ایمنی در چاپ سه بعدی

آیا چاپ سه بعدی ایمن است؟ تحلیل تیمار حرارتی ترموپلاستیک ها: ABS، PLA، PET و نایلون

با توسعه سریع چاپگرهای سه بعدی دسکتاپ ارزان قیمت، این دستگاه ها بعنوان لوازم خانگی در دسترس عموم قرار گرفته اند. با این حال، آیا ایمن هستند؟ کاربران ممکن است اثرات آلاینده ها (ترکیبات آلی و ذرات فوق ریز) ایجاد شده توسط دستگاه های مورد نظر را ناچیز بدانند. در اینجا، نویسندگان در تلاش هستند تا تجزیه حرارتی فیلامنت های ترموپلاستیک موجود در بازار من جمله اکریلونیتریل- بوتادین استایرن (ABS)، نایلون، پلی لاکتیک اسید (PLA) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) را مورد بررسی قرار دهند. تحلیل ترموگراویمتری الگوهای حرارتی دقیقی از رفتار آنها همراه با افزایش دما در جوّ بی اثر نشان داده است؛ در حالی که تحلیل GC بخارهای آلی منتشر شده در طی فرایند گرمایش ترموپلاستیک ها را برای دستیابی به داده مهم از سمیّت فرایند چاپ سه بعدی نشان می دهد. همچنین این مطالعه نشان داده است که ABS بطور قابل توجهی سمّی تر از PLA است. انتشار ترکیبات آلی فرّار (VOC) به میزان 0.50 میکرومول/ ساعت بوده است. استایرن بیش از 30 درصد از کل VOC ساطع شده از ABS را به خود اختصاص داده است؛ در حالی که برای PLA، متیل متاکریلات بعنوان ترکیب غالب تشخیص داده شده است. علاوه براین، نویسندگان روش های موجود یا قابل استفاده را ارائه دادند که می تواند آلاینده های ایجاد شده را از بین ببرد و از کاربران چاپگرهای سه بعدی محافظت کند. این مقاله دانش نظری در رابطه با تخریب حرارتی پلیمرهای مورد استفاده در چاپگرهای سه بعدی را بیان می کند و همچنین راه حل های آینده نگرانه را ارائه می دهد که ممکن است ایمنی استفاده از چاپگرهای سه بعدی را افزایش دهد.

چاپ سه بعدی (3D) به ویژه به دلیل این واقعیت که نمونۀ اولیه سریع و فناوری ساخت در مقیاس کوچک است، محبوبیت بالایی پیدا کرده است. چاپگرها کاربردهای متعددی در زمینه های مختلف صنعتی من جمله الکترونیک، پزشکی، محصولات مصرفی، هوا فضا، صنعت خودرو، سرگرمی و آموزش دارند. فناوری مورد بحث تولید اجسام پیچیده تر را در طرح های سه گانه سریع تر و آسان تر می کند. به زودی این فناوری مقرون به صرفه خواهد بود؛ بطوری که هر خانه ای به آن مجهز خواهد شد. با این وجود، آیا این چاپگرهای سه بعدی ایمن هستند؟ این چاپگرها که در خانه ها و ادارات استفاده می شوند ممکن است نگرانی هایی را در مورد اثرات احتمالی بر روی سلامت افراد بویژه به دلیل انتشار سموم ایجاد کنند. مدل سازی رسوب تلفیقی (FDM) رایج ترین روش چاپ سه بعدی است که عمدتآ به دلیل کاربرد آسان مقرون به صرفه است. در دستگاه های FDM، یک سیم از مواد ترموپلاستیک در سر نازل اکستروژن در دماهای مختلف براساس مواد مورد استفاده گرم می شود. اکثر چاپگرهای سه بعدی FDM از اکریلونیتریل- بوتادین- استایرن (ABS)، اسید پلی لاکتیک (PLA)، نایلون، پلی کربنات (PC)، اکریلونیتریل- استایرن- اکریلات (ASA)، پلی استایرن با ضربه بالا (HIPS)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، متیل مت اکریلات- اکریلونیتریل- بوتادین- استایرن (MABS) یا کوپلی استر ترموپلاستیک (TPC) بعنوان مواد فیلر استفاده می کنند. ABS یک پلیمر مهندسی مقرون به صرفه است که ماشین کاری و ساخت آن آسان است؛ از خواصی همچون مقاومت خوب در برابر ضربه، مقاومت در برابر آسیب های شیمیایی، قابلیت ماشین کاری عالی، ظاهر عالی، استحکام و سفتی خوب برخوردار است. PLA یک پلی استر مصنوعی و آلیفاتیک (یعنی یک ترموپلاستیک قابل کمپوست و تجزیه پذیر) است که از منابع تجدید پذیر تهیه شده است؛ از لحاظ حرارتی ناپایدار است و کاهش سریع وزن مولکولی را در حین فرایند حرارتی نشان می دهد. علاوه براین، در مقایسه با سایر پلاستیک ها شکننده تر است.

