Name: 3d printing - evaluating particle emissions of a 3d printing pen
Uploaded: 2020-10-09T15:00:00
Duration: 6 min 44 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about 3D Printing - Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen at JoVE.com

Спасибо Себастьяну Малке и Надин Дрейак за лабораторную поддержку.

1. Требования к протоколу
<ol><li>Приобрети ручку для 3D-печати, способную генерировать температуру 200 градусов поЦельсию (рисунок 1),чтобы иметь возможность печатать нити с более высокой температурой печати (например, АБС или нити с добавками) для сравнения различных нитей. Различные 3D ручки доступны в Интернете.</li>
	<li>Приобрети нити диаметром 1,75 мм, подходящие для 3D-ручки. Различные стандартные нити PLA и ABS, а также нити с добавками доступны в Интернете на различных веб-сайтах.</li>
	<li>Для простой установки используйте desiccator (18,5 л) в качестве эмиссионной камеры.<ol>
<li>Убедитесь, что камера чистая. Выберите desiccator с впусткой на одной стороне, чтобы иметь возможность вставить ручку 3D-печати и розетку на вершине, чтобы вставить трубку отбора проб.</li>
		<li>Убедитесь, что вход воздуха при подключении к 3D-ручке установлен. В качестве фона будет использоваться окружающий воздух. Розетка трубки должна быть 10 см от кончика пера 3D-печати, чтобы имитировать расстояние между головой пользователя и источником выбросов.</li>
		<li>Используйте проводящие трубки, чтобы свести к минимуму потерю частиц. Длина труб должна быть как можно короче и свободной от изгибов.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Используйте счетчик конденсации частиц (CPC) и сканирующий размер частицы (SMPS) или другие устройства слежения за частицами для онлайн-измерения концентрации частиц и распределения размера частиц(рисунок 2).</li>
	<li>Используйте микроволновую печь и соответствующие химические вещества для переваривания образцов нити.</li>
	<li>Используйте ICP-MS или другой инструмент анализа нескольких элементов для количественной оценки содержания металла в образцах.</li>
	<li>Используйте электронный микроскоп для характеристики морфологии частиц.</li>
</ol>2. Аэрозольные измерения выбросов 3D Pen
<ol><li>Подготовка перед экспериментом<ol>
<li>Включите соответствующие онлайн-измерительные приборы (SMPS, CPC). В задней части машины есть кнопка. Разогреть инструменты около 10 минут.</li>
		<li>Предварительно загрузите 3D ручку с выбранной нитью (начните с НОАК как наиболее часто используемого материала) и дайте ручке остыть.</li>
		<li>Прикрепите фильтр HEPA к входу SMPS и запустите чистое измерение проверки с SMPS, чтобы гарантировать, что SMPS не загрязнен от предыдущих измерений. Не измерять частицы, если SMPS не чист.</li>
		<li>Подключите розетку камеры к входу CPC. Проверьте концентрацию внутри камеры с помощью КПК, чтобы убедиться, что камера чистая (Lt; 103 частиц/м 3) и эксперименты прогорять в тех же условиях. Начало измерения.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Экспериментальная процедура<ol>
<li>Вставьте предварительно загруженную и охлаждаемую 3D ручку в камеру.</li>
		<li>Убедитесь, что розетка труб камеры подключена к КПК.</li>
		<li>Запуск компьютера, подключенного к КПК. Откройте новый файл с именем, подходящим для измерений. Убедитесь, что настройка потока CPC установлена на уровне 0,3 л/мин, а время отбора проб установлено по крайней мере на 90 минут. Начните измерение CPC для измерения фоновой концентрации в течение 10 минут. ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры потока 0,3 л/мин и объем камеры 18,5 л приведет к обменному курсу воздуха (ACH) 1,0 ч-1.</li>
		<li>Через 10 минут включите 3D ручку. Выберите необходимую температуру для выбранной нити.</li>
		<li>После того, как необходимая температура будет достигнута, начните процесс печати. Пусть 3D перо печати в течение 15 минут. ПРИМЕЧАНИЕ: Нет объекта, но непрерывная строка будет напечатана и собрана на дне.</li>
		<li>Через 15 минут остановите 3D ручку, подключите розетку к SMPS и начните измерения распределения размеров каждые 3 минуты в течение следующих 1 часа.</li>
		<li>После завершения эксперимента снимите печатную нить и очистите камеру.</li>
		<li>Повторите каждое измерение три раза.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Морфология частиц с использованием TEM
<ol><li>Для обеспечения того, чтобы измеренные сигналы исходят от испускаемых частиц, а не от молекул пара, для анализа аэрозоля используется электронная микроскопия передачи (TEM).</li>
