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Este protocolo apresenta um método para analisar a emissão de canetas de impressão 3D. A concentração de partículas e a distribuição do tamanho das partículas liberadas são medidas. As partículas liberadas são ainda analisadas com microscopia eletrônica de transmissão (TEM). O teor metálico em filamentos é quantificado por espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplada (ICP-MS).
A impressão tridimensional (3D) como um tipo de fabricação aditiva mostra um aumento contínuo na aplicação e popularidade do consumidor. A fabricação de filamentos fundidos (FFF) é um método barato usado com mais frequência pelos consumidores. Estudos com impressoras 3D mostraram que durante o processo de impressão partículas e substâncias voláteis são liberadas. As canetas de impressão 3D portáteis também usam o método FFF, mas a proximidade do consumidor com as canetas 3D dá razão a maior exposição em comparação com uma impressora 3D. Ao mesmo tempo, canetas de impressão 3D são frequentemente comercializadas para crianças que poderiam ser mais sensíveis à emissão de impressão. O objetivo deste estudo foi implementar um método de baixo custo para analisar as emissões de canetas de impressão 3D. Filamentos de polilacídio (PLA) e acrilonitrilo butadiene (ABS) de cores diferentes foram testados. Além disso, foram analisados filamentos contendo nanotubos de metal e carbono (CNTs). Uma câmara de 18,5 L e amostragem próxima à fonte de emissão foi utilizada para caracterizar emissões e concentrações próximas à zona respiratória do usuário.
Foram medidas as emissões de partículas e distribuições de tamanho de partículas e a possível liberação de partículas metálicas e CNTs investigadas. Concentrações numéricas de partículas foram encontradas em uma faixa de 105 - 106 partículas/cm3, o que é comparável aos relatórios anteriores de impressoras 3D. A análise da microscopia eletrônica de transmissão (TEM) mostrou nanopartículas dos diferentes materiais termoplásticos, bem como de partículas metálicas e CNTs. Alto teor de metal foi observado por espectrometria de massa plasmática indutivamente acoplado (ICP-MS).
Esses resultados exigem um uso cauteloso das canetas 3D devido ao potencial risco para os consumidores.
A impressão 3D é um método promissor de fabricação aditiva, que além de suas aplicações industriais também é usado em casas, escolas e os chamados espaços maker. As impressoras 3D agora podem ser compradas a partir de 200 €, tornando-as atraentes para os consumidores. Essas impressoras podem ser usadas para produzir peças de reposição, utensílios domésticos, presentes ou outros objetos. As crianças podem até fazer seus próprios brinquedos usando impressoras 3D. Devido ao seu fácil manuseio e baixo preço, as impressoras baseadas na fabricação de filamentos fundidos (FFF) são do tipo mais difundido no setor de hobby1. Neste método de impressão, um material termoplástico, chamado filamento, é derretido, empurrado através de um bico e aplicado camada por camada usando uma cabeça de impressão móvel até que o objeto tridimensional seja concluído. Os modelos cad (Digital Computer-aided Design, design auxiliado por computador) necessários para impressão FFF estão disponíveis gratuitamente online ou podem ser projetados em muitos programas de desenho CAD diferentes.
Estudos iniciais mostraram que durante o processo de impressão do filamento, partículas ultrafinas2,3,4,5,6,7,8 e substâncias voláteis9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 são liberadas. Partículas ultrafinas podem penetrar mais fundo no sistema respiratório e podem ser mais difíceis de limpar do corpo19. Em um estudo com funcionários que utilizam regularmente impressoras 3D, 59% relataram sintomas respiratórios20. A maioria das impressoras do hobbyist não são hermeticamente lacradas e não possuem dispositivos de extração de gases de escape. As emissões são, portanto, liberadas diretamente no ar ambiente e podem representar um risco para o usuário após a inalação.
