3D 打印機(jī)伴生風(fēng)險(xiǎn)及處理方法探究

彭鵬

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002）

一、燒傷

安全風(fēng)險(xiǎn)：大多數(shù)3D 打印機(jī)的工作溫度非常高，在廣泛使用的FDM 3D 打印機(jī)中，根據(jù)材料不同（PLAABSTPU 等)噴頭處溫度在210°C-250℃不等，如果使用PETG等特殊材質(zhì)進(jìn)行打印，噴頭溫度則會(huì)上探至310°C+，尼龍3D 打印機(jī)溫度相對稍低，處于210°C-240°C 區(qū)間。而金屬3D 打印機(jī)的溫度只會(huì)更高。

如圖所示，金屬3D 打印分預(yù)熱階段與加工階段，峰值溫度甚至可以達(dá)到7000°C，雖然大部分打印機(jī)都配有高溫檢測、過熱提醒、防誤觸等功能，但如果操作不當(dāng)，安全規(guī)范執(zhí)行不到位，依然會(huì)有很大燒傷，燙傷風(fēng)險(xiǎn)。此外，除了打印機(jī)的噴頭，激光器等熱源以外，熱床和打印件的溫度也值得警惕。

處理方法：

將3D 打印機(jī)放在孩童和無關(guān)人員不易接近的區(qū)域。在進(jìn)行打印操作及相關(guān)后處理操作時(shí)使用鑷子、鏟子，夾子或帶上隔熱手套。對FDM 3D 打印機(jī)噴頭處進(jìn)行隔熱處理，外敷包裹隔熱材料或采用水冷系統(tǒng)降溫。

二、夾傷或割傷

安全風(fēng)險(xiǎn)：3D 打印機(jī)作為傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備的延申與替代產(chǎn)品。雖機(jī)械成分已大幅減少，但仍存在大量的機(jī)械部件。根據(jù)成型方式的不同，打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括光桿、同步齒形帶、滾珠絲桿、鋪粉軸、噴頭、激光發(fā)射器的三維步進(jìn)系統(tǒng)等。在打印機(jī)工作時(shí)，打印機(jī)這些部件通過軟件代碼給出的X-Y-Z軸移動(dòng)方向何移動(dòng)距離、移動(dòng)速度的要求進(jìn)行移動(dòng)。這些部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)原則上都會(huì)造成設(shè)備操作人員、使用者的夾傷，撞傷等傷害?，F(xiàn)今大部分打印設(shè)備配備了人體監(jiān)測及防碰撞組件，但因傳感器性能時(shí)有不穩(wěn)定，且設(shè)備的閉環(huán)邏輯檢測系統(tǒng)往往復(fù)雜度高，對運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)測也不能涵蓋所有操作場景，故障率隨之增高。夾傷，撞傷事件仍有發(fā)生。雖然有些機(jī)器配置了閉環(huán)系統(tǒng)，能夠檢測碰撞并以適當(dāng)方式做出反應(yīng)。然而，大多數(shù)3D 打印機(jī)仍然使用開環(huán)系統(tǒng)來創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)方向，并且許多桌面3D 打印機(jī)使用開放式龍門結(jié)構(gòu)，因此在機(jī)器運(yùn)行時(shí)將手指伸入非常容易被夾傷。

另外，F(xiàn)DM 系統(tǒng)及poly-jet 系統(tǒng)的3D 打印機(jī)還需要使用刮刀將模型從熱床上鏟下來，刮刀為了提高效率，往往十分鋒利。這就伴隨著因用力過猛被刮刀割傷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，非柔性打印件及支撐在去除過程中也伴隨著大量刮傷，割傷的風(fēng)險(xiǎn)。

處理方法：

有財(cái)力的可以購買具有碰撞檢測模式的3D 打印機(jī)，以及優(yōu)質(zhì)可拆卸柔性熱床。戴上防劃傷手套或其他防護(hù)裝備。使用外殼或各種屏障進(jìn)行保護(hù)。確定打印機(jī)處于安全狀態(tài)時(shí)再進(jìn)行接觸。拆除支撐結(jié)構(gòu)時(shí)減緩動(dòng)作幅度，或使用水溶性材料以及盡量減少支撐結(jié)構(gòu)。

