3D 打印機(jī)伴生風(fēng)險(xiǎn)及處理方法探究

彭鵬

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002）

一、燒傷

安全風(fēng)險(xiǎn)：大多數(shù)3D 打印機(jī)的工作溫度非常高，在廣泛使用的FDM 3D 打印機(jī)中，根據(jù)材料不同（PLAABSTPU 等)噴頭處溫度在210°C-250℃不等，如果使用PETG等特殊材質(zhì)進(jìn)行打印，噴頭溫度則會(huì)上探至310°C+，尼龍3D 打印機(jī)溫度相對(duì)稍低，處于210°C-240°C 區(qū)間。而金屬3D 打印機(jī)的溫度只會(huì)更高。

如圖所示，金屬3D 打印分預(yù)熱階段與加工階段，峰值溫度甚至可以達(dá)到7000°C，雖然大部分打印機(jī)都配有高溫檢測、過熱提醒、防誤觸等功能，但如果操作不當(dāng)，安全規(guī)范執(zhí)行不到位，依然會(huì)有很大燒傷，燙傷風(fēng)險(xiǎn)。此外，除了打印機(jī)的噴頭，激光器等熱源以外，熱床和打印件的溫度也值得警惕。

處理方法：

將3D 打印機(jī)放在孩童和無關(guān)人員不易接近的區(qū)域。在進(jìn)行打印操作及相關(guān)后處理操作時(shí)使用鑷子、鏟子，夾子或帶上隔熱手套。對(duì)FDM 3D 打印機(jī)噴頭處進(jìn)行隔熱處理，外敷包裹隔熱材料或采用水冷系統(tǒng)降溫。

二、夾傷或割傷

安全風(fēng)險(xiǎn)：3D 打印機(jī)作為傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備的延申與替代產(chǎn)品。雖機(jī)械成分已大幅減少，但仍存在大量的機(jī)械部件。根據(jù)成型方式的不同，打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括光桿、同步齒形帶、滾珠絲桿、鋪粉軸、噴頭、激光發(fā)射器的三維步進(jìn)系統(tǒng)等。在打印機(jī)工作時(shí)，打印機(jī)這些部件通過軟件代碼給出的X-Y-Z軸移動(dòng)方向何移動(dòng)距離、移動(dòng)速度的要求進(jìn)行移動(dòng)。這些部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)原則上都會(huì)造成設(shè)備操作人員、使用者的夾傷，撞傷等傷害?，F(xiàn)今大部分打印設(shè)備配備了人體監(jiān)測及防碰撞組件，但因傳感器性能時(shí)有不穩(wěn)定，且設(shè)備的閉環(huán)邏輯檢測系統(tǒng)往往復(fù)雜度高，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)測也不能涵蓋所有操作場景，故障率隨之增高。夾傷，撞傷事件仍有發(fā)生。雖然有些機(jī)器配置了閉環(huán)系統(tǒng)，能夠檢測碰撞并以適當(dāng)方式做出反應(yīng)。然而，大多數(shù)3D 打印機(jī)仍然使用開環(huán)系統(tǒng)來創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)方向，并且許多桌面3D 打印機(jī)使用開放式龍門結(jié)構(gòu)，因此在機(jī)器運(yùn)行時(shí)將手指伸入非常容易被夾傷。

另外，F(xiàn)DM 系統(tǒng)及poly-jet 系統(tǒng)的3D 打印機(jī)還需要使用刮刀將模型從熱床上鏟下來，刮刀為了提高效率，往往十分鋒利。這就伴隨著因用力過猛被刮刀割傷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，非柔性打印件及支撐在去除過程中也伴隨著大量刮傷，割傷的風(fēng)險(xiǎn)。

處理方法：

有財(cái)力的可以購買具有碰撞檢測模式的3D 打印機(jī)，以及優(yōu)質(zhì)可拆卸柔性熱床。戴上防劃傷手套或其他防護(hù)裝備。使用外殼或各種屏障進(jìn)行保護(hù)。確定打印機(jī)處于安全狀態(tài)時(shí)再進(jìn)行接觸。拆除支撐結(jié)構(gòu)時(shí)減緩動(dòng)作幅度，或使用水溶性材料以及盡量減少支撐結(jié)構(gòu)。

