrelsesfordeling målt hvert tredje minutt over en periode på 30 minutter etter en utskriftsprosess med PLA-svart. (B)Økning av GMD. (C) Reduksjon i konsentrasjon. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Metallinnhold i fordøyde filamenter målt med ICP-MS. Økning av metallinnhold i PLA-klar filament etter utskriftsprosessen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: TEM-Bilder av prøver fra utskriftsprosessen: (A) PLA-svart filament som resulterer i PLA-partikler rundt 50 nm. (B) ABS-svart filament som resulterer i ABS partikler opp til 100 nm. (C) PLA-kobberfilament som resulterer i kobberkrystaller (120-150 nm) i tillegg til PLA. (D) PLA-CNT-filament som resulterer i CNT-frigjøring. (E) PLA-stål filament som resulterer i frigjorte stålfragmenter. (F)PLA-aluminium filament som resulterer i store aluminiumpartikler. (C) – (D): Piler som indikerer henholdsvis PLA og sirkler metall eller CNT. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Protokollen viser en rask, billig og brukervennlig metode for å analysere utslipp av en 3D-utskriftspenn. Foruten sammenligningen av PLA og ABS, filamenter som inneholder betydelige mengder metaller og CNTs kan undersøkes.

Kritiske trinn er rengjøring av kammeret for å unngå krysskontaminering og for å sikre at bakgrunnskonsentrasjonen er lav. Vi brukte en desiccator som et tilgjengelig kammeralternativ, men andre kamre kan brukes.

Partikkelkonsentrasjoner og partikkelstørrelsesfordelinger måles online under og etter utskriftsprosessen. I denne studien ble det registrert partikkelkonsentrasjoner som nådde verdier over10 6 partikler/cm3, noe som kan være bekymringsfullt. Spesielt når partikler mindre enn 100 nm ble funnet. Aerosolmålingene tillot partikkelkonsentrasjonsmålinger med CPC i størrelsesområdet 4 nm til 3 μm. SMPS-målingene tillot bare fordelingsmålinger for partikkelstørrelse mellom 14,4 og 673,2 nm. Mindre eller større partikler kan gå glipp av i disse målingene.

Metoden bekrefter partikkeltilstedeværelse i 3D-pennutslipp ved frakoblet TEM-analyse. I studien ble nanopartikler av de forskjellige termoplastiske materialene samt av metallpartikler og CNTs oppdaget.

For TEM-analysen var vi avhengige av sedimentering av partiklene over tid, da andre prøvetakingsmetoder ikke fungerte, men forbedring eller modifisering av prøvetakingen kan være nyttig. Konsentrasjonen av omgivelsesluften var svært lav og ubetydelig for utslippskonsentrasjonene, men bruk av innløpsfiltre kan være verdifull. I fremtiden vil andre kammervolumer bli brukt til å sammenligne resultatet med 3D-skriverutslipp. Protokollen fokuserte på frigjøring av partikler, men åpne spørsmål forblir, som for eksempel med hensyn til utslipp av flyktige organiske forbindelser (VOC). For 3D-skrivere var det allerede vist at i tillegg til partikler blir VOCer utgitt9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. Det kan antas at 3D-penner kan forårsake lignende utslipp.

3D-skrivere kan startes og skrives ut uten brukerens tilstedeværelse. 3D-utskriftspenner er imidlertid håndholdte enheter og betjenes for det meste manuelt. Derfor forblir brukeren nærmere enheten under hele utskriftsprosessen, noe som resulterer i en potensielt høyere eksponering. Dette bør spesielt bemerkes som 3D penner er ofte annonsert for å være brukbare av barn. Generelt kan partikkelutslipp fra FFF 3D-prosesser sammenlignes med laserskrivere, i form av partikkelnummerkonsentrasjoner34. Dersom det tas forholdsregler for å redusere eksponeringsnivået. Det virker rimelig å råde at 3D-penner skal brukes ved lave utskriftstemperaturer og bare i godt ventilerte miljøer. Filamenter med metall eller andre tilsetningsstoffer bør brukes med forsiktighet, da frigjøring av potensielt skadelige metallnanopartikler eller fibre er sannsynlig.

I fremtiden kan denne protokollen brukes til å sammenligne flere filamenter og forskjellige 3D-utskriftspenner for å få en bedre forståelse av utslippene av disse enhetene og mulig risiko for forbrukerne. Videre kan denne protokollen brukes til å analysere andre aerosolgenererende tilfeller (f.eks. sprøyteprodukter).

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Takk til Sebastian Malke og Nadine Dreiack for laboratoriestøtte.

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

Engineering 3D-utskrift 3D-utskrift penn utslipp nye teknologier avanserte materialer utslipp nanopartikler ultrafine partikler innånding aerosoler innendørs luftkvalitet innendørs forurensende stoffer
3D-utskrift – Evaluering av partikkelutslipp av en 3D-utskriftspenn
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