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      3D打印是否會致癌？如何正確使用？學(xué)校如何選擇3D打印機？

      更新時間:2022-09-20 16:00:23
      中國每年生產(chǎn)數(shù)百萬臺消費級3D打印機，賣到全球各地，其中相對一部分是被用戶放在家里或者辦公室里使用。不久前南極熊辦公室新到了LCD 光固化3D打印機，某個模型打印了一晚上，第二天打開辦公室門口的瞬間，一陣光敏樹脂的刺激味道撲面而來，不得不立即清理干凈樹脂材料，并開窗通風(fēng)透氣，我在外面呆了好幾分鐘后，才又回到辦公室。



      今天要談?wù)撘粋€嚴肅的問題：3D打印的安全性，到底如何？

      當(dāng)空氣中彌漫著塑料融化的奇妙氣味時，恰恰證明此時3D打印機正在努力工作。但您可能看到去年有媒體披露3D打印有毒的消息后，肯定會產(chǎn)生擔(dān)憂：“3D打印機排放的這些氣體會對人體造成多大危害呢？如果把3D打印機放在臥室，讓它徹夜運作會對身體產(chǎn)生危害嗎？如果把3D打印機放在辦公室內(nèi)會影響員工的健康嗎？
      無論您打算把3D打印機放在室內(nèi)任何地方，都可以通過這篇文章從科學(xué)、研究和實踐角度了解如何選擇和購買3D打印機，以及在使用過程中如何保障空氣質(zhì)量安全。

      這些氣體由什么成分組成？會不會致癌？

      研究表明，所有3D打印機（本文主要對FDM/FFF 3D打印機進行分析，光固化及其他技術(shù)會在后期進行跟蹤調(diào)研）在進行打印時都會產(chǎn)生排放物，其中一些無害但有異味，是材料加熱后產(chǎn)生的，另一些則可能會危害健康。要判斷這些排放物是否安全，需要尤其關(guān)注打印機釋放的顆粒物（PM）和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）含量。


      3D打印機排放顆粒物（PM）和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）（圖片來源：美國環(huán)保局 [US EPA]）

      可吸入顆粒物（PM）：通常情況下，人吸入的顆粒物會堆積在肺部，如果顆粒物的含量過高，將會引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，例如哮喘等。除了3D打印機之外，這些顆粒物也出現(xiàn)在日常生活中，如汽車尾氣、山火燃燒等，PM2.5也是我們?nèi)粘Ｉ钪袝r常關(guān)注的污染指數(shù)。

      揮發(fā)性有機化合物（VOC）：通常在裝修或者購買汽車時候會特別關(guān)注VOC的情況，如甲醛。去年，如相關(guān)新聞報道所說，有些3D打印機造成的VOCs具有致癌性，但這些排放物的毒性還未徹底研究清楚，調(diào)查仍在進行中。

      盡管詳細的調(diào)查仍然在進行中，但是FDM排放物對人體的危害大小取決于操作環(huán)境和接觸時間。2021年有項研究發(fā)現(xiàn)，人體接觸排放物一個小時或更短時間內(nèi)，不會影響健康。但那些每周待在打印機周圍，工作40小時以上的人群可能罹患呼吸系統(tǒng)疾病。1小時到40小時之間的灰度區(qū)域還需要實驗來進一步驗證。


      △美國密歇根凱特林大學(xué)（Kettering University）的實驗室中所有打印機都密封在3DPrintClean過濾箱內(nèi)（圖片來源：凱特林大學(xué)）

      雖然關(guān)于兒童的數(shù)據(jù)和結(jié)論同樣也在研究中，但我們需要對于學(xué)校，特別是學(xué)校內(nèi)的3D打印創(chuàng)新實驗室的情況更加重視。美國環(huán)保局（EPA）針對3D打印機排放情況做的一份研究報告表明，兒童可能特別容易受到3D打印機排放物的影響。研究發(fā)現(xiàn)與成人相比，9歲至18歲的兒童吸入3D打印排放的顆粒物后，肺部被顆粒覆蓋的表面積更大。EPA認為這可能與孩童好奇心比較大，更偏好近距離接觸打印頭有關(guān)，并且兒童的呼吸道還處于發(fā)育階段，容易受到感染。


      △國外廠商3Doodler專為兒童開發(fā)了一款3D打印筆，通過降低熔點來減少PM

      因此本文會帶大家逐一了解目前的研究成果，幫助大家特別是教育工作者了解如何在室內(nèi)使用3D打印機時進行自我保護，如果計劃購買3D打印機，該如何考慮。

      如何在使用3D打印機時減少可能產(chǎn)生的健康風(fēng)險


      △芬蘭阿爾托大學(xué)3D打印工作室，該校收集了大量有關(guān)3D打印機的資料以及其排放物對健康和空氣質(zhì)量的影響數(shù)據(jù)，本文部分援引該校數(shù)據(jù)。

