Forum Impression 3D, Rétro-gaming, Électronique , Info..

Share:

[Épinglé] Etude sur les particules fines dégagés lors de l'extrusion des filament 3d  

  RSS

adrien
Membre Admin
Inscription: Il y a 1 an
Posts: 7
21/04/2018 12:13  

Émissions de particules ultrafines et de composés organiques volatils provenant d'imprimantes tridimensionnelles de bureau disponibles dans le commerce et pouvant utiliser  plusieurs filaments

Des recherches antérieures ont montré que les imprimantes 3D de bureau peuvent émettre de grandes quantités de particules ultrafines(UFPs, particules inférieures à 100 nm) et certains composés organiques volatils (COV) lors de l'impression, bien que très peu de combinaisons de filaments et d'imprimantes 3D aient été testées à ce jour. Ici, nous quantifions les émissions de UPFs et de COVs spécifiés provenant de cinq imprimantes 3D de bureau à extrusion de filaments disponibles dans le commerce utilisant jusqu'à neuf filaments différents avec des expériences contrôlées dans une chambre de test. Les estimations médianes des taux d'émission UFP variant dans le temps variaient de ~ 10^8 à ~ 10^11 min^-1 pour toutes les combinaisons testées, variant principalement en fonction du matériau du filament et, dans une moindre mesure, de la température du lit. Les COV individuels sont émis en plus grande quantité par les filament comprenant du caprolactame (CH2)5C(O)NH comme le nylon, le filaments pierre, et les filaments bois (allant de ~2 à ~180 μg / min), du styrène d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) et des filaments de polystyrène à haute résistance aux chocs (HIPS) (allant de ~ 10 à ~ 110 μg / min), et de lactide à partir de filaments d'acide polylactique (PLA) (allant de ~4 à ~ 5 μg / min). Les résultats d'une analyse de dépistage de l'exposition potentielle à ces produits dans un petit bureau typique suggèrent de faire preuve de prudence lorsqu'on utilise de nombreuses combinaisons d'imprimantes et de filaments dans des espaces mal ventilés ou sans l'aide de systèmes combinés de filtration de gaz et de particules.

1 Introduction


Les imprimantes tridimensionnelles (3D) de bureau gagnent rapidement en popularité. La majorité des imprimantes 3D de bureau disponibles conçues pour le marché grand public utilisent une technologie de fabrication additive appelée fused filament fabrication(FFF), également connue sous le nom de dépôt de matière en fusion ou de dépôt de polymère fondu. Dans le procédé FFF, un filament thermoplastique solide est forcé à travers une buse d'extrusion chauffée, fondu et déposé en couches minces sur un lit mobile. (1, 2) Une forme solide tridimensionnelle est formée couche par couche et le matériau refroidit et durcit. Une grande variété de filament sont maintenant utilisés dans les imprimantes 3D FFF de bureau, y compris l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), poly (acide lactique) (PLA), poly (alcool vinylique) (PVA), polycarbonate (PC), haute densité polyéthylène (HDPE), high-impact polystyrène  (HIPS), nylon et de nombreux autres polymères, métaux, céramiques et autres matériaux . Les filaments sont fondus à diverses températures d'extrusion et de lit . Les fabricants définissent des températures optimales pour chaque matériaux et épaisseur de filament. L'ABS et le PLA sont actuellement les filaments les plus couramment utilisés dans les imprimantes 3D de bureau, bien que d'autres gagnent aussi en popularité.
 
Il est bien connu que les gaz et les particules sont émises au cours du traitement thermique de nombreux matériaux thermoplastiques.  Cependant, on en sait peu sur les types et l'ampleur des émissions des imprimantes 3D FFF de bureau et la façon dont ils varient en fonction du matériau ou des caractéristiques de l'imprimante. En 2013, nous avons publié les premières mesures connues des émissions de particules ultrafines (particules de moins de 100 nm de diamètre) résultant de l'utilisation d'une seule marque et d'un modèle d'imprimante 3D FFF disponible sur le marché utilisant des filaments ABS et PLA.  Ces résultats ont été cruciaux, car il a été démontré que l'exposition aux émissions provenant de la décomposition thermique des thermoplastiques avait des effets toxiques chez les animaux et que l'exposition aux PUF provenant d'autres sources était liée à divers effets nocifs sur la santé humaine.  Nous n'avons connaissance que d'une autre étude publiée à ce jour qui a étudié les émissions des imprimantes 3D de bureau basées sur l'extrusion. Kim et ses collaborateurs (18) ont mesuré les émissions de particules, des composés organiques volatils totaux (COVT), de plusieurs aldéhydes, de phtalates, le benzène, de toluène, d'éthylbenzène et de m-, p-xylène (BTEX) de deux imprimantes FFF différentes. Dans petite chambre, utilisant à nouveau à la fois les filaments ABS et PLA. Ils ont confirmé que les émissions de particules étaient plus élevées pour les imprimantes utilisant des filaments en ABS que pour les filaments de PLA, et qu'elles présentaient également des émissions de COV plus élevées.
 
Malgré ces deux études, il subsiste d'importantes lacunes dans nos connaissances sur les émissions des imprimantes 3D. Seul un nombre très limité de marques et de modèles d'imprimantes ont été testés à ce jour, et encore moins de matériaux de filaments ont été caractérisés pour des émissions de gaz et / ou de particules (c'est-à-dire seulement ABS et PLA). De plus, nous émettons l'hypothèse que Kim et al. ont peut-être manqué certains COV individuels émis avec certains filaments parce qu'ils n'étaient pas spécifiquement ciblés ou identifiés dans la librairies spectrale de masse. Nous ne disposons pas non plus d'informations à ce jour sur la façon dont la conception, la forme des matériaux imprimés, ou les caractéristiques des imprimante en environnement fermé, peuvent influencer les émissions de gaz et / ou de particules.
 
