FDM 3D打印有害氣體的處理裝置研究

房軍國(guó)，覃運(yùn)迎，陸銳立，黃健俊，肖嘉俊，安芬菊

（廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

3D打印是通過(guò)軟件、數(shù)控系統(tǒng)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方法來(lái)制造出實(shí)體物品的技術(shù)[1]。目前有關(guān)3D打印技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，但對(duì)于3D打印過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體對(duì)于人們的健康和環(huán)境污染的影響的相關(guān)研究較少。

FDM熔融沉積3D打印機(jī)的ABS打印材料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚而成的[2]，在高溫受熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒性的氣體，該物質(zhì)中主要含有對(duì)人體有害的苯乙烯和毒性較強(qiáng)的丙烯腈，如果操作者長(zhǎng)期接觸會(huì)導(dǎo)致慢性中毒。目前，通常采用的防治措施主要是通風(fēng)或采用簡(jiǎn)單活性炭吸附的方法。簡(jiǎn)單活性炭吸附的方法雖然可以吸附部分有毒有害物質(zhì)，但由于沒(méi)有檢測(cè)，對(duì)多長(zhǎng)時(shí)間該更換活性炭具有盲目性，所以仍有大量的有毒有害物質(zhì)散發(fā)并彌漫在打印環(huán)境中，對(duì)操作者的健康和環(huán)境造成危害。目前市面上未見(jiàn)能夠?qū)DM 3D打印機(jī)產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)清除或是減少有害氣體的裝置，因此進(jìn)行對(duì)FDM 3D打印ABS產(chǎn)生有害氣體的處理裝置的研究非常必要。

1 FDM 3D打印有害氣體處理裝置的組成

該處理裝置由主體裝置、配套氣體處理裝置組成（圖1為主體裝置爆炸圖，圖2為加裝了配套氣體處理裝置的爆炸圖），配套氣體處理裝置是多個(gè)主體裝置共用一個(gè)，下面介紹各部分的具體設(shè)計(jì)。

圖1 主體裝置爆炸圖

圖2 加裝了配套氣體處理裝置的爆炸圖

圖3 箱體組件爆炸圖

1.1 主體裝置

主體裝置由箱體組件、氣體處理組件、控制組件組成。

1.1.1 箱體組件

箱體組件部分如圖3所示，主要包括零件箱體前蓋1、箱體前板4、箱體后板9、箱體右板8、箱體左板11、箱體頂蓋7、箱體底座10。箱體前板4通過(guò)磁吸密封條2和3與前蓋1進(jìn)行箱體貼合密封，通過(guò)前蓋1的開(kāi)合便可以實(shí)現(xiàn)打印完成零件的取出和箱體的密封；箱體頂蓋7通過(guò)磁吸密封條5和6與箱體貼合連接，通過(guò)箱體頂蓋7的開(kāi)合便可實(shí)現(xiàn)打印機(jī)的更換和維修、打印耗材的更換、打印機(jī)的啟動(dòng)、過(guò)濾器12的更換等。裝置內(nèi)物件的零部件更換主要通過(guò)箱體頂蓋7的開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)不用更換部件正常工作時(shí)，磁吸密封條緊緊吸住從而保證打印過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體不泄漏出去。

1.1.2 氣體處理組件

氣體處理結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括氣體隔板13、密封條14、過(guò)濾器12、氣體循環(huán)處理管15。氣體隔板13與密封條14連接將主箱體內(nèi)部隔離成兩部分即形成左右兩個(gè)空腔（如圖4），氣體隔板13的左邊部分即左腔用于放置打印機(jī)和封存高濃度有害氣體，右腔用于暫時(shí)存放處理后濃度較低的有毒氣體；左腔與右腔通過(guò)氣體循環(huán)處理管15進(jìn)行連接，過(guò)濾器12通過(guò)吸力從左腔吸取高濃度的有毒氣體并將過(guò)濾后的低濃度有害其體排到右腔。過(guò)濾器12通過(guò)氣體循環(huán)處理管15在左腔與右腔中形成強(qiáng)制對(duì)流，使得氣體中的有害顆粒不斷吸附在過(guò)濾器12上，從而達(dá)到氣體處理的效果。

1.1.3 控制組件

控制組件如圖4所示，包括報(bào)警、電路控制裝置16、氣體檢測(cè)頭17。為了避免過(guò)濾器12產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流對(duì)打印造成影響，該FDM 3D打印有害氣體及煙塵處理裝置選擇打印結(jié)束后再對(duì)有害氣體進(jìn)行處理的方法。當(dāng)打印結(jié)束后打印機(jī)發(fā)出聲音信號(hào)提醒后，報(bào)警、電路控制裝置16啟動(dòng)氣體檢測(cè)頭17，通過(guò)氣體檢測(cè)頭17不斷檢測(cè)有害氣體的濃度。

