Detta protokoll presenterar en metod för att analysera utsläpp av 3D-skrivarpennor. Partikelkoncentration och partikelstorleksfördelning av den avsläppta partikeln mäts. Frisläppta partiklar analyseras ytterligare med transmissionselektronmikroskopi (TEM). Metallinnehåll i glödtrådar kvantifieras genom induktivt kopplade plasma masspektrometri (ICP-MS).
Tredimensionella (3D) utskrift som en typ av additiv tillverkning visar fortsatt ökning av tillämpning och konsumenternas popularitet. Den smält glödtråden tillverkning (FFF) är en billig metod som används oftast av konsumenterna. Studier med 3D-skrivare har visat att under tryckprocessen frigörs partikel- och flyktiga ämnen. Handhållna 3D-utskriftspennor använder också FFF-metoden men konsumentens närhet till 3D-pennorna ger anledning till högre exponering jämfört med en 3D-skrivare. Samtidigt marknadsförs ofta 3D-tryckpennor för barn som skulle kunna vara mer känsliga för tryckningsemissionen. Syftet med denna studie var att implementera en lågkostnadsmetod för att analysera utsläpp av 3D-tryckpennor. Polylactide (PLA) och akrylnitril butadien styren (ABS) filament av olika färger testades. Dessutom analyserades filament som innehåller metall och kolnanorör (CNTs). En 18,5 L-kammare och provtagning nära utsläppskällan användes för att karakterisera utsläpp och koncentrationer nära användarens andningszon.
Partikelutsläpp och partikelstorleksfördelningar mättes och den potentiella frisättningen av metallpartiklar och CNTs undersöktes. Partikeltalskoncentrationer hittades i ett intervall av 105 – 106 partiklar/cm3, vilket är jämförbart med tidigare rapporter från 3D-skrivare. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) analys visade nanopartiklar av de olika termoplastiska material samt av metall partiklar och CNTs. Högt innehåll av metall observerades av induktivt kopplade plasma masspektrometri (ICP-MS).
Dessa resultat kräver en försiktig användning av 3D-pennor på grund av potentiell risk för konsumenterna.
3D-utskrift är en lovande additiv tillverkningsmetod, som förutom sina industriella tillämpningar också används i hem, skolor och så kallade maker utrymmen. 3D-skrivare kan nu köpas från och med redan från 200 €, vilket gör dem attraktiva för konsumenterna. Dessa skrivare kan användas för att producera ersättningsdelar, hushållsartiklar, presenter eller andra föremål. Barn kan även göra sina egna leksaker med hjälp av 3D-skrivare. På grund av deras enkla hantering och lågt pris, skrivare baserade på smält glödtråd tillverkning (FFF) är den mest utbredda typen i hobby sektorn1. I denna tryckmetod smälts ett termoplastiskt material, som kallas glödtråd, genom ett munstycke och appliceras lager för lager med hjälp av ett rörligt skrivhuvud tills det tredimensionella objektet är färdigt. Digital datorstödd design (CAD) modeller som behövs för FFF-utskrift är fritt tillgängliga online eller kan utformas i många olika CAD-ritprogram.
Inledande studier har visat att under tryckprocessen av glödtråden, ultrafina partiklar2, 3,4,5,6,7, 8ochflyktiga ämnen9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 frigörs. Ultrafina partiklar kan tränga djupare in i andningsorganen och kan vara svårare att rensa från kroppen19. I en studie med anställda regelbundet använder 3D-skrivare 59% har rapporterat respiratoriska symtom20. De flesta av hobbyistens skrivare är inte hermetiskt tillslutna och har inte utsugningsanordningar för avgaser. Utsläppen släpps därför ut direkt i omgivningsluften och kan utgöra en risk för användaren vid inandning.
Tidigare studier har fokuserat på utsläpp av de vanligaste filamenten polylactide (PLA) och akrylnitril butadienstyren (ABS). Vissa studier har analyserat olika glödtrådar, såsom nylon och hög genomslagskraft polystyren (HIPS)4,10,13. Vidare lanseras ständigt nya filament, som förses med tillsatser som metall eller trä, på marknaden. Dessa glödtrådar gör det möjligt för konsumenten att skriva ut föremål som ser ut och känns som naturligt trä eller metall. Andra glödtrådar gör det möjligt att trycka ledande material som innehåller grafen eller kolnanorör (CNTs)21. Metallnanopartiklar22 och CNTs visar cytotoxiska effekter och orsakade DNA-skador23. Hittills har endast lite forskning bedrivs angående filament som innehåller tillsatser. Floyed et al.13 analyserat PLA kompletterat med brons; Stabile et al.3 undersökt PLA blandas med koppar, trä, bambu och en glödtråd med kolfiber. Båda studier mätte partikelkoncentration och storleksanpassar fördelning emellertid undersöktes morfologin och sammansättningen av de utsläppt partiklarna inte vidare. Särskilt högt bildförhållande nanopartiklar (HARN) såsom CNTs eller asbestfibrer är kända för att orsaka farliga hälsoeffekter24. En nyligen genomförd studie av Stefaniak et al.25 analyseras filament med CNTs och observerade utsläpp av respirabel polymer partiklar som innehåller synliga CNTs.