三、火災(zāi)

安全風(fēng)險(xiǎn)：3D 打印機(jī)引發(fā)的火災(zāi)也應(yīng)引起社會(huì)廣泛重視。雖然大部分3d 打印機(jī)工作溫度在300 度以下，不至于引發(fā)火災(zāi)發(fā)生。在如前文所述，金屬3D 打印機(jī)的瞬時(shí)溫度可達(dá)到攝氏7800 度，足夠達(dá)到引發(fā)火災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，可燃物或可燃?xì)怏w不當(dāng)接觸3d 打印機(jī)、特別是打印材料儲(chǔ)藏位置也是引發(fā)火災(zāi)的重要因素。另一種常見的火災(zāi)因素是打印機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器或軟件故障，使噴頭、激光器等熱源超時(shí)或超設(shè)定功率工作。

誠然現(xiàn)在在售的打印機(jī)很多都針對(duì)這一隱患作出了對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)，比如3dsystem 產(chǎn)品通過設(shè)置協(xié)處理芯片構(gòu)筑安全檢測系統(tǒng)，獨(dú)立與打印系統(tǒng)之外提供安全防護(hù)。通過熱度傳感器和位移傳感器、一旦檢測到打印超范圍，超功率及其他隱患則自動(dòng)停止打印或直接關(guān)機(jī)。這種保護(hù)措施也被稱為熱失控防護(hù)。

處理方法：

讓機(jī)器時(shí)刻處在監(jiān)控之下，安裝煙霧探測器并在附近放置滅火器。確保3D 打印機(jī)啟用了熱失控保護(hù)。將3D 打印機(jī)遠(yuǎn)離窗簾等易燃材料，盡量放在金屬表面上。如果沒有經(jīng)驗(yàn)，盡量避免使用自組裝3D 打印機(jī)套件。

四、細(xì)顆粒物

安全風(fēng)險(xiǎn)：細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒、PM2.5。細(xì)顆粒物指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 微米的顆粒物。它能較長時(shí)間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。雖然PM2.5 只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。

2013 年2 月，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)將PM2.5 的中文名稱命名為細(xì)顆粒物。細(xì)顆粒物的化學(xué)成分主要包括有機(jī)碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。在3D 打印領(lǐng)域，細(xì)顆粒物是指在操作過程中散發(fā)的極微小3D 打印材料粒子。例如FDM 打印機(jī)，他的工作原理是設(shè)備在通過把一段耗材加熱融化，從噴嘴處將材料擠出，然后按照軟件設(shè)置好的路徑畫出模型的形狀。這個(gè)過程中有一部分材料受熱會(huì)形成尺寸非常小的顆粒物并在熱島效應(yīng)的影響下被釋放到大氣中，他們會(huì)在空氣中滯留相當(dāng)長的時(shí)間，并被吸入并滯留在人的肺部。根據(jù)材料的不同，3D 打印產(chǎn)生的細(xì)顆粒物也不盡一致。同時(shí)，這個(gè)影響還與熱量相關(guān)，較高熱量往往會(huì)釋放更多的納米顆粒。此外，還有一些材料在給定的溫度下會(huì)比其他材料散發(fā)出更多的納米顆粒，例如ABS，其在250°C-270°C 范圍比PLA,PEEK 及其他大部分材料釋放的細(xì)顆粒物多出50%-100%。與大氣PM2.5 污染一樣，這些3D 打印產(chǎn)生的細(xì)顆粒物也會(huì)帶來多種危害，包括但不限于：

