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

南極熊導(dǎo)讀：中國(guó)每年生產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)臺(tái)消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)，賣到全球各地，其中相對(duì)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(jī)，某個(gè)模型打印了一晚上，第二天打開(kāi)辦公室門口的瞬間，一陣光敏樹(shù)脂的刺激味道撲面而來(lái)，不得不立即清理干凈樹(shù)脂材料，并開(kāi)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�(gè)嚴(yán)肅的問(wèn)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(shí)，恰恰證明此時(shí)3D打印機(jī)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(huì)產(chǎn)生擔(dān)憂：“3D打印機(jī)排放的這些氣體會(huì)對(duì)人體造成多大危害呢？如果把3D打印機(jī)放在臥室，讓它徹夜運(yùn)作會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生危害嗎？如果把3D打印機(jī)放在辦公室內(nèi)會(huì)影響員工的健康嗎？
無(wú)論您打算把3D打印機(jī)放在室內(nèi)任何地方，都可以通過(guò)這篇文章從科學(xué)、研究和實(shí)踐角度了解如何選擇和購(gòu)買3D打印機(jī)，以及在使用過(guò)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(huì)不會(huì)致癌？

研究表明，所有3D打印機(jī)（本文主要對(duì)FDM/FFF 3D打印機(jī)進(jìn)行分析，光固化及其他技術(shù)會(huì)在后期進(jìn)行跟蹤調(diào)研）在進(jìn)行打印時(shí)都會(huì)產(chǎn)生排放物，其中一些無(wú)害但有異味，是材料加熱后產(chǎn)生的，另一些則可能會(huì)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(jī)釋放的顆粒物（PM）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）含量。


3D打印機(jī)排放顆粒物（PM）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）（圖片來(lái)源：美國(guó)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(huì)堆積在肺部，如果顆粒物的含量過(guò)高，將會(huì)引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，例如哮喘等。除了3D打印機(jī)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�活中�?huì)時(shí)常關(guān)注的污染指數(shù)。

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）：通常在裝修或者購(gòu)買汽車時(shí)候會(huì)特別關(guān)注VOC的情況，如甲醛。去年，如相關(guān)新聞報(bào)道所說(shuō)，有些3D打印機(jī)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(jìn)行中。

盡管詳細(xì)的調(diào)查仍然在進(jìn)行中，但是FDM排放物對(duì)人體的危害大小取決于操作環(huán)境和接觸時(shí)間。2021年有項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，人體接觸排放物一個(gè)小時(shí)或更短時(shí)間內(nèi)，不會(huì)影響健康。但那些每周待在打印機(jī)周圍，工作40小時(shí)以上的人群可能罹患呼吸系統(tǒng)疾病。1小時(shí)到40小時(shí)之間的灰度區(qū)域還需要實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。


△美國(guó)密歇根凱特林大學(xué)（Kettering University）的實(shí)驗(yàn)室中所有打印機(jī)都密封在3DPrintClean過(guò)濾箱內(nèi)（圖片來(lái)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(duì)于學(xué)校，特別是學(xué)校內(nèi)的3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的情況更加重視。美國(guó)環(huán)保局（EPA）針對(duì)3D打印機(jī)排放情況做的一份研究報(bào)告表明，兒童可能特別容易受到3D打印機(jī)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(rèn)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(guó)外廠商3Doodler專為兒童開(kāi)發(fā)了一款3D打印筆，通過(guò)降低熔點(diǎn)來(lái)減少PM

因此本文會(huì)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(jī)時(shí)進(jìn)行自我保護(hù)，如果計(jì)劃購(gòu)買3D打印機(jī)，該如何考慮。

如何在使用3D打印機(jī)時(shí)減少可能產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)


△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(jī)的資料以及其排放物對(duì)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(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）等部門進(jìn)行的多項(xiàng)研究，耗材的種類對(duì)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(guó)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(lái)越廣泛，有必要調(diào)查清楚耗材添加劑會(huì)對(duì)人體健康造成什么影響。未來(lái)FDA會(huì)繼續(xù)調(diào)查其他添加劑和涉及的揮發(fā)性有機(jī)化合物與顆粒物質(zhì)的特性，并出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。”