	<li>Подготовка сетки TEM<ol>
<li>Используйте 400 сетчатых 3,5 мм медных сеток.</li>
		<li>Пальто сетки с Collodion. Пусть сетки высохнуть на ночь и хранить их в камере высыхания до дальнейшего использования. Кроме того, используйте сетки с покрытием (например, SF162-4 Formvar-Film на 400 сетках Cu-net).</li>
		<li>В день эксперимента, сетки должны быть гидрофилизированы с 2% Alcian Blue в 0,3% уксусной кислоты раствора.</li>
		<li>Pipette 30 йл подготовленного алцианского синего раствора на поверхности, например, кусок парафильма. Пусть сетки плавают на Alcian синие капли в течение 5 до 10 минут и высушить их с помощью фильтровальной бумаги.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Поместите подготовленные сетки TEM внутри камеры во время процесса печати и оставьте на месте после этого в течение 5 часов, чтобы частицы осадок. ПРИМЕЧАНИЕ: Для облегчения обработки сеток поместите сетки на платформу, покрытую парафильмом.</li>
	<li>Изучите по крайней мере четыре различных области каждой сетки с ПОМОЩЬю TEM и используйте дифракционные шаблоны из опубликованных ресурсов для определения состава материала.</li>
</ol>4. Количественная оценка содержания металла до и после печати с использованием ICP-MS
<ol><li>Подготовка образцов<ol>
<li>Печать нити на пластиковой поверхности, чтобы избежать загрязнения металлом.</li>
		<li>Взвесить около 150 мг массовой нити и печатной нити. Чтобы избежать загрязнения металлом, используйте керамический нож, чтобы сократить мелкие кусочки.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Микроволновое пищеварение<ol>
<li>Передача взвешенных нитей в микроволновые сосуды.</li>
		<li>Добавьте 1,5 мл воды (например, Милли), 3,5 мл азотной кислоты и 1 мл перекиси водорода в каждый образец. ВНИМАНИЕ: Добавить воду, а затем кислоты!</li>
		<li>Поместите сосуды в микроволновую печь и начните пищеварение. Нагрейте до 200 градусов по Цельсию и удерживайте в течение 20 минут.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Определение концентрации металла с помощью ICP-MS<ol>
<li>Разбавить все образцы нитей, где высокая концентрация металла известна или подозревается, чтобы избежать загрязнения ICP-MS.</li>
		<li>Используйте сканирование для определения того, какие металлы находятся в образцах.</li>
		<li>Количественная оценка содержания металла в конкретных металлах с использованием соответствующих стандартов калибровки.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Most used 3D printing technologies in 2019 [Graph]. Statista Available from: <a target="_blank" href="https://www.statista.com/statistics/560304/worldwide-survey-3d-printing-top-technnologies/">https://www.statista.com/statistics/560304/worldwide-survey-3d-printing-top-technnologies/</a> (2020)</li><li>Stephens, B., Azimi, P., El Orch, Z., Ramos, T. J. A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafine+particle+emissions+from+desktop+3D+printers.">Ultrafine particle emissions from desktop 3D printers.</a> Atmospheric Environment. 79, 334-339 (2013).</li><li>Stabile, L., Scungio, M., Buonanno, G., Arpino, F., Ficco, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Airborne+particle+emission+of+a+commercial+3D+printer:+the+effect+of+filament+material+and+printing+temperature.">Airborne particle emission of a commercial 3D printer: the effect of filament material and printing temperature.</a> Indoor Air. 27 (2), 398-408 (2017).</li><li>Kwon, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+and+control+of+nanoparticle+emission+during+3D+printing.">Characterization and control of nanoparticle emission during 3D printing.</a> Environmental Science &amp; Technology. 51 (18), 10357-10368 (2017).</li><li>Yi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emission+of+particulate+matter+from+a+desktop+three-dimensional+(3D)+printer.">Emission of particulate matter from a desktop three-dimensional (3D) printer.</a> Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A. 79 (11), 453-465 (2016).</li><li>Rao, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capturing+PM2.+5+emissions+from+3D+printing+via+nanofiber-based+air+filter.">Capturing PM2. 5 emissions from 3D printing via nanofiber-based air filter.</a> Scientific reports. 7 (1), 10366 (2017).</li><li>Zontek, T. L., Ogle, B. R., Jankovic, J. T., Hollenbeck, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+exposure+assessment+of+desktop+3D+printing.">An exposure assessment of desktop 3D printing.</a> Journal of Chemical Health &amp; Safety. 