نایلون یک ماده چاپ سه بعدی بسیار قوی، بادوام و همه کاره با ضریب اصطکاک پایین و دمای ذوب بالا است. PET کاربرد گسترده ای در فرایند تولید بطری های پلاستیکی دارد؛ در حالت اولیه، الیاف PET بی رنگ و شفاف است که با گرم و سرد شدن شفافیت خود را از دست می دهد و نسبتآ سخت است. اثبات شده است که هم ترکیبات آلی فرّار (VOC) و هم ذرات بسیار ریز در طی فرایند حرارتی بسیاری از مواد ترموپلاستیک ساطع می شوند. روتکوفسکی و لوین معتقد بودند که کربن مونوکسید و سیانید هیدروژن فرآورده های اصلی تجزیه اکسیداتیو ABS محسوب می شوند که از اهمیت سمّ شناسی بالایی برخوردار هستند. با این حال، دمای عملکرد چاپگرهای سه بعدی بطور قابل توجهی کمتر از دمای پیرولیز است که در آن CO و HCN تشکیل می شوند. ازطرفی، میتوان گفت که غلطت فرآورده های گازی بسته به نوع ماده، نوع کاتریج و سازنده متفاوت است. استایرنِ بیش از 50 درصد از کل VOC های ساطع شده از ABS است؛ در حالی که متیل متاکریلات آلایندۀ اصلی ساطع شده از PLA است. کیم و همکارانش به این نتیجه رسیدند که VOC ها در صورت استفاده از ABS ساطع می شوند اما درمورد PLA اینطور نیست. بطور کلی، ABS بعنوان بالاترین ساطع کننده و PLA بعنوان کمترین طبقه بندی شده اند. باتوجه به پژوهش های صورت گرفته، تجزیه حرارتی ترموپلاستیک ها ممکن است براساس نوع کاربردشان منجر به تشکیل ترکیبات متعددی من جمله استایرن، هگزانال، استوفنون، اتیل بنزن، بنزن- متانول، پینن، اکتانال، تولوئن، نونال، پنتانول، بوتانول، پروپیلن گلیکول و استیک اسید شود. هدف از این مقاله تحلیل حرارتی الیاف پلیمری مورد استفاده در چاپگرهای سه بعدی و همچنین بررسی انتشار VOC از عملکرد فیلامنت های ترموپلاستیک موجود در بازار همچون PET، PLA، ABS و نایلون است. محققان با کمک تحلیل ترموگراویمتری در دماهای بالاتر و تخریب حرارتی مواد (چاپگر سه بعدی ex-vivo) همراه با تحلیل کروماتوگرافی گاز خطرات احتمالی در استفاده از این مواد را در فرایند چاپ شناسایی کرده اند. در نهایت، نویسندگان روش های موجود یا قابل استفاده را ارائه می دهند که می توانند آلاینده های تشکیل شده را از بین برده و از کاربران چاپگرهای 3D محافظت کند.

این مطالعه بر روی فیلامنت های موجود برای چاپگرهای 3D متمرکز شده است؛ اکریلونیتریل- بوتادین- استایرن (ABS): مواد آبی، اسید پلی لاکتیک (PLA): مواد آبی، پلی اتیلن ترفتالات (PET): مواد سیاه و نایلون: مواد سفید رنگ نیمه شفاف. اثبات شده است که تحلیل ترموگراویمتری (TGA) تکنیکی مناسب برای بررسی پایداری حرارتی مواد پلیمری است. شکل زیر نتایج حاصل از منحنی های TGA و DTG را در جوّ بی اثر برای سیم ABS نشان می دهد.

