3D printanje - praktični vodič o kvaliteti zraka i štetnim česticama

Slatki miris plastike koja se topi ohrabrujući je znak kako vaš 3D printer teško radi. No vjerojatno ste se pitali koliko su štetna isparenja 3D printera? Trebam li ostaviti 3D printer da radi preko noći u spavaćoj sobi te bi li uredski radnici trebali sjediti u istoj prostoriji s printerima?

U nastavku ćete saznati što kaže znanost, studije i koji su najbolji načini za održavanje sigurne kvalitete zraka bez obzira gdje smjestili printere.

Kakav je to točno miris?

Istraživanja su pokazala da svi 3D printeri tijekom rada proizvode različite emisije. Neke od njih su bezopasni neugodni mirisi iz zagrijanih materijala, a druge su povezane sa zdravstvenim rizicima.

Posebno su zabrinjavajući čestice i hlapljivi organski spojevi (VOC) koji izlaze iz printera – pri tome mislimo na 3D printere na bazi filamenta ili na bazi smole.

Kada se udahnu, ultra fine čestice mogu se nakupiti u vašim plućima, gdje mogu uzrokovati respiratorne bolesti, poput astme. Čestice se također mogu apsorbirati u krvožilni sustav i prenijeti u druge organe. To vrijedi za isparenja od 3D printanja, kao i za čestice iz ispušnih plinova automobila, šumskih požara i stotina drugih izvora onečišćenja zraka.

Utvrđeno je kako su određeni VOC-evi iz 3D printanja kancerogeni – drugim riječima, potencijalno mogu uzrokovati rak. Iako toksičnost svih tih emisija još nije u potpunosti jasna, a istraživanja su u tijeku, svi korisnici 3D printera trebali bi biti oprezni s emisijama istih.

U ovom članku pregledavamo najnovija istraživanja kako bismo saznali koji materijali i metode printanja proizvode najštetnije emisije te kako najbolje zaštititi svoj ured ili dom.

Što treba, a što ne treba raditi u vezi s 3D printanjem i kvalitetom zraka.

Prije nego zaronimo u veće količine podataka o 3D printerima i utjecaju koji njihove emisije mogu imati na zdravlje i kvalitetu zraka, prijeđimo na stvar i navedimo najbolje savjete iz prakse.

Učinite sljedeće:
postavite 3D printere u dobro prozračene zatvorene prostore
koristite kućište 3D printera s HEPA filtrom za FDM i smolu
koristite materijale s nižim emisijama, poput PLA filamenata
koristite materijale renomiranih proizvođača
koristite najnižu moguću temperaturu printanja koja osigurava kvalitetan rezultat
redovito nadzirite kvalitetu zraka u prostoru
pratite kvalitetu zraka odgovarajućim senzorom
zaštitite svoje okruženje od prašine i drugih zagađivača u zraku

Sljedeće izbjegavajte:
osloniti se na samo jednu metodu za smanjenje emisije (koristite ih više)
smatrati da će velika prostorija smanjiti utjecaj emisije
koristiti 3D printere u blizini djece bez osiguranja kvalitete zraka (filtri, ventilacija itd.)
raditi s 3D printerima bez kućišta i bez regulacije kvalitete zraka u uredskom okruženju
kupiti jeftini filament koji bi mogao biti sumnjive kvalitete ili nije preporučen od proizvođača printera

Emisije iz FDM printera

Printeri koji modeliraju sistemom stopljenog taloženja (oni koji koriste kolute filamenta) najčešći su tipovi 3D printera na tržištu, osobito za kućnu upotrebu, no popularni su i komercijalno. Stoga ne čudi da su njihove emisije najpomnije proučavane.

Studije pokazuju da svi FDM printeri ispuštaju i ultra fine čestice i VOC, koji bi mogli biti štetni za ljudsko zdravlje. Vrhunac emisija detektira se odmah na početku procesa printanja i za čestice i za VOC.

FDM printeri funkcioniraju topljenjem plastične niti. Zagrijavanje plastike uzrokuje manje raspadanje u filamentu. Iako to ne utječe na kvalitetu rada, dovoljno je za stvaranje čestica u ultra finom rasponu. Slično tome, VOC nastaju kada se kemikalije u filamentu razgrade tijekom zagrijavanja.