24 (2), 15-25 (2017).</li><li>Zhang, Q., Wong, J. P., Davis, A. Y., Black, M. S., Weber, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+particle+emissions+from+consumer+fused+deposition+modeling+3D+printers.">Characterization of particle emissions from consumer fused deposition modeling 3D printers.</a> Aerosol Science Technology. 51 (11), 1275-1286 (2017).</li><li>Kim, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emissions+of+Nanoparticles+and+Gaseous+Material+from+3D+Printer+Operation.">Emissions of Nanoparticles and Gaseous Material from 3D Printer Operation.</a> Environmental Science &amp; Technology. 49 (20), 12044-12053 (2015).</li><li>Azimi, P., Zhao, D., Pouzet, C., Crain, N. E., Stephens, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emissions+of+ultrafine+particles+and+volatile+organic+compounds+from+commercially+available+desktop+three-dimensional+printers+with+multiple+filaments.">Emissions of ultrafine particles and volatile organic compounds from commercially available desktop three-dimensional printers with multiple filaments.</a> Environmental Science &amp; Technology. 50 (3), 1260-1268 (2016).</li><li>Steinle, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+emissions+from+a+desktop+3D+printer+and+indoor+air+measurements+in+office+settings.">Characterization of emissions from a desktop 3D printer and indoor air measurements in office settings.</a> Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 13 (2), 121-132 (2016).</li><li>Vance, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerosol+emissions+from+fuse-deposition+modeling+3D+printers+in+a+chamber+and+in+real+indoor+environments.">Aerosol emissions from fuse-deposition modeling 3D printers in a chamber and in real indoor environments.</a> Environmental Science &amp; Technology. 51 (17), 9516-9523 (2017).</li><li>Floyd, E. L., Wang, J., Regens, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fume+emissions+from+a+low-cost+3-D+printer+with+various+filaments.">Fume emissions from a low-cost 3-D printer with various filaments.</a> Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 14 (7), 523-533 (2017).</li><li>Stefaniak, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+chemical+contaminants+generated+by+a+desktop+fused+deposition+modeling+3-dimensional+Printer.">Characterization of chemical contaminants generated by a desktop fused deposition modeling 3-dimensional Printer.</a> Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 14 (7), 540-550 (2017).</li><li>Azimi, P., Fazli, T., Stephens, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+concentrations+of+ultrafine+particles+and+volatile+organic+compounds+resulting+from+desktop+3D+printer+operation+and+the+impact+of+potential+control+strategies.">Predicting concentrations of ultrafine particles and volatile organic compounds resulting from desktop 3D printer operation and the impact of potential control strategies.</a> Journal of Industrial Ecology. 21, 107-119 (2017).</li><li>Gu, J., Wensing, M., Uhde, E., Salthammer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+particulate+and+gaseous+pollutants+emitted+during+operation+of+a+desktop+3D+printer.">Characterization of particulate and gaseous pollutants emitted during operation of a desktop 3D printer.</a> Environment International. 123, 476-485 (2019).</li><li>Davis, A. Y., Zhang, Q., Wong, J. P., Weber, R. J., Black, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+volatile+organic+compound+emissions+from+consumer+level+material+extrusion+3D+printers.">Characterization of volatile organic compound emissions from consumer level material extrusion 3D printers.</a> Building and Environment. 160, 106209 (2019).</li><li>Wojty&#322;a, S., Klama, P., &#346;piewak, K., Baran, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printer+as+a+potential+source+of+indoor+air+pollution.">3D printer as a potential source of indoor air pollution.</a> International Journal of Environmental Science and Technology. 17 (1), 207-218 (2020).</li><li>Bierkandt, F. S., Leibrock, L., Wagener, S., Laux, P., Luch, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+impact+of+nanomaterial+characteristics+on+inhalation+toxicity.">The impact of nanomaterial characteristics on inhalation toxicity.</a> Toxicology Research. 7 (3), 321-346 (2018).</li><li>Chan, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Health+survey+of+employees+regularly+using+3D+printers.">Health survey of employees regularly using 3D printers.