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3D打印影响健康?关键看材料

三维-小维尼
2021-06-16 13:16:53
在第十六届中国(无锡)国际设计博览会现场,观众正在订制3D打印巧克力。本报记者张楠摄

不经意间,增材制造(3D打印)已走进我们的生活。商场、学校、家庭都能发现它的身影,也许你案头的摆件、孩子手中的玩具就来自3D打印。

在几家电商平台上检索3D打印,从上百万的大型商用设备、数百元的3D打印笔,到几十元的打印耗材,各类各款应有尽有。从平台的销售记录看,不少型号的3D打印机销量不错。

但日前,国外一项研究表明,3D打印机的使用者和使用3D打印产品的消费者,可能面临健康和安全风险,让人不禁想问“3D打印还可靠吗”?

发现新问题

日前,美国国家职业安全与健康研究所的研究人员在评估了ABS(丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物)材料3D打印过程后认为,打印过程释放出的颗粒,对人类肺部会造成中度毒性伤害。

一份题为《美国环境保护署最新3D打印排放研究》的报告,分析了实验条件下3D打印拉丝挤出机(一种用来制造3D打印机机丝的设备)的排放情况,并预测称使用3D打印机时,沉积在呼吸道特定位置的颗粒数量对人体会产生潜在危害。

“迄今为止,大众几乎不会注意到自己暴露在3D打印机排放中。”该报告作者说,“应增强公众对于3D打印机排放的认识,而且儿童对其排放的易感性可能更高。”

在2020 年风险分析协会虚拟年会期间举行的 3D 打印和新兴材料风险评估研讨会上,与会者报告的几项研究表明,3D 打印通过熔化塑料细丝或其它基础材料来工作,这些材料包括纳米粒子、金属、热塑性材料等。当塑料或其它基础材料被加热熔化时,它们会在附近空气中释放挥发性化合物,影响室内空气质量和公共健康。

该会议建议,选择更加环保的3D 打印材料尤为重要。随着 3D 打印技术的日益普及,监管机构、制造商和用户需要将注意力集中在更好地管理 3D 打印带来的潜在风险上。

3D打印的本质

“3D打印始于快速成型技术,其本质是一个材料加工成型的技术。在航空、航天、航海、兵器、医疗、汽车、工业等领域发展前景广阔,被誉为‘第三次工业革命’的核心技术。”东华大学材料科学与工程学院复合材料系主任游正伟告诉《中国科学报》,“增材制造在大规模工业化制造方面并无优势,因此其主要应用领域是数量相对少的装备、新型结构材料创新、个性化医疗和工业设计、创意产品环节。”

科学家会根据3D打印材料性能,依据所需的应用领域进行针对性的开发。目前,根据成型原理和所适用的材料,3D打印主要可分为四类:一是适用于塑料的熔融挤出成型技术(FDM);二是适用于液态光敏树脂的光固化3D打印技术(SLA、DLP等);三是适用于凝胶类材料的直接墨水书写打印技术(DIW);四是适用于金属粉末或聚合物粉末的选择性激光熔化技术(SLM)和选择性激光烧结(SLS)等。

“对于3D打印是否存在污染或对人体、环境有害的因素,我认为要从3D打印加工过程和成型后使用过程两个方面来分析。”游正伟说。

他解释道,FDM主要用于塑料加工,也是受众面最广的3D打印方式,其本质就是塑料熔化后的三维成型,因此在加工过程中所带来的污染或者微小颗粒释放非常有限。对于光固化打印技术和DIW,其本质是利用紫外光、温度或者挤出剪切力等相对温和的外界因素改变材料流变性,最终获得三维结构,其使用的也是树脂或凝胶类材料,因此加工过程中基本不会产生对人体有害的因子,除非部分材料使用了一些有机溶剂,但这两种技术基本都在实验室中使用,通常有专用的通风保护设施。而SLM和SLS加工过程中大量使用粉末材料,因此粉尘、微粒带来的健康风险较高,但现有的SLM和SLS打印机都采用相对密闭的设计,且加工车间或实验室也有标准化的防范措施和要求。

对此,中科院宁波材料技术与工程研究所增材制造技术团队研究员许高杰也表达了类似看法。

“3D打印有没有污染或毒性,取决于所用的打印材料。”许高杰对《中国科学报》说,“目前所用的3D打印材料基本都是市场上已有的材料,特别是很多高分子材料,都是人们日常生活中常见和经常接触到的材料,在污染或毒性方面是经过考查评价后允许使用的。”

3D打印本“无罪”

“总体来说,3D打印作为一种新型制造技术,受到全球青睐,其本身是没有问题的。”许高杰说,“考虑到有些高分子材料(或化工产品)在加工时有一定的(污染或毒性)排放,如果要用作3D打印材料,必须充分考虑在成型加热时可能出现的排放,进行材料筛选和研发。负责任的3D打印材料研发人员和生产单位,都会把材料使用带来的安全问题放在首位。”

游正伟认为,相对于金属、塑料进行削、切、磨等传统机床“减材制造”所形成的细微颗粒、废料、废气,“3D打印技术反而安全性更高”。

“部分3D打印产品在后续使用过程中,会由于磨损等因素产生塑料微粒或纳米填料的问题。但这种‘原罪’不能归于3D打印,而是材料本身的问题,即便不使用3D打印产品,生活中也有倒模、吹塑等各种复合材料加工制品。因此,没有绝对‘无污染、无风险’的情况。在同等条件下,3D打印用料更少、更方便,保护措施更好、安全性更高。”游正伟说。

专家认为,某些高分子材料产品存在潜在危害是整个制造业面临的共性问题。解决这一问题还要聚焦于新型材料的研发,用其替代现有塑料、树脂等不可降解材料。

“但有一个问题应引起重视。”游正伟说,“对打印过程中出现的问题,工厂或实验室都有相应的防护条件和措施,但3D打印逐渐进入家庭后,可能有防护不到位的情况。这一方面要求我们加强增材制造新材料的研发,研制出性能优越、环境友好的新材料,另一方面应该建立包括设计、材料、产品性能、认证检测等在内的一整套增材制造安全标准体系。”(张双虎)

来源: 《中国科学报》

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