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3D打印影響健康?關鍵看材料

時間:2021-03-16 14:38:07 來源:中國科學報

在第十六屆中國(無錫)國際設計博覽會現場,觀眾正在訂製3D打印巧克力。記者張楠攝

  不經意間,增材製造(3D打印)已走進我們的生活。商場、學校、家庭都能發現它的身影,也許你案頭的擺件、孩子手中的玩具就來自3D打印。

  在幾家電商平台上檢索3D打印,從上百萬的大型商用設備、數百元的3D打印筆,到幾十元的打印耗材,各類各款應有盡有。從平台的銷售記錄看,不少型號的3D打印機銷量不錯。

  但日前,國外一項研究表明,3D打印機的使用者和使用3D打印產品的消費者,可能面臨健康和安全風險,讓人不禁想問“3D打印還可靠嗎”?

  發現新問題

  日前,美國國家職業安全與健康研究所的研究人員在評估了ABS(丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物)材料3D打印過程後認為,打印過程釋放出的顆粒,對人類肺部會造成中度毒性傷害。

  一份題為《美國環境保護署最新3D打印排放研究》的報告,分析了實驗條件下3D打印拉絲擠出機(一種用來製造3D打印機機絲的設備)的排放情況,並預測稱使用3D打印機時,沉積在呼吸道特定位置的顆粒數量對人體會產生潛在危害。

  “迄今為止,大眾幾乎不會注意到自己暴露在3D打印機排放中。”該報告作者説,“應增強公眾對於3D打印機排放的認識,而且兒童對其排放的易感性可能更高。”

  在2020 年風險分析協會虛擬年會期間舉行的 3D 打印和新興材料風險評估研討會上,與會者報告的幾項研究表明,3D 打印通過熔化塑料細絲或其它基礎材料來工作,這些材料包括納米粒子、金屬、熱塑性材料等。當塑料或其它基礎材料被加熱熔化時,它們會在附近空氣中釋放揮發性化合物,影響室內空氣質量和公共健康。

  該會議建議,選擇更加環保的3D 打印材料尤為重要。隨着 3D 打印技術的日益普及,監管機構、製造商和用户需要將注意力集中在更好地管理 3D 打印帶來的潛在風險上。

  3D打印的本質

  “3D打印始於快速成型技術,其本質是一個材料加工成型的技術。在航空、航天、航海、兵器、醫療、汽車、工業等領域發展前景廣闊,被譽為‘第三次工業革命’的核心技術。”東華大學材料科學與工程學院複合材料系主任遊正偉告訴《中國科學報》,“增材製造在大規模工業化製造方面並無優勢,因此其主要應用領域是數量相對少的裝備、新型結構材料創新、個性化醫療和工業設計、創意產品環節。”

  科學家會根據3D打印材料性能,依據所需的應用領域進行鍼對性的開發。目前,根據成型原理和所適用的材料,3D打印主要可分為四類:一是適用於塑料的熔融擠出成型技術(FDM);二是適用於液態光敏樹脂的光固化3D打印技術(SLA、DLP等);三是適用於凝膠類材料的直接墨水書寫打印技術(DIW);四是適用於金屬粉末或聚合物粉末的選擇性激光熔化技術(SLM)和選擇性激光燒結(SLS)等。

  “對於3D打印是否存在污染或對人體、環境有害的因素,我認為要從3D打印加工過程和成型後使用過程兩個方面來分析。”遊正偉説。

  他解釋道,FDM主要用於塑料加工,也是受眾面最廣的3D打印方式,其本質就是塑料熔化後的三維成型,因此在加工過程中所帶來的污染或者微小顆粒釋放非常有限。對於光固化打印技術和DIW,其本質是利用紫外光、温度或者擠出剪切力等相對温和的外界因素改變材料流變性,最終獲得三維結構,其使用的也是樹脂或凝膠類材料,因此加工過程中基本不會產生對人體有害的因子,除非部分材料使用了一些有機溶劑,但這兩種技術基本都在實驗室中使用,通常有專用的通風保護設施。而SLM和SLS加工過程中大量使用粉末材料,因此粉塵、微粒帶來的健康風險較高,但現有的SLM和SLS打印機都採用相對密閉的設計,且加工車間或實驗室也有標準化的防範措施和要求。

  對此,中科院寧波材料技術與工程研究所增材製造技術團隊研究員許高傑也表達了類似看法。

  “3D打印有沒有污染或毒性,取決於所用的打印材料。”許高傑對《中國科學報》説,“目前所用的3D打印材料基本都是市場上已有的材料,特別是很多高分子材料,都是人們日常生活中常見和經常接觸到的材料,在污染或毒性方面是經過考查評價後允許使用的。”

  3D打印本“無罪”

  “總體來説,3D打印作為一種新型製造技術,受到全球青睞,其本身是沒有問題的。”許高傑説,“考慮到有些高分子材料(或化工產品)在加工時有一定的(污染或毒性)排放,如果要用作3D打印材料,必須充分考慮在成型加熱時可能出現的排放,進行材料篩選和研發。負責任的3D打印材料研發人員和生產單位,都會把材料使用帶來的安全問題放在首位。”

  遊正偉認為,相對於金屬、塑料進行削、切、磨等傳統機牀“減材製造”所形成的細微顆粒、廢料、廢氣,“3D打印技術反而安全性更高”。

  “部分3D打印產品在後續使用過程中,會由於磨損等因素產生塑料微粒或納米填料的問題。但這種‘原罪’不能歸於3D打印,而是材料本身的問題,即便不使用3D打印產品,生活中也有倒模、吹塑等各種複合材料加工製品。因此,沒有絕對‘無污染、無風險’的情況。在同等條件下,3D打印用料更少、更方便,保護措施更好、安全性更高。”遊正偉説。

  專家認為,某些高分子材料產品存在潛在危害是整個製造業面臨的共性問題。解決這一問題還要聚焦於新型材料的研發,用其替代現有塑料、樹脂等不可降解材料。

  “但有一個問題應引起重視。”遊正偉説,“對打印過程中出現的問題,工廠或實驗室都有相應的防護條件和措施,但3D打印逐漸進入家庭後,可能有防護不到位的情況。這一方面要求我們加強增材製造新材料的研發,研製出性能優越、環境友好的新材料,另一方面應該建立包括設計、材料、產品性能、認證檢測等在內的一整套增材製造安全標準體系。”(張雙虎)

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編輯: 劉坤媛
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