十七种3D打印机丝材的颗粒排放特性研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Particle Emissions Characterization of Seventeen 3D Printer Filaments

本研究通过封闭测试舱分析17种商用3D打印丝（ABS、PLA、PC等）的颗粒物排放特性，发现ABS颗粒浓度最高，金属增强PLA次之，PC与其他材料相似。颗粒尺寸随打印时间增加趋于稳定，与先前研究相对排名一致。

　　

Ashley A. Lewis|Peter Byrley|Georges-Marie Momplaisir|Jon Beard|Christie Sayes|Souhail R. Al-Abed

橡树岭科学与教育研究所（ORISE）的研究参与者，隶属于美国环境保护署（EPA），北卡罗来纳州RTP，邮编27711，美国

摘要

熔融丝材3D打印机已在家中使用变得非常普遍。虽然这些打印机能够方便地创建3D物体，但其潜在的吸入危害尚未被公众广泛了解。3D打印机的耗材，即丝材，由多种塑料制成，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乳酸（PLA）和聚碳酸酯（PC），所有这些材料都与3D打印过程中室内空气颗粒物的排放有关。这些颗粒物的排放也被发现会对体内和体外研究产生不良影响。本研究的目的是在封闭的测试环境中分析17种市售打印丝材的颗粒物排放情况，并探讨3D打印过程中不同时间点颗粒物的行为。使用扫描迁移率颗粒测量仪从采样瓶中收集并量化了颗粒数浓度、颗粒数排放率和颗粒大小分布。结果发现，ABS丝材产生的颗粒数浓度最高，其次是含有金属的PLA丝材、PLA丝材和PC丝材。不同时间点的颗粒大小分布显示，颗粒分布逐渐变宽，并在数据收集开始约10分钟后达到稳定状态。平均而言，ABS丝材产生的颗粒尺寸最大；而某款PLA制造商的颗粒尺寸始终比其他品牌更大。尽管采用了不同的颗粒捕获方法，但将本研究的平均颗粒数浓度与最近的一项研究结果进行了比较，发现两者之间存在一些相似之处。

引言

3D打印机在全球范围内被广泛用于各种用途，包括原型制作、玩具制造和损坏部件的修复。它们在公众中的受欢迎程度不断提高，价格也变得更加亲民，甚至可以作为儿童玩具出售。近年来，美国的3D打印机市场增长迅速，2024年增材制造服务预计增长了22.7%，达到75亿美元[2]。最受欢迎的家用3D打印机类型是熔融沉积建模（FDM?）3D打印机，也称为熔融丝材制造（FFF）3D打印机，因为它具有多功能性和易用性[3,4]。FFF 3D打印机的工作原理是将塑料丝材送入加热喷嘴，使其部分熔化以形成3D物体[5]。计算机程序通过控制喷嘴在构建板上的垂直和水平移动来指导3D打印机的打印过程。聚乳酸（PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）是最常用的3D打印机丝材[6]。尽管PLA更受3D打印机爱好者的青睐，但由于ABS具有更好的耐用性和机械性能，因此也被广泛使用。

尽管已有至少50篇文献报道了3D打印机运行时产生的空气污染物（包括颗粒物、挥发性有机化合物（VOCs）和微量金属[6],[7],[8],[9],[10]），但公众普遍不了解这些设备的吸入危害。许多先前的研究已经分析了3D打印机释放的颗粒物浓度[6],[10],[11],[12]。3D打印过程中释放的颗粒物大多属于超细颗粒，吸入后有可能深入呼吸道和血液[13],[14],[15],[16]。排放物中还包含多种VOCs，包括可能致癌的乙基苯[17],[18],[19]。研究还发现了微量金属，如锡、铜和锌[20,21]。多项使用大鼠模型、小气道上皮细胞（SAECs）和人源支气管上皮细胞的3D打印机排放毒理学研究得出了混合结果，其中最显著的是ABS丝材和PC丝材排放的高颗粒物浓度会导致SAECs在24小时内出现细胞毒性、氧化应激、细胞凋亡、坏死以及促炎细胞因子和趋化因子的增加[22],[23],[24],[25],[26],[27]。在我们团队之前进行的一项研究中，使用了17种不同的丝材来研究其对BEAS-2B细胞的影响。结果表明，ABS丝材产生的颗粒物和VOCs更多，并引发了更强烈的生物反应，表现为细胞内谷胱甘肽水平的改变，表明可能存在氧化应激[1]。

本研究旨在比较不同制造商生产的、品牌、颜色和批号相同的3D打印机丝材的颗粒物排放特性，评估不同丝材类型之间的差异及其对暴露的更广泛影响。为此，本研究试图回答以下问题：1) 不同制造商、颜色和基础塑料材料的丝材所排放的颗粒数浓度、颗粒数排放率和颗粒直径有何差异？2) Beard等人的研究[1]与本研究使用的实验设置之间的相对颗粒数浓度排名有何关联？3) 颗粒数大小分布随打印时间的变化情况如何？据作者所知，目前还没有研究比较同一批号丝材在不同研究中的颗粒数浓度，只有少数研究尝试捕捉颗粒大小分布随时间的变化[10],[28],[29],[30]。

方法

本研究使用了17种不同的3D打印机丝材（表1）。相同批号的丝材使用与Beard等人[1]中相同的制造商标签（A、B、C、D和E）进行标记。根据ANSI/CAN/UL 2904标准，建议在比较排放物时使用相同品牌、颜色和批号的丝材[31]。这些丝材具有多种颜色和聚合物类型（ABS、含有金属添加剂的PLA、PLA、PC）。所有丝材的材质相同

颗粒数浓度和颗粒数排放率

大多数ABS丝材释放的颗粒物数量多于PLA丝材（图1），这一发现与Beard等人的研究结果一致[1]。含有金属的PLA丝材的颗粒数浓度略高于纯PLA丝材。唯一的PC丝材的颗粒数浓度与PLA丝材相当。大多数丝材的小标准偏差表明，这种模式相对一致，尽管已有报告指出同一丝材的排放情况可能存在差异

讨论

使用扫描迁移率颗粒测量仪（SMPS）成功捕获了17种不同丝材的颗粒数据。总体而言，ABS丝材的颗粒数浓度和颗粒数排放率（PNERs）高于PLA丝材，这与先前的研究结果一致[9,14,36]。含有金属的丝材产生的颗粒数较多，这与先前的研究结果一致[30,37,38]，即含有金属的PLA丝材的颗粒浓度高于纯PLA丝材。

结论

本研究分析了17种不同FFF 3D打印机丝材的颗粒数浓度、颗粒数排放率（PNERs）和颗粒大小分布。与以往关于3D打印机排放的研究类似，ABS丝材的颗粒数浓度最高。方法1得出的绝对平均颗粒数浓度比Beard等人的研究结果高出几个数量级。然而，按丝材类型对平均颗粒数浓度进行相对排序时

免责声明

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作者贡献声明

Ashley A. Lewis：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、实验设计。Peter Byrley：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、资源协调、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。Georges-Marie Momplaisir：撰写 – 审稿与编辑、数据分析、概念构建。Jon Beard：撰写 – 审稿与编辑、概念构建。Christie Sayes：撰写 –