Par conséquent, nous avons réaliser  ces études précédentes en quantifiant les taux d'émission de particules et une large gamme de COV spécifiés provenant de cinq imprimantes FFF de bureau populaires disponibles dans le commerce utilisant jusqu'à neuf filaments différents pour imprimer des objets de test normalisés dans une chambre d'essai de taille moyenne. Nous utilisons les résultats pour explorer les différences dans les émissions de particules et de COV en fonction du matériau du filament et des caractéristiques de l'imprimante. Nous fournissons également des données préliminaires sur l'impact de la géométrie des objets imprimés et l'utilisation d'une enceinte partielle.
 

2 Méthode d’expérimentation


2.1 Procédure de test des émissions

Toutes les mesures ont été effectuées à l'intérieur d'une chambre en acier inoxydable de 3,6 m3 avec un petit ventilateur de mélange lui aussi en acier inoxydable fonctionnant comme décrit dans le support Informations  (Figure S1). Chaque imprimante était connectée à un ordinateur de bureau situé à l'extérieur de la chambre. Avant le début de chaque expérience, de l'air  filtré a été amené dans la chambre à une vitesse de ventilation constante d'environ 1 h^-1 pendant une période d'au moins 8 h pour atteindre des conditions de fond stable. Les lits d'imprimantes 3D ont été préparés pour l'impression en les essuyant avec de l'alcool isopropylique avant de sceller la chambre, ou dans certains cas, selon l'imprimante et la combinaison de filaments, en appliquant de petites quantités de colle en baton. L'imprimante à ensuite été mise sous tension et a commencé à imprimer un petit objet.

Pour tous les tests sauf un, nous avons imprimé un échantillon normalisé de 10 × 10 × 1 cm de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), comme le montre la figure 1. L'échantillon a été choisi comme test standardisé pour évaluer la performance des technologies de fabrication additive,  il a une gamme de fonctionnalités qui ont été penser pour  potentiellement influencer les émissions dynamiques des imprimantes , y compris une combinaison de volumes solides, des saillies minces, des trous et des indentations. Nous avons également répété un test avec une seule combinaison d'imprimantes et de filaments, en imprimant un cube de ~195 cm3 ayant approximativement la même durée d'impression que l'échantillon NIST, permettant une évaluation de l'impact de la forme de l'objet imprimé sur les émissions. Les durées de préchauffage des buses et du lit duraient généralement entre 5 et 10 min selon l'imprimante et le filament, et le temps d'impression variait de 2,5 à 4 h selon la combinaison de l'imprimante, du filament et de la forme de l'objet.

Figure 1. Image de la pièce de test  NIST utilisée pour les tests d'émissions.
 
2.2Échantillonnage et analyse de l'air
Les concentrations de particules ont été mesurées en continu à l'intérieur d'un orifice d'échappement de la chambre en utilisant un  compteur de particules de condensation (CPC) TSI modèle 3007 à intervalles de 1 minute. Le CPC était situé à l'intérieur d'une hotte d'évacuation externe et relié à l'orifice d'échappement de la chambre par un tuyau conducteur de 0,9 m de long et de 0,6 cm de diamètre. La CPC mesure les concentrations en nombre total de particules entre 10 nm et 1 μm avec une concentration maximale rapportée de 105 / cm3 et un débit d'échantillon de 0,7 L / min. Les concentrations de particules ont été mesurées pendant toutes les phases de l'expérience, en commençant par  45-60 min de mesures de fond,une période d'impression de 2,5 ou 4 h (qui comprend la phase de préchauffage 5-10 min), et se terminant par une période finale de décroissance de ~ 3 h pendant laquelle les concentrations de particules ont été autorisées à diminuer pour revenir à la concentrations de base lorsque l'imprimante était éteinte.
 
Nous devons noter que bien que la plage de mesure du CPC soit de 10 nm à 1 μm, la grande majorité des particules émises par la plupart des imprimantes FFF étaient supposées être dans la gamme UFP(ultra fine particules), comme le démontrent les données préliminaires dans la section Support d' Information (Figure S4) . Ainsi, nous considérons que ces mesures sont largement représentatives des UFPs et utilisent cette nomenclature à partir de maintenant. Nous étalonnons périodiquement le CPC utilisé pour les mesures de la chambre  avec un calibreur de particules mobile à balayage NSI 3910 (SMPS) TSI modèle 3910 qui a été récemment calibré par le fabricant .Nous avons considéré que le SMPS était le plus précis pour les mesures UFP, mais il n'était pas disponible pour tous les tests. Ainsi, nous avons calibré le CPC au SMPS en utilisant une régression polynomiale de ces expériences en colocation périodiques. L'étalonnage entre les comptages de particules CPC et les comptages UFP totaux du SMPS (Figure S2) était presque linéaire dans toute la plage de mesure du CPC (jusqu'à 10^5 / cm3), mais augmentait exponentiellement au-delà de cette plage, comme c'est généralement le cas pour cet instrument.  Il était important de tenir compte de cela, car plusieurs émetteurs Supérieurs de PUF ont donné des concentrations de CPC brutes supérieures à 10^5 / cm3 dans la chambre expérimentale.
 