Estudos anteriores se concentraram nas emissões dos filamentos mais usados polilacídio (PLA) e estireno de butadieno de acrilonitrilo (ABS). Alguns estudos analisaram diferentes filamentos, como nylon e poliestireno de alto impacto (HIPS)4,10,13. Além disso, novos filamentos, que são fornecidos com aditivos como metal ou madeira, estão constantemente sendo lançados ao mercado. Esses filamentos permitem ao consumidor imprimir objetos que parecem e se sentem como madeira natural ou metal. Outros filamentos permitem imprimir materiais condutores contendo nanotubos de grafeno ou carbono (CNTs)21. As nanopartículasmetálicas 22 e CNTs mostram efeitos citotóxicos e causaram danos ao DNA23. Até agora, apenas pouca pesquisa foi realizada sobre filamentos contendo aditivos. Floyed et al.13 analisaram PLA complementado com bronze; Stabile et al.3 investigaram PLA misturado com cobre, madeira, bambu e um filamento com fibra de carbono. Ambos os estudos mediram a concentração de partículas e a distribuição de tamanho, porém a morfologia e a composição das partículas liberadas não foram mais investigadas. Especialmente nanopartículas de proporção alta (HARN) como CNTs ou fibras de amianto são conhecidas por causar efeitos perigosos à saúde24. Um estudo recente de Stefaniak et al.25 analisou filamentos com CNTs e observou emissão de partículas de polímeros respiratórios contendo CNTs visíveis.
As canetas 3D usam o mesmo método FFF que as impressoras 3D, mas até agora apenas um estudo examinando canetas 3D foi publicado26. Os autores utilizaram filamentos PLA e ABS, mas nenhum com aditivos foi analisado. Devido ao seu uso portátil, as canetas 3D são ainda mais fáceis de usar do que as impressoras 3D. Eles são mais intuitivos, têm um tamanho pequeno e não exigem o uso de modelos CAD. Canetas 3D podem ser usadas para desenhar ou criar objetos e, além disso, para reparar peças impressas em 3D e outros itens plásticos. Os preços começam a partir de 30 €, diferentes formas e cores estão disponíveis para atingir faixas etárias mais baixas. Mas, particularmente, as crianças são mais vulneráveis às emissões de partículas. Seus mecanismos de defesa pulmonar contra partículas e poluição gasosa não são totalmente evoluídos e estão respirando um maior volume de ar por peso corporal27.
Para uma melhor compreensão da liberação e dos riscos à saúde das emissões de caneta 3D, investigamos diferentes filamentos constituídos pelos materiais padrão PLA e ABS em cores diferentes. Além disso, foram investigados filamentos com aditivos de cobre, alumínio, aço e CNT e filamento com efeito brilhante no escuro. Para obter insights abrangentes sobre o processo de impressão da caneta 3D e a análise das emissões de partículas foi conduzida pela medição on-line do aerossol de concentrações de números de partículas e distribuições de tamanho, por meio de exame de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para identificação de morfologia e materiais e por espectrometria de massa plasmática indutivamente acoplada (ICP-MS) para avaliação quantitativa metálica dos filamentos.
1. Requisitos de protocolo
2. Medições de aerossol de emissões de caneta 3D
3. Morfologia de partículas usando TEM
4. Quantitação do conteúdo metálico antes e depois da impressão usando iCP-MS
Concentração de número de partículas
A maior concentração de número de partículas de pico foi medida para pla-cobre com 4,8 x 106 #/cm3 e a menor para PLA-preto com 4,3 x 105 #/cm3. Em geral, observou-se maior emissão de ABS > 106 #/cm3 em relação ao PLA. No entanto, alguns filamentos PLA resultaram em concentrações de partículas acima de10 6 #/cm3 (PLA-branco e PLA-azul). As diferentes concentrações de partículas podem estar relacionadas ao uso de aditivos. Zhang et al.28 afirmaram que as partículas podem ser formadas por alguns aditivos como, por exemplo, pigmentos, porém não pelo material a granel. Assim, o uso de diferentes pigmentos para cores diferentes pode influenciar o número de partículas liberadas.
