آیا بوی فیلامنت حین پرینت سه بعدی مضر است؟

وقتی یک چاپگر سه بعدی می‌خریم، به مزایایی که می‌تواند برای ما داشته باشد فکر می‌کنیم: ساخت قطعات خودمان، چاپ چهره‌های کلکسیونی، قطعات یدکی برای دستگاههای خراب و دهها مورد جذاب دیگر … خب، برخی که دقیقتر به مسائل فکر میکنند برایشان این سوال پیش می آید؛ آیا دستگاهی که در خانه پلاستیک را ذوب می  کند، میتواند برای سلامتی ما مضر باشد؟ ما در این مطلب به بررسی ریز ذراتی که حین ذوب ترموپلاستیک فیلامنتها و cure مایع رزین در چاپگرهای FDM و SLA/DLP منتشر می شود، میپردازیم و روشهای جلوگیری از این مشکلات را به شما آموزش می دهیم.

امروزه می‌توانیم پرینترهای سه‌بعدی را در مدارس، خانه‌ها و کارگاه‌ها پیدا کنیم و آنها ملزم به رعایت تدابیر خاصی در رابطه با استاندارهای تنفسی نیستند. ممکن است افراد حساسی از جمله کودکان یا بیماران تنفسی، ناخواسته در معرض ذرات یا بخارات ناشی از ذوب متریال چاپگر قرار گیرند.

با توجه به اینکه ترموپلاستیک در پرینترهای سه بعدی حرارت دیده تا ذوب شود، دقیقا چه ترکیباتی از خود منتشر می کند؟

چاپگرهای سه بعدی FDM بیش از دو دهه است که در بین ما وجود دارند و برخی افراد بدبین ادعا می کنند که متریال این دستگاهها که رشته فیلامنت نامیده میشود برای سلامتی مضر هستند زیرا ذرات سمی را حین ذوب شدنشان منتشر می کنند که وارد سیستم تنفسی شده و مدت زمان قرار گرفتن در معرض این ذرات، بعنوان معیار سطح خطر (کوتاه‌مدت و بلندمدت) در نظر گرفته می شود.

در ماه‌های اول شیوع بیماری کووید-۱۹، فروش پرینترهای سه‌بعدی خانگی به لطف این فناوری برای تولید عناصر محافظ صورت یا قالب ماسک‌هایی که در آن زمان کمیاب و گران شدند، تا حدی افزایش یافت. بسیاری از افراد از داشتن یک دستگاه به چندین چاپگر سه بعدی در اتاق ارتقا یافتند که به انتشار بیشتر ذرات ریز در فضای بسته منجر میشود. اقدامات مهار اجتماعی مانند قرنطینه نیز باعث می‌شود مردم زمان بیشتری را در خانه‌هایی که پنجره اش از ترس کرونا همیشه بسته هست، بگذرانند و بیشتر در معرض این ذرات قرار بگیرند.

بو گند فیلامنت میاد!

بر اساس مطالعات مختلف، نانوذراتی به نام UFP (ذرات فوق ریز)، کوچکتر از ذرات دود قلیان، در طی پرینت سه بعدی رشته ترموپلاستیک آزاد می شوند (در فیلامنتهای ارزان قیمت این مورد شدیدتر است). این ذرات از طریق کانال تنفسی وارد بدن می شوند و در عمیق ترین نواحی ریه ها قرار میگیرند و می توانند التهاب ریه ایجاد کنند.

خب، حالا باید بدانید که همه ترموپلاستیکهای مورد استفاده در چاپ سه بعدی دارای سطح سمیت یکسانی نیستند و با توجه به نوع فیلامنت خریداری شده، شدت انتشار ذرات متفاوت است. هر ترموپلاستیک از پلیمرهایی با خصوصیات مختلف تشکیل شده و به موادی تجزیه میشوند که می توانند کم و بیش مضر باشند.