L'air de la chambre a également été échantillonné pendant les essais d'analyse des COV en utilisant des tubes absorbant Tenax-GR pendant deux périodes: une fois au cours des dernières 45 min avant l'impression (avec une imprimante dans la chambre mais pas sous tension). ~ 45 min d'impression après que les concentrations de COV ont atteint approximativement l'état d'équilibre. Nous avons utilisé les différences de concentrations entre les deux échantillons pour estimer les taux d'émission à la fois pour les COV spécifiés et pour la somme des 10 COV les plus élevés détectables (ΣVOC). Les concentrations de COV total (COVT) à l'intérieur de la chambre ont également été mesurées en continu à l'aide d'un analyseur de qualité d'air intérieur TSI Q-Trak modèle 7575 avec une sonde de détection de photo-ionisation (PID) modèle 982 pour vérifier que les concentrations de COVT étaient approximativement stables durant le temps de l'échantillonnage de l'air pour l'analyse les COV. Ces mesures ont été utilisées pour vérifier que les conditions approximativement en régime stationnaire étaient généralement atteintes dans les deux heures suivant le début de l'impression et que les émissions COVT suivaient un profil de taux d'émission constant caractéristique (figure S3). Ainsi, nous considérons que  l'échantillonnage de l'air pour l'analyse des COV pendant les 45 dernières minutes de l'impression de chaque objet était raisonnablement représentatif des concentrations à l'état d'équilibre.
 
La procédure d'échantillonnage et d'analyse des tubes absorbants était basée sur une version modifiée de la méthode US-EPA TO-17.  Les tubes absorbants étaient insérés dans un petit trou dans d'échappement de la chambre et connectés à un VSS-1.La pompe d'échantillonnage de l'air ce trouve à l'extérieur de la chambre et fonctionnent à ~ 20 mL / min. Les débits d'air des pompes et des tubes d'échantillonnage ont été mesurés après chaque essai à l'aide d'un Gilian Gilibrator 2 et ont été combinés à la durée d'échantillonnage enregistrée pour estimer le volume d'air total qui à traversé les tubes pendant l'échantillonnage. Tous les tubes absorbants ont été expédiés dans un emballage réfrigérant pendant la nuit à l'Université du Texas à Austin et analysés par désorption thermique suivie d'une chromatographie en phase gazeuse et d'une spectrométrie de masse par ionisation électronique (TD / GC / MS). Un standart interne, le 4-bromofluorobenzène, a été utilisé pour toutes les analyses. Les COV individuels ont été identifiés et quantifiés statistiquement par une recherche de composés de la librairie du NIST (LCS). La masse des composés identifiés a été estimée à partir de la réponse des standard interne et d'un facteur de réponse relatif de 1. La majorité de l'incertitude associée à ces calculs est liée à l'hypothèse que le facteur de réponse relatif est 1. Facteurs de réponse relatifs nous utilisons donc 25% comme estimation approximative de l'incertitude de notre méthode de quantification des COV. Les COV individuels peuvent ne pas avoir les mêmes facteurs de réponse, mais cela fournit une estimation de base raisonnable de l'incertitude dans les concentrations déclarées.
 
Nous avons également échantillonné les COV à l'extérieur de la chambre au cours de plusieurs tests. Ces échantillons absorbant ont été prélevés pendant toute la période d'impression pour s'assurer qu'il n'y avait pas de sources externes inattendues de COV transportés dans la chambre. Des tubes d'absorbant vides ont également été recueillis à l'extérieur de la chambre sans les relier aux pompes à air pendant chaque essai pour caractériser l'absorption de tout composé inattendu pendant l'expédition et le stockage. Enfin, la température et l'humidité relative (HR) ont été mesurées pendant chaque test avec un enregistreur de données Onset HOBO U12 à intervalles de 1 min, et les taux de ventilation ont été mesurés pendant chaque test avec du CO2 comme gaz traceur. Au début de chaque essai, on injecte du CO2 dans une petite cuve et on mesure la décroissance des concentrations de CO2 dans la chambre à l'aide d'un analyseur de CO2 PP SBA-5 connecté à un enregistreur de données Onset HOBO U12 a 1minutes d' intervalles. La procédure de calcul du débit de ventilation est entièrement décrite dans le support d'information(en anglais en fin de page).
 
2.3Estimation du taux d'émission de particules ultrafines
Comme il y avait une grande quantité de dispersion dans les données de concentration UFP résultantes, nous avons d'abord appliqué une fonction de lissage aux données UFP en utilisant la fonction «lisse» dans MATLAB R2015a, comme décrit dans Supporting Information. Ces données de concentration lissées ont ensuite été utilisées pour estimer le taux d'émission UFP variant dans le temps pour chaque combinaison d'imprimantes et de filaments via une solution discrète dynamique de nombres bien mélangés appliquée aux concentrations de particules totales mesurées à l'intérieur de la chambre.
voir formule 1 ci dessous
Ou EUFP(t) est le taux d'émission UFP variant dans le temps à partir d'une seule imprimante 3D à l'instant t (par minute), V est le volume de la chambre (mètres cubes).CUFP,in(t) est la concentration de UFP dans la chambre à l'instant t (par mètre cube), Δt est le pas de temps pour les mesures UFP (1 min), LUFP est la constante du taux de perte UFP (par minute), et UFP,bg est la concentration moyenne en UFP dans la chambre avant les essais d'émissions.
LUFP a été estimée à partir d'une régression log-linéaire avec les 60 premières minutes de données de la période de décroissance finale après la fin de l'impression, comme décrit dans Informations de support. Nous devons noter que l'équation 1 pose plusieurs hypothèses importantes qui peuvent conduire à des inexactitudes dans les estimations des taux d'émission UFP, comme ignorer la dynamique des particules résolues en taille, ignorer la coagulation et supposer des taux de perte de particules constants. Les impacts potentiels de ces hypothèses sont discutés plus en détail dans Informations à l'appui. Nous estimons que l'incertitude de nos calculs de taux d'émission UFP variables dans le temps est d'environ 45%, tel que décrit dans Informations à l'appui.
 