</a> Occupational Medicine. 68 (3), 211-214 (2018).</li><li>Acquah, S. F., Berber, M. A., Hafez, I. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+nanotubes+and+graphene+as+additives+in+3D+printing.">Carbon nanotubes and graphene as additives in 3D printing.</a> Nanotubes-current progress of their polymer composites. , 227-253 (2016).</li><li>Schrand, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal-based+nanoparticles+and+their+toxicity+assessment.">Metal-based nanoparticles and their toxicity assessment.</a> Wiley interdisciplinary reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2 (5), 544-568 (2010).</li><li>Karlsson, H. L., Cronholm, P., Gustafsson, J., Moller, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Copper+oxide+nanoparticles+are+highly+toxic:+a+comparison+between+metal+oxide+nanoparticles+and+carbon+nanotubes.">Copper oxide nanoparticles are highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes.</a> Chemical Research In Toxicology. 21 (9), 1726-1732 (2008).</li><li>Donaldson, K., Murphy, F. A., Duffin, R., Poland, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Asbestos,+carbon+nanotubes+and+the+pleural+mesothelium:+a+review+of+the+hypothesis+regarding+the+role+of+long+fibre+retention+in+the+parietal+pleura,+inflammation+and+mesothelioma.">Asbestos, carbon nanotubes and the pleural mesothelium: a review of the hypothesis regarding the role of long fibre retention in the parietal pleura, inflammation and mesothelioma.</a> Particle and Fibre Toxicology. 7 (1), 5 (2010).</li><li>Stefaniak, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+printing+with+nano-enabled+filaments+releases+polymer+particles+containing+carbon+nanotubes+into+air.">Three-dimensional printing with nano-enabled filaments releases polymer particles containing carbon nanotubes into air.</a> Indoor Air. 28 (6), 840-851 (2018).</li><li>Yi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+and+organic+vapor+emissions+from+children's+3-D+pen+and+3-D+printer+toys.">Particle and organic vapor emissions from children's 3-D pen and 3-D printer toys.</a> Inhalation Toxicology. , 1-14 (2019).</li><li>Salvi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Health+effects+of+ambient+air+pollution+in+children.">Health effects of ambient air pollution in children.</a> Paediatric Respiratory Reviews. 8 (4), 275-280 (2007).</li><li>Zhang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigating+particle+emissions+and+aerosol+dynamics+from+a+consumer+fused+deposition+modeling+3D+printer+with+a+lognormal+moment+aerosol+model.">Investigating particle emissions and aerosol dynamics from a consumer fused deposition modeling 3D printer with a lognormal moment aerosol model.</a> Aerosol Science and Technology. 52 (10), 1099-1111 (2018).</li><li>Byrley, P., George, B. J., Boyes, W. K., Rogers, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+emissions+from+fused+deposition+modeling+3D+printers:+Evaluation+and+meta-analysis.">Particle emissions from fused deposition modeling 3D printers: Evaluation and meta-analysis.</a> Science of The Total Environment. 655, 395-407 (2019).</li><li>Singh, A. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+emerging+concepts+in+nanotoxicology:+opportunities+and+challenges+for+safer+nanomaterial+design.">Review of emerging concepts in nanotoxicology: opportunities and challenges for safer nanomaterial design.</a> Toxicology Mechanisms and Methods. 29 (5), 378-387 (2019).</li><li>Denkhaus, E., Salnikow, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nickel+essentiality,+toxicity,+and+carcinogenicity.">Nickel essentiality, toxicity, and carcinogenicity.</a> Critical Reviews In Oncology/Hematology. 42 (1), 35-56 (2002).</li><li>Technical Data Sheet, Galaxy PLA. Formfutura Available from: <a target="_blank" href="https://bit.ly/31Bco0O">https://bit.ly/31Bco0O</a> (2020)</li><li>Stefaniak, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+and+vapor+emissions+from+vat+polymerization+desktop-scale+3-dimensional+printers.">Particle and vapor emissions from vat polymerization desktop-scale 3-dimensional printers.</a> Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 16 (8), 519-531 (2019).</li><li>Uhde, E., He, C., Wensing, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+ultra-fine+particle+emissions+from+a+laser+printer.">Characterization of ultra-fine particle emissions from a laser printer.</a> Proc. Int. Conf. Healthy Building. 2, 479-482 (2006).</li></ol>

