南極熊導讀：中國每年生産數百萬台消費級3D打印機，賣到全球各地，其中相對一部分是被用戶放在家裡或者辦公室裡使用。不久前南極熊辦公室新到了LCD 光固化3D打印機，某個模型打印了一晚上，第二天打開辦公室門口的瞬間，一陣光敏樹脂的刺激味道撲面而來，不得不立即清理幹淨樹脂材料，并開窗通風透氣，我在外面呆了好幾分鐘後，才又回到辦公室。

今天要談論一個嚴肅的問題：3D打印的安全性，到底如何？

當空氣中彌漫着塑料融化的奇妙氣味時，恰恰證明此時3D打印機正在努力工作。但您可能看到去年有媒體披露3D打印有毒的消息後，肯定會産生擔憂：“3D打印機排放的這些氣體會對人體造成多大危害呢？如果把3D打印機放在卧室，讓它徹夜運作會對身體産生危害嗎？如果把3D打印機放在辦公室内會影響員工的健康嗎？

無論您打算把3D打印機放在室内任何地方，都可以通過這篇文章從科學、研究和實踐角度了解如何選擇和購買3D打印機，以及在使用過程中如何保障空氣質量安全。

這些氣體由什麼成分組成？會不會緻癌？

研究表明，所有3D打印機（本文主要對FDM/FFF 3D打印機進行分析，光固化及其他技術會在後期進行跟蹤調研）在進行打印時都會産生排放物，其中一些無害但有異味，是材料加熱後産生的，另一些則可能會危害健康。要判斷這些排放物是否安全，需要尤其關注打印機釋放的顆粒物（PM）和揮發性有機化合物（VOCs）含量。

3D打印機排放顆粒物（PM）和揮發性有機化合物（VOCs）（圖片來源：美國環保局 [US EPA]）

可吸入顆粒物（PM）：通常情況下，人吸入的顆粒物會堆積在肺部，如果顆粒物的含量過高，将會引發呼吸系統疾病，例如哮喘等。除了3D打印機之外，這些顆粒物也出現在日常生活中，如汽車尾氣、山火燃燒等，PM2.5也是我們日常生活中會時常關注的污染指數。

揮發性有機化合物（VOC）：通常在裝修或者購買汽車時候會特别關注VOC的情況，如甲醛。去年，如相關新聞報道所說，有些3D打印機造成的VOCs具有緻癌性，但這些排放物的毒性還未徹底研究清楚，調查仍在進行中。

盡管詳細的調查仍然在進行中，但是FDM排放物對人體的危害大小取決于操作環境和接觸時間。2021年有項研究發現，人體接觸排放物一個小時或更短時間内，不會影響健康。但那些每周待在打印機周圍，工作40小時以上的人群可能罹患呼吸系統疾病。1小時到40小時之間的灰度區域還需要實驗來進一步驗證。

△美國密歇根凱特林大學（Kettering University）的實驗室中所有打印機都密封在3DPrintClean過濾箱内（圖片來源：凱特林大學）

雖然關于兒童的數據和結論同樣也在研究中，但我們需要對于學校，特别是學校内的3D打印創新實驗室的情況更加重視。美國環保局（EPA）針對3D打印機排放情況做的一份研究報告表明，兒童可能特别容易受到3D打印機排放物的影響。研究發現與成人相比，9歲至18歲的兒童吸入3D打印排放的顆粒物後，肺部被顆粒覆蓋的表面積更大。EPA認為這可能與孩童好奇心比較大，更偏好近距離接觸打印頭有關，并且兒童的呼吸道還處于發育階段，容易受到感染。

△國外廠商3Doodler專為兒童開發了一款3D打印筆，通過降低熔點來減少PM

因此本文會帶大家逐一了解目前的研究成果，幫助大家特别是教育工作者了解如何在室内使用3D打印機時進行自我保護，如果計劃購買3D打印機，該如何考慮。

如何在使用3D打印機時減少可能産生的健康風險

△芬蘭阿爾托大學3D打印工作室，該校收集了大量有關3D打印機的資料以及其排放物對健康和空氣質量的影響數據，本文部分援引該校數據。

1.使用低排放型材料（如PLA），并選擇原廠或品牌線材

首先，影響FDM排放量情況的最大因素是耗材。根據美國環境保護局（EPA）等部門進行的多項研究，耗材的種類對于排放量有至關重要的影響，取決于制造商使用的原料和中間的合成工藝——不同耗材中含有不同增韌、着色等添加劑，其受到熱熔的影響不一。美國食品和藥物管理局（FDA）最近也表示，“随着3D打印技術的應用範圍越來越廣泛，有必要調查清楚耗材添加劑會對人體健康造成什麼影響。未來FDA會繼續調查其他添加劑和涉及的揮發性有機化合物與顆粒物質的特性，并出台相關标準。”