Les estimations du taux d'émission UFP variant dans le temps ont également été utilisées pour quantifier le nombre total de PUF émis lors de l'impression, normalisé par la masse de filament utilisée, comme indiqué dans l'équation 2:
 
Ou ĖUFP est le nombre total d'UFP émis lors de l'impression par masse de filament utilisée (par gramme), N est le nombre total d'intervalles de temps pendant l'impression (minutes), et mobject est la masse de filament utilisée (c'est-à-dire la masse de l'objet imprimé final, en grammes).
 
 2.4Estimation du taux d'émission de composés organiques volatils
Les recherches de composés des bibliothèques TD / GC / MS (LCS) ont identifié et quantifié environ 50 COV spécifiés à l'intérieur de la chambre pendant les périodes de fond initiales et les dernières ~ 45 min des périodes d'impression. Le taux d'émission de chaque COV identifié a été estimé à l'aide de l'équation 3, qui suppose que la ventilation était le seul mécanisme d'élimination dans la chambre, que les concentrations des 10 COV émis par les imprimantes 3D étaient négligeables à l'extérieur de la chambre. et que les concentrations de COV ont atteint un état stable pendant la période d'échantillonnage finale. Ces hypothèses sont discutées plus en détail dans le Support Information.
 
 
EVOC,i est le taux d'émission constant estimé d'un COV individuel (microgrammes par minute), CVOC,i,print est la concentration à l'état d'équilibre d'un COV individuel à l'intérieur de la chambre au cours des dernières ~ 45 min d'impression (microgrammes par mètre cube), et CVOC,i,bg est la concentration de fond d'un COV individuel à l'intérieur de la chambre avant l'impression (microgrammes par mètre cube). Nous estimons que l'incertitude de nos calculs de taux d'émission de COV spécifiés est d'environ 36%, tel que décrit dans le support d'Informations .
 
Le taux d'émission de chaque imprimante pour la somme des 10 COV les plus élevés détectables (ΣVOC) a été estimé en ajoutant tous les taux d'émission COV individuels positifs des 10 premiers composés avec les concentrations les plus élevées dans la chambre pendant les 45 dernières minutes de la période d'impression . Nous nous sommes limités au top 10 des composés les plus concentrés car les composés en dessous des 10 premiers ajoutaient des quantités négligeables à la masse  ∑VOC totale détectable. Nous avons également normalisé les taux d'émission de ΣVOC par la masse de filament consommée par l'utilisation de l'équation 4:
 
 
 
ou E∑VOC est le taux d'émission total de COV d'une imprimante pour les 10 principaux composés identifiés et Ė∑VOC est le taux d'émission total de COV par masse de filament utilisée (microgrammes par gramme).
 
2.5Descriptions des imprimantes et des filaments
Nous avons caractérisé les émissions de UFP et de COV d'un total de 16 combinaisons uniques d'imprimantes et de filaments, y compris cinq marques et modèles populaires d'imprimantes 3D de bureau avec jusqu'à neuf matériaux de filaments différents. Les cinq imprimantes comprenaient , un modèle avec une extrudeuse double une  FlashForge Creator compatible avec l'ABS et le PLA (les deux filaments ont été testés); (2) une Dremel 3D Idea Builder compatible uniquement avec le PLA; (3) une XYZprinting da Vinci 1.0 compatible avec ABS seulement; une MakerBot Replicator 2X compatible avec ABS uniquement; et  une LulzBot Mini compatible avec de nombreux types de filaments. L'imprimante LulzBot a été testée avec neuf filaments différents couramment utilisés: ABS, PLA, high-impact polystyrene (HIPS), nylon semi-transparent, laybrick (imitation de briques/pierres de composition chimique inconnue), laywood (imitation de bois composition chimique inconnu), un polycarbonate transparent, un élastomère thermoplastique copolyamide plastifié à base de nylon semi-transparent (PCTPE) et un filament de résine polyester transparent appelé T-Glase. Les imprimantes Dremel, XYZprinting et MakerBot avaient toutes des boîtiers en plastique intégrés autour de l'appareil (bien qu'elles ne soient pas étanches à l'air), tandis que les FlashForge et LulzBot ne comportaient aucune enceinte. Cette liste d'imprimantes n'est pas exhaustive, mais elle est conçue pour couvrir une gamme raisonnable d'imprimantes actuellement populaires avec des caractéristiques relativement généralisables telles que le type de filament, la température des buses et du lit et la présence ou l'absence d'une enceinte partielle.
Le tableau 1 résume toutes les expériences qui ont été menées.
 