      1.使用低排放型材料（如PLA），并選擇原廠或品牌線材

      首先，影響FDM排放量情況的最大因素是耗材。根據(jù)美國環(huán)境保護局（EPA）等部門進行的多項研究，耗材的種類對于排放量有至關(guān)重要的影響，取決于制造商使用的原料和中間的合成工藝——不同耗材中含有不同增韌、著色等添加劑，其受到熱熔的影響不一。美國食品和藥物管理局（FDA）最近也表示，“隨著3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，有必要調(diào)查清楚耗材添加劑會對人體健康造成什么影響。未來FDA會繼續(xù)調(diào)查其他添加劑和涉及的揮發(fā)性有機化合物與顆粒物質(zhì)的特性，并出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?！?/span>

      目前FDA的大多數(shù)研究都集中分析最常見的三種耗材——ABS、PLA和尼龍，ABS一般都被列為高排放材料。ABS使用時除了最開始會產(chǎn)生大量PM和VOCs，之后整個打印過程排放量都很穩(wěn)定。如上所述，因為排放的VOCs會迅速與顆粒物結(jié)合，融為一體，后續(xù)持續(xù)產(chǎn)生的主要排放物基本都是顆粒物。PLA和尼龍材料使用時的排放量比ABS少。這些材料同樣在剛開始使用時會產(chǎn)生大量顆粒物，但不會持續(xù)排放。所以一般我們稱這些材料為低排放材料。

      同時他們也注意到，PLA排放情況會受耗材品牌的影響，不同品牌的耗材品質(zhì)參差不齊，有些PLA的排放量甚至接近ABS的排放量。佐治亞理工學(xué)院的研究員Rodney Weber早在2017年做了關(guān)于耗材排放情況的實驗后，就發(fā)現(xiàn)了這一點，他呼吁用戶謹慎購買廉價的無牌耗材。他說，“我們發(fā)現(xiàn)，使用廉價的耗材比使用原廠或者知名品牌廠商生產(chǎn)或推薦的耗材，打印時產(chǎn)生的氣溶膠濃度將更高。雖然PLA是由玉米淀粉等可生物降解材料制成的，但是我們和氣溶膠協(xié)會相關(guān)研究都發(fā)現(xiàn)，某些PLA排放的顆粒物和化合物甚至比ABS的毒性更強。但由于PLA只在打印最開始時會產(chǎn)生這些有害物質(zhì)，隨著時間推移，ABS耗材排放物的毒性就會慢慢超過PLA耗材排放物的毒性。


      △針對3D打印的排放情況,佐治亞理工學(xué)院的研究員Rodney Weberz正在展開開創(chuàng)性調(diào)查實驗（圖片來源：氣溶膠科學(xué)與技術(shù)雜志）

      2. 設(shè)定優(yōu)化：更細噴嘴，降低噴嘴溫度，并選擇最佳效果

      其次，不同制造商的硬件參數(shù)各不相同，這些參數(shù)都會影響排放情況。特別是使用PLA耗材和尼龍耗材時，打印機品牌和參數(shù)的影響更為明顯。有些設(shè)定也會對PM和VOCs排放速率產(chǎn)生巨大影響。

      布爾諾理工大學(xué)進行了一項研究，研究人員對比打印機設(shè)置對ABS、PLA、PET和TPU材料的影響。結(jié)果表明，當(dāng)我們選擇最優(yōu)打印設(shè)定時候，能確保打印成功的同時，最大程度減少排放量；同時當(dāng)噴嘴溫度設(shè)定的比較低的時候，其材料產(chǎn)生的排放物都將更少。因此，從呼吸道健康的角度出發(fā)，研究人員推薦打印機用戶盡可能設(shè)定最低的噴嘴溫度，甚至比制造商建議的更低。該研究還發(fā)現(xiàn)，噴嘴尺寸大小對排放率和顆粒濃度都有明顯影響。針對ABS、PET和PLA材料，他們發(fā)現(xiàn)使用0.4mm的噴嘴產(chǎn)生的PM最少。TPU則是個例外，使用TPU時噴嘴尺寸增加到0.6mm排放量更少。


      △不同噴嘴溫度/尺寸設(shè)定下，打印期間顆粒形成最高速率（圖片來源：國際環(huán)境研究和公共衛(wèi)生雜志，“3D打印中影響超細顆粒排放的參數(shù)”）
      研究結(jié)果還顯示材料流量或打印速度幾乎不影響排放量。因此，擠出機設(shè)定是影響排放的最關(guān)鍵因素。而另一項使用ABS和PLA測試的研究發(fā)現(xiàn)，加熱的打印平臺不會增大排放量，反而有助于增大顆粒大小，更容易減少顆粒物數(shù)量。

