CC BY
35ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ (TECHNICAL SCIENCE)
УДК 67.08
Борзыкина Е.А.
студент кафедры экологии и промышленной безопасности Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) (Россия, г. Москва)
Хетагурова Э.О.
студент кафедры экологии и промышленной безопасности Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) (Россия, г. Москва)
КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЫБРОСОВ ПРИ 3D (ТРЁХМЕРНОЙ) ПЕЧАТИ
Аннотация: в данной работе проанализированы последние исследования, которые показывают, что 30-принтеры при работе выбрасывают большое количество загрязняющих веществ в воздух рабочей зоны, а также произведён качественный и количественный анализ вредных выбросов при трёхмерной печати.
Ключевые слова: Трёхмерная печать, ABS-пластик, PLA-пластик, выброс вредных веществ, ультрадисперсные частицы.
Технологии SD-печати активно развиваются, охватывая все новые области применения. Рынок трехмерной печати за последние три года увеличился с 8 млрд долларов США до 16 млрд, и по прогнозам аналитиков к 2026 году достигнет 51 млрд долларов США с более чем 25%-ным среднегодовым ростом. Такое быстрое развитие данной отрасли сопровождается все более детальной проработкой мер для обеспечения должной степени
безопасности работника. В данной работе произведён качественный и количественный анализ выбросов при 3D (трёхмерной) печати.
На сегодняшний день в качестве материала для 3D принтеров используются множество материалов, но наиболее распространены ABS и PLA пластики.
При обычной комнатной температуре пластики не являются опасными, но исследования, проводимые в США, Канаде, Германии и многих других странах показывают, что трехмерная печать может быть опасна за счет выделения вредных веществ при нагреве филамента, и угрозу несут не только микрочастицы, выделяемые при нагреве различных пластиков, но еще летучие органические соединения, так называемые ЛОС, и мельчайшие частицы нанометровых размеров (ультрадисперсные частицы) [1].
Первые исследования, изучающие влияние ультрадисперсных частиц на здоровье человека, проводились в 1990-х годах. Они показали, что эти частицы с особой лёгкостью проникают в лёгкие человека при каждом его вдыхании. Оседание их в лёгких может спровоцировать рак или астму, а при попадании в мозг - инсульт [2]. Кроме того, при попадании в организм при вдыхании может произойти развитие воспалительных процессов в легких и сосудистой системе.
На рисунке 1 показаны основные органы, на которых могут оседать мелкодисперсные частицы разных диаметров (РМ 5, 2.5 и 0.1): крупные частицы с диаметром 2,5-10 мкм осаждаются преимущественно в верхних дыхательных путях и крупных проводящих дыхательных путях. Мелкие частицы с диаметром 0,1-2,5 мкм осаждаются по всему дыхательному тракту, особенно в мелких дыхательных путях и альвеолах. Ультрадисперсные фракции PM0.1 могут осаждаться в альвеолярной области [3].
Рисунок 1 - Компонентное распределение частиц в организме [3]
Согласно отчёту 2013 года Всемирной Организации Здравоохранения в период с 1990 по 2010 год 3,1 млн людей умерли от причин, связанных с вдыханием частиц РМ2.5. Ещё одна цифра: частицы PM2.5 сокращают ожидаемую продолжительность жизни в среднем на 8,6 месяцев. Всего с РМ2.5 связаны 3% смертей от заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной системы и 5% смертей от рака лёгких [4].
Для компонентного анализа воздуха рабочей зоны до и после печати использовались газовый фотоионизационный хроматограф ФГХ - 2 и счетчик аэрозольных частиц АЗ-10.
В ходе проведения замеров во время печати были выявлены более 20 веществ. По следующим веществам наблюдались наиболее значительные превышения предельно-допустимых концентраций для атмосферного воздуха: хлористый винил; акролеин; пропионовый альдегид; этилбензол; стирол; бутилакрилат; метилакрилат. В таблице 1 представлены полученные значения.
