Jedno z pierwszych badań emisji z domowych drukarek 3D opublikowano w 2013 roku. Od tego czasu temat badały uczelnie, amerykański NIOSH (Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy), laboratorium Chemical Insights należące do UL Research Institutes, a w Polsce Centralny Instytut Ochrony Pracy (CIOP-PIB). Poniżej zebraliśmy, co z tych badań wynika i co z tym zrobić w domu, w szkole albo w małej pracowni.

Co wydziela drukarka do filamentu

Najpopularniejsze drukarki domowe pracują w technologii FDM (nazywanej też FFF): topią tworzywo w postaci żyłki, czyli filament, i układają je warstwa po warstwie. Tworzywo jest podgrzewane w dyszy do około 190-260 °C, a stół do 55-120 °C (takie zakresy podaje NIOSH). W tej temperaturze z tworzywa uwalniają się dwie grupy zanieczyszczeń.

Pierwsza to cząstki ultradrobne, mniejsze niż 100 nanometrów. Są tak małe, że przy wdychaniu docierają głęboko do płuc. Druga to lotne związki organiczne (LZO), czyli gazy i pary. CIOP-PIB w materiałach z 2022 roku wymienia wśród nich m.in. toluen, ksyleny, etylobenzen, styren, formaldehyd, aldehyd octowy, aceton i ftalany i podkreśla, że skład emisji zależy od filamentu, drukarki, temperatury druku i szybkości nagrzewania.

Cząstki ultradrobne: ABS emituje wyraźnie więcej niż PLA

Badanie Stephensa i współautorów, opublikowane w 2013 roku w czasopiśmie Atmospheric Environment, porównało dwa typy drukarek. Drukarka z filamentem PLA emitowała około 2,0 × 10¹⁰ cząstek ultradrobnych na minutę, a drukarka z ABS około 1,9 × 10¹¹, czyli mniej więcej dziesięć razy więcej. Autorzy wiązali tę różnicę z wyższą temperaturą przetwarzania ABS.

Szersze badanie Azimi i współautorów z 2016 roku (Environmental Science & Technology) objęło pięć drukarek i dziewięć rodzajów filamentu. Mediany emisji wynosiły od około 10⁸ do 10¹¹ cząstek na minutę, czyli różniły się nawet tysiąckrotnie. O wyniku decydował przede wszystkim rodzaj filamentu, a w mniejszym stopniu temperatura stołu.

Grafika: HexoParts

CIOP-PIB, powołując się na badanie Jeon i współautorów z 2020 roku, podaje, że ABS emitował od 33 do 38 razy więcej cząstek niż PLA. Liczby różnią się między badaniami, bo zależą od drukarki, warunków pomiaru i konkretnego filamentu, ale kierunek jest ten sam. CIOP-PIB podaje kolejność: najwyższą emisję wykazuje ABS, następnie nylon, a najniższą PLA.

Lotne związki organiczne: każdy filament pachnie inaczej

Charakterystyczny zapach podczas drukowania to właśnie lotne związki organiczne. Azimi i współautorzy zmierzyli, że filamenty ABS i HIPS uwalniały głównie styren, w ilości od około 10 do 110 µg na minutę. Nylon i filamenty imitujące drewno lub cegłę uwalniały kaprolaktam, od około 2 do 180 µg na minutę. PLA uwalniał głównie laktyd, w ilości około 4-5 µg na minutę.

Grafika: HexoParts

To jeden z powodów, dla których zarówno NIOSH, jak i CIOP-PIB zalecają, by tam, gdzie to możliwe, drukować z PLA zamiast z ABS. Laktyd z PLA uwalniał się w ilościach o rząd wielkości mniejszych niż styren z ABS.

Czy to szkodzi zdrowiu

Uczciwa odpowiedź brzmi: nie ma badań, które pokazywałyby choroby wywołane domowym drukowaniem 3D, ale są sygnały, których nie warto lekceważyć. NIOSH w poradniku z 2023 roku przytacza ankietę, w której 27 z 46 pracowników używających drukarek z PLA, ABS lub nylonem (59%) zgłaszało objawy ze strony układu oddechowego. To niewielka grupa i ankieta, a nie badanie przyczynowe, ale wynik jest spójny z innymi obserwacjami.

Zespół z Georgia State University i Chemical Insights zbadał w 2022 roku, jak cząstki zebrane obok pracujących drukarek w liceum i na uczelni działają na komórki nabłonka dróg oddechowych. Emisje zarówno z ABS, jak i z PLA obniżały żywotność komórek, a w części prób zwiększały marker uszkodzeń DNA. Autorzy oceniają, że emisje z ABS mogą być bardziej aktywne biologicznie niż z PLA. Autorzy zaznaczają, że to badanie na hodowlach komórkowych, przy małej liczbie próbek, a nie dowód na skutki u ludzi.

