3D印表機與室內空氣污染

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1. 3D列印技術作為當今快速成型技術的一種，使得桌式3D印表機在辦公場所，學校以及家庭越來越普及；

2. 目前為止，大部分3D印表機，特別是針對消費者設計的3D印表機大多採用熔絲加工（也稱為熔融聚合物沉積）的積層製造技術。這種桌式3D印表機的列印原料是生活中常見的各種熱塑型塑料，例如製作樂高積木的ABS樹脂；

3. 運行過程中釋放出大量超微顆粒甚至一些有害揮發性有機物的桌式3D印表機無疑已被視為室內空氣污染源的一種；

4. 3D列印有利有弊，合理運用才是王道。

一、3D列印技術有何獨特的優勢？

說到3D列印，大家都會想到這門新鮮的技術或將成為未來製造業的發展趨勢。

所謂3D列印技術，就是運用積層製造技術列印擁有任何形狀和幾何特徵的三維物體的過程。而3D印表機，說通俗點就是屬於工業機器人的一種。3D印表機應用領域相當廣泛，工業方面可利用到航空航天，建築，汽車，國防，牙科等等。比較親民的桌式家用3D印表機目標市場主要為DIY一族，3D列印愛好者，燈塔客戶以及學術研究和計算機領域。那麼究竟有什麼獨特的優勢使得這門技術在當今製造業領域開闢出一片新天地並且地位越來越重要呢？

n 複雜性設計自由 3D列印技術可處理相當複雜的幾何模型，尤其對於一些具有大量曲面的複雜零件優勢更為明顯；

n 高速 3D列印所採用的層積製造技術相對於傳統製造技術極大程度上提高了製造速度，一種設計極其複雜的模型可以在幾個小時之內列印出來；

n 操作簡便 相比於一項需要很多煩瑣步驟的傳統製造技術，3D列印無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體，提高了生產率；

二、3D印表機究竟是如何工作的？

原理

我們用傳統印表機列印文件時所用的是墨水，而3D印表機的「墨水」則是實實在在的原材料。

家用桌式3D印表機屬於非金屬印表機，運用的工藝主要為熔融沉積成型或熔絲製造技術。其原理就是以數字模型為基礎，通過高溫將線材塑料融化成膏狀，然後通過噴嘴像擠牙膏一樣擠在基底上，然後一層一層逐漸累增。

圖 1 桌式3D印表機層積製造原理［1］

工作步驟

1.軟體建模

在列印之前，我們需要有一個被列印零件的三維模型，就好比我們用普通激光印表機所列印各種文件時的源文件一樣。這種三維模型可以由3D掃描而來，也可以由操作者使用計算機輔助設計軟體自己設計而來。模型根據設計者所需多種多樣，比如動物模型、人物、或者微縮建築等等。

2.三維設計

生成的3D模型（通常為.skp、.dae、.3ds或其它格式）轉換成.STL或.OBJ這類印表機可以讀取的格式後上傳給計算機模型編輯軟體，計算機讀取後把模型「分區」成逐層的截面，即切片，從而指導印表機逐層列印。每款3D印表機有其相符的模型編輯軟體，操作者可在軟體中設定模型的三維尺度，方向，所用材料，以及噴嘴及操控台溫度等。

圖 2 3D印表機Luzbot mini的模型編輯軟體

3. 列印過程

3D印表機通過讀取文件中的橫截面信息，用熱塑性線材塑料將這些截面逐層地列印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其幾乎可以造出任何形狀的物品。

三、常見桌式3D印表機的常用材料

以下是在美國學校及家庭比較常用的幾款桌式3D印表機。

圖 3 美國常見桌式3D印表機

材料

下面我們就為大家介紹桌式3D印表機常用的一些熱塑材料。

* PLA（聚乳酸，(C3H4O2)n）是一種熱塑性脂肪族聚酯。一般具有良好的機械和加工性能，熔點175-178°C；

圖 4 PLA

* ABS樹脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，（C8H8·C4H6·C3H3N）x，是一種強度高、韌性好、易於加工成型的熱塑型高分子材料，熔點為175°C；

