3D打印的長絲和樹脂背后的化學物質

　　3D打印技術在各個行業中越來越廣泛，如今，3D打印機不僅在公司中是必不可少的工具，而且在許多公司中已成為常見的現象。在本土工程師中，他們很喜歡DIY，固定物品和快速成型產品。

　　在本文中，我們探討了常用的3D打印長絲和樹脂的化學性質，并試圖揭示家用增材制造工藝的陰暗面。如果沒有在車庫或其他較大的通風空間中打印，建議在開始打印之前先打開窗戶。鼓勵明智地選擇長絲和樹脂，因為某些材料可能會構成嚴重的健康風險。

　　FDM 3D打印簡介：

　　愛好者市場上最流行的3D打印類型是基于所謂的長絲(聚合物細線)的熔化，該長絲在冷卻時會凝固。此過程稱為熔融沉積建模(FDM)。在這種類型的印刷中，通過將熔融材料通過固定的小直徑噴嘴擠出來將其分層印刷。

　　只要滿足以下基本條件，FDM打印就可以使用幾乎所有材料進行打印：低熔點(對于大多數打印機，約180-250°C)，低熱膨脹(防止堵塞)，低磨蝕性(保護精致)噴嘴)和比熱容，適合快速加熱和冷卻。

　　自然地，特殊的燈絲可以改變這些規則，允許熔點達到400°C或更高，或者具有較高的膨脹率(輕型氣泡燈絲)，但是在本文中，我們將重點介紹在臺式機3D中可能發現的更流行的解決方案。打印機。大多數用于FDM印刷的燈絲是由合成聚合物制成的，這些合成聚合物在熔化時會釋放出有毒的揮發性物質[1]。在市場上種類繁多的細絲中，只有少數細絲被FDA分類為安全或食品級安全性。

　　總體而言，最安全的一種可能是PET-G(聚乙二醇改性)長絲[2]。但是，即使使用PET-G，如果以前使用同一臺打印機與其他毒性更高的材料進行打印，也會有釋放出有毒化合物的風險(由于殘留物)。

　　為什么打印燈絲很危險?

　　FDM 3D打印過程中釋放有毒化學物質的一般過程是基于高溫處理下燈絲的降解，這導致了對健康產生負面影響的揮發性化學化合物(VOC)的釋放。其中一些刺激眼睛，可以通過吸入以及凝結到組織(例如皮膚)上來吸收[3,4]。

　　在燈絲熔化過程中釋放的對眼睛和呼吸系統影響最大的化合物是甲基丙烯酸甲酯[5]，乙酸[6]，己內酰胺[7]，甲苯[8]，甲醛[9]及其衍生物。長時間接觸此類揮發物會導致嚴重的健康問題。這些化合物會影響粘膜，并與哮喘，組織炎癥和許多過敏有關。它們還可能引起神經系統問題，例如頭痛。甲苯接觸可能會影響心臟和神經系統[10,11]。

　　從細絲中釋放出來的某些VOC對活生物體的影響甚至更大。這些的例子包括苯[12]，苯并re及其衍生物[13]，乙苯[14]和四氯乙烯[15]。這些都被歸類為致癌物，因此長期暴露于煙霧中會導致嚴重的健康問題。

　　燈絲示例：

　　無論使用哪種燈絲，都應采取通風措施，以防止暴露在打印過程中散發出的VOC中。下面我們列出了一些材料及其可能對健康的影響：

　　由于其靈活性和價格便宜，最常見的一種是ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)。然而，ABS的熔化會導致其熱降解，因此會演變出有毒的多種(VOC)，如二甲苯，苯，甲苯和乙苯[1,3,16]。ABS因其抗性，韌性和柔韌性而引以自豪。在ABS印刷對象是持久的，然而，這種材料不應該在家中使用，除非使用一種特殊的煙霧室。

　　合成聚合物，例如聚乙烯(PP)，聚酰胺(尼龍)，熱塑性聚氨酯(TPU)和其他易于成型的塑料。從這些細絲中釋放出有毒的VOC不僅是由于細絲本身在熔化時降解而引起的，而且還來自生產細絲時所用的化學物質。它們甚至可能含有雙酚A，這是一種內分泌干擾物，很容易穿過生物膜并影響內分泌系統[17]。

　　PLA(聚乳酸)是天然來源的材料，質地柔軟，易于印刷，并且在印刷后進行后處理(包括噴漆)。PLA也釋放一些VOC，但數量較少，對健康的危害較小。在打印時，PLA大部分會排放出1-丁二醇，甲基丙烯酸甲酯和少量其他化學物質[1,3]。即使這種材料是天然材料，它融化時也會釋放出一些危險的化學物質。使用PLA進行打印時釋放的特定揮發性有機化合物的危險性不如使用ABS時所釋放的揮發性有機化合物，因此，只要采取適當通風的預防措施，PLA對于家庭3D打印是安全的。

　　關于FDM 3D打印對健康的影響的結論。

　　FDM 3D打印需要施加高溫才能熔化固體長絲。然后，有許多不同的VOC釋放出來，但這還不算一長串釋放出的化學物質。細絲還包含重金屬，這些重金屬會增加罹患許多健康疾病甚至癌癥的風險。

　　當它們與皮膚接觸時，它們會被吸收，從而引起組織聚集和隨后的疾病。但是，有些燈絲相對安全(PET-G，PLA)，如果提供足夠的通風，即使在室內打印也應絕對可接受。用戶必須注意印刷材料(如ABS)或PET與金屬顆粒的復合材料(例如PET +銅復合材料)可能對健康造成的負面影響。

　　用于SLA / DLP打印機的3D打印樹脂：

　　除FDM印刷外，樹脂印刷最近進入了內部消費印刷市場，因此非常受歡迎。原則上，通過將感光性液態樹脂暴露于紫外線下將其固化成固體來完成樹脂3D打印。可以通過暴露于紫外線而固化并且在此過程中不會擴大其體積的任何材料都可用作印刷樹脂。

　　總的來說，就健康影響而言，樹脂絕對不安全。它們通常由不同的有機化合物(例如丙烯酸酯或環氧樹脂)的混合物制成，但這僅僅是樹脂中包含的非常長的化學物質清單的開始。假設這是另一個故事的主題。

　　用樹脂印刷期間釋放的揮發性化合物包括但不限于：鄰苯二甲酸酯，甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸和更多丙烯酸酯化合物。此外，樹脂包含可能泄漏的化合物，如雙酚A。此外，樹脂包含重金屬，如果直接接觸重金屬，會對健康產生不利影響。

　　這些金屬主要包括鉻，砷和銅。因此，除非采取適當的安全措施，否則樹脂對于家庭使用是不安全的。這些措施包括在處理樹脂時始終使用手套，使印刷區域通風良好，使用通風櫥和高質量的FFP3口罩以保護呼吸道。這些措施應防止暴露在打印過程中釋放的揮發物。

　　如果樹脂直接與皮膚接觸，則必須立即用水多次沖洗皮膚，如果出現進一步的癥狀，請立即聯系醫生。在樹脂印刷過程中釋放的化合物很容易被生物體吸收。強烈建議再次使用防護手套和顆粒過濾口罩。

　　概括：

　　近年來，3D打印技術在打印質量和速度方面取得了巨大進步。然而，仍然需要開發用于印刷的新的，安全的材料。當前大多數可用的聚合物和樹脂都構成一些健康風險。可以通過采取適當的預防措施來進行管理，例如避免直接與樹脂接觸或使打印區域通風。打印是安全的，但前提是必須正確完成。