CIOP-PIB zwraca uwagę, że część związków emitowanych podczas drukowania może podrażniać drogi oddechowe i oczy oraz wywoływać bóle głowy, a przy długotrwałym narażeniu niektóre z nich działają szkodliwie na wątrobę, nerki i układ nerwowy. Instytut zaznacza też, że dla mieszaniny LZO i dla nanocząstek nie ma w Polsce wiążących wartości najwyższych dopuszczalnych stężeń, więc ryzyko ocenia się dla poszczególnych substancji.

Drukarki żywiczne: inne ryzyko, inne środki ostrożności

Drukarki SLA i DLP utwardzają ciekłą żywicę światłem. Tu głównym problemem nie są cząstki z gorącej dyszy, tylko sama żywica. NIOSH podaje, że niektóre składniki żywic mogą podrażniać skórę i wywoływać uczulenie. W 2024 roku czasopismo Contact Dermatitis opisało przypadek technika dentystycznego uczulonego na (met)akrylany z żywicy do druku 3D.

Drukarki żywiczne też wydzielają cząstki i opary organiczne. Według zestawienia NIOSH emisje są podobne albo wyższe niż przy innych metodach druku, a drukarki DLP emitowały więcej niż SLA. Dochodzi do tego mycie wydruków w alkoholu izopropylowym, który jest łatwopalny, oraz utylizacja zużytej żywicy, ściereczek i rękawiczek, których nie wyrzuca się razem z odpadami domowymi bez sprawdzenia przepisów.

CIOP-PIB zaleca, by nieutwardzona żywica nie miała kontaktu ze skórą: rękawice nitrylowe albo inne odporne na chemikalia, ochrona oczu i odzież, której nie nosi się poza miejscem pracy. To szczególnie ważne w mieszkaniu, gdzie łatwo przenieść żywicę na klamki, telefon albo blat w kuchni.

Oparzenia, części ruchome i prąd

Poza emisjami drukarka ma też zwykłe zagrożenia mechaniczne. Dysza nagrzewa się do 190-260 °C, stół nawet ponad 100 °C, a silniki krokowe i paski mogą wciągnąć palce, włosy lub luźne ubranie. NIOSH zaleca, by przy zatkanej dyszy najpierw wyłączyć drukarkę i poczekać, aż ostygnie, a dopiero potem zdejmować osłony. Napięcia dostępne w typowej drukarce to 12-24 V, więc główne ryzyko elektryczne pojawia się przy naprawach urządzenia podłączonego do sieci.

Jak drukować bezpieczniej: zasady z NIOSH i CIOP-PIB

Oba instytuty stosują tę samą hierarchię środków ochrony: najpierw usuwa się lub zastępuje źródło zagrożenia, potem stosuje rozwiązania techniczne, następnie organizacyjne, a środki ochrony indywidualnej są ostatnią linią obrony. NIOSH pisze wprost, że są one najmniej skutecznym sposobem ograniczania narażenia.

Grafika: HexoParts

W praktyce domowej oznacza to kilka konkretnych kroków:

1. Wybierz tworzywo o niższej emisji. Jeśli PLA spełnia wymagania części, drukuj z PLA zamiast z ABS. CIOP-PIB zaleca też filamenty rekomendowane przez producenta drukarki i sprawdzanie kart charakterystyki, bo tanie zamienniki mogą zawierać nieujawnione dodatki.
2. Drukuj w najniższej temperaturze, która daje dobry wydruk. NIOSH wskazuje, że w jednym z badań komorowych temperatura dyszy miała największy wpływ na emisję.
3. Zamknij drukarkę w obudowie z filtrem. W badaniach przytaczanych przez NIOSH obudowy z filtracją ograniczały emisję cząstek o 97-99%, a jedna wentylowana obudowa z pleksi zmniejszała stężenie cząstek o ponad 99%, a związków organicznych o prawie 70%. Filtr HEPA zatrzymuje cząstki, a na gazy i pary NIOSH i CIOP-PIB zalecają dodatkowo filtr sorpcyjny, na przykład z węglem aktywnym.
4. Wietrz i trzymaj drukarkę z dala od miejsca, w którym przebywasz. NIOSH przytacza zalecenie co najmniej 6 wymian powietrza na godzinę albo przenośnego oczyszczacza z filtrem HEPA. Wynika z tego prosta zasada: drukarka nie powinna stać w sypialni ani w pokoju, w którym dziecko odrabia lekcje.
5. Nie siedź przy pracującej drukarce. Obydwa instytuty zalecają ograniczenie czasu spędzanego obok drukarki i podgląd z kamery. Po zakończeniu druku NIOSH radzi odczekać około 20 minut, zanim otworzysz obudowę.
6. Sprzątaj na mokro. Kurz wokół drukarki zbiera się na ściereczce albo odkurzaczem z filtrem HEPA, a nie zamiata na sucho ani nie zdmuchuje sprężonym powietrzem.
7. Przy żywicy zawsze rękawice nitrylowe i okulary. Nie jedz i nie pij w pobliżu drukarki.