Авторов нечего раскрывать.

Протокол показывает быстрый, недорогой и удобный метод анализа выбросов пера 3D-печати. Помимо сравнения НОАК и АБС, могут быть исследованы нити, содержащие значительное количество металлов и НСТ.
Критические шаги очистки камеры, чтобы избежать перекрестного загрязнения и обеспечить, чтобы фоновая концентрация низка. Мы использовали desiccator как доступный вариант камеры, но другие камеры могут быть использованы.
Концентрации частиц и распределение размера частиц измеряются онлайн во время и после процесса печати. В этом исследовании были зарегистрированы концентрации частиц, достигающих значений выше10 6 частиц/см 3, что может быть вызывающим озабоченность. В частности, при обнаружении частиц меньше 100 нм. Измерения аэрозолей позволили измерения концентрации частиц с КТК в диапазоне размеров от 4 нм до 3 мкм. Измерения SMPS позволяли измерять размер частиц только между 14,4 нм и 673,2 нм. Меньшие или большие частицы могут быть пропущены в этих измерениях.
Метод подтверждает присутствие частиц в 3D-выбросах пера с помощью автономного анализа TEM. В исследовании были обнаружены наночастицы различных термопластичных материалов, а также металлических частиц и НСТ.
Для анализа ТЕМ мы полагались на осаждение частиц с течением времени, поскольку другие методы отбора проб не работали, однако улучшение или изменение выборки могло бы оказаться полезным. Концентрация окружающего воздуха была очень низкой и незначительной по сравнению с концентрацией выбросов, однако использование фильтров для входов могло бы быть ценным. В будущем для сравнения результатов с выбросами 3D-принтеров будут использоваться другие объемы камер. В протоколе основное внимание уделяется высвобождению частиц, однако остаются открытыми вопросы, например, в отношении выбросов летучих органических соединений (ЛОС). Для 3D-принтеров уже было показано, что помимо частиц,ЛОС высвобождаются 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,33. Можно предположить, что 3D ручки могут вызывать аналогичные выбросы.
3D принтеры можно заработать, а затем распечатать без присутствия пользователя. Ручки для 3D-печати, однако, являются портативными устройствами и в основном управляются вручную. Таким образом, пользователь остается ближе к устройству в течение всего процесса печати, что приводит к потенциально более высокой экспозиции. Это следует особенно отметить, как 3D ручки часто рекламируются за то, что можно использовать детьми. В целом, выбросы частиц в результате 3D-процессов FFF сопоставимы с лазерными принтерами, с точки зрения концентрации количества частиц34. Соответственно, следует принять меры предосторожности для снижения уровня воздействия. Представляется разумным совет, что 3D ручки должны использоваться при низких температурах печати и только в хорошо проветриваемых средах. Нити с металлом или другими добавками следует использовать с осторожностью, так как выброс потенциально вредных металлических наночастиц или волокон, вероятно.
В будущем этот протокол может быть использован для сравнения большего количество нитей и различных ручек 3D-печати, чтобы лучше понять выбросы этих устройств и возможный риск для потребителей. Кроме того, этот протокол может быть использован для анализа других аэрозольных генерирующих случаев (например, спрей-продуктов).