圖 5 ABS

* HIPS（高抗沖聚苯乙烯），是由彈性體改性聚苯乙烯製成的熱塑性材料。具有通用聚苯乙烯的尺寸穩定性，而且具有更好的衝擊強度和剛性；

圖 6 HIPS

* 聚碳酸酯（簡稱PC），是一種無色透明的無定性熱塑性材料，其名稱來源於其內部的CO3基團。正常工作溫度範圍： -45-135°C。耐熱，抗衝擊，在普通使用溫度內都有良好的機械性能；

圖 7聚碳酸酯

* 尼龍， 一種縮合聚合物，其組成單位由醯胺連接，因此它也是聚醯胺的一種，也是世界上第一種完全人造的纖維，其原材料是碳、氫和氧。尼龍具有低摩擦係數和很高的抗張強度。熔點190–350°C；

圖 8 尼龍

* Laywood，一種被作為3D列印常用的新型材料，由40%的可回收木材結合聚合物粘結劑組成，可以使所列印的物體從外觀到氣味都有真實木頭的效果；

圖 9 Laywood

其餘更多材料屬性可以參考3D Printer Filament Guide: 25 Best Types & Comparison Charts | All3DP

三、3D印表機對室內空氣污染有多大影響？

為什麼3D印表機會被視為室內空氣污染源之一呢？我們說過，桌式3D印表機是通過用高溫將各種線材塑料融化再一層一層累加之後冷卻凝固而完成一個實體的過程，研究表明在這個高溫融化塑料的過程中就會釋放出大量超微顆粒（簡稱UFP，直徑小於0.1微米的粒子）和一些有害的揮發性有機化合物（VOCs）[11]。下面將結合科學研究具體介紹3D列印產生空氣污染物的相關情況。

超微顆粒物

超微顆粒物（UFPs）是一種直徑小於0.1微米的顆粒物，其大小遠小於我們所熟知的PM2.5及PM10（直徑分別小於2.5微米和10微米）。通過呼吸進入人體的UFPs會沉積在肺部[5]，一部分會穿透肺泡和血管進入血液循環而到達全身各處。已有研究表明，熱塑性塑料的熱分解過程所產生的排放物對暴露在其中的動物有毒性作用[2-4]，而暴露於高濃度的UFPs也會對人的健康產生各種不利的影響如心臟病，肺部疾病等。[6-8]。

有研究比較了分別使用PLA和ABS材料UFPs的排放率[9]，如圖10所示。我們可以發現對熔化溫度需求比較低的PLA材料UPFs的排放率數量級基本在10^10

圖 10 兩種不同3D列印材料UFPs排放率（a,基於超微顆粒大小的排放率(11.5-116nm)；b,總UFPs (<100 nm)的排放率）[9]

除了常見的PLA和ABS這兩種3D列印材料，研究者還測試了多種不同廠家的3D印表機以及更多熱塑性材料對UFPs排放率。從圖11中我們可以看到在多種3D印表機和材料的組合中，UFPs排放率最大的仍然是ABS，能跟ABS基本上相提並論的還有聚碳酸酯(Polycarbonate)

圖 11 不同3D印表機以及不同材料對UFPs排放率的比較［10］

揮發性有機化合物

揮發性有機化合物(Volatileorganic compounds, VOCs)在室內環境中普遍存在，主要來自燃煤和天然氣等燃燒產物、吸煙、採暖和烹調等的煙霧，建築和裝飾材料、傢具、家用電器、清潔劑和人體本身的散發等。

揮發性有機化合物包括各種化學物質，其中一些可能具有短期和長期的不良健康影響，比如致癌物質如甲醛、苯等。許多VOC的濃度在室內比室外更高（高達十倍）[10]。

高溫工作下的３D印表機在熔化可塑性塑料進行列印時會釋放出多種VOCs，其中包含部分毒性較大的物質。例如，ABS會釋放出的有毒並且會致癌的苯乙烯；基於尼龍的材料大部分會釋放出對人體有害但未達到生命威脅程度的污染物已內醯胺[11]。

