3D-печать. Чем мы дышим?

Здравствуйте, уважаемые. В этой статье я постараюсь рассказать вам о том, что и в каких количествах может выделяться из пластиков в процессе FDM 3D-печати. Вопрос будет рассматриваться не со стороны глобального загрязнения окружающей среды, а со стороны возможного загрязнения комнаты или мастерской, в которой непосредственно работает FDM 3D-принтер.

Рекомендую ознакомиться как минимум с четвертым и пятым разделами. Ссылка на видео-версию статьи в конце. Вот содержание статьи:

1 Что и в каких количествах выделяется из пластиков?

2 В какие моменты времени выделение взвешенных частиц максимально?

3 Влияние параметров печати

4 Методы борьбы с выделением взвешенных частиц и летучих органических соединений

5 Выводы

Сразу скажу, что все данные опять по зарубежным пластикам. В комментариях вы мне пишете, что было бы интересно почитать про наши материалы, а не про заграничные. Да, согласен, возможно, те выводы, которые делаются из моих работ могут быть не применимы к «нашим» пластикам. Но в защиту отмечу, что, во-первых: условный забугорный ABS не должен кардинально отличаться от «нашего» ABS. Во-вторых: наши крупные производители заявляют, что сырье закупают у европейских фирм. В связи с этим считаю, что озвучиваемые данные должны быть актуальными и для отечественных филаментов.

1 Что и в каких количествах выделяется из пластиков?

Во время работы 3D-принтера из любого пластика выделяются два вида загрязнителей воздуха. Во-первых, это ультра- и тонкодисперсные (или взвешенные) частицы, размер которых колеблется от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Во-вторых это летучие органических соединения.

По сути, первая группа — это микро пыль, состоящая из фрагментов пластика, а также фрагментов наполнителей. В работе [1] проведен анализ выделения взвешенных частиц из различных пластиков во время печати цилиндрического образца длительностью 60 минут. Анализировались пластики PLA, PVA, ABS, PC, ASA, нейлон. Анализ результатов показал интересную закономерность интенсивности выделения взвешенных частиц в процессе работы 3D-принтера. Посмотрите на этот график:

Ноль – это начало печати. Отчетливо видно, что именно в самом начале печати происходит резкий рост концентрации взвешенных частиц, затем концентрация плавно снижается. Исследователи объясняют начальный пик периодом нагрева сопла до рабочей температуры. В этот момент пластик, который неподвижно находится внутри сопла, подвергается длительному нагреву и, следовательно, термической деструкции. Из графиков можно видеть, что такая картина характерна абсолютно для всех пластиков. В подтверждение этому исследователи из работы [2] приходят к аналогичным выводам.

А теперь рассмотрим каждый пластик в отдельности. Думаю, вам интереснее всего будет узнать какие пластики являются лидерами по количеству выделяемых частиц. Первое место занял ASA, затем расположились нейлон, PC и ABS соответственно. Самыми экологичными оказались PLA и PVA.

Вот как выглядит распределение выделяющихся частиц по размеру во время печати образца для лидеров по загрязнению:

А вот так выглядят графики для PLA различных фирм и PVA:

Разница в графиках очевидна. Обратите внимание, что для PLA и PVA характерен выброс частиц в самом начале печати, а затем, через некоторое время, выделение частиц почти прекращается.

Вот результаты замеров, сделанные авторами другого исследования [3]:

На этом графике снизу подписаны фирмы производители и вид пластика, а по вертикальной оси отмерена интенсивность выделения взвешенных частиц. Опять в лидерах по загрязнению оказываются ABS, PC. Дополнительно в этом исследовании к ним присоединились HIPS и нейлон. Самым экологичным опять оказался PLA.

Если говорить об армированных угле- или стекловолокном пластиках, то они практически не исследованы. В одной из работ [4], на ряду с другими пластиками, я смог найти это:

Красным подчеркнут PETG с добавлением 8 – 12 % стекловолокна. Как видим такой пластик является лидером по выделению крупных частиц. Еще раз скажу, что это единственный результат, который я смог найти, поэтому серьезных выводов здесь не сделать, но все равно я решил его добавить в публикацию.