بررسی ذرات منتشر شونده حین ذوب در انواع فیلامنت چاپگر سه بعدی

 ۱- فیلامنت ABS:

abs (اکریلونیتریل بوتادین استایرن) یک پلاستیک سخت است که به دلیل قیمت پایین و خواص عالی آن در صنعت پلاستیک کاربرد فراوانی دارد. از آنجایی که اکریلونیتریل، یک محصول تماما نفتی است، استفاده از آن باید تحت شرایط کنترل شده انجام شود. مثلا این متریال، بیسفنول A منتشر می کند که یک ماده سرطان زا محسوب میشود. هنگامی که متریال abs در چاپگرهای سه بعدی رومیزی استفاده می شود، با توجه به ذات ترک خوردگی و تاب برداشتن بسیار بالای این ماده، اغلب کاربران از ایجاد تهویه و جریان هوای مناسب در اطراف پرینتر جلوگیری می کنند؛ همین مورد می تواند ABS را به یکی از خطرناک ترین مواد برای چاپ تبدیل می کند (افرادی که خدمات پرینت سه بعدی شغل تخصصی آنهاست، بیشتر در معرض آسیب خواهند بود).

همچنین باید دریابید که آیا برند ABS شما حاوی BPA (بیسفنول A) است یا خیر (برندهای خوب از این ترکیب تا حد ممکن اجتناب می کنند در حالیکه مارکهای ارزان و متفرقه بازار توجهی به میزان ماده بیسفنول در محصول خود ندارند).

راه حل ABS: از چاپ مداوم با فیلامنت ABS اجتناب کنید یا متریال جایگزین آن PETG را بکار ببرید. از ماسک تنفسی حین پرینت abs استفاده کنید. پس از اتمام هر پرینت، حتما پنجره ها باز یا سیستم تهویه را روشن کنید تا هوای تازه جایگزین شود. از خرید مارکهای متفرقه ارزان قیمت این متریال در بازار خودداری کنید.

۲- فیلامنت PLA:

PLA با نام کامل Polylactic acid در حال حاضر بیشترین استفاده را در چاپ سه بعدی دارد که عمدتاً به دلیل سهولت استفاده، در دسترس بودن و ارزانی آن است. از آنجایی که این ماده از ذرت گرفته می شود و می تواند زیست تخریب پذیر باشد (تحت شرایط خاص)، بسیاری از مردم آن را بی خطر می دانند. با این حال، مواد رنگ‌زا و افزودنی‌هایی که سازندگان استفاده می‌کنند می‌تواند کمی آنرا خطرناک کند. همچنین سطوح کمی از UFP (ذرات فوق ریز) را نیز منتشر می کند.

راه حل PLA: برای کاهش غلظت UFP، در چاپهای طولانی از ماسک استفاده کنید یا کمی هوای تازه جریان داشته باشد. پس از هر چاپ طولانی مدت، توصیه می شود هوای اتاق را تجدید کنید.

۳- فیلامنت PETG:

PETG یا Polyethylene Terephthalate از پلاستیک PET تشکیل شده است که گلیکول به آن اضافه می شود. پایداری شیمیایی آن بالاست، بنابراین بوی نامطبوع و بخارات سمی زیادی از خود متصاعد نمیکند. در صنعت از این متریال در ساخت ظروف نوشیدنی استفاده می شود. در هر حال، UFP (ریز ذرات) هنگام چاپ با PETG منتشر می شود؛ به یاد داشته باشید که فقدان بوی نامطبوع به معنای سمی نبودن این ماده نیست، (اشتباه مرسوم اکثر کاربران).

راه حل PETG: در چاپهای طولانی پیشنهاد می شود، ماسک بزنید یا تهویه مناسب وجود داشته باشد. از یک برند معروف با ترکیب شیمیایی مناسب خرید کنید.

