Denne protokol præsenterer en metode til at analysere emissionen af 3D-printpenne. Partikelkoncentration og partikelstørrelsesfordeling af den frigivne partikel måles. Frigivne partikler analyseres yderligere med transmissionselektronmikroskopi (TEM). Metalindholdet i filamenter kvantificeres ved induktivt koblet plasmamassespektrometri (ICP-MS).
Tre-dimensionel (3D) udskrivning som en type additiv fremstilling viser fortsat stigning i anvendelse og forbrugernes popularitet. Den fusionerede glødetråd fabrikation (FFF) er en billig metode, der anvendes hyppigst af forbrugerne. Undersøgelser med 3D-printere har vist, at der under trykprocessen frigives partikler og flygtige stoffer. Håndholdte 3D-printpenne bruger også FFF-metoden, men forbrugerens nærhed til 3D-pennene giver grund til højere eksponering sammenlignet med en 3D-printer. Samtidig markedsføres 3D-printpenne ofte for børn, der kunne være mere følsomme over for udskrivningsemissionen. Formålet med denne undersøgelse var at gennemføre en billig metode til at analysere emissionerne af 3D-print penne. Polylaktid (PLA) og acrylonitrile butadien styren (ABS) filamenter af forskellige farver blev testet. Desuden blev filamenter indeholdende metal- og kulstofnanorør (CNT’er) analyseret. Et 18,5 L kammer og prøveudtagning tæt på emissionskilden blev anvendt til at karakterisere emissioner og koncentrationer nær brugerens vejrtrækningszone.
Partikelemissioner og partikelstørrelsesfordelinger blev målt, og den potentielle frigivelse af metalpartikler og CNT’er blev undersøgt. Partikeltalkoncentrationer blev fundet i et interval på 105 – 106 partikler/cm3, hvilket kan sammenlignes med tidligere rapporter fra 3D-printere. Transmission elektronmikroskopi (TEM) analyse viste nanopartikler af de forskellige termoplastiske materialer samt af metalpartikler og CNTs. Højt indhold af metal blev observeret ved induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS).
Disse resultater kræver en forsigtig brug af 3D-penne på grund af potentiel risiko for forbrugerne.
3D-print er en lovende additiv fremstillingsmetode, som ud over sine industrielle anvendelser også anvendes i boliger, skoler og såkaldte maker rum. 3D-printere kan nu købes allerede fra 200 €, hvilket gør dem attraktive for forbrugerne. Disse printere kan bruges til at producere reservedele, husholdningsartikler, gaver eller andre genstande. Børn kan endda lave deres eget legetøj ved hjælp af 3D-printere. På grund af deres nemme håndtering og lave pris, printere baseret på smeltet glødetråd (FFF) er den mest udbredte type i hobby sektor1. I denne trykmetode smeltes et termoplastisk materiale, kaldet glødetråd, gennem en dyse og påføres lag for lag ved hjælp af et bevægeligt skrivehoved, indtil det tredimensionale objekt er færdigt. Cad-modeller (Digital Computer-aided design), der er nødvendige til FFF-udskrivning, er frit tilgængelige online eller kan designes i mange forskellige CAD-tegneprogrammer.
Indledende undersøgelser har vist, at under trykningsprocessen af glødetråden, ultrafine partikler2,3,4,5,6,7,8 ogflygtige stoffer9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 frigives. Ultrafine partikler kan trænge dybere ind i åndedrætssystemet og kan være sværere at fjerne fra kroppen19. I en undersøgelse med medarbejdere, der regelmæssigt bruger 3D-printere 59% har rapporteret respiratoriske symptomer20. De fleste af hobbyist printere er ikke hermetisk forseglet og ikke har udstødning røg udsugning enheder. Emissioner frigives derfor direkte til luften og kan udgøre en risiko for brugeren ved indånding.
Tidligere undersøgelser har fokuseret på emissioner af de mest almindeligt anvendte filamenter polylaktid (PLA) og acrylonitrile butadien styren (ABS). Nogle undersøgelser har analyseret forskellige filamenter, såsom nylon og high-impact polystyren (HIPS)4,10,13. Desuden lanceres der hele tiden nye filamenter, som er forsynet med tilsætningsstoffer såsom metal eller træ. Disse filamenter gør det muligt for forbrugeren at udskrive objekter, der ser ud og føles som naturtræ eller metal. Andre filamenter gør det muligt at udskrive ledende materialer, der indeholder grafen eller kulstofnanorør (CNT’er)21. Metal nanopartikler22 og CNT’er viser cytotoksiske virkninger og forårsagede DNA-skader23. Indtil videre er der kun udført kun få undersøgelser vedrørende filamenter, der indeholder tilsætningsstoffer. Floyed et al.13 analyseret PLA suppleret med bronze; Stabile et al.3 undersøgte PLA blandet med kobber, træ, bambus og en glødetråd med kulfiber. Begge undersøgelser målte partikelkoncentration og størrelsesfordeling, men morfologien og sammensætningen af de frigivne partikler blev ikke undersøgt yderligere. Især høj højde-bredde-forhold nanopartikler (HARN) såsom CNTs eller asbest fibre er kendt for at forårsage farlige sundhedsmæssige virkninger24. En nylig undersøgelse af Stefaniak et al.25 analyserede filamenter med CNT’er og observeret emission af respirable polymerpartikler indeholdende synlige CNT’er.