Međutim, kako se proces printanja odvija, emisije VOC-a općenito padaju na niske razine nakon otprilike pet minuta. Ironično, razlog za smanjenje VOC-a leži u stalnim emisijama čestica. VOC se lako veže za čestice, što pomaže u snižavanju razine istog.

Istraživači su otkrili da ne proizvode svi FDM printeri istu razinu štetnih emisija, drugi, različiti čimbenici mogu utjecati na razine emisije, kao što su materijal filamenta, temperatura printanja, promjer mlaznice i brzina ekstruzije.

Nekoliko studija, poput one koju je provela Agencija za zaštitu okoliša SAD-a (EPA), pokazalo je da vrsta filamenta može imati veliki učinak na emisije. To je zbog aditiva i zagađivača prisutnih u filamentu. Proizvođači koriste različite metode, aditive i bojila u svojim filamentima, što prirodno dovodi do različitih profila emisija.

Koji FDM materijali proizvode najviše emisija?

Najvažniji čimbenik emisije u FDM printanju je vrsta korištenog filamenta. Nema detaljnih studija koje uspoređuju širok raspon tipova i marki. Većina studija usredotočena je na tri najčešća FDM materijala za printanje – ABS, PLA i najlon.

Općenito, ABS je karakteriziran kao materijal s visokim emisijama. Povrh početne emisije PM i VOC-eva, ABS proizvodi stalnu razinu emisija tijekom procesa printanja. Međutim, kao što je ranije navedeno, tekuće emisije su uglavnom PM zbog VOC-a koji se brzo vežu za emitirane čestice.

PLA i najlon, s druge strane, proizvode niže razine emisija od ABS-a. Ovi materijali stvaraju isti početni nalet, ali ne proizvode stalne emisije. Zbog toga ih neki istraživači nazivaju materijalima niske emisije. Međutim, također primjećuju da emisije iz PLA mogu značajno ovisiti o marki filamenta, a neke dosežu razine usporedive s ABS-om.

Samo zato što je PLA napravljen od biorazgradivog materijala kao što je kukuruzni škrob, krumpirov škrob i šećerna trska, ne znači da je udisanje njegovih emisija poput hodanja parkom. Čestice i spojevi emitirani iz PLA zapravo su više toksični od onih iz ABS-a, prema studiji Američke udruge za istraživanje aerosola. No budući da ih PLA proizvodi u visokim razinama samo na početku tiskanja, ABS filamenti s vremenom prestižu PLA po toksičnosti.

Koliko točno biste mogli udahnuti?

Nažalost, dosadašnja istraživanja su nedovršena. Štetnost emisija FDM printera ovisi o radnom okruženju i duljini izlaganja. Jedna studija iz 2021. pokazala je kako se čini da vrijeme izlaganja od jednog sata ili manje nema negativan utjecaj na ljudsko zdravlje. No oni koji rade oko 3D printera 40 sati tjedno ili više riskiraju razvoj respiratornih bolesti. To ostavlja široko sivo područje između jednog sata i 40 sati.

Emisije 3D printera na bazi smole

3D printanje smolom ili stereolitografijom (SLA) još je jedna popularna tehnologija printanja. Umjesto plastike, koristi tekuću smolu koju laserom ili nekim izvorom svjetlosti stvrdnjava u čvrste objekte. No ova razlika u tehnologiji i materijalima ne znači da SLA također ne proizvodi emisije. Zapravo, ako imate „smolasti printer”, znate da je miris jači od FDM-a.

SLA smole su same po sebi otrovne pa se ne biste trebali iznenaditi da proizvode štetne spojeve tijekom printanja. Međutim, postoji značajna razlika u emisijama između SLA i FDM printera.

SLA 3D printeri proizvode vrlo malo PM, čak i tijekom koraka naknadne obrade pranja i stvrdnjavanja. Studija Chemical Insights otkrila je da emisije SLA čestica ostaju na ili ispod pozadinskih koncentracija čestica u okolišu. Ovo je u suprotnosti s FDM printanjem, koje proizvodi visoke emisije PM.