三、火災(zāi)

安全風(fēng)險(xiǎn)：3D 打印機(jī)引發(fā)的火災(zāi)也應(yīng)引起社會(huì)廣泛重視。雖然大部分3d 打印機(jī)工作溫度在300 度以下，不至于引發(fā)火災(zāi)發(fā)生。在如前文所述，金屬3D 打印機(jī)的瞬時(shí)溫度可達(dá)到攝氏7800 度，足夠達(dá)到引發(fā)火災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，可燃物或可燃?xì)怏w不當(dāng)接觸3d 打印機(jī)、特別是打印材料儲(chǔ)藏位置也是引發(fā)火災(zāi)的重要因素。另一種常見的火災(zāi)因素是打印機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器或軟件故障，使噴頭、激光器等熱源超時(shí)或超設(shè)定功率工作。

誠然現(xiàn)在在售的打印機(jī)很多都針對這一隱患作出了對應(yīng)設(shè)計(jì)，比如3dsystem 產(chǎn)品通過設(shè)置協(xié)處理芯片構(gòu)筑安全檢測系統(tǒng)，獨(dú)立與打印系統(tǒng)之外提供安全防護(hù)。通過熱度傳感器和位移傳感器、一旦檢測到打印超范圍，超功率及其他隱患則自動(dòng)停止打印或直接關(guān)機(jī)。這種保護(hù)措施也被稱為熱失控防護(hù)。

處理方法：

讓機(jī)器時(shí)刻處在監(jiān)控之下，安裝煙霧探測器并在附近放置滅火器。確保3D 打印機(jī)啟用了熱失控保護(hù)。將3D 打印機(jī)遠(yuǎn)離窗簾等易燃材料，盡量放在金屬表面上。如果沒有經(jīng)驗(yàn)，盡量避免使用自組裝3D 打印機(jī)套件。

四、細(xì)顆粒物

安全風(fēng)險(xiǎn)：細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒、PM2.5。細(xì)顆粒物指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 微米的顆粒物。它能較長時(shí)間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。雖然PM2.5 只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。

2013 年2 月，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)將PM2.5 的中文名稱命名為細(xì)顆粒物。細(xì)顆粒物的化學(xué)成分主要包括有機(jī)碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。在3D 打印領(lǐng)域，細(xì)顆粒物是指在操作過程中散發(fā)的極微小3D 打印材料粒子。例如FDM 打印機(jī)，他的工作原理是設(shè)備在通過把一段耗材加熱融化，從噴嘴處將材料擠出，然后按照軟件設(shè)置好的路徑畫出模型的形狀。這個(gè)過程中有一部分材料受熱會(huì)形成尺寸非常小的顆粒物并在熱島效應(yīng)的影響下被釋放到大氣中，他們會(huì)在空氣中滯留相當(dāng)長的時(shí)間，并被吸入并滯留在人的肺部。根據(jù)材料的不同，3D 打印產(chǎn)生的細(xì)顆粒物也不盡一致。同時(shí)，這個(gè)影響還與熱量相關(guān)，較高熱量往往會(huì)釋放更多的納米顆粒。此外，還有一些材料在給定的溫度下會(huì)比其他材料散發(fā)出更多的納米顆粒，例如ABS，其在250°C-270°C 范圍比PLA,PEEK 及其他大部分材料釋放的細(xì)顆粒物多出50%-100%。與大氣PM2.5 污染一樣，這些3D 打印產(chǎn)生的細(xì)顆粒物也會(huì)帶來多種危害，包括但不限于：