3D-печать является перспективным методом аддитивного производства, который помимо его промышленного применения используется также в домах, школах и так называемых производственных помещениях. 3D принтеры теперь можно приобрести, начиная уже с 200 евро, что делает их привлекательными для потребителей. Эти принтеры могут быть использованы для производства запасных частей, предметов домашнего обихода, подарков или других предметов. Дети могут даже делать свои собственные игрушки с помощью 3D-принтеров. Из-за их легкой обработки и низкой цены, принтеры на основе сплавленной нити изготовления (FFF) являются наиболее распространенным типом всекторе хобби 1. В этом методе печати термопластичный материал, называемый нитью, расплавляется, проталкивается через сопло и наносится слоем за слоем с помощью подвижной печатной головки до тех пор, пока трехмерный объект не будет закончен. Модели цифрового компьютерного дизайна (CAD), необходимые для печати FFF, находятся в свободном доступе в Интернете или могут быть разработаны в различных программах рисования CAD.
Первоначальные исследования показали, что в процессе печати нити высвобождаютсясверхтонкие частицы 2,3,4,5,6,7,8 и летучие вещества9,10,11, 12,13,14,15,16,17,18. Ультратонкие частицы могут проникать глубже в дыхательную систему и может быть труднее очистить от тела19. В исследовании с сотрудниками регулярно используют 3D принтеры 59% сообщили респираторные симптомы20. Большинство принтеров любителей не герметично запечатаны и не имеют выхлопных газов извлечения устройств. Таким образом, выбросы высвобождаются непосредственно в окружающий воздух и могут представлять опасность для пользователя при вдыхании.
Предыдущие исследования были сосредоточены на выбросах наиболее часто используемых филаментов полилактида (PLA) и акрилонитриле бутадиен стирол (ABS). Некоторые исследования проанализировали различные нити, такие как нейлон и высокоэмпьютивный полистирол (HIPS)4,10,13. Кроме того, на рынок постоянно высовывляются новые нити, которые обеспечиваются такими добавками, как металл или древесина. Эти нити позволяют потребителю печатать предметы, которые выглядят и чувствуют себя как натуральное дерево или металл. Другие нити позволяют печатать проводящие материалы, содержащие графен или углеродные нанотрубки (НСТ)21. Металлические наночастицы22 и CNTs показывают цитотоксические эффекты и причинили повреждениеДНК 23. До сих пор было проведено лишь небольшое исследование нитей, содержащих добавки. Floyed et al.13 проанализировали НОАК, дополненную бронзой; Stabile et al.3 исследовали НОАК в сочетании с медью, деревом, бамбуком и нитью с углеродным волокном. Оба изучения измерили концентрацию частиц и распределение размера однако морфология и состав выпущенных частиц не были более далее исследованы. Особенно высокое соотношение аспектов наночастиц (HARN), таких как НСТ или асбестовых волокон, как известно, вызывают опасные последствия для здоровья24. В недавнем исследовании, проведенном Stefaniak et al.25, были проанализированы нити с КТТ и наблюдалось излучение спирируемых полимерных частиц, содержащих видимые АНТ.
3D ручки использовать тот же метод FFF, как 3D принтеры, но до сих пор только одно исследование изучения 3D ручки была опубликована26. Авторы использовали нити НОАК и АБС, но ни одна из них с добавками не была проанализирована. Благодаря их ручного использования, 3D ручки даже проще в использовании, чем 3D принтеры. Они более интуитивно понятны, имеют небольшой размер и не требуют использования моделей CAD. 3D ручки могут быть использованы для рисовать или создавать объекты, и, кроме того, для ремонта 3D печатных деталей и других пластиковых изделий. Цены начинаются от как низко как 30 евро, различные формы и цвета доступны для целевых нижних возрастных групп. Но особенно дети более уязвимы к выбросам частиц. Их механизмы защиты легких от твердых частиц и газиозного загрязнения не полностью развиты, и они дышат более высоким объемом воздуха на вес тела27.
Для лучшего понимания выпуска и рисков для здоровья 3D выбросов пера, мы исследовали различные нити, состоящие из стандартных материалов PLA и ABS в разных цветах. Кроме того, были исследованы нити с медью, алюминием, сталью и CNT добавками и нитью со светящимся в темноте эффектом. Для получения всестороннего понимания процесса печати 3D-печати пера и анализа выбросов твердых частиц было проведено онлайн-измерение аэрозолей концентраций и распределения количества частиц, путем исследования электронной микроскопии (TEM) для идентификации морфологии и материалов и путем индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии (ICP-MS) для количественной оценки металлов нитей.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D printing pen</td>
			<td>lovebay</td>
			<td></td>
			<td>bought on: www.amazon.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ABS black</td>
			<td>Filamentworld</td>
			<td>ABS175XBLK</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ABS blue</td>
			<td>Filamentworld</td>
			<td>ABS175XSB</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ABS glow in the dark</td>
			<td>Formfutura</td>
			<td>ABS175XGID</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alcian Blue</td>
			<td>Sigma Aldrich, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collodion</td>
			<td>Electron Microscopy Services GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CPC</td>
			<td>TSI Inc.</td>
			<td>Model 3775</td>
			<td>other particle tracking measurement devices can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide</td>
			<td>Merck KGaA</td>
			<td></td>
			<td>30%, suprapur</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imaging camera</td>
			<td>Olympus, Germany</td>
			<td>Veleta G2 camera</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iTEM software</td>
			<td>Olympus, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MilliQ water</td>
			<td>Merck KGaA</td>
			<td></td>
			<td>Milli-Q&#174; System</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitric acid</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>69%, In-house cleaned by distillation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA black</td>
			<td>Filamentworld</td>
			<td>PLA175XBLK</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA blue</td>
			<td>Filamentworld</td>
			<td>PLA175XSBL</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA clear</td>
			<td>Filamentworld</td>
			<td>PLA175XCLR</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA red</td>
			<td>Filamentworld</td>
			<td>PLA175XRED</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA white</td>
			<td>Filamentworld</td>
			<td>PLA175XWHT</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA wiht Aluminium</td>
			<td>Formfutura</td>
			<td>GPLA175XTSI</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA wiht CNTs</td>
			<td>3DXTech</td>
			<td>3DX175XPLAESD</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA with Copper</td>
			<td>Formfutura</td>
			<td>MFL175XCOP</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA with Steel</td>
			<td>Proto-Pasta</td>
			<td>PP175X500SST</td>
			<td>bought on: www.filamentworld.de</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SMPS</td>
			<td>TSI Inc.</td>
			<td>Model 3938</td>
			<td>other particle tracking measurement devices can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEM</td>
			<td>Jeol GmbH, Germany</td>
			<td>Jeol 1400 Plus</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEM grids alternative (plastic coated): Formvar-Film auf 400 mesh Cu-Netzchen</td>
			<td>Plano GmbH, Germany</td>
			<td>SF162-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEM grids: 400 mesh 3.5 mm copper grids</td>
			<td>Plano GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d printing - evaluating particle emissions of a 3d printing pen