Таблица 1 - Концентрации загрязняющих веществ до и после 3Б-печати
Наименование ЗВ Код Значение Значение ПДК, мг/м3 Класс
вещест- концентра- концентра- опас-
ва ций ЗВ до ции ЗВ после ности
печати печати ЗВ
Пропилен 0521 - 0,387 3 -
Бутан 0402 4,010 5,850 200 -
Ацетальдегид 1317 0,605 0,883 0,01 3
Хлористый винил 0827 0,633 0,924 0,04 (с.с.) 1
Этиловый спирт 1061 2,280 2,040 5 4
Акролеин 1301 0,041 0,434 0,03; 0,01 (с.с.) 2
Ацетон 1401 0,352 0,692 0,35 4
Пропионовый альдегид 1311 0,904 1,770 0,0001 (ОБУВ) -
Изопропанол 1051 1,470 2,880 0,6 3
Этиловый эфир 1105 0,367 0,721 1; 0,6 (с.с.) 4
Этилбензол 0627 - 0,146 0,02 3
Стирол 0620 0,093 0,242 0,04 2
о-Ксилол 0639 0,128 0,335 0,3 3
Бутилакрилат 1206 0,748 1,960 0,0075 2
Этилацетат 1240 0,205 0,125 0,1 4
Продолжение таблицы 1
Винилацетат 1213 0,072 0,012 0,15 3
Метилэтилкетон 1409 - 0,006 0,1(0БУВ) -
Метилакрилат 1225 2,010 2,330 0,1; 0,01(с.с.) 3
Толуол 0621 0,092 0,014 0,6 3
Изобутанол 1048 0,092 - 0,1 4
п-Ксилол 0640 0,064 0,079 0,3 3
Циклогексанон 1077 0,068 - 0,06 3
Бензол 0602 - 0,220 0,3 0,06(с.с.) 2
Изобутилацетат 1221 0,746 - 0,1 4
Для определения количества частиц различных диаметров использовался счетчик частиц АЗ-10. Время отбора пробы - 150 секунд. Сводные результаты замеров приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты замеров на счетчике частиц АЗ-10
Размеры частиц, Количество частиц, шт
мкм
До запуска После запуска До запуска После запуска
печати печати печати печати
В помещении лаборатории В коробе принтера
0,3 - 0,4 64 400 73 535 65 238 >999 999
0,4 - 0,5 14 706 18 008 16 182 334 950
0,5 - 1,0 6 606 9 547 7 122 87 276
1,0 - 2,0 864 1 219 720 2 103
2,0 - 5,0 278 232 252 335
>5 57 36 35 33
Замеры показывают, что до запуска печати количество частиц в помещении лаборатории и в коробе принтера примерно одинаково, однако после запуска печати их количество сильно возрастает, особенно в диапазоне 0,3-0,4 и 0,4 - 0,5 мкм в коробе принтера. На диапазоне 0,3-0,4 прибор показывает свое максимально возможное значение (999 999 частиц). Поэтому можно сделать только предположение о том, что частиц такого диаметра может быть и в разы больше. Также можно увидеть зависимость - чем меньше диаметр частиц, тем более резко увеличивается их количество. Так как диапазон измерений данного прибора ограничен, то можно также сделать предположение, что с уменьшением диаметра частиц, их число будет критически возрастать.
Результаты исследований показывают повышенные уровни выбросов летучих органических соединений и ультрадисперсных частиц при работе 3 D-принтеров, результаты экспериментов подтверждают возможную опасность от 3D-печати для здоровья работников. На основе этого можно сделать вывод о необходимости более детального изучения данной темы, обязательном использования различных систем местной и общеобменной вентиляции в помещениях 3D-печати, а также о необходимости создания стандартов безопасности в сфере аддитивных технологий в России.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Aika Davis. VOC Emissions from FDM Desktop 3D Printers / Underwriters Laboratories Inc. - Atlanta, GA: Safety Science of 3D Printing Summit, 2017 Yingying Cha / Ultrafine Particles and Health. - KTH Royal Institute of Technology. -Sthlm, 2019
Guarnieri M., Balmes J.R. / Outdoor air pollution and asthma. - The Lancet 383 (9928): 1581-1592, 2014
llo
Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) [Электронный ресурс]: Электрон. журн. - Режим доступа: http://www.who.int/topics/ru (дата обращения: 12.05.2021).
Borzykina E.A.
student of the Department of Ecology and Industrial Safety Moscow State Technical University of Bauman (Russia, Moscow)
Khetagurova E.O.
student of the Department of Ecology and Industrial Safety Moscow State Technical University of Bauman (Russia, Moscow)
QUALITATIVE & QUANTITATIVE EMISSION ANALYSIS FOR 3D PRINTING
Abstract: this paper analyzes the latest studies that show that 3D printers emit a large amount of pollutants into the air of the working area during operation, as well as a qualitative and quantitative analysis of harmful emissions during three-dimensional printing.
Keywords: 3D printing, ABS plastic, PLA plastic, emission of harmful substances, ultrafine particles.