S druge strane, emisije VOC-a iz SLA printanja obično su vrlo visoke, općenito 3 do 6 puta veće od onih iz FDM printera. Vrste emitiranih VOC-eva također se razlikuju od FDM-a, jer u FDM-u većina VOC-a potječe od aditiva ili filamentnih materijala. VOC se emitiraju tijekom SLA printanja i naknadne obrade.

Više od desetak VOC-eva koje ispuštaju SLA printeri navedeni su kao kemikalije koje izazivaju zabrinutost, pokazalo je istraživanje. Među njima je formaldehid, dobro poznati kancerogen, koji se emitira tijekom svih koraka obrade.

U studiji se navodi da su stope emisija SLA i procijenjene razine izloženosti kemikalijama u uredu ispod opasnih razina navedenih u propisima. Ipak, istraživači primjećuju da kontinuirana izloženost složenoj mješavini emisija SLA printera može izazvati "jaku iritaciju" u ljudskim dišnim sustavima.

Postavke printera za manje emisije

Povrh tehnologije printera, materijala i robne marke, postavke printera mogu imati značajan utjecaj na stopu emisija PM i VOC. Čini se da je temperatura mlaznice najvažniji i presudni faktor. Istraživanja su otkrila da bi – ovisno o materijalu – viša temperatura mlaznice mogla povećati emisiju čestica do 10.000 puta.

Za detaljniju procjenu možemo pogledati studiju Tehničkog sveučilišta u Brnu. Istraživači su usporedili učinke postavki printera za ABS, PLA, PET i TPU printanje. Njihovi rezultati pokazuju da postoje optimalne postavke printera koje mogu osigurati uspješno printanje, za svaki materijal, uz smanjenje emisija.

Prema studiji, svaki materijal proizvodi manje emisija kada se printa s nižim temperaturama mlaznica. Stoga, iz perspektive zdravlja dišnog sustava, istraživači potiču operatere printera da koriste najniže moguće temperature mlaznica, čak i one ispod preporuka proizvođača.

Kako do čišćeg zraka

Iako su sve studije koje spominjemo koristile različite metode za određivanje emisija 3D printera još uvijek nema konsenzusa o tome koliko dugo, koliko često i koliko puno možete udahnuti prije nego što bi pare 3D printera mogle utjecati na vaše zdravlje, postoji suglasnost da treba učiniti sve što je izvedivo i praktično kako bi se spriječilo udisanje para iz 3D printera.

Ventilacija

Praktički svi istraživači ističu pravilnu ventilaciju kao najvažniju metodu za ublažavanje problema s kvalitetom zraka. Svoje printere trebali biste postaviti na dobro prozračeno mjesto, s ventilacijskim ispušnim otvorima koji daju najbolje rezultate. Uvijek biste trebali usmjeriti sve ventilacijske sustave da ispuhuju zrak van prostorije.

Svi ventilacijski sustavi trebaju imati odgovarajuće sustave za filtriranje zraka. Preporučuje se koristiti visoko učinkovite filtre za zrak (HEPA), koji mogu ukloniti do 99,95% svih emisija čestica. Za uklanjanje VOC-eva optimalno rješenje su filtri s aktivnim ugljenom.

Kućišta

Postavljanje printera u vrlo veliki prostor može pomoći u borbi protiv izloženosti emisijama jednostavnim razrjeđivanjem koncentracija PM-a i VOC-a. Međutim, poželjna opcija je staviti printer u malo ventilirano kućište s filtrom za zrak. To je prilično jednostavna metoda za smanjenje izloženosti potencijalno štetnim emisijama. Međutim, imajte na umu kako je većina kućišta namijenjena za zadržavanje topline, a ne za smanjenje emisije.

Pročišćivači zraka

Pročišćivači zraka su uređaji koji koriste ventilator za usisavanje zraka kojeg potom filtrira i dezinficira. Mogu biti korisni u poboljšanju kvalitete zraka u radnim prostorima 3D printera, ali ne biste se trebali oslanjati samo na njih - osobito ako koristite manji uređaj. Provjerite ima li vaš pročišćivač zraka odgovarajuće HEPA filtre i/ili filtre s aktivnim ugljenom. Pažljivo kupujte filtre za zrak jer su dizajnirani za prašinu i pelud te možda neće biti dovoljno dobri za uklanjanje čestica ili VOC-eva. Redovito mijenjajte filtre na pročišćivačima.

