3D プリントは癌を引き起こす可能性がありますか? 正しい使い方は？ 学校はどのように 3D プリンターを選択しますか?

中国では、毎年何百万台もの消費者向け 3D プリンターが製造され、世界中に販売されています。 それらの比較的一部は、家庭やオフィスでユーザーによって使用されます。 少し前まで、南極クマのオフィスには新しい LCD 光硬化 3D プリンターがありました。 モデルは一晩中印刷されていました。 翌日、オフィスのドアを開けると、感光性樹脂の鋭い匂いが私の顔に立ちこめました。 すぐに樹脂材料を掃除し、換気のために窓を開けなければなりませんでした。 私はオフィスに戻る前に数分間外にいました。

今日は深刻な問題について話したいと思います: 3D プリントのセキュリティはどうですか?

プラスチックが溶けるいい匂いが漂うのは、3Dプリンターが頑張っている証拠です。 しかし、メディアが昨年 3D プリントが有毒であると発表した後、彼らは心配しているに違いないことをご覧になったかもしれません。寝室に 3D プリンターを置き、一晩稼働させますか? オフィスに 3D プリンターを置いたら、従業員の健康に影響はありますか?

屋内のどこに 3D プリンターを設置する予定であっても、この記事を通じて科学、研究、実践の観点から 3D プリンターを選択して購入する方法、および使用プロセスで空気の質と安全性を確保する方法を学ぶことができます。 .

これらのガスの組成は何ですか? それは癌を引き起こす可能性がありますか？

この調査では、すべての 3D プリンター (FDM/FFF 3D プリンターは主にこの論文で分析され、UV 硬化およびその他の技術は後で追跡および調査される) が印刷時に排出物を生成することが示されています。 中には無害なものもありますが、材料が加熱された後に発生する臭いがあり、他のものは健康に害を及ぼす可能性があります. これらの排出物が安全かどうかを判断するには、プリンターから放出される粒子状物質 (PM) と揮発性有機化合物 (VOC) の含有量に特に注意を払う必要があります。

3Dプリンターから排出される粒子状物質（PM）と揮発性有機化合物（VOC）（写真提供：US EPA）

吸入可能な粒子状物質 (PM): 一般に、人が吸い込んだ粒子は肺に蓄積します。 粒子の含有量が高すぎると、喘息などの呼吸器疾患を引き起こします。 これらの粒子は、3D プリンターに加えて、車の排気ガス、山火事の燃焼など、日常生活にも現れます。PM2.5 は、日常生活でよく注意を払う公害指標でもあります。

揮発性有機化合物 (VOC): 通常、車の装飾や購入の際には、ホルムアルデヒドなどの VOC に特に注意が払われます。 昨年、関連するニュース報道が述べたように、3Dプリンターによって引き起こされる一部のVOCは発がん性がありますが、これらの排出物の毒性は十分に研究されておらず、調査はまだ進行中です.

詳細な調査はまだ進行中ですが、FDM 放出の人体への害は、使用環境と曝露時間によって異なります。 2021 年の研究では、1 時間以内の排出量への人間の曝露は健康に影響を与えないことが判明しました。 しかし、毎週プリンターの近くにいて、40 時間以上働く人は、呼吸器疾患に苦しむ可能性があります。 1 時間から 40 時間の間の灰色の領域は、実験によってさらに検証する必要があります。

△ ミシガン州のケタリング大学の研究室にあるすべてのプリンターは、3DPrintClean フィルター ボックスに密閉されていました (写真提供: ケタリング大学)

子供に関するデータと結論も調査中ですが、学校、特に学校の 3D プリンティング イノベーション ラボにもっと注意を払う必要があります。 米国環境保護庁 (EPA) による 3D プリンターの排出量に関する調査報告書は、3D プリンターの排出量の影響を子供が特に受けやすい可能性があることを示しています。 この研究では、大人と比較して、9 歳から 18 歳の子供が 3D プリントによって放出された粒子を吸入した場合、粒子で覆われた肺の表面積が大きいことがわかりました。 EPA は、これは子供の好奇心とプリント ヘッドとの密接な接触に対する好みに関連している可能性があると考えており、子供の気道はまだ発達段階にあり、感染に対して脆弱です。