目前FDA的大多數研究都集中分析最常見的三種耗材——ABS、PLA和尼龍，ABS一般都被列為高排放材料。ABS使用時除了最開始會産生大量PM和VOCs，之後整個打印過程排放量都很穩定。如上所述，因為排放的VOCs會迅速與顆粒物結合，融為一體，後續持續産生的主要排放物基本都是顆粒物。PLA和尼龍材料使用時的排放量比ABS少。這些材料同樣在剛開始使用時會産生大量顆粒物，但不會持續排放。所以一般我們稱這些材料為低排放材料。

同時他們也注意到，PLA排放情況會受耗材品牌的影響，不同品牌的耗材品質參差不齊，有些PLA的排放量甚至接近ABS的排放量。佐治亞理工學院的研究員Rodney Weber早在2017年做了關于耗材排放情況的實驗後，就發現了這一點，他呼籲用戶謹慎購買廉價的無牌耗材。他說，“我們發現，使用廉價的耗材比使用原廠或者知名品牌廠商生産或推薦的耗材，打印時産生的氣溶膠濃度将更高。雖然PLA是由玉米澱粉等可生物降解材料制成的，但是我們和氣溶膠協會相關研究都發現，某些PLA排放的顆粒物和化合物甚至比ABS的毒性更強。但由于PLA隻在打印最開始時會産生這些有害物質，随着時間推移，ABS耗材排放物的毒性就會慢慢超過PLA耗材排放物的毒性。

△針對3D打印的排放情況,佐治亞理工學院的研究員Rodney Weberz正在展開開創性調查實驗（圖片來源：氣溶膠科學與技術雜志）

2. 設定優化：更細噴嘴，降低噴嘴溫度，并選擇最佳效果

其次，不同制造商的硬件參數各不相同，這些參數都會影響排放情況。特别是使用PLA耗材和尼龍耗材時，打印機品牌和參數的影響更為明顯。有些設定也會對PM和VOCs排放速率産生巨大影響。

布爾諾理工大學進行了一項研究，研究人員對比打印機設置對ABS、PLA、PET和TPU材料的影響。結果表明，當我們選擇最優打印設定時候，能确保打印成功的同時，最大程度減少排放量；同時當噴嘴溫度設定的比較低的時候，其材料産生的排放物都将更少。因此，從呼吸道健康的角度出發，研究人員推薦打印機用戶盡可能設定最低的噴嘴溫度，甚至比制造商建議的更低。該研究還發現，噴嘴尺寸大小對排放率和顆粒濃度都有明顯影響。針對ABS、PET和PLA材料，他們發現使用0.4mm的噴嘴産生的PM最少。TPU則是個例外，使用TPU時噴嘴尺寸增加到0.6mm排放量更少。

△不同噴嘴溫度/尺寸設定下，打印期間顆粒形成最高速率（圖片來源：國際環境研究和公共衛生雜志，“3D打印中影響超細顆粒排放的參數”）

研究結果還顯示材料流量或打印速度幾乎不影響排放量。因此，擠出機設定是影響排放的最關鍵因素。而另一項使用ABS和PLA測試的研究發現，加熱的打印平台不會增大排放量，反而有助于增大顆粒大小，更容易減少顆粒物數量。

幾乎所有研究人員都指出，要改善室内空氣質量問題，恰當的通風方法是關鍵。用戶應把打印機放在通風良好的位置，排氣口安裝上風扇，這樣才能達到最佳效果。所有通風系統都應該配備相應的空氣過濾系統來配合使用。建議使用高效空氣（HEPA）過濾器，它能去除高達99.95%的微粒。要減少VOCs的排放，活性炭過濾器則是最好的解決方案。

3. 對于開放式打印機，增加其他配套裝置

給3D打印機罩上一個帶有空氣過濾器的小型通風外殼是不錯的選擇。研究表明，把一台桌面型3D打印機放在具備過濾通風性能的外殼中，可以減少97%的粒子排放率。但需要注意的是，在選購時要查看購買的外殼是否帶有HEPA系統，因為市面上很多3D打印機外殼隻是用來維持熱量，并沒有排放功效。