有研究測試總結了不同廠家的3D印表機使用不同材料3D列印過程中釋放出的揮發性有機化合物，如圖12所示[11]。

圖 12 揮發性有機化合物排放率（a. 低排放率的3D印表機與材料的組合； b.高排放率的3D印表機與材料的組合）［11］

從圖中我們可以看出所有使用了ABS以及HIPS材料的3D印表機所排放主要的揮發性有機化合物都是苯乙烯（Styrene）；而用了尼龍、PCTPE、Laybrick和Laywood材料的3D印表機所排放的主要揮發性有機化合物是己內醯胺（caprolactam）。

為了減少操作者在使用桌式3D印表機時對排放污染物的直接吸收，不少3D印表機製造商設計了帶有蓋子或者外殼的印表機，相當於把印表機所排放的污染物包裹在這個小箱內而不會讓操作者直接接觸到。那麼這種方案到底有沒有用呢？有研究對比了有蓋和無蓋的3D印表機所排放的顆粒物濃度，如下圖所示，可以看出無蓋的3D印表機排放顆粒物濃度幾乎是有蓋的3D印表機的兩倍。由此可見，加蓋還是有顯著效果的。

圖 13 有蓋和無蓋3D印表機顆粒物排放對比［12］

四、總結

1. 最近幾年3D列印這門技術變得越來越熱門，因為隨著可以用來列印的材料的發展，相應的應用領域和市場隨之擴大；

2. 3D列印技術的逐漸成熟使其精度和性能也在不斷進步，實用性不斷提高，同時降低了應用成本；

3. 當然，任何事物都有其兩面性，當3D列印這門新技術帶給我們便利的同時也不可避免地對人體健康帶來了負面影響，即室內空氣污染——超細顆粒物和VOCs；

4. 所以為了盡量減少3D列印對健康的危害，建議大家盡量使用帶有外殼的印表機，並且盡量保持在列印過程中有良好的通風系統；另外，盡量選擇使用污染物排放率較低的列印材料，例如PLA，而盡量避免使用排放率高的ABS等材料。

參考文獻

[1] 3D printing - Wikipedia.

[2] Zitting, A.; Savolainen,H. Effects of single and repeated exposures to thermo-oxidative degradationproducts of poly-(acrylonitrile-butadiene-styrene) (ABS) on rat lung, liver, kidney,and brain. Arch. Toxicol. 1980, 46 (3?4), 295?304.

[3] Schaper, M. M.; Thompson,R. D.; Detwiler-Okabayashi, K. A.Respiratory Responses of Mice Exposed toThermal Decomposition Products from Polymers Heated at and Above WorkplaceProcessing Temperatures. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 1994, 55 (10), 924?934.

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[9] Stephens et al. (2013).「Ultrafine particle emissions from desktop 3D printers」. AtmosphericEnvironment, 2013, 79:334-339

[10] Volatile Organic Compounds Impact on Indoor Air Quality | US EPA

[11] Azimi et al. (2016).「Emissions of ultrafine particles and volatile organic compounds fromcommercially available desktop 3D printers with multiple filaments」.Environmental Science and Technology, 2016, 50:1260-1268. Doi:10.1021/acs.est.5b04983

[12] Yi et al. (2016).「Emissions of particulate matter from a desktop tree-dimension (3D)printer」.Journal of Toxicology and Environmental Health. PartA,2016,79(11):453-465. Doi:10.1080/15287394.2016.116646

作者簡介

趙丹，美國伊利諾伊理工學院環境工程系博士生（2015年至今），研究室內空氣質量相關問題。作為別人家的孩子，趙老師不僅形象氣質佳，科研成果豐碩，而且畫得一手好畫，歡迎交流，郵箱：dzhao14@hawk.iit.edu.

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