△海外メーカーの3Doodler社が融点を下げることでPMを減らす子供向けの3Dプリンター用ペンを特別に開発

したがって、この記事では、特に教育者が屋内で 3D プリンターを使用するときに身を守る方法と、3D プリンターを購入するかどうかを検討する方法を理解するのに役立つように、現在の研究結果を 1 つずつ説明します。

3D プリンターの使用時に起こりうる健康リスクを軽減する方法

△ フィンランドのアルト大学の 3D プリント スタジオは、3D プリンターと、その排出物が健康と空気の質に与える影響に関する多数のデータを収集しました。 本稿は一部学校のデータを引用している。

1. 低排出素材 (PLA など) を使用し、オリジナルまたはブランドのワイヤーを選択します。

まず、FDM 排出量に影響を与える最大の要因は消耗品です。 米国環境保護庁 (EPA) およびその他の部門によって実施された多くの研究によると、消耗品の種類は、メーカーが使用する原材料と中間合成プロセスに応じて、排出量に重大な影響を与えます。異なる消耗品には異なる強化剤が含まれています。 、着色料、その他の添加物で、ホットメルトによって異なる影響を受けます。 米国食品医薬品局 (FDA) も最近、「3D プリント技術の応用がますます広まっているため、消耗品の添加物が人間の健康に及ぼす影響を調査する必要があります。今後、FDA はその特性を調査し続けます。他の添加物、揮発性有機化合物、関連する粒子状物質を調査し、関連する基準を発行します。」

現在、ほとんどの FDA 研究は、ABS、PLA、およびナイロンの 3 つの最も一般的な消耗品の分析に焦点を当てています。 ABS は一般的に高排出物質に分類されます。 ABS の使用開始時に多量の PM と VOC が発生することに加え、印刷プロセス全体での排出量は非常に安定しています。 前述のように、排出されたVOCは速やかに粒子状物質と結合して一体化するため、今後も継続的に発生する主要な排出物は基本的に粒子状物質です。 PLA およびナイロン素材の排出量は、ABS よりも少なくなります。 これらの材料も、使用開始時に多数の粒子を生成しますが、放電し続けることはありません。 したがって、これらの材料を一般に低排出材料と呼んでいます。

同時に、PLA の排出量が消耗品のブランドによって影響を受けることにも気付きました。 さまざまなブランドの消耗品の品質にはばらつきがあり、一部の PLA の排出量は ABS の排出量にさえ近かった. ジョージア工科大学の研究者であるロドニー・ウェーバーは、消耗品の放出に関する実験を行った後、2017 年にこれを発見しました。 彼はユーザーに、ライセンスのない安価な消耗品を購入することに注意するよう促しました。 「印刷中に発生するエアロゾル濃度は、元の工場や有名ブランドのメーカーが製造または推奨するものよりも安価な消耗品を使用すると高くなることがわかりました.PLAはコーンスターチなどの生分解性材料で作られていますが、エアロゾル協会は、PLA から放出される一部の粒子や化合物が ABS よりもさらに有毒であることを発見しました.しかし、PLA はこれらの有害物質を印刷の開始時にのみ生成するため、時間の経過とともに、ABS 消耗品の放出の毒性は徐々に PLA の毒性を上回ります.消耗品排出量。

△3Dプリンティングの放出については、ジョージア工科大学の研究者Rodney Weberz氏が先駆的な調査実験を行っている（写真提供：Journal of Aerosol Science and Technology）