該主體裝置的控制工作模式有如下幾種。

1）氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)到的濃度值一開(kāi)始低于預(yù)設(shè)值。

氣體檢測(cè)頭17發(fā)送電信號(hào)給報(bào)警、電路控制裝置16，報(bào)警、電路控制裝置16打開(kāi)警報(bào)并亮綠燈提醒打印者氣體已經(jīng)處理完畢。

2）氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)到的濃度值高于預(yù)設(shè)值，過(guò)濾器12啟動(dòng)一段時(shí)間后氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)的濃度值低于預(yù)設(shè)值。

氣體檢測(cè)頭17發(fā)送電信號(hào)給報(bào)警、電路控制裝置16，報(bào)警、電路控制裝置16啟動(dòng)過(guò)濾器12，待氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)的濃度值低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警、電路控制裝置16打開(kāi)警報(bào)并亮綠燈，提醒打印者氣體已經(jīng)處理完畢。

3）氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)到的濃度值高于預(yù)設(shè)值，過(guò)濾器12啟動(dòng)后氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)的濃度值很長(zhǎng)一段時(shí)間保持不變并一直無(wú)法低于預(yù)設(shè)值。

氣體檢測(cè)頭17發(fā)送電信號(hào)給報(bào)警、電路控制裝置16，報(bào)警、電路控制裝置16啟動(dòng)過(guò)濾器12，當(dāng)氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)的濃度值很長(zhǎng)一段時(shí)間保持不變并一直無(wú)法低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警、電路控制裝置16打開(kāi)警報(bào)并亮紅燈提醒打印者過(guò)濾器12的濾網(wǎng)已經(jīng)飽和，無(wú)法繼續(xù)處理氣體，需在氣體循環(huán)處理管15那里接上該裝置的配套氣體處理裝置，進(jìn)行剩下的氣體處理。接上配套氣體處理裝置后，氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)的濃度值很長(zhǎng)一段時(shí)間保持不變并一直無(wú)法低于預(yù)設(shè)值時(shí)，更換配套氣體處理裝置的濾網(wǎng)；氣體檢測(cè)頭17檢測(cè)的濃度值低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警、電路控制裝置16打開(kāi)警報(bào)并亮綠燈，提醒打印者氣體已經(jīng)處理完畢并及時(shí)更換主設(shè)備過(guò)濾器12中的濾網(wǎng)。

1.2 配套氣體處理裝置

配套氣體處理裝置如圖5所示，主要包括過(guò)濾器18、氣體循環(huán)處理管道接口19和20。配套氣體處理裝置是多個(gè)設(shè)備共用一臺(tái)。當(dāng)主體裝置過(guò)濾器12中的濾網(wǎng)飽和時(shí)，將配套氣體處理裝置直接與氣體循環(huán)處理管15直接互換

便可以繼續(xù)過(guò)濾箱體內(nèi)未處理完的有毒氣體，避免了開(kāi)蓋換過(guò)濾器12 的濾網(wǎng)時(shí)大量有毒氣體溢出對(duì)打印人員造成的危害。

2 有害氣體的檢測(cè)

2.1 檢測(cè)原理

如圖6所示，當(dāng)FDM 3D打印機(jī)打印ABS材料過(guò)程產(chǎn)生有害有毒氣體時(shí)，檢測(cè)、報(bào)警電路控制器通過(guò)向氣體探測(cè)器供電從而使探測(cè)器單元將采集到的氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[3]，并以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的形式發(fā)送給控制器單元，控制器單元接收探測(cè)器單元傳上來(lái)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理、邏輯分析，以數(shù)字顯示、聲光報(bào)警的方式反映出來(lái)，并驅(qū)動(dòng)過(guò)濾器，使得過(guò)濾器上的活性炭吸附有毒有害氣體。

圖6 有害氣體檢測(cè)原理框圖

2.2 檢測(cè)流程

1）檢測(cè)、報(bào)警電路控制器與氣體探測(cè)器接線。

圖7所示為檢測(cè)、報(bào)警電路控制器與氣體探測(cè)器的接線原理圖。氣體探測(cè)器與檢測(cè)、報(bào)警電路控制器要正確連接，即用三芯線將檢測(cè)、報(bào)警電路控制器與氣體探測(cè)器上相同字樣的端子“24 V”、“S”、”GND”一一對(duì)應(yīng)連接起來(lái)。檢查電源線及各接線端子連接準(zhǔn)確無(wú)誤之后開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)[4]。當(dāng)圖8所示的檢測(cè)、報(bào)警電路控制器面板上的電源指示燈2亮起，然后LED數(shù)顯屏1上開(kāi)始60 s倒計(jì)時(shí)，待倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，檢測(cè)、報(bào)警電路控制器進(jìn)入正常檢測(cè)狀態(tài)。