Трехмерная (3D) печать как вид аддитивного производства свидетельствует о продолжающемся росте популярности приложений и потребителей. Сплавленное изготовление нити (FFF) недорогой метод используемый наиболее часто едоками. Исследования с помощью 3D-принтеров показали, что в процессе печати высвобождаются твердые частицы и летучие вещества. Ручные ручки для 3D-печати также используют метод FFF, но близость потребителя к 3D-ручкам дает основания для более высокой экспозиции по сравнению с 3D-принтером. В то же время, 3D-печати ручки часто на рынке для детей, которые могут быть более чувствительны к печати выбросов. Целью данного исследования было внедрение недорогого метода анализа выбросов ручек 3D-печати. Были протестированы полилактид (PLA) и акрилонитриле бутадиеновый стирол (ABS) различных цветов. Кроме того, были проанализированы нити, содержащие металлические и углеродные нанотрубки (НСТ). Для характеристики выбросов и концентраций вблизи дыхательной зоны пользователя использовалась камера объемом 18,5 л и выборка, близкая к источнику выбросов.
Были измерены выбросы частиц и распределение размеров частиц и исследован потенциальный выброс металлических частиц и НСТ. Концентрации частиц были обнаружены в диапазоне от 105 до 106 частиц/см3,что сопоставимо с предыдущими отчетами с 3D-принтеров. Анализ передачи электронной микроскопии (TEM) показал, что наночастицы различных термопластичных материалов, а также металлических частиц и НСТ. Высокое содержание металла наблюдалось с помощью индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии (ICP-MS).
Эти результаты требуют осторожного использования 3D-ручек из-за потенциального риска для потребителей.