目前FDA的大多數(shù)研究都集中分析最常見(jiàn)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(shí)除了最開(kāi)始會(huì)產(chǎn)生大量PM和VOCs，之后整個(gè)打印過(guò)程排放量都很穩(wěn)定。如上所述，因?yàn)榕欧诺腣OCs會(huì)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(shí)的排放量比ABS少。這些材料同樣在剛開(kāi)始使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量顆粒物，但不會(huì)持續(xù)排放。所以一般我們稱這些材料為低排放材料。

同時(shí)他們也注意到，PLA排放情況會(huì)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(shí)驗(yàn)后，就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，他呼吁用戶謹(jǐn)慎購(gòu)買廉價(jià)的無(wú)牌耗材。他說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，使用廉價(jià)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(shí)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(huì)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(qiáng)。但由于PLA只在打印最開(kāi)始時(shí)會(huì)產(chǎn)生這些有害物質(zhì)，隨著時(shí)間推移，ABS耗材排放物的毒性就會(huì)慢慢超過(guò)PLA耗材排放物的毒性。


△針對(duì)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(kāi)開(kāi)創(chuàng)性調(diào)查實(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)源：氣溶膠科學(xué)與技術(shù)雜志）

2. 設(shè)定優(yōu)化：更細(xì)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(huì)影響排放情況。特別是使用PLA耗材和尼龍耗材時(shí)，打印機(jī)品牌和參數(shù)的影響更為明顯。有些設(shè)定也會(huì)對(duì)PM和VOCs排放速率產(chǎn)生巨大影響。

布爾諾理工大學(xué)進(jìn)行了一項(xiàng)研究，研究人員對(duì)比打印機(jī)設(shè)置對(duì)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(shí)候，能確保打印成功的同時(shí)，最大程度減少排放量；同時(shí)當(dāng)噴嘴溫度設(shè)定的比較低的時(shí)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(jī)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(duì)排放率和顆粒濃度都有明顯影響。針對(duì)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(gè)例外，使用TPU時(shí)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(lái)源：國(guó)際環(huán)境研究和公共衛(wèi)生雜志，“3D打印中影響超細(xì)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(jī)設(shè)定是影響排放的最關(guān)鍵因素。而另一項(xiàng)使用ABS和PLA測(cè)試的研究發(fā)現(xiàn)，加熱的打印平臺(tái)不會(huì)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(wèn)題，恰當(dāng)?shù)耐�風(fēng)方法是關(guān)鍵。用戶應(yīng)把打印機(jī)放在通風(fēng)良好的位置，排氣口安裝上風(fēng)扇，這樣才能達(dá)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(guò)濾系統(tǒng)來(lái)配合使用。建議使用高效空氣（HEPA）過(guò)濾器，它能去除高達(dá)99.95%的微粒。要減少VOCs的排放，活性炭過(guò)濾器則是最好的解決方案。

3. 對(duì)于開(kāi)放式打印機(jī)，增加其他配套裝置

給3D打印機(jī)罩上一個(gè)帶有空氣過(guò)濾器的小型通風(fēng)外殼是不錯(cuò)的選擇。研究表明，把一臺(tái)桌面型3D打印機(jī)放在具備過(guò)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(gòu)時(shí)要查看購(gòu)買的外殼是否帶有HEPA系統(tǒng)，因?yàn)槭忻嫔虾芏?D打印機(jī)外殼只是用來(lái)維持熱量，并沒(méi)有排放功效。



△法國(guó)公司Alveo3D專門定制的帶有HEPA過(guò)濾器的打印機(jī)外殼（圖片來(lái)源：Alveo3D）

空氣凈化器使用風(fēng)扇將空氣吸入，通過(guò)各種過(guò)濾和消毒手段清除各種污染物。在改善3D打印機(jī)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(guò)濾器的空氣凈化器。選購(gòu)空氣過(guò)濾器要非常仔細(xì)謹(jǐn)慎，因?yàn)閷ｉT用于灰塵和劃分的過(guò)濾器可能無(wú)法完全清除3D打印機(jī)排放的顆粒物或VOCs。記得定期更換機(jī)器上的過(guò)濾網(wǎng)。