2. 設定の最適化: ノズルを細く、ノズル温度を下げ、最適な効果を選択する

第 2 に、異なるメーカーのハードウェア パラメータは異なり、これらのパラメータはエミッションに影響します。 特に PLA 消耗品とナイロン消耗品を使用する場合、プリンターのブランドとパラメーターの影響がより顕著になります。 一部の設定は、PM および VOC の排出率にも大きな影響を与えます。

ブルノ工科大学で研究が実施され、研究者は ABS、PLA、PET、TPU 素材に対するプリンター設定の影響を比較しました。 結果は、最適な印刷設定を選択すると、排出量を最小限に抑えながら印刷の成功を保証できることを示しています。 同時に、ノズル温度を低く設定すると、その材料から発生する排出量が少なくなります。 したがって、呼吸器の健康の観点から、研究者は、プリンターのユーザーがメーカーの推奨よりもさらに低いノズル温度を可能な限り低く設定することを推奨しています。 この研究では、ノズルのサイズが放出速度と粒子濃度に大きな影響を与えることもわかりました。 ABS、PET、PLA 材料の場合、{{0}}.4 mm ノズルを使用すると PM の発生が最も少ないことがわかりました。 TPU は例外です。 TPUを使用すると、ノズルサイズが0.6mmに大きくなり、吐出量が少なくなります。

△ 異なるノズル温度/サイズ設定での印刷中の最大粒子形成率 (写真提供元: International Journal of Environmental Research and Public Health, "Parameters Affecting Ultrafine Particle Emission in 3D Printing")

また、結果は、材料の流量または印刷速度が排出量にほとんど影響を与えないことを示しました。 したがって、押出機の設定は、排出量に影響を与える最も重要な要因です。 ABSおよびPLAテストを使用した別の研究では、加熱された印刷プラットフォームは排出量を増加させませんが、粒子サイズを大きくし、粒子数をより簡単に減らすのに役立つことがわかりました.

ほとんどの研究者は、適切な換気方法が室内の空気の質を改善するための鍵であると指摘しています。 最高の効果を得るには、換気の良い場所にプリンタを置き、排気ポートにファンを取り付ける必要があります。 すべての換気システムには、対応する空気ろ過システムが装備されている必要があります。 最大 99.95% の微粒子を除去できる HEPA フィルターの使用をお勧めします。 VOCの排出を減らすには、活性炭フィルターが最適なソリューションです。

3.オープンプリンターの場合、他のサポートデバイスを追加します

3D プリンターをエア フィルター付きの小さな通気性のある筐体で覆うことをお勧めします。 調査によると、デスクトップ 3D プリンターは、フィルターと換気の性能を備えたエンクロージャーに配置することで、粒子の放出を 97% 削減できることが示されています。 ただし、市場に出回っている多くの3Dプリンターシェルは熱を維持するためだけに使用されており、排出効果はありません.

△ フランスのAlveo3D社が特別にカスタマイズしたHEPAフィルター付きプリンターシェル（写真提供：Alveo3D）

空気清浄機は、ファンを使用して空気を吸い込み、さまざまなフィルタリングおよび消毒方法によってさまざまな汚染物質を除去します。 3D プリンターの作業領域の空気の質を改善する上で重要な役割を果たしますが、HEPA と活性炭フィルターを備えた空気清浄機を選択することをお勧めします。 エアフィルターは、粉塵・除塵専用のフィルターでは、3Dプリンターから排出されるパーティクルやVOCを完全に除去できない場合があるため、購入には十分ご注意ください。 マシンのフィルタースクリーンを定期的に交換することを忘れないでください。

4. 空気質モニターの屋内設置

大気質モニターは、ユーザーが作業エリア内の潜在的に有害な化学物質の内容をリアルタイムで監視するのに役立ちます。 ただし、消費者レベルのモニター製品が、3D 印刷中に放出される小さな粒子を検出するのに十分な感度を持っているかどうかについては、さまざまな結論があります。 ある調査によると、消耗品から排出される固体粒子状物質の大部分は、0.05 から 0.2 ミクロンのサイズでした。 ただし、ほとんどの家庭用空気質モニターは、サイズが 1 ～ 2.5 ミクロン (PM1-PM2.5 と定義) の粒子しか検出できません。 ただし、一部のモニターでは、0.1 μ m (PM0.1 として定義) 未満の粒子を検出できます。