3D penne bruge den samme FFF metode som 3D-printere, men hidtil kun én undersøgelse undersøge 3D penne er blevet offentliggjort26. Forfatterne brugte PLA og ABS filamenter, men ingen med tilsætningsstoffer blev analyseret. På grund af deres håndholdte brug er 3D-penne endnu nemmere at bruge end 3D-printere. De er mere intuitive, har en lille størrelse og kræver ikke brug af CAD-modeller. 3D penne kan bruges til at tegne eller oprette objekter, og desuden til at reparere 3D trykte dele og andre plastgenstande. Priserne starter fra så lavt som 30 €, forskellige former og farver er tilgængelige for at målrette lavere aldersgrupper. Men især børn er mere sårbare over for partikelemissioner. Deres lungeforsvarsmekanismer mod partikel- og gasformig forurening er ikke fuldt udviklet, og de indånder en større mængde luft pr. kropsvægt27.
For en bedre forståelse af frigivelsen og de sundhedsmæssige risici ved 3D-pen emissioner, undersøgte vi forskellige filamenter bestående af standard materialer PLA og ABS i forskellige farver. Desuden blev filamenter med kobber, aluminium, stål og CNT tilsætningsstoffer og en glødetråd med glød-in-the-dark effekt undersøgt. For at få omfattende indsigt i 3D-pentrykprocessen og partikelemissionsanalysen blev udført ved online aerosolmåling af partikelnummerkoncentrationer og størrelsesfordelinger, ved transmissionselektikmikroskopi (TEM) for identifikation af morfologi og materialer og ved induktivt koblet plasmamassespektrometri (ICP-MS) til kvantitativ metalvurdering af filamenterne.
Protokollen viser en hurtig, billig og brugervenlig metode til at analysere emissioner af en 3D-printpen. Ud over sammenligningen af PLA og ABS kan filamenter, der indeholder betydelige mængder metaller og CNT’er, undersøges.
Kritiske trin renser kammeret for at undgå krydskontaminering og for at sikre, at baggrundskoncentrationen er lav. Vi brugte en eksikator som en tilgængelig kammer mulighed, men andre kamre kan bruges.
Partikelkoncentrationer og partikelstørrelsesfordelinger måles online under og efter trykprocessen. I denne undersøgelse blev der registreret partikelkoncentrationer, der nåede værdier over10 6 partikler/cm3, hvilket kan give anledning til bekymring. Især når partikler mindre end 100 nm blev fundet. Aerosolmålingerne gjorde det muligt at måle partikelkoncentrationen med CPC i størrelsesområdet 4 nm til 3 μm. SMPS-målingerne tillod kun partikelstørrelsesfordelingsmålinger mellem 14,4 nm og 673,2 nm. Mindre eller større partikler kan blive overset i disse målinger.
Metoden bekræfter partikeltilstedeværelse i 3D-penneemissioner ved offline TEM-analyse. I undersøgelsen blev nanopartikler af de forskellige termoplastiske materialer samt af metalpartikler og CNT’er påvist.
Til TEM-analysen var vi afhængige af sedimenteringen af partiklerne over tid, da andre prøveudtagningsmetoder ikke virkede, men forbedring eller ændring af prøveudtagningen kan være nyttig. Koncentrationen af den omgivende luft var meget lav og ubetydelig for emissionskoncentrationerne, men brugen af en indløbsfiltre kan være værdifuld. I fremtiden vil andre kammermængder blive brugt til at sammenligne resultatet med 3D-printeremissioner. Protokollen fokuserede på frigivelse af partikler, men der er stadig åbne spørgsmål, som f.eks. For 3D-printere blev det allerede vist, at der ud over partikler frigivesVOC’er 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. Det kan antages, at 3D-penne kan forårsage lignende emissioner.
3D-printere kan startes og derefter udskrives uden brugerens tilstedeværelse. 3D-print penne er dog håndholdte enheder og betjenes for det meste manuelt. Derfor forbliver brugeren tættere på enheden under hele udskrivningsprocessen, hvilket resulterer i en potentielt højere eksponering. Dette bør især bemærkes som 3D-penne er ofte annonceres for at være brugbar af børn. Generelt kan partikelemissioner fra FFF 3D-processer sammenlignes med laserprintere, hvad angårpartikelnummerkoncentrationer 34. Der bør derfor træffes forholdsregler for at reducere eksponeringsniveauet. Det forekommer rimeligt at råde til, at 3D-penne bør anvendes ved lave udskrivningstemperaturer og kun i godt ventilerede miljøer. Filamenter med metal eller andre tilsætningsstoffer bør anvendes med forsigtighed, da frigivelsen af potentielt skadelige metal nanopartikler eller fibre er sandsynlig.
I fremtiden kan denne protokol bruges til at sammenligne flere filamenter og forskellige 3D-print penne for at få en bedre forståelse af emissionerne af disse enheder og den mulige risiko for forbrugerne. Desuden kan denne protokol bruges til at analysere andre aerosolgenererende tilfælde (f.eks. sprayprodukter).
The authors have nothing to disclose.
Tak til Sebastian Malke og Nadine Dreiack for laboratoriestøtte.
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 |