南极熊导读：中国每年生产数百万台消费级3D打印机，卖到全球各地，其中相对一部分是被用户放在家里或者办公室里使用。不久前南极熊办公室新到了LCD 光固化3D打印机，某个模型打印了一晚上，第二天打开办公室门口的瞬间，一阵光敏树脂的刺激味道扑面而来，不得不立即清理干净树脂材料，并开窗通风透气，我在外面呆了好几分钟后，才又回到办公室。
今天要谈论一个严肃的问题：3D打印的安全性，到底如何？
当空气中弥漫着塑料融化的奇妙气味时，恰恰证明此时3D打印机正在努力工作。但您可能看到去年有媒体披露3D打印有毒的消息后，肯定会产生担忧：“3D打印机排放的这些气体会对人体造成多大危害呢？如果把3D打印机放在卧室，让它彻夜运作会对身体产生危害吗？如果把3D打印机放在办公室内会影响员工的健康吗？
无论您打算把3D打印机放在室内任何地方，都可以通过这篇文章从科学、研究和实践角度了解如何选择和购买3D打印机，以及在使用过程中如何保障空气质量安全。
这些气体由什么成分组成？会不会致癌？
研究表明，所有3D打印机（本文主要对FDM/FFF 3D打印机进行分析，光固化及其他技术会在后期进行跟踪调研）在进行打印时都会产生排放物，其中一些无害但有异味，是材料加热后产生的，另一些则可能会危害健康。要判断这些排放物是否安全，需要尤其关注打印机释放的颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs）含量。
3D打印机排放颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs）（图片来源：美国环保局 [US EPA]）
可吸入颗粒物（PM）：通常情况下，人吸入的颗粒物会堆积在肺部，如果颗粒物的含量过高，将会引发呼吸系统疾病，例如哮喘等。除了3D打印机之外，这些颗粒物也出现在日常生活中，如汽车尾气、山火燃烧等，PM2.5也是我们日常生活中会时常关注的污染指数。
挥发性有机化合物（VOC）：通常在装修或者购买汽车时候会特别关注VOC的情况，如甲醛。去年，如相关新闻报道所说，有些3D打印机造成的VOCs具有致癌性，但这些排放物的毒性还未彻底研究清楚，调查仍在进行中。
尽管详细的调查仍然在进行中，但是FDM排放物对人体的危害大小取决于操作环境和接触时间。2021年有项研究发现，人体接触排放物一个小时或更短时间内，不会影响健康。但那些每周待在打印机周围，工作40小时以上的人群可能罹患呼吸系统疾病。1小时到40小时之间的灰度区域还需要实验来进一步验证。
△美国密歇根凯特林大学（Kettering University）的实验室中所有打印机都密封在3DPrintClean过滤箱内（图片来源：凯特林大学）
虽然关于儿童的数据和结论同样也在研究中，但我们需要对于学校，特别是学校内的3D打印创新实验室的情况更加重视。美国环保局（EPA）针对3D打印机排放情况做的一份研究报告表明，儿童可能特别容易受到3D打印机排放物的影响。研究发现与成人相比，9岁至18岁的儿童吸入3D打印排放的颗粒物后，肺部被颗粒覆盖的表面积更大。EPA认为这可能与孩童好奇心比较大，更偏好近距离接触打印头有关，并且儿童的呼吸道还处于发育阶段，容易受到感染。
△国外厂商3Doodler专为儿童开发了一款3D打印笔，通过降低熔点来减少PM
因此本文会带大家逐一了解目前的研究成果，帮助大家特别是教育工作者了解如何在室内使用3D打印机时进行自我保护，如果计划购买3D打印机，该如何考虑。
如何在使用3D打印机时减少可能产生的健康风险
△芬兰阿尔托大学3D打印工作室，该校收集了大量有关3D打印机的资料以及其排放物对健康和空气质量的影响数据，本文部分援引该校数据。
1.使用低排放型材料（如PLA），并选择原厂或品牌线材
