《Atmospheric Environment: X》：Design and evaluation of four low-cost engineering controls for reducing particle emissions from 3D printing
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为解决3D打印过程中产生的颗粒物排放对工人健康构成风险的问题，研究人员针对两种常见桌面熔丝制造(FFF) 3D打印机，设计并评估了四款低成本局部排气通风(LEV)控制装置。研究结果表明，在源头捕获排放物的装置(控制A、B)以及全封闭装置(控制D)可显著降低颗粒物浓度，最高捕集效率可达99.8%，证明了低成本工程控制在缓解3D打印排放危害方面的可行性与有效性，为工作场所健康防护提供了实用方案。
随着3D打印技术，特别是熔丝制造(Fused Filament Fabrication, FFF)的普及，越来越多的学校和创客空间开始使用桌面3D打印机。然而，当塑料线材在加热喷头中熔化挤出时，这个过程不仅会释放挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)，还会产生大量细颗粒物，尤其是尺寸小于100纳米的超细颗粒物(Ultrafine Particles, UFPs)。研究表明，长期接触这些排放物可能与哮喘、过敏性鼻炎等健康问题相关。尽管市场上存在一些商业化的解决方案，但其有效性参差不齐，且价格不菲。为了给广大的3D打印用户，特别是非工业环境下的使用者，提供一种经济、有效的防护选择，来自美国国家职业安全与健康研究所(National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH)的研究团队Colleen O'Connor、Christopher Barnes、Kevin L. Dunn和Duane Hammond展开了一项研究。他们自行设计并评估了四款低成本、易于安装的工程控制装置，旨在从源头捕获或有效封闭3D打印过程中产生的颗粒物排放。他们的研究成果为解决这一日益凸显的职业健康问题提供了重要的实践参考，相关论文发表在《Atmospheric Environment: X》期刊上。
为了评估这些控制装置的有效性，研究人员主要采用了三种关键技术方法。首先，在装置开发上，他们利用计算机辅助设计(Computer-Aided Design, CAD)软件SOLIDWORKS?进行设计，并使用丙烯腈丁二烯苯乙烯(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS)线材通过3D打印技术制造了部分控制装置的组件。其次，在评估环境上，所有实验均在一个经过高效微粒空气(High-Efficiency Particulate Air, HEPA)过滤器净化的排放测试舱内进行，以消除背景颗粒物的干扰。最后，在排放监测上，他们使用纳米颗粒扫描粒径谱仪(NanoScan Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)和凝聚核粒子计数器(Condensation Particle Counter, CPC)对测试舱出口处的颗粒物浓度进行实时采样和分析，从而精确计算各控制装置的颗粒物捕集效率。
2.1. 四种工程控制装置的开发
研究人员为两台商用桌面3D打印机（打印机1和打印机2）开发了四款局部排气通风控制装置。控制A和控制B是定制的3D打印部件，可直接安装在打印机的挤出头上，旨在从排放源头附近捕获颗粒物。控制A安装于打印机1，控制B安装于打印机2。控制C是一个市售的、针对打印机2型号特定的聚碳酸酯外壳，仅部分包围了打印区域。控制D则是一个由亚克力板制成的定制全封闭外壳，用于完全封闭打印机2。所有控制装置产生的排放物均通过一个由HEPA过滤器、鼓风机和3D打印外壳组成的NIOSH设计的空气过滤单元进行排放处理。
2.2. 四种工程控制装置的评估
通过在一个HEPA过滤的排放测试舱中进行随机配对试验，评估了控制A至D的有效性。每次试验均使用黑色ABS线材打印美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)的测试工件，并比较在控制装置开启和关闭状态下，测试舱出口处的平均颗粒物浓度，从而计算捕集效率。
3. 结果
评估显示，四款控制装置在95%置信水平下的最低捕集效率差异显著。控制A表现最佳，最低捕集效率为99.7%。控制D（全封闭外壳）同样高效，最低捕集效率为99.8%。控制B的有效性次之，最低捕集效率为91.6%。而控制C（市售部分封闭外壳）效果最不理想且不稳定，最低捕集效率仅为28.6%。
4. 讨论
研究发现，FFF 3D打印过程中的颗粒物排放本身存在较大变异性。尽管如此，控制A、B和D仍能维持较高的最低捕集效率（≥91%）。控制C效果不佳的原因在于，打印机2内部用于冷却电子元件的风扇会将含颗粒物的空气从外壳未封闭的穿孔处排出，从而绕过了控制C的HEPA过滤系统。这一发现强调了在设计工程控制方案时，必须充分了解每台3D打印机的具体结构，以确保其有效性。此外，打印失败可能导致控制装置堵塞，定期检查和清洁对于维持其性能至关重要。控制A的高排气流量（6.3 m3/hr）使其能更有效地在源头捕获颗粒物，而控制B由于打印机2挤出头的几何结构限制，其进气口设计导致气流阻力较大、排气流量较低（2.4 m3/hr），从而影响了捕集效率。控制D则通过为打印机2提供全封闭负压环境，高效地容纳并去除了打印过程中产生的颗粒物。
5. 局限性
本研究存在一定局限。所有评估均在实验室条件下进行，其结果可能无法完全反映实际工作环境中的性能。此外，本研究仅聚焦于颗粒物排放的减少，未评估对挥发性有机化合物的控制效果。研究也未深入探究与颗粒物排放相关的详细气溶胶动力学。
6. 结论与建议
本研究成功设计并评估了四款可轻松安装在两种不同FFF 3D打印机上的低成本改装工程控制装置。结果表明，在源头捕获排放物（控制A、B）和采用全封闭（控制D）是两种高效且可行的策略，能够显著降低3D打印过程中的颗粒物排放。其中，NIOSH定制的控制装置（A、B、D）表现优异，而市售的部分封闭外壳（控制C）因设计缺陷效果有限。这凸显了根据打印机具体设计选择合适的工程控制方案的重要性。尽管研究在受控实验室环境中进行，但结果为在工作场所，特别是学校、图书馆、创客空间等非传统工业环境中实施经济有效的暴露控制措施提供了有力的证据支持。建议后续研究在实际使用环境中进一步评估这些控制装置的有效性和实用性，并考虑房间通风、工作流程等多种实际因素的影响。