۴- فیلامنت نایلون:

رشته های نایلونی دوام بسیار خوب و مقاومت حرارتی بالایی دارند، بنابراین اغلب برای چاپ قطعات مکانیکی استفاده می شوند. این ماده همچنین زیادی استایرن، هیدروکربنی که با افزایش خطر ابتلا به سرطان و سایر بیماری ها مرتبط است، منتشر می کند. علاوه بر این، نایلون می تواند ذرات کاپرولاکتام را آزاد کند (یک ترکیب تحریک کننده که به دلیل ایجاد آسیب شدید به سیستم تنفسی شناخته شده است). از آنجایی که نسبت به اکثر مواد پرینت سه بعدی به سطوح بالاتری از دما نیاز دارد، مقادیر UFP بیشتری نیز منتشر می کند.

راه حل Nylon: اطمینان از تهویه مناسب و استفاده از ماسک پیشنهاد می شود.

۵- فیلامنت HIPS:

این ماده با نام کامل High Impact Polystyrene شناخته میشود و اغلب بعنوان یک ماده مکمل ساختار پشتیبان در چاپگرهای سه بعدی دو اکسترودر استفاده می شود (تا بعدا در آب حل شود). متریال HIPS همانند ABS، ترکیبی به نام استایرن منتشر می کند. این ترکیب توسط آژانس بین المللی تحقیقات سرطان بعنوان یک عامل سرطان زا طبقه بندی شده است. پرینت توامان HIPS در ترکیب با ABS چاپگر دو نازله، می تواند سطوح بالایی از ذرات سمی را در مدت زمان کوتاهی منتشر کند؛ پس یک سیستم تهویه مناسب مورد نیاز است.

همانطور که در مورد ABS گفتیم، همیشه باید دریابید که آیا رول فیلامنت HIPS شما حاوی BPA (بیسفنول) هست یا خیر که می تواند تأثیرات جدی بر سلامت داشته باشد.

راه حل HIPS: حین پرینت و نزدیکی به دستگاه، ماسک بزنید و پس از چاپ نیز از تهویه و ورود هوای تازه اطمینان یابید.

نترسید، متریال چاپگرهای سه بعدی باعث مرگ شما نمیشوند

در سطور قبلی گفتیم که برخی رشته ترموپلاستیک فیلامنتهای مورد استفاده در چاپگر سه بعدی، ریز ذرات سمی شدید منتشر نمی کنند. بعنوان مثال، PLA را می توان در هر مکانی چاپ کرد و بدون تهویه خاصی استفاده نمود در حالیکه سایر مواد مانند ABS باید در مکانهایی استفاده شوند که وجود ماسک یا تهویه و موارد ایمنی کارگاهی رعایت میگردد (منظورمان در چاپهای مداوم دفاتر خدمات پرینت سه بعدی است نه کاربران عادی خانگی که هر از گاهی یک قطعه کوچک را پرینت میکنند).

تماس مداوم این ذرات با بدن، باعث تحریک چشمها و مجاری تنفسی و همچنین حالت تهوع و سردرد می شود. انتشار این ریز ذرات را می توان با نصب یک سیستم فیلتر ذرات کربن فعال یا با افزایش تهویه کاهش داد؛ متاسفانه قیمت خرید این نوع دستگاههای تهویه در ایران سر به فلک میزند.

برخی تولید کنندگان فیلامنت، برگه اطلاعات ایمنی در مورد استفاده از متریالهای خود را به مشتریان ارائه میدهند. توصیه میشود قبل از استفاده از یک نام تجاری یا ماده جدید، این جزئیات را در وب سایت سازنده بررسی کنید. حتی رنگ های مختلف یک ماده ممکن است به دلیل ترکیب شیمیایی رنگدانه ای، سطوح مختلف انتشار ذرات داشته باشند (مثلا فیلامنت سفید مضرات کمتری نسبت به رنگ مشکی دارد آنچنانکه قابلیت پولیش بهتر و امکان رنگ پذیری بالاتری را هم پس از پرینت فراهم میکند).