1.引發(fā)呼吸道阻塞或炎癥。研究現(xiàn)實(shí)，PM2.5 及以下的微粒，75%在肺泡內(nèi)沉積，我們可以想象，眼睛里進(jìn)了沙子，眼睛會(huì)發(fā)炎。呼吸系統(tǒng)的深處，也是一個(gè)敏感環(huán)境，細(xì)顆粒物作為異物長期停留在呼吸系統(tǒng)內(nèi)，同樣會(huì)讓呼吸系統(tǒng)發(fā)炎。2.致病微生物、化學(xué)污染物、油煙等“搭車”進(jìn)入體內(nèi)致癌。除了自己干壞事，PM2.5 還像一輛輛可以自由進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的小車，其它治病的物質(zhì)如細(xì)菌、病毒，“搭車”進(jìn)入呼吸系統(tǒng)深處，造成感染。流行病學(xué)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，城市大氣顆粒物中的多環(huán)芳烴與居民肺癌的發(fā)病率和死亡率相關(guān)。多環(huán)芳烴進(jìn)入人體的過程中，細(xì)顆粒物扮演了順風(fēng)車的角色，達(dá)其中的大多數(shù)多環(huán)芳烴吸附在顆粒物的表面，尤其是直徑在5毫米以下的顆粒物上，大顆粒物上的多環(huán)芳烴很少。

處理方法：

操作時(shí)避免站在打印機(jī)附近或上方。將噴嘴溫度設(shè)置在建議溫度范圍的下限，同時(shí)又不會(huì)降低打印質(zhì)量。使用3D 打印機(jī)制造商特別推薦的材料。購買安全的3D 打印設(shè)備和材料。

此外，美國國家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）建議：

在打印機(jī)附近放置裝有高效微?？諝猓℉EPA）過濾的局部排氣通風(fēng)系統(tǒng)。使用通風(fēng)的機(jī)殼，或者密閉空間。將打印機(jī)放在通風(fēng)櫥，或排到外面的通風(fēng)孔。制定一套標(biāo)準(zhǔn)操作程序以減少暴露的可能性。禁止在打印車間附近飲食。使用個(gè)人防護(hù)設(shè)備，例如防熱手套或耐化學(xué)手套，安全眼鏡或面罩，實(shí)驗(yàn)室工作服或工作服等。適當(dāng)時(shí)考慮使用呼吸防護(hù)設(shè)備。

五、材料毒性

安全風(fēng)險(xiǎn)：3D 打印機(jī)多采用光敏樹脂作為成型材料或者支撐材料（SLA 陶瓷3D打印機(jī)），在初始狀態(tài)和加工過程以至成型后都有一定的毒性產(chǎn)生。樹脂的相對分子質(zhì)量越小，極性毒性越大。即低相對分子質(zhì)量的樹脂比高相對分子質(zhì)量的毒性大。在生產(chǎn)環(huán)境中對與人體的影響主要是吸入，接觸及誤食。癥狀有丘疹，紅斑、流淚、食欲不振、嘔吐等等。如果長期接觸人的中樞神經(jīng)和免疫系統(tǒng)也會(huì)受到影響。

處理方法：

在保存打印樹脂時(shí)注意密閉，防止揮發(fā)，已開封的樹脂材料一次如用不完可以使用透明膠帶或保鮮膜對瓶口加以密封。在使用樹脂打印機(jī)以及后處理過程時(shí)，注意帶上安全手套，有條件的需配備全封閉護(hù)目鏡以及符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的過濾口罩。

六、激光

安全風(fēng)險(xiǎn)：很大部分3D 打印機(jī)使用激光作為成型光源，對成型材料進(jìn)行光固化或者燒結(jié)。打印過程中如不慎直視光源或者經(jīng)過振鏡折射的光源或被其照射，如果超出一類激光的安全界限，容易引發(fā)安全事故。容易造成灼傷，失明或其他眼部損傷。

處理方法：

有激光器的打印機(jī)應(yīng)在明顯處張貼相應(yīng)的安全警示標(biāo)貼。操作人員應(yīng)當(dāng)佩戴相應(yīng)波長和OD 值的防護(hù)眼鏡。激光打印機(jī)工作場所應(yīng)使用防輻射窗簾及激光防護(hù)窗戶。

以上是6 點(diǎn)常規(guī)的3D 打印過程中風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域，伴隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，3D 打印途徑和設(shè)備的不斷迭代，相信新的安全隱患會(huì)不斷產(chǎn)生。所以安全生產(chǎn)是一個(gè)長期過程，不能因?yàn)楝F(xiàn)階段工作做的比較扎實(shí)而放松警惕，必須做到與時(shí)俱進(jìn)，不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，了解新功能，制定新的安全方案并加以落實(shí)。畢竟，安全就是一切，一切為了安全。