Теперь перейдем к выделению летучих органических соединений. Если говорить коротко, то при печати почти любым филаментом выделяются десятки различных соединений. Вот, к примеру таблица из работы [4]:

В таблице сверху подписаны пластики. В первом столбце приведены названия химических соединений. Если для какого-то соединения отсутствует цифра, это означает, что оно не зафиксировано прибором во время печати конкретным пластиком. Анализируя таблицу видим, что пластики ASA и ABS опять становятся лидерами антирейтинга (ULTRAT это ABS с добавлением 3% поликарбоната). Самым экологичным становится PETG (GLASS Transparent это тоже PETG, но с добавлением стекловолокна).

Теперь обратимся к результатам исследований из другой работы [3], в которой исследуется немного другой набор пластиков:

На этом рисунке представлены две гистограммы. На левой гистограмме показаны пластики с максимальной интенсивностью выделения летучих органических соединений до 40 микрограмм в минуту, а на правой – с интенсивностью больше 40 микрограмм в минуту. В названии каждого столбца указан принтер, на котором печатали и материал.

Самыми экологичными оказываются поликарбонат и TGlase (PETT пластик). Чуть хуже смотрится PLA. А хуже всех по количеству выбросов оказался нейлон. Интересно отметить, что для ABS пластиков величина выбросов сильно зависит от 3D-принтера, на котором печатают, и может отличаться аж в пять раз.

Обратите внимание на поликарбонат. Если по выделению взвешенных частиц он один из самых загрязняющих, то по выделению летучих органических соединений самый экологичный.

2 В какие моменты времени выделение взвешенных частиц максимально?

Посмотрим на два графика из работы [5]:

На левом графике показана концентрация взвешенных частиц внутри 3D-принтера MakerBot, а на правом концентрация взвешенных частиц в комнате, в которой стоит 3D-принтер. Два пика на графиках означают две последовательно напечатанные детали. Опять видим, что резкий рост числа взвешенных частиц происходит в самом начале печати детали.

А вот еще один график из другой работы [2]:

Здесь показаны три графика изменения концентрации взвешенных частиц при печати ABS пластиком. В соответствии с легендой графики различаются температурой сопла. Как и из предыдущей работы, здесь также можно видеть, что после нагрева в момент начала печати происходит рост концентрации взвешенных частиц. Из этих графиков виден еще один интересный момент.

3 Влияние параметров печати

Эти три графика показывают, что с ростом температуры сопла растет концентрация взвешенных частиц. При этом разница между графиками существенная. Другие научные работы [4] подтверждают это:

На этом графике показана зависимость концентрации взвешенных частиц от температуры сопла для пластика ABS. Видно, что при температуре сопла выше 250 градусов происходит резкий рост количества выбрасываемых частиц.

Интересно отметить влияние скорости печати на концентрацию взвешенных частиц. Вот график из работы [2]:

Эти графики показывают зависимость концентрации взвешенных частиц при печати ABS пластиком на разных скоростях печати. Сравнивалась печать на скоростях 30 мм/с (FR30 на графике), 60 мм/с (FR60) и 90 мм/с (FR90). Интересно отметить, что максимальные концентрации наблюдаются на средней скорости печати. При этом минимальная концентрация наблюдается для скорости 90 мм/с.

4 Методы борьбы с выделением взвешенных частиц и летучих органических соединений

4.1 Проведенные исследования показывают, что уменьшение температуры сопла способствует уменьшению количества выделяемых взвешенных частиц. Поэтому не повышайте температуру сопла без необходимости.

4.2 Увеличение скорости печати приводит к снижению концентрации взвешенных частиц. А еще положительный эффект увеличения скорости печати заключается в сокращении времени печати, что ведет к уменьшению времени, в течение которого выделяются взвешенные частицы.