چون از ماده BPA یا بیسفنل زیاد حرف زدیم، برای آشنایی بیشتر با این ماده مضر و درک اینکه بیسفنول اِی محدود به متریال فیلامنت نیست و متاسفانه در زندگی ماشینی این دوره با آن زیاد سر و کار داریم، توضیح بیشتری میدهیم:

BPA چیست و چقدر خطرناک است؟

BPA (بیسفنول A) یک ترکیب مصنوعی است که به بسیاری از محصولات مانند ظروف غذا، سی دی، دی وی دی، تجهیزات ورزشی یا حتی بطریهای شیر پاستوریزه اضافه می شود. این ماده به طور گسترده در صنعت پلاستیک استفاده می شود، تا جایی که یک مطالعه نشان داد که حدود ۹۰ درصد از جمعیت کشور ایالات متحده آثاری از این ترکیب را در بدن خود داشتند.

گزارش های زیادی در مورد خطرناک بودن این ماده منتشر شده ولی نتایج اغلب متناقض است. بدبینانه ترین گزارش ها حاکی از رابطه مستقیم بین قرار گرفتن در معرض BPA و خطر ابتلا به دیابت، مشکلات باروری، سرطان و چاقی است. علاوه بر این، BPA می تواند رشد عصبی کودکان و نوجوانان را تغییر دهد.

در کشورهایی مانند فرانسه، استفاده از BPA در تجهیزات بهداشتی و بیمارستانی ممنوع است. متاسفانه جامعه علمی بین المللی و صنایع بزرگ هنوز در مورد خطرات ناشی از مصرف یا استنشاق BPA به اتفاق نظر نرسیده اند.

پس، وجود مقدار کمی بیسفنول در متریال فیلامنت چاپگر سه بعدی در مقایسه با میزان بیسفنول لوازم ضروری زندگی که روزانه چندین ساعت با آنها سر و کار داریم، خیلی مهم بحساب نمی آید و با رعایت ایمنی، مشکلی وجود نخواهد داشت.

آیا رشته های پرینت سه بعدی حاوی BPA هستند؟

برخی از رشته فیلامنتها حاوی دوزهای بالایی از BPA هستند، مانند ABS و HIPS. در طول زمان چاپ، ذرات ریز بیسفنول در هوا آزاد میشوند. استنشاق این ذرات و سمیت احتمالی آنها هنوز به اندازه کافی مورد مطالعه قرار نگرفته است، بنابراین استفاده از اقدامات ایمنی در هنگام استفاده از این مواد توصیه می شود.

یکی از دلایل محبوبیت PETG این است که فاقد BPA است. ولی این امر لزوماً به این معنا نیست که می‌توانید با این ترموپلاستیک کاسه و بشقاب … چاپ کنید و در آشپزخانه خود استفاده کنید! خیر، فرآیند چاپ سه بعدی و ورود پلاستیک به نازل همیشه کثیف چاپگر و ذات لایه گذاری پرینت که باعث وجود روزنه در قطعات خواهد شد، موجب میشود که ظروف ساخته شده با پرینتر خانگی فقط برای برخی مواد غذایی خشک و بدون حرارت استفاده شوند (مثلا بعنوان قندان یا ظرف بسته های شکلات).

قرار گرفتن در معرض بخار و ذرات در دراز مدت چقدر شدید است؟

از آنجایی که فناوری FDM نسبتاً جدید است، داده های قطعی در مورد اثرات قطعی بلندمدت، هنوز در دسترس نیست ولی مقالات خوبی ارائه شده است و نتیجه گیری آنها نشان می دهد که متریال چاپگرهای سه بعدی رومیزی مقادیری از نانوذرات ساطع می کنند و اندازه آنها بین ۴۰ تا ۳۰۰ نانومتر متغیر است. این سایز به اندازه ای کوچک است که به درونی ترین بخش های دستگاه تنفسی نفوذ کرده و باعث تحریک و التهاب شدید می شود.