Na Figura 3 exemplos de aumento de emissões de partículas durante o processo de impressão são mostrados para PLA-black e ABS-black. Os resultados estão de acordo com estudos anteriores de impressora 3D, mostrando concentrações de partículas de 105-106 #/cm3 e valores mais elevados para ABS em comparação com PLA12,13. Floyd et al.13 mediram a concentração máxima de 3,5 x 106 #/cm3 para ABS e 1,1 x 106 #/cm3 para PLA. É importante mencionar que o ABS é geralmente impresso em temperaturas mais altas em comparação com o PLA. Para analisar a influência da temperatura de impressão na liberação de partículas, foram realizados experimentos utilizando PLA-black a 210 °C (ajuste padrão para ABS). Os resultados foram comparados com a configuração padrão de 200 °C para PLA. Com a temperatura mais alta, a concentração de partículas aumentou quase uma ordem de magnitude. A concentração média durante a impressão com PLA-preto aumentou de 2,6 x 105 #/cm3 a 200°C para 1,3 x 106 #/cm3 a 210 °C. Emissões mais elevadas causadas por uma maior temperatura de impressão já foram observadas em estudos anteriores com impressoras 3D3.
Distribuição de tamanho de partículas em emissões de diferentes filamentos
A Figura 4 mostra distribuições de tamanho de partículas para PLA a 200 e 210 °C e para ABS a 210 °C. A impressão de ABS resultou em uma maior concentração de partículas e partículas maiores em comparação com o PLA. O aumento da temperatura durante a impressão de PLA resultou em concentrações mais altas de número de partículas, mas não teve efeito significativo sobre o diâmetro médio geométrico (GMD). Isso está de acordo com um estudo anterior28.
A Figura 5 mostra o GMD com base na contagem numérica de todos os filamentos medidos. Observou-se clara tendência de diferença entre as partículas emitidas durante a impressão com filamentos ABS ou PLA. As amostras abs apresentaram o maior GMD variando de 203,9 nm para ABS-green e até 262,1 nm para ABS-azul. O ABS-green é feito por um fabricante diferente dos outros filamentos ABS; esta pode ser a razão de um tamanho de partícula ligeiramente diferente. Filamentos PLA emitiram partículas menores com GMDs < 100 nm (63,8 nm para pla-clear até 88,3 nm PLA-azul). Para os outros filamentos com aditivos, o GMD variou de 73,1 nm para aço PLA a 183,9 nm para PLA-cobre. A reprodutibilidade das medidas é evidente a partir dos desvios padrão relativos baixos (RSD) das medidas de tamanho de partículas. A faixa ficou entre 0,96 e 5,58%. Somente no caso de PLA com aço (10,55%) e PLA com CNTs (18,52%) observou-se maior faixa. Isso poderia, no entanto, ser devido à inhomogeneidade nos filamentos. Produtos com aditivos são uma mistura de termoplástico (por exemplo, neste caso PLA) e metal ou outras pequenas partículas. As partículas podem não ser distribuídas uniformemente e poderiam, assim, causar um desvio padrão mais alto. Os desvios padrão geométricos variaram entre 1,6 e 1,9, indicando uma distribuição única modal na faixa de partículas finas e ultrafinas, como observado em estudos anteriores de impressoras 3D13.
Os resultados mostram uma diferença significativa nas emissões de partículas entre filamentos PLA e ABS; isso ainda não estava claro das publicações anteriores, pois muitas vezes apenas um ou dois filamentos haviam sido analisados29. Alguns autores descreveram partículas maiores para ABS5,12, algumas maiores para PLA2,9. Em outros estudos, não foi observada diferença de tamanho em4,13. Byrley et al.29 revisaram 13 publicações e descreveram diâmetros médios de partículas variando de 14,0 nm a 108,1 nm para PLA e de 10,5 nm a 88,5 nm para ABS. A diferença no tamanho das partículas pode ser devido a medições em diferentes pontos de tempo. Alguns mediram a maior concentração12,13 e alguns relataram os tamanhos de todo o processo de impressão5,9. O único estudo de canetas 3D disponíveis até agora relata partículas de até 60,4 nm para PLA e até 173,8 nm para ABS26,o que é semelhante aos achados aqui.