圖7 檢測(cè)、報(bào)警電路控制器與氣體探測(cè)器的接線原理圖

2）檢測(cè)、報(bào)警電路控制器與氣體探測(cè)器的調(diào)試。

開(kāi)啟電源后，檢測(cè)、報(bào)警電路控制器面板（如圖8）的電源指示燈2亮起，然后LED數(shù)顯屏1上開(kāi)始60 s倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。然后在檢測(cè)、報(bào)警電路控制器面板上調(diào)好報(bào)警模式并設(shè)定好預(yù)想的低報(bào)值和高報(bào)值，設(shè)定好所有的數(shù)據(jù)后返回主機(jī)面板的開(kāi)機(jī)頁(yè)面，然后按上鍵/自檢11及確認(rèn)鍵10進(jìn)入自檢狀態(tài)，LED數(shù)顯屏1顯示低報(bào)設(shè)定值，低報(bào)指示燈4亮起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；LED數(shù)顯屏1顯示高報(bào)設(shè)定值，高報(bào)指示燈5亮起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。隨后，故障指示燈3亮起，且蜂鳴器發(fā)出鳴叫。自檢完畢，返回正常檢測(cè)狀態(tài)。在調(diào)試過(guò)程中如果要消除報(bào)警聲音，則單擊下鍵/消音12。

圖8 檢測(cè)、報(bào)警電路控制器面板圖

3）檢測(cè)、報(bào)警電路控制器與氣體探測(cè)器的測(cè)試。

在FDM3D打印機(jī)開(kāi)始打印ABS材料時(shí)，開(kāi)啟檢測(cè)、報(bào)警電路控制器的電源，等氣體濃度達(dá)到低報(bào)值，低報(bào)指示燈4亮起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)時(shí)，輸出一指示燈6亮起，驅(qū)動(dòng)過(guò)濾器12進(jìn)行過(guò)濾，使過(guò)濾器中的活性炭吸附打印ABS材料過(guò)程中產(chǎn)生的有害有毒氣體，凈化后的氣體則通過(guò)氣體循環(huán)處理管進(jìn)行循環(huán)。若有毒有害氣體濃度達(dá)到高報(bào)值，高報(bào)指示燈亮5起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)時(shí)，則是提醒濃度過(guò)高，需要更換過(guò)濾器中的活性炭。此時(shí)可以按輸出一手控7來(lái)停止外接設(shè)備過(guò)濾器12運(yùn)行。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)所用裝置為設(shè)計(jì)自制的FDM 3D打印有害氣體處理裝置，其外觀如圖9所示，其內(nèi)部放置桌面型3D打印機(jī)后的內(nèi)部配置圖如圖10所示。試驗(yàn)的目的是測(cè)試本氣體處理裝置的主裝置對(duì)苯乙烯氣體的處理能力，驗(yàn)證該設(shè)備是否具有可行性。

圖9 主裝置外觀圖

圖10 主裝置內(nèi)部配置圖

本次實(shí)驗(yàn)打印的實(shí)驗(yàn)樣品為使用FDM熔融沉積3D打印機(jī)打印一個(gè)材料為ABS、質(zhì)量為10 g的立方體，每次打印將耗時(shí)40 min。

打印前測(cè)得未蓋上蓋暴露在空氣中的主裝置內(nèi)部苯乙烯平均初始濃度為26 mg/L。實(shí)驗(yàn)探頭在通風(fēng)透氣的環(huán)境中，測(cè)得顯示數(shù)據(jù)為3 mg/L。箱體內(nèi)壁材料會(huì)吸附少量的苯乙烯，所以應(yīng)該定時(shí)用酒精等有機(jī)溶劑清洗箱體內(nèi)壁。

1）驗(yàn)證過(guò)濾裝置的氣密性。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)在未開(kāi)啟過(guò)濾功能的情況下檢測(cè)高濃度的苯乙烯在過(guò)濾裝置內(nèi)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低的速率，驗(yàn)證該過(guò)濾裝置對(duì)苯乙烯氣體是否具備氣密性。

蓋上過(guò)濾裝置的蓋子，在沒(méi)有開(kāi)啟過(guò)濾裝置的情況下進(jìn)行打印，完成打印后。在不打開(kāi)箱體的情況下，在室溫25 ℃開(kāi)有風(fēng)扇空調(diào)的室內(nèi)靜置30 min，并每隔5 min觀察記錄苯乙烯濃度的變化情況，如表1所示。

表1 未開(kāi)啟過(guò)濾裝置時(shí)苯乙烯濃度隨時(shí)間變化表

由表1可知，在沒(méi)有開(kāi)啟過(guò)濾裝置的情況下靜置30 min過(guò)程中，由于冷卻的原因，苯乙烯濃度會(huì)快速下降到79 mg/L左右并保持苯乙烯濃度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不改變，所以該過(guò)濾裝置能夠有效地阻隔苯乙烯氣體的擴(kuò)散。在去除過(guò)濾裝置的影響時(shí)，由過(guò)濾裝置泄漏引起的苯乙烯濃度變化極小，該過(guò)濾裝置的氣密性良好。