4.3 Фильтрация. HEPA фильтры эффективны практически для всех размеров взвешенных частиц, но чтобы от него была польза нужен 3D-принтер с закрытой камерой. К тому же HEPA фильтры вообще не улавливают летучие органические соединения, которые, как выяснилось, в изобилии выделяются из некоторых пластиков. Против них нужны угольные фильтры.

4.4 Проветривание или вентиляция. Считаю это наиболее эффективным способом для большинства обычных FDM 3D-принтеров, используемых дома и в мастерских. Вот картинки из работы [5], показывающие распределение концентрации взвешенных частиц в комнате с 3D-принтером:

В комнате с хорошей вентиляцией концентрация частиц ниже на порядок и на расстоянии больше метра от принтера лишь чуть-чуть превышает фоновый уровень.

4.5 Оптимизация работы принтера. В пунктах 4.1 и 4.2 я уже коснулся режимов печати, но авторы научной работы [2] пошли дальше и предложили интересный способ снижения количества выделяющихся взвешенных частиц. Суть его заключается в том, что мы сначала разогреваем пустое сопло до рабочей температуры, затем загружаем филамент и сразу начинаем печатать. После завершения печати извлекаем филамент. Вот графики из работы [2], показывающие результат таких манипуляций:

Оба графика показывают выделение взвешенных частиц при печати ABS пластиком с температурой сопла 240°С и скоростью 60 мм/с. Верхний график это печать без загрузки/выгрузки филамента.

5 Выводы

В качестве выводов, во-первых, отмечу, что такие пластики как ASA, ABS и нейлон являются лидерами по количеству выделяющихся частиц и летучих органических соединений. Середнячками по выделению являются поликарбонат и HIPS. Самыми экологичными и по взвешенным частицам, и по летучим органическим соединениям являются PLA и PETG.

Во-вторых, печатайте в помещениях с хорошей вентиляцией или проветривайте комнату при печати. Старайтесь не завышать температуру сопла без необходимости.

Возможно, вы обратили внимание на то, что я ни слова не сказал о том на сколько это все вредно. Дело в том, что оценка вредности всего этого потребовала довольно много времени. Получить однозначные ответы я пока не смог. Сейчас только скажу, что скорее это все вредно, особенно при регулярном контакте. Поэтому в этой статье я сознательно не стал касаться темы вредности. Надеюсь, что я смогу разобраться с этим вопросом до конца и тогда опубликую все результаты.

Видео-версия статьи:

На этом пока все.

Источники:

1. Chýlek, R., Kudela, L., Pospíšil, J., Šnajdárek, L. (2019). Fine particle emission during fused deposition modelling and thermogravimetric analysis for various filaments. Journal of Cleaner Production, 117790. doi:10.1016/j.jclepro.2019.117790

2. Deng, Y., Cao, S.-J., Chen, A., Guo, Y. (2016). The impact of manufacturing parameters on submicron particle emissions from a desktop 3D printer in the perspective of emission reduction. Building and Environment, 104, 311–319. doi:10.1016/j.buildenv.2016.05.02

3. Azimi, P., Zhao, D., Pouzet, C., Crain, N. E., Stephens, B. (2016). Emissions of Ultrafine Particles and Volatile Organic Compounds from Commercially Available Desktop Three-Dimensional Printers with Multiple Filaments. Environmental Science & Technology, 50(3), 1260–1268. doi:10.1021/acs.est.5b04983

4. Gu, J., Wensing, M., Uhde, E., Salthammer, T. (2019). Characterization of particulate and gaseous pollutants emitted during operation of a desktop 3D printer. Environment International, 123, 476–485. doi:10.1016/j.envint.2018.12.014

5. Zontek, T. L., Ogle, B. R., Jankovic, J. T., Hollenbeck, S. M. (2017). An exposure assessment of desktop 3D printing. Journal of Chemical Health and Safety, 24(2), 15–25. doi:10.1016/j.jchas.2016.05.008