Table 1. Sommaire des expériences a
Imprimantefilamentextruder temp (°C)lit temp (°C)bed prepmasse (g)enceinte partieltemps d'impression
FlashForge CreatorABS blanc200110glue40.2non3 h 42 min
PLA rouge200110glue53.2non3 h 42 min
  
Dremel 3D Idea BuilderPLA blancb,c230temperature de la chambrealcohol wipe55.2oui2 h 49 min
  
XYZprinting da Vinci 1.0ABS bleu230100glue40.4oui2 h 26 min
  
LulzBot MiniABS rougeb,c,d240110alcohol wipe44.5non2 h 33 min
ABS rougee240110alcohol wipe56.7non2 h 42 min
PLA rouge19045alcohol wipe53.1non3 h 25 min
HIPS noirb240100alcohol wipe47.4non2 h 28 min
nylon bridge semitransparent23065glue46.5non2 h 55 min
laybrick blanc20065alcohol wipe57.7non3 h 0 min
laywood marron20065alcohol wipe48.3non3 h 2 min
polycarbonate transparentb270110glue52.1non2 h 38 min
PCTPE semitransparent23565glue47.8non3 h 2 min
T-Glase transparent rouge24060alcohol wipe49.4non3 h 2 min
  
MakerBot Replicator 2XABS blancd230110glue40.3oui2 h 38 min

ABS blancd

230110glue40.7

non

2 h 38 min

a :Pour tous les tests sauf un, nous avons imprimé un échantillon normalisé de 10 × 10 × 1 cm du NIST.
b:Conditions expérimentales avec des essais d'émissions de COV en double.
c:Conditions expérimentales avec des tests d'émissions UFP en double
d:Expériences avec un échantillonnage simultané de COV conduit à l'extérieur de la chambre.
e:Dans ce cas, nous avons imprimé un cube de ~195 cm3 avec approximativement la même durée d'impression que l'échantillon NIST

.Quinze des 16 combinaisons d'imprimantes et de filaments ont été utilisées pour imprimer la partie de test NIST, tandis qu'une combinaison de test (LulzBot-ABS) a également été utilisée pour imprimer un cube. La MakerBot avec filament ABS a également été testé deux fois: une fois avec l'enceinte en plastique du fabricant installée telle qu'elle a été reçue en usine et une fois avec l'enceinte intentionnellement retirée. Nous avons également effectué des mesures de COV en double pour quatre combinaisons d'imprimantes et de filaments et deux mesures UFP en double pour évaluer la répétabilité de nos expériences.

3 Résultats et discussion

La figure 2a montre un exemple de concentrations des UFP variant dans le temps résultant d'un seul test de l'une des imprimantes avec filament ABS (LulzBot Mini), ainsi que les données de concentration d' UFP lissé. La ligne directrice de gauche de la figure 2a montre le moment où les imprimantes ont commencé à se réchauffer avant l'impression, ce que nous avons considéré comme faisant partie de la période d'émission d'impression.

La figure 2b montre les taux d'émission UFP variant dans le temps estimés à partir de l'équation 1. Les figures S6-S23 montrent des profils de séries temporelles similaires des concentrations UFP et des taux d'émission pour les 16 combinaisons expérimentales, ainsi que deux en doubles.

 
 
 
Figure 2. (a) Concentrations UFP calibrées et lissées et (b) estimations des taux d'émission UFP variant dans le temps pour une condition d'essai d'échantillon avec l'imprimante 3D LulzBot Mini et le filament ABS. SM se réfère à la méthode de lissage des données utilisée.
 
Les résultats de la figure 2a sont similaires aux résultats de la plupart des expériences, car les concentrations de PUF augmentaient rapidement juste après le début de l'impression et persistaient pendant les 10-20 premières minutes, puis diminuaient jusqu'à un niveau inférieur, bien que généralement plus élevé. que la concentration de fond. Au cours de certains tests avec d'autres combinaisons d'imprimantes et de filaments, les concentrations d'UFP ont à nouveau atteint un sommet vers la fin de la période d'impression à mesure que les parties minces de l'objet imprimé étaient créées. Cependant, l'amplitude et la forme des concentrations dynamiques de PUF varient grandement en fonction de l'imprimante, du filament, de la forme de l'objet imprimé et des températures de la buse et du lit. Dans quelques scénarios (par exemple, figure 2a), les concentrations d'UFP ont atteint un niveau d'état d'équilibre approximatif vers la fin de la période d'impression. Nous avons utilisé les données de ces périodes pour vérifier que la méthode de calcul du débit d'émission discrétisée variant dans le temps (eq 1) donnait aussi des estimations similaires aux taux d'émission d'UFP et etait une solution simple d'équilibre du bilan massique, comme décrit dans Support d'Information. Les résultats des deux méthodes étaient en accord pour ces périodes, ce qui suggère que la méthode dynamique fournit des estimations raisonnables du taux d'émission.
La figure 3 montre la gamme des vitesses d'émission UFP variables dans le temps estimées pour les 16 combinaisons d'imprimantes et de filaments, regroupées par (i) filaments ABS, (ii) filaments PLA et (iii) tous filaments autres que ABS ou PLA.
 
 
 
Figure 3. Récapitulatif des taux d'émission UFP variables dans le temps estimés pour 16 combinaisons d'imprimantes 3D et de filaments. Chaque point de données représente des données à des intervalles de 1 min, et la combinaison de points de données représente la période d'impression complète (généralement entre 2,5 et 4 h). Les Cases indiquent les valeurs du 25th et du 75th centile avec le 50th centile entre les deux. Les Whiskers représentent les valeurs adjacentes supérieures et inférieures, et les cercles représentent les valeurs aberrantes au-delà de ces valeurs.
 

