中南大学实验室铝粉爆燃，博士生受伤严重，3D打印实验安全性引关注

　　4月20日，中南大学材料科学与工程学院发生一起爆燃事故，一名博士研究生受伤。26日，中南大学湘雅附三医院工作人员透露，20日确实接收一病例，该病例全身60%烧伤，右眼球或不保。

　　目前该病人正在ICU病房接受治疗，网传消息称燃爆疑似因实验室铝粉爆炸。26日，该校材料科学与工程学院一工作人员表示，因部分实验室不符合安全条例，院内实验室已全部关停整改。

　　图片来源：澎湃新闻

　　4月27日，中南大学官方微博发文称，4月20日，中南大学发生一起爆燃事故，一名博士研究生受伤。在知乎话题《如何看待 2022 年 4 月 20 日中南大学材料院发生爆炸？》中，3D打印技术参考看到了有同学讨论到了3D打印实验过程的安全性：

　　此次中南大学发生的痛心事件让我们对3D打印相关的实验安全性敲响了警钟，无论对于制粉还是3D打印工艺实验相关。2013年，美国马萨诸塞州沃本市的 Powderpart Inc. 公司发生金属粉尘爆炸，一名当时独自在工厂工作的工人被三度烧伤，现场至少有一台使用可燃金属粉末的3D打印机。除此之外，国内也出现过与金属3D打印相关的危险事件。

　　3D打印的重要材料——钛和铝等均是活泼金属，这些材料可燃，因此会像粉尘一样爆炸。钛和铝的燃烧速度也非常快，并会产生极高的温度和压力，因此需要格外小心。

　　与粉尘相关的危害程度在很大程度上取决于相关材料的数量及其在该数量下的行为。粉尘爆炸是由悬浮在封闭空间中的颗粒快速燃烧引起的。当这些颗粒与火花、明火、过热的表面或机器放电接触时，就会发生爆炸。

　　金属3D打印的从业人员要考虑所使用的集尘器或吸尘器中混合的材料，会不会引发铝热反应，是否配备了D类灭火器等等。

　　实际上，金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害。

　　金属3D打印用的金属粉末，粒径分布通常为几十微米，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。

　　国内的保护措施和此类似，即口罩、手套和工服但几乎没有配备防护眼镜

　　有时皮肤和粉尘之间并没有隔离

　　在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。

　　粉尘污染的问题总是难以解决

　　典型的SLM工艺链具有特定于材料的危害：高度易燃、致癌、产生水污染甚至起火。这些危害的具体风险必须根据所使用的设备和材料以及过程基础设施进行单独评估。根据各工艺链环节以及清洁工作过程中的危害，2018年出版的《金属增材制造（SLM）安全操作手册》则给出了过程安全的多项建议（文件已上传QQ群）。

　　关于金属打印的这些风险并非危言耸听，国内曾发生多起事故，包括但不限于火灾和爆炸，而且多与操作不当有关。

　　全面评估制造过程中的风险

　　基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护措施由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。

　　金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。

　　SLM solutions实现的全封闭粉末处理方案

　　通过安装具有单独、稳定空气交换速率的通风系统，以及通过在等电位连接下执行所有工艺步骤，可以将粉尘爆炸的风险降至最低。作为防火和防爆的一部分，生产车间或实验室须配备自动温度传感器；气体传感器则可以以检测逸出的保护性气体和其他工艺气体。如果仍有其他风险，则必须穿戴适当的个人防护设备。

　　职业安全必须与技术创新保持同步

　　《金属增材制造安全操作手册》描述了SLM工艺过程的危害并提供了处理建议，这些建议必须适应现有的基础设施、生产技术和结构框架条件。Bayreuth大学与Fraunhofer IPA合作，努力将该指南应用于其他技术和挑战，并将其确定为行业标准。通过按照精益生产5S管理方法设计工作场所和流程，将进一步提高生产的安全度、清洁度和有序度。对于更换循环过滤装置这样的不常进行的操作，也需要有标准的工作次序。此外，应定期检查保护措施，确保及时更新和可正常工作，职业安全标准须始终与增材制造的技术创新保持同步。

　　这背后的管道式结构是怎么作用呢？

　　由于危害的多样性和缺乏对人体暴露在此种制造环境中的长期研究，目前的安全生产条例和保护法规并不能确定是否适用于SLM技术。VDI增材制造技术委员会对设备运行安全性进行了详细研究，以确定安全生产标准；欧洲焊接联合会也对3D打印的操作安全进行了标准确定。但目前国内仍没有明确的行业标准，设备商多从经验角度给出自己的安全规程。最后，希望从事相关技术的企业、高效能够足够重视安全，也希望官方机构能推动相关行业标准的推出。