به دلیل مضر بودن برخی از ذرات منتشر شده در انواعی از فیلامنتها، خطر ابتلا به بیماری های مزمن ریوی مانند آسم، COPD: Chronic obstructive pulmonary disease (بیماری مزمن انسداد ریوی) یا حتی سرطان وجود دارد؛ افرادی که دائما با چاپ سه بعدی درگیر هستند و نکات ایمنی را رعایت نکنند مثل هر شغل صنعتی دیگری دچار مشکلات خواهند شد. پس افراد حساس باید با استفاده از اقدامات اضافی مانند ماسکهای تنفسی یا استفاده از دستگاههای تصفیه هوای خانگی، محصور کردن بستر ساخت چاپگر سه بعدی، انتخاب یک برند خوب فیلامنت و …. از مشکلات احتمالی حوزه سلامت جلوگیری کنند.

سایر عواملی که مقادیر نانوذرات ساطع شده را تغییر می‌دهند: برند و نوع فیلامنت، قطر رشته فیلامنت (1.75 یا 2.85 میلیمتر)، ترکیب رنگ، دمای چاپ، استفاده از بستر گرم شونده (حرارت دیدن ترکیبات چسب ماتیکی، اسپری مو و دیگر موادی که بعنوان افزایش چسبندگی بستر استفاده میشود) و … است.

آیا متریال رزین چاپگرهای DLP / SLA سمی است؟

فناوری SLA با FDM بسیار متفاوت است. استریولیتوگرافی از رزین مایع بعنوان ماده مصرفی استفاده می کند که توسط تابش لیزر یا دیگر منابع نوری سخت می شود (پخت: Cure). این فرآیند دقت ابعادی بسیار بالاتری نسبت به پرینترهای سه بعدی FDM دارد، به همین دلیل است که از آن برای ساخت قطعات با جزئیات ظریف یا اشیایی با اندازه بسیار کوچک استفاده می شود که توسط FMD هرگز ساخته نمی شوند.

خطر استفاده از فناوری SLA، سمیت بالای رزین در حالت مایع و هنگام پخت در حین چاپ است. Resin هنگامی که با پوست تماس پیدا می کند، معمولا یک واکنش تحریک فوری ایجاد می کند. برخی از افراد تا چند روز متوجه این واکنش نمی شوند. اگر این تماس برای مدت طولانی ادامه یابد، پوست آلرژیک میشود و حساسیت بدن به رزین یا نورهای UV افزایش می یابد.

برخی گزارشات ژورنال های پزشکی نشان داد افرادی چندین سال بدون استفاده از محافظ با رزین کار می کردند و  اکنون آنها نمیتوانند با این ماده در تماس باشند زیرا حتی بوی رزین آنها را دچار سردرد می کند.

از آنجایی که رزین های پرینت سه بعدی بسیار سمی تر از رشته های فیلامنت چاپگرهای FDM هستند، استفاده از آنها باید در محیط های کنترل شده ای انجام شود که در آن اقدامات امنیتی اضافی ایجاد شده است. هنگام کار با رزین مایع همیشه باید از دستکش لاتکس و محافظ چشم استفاده کرد.

آیا قطعات پرینت SLA برای استفاده در ظروف غذا ایمن است؟

پس از پخت، رزین سخت و نسبتاً پایدار می شود؛ ولی بصورت کلی یک قطعه چاپ شده رزینی با ترکیبات شیمیایی موجود در غذا تعامل میکند و می تواند مواد سمی را آزاد کند. به همین دلیل، سطح ایمنی استفاده از رزین روی اشیایی که با مواد غذایی در تماس هستند را نمی توان تضمین کرد.

رزین هایی برای استفاده در زیست پزشکی وجود دارد که به عنوان “زیست سازگار” طبقه بندی می شوند، اما این گواهی برای استفاده های بسیار خاص در پزشکی و دندانپزشکی داده می شود. استفاده از آنها در برنامه هایی غیر از برنامه اصلی که برای آن توسعه یافته اند توصیه نمی شود.