      幾乎所有研究人員都指出，要改善室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，恰當(dāng)?shù)耐L(fēng)方法是關(guān)鍵。用戶應(yīng)把打印機放在通風(fēng)良好的位置，排氣口安裝上風(fēng)扇，這樣才能達到最佳效果。所有通風(fēng)系統(tǒng)都應(yīng)該配備相應(yīng)的空氣過濾系統(tǒng)來配合使用。建議使用高效空氣（HEPA）過濾器，它能去除高達99.95%的微粒。要減少VOCs的排放，活性炭過濾器則是最好的解決方案。

      3. 對于開放式打印機，增加其他配套裝置

      給3D打印機罩上一個帶有空氣過濾器的小型通風(fēng)外殼是不錯的選擇。研究表明，把一臺桌面型3D打印機放在具備過濾通風(fēng)性能的外殼中，可以減少97%的粒子排放率。但需要注意的是，在選購時要查看購買的外殼是否帶有HEPA系統(tǒng)，因為市面上很多3D打印機外殼只是用來維持熱量，并沒有排放功效。



      △法國公司Alveo3D專門定制的帶有HEPA過濾器的打印機外殼（圖片來源：Alveo3D）

      空氣凈化器使用風(fēng)扇將空氣吸入，通過各種過濾和消毒手段清除各種污染物。在改善3D打印機工作區(qū)域空氣質(zhì)量上，它們能發(fā)揮巨大作用，但最好選用配備HEPA和活性炭過濾器的空氣凈化器。選購空氣過濾器要非常仔細謹慎，因為專門用于灰塵和劃分的過濾器可能無法完全清除3D打印機排放的顆粒物或VOCs。記得定期更換機器上的過濾網(wǎng)。



      4. 在室內(nèi)安裝空氣質(zhì)量監(jiān)測器

      空氣質(zhì)量監(jiān)測器可以幫助用戶實時監(jiān)控工作區(qū)域中潛在有害化學(xué)物質(zhì)的含量。然而，關(guān)于消費級監(jiān)測器產(chǎn)品是否足夠敏銳，能否在3D打印過程中檢測出排放的微小顆粒，研究結(jié)論不一。一項研究表明，耗材中排放出的絕大多數(shù)固體顆粒材料大小在0.05到0.2微米間。而大多數(shù)家用空氣質(zhì)量監(jiān)測器只能檢測到大小在1到2.5微米間的顆粒物（定義為PM1-PM2.5）。不過有一些監(jiān)測器可以檢測到0.1微米以下的顆粒物（定義為PM0.1）。
      一些研究指出，即使在高級研究場所中，空氣質(zhì)量監(jiān)測器也不一定可靠。但如果您的監(jiān)測器顯示PM濃度已經(jīng)高于35微克/立方米時，就要開始想辦法清除工作區(qū)域排放物了。

      如何選擇購買保證空氣質(zhì)量的打印機？

      1. 選購內(nèi)置HEPA過濾器的打印機

      由于暫時沒有成熟的檢測標(biāo)準(zhǔn)，為了在使用3D打印機時能保障室內(nèi)空氣質(zhì)量，可以從3D打印機本身和室內(nèi)環(huán)境出發(fā)，找到相應(yīng)的解決方案。首先，可以從3D打印機入手?，F(xiàn)在市面上有很多內(nèi)置空氣過濾器的3D打印機，有了這些打印機可以省去單獨購買空氣過濾器配件的步驟，并從“源頭上”對排放物進行控制。
      大部分消費級3D打印機不配備常規(guī)空氣過濾器，專業(yè)級機型有的會配置，有的則需要額外加裝，選購時候需要特別注意。而工業(yè)級3D打印機則是專為工廠設(shè)計的，必須配備空氣過濾器，以滿足工作場所的安全規(guī)章制度。用戶可以根據(jù)打印模型的數(shù)量和所處環(huán)境，購買相應(yīng)的3D打印機，但最好是直接選購配備過濾系統(tǒng)的機型。

      總結(jié)

      隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多課堂、高校和企業(yè)都會使用3D打印機，因為它們在教育、科研中能發(fā)揮巨大作用。盡管目前數(shù)據(jù)仍然不足以支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立，但我們?nèi)匀恍枰貏e關(guān)注潛在的危害，防患于未然，減少可能產(chǎn)生的職業(yè)危害，同時保護兒童出現(xiàn)類似過去三聚氰胺的事件發(fā)生。