شکل 1:

نتایج بدست آمده بیانگر کاهش 100 درصدی وزن ABS در دمای 500 درجه سلسیوس هستند؛ که نشان دهندۀ پایداری حرارتی پایین در محدوده دمایی مورد مطالعه در اتمسفر  N2است. کل تخریب حرارتی ABS در محدوده دمایی 380-430 درجه سلسیوس (تجزیه یک مرحله ای با پیک DTG در دمای 409 درجه سلسیوس) رخ می دهد. در هر صورت، در دمای پایین (100-380 درجه سلسیوس) از دست دادن جرم نیز اتفاق می افتد؛ به این معنا که ABS در حین گرمایش و همچنین در دمای معمولی در چاپگرهای 3D مبتنی بر ABS، بخارهایی منتشر می کند. علاوه براین، باتوجه به شکل بالا میتوان گفت که ثبت منحنی TGA در اتمسفر هوا (خط نقطه آبی) انجام شده است. کل تجزیه حرارتی PLA در جوّ نیتروژن در دمای پایین تر (300-400 درجه سلسیوس) در مقایسه با ABS، رخ می دهد. در این مقاله کاهش وزن ایزوترمال PLA در دمای 200 درجه سلسیوس مورد بررسی قرار گرفته است. دمای تعیین شده همان دمای معمولی برای چاپ معمولی مبتنی بر PLA است. در شکل زیر نمودارهای درصد وزن باقیمانده در مقایسه با زمان تیمار حرارتی ارائه شده است.

شکل 2:

حرارت بیش از 13 ساعت منجر به کاهش 60 درصدی وزن شده و این منحنی در تلاش است که به فلات برسد. این واقعیت نشان دهندۀ ضرورت تخریب حرارتی در پلیمرها است که معمولآ در چاپگرهای 3D استفاده می شود.

در این مطالعه به بررسی تخریب حرارتی فیلامنت های ترموپلاستیک مورد استفاده در چاپگرهای  3Dمی پردازیم. در فرایند چاپ 3D، فیلامنت در دمای پایین ذوب می شود. متأسفانه، این درجه حرارت برای تجزیه نسبی پلیمرها با انتشار ترکیبات VOC به اندازه کافی بالا است. در این مطالعه، نویسندگان نشان دادند که مواد مورد استفاده در چاپگرهای 3D همچون PLA، ABS و نایلون می توانند منبع ترکیبات بالقوه خطرناک VOC همچون استایرن، بوتانول، سیکلوهکس- آنون، اتیل بنزن باشند. بویژه اینکه گرم کردن ABS در دمای معمولی برای چاپ 3D منجر به انتشار VOC می شود؛ این امر یک نقطه ضعف برای در این مواد چاپ معمولی محسوب می شود. لازم به ذکر است که غلظت بخارهای تشکیل شده به شدت زیاد نیست و چاپ در یک اتاق با تهویه مناسب و بزرگ خطری برای کاربر ندارد. با این حال، استفاده زیاد از چاپگر 3D در اتاق با سیستم تهویه ضعیف ممکن منجر به افزایش قابل ملاحظه ای غلظت VOC در هوا شود. باتوجه به این واقعیت گفته شده، توسعه نوع جدیدی از فیلترها و دیگر ابزار محافظتی مختص به چاپگرهای  3Dبسیار ضروری است؛ برای مثال در نظر گرفتن غلظت VOC نسبت به حجم اتاق، در نظر گرفتن سرعت چاپ، دمای اکسترودر و بستر، تأثیر خواص متفاوت پلیمرهای بکار رفته در فرایند چاپ و چاپگر 3D. نتایج حاصل از این مطالعه به غلظت های مختلف VOC در سالن با تهویه مناسب در مقایسه با اتاق کوچک محدود شده است. انتشار VOC به میزان چاپ و همچنین دمای اکسترودر و بستر بستگی دارد. در اینجا، ما دمای توصیه شده توسط سازندۀ فیلامنت را اعمال کردیم اما میتوان در دمای نسبتآ بالاتر هم چاپ کرد. بنابراین میتوان انتظار داشت که غلظت VOC ممکن است با افزایش میزان چاپ تغییر کند و تفاوت های کمتری از انتشار VOC بین انواع مختلف فیلامنت ساخته شده از یک پلیمر را میتوان مشاهده کرد. با این حال، باتوجه به مقیاس های دو فیلامنت ABS از تولید کنندگان مختلف، هیچ گونه تفاوت کیفی مشاهده نکردیم؛ در حالی که تفاوت های کمّی زیر 3 بود. بطور خلاصه باید گفت که بایستی اثرات تمام جنبه های ذکر شده بر میزان ایمنی استفاده از چاپگرهای 3D را در نظر گرفت.