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).
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.
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.
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).
The authors have nothing to disclose.
Takk 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 |