Les taux d'émission UFP varient considérablement en fonction de la marque et du modèle de l'imprimante, du type de matériau du filament, de la température de la buse et du lit et du temps d'impression. Les taux d'émission UFP les plus élevés se produisent généralement avec les imprimantes utilisant des filaments ABS, avec des valeurs médianes allant de ∼2 × 1010 a ∼9 × 1010 min–1  sur toutes les imprimantes ABS avec ou sans boîtier.

Les taux d'émission UFP les plus bas se sont produits avec les trois imprimantes utilisant des filaments de PLA, indépendamment de la marque et du modèle de l'imprimante, avec des taux moyen d'émission UFP de ∼108 min–1.

Ceci est inférieur à ce que nous avons estimé dans notre étude originale avec une marque différente d'imprimante et un  modèle différent  mais est similaire à d'autres tests récents en chambre. Les taux moyens d'émission d'UFP pour les autres filaments étaient les plus élevés. filament de polycarbonate (∼4 × 1010 min–1)suivi par PCTPE (∼2 × 1010 min–1), T-Glase (∼5 × 109 min–1), HIPS (∼4 × 109 min–1), nylon (∼2 × 108 min–1), laywood (∼8 × 107 min–1), et laybrick (∼6 × 107 min–1), tous imprimés avec l'imprimante LulzBot Mini. 

L'impression d'un cube au lieu de la pièce d'essai NIST avec du filament ABS (dans l'imprimante LulzBot) n'a pas significativement modifié l'ampleur des taux d'émission UFP, bien qu'elles aient légèrement modifié la forme variable du profil d'émission UFP (Figure S8). Fait intéressant, la présence d'une enceinte n'a que modérément réduit les taux d'émission UFP de la combinaison MakerBot-ABS, avec une réduction de ~ 35% du taux d'émission moyen (bien que cette variation soit inférieure à l'estimation de l'incertitude). Des réductions plus importantes n'ont pas été observées, peut-être parce que l'enceinte n'était pas complètement étanche et que de grandes lacunes étaient visibles. Bien que ces deux comparaisons fournissent des données préliminaires sur la façon dont la forme imprimée et  la présence d'une enceinte peuvent avoir un impact sur les émissions de particules provenant des imprimantes 3D, aucune autre conclusion définitive ne peut être tirée compte tenu de cet ensemble de données limité. Enfin, les données de deux séries de tests en double (figures S6 et S7 et figures S17 et S18) ont également démontré une variabilité inhérente des émissions de PUF entre les essais répétés, les estimations moyennes des taux d'émission se situant entre 57% et 48% l'un et l'autre, respectivement.

3.2Taux d'émission de composés organiques volatils

La figure 4 résume les estimations des taux d'émission de COV et de COV spécifiés individuels de chacune des 16 combinaisons d'imprimantes et de filaments. Seuls les trois principaux COV spécifiés avec les concentrations les plus élevées mesurées dans chaque test sont montrés individuellement, alors que les 10 autres COV individuels restants sont résumés comme d'autres COV. La somme de ces valeurs donne une estimation du taux d'émission de ΣVOC. Nous fournissons également une liste des 10 principaux COV individuels avec les concentrations mesurées les plus élevées pendant les périodes d'impression pour les 16 combinaisons expérimentales à l'intérieur de la chambre et quatre expériences en double pour l'échantillonnage des COV dans le tableau S2, ainsi que pendant quatre périodes d'échantillonnage de COV à l’extérieur de la chambre dans le tableau S3.

Figure 4. Estimations des taux d'émission pour les trois principaux COV les plus élevés ainsi que la somme des 10 principaux COV détectables (COV) résultant de l'utilisation de 16 combinaisons d'imprimantes 3D et de filaments. La figure est divisée en: (a) émetteurs faibles avec E∑VOC < 40 μg/min, et (b) les grands émetteurs, avec E∑VOC > 40 μg/min, pour une clarté visuelle, notez que bien qu'aucune barre d'erreur ne soit montrée dans la figure, nous estimons que l'incertitude dans chaque taux d'émission de COV individuel est d'environ 36%, tel que décrit dans le Support d'information.
 
Le matériau du filament a généré la majorité des différences dans les types de COV émis, tandis que la marque et le modèle de l'imprimante ont généré la majorité des différences dans la masse globale de COV émis avec le même filament. Estimations des taux d'émission totaux de COV (E∑VOC) variait d'aussi peu que ~ 3 μg / min pour le filament de polycarbonate à près de 200 μg / min pour le filament de nylon (les deux imprimés avec le LulzBot). Les trois principaux composés émis représentaient au moins 70% des émissions de COV dans tous les cas. Pour la plupart des combinaisons d'imprimantes et de filaments, un seul COV dominait les émissions de ΣVOC.
 
Le COV individuel primaire émis par les six combinaisons de filaments et d'imprimantes ABS et le seul filament HIPS testé était le styrène. Les estimations des taux d'émission de styrène avec ces filaments allaient de ~ 12 à ~ 113 μg / min, selon la marque et le modèle de l'imprimante. Il est intéressant de noter que les taux d'émission de styrène les plus faibles et les plus élevés ont été mesurés pour les imprimantes avec une enceinte partielle (XYZprinting et MakerBot). Les taux d'émission de styrène et de COV totaux étaient légèrement plus bas lorsque la combinaison LulzBot-ABS imprimait un cube comparé à la pièce d'essai standard NIST, mais ils étaient légèrement plus élevés pour la combinaison MakerBot-ABS avec l'enceinte plastique.
 