首先，影响FDM排放量情况的最大因素是耗材。根据美国环境保护局（EPA）等部门进行的多项研究，耗材的种类对于排放量有至关重要的影响，取决于制造商使用的原料和中间的合成工艺——不同耗材中含有不同增韧、着色等添加剂，其受到热熔的影响不一。美国食品和药物管理局（FDA）最近也表示，“随着3D打印技术的应用范围越来越广泛，有必要调查清楚耗材添加剂会对人体健康造成什么影响。未来FDA会继续调查其他添加剂和涉及的挥发性有机化合物与颗粒物质的特性，并出台相关标准。”
目前FDA的大多数研究都集中分析最常见的三种耗材——ABS、PLA和尼龙，ABS一般都被列为高排放材料。ABS使用时除了最开始会产生大量PM和VOCs，之后整个打印过程排放量都很稳定。如上所述，因为排放的VOCs会迅速与颗粒物结合，融为一体，后续持续产生的主要排放物基本都是颗粒物。PLA和尼龙材料使用时的排放量比ABS少。这些材料同样在刚开始使用时会产生大量颗粒物，但不会持续排放。所以一般我们称这些材料为低排放材料。
同时他们也注意到，PLA排放情况会受耗材品牌的影响，不同品牌的耗材品质参差不齐，有些PLA的排放量甚至接近ABS的排放量。佐治亚理工学院的研究员Rodney Weber早在2017年做了关于耗材排放情况的实验后，就发现了这一点，他呼吁用户谨慎购买廉价的无牌耗材。他说，“我们发现，使用廉价的耗材比使用原厂或者知名品牌厂商生产或推荐的耗材，打印时产生的气溶胶浓度将更高。虽然PLA是由玉米淀粉等可生物降解材料制成的，但是我们和气溶胶协会相关研究都发现，某些PLA排放的颗粒物和化合物甚至比ABS的毒性更强。但由于PLA只在打印最开始时会产生这些有害物质，随着时间推移，ABS耗材排放物的毒性就会慢慢超过PLA耗材排放物的毒性。
△针对3D打印的排放情况,佐治亚理工学院的研究员Rodney Weberz正在展开开创性调查实验（图片来源：气溶胶科学与技术杂志）
2. 设定优化：更细喷嘴，降低喷嘴温度，并选择最佳效果
其次，不同制造商的硬件参数各不相同，这些参数都会影响排放情况。特别是使用PLA耗材和尼龙耗材时，打印机品牌和参数的影响更为明显。有些设定也会对PM和VOCs排放速率产生巨大影响。
布尔诺理工大学进行了一项研究，研究人员对比打印机设置对ABS、PLA、PET和TPU材料的影响。结果表明，当我们选择最优打印设定时候，能确保打印成功的同时，最大程度减少排放量；同时当喷嘴温度设定的比较低的时候，其材料产生的排放物都将更少。因此，从呼吸道健康的角度出发，研究人员推荐打印机用户尽可能设定最低的喷嘴温度，甚至比制造商建议的更低。该研究还发现，喷嘴尺寸大小对排放率和颗粒浓度都有明显影响。针对ABS、PET和PLA材料，他们发现使用0.4mm的喷嘴产生的PM最少。TPU则是个例外，使用TPU时喷嘴尺寸增加到0.6mm排放量更少。
△不同喷嘴温度/尺寸设定下，打印期间颗粒形成最高速率（图片来源：国际环境研究和公共卫生杂志，“3D打印中影响超细颗粒排放的参数”）
研究结果还显示材料流量或打印速度几乎不影响排放量。因此，挤出机设定是影响排放的最关键因素。而另一项使用ABS和PLA测试的研究发现，加热的打印平台不会增大排放量，反而有助于增大颗粒大小，更容易减少颗粒物数量。
几乎所有研究人员都指出，要改善室内空气质量问题，恰当的通风方法是关键。用户应把打印机放在通风良好的位置，排气口安装上风扇，这样才能达到最佳效果。所有通风系统都应该配备相应的空气过滤系统来配合使用。建议使用高效空气（HEPA）过滤器，它能去除高达99.95%的微粒。要减少VOCs的排放，活性炭过滤器则是最好的解决方案。
3. 对于开放式打印机，增加其他配套装置
给3D打印机罩上一个带有空气过滤器的小型通风外壳是不错的选择。研究表明，把一台桌面型3D打印机放在具备过滤通风性能的外壳中，可以减少97%的粒子排放率。但需要注意的是，在选购时要查看购买的外壳是否带有HEPA系统，因为市面上很多3D打印机外壳只是用来维持热量，并没有排放功效。
△法国公司Alveo3D专门定制的带有HEPA过滤器的打印机外壳（图片来源：Alveo3D）
