3D打印的毒性到底有多大？这里有份权威答案

近年来，FFF/FDM 3D打印机在制造和消费领域得到了广泛应用。然而，在办公室、图书馆、家庭和教育场所等非工业环境中使用这些打印机引发了大家对于安全性的担忧。

这是因为在打印的过程中会释放出超细颗粒和挥发性化合物，接触这些复杂混合物可能对用户的健康造成急性、慢性或发育性的影响，这也是一些使用3D打印机的用户出现头痛、呼吸道刺激症状的原因。

最近，UL Research化学洞察研究所发布了一项新研究，旨在探讨熔丝制造 (FFF) 3D打印过程中挥发性有机化合物 (VOC) 和颗粒排放的危害。相关论文以题为“Exposure hazards of particles and volatile organic compounds emitted from material extrusion 3D printing: Consolidation of chamber study data”发表在Science Direct上。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0160412023005895
材料挤出熔丝制造 (FFF) 3D打印通过加热挤出机喷嘴并挤出丝状材料（通常是热塑性塑料），然后在构建板上沉积以形成3D物体。因此，在打印过程中会释放颗粒和挥发性有机化合物 (VOC) 等污染物。其中，打印材料对颗粒物和总VOC排放量的变化有很大影响，而打印条件和耗材规格，包括打印机挤出机温度、打印机和耗材品牌、耗材类型和颜色，也会影响最终排放的结果。相比于VOC排放，颗粒排放受到各种打印条件的影响更大。
研究结果表明，ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）和尼龙材料往往比PLA（聚乳酸）具有更高的颗粒和VOC排放量，并且更高的挤出温度往往与更高的排放量相关。

图1：颗粒数量排放率（A）、颗粒质量排放率（B）、总挥发性有机化合物排放率（C）和检测到的VOC数量（D）的排放数据集概览

在这项研究中，研究人员根据3D打印机排放测试和评估标准ANSI-CAN-UL2904获得了一组全面的3D打印排放数据。根据不同线材特性和打印条件下的447种颗粒排放和58种VOC排放观察结果，评估了排放特性和潜在的健康影响。

图2 ：每种灯丝材料类型的粒子数发射率 (NER) 和几何平均直径 (GMD)

该研究还强调了ABS、HIPS和尼龙等材料排放的颗粒数相对较高，而金属复合材料排放的颗粒和质量量较大。而3D打印通常排放的VOCs则包括多种有害物质，如芳香族化合物、醛类、醇类、酮类、酯类和硅氧烷类，其中一些物质被认为具有致癌、刺激性以及发育和生殖毒性。

图3：每种材料类型的总VOC排放率（左）和前5个最丰富的VOC排放率（右），前5名VOC排放率由右向左递减

具体而言，苯乙烯在所有研究的含有苯乙烯单体的材料中释放最多的VOC。而金属复合材料的VOC排放相对较低，尽管其中甲醛含量较高。此外，研究发现发射特性和打印条件之间的关联在很大程度上受打印条件变化的影响。打印机品牌、耗材品牌以及挤出温度与ABS和PLA材料的颗粒排放存在显著的相关性，而VOC排放对这些条件的变化则不太敏感。此外，颗粒物和VOC排放特性之间并未发现明确的关系。

图4：不同房间条件下预测的颗粒质量浓度

在综合评估了447种颗粒排放和58种VOC排放的观察结果后，研究人员强调，对于ABS、HIPS和高排放PLA等材料的长时间接触，可能会导致个体暴露的颗粒水平高于通常在室内环境中测量到的水平。鉴于3D打印排放的颗粒主要是超细尺寸，这可能对健康产生更多的潜在问题。

图5：从九种材料中至少检测到五种值得关注的化学品，检测频率 (%) 显示在热图中

总体而言，ABS和HIPS材料在颗粒和VOC暴露方面最引起关注，而尼龙的颗粒和己内酰胺暴露量较高。ASA材料排放高挥发性有机化合物和有害挥发性有机化合物，而金属复合材料释放更多的颗粒质量。PLA的总体排放量相对较低。
最后的结论是，3D打印排放可能引发健康问题，根据暴露情况，可能会导致急性刺激或其他健康影响。因此，建议用户选择低排放的材料，特别是在通风良好的环境中操作3D打印机以降低潜在健康风险。