Mjerači kvalitete zraka

Mjerači kvalitete zraka pomažu pratiti količinu potencijalno štetnih kemikalija u radnom prostoru. Međutim, studije se razlikuju oko toga jesu li kućni mjerači dovoljno osjetljivi kako bi otkrili sićušne čestice emitirane tijekom 3D printanja. Jedna studija pokazuje da je velika većina materijala emitiranog iz filamenta u obliku čvrstih čestica bila u rasponu veličina od 0,05 do 0,2 mikrona.

Posebna okruženja: Farme printera i učionice
Studije koje smo do sada pokrili proučavale su pojedinačne 3D printere koji rade u okruženjima usporedivim s uredom ili malom radionicom. Ali postoje dva uobičajena okruženja za 3D printanje koja bi mogla izazvati dodatnu zabrinutost — farme printera i učionice.

Farme za 3D printanje popularne su među operacijama aditivne proizvodnje velikih razmjera. Takva farma može imati desetke 3D printera koji rade u jednom velikom prostoru. Također sve češće pronalazimo 3D printere u učionicama jer mogu biti korisni u obrazovanju. U takvom okruženju, međutim, mogli bi imati negativan utjecaj na zdravlje djece.

Farme za 3D printanje

Svakodnevna logika sugerira da bi više 3D printera koji rade u jednom prostoru značajno povećalo ukupne emisije. Navedeno je točno. Iako konkretni detalji ovise o broju i vrsti printera te njihovim radnim satima, izvješće o procjeni opasnosti po zdravlje (HHE) Nacionalnog instituta za sigurnost i zdravlje na radu (NIOSH) otkrilo je da se PM i VOC mogu nakupljati u područjima printanja do potencijalno opasne razine.

HHE izvješće ispitalo je jednu farmu koja ima 10 stolnih FDM printera koji koriste PLA i ABS filamente. Tijekom svoje dvodnevne evaluacije, NIOSH je utvrdio kako je osoblje tvrtke bilo izloženo potencijalno štetnim kemikalijama i česticama u područjima printanja i naknadne obrade. Međutim, njihove su razine ostale unutar regulatornih standarda, a potencijal za bilo kakvu opasnost po zdravlje ostao je nepoznat.

Škole i učionice

Prema EPA studiji o emisijama 3D printera, djeca bi potencijalno mogla biti posebno osjetljiva na emisije. Studija je pokazala da je pretpostavljena plućna površina prekrivena česticama iz 3D printera veća kod djece u dobi između 9 i 18 godina, u usporedbi s odraslima.

EPA je sugerirala da bi to moglo biti zbog izloženosti i tekućeg razvoja dišnog trakta kod djece. Međutim, agencija je napomenula da su nužne daljnje studije o 3D printanju i tehnologijama za smanjenje emisija te izloženosti djece emisijama prije nego što se mogu donijeti konačne procjene.

3D printeri s ugrađenim zračnim filtrima

Većina potrošačkih 3D printera ne dolazi sa standardnom filtracijom zraka, dok profesionalni modeli to promatraju kao prodajnu značajku. S druge strane, industrijski 3D printeri namijenjeni su tvorničkim okruženjima sa reguliranim sigurnosnim protokolima.

Ovisno o tome koliko printate i gdje, možda ima smisla kupiti 3D printer koji već ima sustav filtriranja.

Stolni FDM printeri s ugrađenom HEPA filtracijom i/ili aktivnim ugljenom za filtraciju:
Rize 2XC, XRize
Zortrax Inventure
Raise3D E2, Pro 3, and Pro 2 series
BCN3D Epsilon series
FlashForge Adventurer 4, Creator 3
Tiertime UP mini 2 ES
Dremel DigiLab 3D45

FDM Printeri s dodacima za filtraciju zraka: Zortrax, Ultimaker, MakerBot

Izvor: All3dp