Watch this Scientific Journal Video about 3D Printing - Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen at JoVE.com

3D Printing - Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen

Этот протокол представляет собой метод анализа выбросов ручек 3D-печати. Измеряется концентрация частиц и распределение размера частицы высвобождаемой частицы. Выпущенные частицы дополнительно анализируются с помощью электронной микроскопии передачи (TEM). Содержание металла в нитей количественно измеряется с помощью индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии (ICP-MS).

3D-печать - Оценка выбросов частиц 3D-печати пера

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament ...

3D принтеры и ручки могут выделять частицы и летучие вещества. Мы разработали метод анализа выбросов 3D-ручек. Наш метод прост, прост в реализации и рентабельн в настройке.Он может быть использован для характеристики выбросов частиц вблизи дыхательной зоны пользователя. Этот метод также может быть использован для анализа выбросов аэрозолей из других источников и устройств, таких как спрей продукты или процессы абляции. Перед началом эксперимента выберите ручку 3D-печати, способную генерировать температуру выше 200 градусов по Цельсию, и выберите нити диаметром 1,75 миллиметра, подходящие для 3D-ручки.Очистите внутреннюю часть desiccator, с впусткой на одной стороне для вставки 3D печати пера и розетки на вершине для вставки выборки трубки. Убедитесь, что вход воздуха при подключении к 3D-ручке установлен. Розетка трубки должна быть 10 сантиметров от кончика пера 3D-печати, чтобы имитировать расстояние между головой пользователя и источником выбросов.За 10 минут до начала измерения выбросов аэрозоля 3D-ручки включите приборы онлайн-измерения CPC и SNPs и предварительно загрузите 3D-ручку с набивки интереса. Когда ручка остынет, приложите фильтр HEPA к входу SMPS и запустите чистое измерение проверки с SMPS, чтобы гарантировать, что SMPS не загрязнен от предыдущих измерений. Подключите розетку камеры к входу CPC и используйте CPC для того чтобы проверить концентрацию внутри камеры для того чтобы обеспечить что камера чиста и что эксперименты бегут под такими же условиями.Для измерения выбросов аэрозоля 3D-ручки вставьте предварительно загруженную и охлаждаемую 3D ручку в камеру и убедитесь, что розетка труб камеры подключена к КПК. Запустите компьютер, подключенный к КПК, и откройте новый файл с именем, подходящим для измерений. Убедитесь, что поток КПК установлен на 0,3 литра в минуту и измерить фоновую концентрацию в течение 10 минут.В конце измерения включите 3D ручку и выберите соответствующую температуру для загруженной нити. Когда температура нити была достигнута, начать процесс печати и пусть 3D перо печати в течение 15 минут. В конце периода печати подключите розетку к SMPS и получите измерения распределения размеров каждые три минуты, в течение следующих 30 минут.Когда все измерения были приобретены, удалите печатную нить и очистите камеру. Для количественной оценки подготовки образца с помощью индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии, распечатайте нить интереса на пластиковой поверхности, чтобы избежать загрязнения металлом, и используйте керамический нож, чтобы разрезать нить на более мелкие кусочки. Взвесить около 150 миллиграммов как объемных, так и печатных нити и передачи нити частей в микроволновые сосуды.Добавьте 1,5 миллилитров воды, 3,5 миллилитров азотной кислоты и по миллилитр перекиси водорода в каждый образец. Поместите сосуды в микроволновую печь и нагревать образцы до 200 градусов по Цельсию, в течение 20 минут. В конце пищеварения разбавляйте все образцы нитей в ультрачистой воде, для которой известна или подозревается высокая концентрация металла, чтобы избежать загрязнения прибора.Затем используйте сканирование для определения того, какие металлы находятся в образцах, и количественной оценки содержания металла в конкретных металлах с использованием соответствующих стандартов калибровки. Как отмечается, при печати высвобождается большее количество черных частиц АБС по сравнению с печатью с черным PLA. Повышение температуры во время печати НОАК приводит к увеличению концентраций количества частиц, без существенного влияния на геометрический средний диаметр частиц.Печать с АБС приводит к высоким концентрациям количества частиц и более крупным частицам по сравнению с печатью с НОАК. Как и ожидалось, наблюдается четкая тенденция в различии в геометрическом среднем диаметре между частицами, испускаемыми при печати с помощью нитей АБС и НОАК. Передача электронной микроскопии изображения показывает размеры частиц, в основном около 50 нанометров, для НОАК и почти последовательно больших частиц до 100 нанометров, для ABS черный.Медные нити НОАК содержали медь, в основном в кристаллической форме, а также частицы НОАК. На этом изображении, выпущенный углеродный нанотрубок из нити нанотрубки углерода НОАК, возможно, наблюдается. Также можно наблюдать высвобождение мелких стальных частиц во время печати со стальной нитью НОАК и возможную агломерацию серебряных алюминиевых хлопьев при печати с соединением НОАК с невероятно высоким количеством серебряных алюминиевых хлопьев.Дальнейший анализ аэрозоля путем онлайнового соединения ICPMS, затмеваем индуктивно соединенной плазменной масс-спектрометрии, может облегчить уточнение испускаемых методов. Наш быстрый и рентабельный метод также может быть использован для определения выбросов частиц в других областях, которые могли бы извлечь выгоду из аэрозольных характеристик.

Research

JoVE Journal

Engineering

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Micro 3D-печати с использованием цифрового проектора и его применение при исследовании мягких механика материалов

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Высокое разрешение, высокая скорость, Трехмерная Видео Формирование изображений с цифровой Fringe методы проекции

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Печать Изготовление Bulk гетероперехода солнечных элементов и<em&gt; В Ситу</em&gt; Морфология характеристика

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Цифровая печать диоксида титана для ячейка гретцеля

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions ÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã‚Â A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

Проблемы в реологической Характеристике высококонцентрированных суспензий - тематическое исследование для трафаретной печати Silver Пасты

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

3D печать биомолекулярной модели для исследования и педагогики

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

Multi-material Ceramic-Based Components &#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

Multi-material Ceramic-Based Components ÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã…â€œ Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing CerAM - T3DP

Мульти материала на керамической основе компонентов – добавка, изготовление черно-белых циркония компонентов термопластичных 3D-печати (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Масштабируемые печати и изготовления Hemiwicking поверхностей

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Гибридная печать для изготовления интеллектуальных датчиков

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

Мультимодальная 3D печать фантомов для имитации биологических тканей

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...