Le principal COV individuel émis par les filaments de nylon, PCTPE, laybrick et laywood était le caprolactame. Tous ces filaments ont été installés dans l'imprimante LulzBot et tous ont été classés comme émetteurs élevés sur la figure 4b, avec des taux d'émission de caprolactame aussi élevés que ~ 180 μg / min pour le filament de nylon. Du caprolactame a également été émis par les filaments de polycarbonate et de T-Glase installés dans l'imprimante LulzBot, mais à des niveaux beaucoup plus bas (figure 4a).
 
Enfin, le COV individuel primaire émis par les filaments de PLA était le lactide (1,4-dioxane-2,5-dione, 3,6-diméthyl), quoique en quantités relativement faibles, avec des taux d'émission allant de ~4 à ~ 5 μg / min dans les trois imprimantes utilisant des filaments PLA. Nous sommes convaincus que la majorité des COV identifiés provenaient des matériaux du filament pour la plupart des tests d'impression, même pour les tests ou de la colle a été appliqués sur le lit, car les principaux composants de colle mesurés lors du test seulement (propylène glycol et glycérine , comme indiqué dans le tableau S2) ont été trouvés seulement dans une combinaison filament / imprimante sur la figure 4.
 
3.3 Impacts des buses et des températures du lit
 
Ensuite, nous avons exploré nos estimations des taux d'émission UFP et ΣVOC en fonction des températures de la buse et du lit (figure 5). Les taux moyens d'émission UFP et ΣVOC sont divisés en trois groupes de température de lit (moins de 45, 60-65 et 100-110 ° C) et représentés par rapport à la température de la buse (qui varie de 190 à 270 ° C, comme décrit dans Tableau 1).
  
Figure 5. Impact de la température de la buse et du lit sur les taux moyens d'émission UFP et TVOC.
 
Les températures des buses n'ont pas eu une grande influence sur les taux d'émission UFP provenant de cet ensemble d'imprimantes à des températures de lit basses ou élevées. Cependant, les températures de la buse semblaient influencer les taux d'émission UFP aux températures moyennes du lit, car les taux d'émission UFP étaient plus élevés avec l'augmentation des températures de buse. Plus important encore, les températures du lit semblent à elles seules influencer les taux d'émission de PUF dans cet échantillon d'imprimantes. La plupart des combinaisons imprimante / filament avec les températures de lit les plus élevées ont les taux d'émission UFP les plus élevés, tandis que la plupart des combinaisons imprimante / filament avec les températures de lit les plus basses ont les plus faibles taux d'émission UFP. Aucune relation apparente n'a été observée entre les taux d'émission de ΣVOC et les températures du lit ou de la buse dans cet échantillon d'imprimantes et de filaments. Cependant, nous devons noter qu'avec cette taille d'échantillon limitée, ces relations ne sont considérées que suggestives.
 
 3.4Corrélations entre les particules ultrafines totales et la somme des émissions de composés organiques volatils par masse de filament
 
La figure 6 compare le nombre total d'UFP émises (éq 2) et la masse de ΣVOC émise (éq 4) pendant l'impression, normalisée par la masse de filament, pour chacune des 16 combinaisons primaires d'imprimantes et de filaments.
 
 
Figure 6. Comparaison des émissions totales de PUF et de TVOC par masse de filament.
 
Le nombre total de PUF émis par gramme de filament imprimé variait d'un minimum de ∼2 × 108 g–1 pour la combinaison LulzBot-laybrick jusqu'à un maximum de 2 × 1011 g–1 pour plusieurs imprimantes avec des filaments ABS. La masse ΣVOC émise par gramme de filament imprimé varie entre un minimum de ~ 6 µg / g pour la combinaison LulzBot-polycarbonate à près de 800 µg / g pour la combinaison LulzBot-nylon. En général, ABS, PCTPE et les filaments HIPS avaient des taux élevés d'émission normalisée de masse des deux PUF et ΣVOCs, alors que les filaments PLA avaient des taux relativement faibles d'émissions d'UFP et ΣVOC normalisée de masse. Il est intéressant de noter que les filaments de T-Glase et de polycarbonate (tous deux utilisés dans l'imprimante LulzBot) présentaient de faibles émissions de COV mais des émissions UFP élevées. Inversement, les filaments laywood et laybrick (également utilisés dans l'imprimante LulzBot) présentaient des taux d'émission de COV relativement élevés mais de faibles taux d'émission UFP. Ces données suggèrent que la sélection des matériaux filamentaires entraîne à la fois des émissions UFP et ΣVOC, bien que la connaissance d'un type d'émissions ne soit pas nécessairement utilisée pour prédire l'autre.
 
3.5Implications pour l'exposition humaine et les effets sur la santé
 
Les mesures de PUF et les taux d'émission individuels de COV présentés ici ont des implications importantes pour l'exposition humaine et les effets sur la santé. Par exemple, le styrène, qui est classé comme cancérogène possible pour l'homme par le Centre international de recherche sur le cancer (groupe 2B du CIRC) , a été émis en grande quantité par tous les filaments ABS et un filament HIPS. Le caprolactame était également émis en grande quantité par quatre des filaments: le nylon, le PCTPE, le laybrick et le laywood. Bien que le caprolactame soit classé comme probablement non cancérogène pour l'homme (24), le Bureau californien d'évaluation environnementale des dangers pour la santé(OEHHA) maintient des 8h des niveaux d'exposition de référence (REL) aigus, et chroniques de seulement. 2.2 μg/m3, (25) Nous n'avons connaissance d'aucune information pertinente concernant la toxicité par inhalation du lactide, le COV individuel primaire émis par les filaments de PLA.
 