1.引發(fā)呼吸道阻塞或炎癥。研究現(xiàn)實(shí)，PM2.5 及以下的微粒，75%在肺泡內(nèi)沉積，我們可以想象，眼睛里進(jìn)了沙子，眼睛會(huì)發(fā)炎。呼吸系統(tǒng)的深處，也是一個(gè)敏感環(huán)境，細(xì)顆粒物作為異物長期停留在呼吸系統(tǒng)內(nèi)，同樣會(huì)讓呼吸系統(tǒng)發(fā)炎。2.致病微生物、化學(xué)污染物、油煙等“搭車”進(jìn)入體內(nèi)致癌。除了自己干壞事，PM2.5 還像一輛輛可以自由進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的小車，其它治病的物質(zhì)如細(xì)菌、病毒，“搭車”進(jìn)入呼吸系統(tǒng)深處，造成感染。流行病學(xué)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，城市大氣顆粒物中的多環(huán)芳烴與居民肺癌的發(fā)病率和死亡率相關(guān)。多環(huán)芳烴進(jìn)入人體的過程中，細(xì)顆粒物扮演了順風(fēng)車的角色，達(dá)其中的大多數(shù)多環(huán)芳烴吸附在顆粒物的表面，尤其是直徑在5毫米以下的顆粒物上，大顆粒物上的多環(huán)芳烴很少。

處理方法：

操作時(shí)避免站在打印機(jī)附近或上方。將噴嘴溫度設(shè)置在建議溫度范圍的下限，同時(shí)又不會(huì)降低打印質(zhì)量。使用3D 打印機(jī)制造商特別推薦的材料。購買安全的3D 打印設(shè)備和材料。

此外，美國國家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）建議：

在打印機(jī)附近放置裝有高效微?？諝猓℉EPA）過濾的局部排氣通風(fēng)系統(tǒng)。使用通風(fēng)的機(jī)殼，或者密閉空間。將打印機(jī)放在通風(fēng)櫥，或排到外面的通風(fēng)孔。制定一套標(biāo)準(zhǔn)操作程序以減少暴露的可能性。禁止在打印車間附近飲食。使用個(gè)人防護(hù)設(shè)備，例如防熱手套或耐化學(xué)手套，安全眼鏡或面罩，實(shí)驗(yàn)室工作服或工作服等。適當(dāng)時(shí)考慮使用呼吸防護(hù)設(shè)備。

五、材料毒性

安全風(fēng)險(xiǎn)：3D 打印機(jī)多采用光敏樹脂作為成型材料或者支撐材料（SLA 陶瓷3D打印機(jī)），在初始狀態(tài)和加工過程以至成型后都有一定的毒性產(chǎn)生。樹脂的相對(duì)分子質(zhì)量越小，極性毒性越大。即低相對(duì)分子質(zhì)量的樹脂比高相對(duì)分子質(zhì)量的毒性大。在生產(chǎn)環(huán)境中對(duì)與人體的影響主要是吸入，接觸及誤食。癥狀有丘疹，紅斑、流淚、食欲不振、嘔吐等等。如果長期接觸人的中樞神經(jīng)和免疫系統(tǒng)也會(huì)受到影響。

處理方法：

在保存打印樹脂時(shí)注意密閉，防止揮發(fā)，已開封的樹脂材料一次如用不完可以使用透明膠帶或保鮮膜對(duì)瓶口加以密封。在使用樹脂打印機(jī)以及后處理過程時(shí)，注意帶上安全手套，有條件的需配備全封閉護(hù)目鏡以及符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的過濾口罩。

六、激光

安全風(fēng)險(xiǎn)：很大部分3D 打印機(jī)使用激光作為成型光源，對(duì)成型材料進(jìn)行光固化或者燒結(jié)。打印過程中如不慎直視光源或者經(jīng)過振鏡折射的光源或被其照射，如果超出一類激光的安全界限，容易引發(fā)安全事故。容易造成灼傷，失明或其他眼部損傷。

處理方法：

有激光器的打印機(jī)應(yīng)在明顯處張貼相應(yīng)的安全警示標(biāo)貼。操作人員應(yīng)當(dāng)佩戴相應(yīng)波長和OD 值的防護(hù)眼鏡。激光打印機(jī)工作場所應(yīng)使用防輻射窗簾及激光防護(hù)窗戶。

以上是6 點(diǎn)常規(guī)的3D 打印過程中風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域，伴隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，3D 打印途徑和設(shè)備的不斷迭代，相信新的安全隱患會(huì)不斷產(chǎn)生。所以安全生產(chǎn)是一個(gè)長期過程，不能因?yàn)楝F(xiàn)階段工作做的比較扎實(shí)而放松警惕，必須做到與時(shí)俱進(jìn)，不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，了解新功能，制定新的安全方案并加以落實(shí)。畢竟，安全就是一切，一切為了安全。