一部の研究では、高度な研究現場でも大気質モニターが必ずしも信頼できるものではないことが示されています。 ただし、モニターが PM 濃度が 35 マイクログラム/m3 を超えていることを示している場合は、作業エリアから排出物を除去する方法を見つけ始める必要があります。

空気の質を保証するプリンターを購入するにはどうすればよいですか?

1.HEPAフィルター内蔵のFDMプリンターを購入

当面は成熟したテスト基準がないため、3D プリンターを使用する際の室内空気の質を確保するために、3D プリンター自体と室内環境から始めて、対応するソリューションを見つけることができます。 まず、3D プリンターから始めることができます。 現在、市場にはエアフィルターを内蔵した多くの 3D プリンターがあります。 これらのプリンタを使用すると、エア フィルタ アクセサリを個別に購入するステップを省略でき、「発生源」からの排出を制御できます。

ほとんどの消費者向け 3D プリンターには、従来のエアフィルターが装備されていません。 一部のプロのモデルにはそれらが装備されますが、他のモデルには追加でインストールする必要があります。 購入の際は特にご注意ください。 産業用 3D プリンターは工場用に特別に設計されており、職場の安全規則と規制を満たすためにエア フィルターを装備する必要があります。 ユーザーは、印刷モデルの数と環境に応じて、対応する 3D プリンターを購入できますが、フィルタリング システムを備えたモデルを直接購入することをお勧めします。

Raise3D

新しい Raise3D Pro3 プリンターには、Air Flow Manager の気流スチュワード システムが装備されています。これは、最初にプリンター チャンバーを循環し、次に HEPA でフィルター処理されます。 実際の効果は、フィルタリングに HEPA のみを使用するモデルよりもはるかに優れています。 原理としては、機内循環過程で小さな粒子同士が接触する際に大きな粒子となり、吸着・沈降しやすくなるためと考えられます。

2. 拡張可能な FDM プリンター用のエア フィルターを追加します。

一部の 3D プリンターには独自のエア フィルター システムがありませんが、機器に適合するエア フィルター アクセサリも提供されています。 「発生源」からの排出を抑えることは可能ですが、そのような3Dプリンターは、アクセサリーを追加するための追加のコストと手順を費やす必要があり、同様の価格と機能のフィルターを内蔵した装置よりもコストが高くなります。

ゾルトラックス

Zortrax の HEPA トップ カバー (追加 $250、約 1500 元) は、ほとんどの Zortrax モデルに適しています。 内蔵の活性炭フィルターは印刷中の多くの不快な臭いを吸収し、HEPA フィルターはほとんどの有害な粒子を捕捉します。

メーカーボット

すべての MakerBot Method および Method X プリンターの Clean Air System (追加の設置費用は 899 ドル、約 6300 元) には、環境保護について GreenGuard によって認定された HEPA フィルターが装備されています。

アルティメイカー

Ultimaker のメーカーによると、Ultimaker S5 Air Manager (追加の設置費用は 925 ドル、約 6500 元) には E10 粒子フィルターが装備されており、静音ファンを含めて超微粒子の最大 95% をフィルター処理できます。

まとめ

科学技術の発展に伴い、3D プリンターは教育や科学研究で大きな役割を果たすことができるため、ますます多くの教室、大学、企業で 3D プリンターが使用されるようになります。 現在のデータは業界標準の確立をサポートするにはまだ不十分ですが、潜在的な危険に特別な注意を払い、発生する前に予防し、起こりうる職業上の危険を減らし、過去のメラミンと同様の事故から子供を保護する必要があります.