A medição de distribuição de tamanho representa apenas um instantâneo de um momento. Para observar a variabilidade do tempo em relação ao tamanho do aerossol emitido, a distribuição do tamanho da partícula para Filamento PLA-preto foi medida 10 vezes a cada 3 minutos após a parada da impressão(Figura 6A). As medidas mostram um aumento da GMD (Figura 6B) e uma diminuição na concentração de partículas(Figura 6C) a cada execução de medição consecutiva. O aumento do tamanho das partículas pode ser devido à aglomeração, o que também explicaria a diminuição da concentração de partículas. Curiosamente, essa ocorrência de aumento de tamanho de partículas e diminuição da concentração não foi observada apenas após a impressão ter parado, mas também durante os processos de impressão. Isso mostra que o tempo de medição é um fator importante.
Quantitação de conteúdo metálico antes e depois da impressão usando iCP-MS
Uma comparação dos filamentos contendo aditivos metálicos antes e depois do processo de impressão não revelou diferença em relação ao seu conteúdo metálico. Esta relação metal-polímero inalterada indica que as partículas liberadas não são apenas polímeros, pois isso levaria a uma maior concentração metálica no material impresso devido à perda de polímero. Nanopartículas metálicas liberadas podem implicar maior risco à saúde do usuário22. Em geral, deve-se notar a alta quantidade de metal em filamentos avançados. Os metais podem causar efeitos adversos à saúde e, especialmente, a liberação de partículas nanoescala requer precauções de segurança nos cenários da vida diária30.
Para o filamento PLA-cobre medimos uma porcentagem de peso de 70 para cobre. Para o filamento de aço medimos percentuais de peso de 30% Fe, 8% Cr e 6% Ni no filamento. Muitas vezes a composição exata dos filamentos não é declarada, e os possíveis riscos, portanto, não são conhecidos pelo usuário. A exposição ao níquel pode ter efeitos adversos na saúde humana e pode causar alergias à pele, fibrose pulmonar, doenças cardiovasculares e renais. O elemento é suspeito de carcinógeno humano31.
Além dos filamentos metálicos, o PLA clear foi analisado antes e depois da impressão. Aqui, um aumento de, Zn, Fe, Cr e Ni foi medido após o processo de impressão. Isso pode ser devido a outros materiais terem sido extraídos através da caneta 3D antes e resultando em um efeito de memória. As medições foram repetidas com uma caneta 3D recém-adquirida e aqui não foi observado aumento significativo(Figura 7).
Morfologia de partículas usando TEM
As imagens tem confirmaram a presença de partículas e verificaram a diferença no tamanho das partículas entre ABS e PLA, medidos com o SMPS. As imagens TEM mostraram tamanhos de partículas em sua maioria em torno de 50 nm para PLA (Figura 8A). O ABS preto mostrou partículas quase consistentemente maiores até 100 nm(Figura 8B). A diferença de tamanhos de partículas entre PLA e ABS, como visto com o SMPS, poderia ser confirmada. No entanto, tamanhos menores foram medidos pelo TEM. Os tamanhos menores podem ser devido ao SMPS medindo aglomerações de partículas, como descrito anteriormente, e imagens TEM mostrando partículas não aglomeradas.
Filamento pla-cobre continha cobre, bem como partículas PLA(Figura 8C). O cobre estava principalmente em forma cristalina com tamanhos em torno de 150 nm. Isso se encaixa na medição SMPS do filamento de cobre, o que resultou em GMD médio de 178 nm(Figura 5). A figura 8D possivelmente retrata um CNT liberado do filamento PLA-CNT. Além disso, observou-se a liberação de pequenas partículas de aço durante a impressão com filamento pla-aço(Figura 8E). O filamento de alumínio foi descrito como "composto PLA - com uma quantidade incrivelmente alta de flocos de alumínio prateado adicionados"32. A Figura 8F mostra possível uma aglomeração desses flocos, pois o tamanho é muito maior em comparação com o GMD medido de 124 nm usando SMPS.