3D-pennor använder samma FFF-metod som 3D-skrivare, men hittills har endast en studie som undersöker 3D-pennor publicerats26. Författarna använde PLA och ABS filament, men ingen med tillsatser analyserades. På grund av sin handhållna användning är 3D-pennor ännu enklare att använda än 3D-skrivare. De är mer intuitiva, har en liten storlek och kräver inte användning av CAD-modeller. 3D-pennor kan användas för att rita eller skapa objekt, och dessutom för att reparera 3D-tryckta delar och andra plastartiklar. Priserna börjar från så lågt som 30 €, olika former och färger finns tillgängliga för att rikta lägre åldersgrupper. Men framför allt är barn mer sårbara för partikelutsläpp. Deras lungförsvarsmekanismer mot partikel- och gasföroreningar är inte helt utvecklade och de andas en högre volym luft per kroppsvikt27.
För en bättre förståelse av utsättningen och hälsoriskerna med 3D-pennutsläpp undersökte vi olika filament bestående av standardmaterialen PLA och ABS i olika färger. Vidare undersöktes filament med koppar, aluminium, stål och CNT-tillsatser och en glödtråd med glöd-in-the-dark effekt. För att få omfattande insikter i 3D-penntryckprocessen och partikelutsläppsanalysen genomfördes genom online aerosolmätning av partikeltalskoncentrationer och storleksfördelningar, genom transmissionselektronmikroskopi (TEM) undersökning för morfologi och material identifiering och genom induktivt kopplade plasma masspektrometri (ICP-MS) för kvantitativ metall bedömning av glödtrådarna.
Protokollet visar en snabb, billig och användarvänlig metod för att analysera utsläpp av en 3D-utskriftspenna. Förutom jämförelsen av PLA och ABS, filament som innehåller betydande mängder av metaller och CNTs kan undersökas.
Kritiska steg rengörs kammaren för att undvika korskontaminering och för att säkerställa att bakgrundskoncentrationen är låg. Vi använde en exsiccator som ett tillgängligt kammaralternativ, men andra kammare kan användas.
Partikelkoncentrationer och partikelstorleksfördelningar mäts online under och efter tryckprocessen. I denna studie registrerades partikelkoncentrationer som nådde värden över10 6 partiklar/cm3, vilket kan vara oroande. I synnerhet när partiklar mindre än 100 nm hittades. Aerosolmätningarna tillät mätningar av partikelkoncentration med CPC i storleksområdet 4 nm till 3 μm. SMPS-mätningarna tillät endast partikelstorleksfördelningsmätningar mellan 14,4 nm och 673,2 nm. Mindre eller större partiklar kan missas i dessa mätningar.
Metoden bekräftar partikel närvaro i 3D penna utsläpp genom offline TEM analys. I studien upptäcktes nanopartiklar av de olika termoplastiska materialen samt av metallpartiklar och CNTs.
För TEM analysen förlitade vi oss på sedimentering av partiklarna över tiden som andra provtagningsmetoder inte fungerade, men förbättring eller ändring av provtagningen kan vara användbart. Koncentrationen av den omgivande luften var mycket låg och obetydlig för utsläppskoncentrationerna, men användningen av ett inloppsfilter kan vara värdefullt. I framtiden kommer andra kammarvolymer att användas för att jämföra resultatet med 3D-skrivarutsläpp. Protokollet fokuserade på utsläpp av partiklar, men öppna frågor kvarstår, som till exempel när det gäller utsläpp av flyktiga organiska föreningar (VOC). För 3D-skrivare visades det redan att förutom partiklar frigörs KTC9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. Man kan anta att 3D-pennor kan orsaka liknande utsläpp.
3D-skrivare kan startas och sedan skriva ut utan användarens närvaro. 3D-utskrift pennor är dock handhållna enheter och mestadels drivs manuellt. Därför förblir användaren närmare enheten under hela utskriftsprocessen vilket resulterar i en potentiellt högre exponering. Detta bör särskilt noteras som 3D-pennor ofta annonseras för att vara användbara av barn. I allmänhet är partikelutsläppen från FFF 3D-processer jämförbara med laserskrivare, vad gäller partikeltalskoncentrationerna34. Följaktligen bör försiktighetsåtgärder vidtas för att minska exponeringsnivån. Det verkar rimligt att råda om att 3D-pennor bör användas vid låga trycktemperaturer och endast i väl ventilerade miljöer. Filament med metall eller andra tillsatser bör användas med försiktighet, eftersom frisättningen av potentiellt skadliga metallnanopartiklar eller fibrer är sannolikt.
I framtiden kan detta protokoll användas för att jämföra fler filament och olika 3D-skrivarpennor för att få en bättre förståelse för utsläppen av dessa anordningar och den eventuella risken för konsumenterna. Vidare kan detta protokoll användas för att analysera andra aerosolgenererande fall (t.ex. sprayprodukter).
The authors have nothing to disclose.
Tack till Sebastian Malke och Nadine Dreiack för laboratoriestöd.
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 |