آیا چاپ سه بعدی FDM در داخل خانه بی خطر است؟

یک تحقیق جامع پزشکی در هلند، نگاهی به ریز ذرات متصاعد شده از فیلامنتهای ABS، PET، PLA، Nylon پرینترهای سه بعدی حین چاپ داشته است. این پژوهش در سطحی وسیع و تخصصی انجام شد. نتایج تحقیق اثبات می کند در صورت وجود تهویه مناسب، ذوب شدن متریال فیلامنت چاپگرهای سه بعدی همانند ABS، PET، PLA، Nylon آسیبی برای استفاده کننده نخواهند داشت.

پلاستیک از سوختهای فسیلی استخراج می شود، بنابراین ریسک ایجاد ذرات آلاینده تنفسی هنگامی که در دمای بین 460 تا 600 درجه حرارت می بیند، قطعی است. با این وصف، حداکثر دمای اکستروژن یک پرینتر سه بعدی رومیزی بین 200 تا 280 درجه سانتیگراد میباشد.

با پیشرفت بیشتر تحقیق، تیم پژوهشی به نکته ای مهم اشاره میکند: روند حرارتی پرینتر سه بعدی مشخصا کمتر از دمای تجزیه پلاستیک است که گازهای خطرناک CO: carbon monoxide  و  HCN: hydrogen cyanide را فرم میدهد.

تمامی نمونه های بررسی شده این تحقیق در دمای 240 تا 250 درجه سانتیگراد حرارت دیده اند و ذرات متصاعد شده به مدت ۱۰ دقیقه توسط سنجشگرهای دقیقی جمع آوری و آنالیز گردید.

فیلامنت پرینترهای سه بعدی یک تهدید محسوب نمیشوند

در نمودار زیر ترکیبات اصلی فراری که در فیلامنتهای پرینتر سه بعدی حین ذوب شدن منتشر میشود، نمایش داده شده است:

در یک چاپگر سه بعدی با بستر چاپ 400*390*520 میلیمتر، تجمع گازهای فرار نمودار بالا برای فیلامنت ABS (بدترین نوع فیلامنت از نظر انتشار مواد سمی) به مدت یکساعت مقدار میانگین 280 ذره در میلیون خواهد شد. پس نتیجه میگیریم که تجمع گازهای تشکیل یافته حین حرارت دهی، در کوتاه مدت مهم نیست ولی کسانی که روزانه ساعتهای طولانی با متریال فیلامنت حین چاپ درگیر میشوند باید موارد ایمنی را رعایت کنند.

پک فیلتر جذب گاز فیلامنت برای اکسترودر چاپگر3بعدی

برخی پیشنهاد میدهد تا هنگام کار با فیلامنتهایی مثل ABS از کیت فیلتر بو که جدیدا در برخی کشورهای صنعتی عرضه شده، استفاده شود. مطمئنا با گذشت زمان کمپانیهای سازنده چاپگر سه بعدی نیز متقاعد خواهند شد تا این بخش را به دستگاه اضافه کنند. مثلا شرکت Zimple3D فیلترهای تصفیه جالبی بنام ZIMPURE را عرضه کرده است که با اکثر برندهای معروف سازنده پرینتر سازگاری دارد.

یک شیوه دیگر هم این است که پرینتر سه بعدی در دستگاه تهویه قرار گیرد. البته با توجه به ابعاد چاپگر سه بعدی خود محدودیت خواهید داشت. همچنین با توجه به جریان شدید هوایی که دستگاه تهویه ایجاد میکند، ممکن است دمای بهینه چاپ را حین ذوب فیلامنت تحت تاثیر قرار دهد، پس نیاز دارید که با دقت پیکربندی پرینتر سه بعدی را تنظیم کنید.