Figura 1: Imagem de canetas de impressão 3D e construção esquemática de uma caneta de impressão 3D. A caneta de impressão 3D aquece o filamento à temperatura escolhida e extruse o termoplástico derretido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Configuração experimental para medição de aerossol on-line. A concentração de partículas é medida com um CPC e a distribuição do tamanho das partículas com um SMPS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Medição do CPC das concentrações de partículas. As medidas mostram um aumento após o início da impressão e maiores concentrações para ABS em comparação com PLA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Distribuição de tamanho de partícula medida com SMPS com desvio padrão (n=3). A impressão PLA resulta em partículas menores em comparação com o ABS. O aumento da temperatura resulta em maior concentração, mas não mostra nenhum efeito significativo no tamanho das partículas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Diâmetro médio geométrico médio médio com desvio padrão (n=3) para todos os filamentos analisados. A impressão com PLA resultou em partículas menores em comparação com ABS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Distribuição do tamanho das partículas medida logo após a parada de impressão. (A) Distribuição de tamanho de partículas medida a cada 3 minutos durante um período de 30 minutos após um processo de impressão com PLA-preto. (B) Aumento do GMD. (C) Diminuição da concentração. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Teor de metal em filamentos digeridos medidos com ICP-MS. Aumento do conteúdo metálico no filamento pla-clear após o processo de impressão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: TEM-Imagens de amostras do processo de impressão: (A) Filamento PLA-preto resultando em partículas PLA em torno de 50 nm. (B) Filamento ABS-preto resultando em partículas ABS de até 100 nm. (C) Filamento PLA-cobre resultando em cristais de cobre (120-150 nm) além de PLA. (D) Filamento PLA-CNT resultando na liberação da CNT. (E) Filamento pla-aço resultando em fragmentos de aço liberados. (F) Filamento PLA-Alumínio resultando em grandes partículas de alumínio. (C) – (D): Setas indicando PLA e círculos metálicos ou CNT, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O protocolo mostra um método rápido, barato e fácil de usar para analisar as emissões de uma caneta de impressão 3D. Além da comparação de PLA e ABS, filamentos contendo quantidades significativas de metais e CNTs podem ser investigados.
Passos críticos são limpar a câmara para evitar contaminação cruzada e garantir que a concentração de fundo seja baixa. Usamos um desiccator como opção de câmara disponível, mas outras câmaras podem ser usadas.
As concentrações de partículas e distribuições de tamanho de partículas são medidas on-line durante e após o processo de impressão. Neste estudo, foram registradas concentrações de partículas que atingiram valores acima de10 6 partículas/cm3, o que pode ser preocupante. Em particular, quando partículas menores que 100 nm foram encontradas. As medidas de aerossol permitiram medições de concentração de partículas com o CPC na faixa de tamanho de 4 nm a 3 μm. As medições do SMPS só permitiram medições de distribuição de tamanho de partículas entre 14,4 nm e 673,2 nm. Partículas menores ou maiores podem ser perdidas nessas medições.
O método confirma a presença de partículas nas emissões de caneta 3D por análise tem offline. No estudo foram detectadas nanopartículas dos diferentes materiais termoplásticos, bem como de partículas metálicas e CNTs.
Para a análise do TEM, baseamos-se na sedimentação das partículas ao longo do tempo, pois outros métodos de amostragem não funcionavam, mas a melhoria ou modificação da amostragem poderia ser útil. A concentração do ar ambiente era muito baixa e insignificante para as concentrações de emissões, mas o uso de filtros de entrada pode ser valioso. No futuro, outros volumes de câmara serão usados para comparar o resultado com as emissões de impressora 3D. O protocolo se concentrou na liberação de partículas, mas questões abertas permanecem, como por exemplo, no que diz respeito à emissão de compostos orgânicos voláteis (VOCs). Para impressoras 3D já foi demonstrado que, além das partículas, estão sendo lançados VOCs9,10 , 11,12,13,14,15,16,17,18,33. Pode-se supor que canetas 3D podem causar emissões semelhantes.