△法國公司Alveo3D專門定制的帶有HEPA過濾器的打印機外殼（圖片來源：Alveo3D）

空氣淨化器使用風扇将空氣吸入，通過各種過濾和消毒手段清除各種污染物。在改善3D打印機工作區域空氣質量上，它們能發揮巨大作用，但最好選用配備HEPA和活性炭過濾器的空氣淨化器。選購空氣過濾器要非常仔細謹慎，因為專門用于灰塵和劃分的過濾器可能無法完全清除3D打印機排放的顆粒物或VOCs。記得定期更換機器上的過濾網。

4. 在室内安裝空氣質量監測器

空氣質量監測器可以幫助用戶實時監控工作區域中潛在有害化學物質的含量。然而，關于消費級監測器産品是否足夠敏銳，能否在3D打印過程中檢測出排放的微小顆粒，研究結論不一。一項研究表明，耗材中排放出的絕大多數固體顆粒材料大小在0.05到0.2微米間。而大多數家用空氣質量監測器隻能檢測到大小在1到2.5微米間的顆粒物（定義為PM1-PM2.5）。不過有一些監測器可以檢測到0.1微米以下的顆粒物（定義為PM0.1）。

一些研究指出，即使在高級研究場所中，空氣質量監測器也不一定可靠。但如果您的監測器顯示PM濃度已經高于35微克/立方米時，就要開始想辦法清除工作區域排放物了。

如何選擇購買保證空氣質量的打印機？

1. 選購内置HEPA過濾器的FDM打印機

由于暫時沒有成熟的檢測标準，為了在使用3D打印機時能保障室内空氣質量，可以從3D打印機本身和室内環境出發，找到相應的解決方案。首先，可以從3D打印機入手。現在市面上有很多内置空氣過濾器的3D打印機，有了這些打印機可以省去單獨購買空氣過濾器配件的步驟，并從“源頭上”對排放物進行控制。

大部分消費級3D打印機不配備常規空氣過濾器，專業級機型有的會配置，有的則需要額外加裝，選購時候需要特别注意。而工業級3D打印機則是專為工廠設計的，必須配備空氣過濾器，以滿足工作場所的安全規章制度。用戶可以根據打印模型的數量和所處環境，購買相應的3D打印機，但最好是直接選購配備過濾系統的機型。

Raise3D

Raise3D 新款 Pro3打印機搭載了Air Flow Manager 氣流管家系統，先通過打印機倉内循環，再通過HEPA過濾，實際效果遠高于僅僅使用HEPA進行過濾的機型。其原理可能是讓細小的顆粒物在艙内循環過程中互相接觸時變成大的的灰塵顆粒而更容易吸附或沉降。

2. 為可擴展的FDM打印機加配空氣過濾器

還有一些3D打印機雖然沒有自帶的空氣過濾器系統，但也提供與設備配套的空氣過濾器配件。雖然都可以做到從“源頭上”對排放物進行控制，但這類3D打印機将需要花費額外的費用和步驟去添置配件，相對于價格和功能相似的内置過濾器的設備來說，成本也将更高。

zortrax

Zortrax的HEPA頂蓋（額外$250，約合1,500元人民币) 适合大部分Zortrax模型，内置活性炭過濾器在打印過程中能夠吸收很多難聞氣味，HEPA過濾器則可以捕捉大部分有害顆粒。

MakerBot

所有MakerBot Method和Method X打印機的Clean Air System（額外加裝需$899，約合人民币6,300元）都裝有一個HEPA過濾器，而且是經過GreenGuard環保認證的。

Ultimaker

據Ultimaker制造商稱，Ultimaker S5 Air Manager（額外加裝需$925，約合人民币6,500元）配備E10級顆粒過濾器，能夠過濾掉高達95%的超細顆粒，其中還裝載了一個靜音風扇。

總結

随着科技的發展，現在越來越多課堂、高校和企業都會使用3D打印機，因為它們在教育、科研中能發揮巨大作用。盡管目前數據仍然不足以支持行業标準的建立，但我們仍然需要特别關注潛在的危害，防患于未然，減少可能産生的職業危害，同時保護兒童出現類似過去三聚氰胺的事件發生。

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