空气净化器使用风扇将空气吸入，通过各种过滤和消毒手段清除各种污染物。在改善3D打印机工作区域空气质量上，它们能发挥巨大作用，但最好选用配备HEPA和活性炭过滤器的空气净化器。选购空气过滤器要非常仔细谨慎，因为专门用于灰尘和划分的过滤器可能无法完全清除3D打印机排放的颗粒物或VOCs。记得定期更换机器上的过滤网。
4. 在室内安装空气质量监测器
空气质量监测器可以帮助用户实时监控工作区域中潜在有害化学物质的含量。然而，关于消费级监测器产品是否足够敏锐，能否在3D打印过程中检测出排放的微小颗粒，研究结论不一。一项研究表明，耗材中排放出的绝大多数固体颗粒材料大小在0.05到0.2微米间。而大多数家用空气质量监测器只能检测到大小在1到2.5微米间的颗粒物（定义为PM1-PM2.5）。不过有一些监测器可以检测到0.1微米以下的颗粒物（定义为PM0.1）。
一些研究指出，即使在高级研究场所中，空气质量监测器也不一定可靠。但如果您的监测器显示PM浓度已经高于35微克/立方米时，就要开始想办法清除工作区域排放物了。
如何选择购买保证空气质量的打印机？
1. 选购内置HEPA过滤器的FDM打印机
由于暂时没有成熟的检测标准，为了在使用3D打印机时能保障室内空气质量，可以从3D打印机本身和室内环境出发，找到相应的解决方案。首先，可以从3D打印机入手。现在市面上有很多内置空气过滤器的3D打印机，有了这些打印机可以省去单独购买空气过滤器配件的步骤，并从“源头上”对排放物进行控制。
大部分消费级3D打印机不配备常规空气过滤器，专业级机型有的会配置，有的则需要额外加装，选购时候需要特别注意。而工业级3D打印机则是专为工厂设计的，必须配备空气过滤器，以满足工作场所的安全规章制度。用户可以根据打印模型的数量和所处环境，购买相应的3D打印机，但最好是直接选购配备过滤系统的机型。
Raise3D
Raise3D 新款 Pro3打印机搭载了Air Flow Manager 气流管家系统，先通过打印机仓内循环，再通过HEPA过滤，实际效果远高于仅仅使用HEPA进行过滤的机型。其原理可能是让细小的颗粒物在舱内循环过程中互相接触时变成大的的灰尘颗粒而更容易吸附或沉降。
2. 为可扩展的FDM打印机加配空气过滤器
还有一些3D打印机虽然没有自带的空气过滤器系统，但也提供与设备配套的空气过滤器配件。虽然都可以做到从“源头上”对排放物进行控制，但这类3D打印机将需要花费额外的费用和步骤去添置配件，相对于价格和功能相似的内置过滤器的设备来说，成本也将更高。
Zortrax
Zortrax的HEPA顶盖（额外$250，约合1,500元人民币) 适合大部分Zortrax模型，内置活性炭过滤器在打印过程中能够吸收很多难闻气味，HEPA过滤器则可以捕捉大部分有害颗粒。
MakerBot
所有MakerBot Method和Method X打印机的Clean Air System（额外加装需$899，约合人民币6,300元）都装有一个HEPA过滤器，而且是经过GreenGuard环保认证的。
Ultimaker
据Ultimaker制造商称，Ultimaker S5 Air Manager（额外加装需$925，约合人民币6,500元）配备E10级颗粒过滤器，能够过滤掉高达95%的超细颗粒，其中还装载了一个静音风扇。
总结
随着科技的发展，现在越来越多课堂、高校和企业都会使用3D打印机，因为它们在教育、科研中能发挥巨大作用。尽管目前数据仍然不足以支持行业标准的建立，但我们仍然需要特别关注潜在的危害，防患于未然，减少可能产生的职业危害，同时保护儿童出现类似过去三聚氰胺的事件发生。
原文链接：https://all3dp.com/1/3d-printing-emissions-air-quality/
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