2）驗(yàn)證過(guò)濾裝置對(duì)苯乙烯氣體處理能力。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比打印機(jī)工作時(shí)是否開(kāi)啟過(guò)濾功能的兩種情況中苯乙烯濃度的變化，驗(yàn)證過(guò)濾裝置對(duì)苯乙烯氣體的處理能力。

打開(kāi)過(guò)濾裝置的蓋子，待過(guò)濾裝置內(nèi)部的苯乙烯濃度降回到26 mg/L左右的時(shí)候。蓋上過(guò)濾裝置蓋子，重新進(jìn)行打印，每隔5 min記錄主裝置顯示的苯乙烯濃度；開(kāi)啟過(guò)濾裝置的過(guò)濾功能并重復(fù)以上步驟，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 啟動(dòng)過(guò)濾裝置前后苯乙烯濃度隨時(shí)間變化表mg/L

3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條插值處理，得到圖11苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線，斜率變化比較大的曲線2是開(kāi)啟過(guò)濾裝置后苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線。

圖11 有無(wú)開(kāi)啟過(guò)濾裝置下苯乙烯的濃度隨時(shí)間變化圖

未開(kāi)啟過(guò)濾裝置時(shí)，由苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線可知，40 min后過(guò)濾裝置內(nèi)的氣體濃度上升到86 mg/L，總上升量為60 mg/L。數(shù)據(jù)表明，人持續(xù)3 a吸入濃度為50～600 mg/L的苯乙烯會(huì)出現(xiàn)頭暈、頭痛、輕度視野縮小、多發(fā)性神經(jīng)炎、神經(jīng)傳導(dǎo)速度低下等癥狀；人持續(xù)2 a吸入濃度為40～130 mg/L的苯乙烯會(huì)出現(xiàn)頭痛倦怠、72%腦電波異常、中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙等癥狀[5]。因此，如未對(duì)使用ABS材料的3D打印中產(chǎn)生的苯乙烯進(jìn)行有效地處理會(huì)對(duì)工作人員的身體健康造成傷害。

開(kāi)啟過(guò)濾裝置后，苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線上漲速率明顯比未開(kāi)啟過(guò)濾裝置時(shí)平緩，并且在20 min左右達(dá)到峰值且保持平衡，峰值為40 mg/L，總上升量為14 mg/L，比未開(kāi)啟過(guò)濾裝置時(shí)下降76.67%。可見(jiàn)，開(kāi)啟過(guò)濾裝置能夠有效地降低使用ABS材料的3D打印中苯乙烯濃度，且此時(shí)箱體仍處在密閉環(huán)境，繼續(xù)保持過(guò)濾裝置處于開(kāi)啟狀態(tài)能夠進(jìn)一步降低箱體內(nèi)的苯乙烯的濃度。

4）驗(yàn)證打印后靜置吸收苯乙烯的能力。

在打印結(jié)束后，繼續(xù)保持箱體密封情況下，開(kāi)啟過(guò)濾裝置，觀測(cè)苯乙烯濃度的下降速率，可進(jìn)一步研究過(guò)濾裝置對(duì)苯乙烯的吸收情況。

在室溫25 ℃開(kāi)空調(diào)的室內(nèi)開(kāi)啟過(guò)濾裝置靜置30 min，并每隔5 min觀察記錄的苯乙烯濃度的變化情況如表3所示。由表3可知，在打印結(jié)束后，繼續(xù)保持箱體密封情況下，開(kāi)啟過(guò)濾裝置靜置10 min可以將箱體內(nèi)的苯乙烯濃度降到最低值30 mg/L，但由于苯乙烯測(cè)量頭的靈敏度誤差以及箱體內(nèi)壁會(huì)吸附一部分的苯乙烯氣體，所以無(wú)法將其降回原始值。

表3 啟動(dòng)過(guò)濾裝置前后苯乙烯濃度隨時(shí)間變化表

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)證明該裝置擁有較好的氣密性和過(guò)濾能力，能夠有效處理有害氣體，避免有害氣體對(duì)工作人員的危害，減少有害氣體的流散導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的污染破壞。但過(guò)濾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是主體裝置存在的主要問(wèn)題，這是由于試驗(yàn)采用的過(guò)濾器功率較低，提供的過(guò)濾能力不足影響了實(shí)驗(yàn)的過(guò)濾速度，后期裝置改進(jìn)中可根據(jù)具體需求更換更大功率的過(guò)濾器來(lái)提高過(guò)濾速度和過(guò)濾質(zhì)量。