Pomocą przy zakupie są certyfikaty emisji. Norma ANSI/CAN/UL 2904 z 2019 roku opisuje, jak mierzyć cząstki i lotne związki z drukarek używanych w szkołach, biurach, bibliotekach i domach. Prusa Research ogłosiła w 2024 roku, że jej drukarki MK4 i MK4S spełniły kryteria tej normy, ale tylko z własnymi filamentami PLA i PETG, i nadal zaleca wentylację oraz obudowę przy ABS, ASA i nylonie. Certyfikat dotyczy więc konkretnego zestawu drukarki i materiału, a nie każdego wydruku.

Czy wydruk 3D nadaje się do kontaktu z żywnością

To częste pytanie przy foremkach do ciastek czy kubkach. Prusa Research w swojej bazie wiedzy odradza używanie wydruków jako pojemników na żywność. Powody są dwa: w szczelinach między warstwami zbierają się resztki jedzenia i rozwijają bakterie, a zwykła mosiężna dysza ściera się i jej drobinki mogą trafić do wydruku. Jeśli już, producent proponuje dyszę ze stali nierdzewnej i powlekanie wydruku żywicą epoksydową dopuszczoną do kontaktu z żywnością.

Podobne wnioski przyniosło badanie Kailo i współautorów z 2023 roku (Analecta Technica Szegedinensia). Bakterie kolonizowały powierzchnię i szczeliny między warstwami nawet wtedy, gdy filament miał atest do kontaktu z żywnością. Najlepiej sprawdziło się pokrycie wydruku żywicą epoksydową, po którym przedmiot dał się czyścić jak gładki wyrób z formy. Filamenty antybakteryjne zmniejszały liczbę kolonii o 80%, co autorzy uznali za rozwiązanie niewystarczające.

Kiedy lepiej zlecić wydruk

Drukarka w domu ma sens, gdy drukujesz często i z PLA albo PETG. Jeśli potrzebujesz od czasu do czasu jednej części z ABS, nylonu albo żywicy, czyli z materiałów o wyższej emisji lub wymagających rękawic i utylizacji odpadów, rozsądniejszy jest druk 3D na zamówienie. Te materiały w ogóle nie trafiają wtedy do mieszkania. Taką część zamówisz na przykład przez platformę HexoParts, gdzie wystarczy wgrać plik modelu, a wydruk wykonuje sprawdzony partner produkcyjny.

Niezależnie od tego, czy drukujesz sam, czy zlecasz, warto pamiętać o trzech rzeczach: tworzywo i temperatura decydują o emisji, obudowa z filtrem i wentylacja robią największą różnicę, a przy żywicy najważniejsza jest ochrona skóry.

Źródła

• Stephens B., Azimi P., El Orch Z., Ramos T., Ultrafine particle emissions from desktop 3D printers, Atmospheric Environment 79 (2013), DOI 10.1016/j.atmosenv.2013.06.050
• Azimi P., Zhao D., Pouzet C., Crain N. E., Stephens B., Emissions of Ultrafine Particles and Volatile Organic Compounds from Commercially Available Desktop Three-Dimensional Printers with Multiple Filaments, Environmental Science & Technology 50(3) (2016) 1260-1268, DOI 10.1021/acs.est.5b04983
• NIOSH, Approaches to Safe 3D Printing: A Guide for Makerspace Users, Schools, Libraries, and Small Businesses, DHHS (NIOSH) Publication No. 2024-103 (2023), DOI 10.26616/NIOSHPUB2024103
• NIOSH, 3D Printing with Filaments: Health and Safety Questions to Ask, DHHS (NIOSH) Publication No. 2020-115 (2020)
• Dobrzyńska E., Szewczyńska M., Kowalska J., Kondej D., Związki chemiczne i pyły: emisja i ograniczanie zagrożeń podczas drukowania przestrzennego 3D. Zalecenia profilaktyczne, CIOP-PIB, Warszawa 2022
• Dobrzyńska E., Szewczyńska M., Kowalska J., Kondej D., Ocena narażenia na substancje chemiczne i pyły emitowane podczas drukowania 3D, CIOP-PIB, Warszawa 2022
• Georgia State University School of Public Health, Chemical Insights Research Institute (UL Research Institutes), Dosimetric and Toxicological Analysis of 3D Printer Emitted Particles, raport końcowy, 2022
• Fenech G., Fenech A., Bensefa-Colas L., Crépy M.-N., Three-dimensional printing: A new source of exposure to (meth)acrylates in a dental technician, Contact Dermatitis 90(5) (2024) 534-536, DOI 10.1111/cod.14512
• UL Standards & Engagement, ANSI/CAN/UL 2904 Standard Method for Testing and Assessing Particle and Chemical Emissions from 3D Printers (2019)
• Prusa Research, Pierwsza konsumencka drukarka 3D z certyfikatem UL, blog, 2024
• Prusa Research, Food safe FDM printing, baza wiedzy
• Kailo G. G. i in., Food safety-based evaluation of 3D printed objects, Analecta Technica Szegedinensia 17(4) (2023) 1-9

Artykuł sponsorowany.