Studie beschreibt die von 3D-Druckern verteilten winzigen giftigen Partikel

2137

Forscher haben herausgefunden, dass 3D-Drucker beim Betrieb winzige Partikel in die Luft speien, obwohl die Menge und Art dieser potenziell toxischen Aerosole kaum verstanden wird. Eine neue Studie identifiziert eine verblüffende Vielfalt dieser Emissionen und die Bedingungen, unter denen sie erzeugt werden.

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass kleine Partikelemissionen von Desktop-3D-Druckern freigesetzt werden. Wissenschaftler hatten jedoch keine kontrollierten Experimente durchgeführt, um die mit dem Druck verbundenen Partikel und Chemikalien genau zu erkennen und zu charakterisieren. Eine kürzlich veröffentlichte, zweijährige Untersuchung zur Bewertung der Auswirkungen von Desktop-3D-Druckern auf die Luftqualität in Innenräumen, die von Wissenschaftlern von UL Chemical Safety und dem Georgia Institute of Technology durchgeführt wurde, überwindet nun diese Mängel. Die Ergebnisse, die in zwei separaten Studien zu Aerosol Science and Technology veröffentlicht wurden, waren nicht ermutigend. In Tests konnten die Forscher Hunderte verschiedener Verbindungen identifizieren, von denen einige als Gesundheitsgefahren bekannt sind.

Diese Erkenntnisse stammen aus einer Zeit, in der diese kostengünstigen Maschinen zunehmend in den Bereichen Handel, Medizin und Bildung erscheinen. Marilyn Black, Vizepräsidentin und Senior Technical Advisor bei UL und Co-Autorin beider Studien, sagt, die Ergebnisse ihres Teams sollten als Weckruf dienen. Sie fordern Gesundheitsforscher, Wissenschaftler und andere Institutionen auf, weiter zu untersuchen.

„Aufgrund der potenziellen gesundheitlichen Bedenken, die in den ersten Studien angedeutet wurden, sahen wir die Gelegenheit, eine wissenschaftlich kontrollierte Laborstudie durchzuführen, um diese Emissionen zu messen und zu charakterisieren und zu verstehen, warum sie auftreten, und um ihre Toxizität zu bewerten“, sagte Black gegenüber Gizmodo. „Unsere Studie konnte eine robuste Umweltkammertechnologie entwickeln, die konsistente und genaue Messungen, die Identifizierung von Partikeln und Chemikalien sowie die Bestimmung der Exposition von Menschen ermöglicht.“

Bei Standard-Desktop-3D-Druckern werden beim Ausführen von Druckaufträgen nachweisbare Mengen an ultrafeinen Partikeln (UFPs) erzeugt. UFPs sind nanoskalige Partikel, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, jedoch zu schwerwiegenden gesundheitlichen Problemen führen können, insbesondere wenn sie eingeatmet und an das Lungensystem des Körpers abgegeben werden.

„Ultrafeine Partikel sind sehr feine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometer (100 Nanometer)“, sagte Black. „Mehr als 90 Prozent der von 3D-Druckern emittierten Partikel befanden sich im Nanopartikelbereich. Diese kleinen Partikel können beim Einatmen den tiefsten Teil der Lunge erreichen, wo sie in Gewebe und Zellen eindringen können, und können beim Menschen zu kardiovaskulären und pulmonalen Wirkungen führen.“

Wenn ein Druckvorgang eingeleitet wird, entstehen neue Partikel, die in die Luft gehen. Laut der neuen Studie enthält dieser erste Stapel während des gesamten Druckauftrags die kleinsten Größen und die maximale Anzahl an UFP-Konzentrationen.

In Tests untersuchten die Forscher in erster Linie Filamentherstellungsdrucker, die thermoplastische oder nylonhaltige Ausgangsmaterialien verwenden (Black sagte, dass zusätzliche Ausgangsmaterialien und andere Drucktechnologien in zukünftigen Arbeiten untersucht werden). Insbesondere untersuchten die Forscher FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling), von denen bekannt ist, dass sie einige der höchsten UFP-Konzentrationen erzeugen. Wie von 3D-Hubs beschrieben, bauen FDM-Drucker Objekte, indem sie geschmolzenes Material Schicht für Schicht entlang eines vorbestimmten Pfads selektiv abscheiden. FDM-Drucker sind die weltweit am häufigsten verwendete 3D-Drucktechnologie.

Das Team von Black führte eine kleine Anzahl von Toxizitätstests mit diesen Druckern durch. Dazu wurden verschiedene Methoden verwendet, darunter chemische Tests und In-vitro-Zellassays (Verwendung lebender Zellen). Es wurden zwei gebräuchliche Filamenttypen untersucht, die als ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und PLA (Polylactide) bezeichnet wurden, und alle Tests zeigten zumindest ein gewisses Maß an toxischer Reaktion (obwohl die toxische Antwort je nach Filamenttyp variierte).

Die schiere Vielfalt der von diesen Druckern erzeugten toxischen Substanzen war alarmierend. Nicht weniger als 200 verschiedene flüchtige organische Verbindungen (VOCs) wurden in den unsichtbaren Puffern entdeckt, die von den Druckern ausströmten, als sie sich abwandten – darunter viele bekannte und vermutete Reizstoffe und Karzinogene. Zu den nachgewiesenen üblichen VOCs gehörten Formaldehyd (eine organische Verbindung und ein bekanntes Karzinogen), Styrol (eine brennbare Chemikalie und reizende Substanz) und Caprolactam (eine besonders üble Herstellungszusammensetzung, die Reizungen und Verbrennungen der Augen und des Halses, Kopfschmerzen, Verwirrung und Magen-Darm-Erkrankungen verursachen kann Probleme).

Die Forscher dokumentierten auch die verschiedenen Faktoren, die bei der Herstellung von UFPs eine Rolle spielen. Zu den Faktoren, die die Art der hergestellten UFPs beeinflussten, gehören die Temperatur der Düse, die Art des verwendeten Filaments, die Marke des Filaments und des Druckers sowie die Filamentfarbe. Zu den Faktoren, die die Emissionswerte beeinflussten, zählten die Extrusionstemperatur, Filamentmaterial und die Filamentmarke.

„Unsere Forschung liefert technische Informationen zum Mechanismus der Partikelbildung und zeigt, dass die betrieblichen Faktoren einen Unterschied machen“, sagte Black gegenüber Gizmodo. „Diese Informationen können Hersteller bei der Anpassung neuer Technologien und Kontrollen unterstützen, um die Emissionen zu minimieren oder zu reduzieren.“

Diese Studie war kein detaillierter Blick auf die langfristigen gesundheitlichen Auswirkungen von 3D-Druckern. Dementsprechend fordern die Forscher die Wissenschaftler nun auf, eine vollständige Risikobewertung durchzuführen, um die gefährlichen toxischen Emissionen zu bestimmen, und die Hersteller werden aufgefordert, die zur Emissionsminimierung erforderlichen Maßnahmen zu ergreifen. Sie möchten auch, dass die Hersteller ihre Kunden auf dieses Problem aufmerksam machen, so dass sie die notwendigen Vorkehrungen treffen können.

Black hatte folgende Ratschläge für Benutzer von Desktop-3D-Druckern.

„Verwenden Sie nur in gut belüfteten Räumen mit Außenluftstrom und halten Sie sich während des Betriebs von den Druckern fern“, sagte sie.

Abonnieren Sie die wöchentlichen 3Druck.com-Newsletter. Jeden Montag versenden wir die wichtigsten Beiträge und Updates der Woche. Melden Sie sich jetzt kostenlos an.