Impressoras 3D podem ser iniciadas e depois impressas sem a presença do usuário. As canetas de impressão 3D são, no entanto, dispositivos portáteis e são operadas principalmente manualmente. Portanto, o usuário permanece mais próximo do dispositivo durante todo o processo de impressão, resultando em uma exposição potencialmente maior. Isso deve ser especialmente notado, uma vez que as canetas 3D são frequentemente anunciadas por serem utilizáveis por crianças. Em geral, as emissões de partículas dos processos FFF 3D são comparáveis às impressoras a laser, em termos de concentrações de número de partículas34. Assim, devem ser tomadas precauções para reduzir o nível de exposição. Parece razoável aconselhar que canetas 3D devem ser usadas a baixas temperaturas de impressão e apenas em ambientes bem ventilados. Filamentos com metal ou outros aditivos devem ser usados com cuidado, pois a liberação de nanopartículas ou fibras metálicas potencialmente prejudiciais é provável.
No futuro, este protocolo pode ser usado para comparar mais filamentos e diferentes canetas de impressão 3D para obter uma melhor compreensão das emissões desses dispositivos e do possível risco para os consumidores. Além disso, este protocolo pode ser usado para analisar outros casos de geração de aerossol (por exemplo, produtos de pulverização).
Os autores não têm nada a revelar.
Graças a Sebastian Malke e Nadine Dreiack por apoio laboratorial.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3D printing pen | lovebay | bought on: www.amazon.de | |
ABS black | Filamentworld | ABS175XBLK | bought on: www.filamentworld.de |
ABS blue | Filamentworld | ABS175XSB | bought on: www.filamentworld.de |
ABS glow in the dark | Formfutura | ABS175XGID | bought on: www.filamentworld.de |
Alcian Blue | Sigma Aldrich, Germany | ||
Collodion | Electron Microscopy Services GmbH, Germany | ||
CPC | TSI Inc. | Model 3775 | other particle tracking measurement devices can be used |
Hydrogen peroxide | Merck KGaA | 30%, suprapur | |
Imaging camera | Olympus, Germany | Veleta G2 camera | |
iTEM software | Olympus, Germany | ||
MilliQ water | Merck KGaA | Milli-Q® System | |
Nitric acid | 69%, In-house cleaned by distillation | ||
PLA black | Filamentworld | PLA175XBLK | bought on: www.filamentworld.de |
PLA blue | Filamentworld | PLA175XSBL | bought on: www.filamentworld.de |
PLA clear | Filamentworld | PLA175XCLR | bought on: www.filamentworld.de |
PLA red | Filamentworld | PLA175XRED | bought on: www.filamentworld.de |
PLA white | Filamentworld | PLA175XWHT | bought on: www.filamentworld.de |
PLA wiht Aluminium | Formfutura | GPLA175XTSI | bought on: www.filamentworld.de |
PLA wiht CNTs | 3DXTech | 3DX175XPLAESD | bought on: www.filamentworld.de |
PLA with Copper | Formfutura | MFL175XCOP | bought on: www.filamentworld.de |
PLA with Steel | Proto-Pasta | PP175X500SST | bought on: www.filamentworld.de |
SMPS | TSI Inc. | Model 3938 | other particle tracking measurement devices can be used |
TEM | Jeol GmbH, Germany | Jeol 1400 Plus | |
TEM grids alternative (plastic coated): Formvar-Film auf 400 mesh Cu-Netzchen | Plano GmbH, Germany | SF162-4 | |
TEM grids: 400 mesh 3.5 mm copper grids | Plano GmbH, Germany |
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