Pour fournir une base de comparaison aux limites réglementaires d'exposition et pour aider à comprendre les implications potentielles pour la santé humaine, nous avons utilisé ces estimations de PUF et des taux d'émission individuels de COV pour prédire les concentrations en régime permanent. environnement de bureau mixé. Cet effort n'est pas destiné à servir de modèle d'exposition détaillé, mais plutôt d'analyse de dépistage des implications potentielles pour la santé. Il convient également de noter que cette analyse ne prend pas en compte les effets de proximité qui pourraient servir à élever considérablement les expositions aux PUF et aux COV dans certains microenvironnements par rapport aux conditions bien mélangées.
 
Supposons qu'une imprimante 3D de bureau fonctionne continuellement dans un espace de bureaux bien aménagé et climatisé de 45 m3 (c'est-à-dire le même espace de bureau que Stephens et autres . Supposons le pire scénario dans lequel une seul l'imprimante a les taux d'émission UFP moyens et VOC individuels maximum des résultats de la présente, qui comprennent ∼1011 min–1 pour les UFPs, 183 μg/min pour le caprolactame, 113 μg/min pour le styrène, et 5 μg/min pour le lactide. Supposons un taux de ventilation de bureau typique de 1 h–1,(26) aucune perte de sorption pour les trois COV (probablement une estimation prudente), et une constante typique de taux de perte de dépôt d'UFP de 1.3 h–1. Dans ces conditions, les concentrations à l'état d'équilibre à l'intérieur de chacun de ces constituants seraient élevées à ∼58 000 cm–3 pour les UFPs, ∼244 μg/m3 pour le caprolactame, ∼150 μg/m3 pour le styrène, et ∼6 μg/m3 pour le lactide.
 
La concentration de caprolactame prédite (244 μg / m3) dépasserait les trois REL identifiés par l'OEHHA de Californie (25), ce qui laisse supposer que l'estimation de l'exposition au caprolactame à partir de l'impression 3D de bureau dans un environnement de bureau typique avec nylon et les filaments à base de nylon pourraient entraîner des effets néfastes sur la santé, en particulier chez les personnes sensibles. L'exposition aiguë à de fortes concentrations de caprolactame est connue pour être «irritante pour les yeux et les voies respiratoires» et «peut avoir des effets sur le système nerveux central», selon les Centers for Disease Control and Prevention (CDC).
 
La concentration de styrène prévue dans cette configuration (150 μg / m3) serait environ 20 fois plus élevée que la plus forte concentration de styrène mesurée dans les bâtiments commerciaux dans l'étude US EPA BASE (31) et plus de 20 fois supérieure à la concentration moyenne dans les résidences américaines. (32) Des rapports suggèrent également que l'exposition au styrène à ces concentrations pourrait être problématique pour la santé humaine. Par exemple, on a estimé que des concentrations élevées de styrène à l'intérieur ont entraîné des risques de cancer à vie relativement élevés dans des études antérieures qui supposaient des facteurs d'activité typiques (33) et même des concentrations modérées de styrène (plus de 2 μg / m3). risque d'infections pulmonaires chez les nourrissons .
 
Bien que nous ne connaissions aucune limite réglementaire pour les concentrations de PUF à l'intérieur, une augmentation des concentrations de PUF à ~ 58000 cm-3 serait environ 10 fois plus élevée que ce que nous observons habituellement dans l'air intérieur dans nos environnements de bureau et de laboratoire. Il s'agit d'une concentration moyenne dans les écoles de 8 heures (35). Cependant, elle ne serait que modérément plus élevée que les concentrations moyennes moyennées dans le temps (36), mais inférieure à ce qui est souvent observé dans d'autres microenvironnements (37).
 
Compte tenu de ces résultats, nous sommes invités à faire les recommandations suivantes. Premièrement, des mesures supplémentaires devraient être effectuées pour quantifier plus précisément les expositions personnelles aux PUF et aux COV spécifiés qui tiennent compte des effets de proximité présentés par les modèles d'utilisation habituels des imprimantes 3D. Deuxièmement, les fabricants devraient travailler à la conception de matériaux à base de filaments à faible émission et / ou de technologies d'impression. Troisièmement, en l'absence de nouveaux filaments à faible émission, les fabricants devraient s'efforcer d'évaluer l'efficacité des boîtiers étanches aux émissions UFP et COV ou d'introduire des systèmes combinés de filtration de gaz et de particules. Jusque-là, nous continuons à suggérer qu'il faut faire preuve de prudence lorsqu'on utilise de nombreuses combinaisons d'imprimantes et de filaments dans des espaces fermés ou mal ventilés ou sans l'aide de systèmes de filtration de gaz et de particules. Ceci est particulièrement vrai pour les filaments à base de styrène et de nylon, sur la base des données de l'échantillon relativement grand d'imprimantes et de combinaisons de filaments évaluées ici.
 
Support d'information
 
Texte supplémentaire, 23 figures et quatre tableaux décrivant les méthodes de résolution, les détails de la configuration expérimentale, les étalonnages, l'analyse de l'incertitude et toutes les données UFP et COV qui en résultent
 
 
 
 
This topic was modified Il y a 5 mois 2 times by adrien

Quote

Forum Impression 3D, Rétro-gaming, Électronique

Noté cette page