4. 在室內(nèi)安裝空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器可以幫助用戶實(shí)時(shí)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(fèi)級(jí)監(jiān)測(cè)器產(chǎn)品是否足夠敏銳，能否在3D打印過(guò)程中檢測(cè)出排放的微小顆粒，研究結(jié)論不一。一項(xiàng)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(cè)器只能檢測(cè)到大小在1到2.5微米間的顆粒物（定義為PM1-PM2.5）。不過(guò)有一些監(jiān)測(cè)器可以檢測(cè)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(jí)研究場(chǎng)所中，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器也不一定可靠。但如果您的監(jiān)測(cè)器顯示PM濃度已經(jīng)高于35微克/立方米時(shí)，就要開(kāi)始想辦法清除工作區(qū)域排放物了。

如何選擇購(gòu)買保證空氣質(zhì)量的打印機(jī)？

1. 選購(gòu)內(nèi)置HEPA過(guò)濾器的FDM打印機(jī)

由于暫時(shí)沒(méi)有成熟的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為了在使用3D打印機(jī)時(shí)能保障室內(nèi)空氣質(zhì)量，可以從3D打印機(jī)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(jī)入手�，F(xiàn)在市面上有很多內(nèi)置空氣過(guò)濾器的3D打印機(jī)，有了這些打印機(jī)可以省去單獨(dú)購(gòu)買空氣過(guò)濾器配件的步驟，并從“源頭上”對(duì)排放物進(jìn)行控制。
大部分消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)不配備常規(guī)空氣過(guò)濾器，專業(yè)級(jí)機(jī)型有的會(huì)配置，有的則需要額外加裝，選購(gòu)時(shí)候需要特別注意。而工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)則是專為工廠設(shè)計(jì)的，必須配備空氣過(guò)濾器，以滿足工作場(chǎng)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(gòu)買相應(yīng)的3D打印機(jī)，但最好是直接選購(gòu)配備過(guò)濾系統(tǒng)的機(jī)型。

Raise3D

Raise3D 新款 Pro3打印機(jī)搭載了Air Flow Manager 氣流管家系統(tǒng)，先通過(guò)打印機(jī)倉(cāng)內(nèi)循環(huán)，再通過(guò)HEPA過(guò)濾，實(shí)際效果遠(yuǎn)高于僅僅使用HEPA進(jìn)行過(guò)濾的機(jī)型。其原理可能是讓細(xì)小的顆粒物在艙內(nèi)循環(huán)過(guò)程中互相接觸時(shí)變成大的的灰塵顆粒而更容易吸附或沉降。



2. 為可擴(kuò)展的FDM打印機(jī)加配空氣過(guò)濾器

還有一些3D打印機(jī)雖然沒(méi)有自帶的空氣過(guò)濾器系統(tǒng)，但也提供與設(shè)備配套的空氣過(guò)濾器配件。雖然都可以做到從“源頭上”對(duì)排放物進(jìn)行控制，但這類3D打印機(jī)將需要花費(fèi)額外的費(fèi)用和步驟去添置配件，相對(duì)于價(jià)格和功能相似的內(nèi)置過(guò)濾器的設(shè)備來(lái)說(shuō)，成本也將更高。

Zortrax

Zortrax的HEPA頂蓋（額外$250，約合1,500元人民幣) 適合大部分Zortrax模型，內(nèi)置活性炭過(guò)濾器在打印過(guò)程中能夠吸收很多難聞氣味，HEPA過(guò)濾器則可以捕捉大部分有害顆粒。

MakerBot

所有MakerBot Method和Method X打印機(jī)的Clean Air System（額外加裝需$899，約合人民幣6,300元）都裝有一個(gè)HEPA過(guò)濾器，而且是經(jīng)過(guò)GreenGuard環(huán)保認(rèn)證的。

Ultimaker

據(jù)Ultimaker制造商稱，Ultimaker S5 Air Manager（額外加裝需$925，約合人民幣6,500元）配備E10級(jí)顆粒過(guò)濾器，能夠過(guò)濾掉高達(dá)95%的超細(xì)顆粒，其中還裝載了一個(gè)靜音風(fēng)扇。



總結(jié)

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在越來(lái)越多課堂、高校和企業(yè)都會(huì)使用3D打印機(jī)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮逃�、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�特別關(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(shí)保護(hù)兒童出現(xiàn)類似過(guò)去三聚氰胺的事件發(fā)生。

原文鏈接：https://all3dp.com/1/3d-printing-emissions-air-quality/