FDM 3D打印有害氣體的處理裝置研究

房軍國，覃運(yùn)迎，陸銳立，黃健俊，肖嘉俊，安芬菊

（廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

3D打印是通過軟件、數(shù)控系統(tǒng)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方法來制造出實(shí)體物品的技術(shù)[1]。目前有關(guān)3D打印技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，但對于3D打印過程中產(chǎn)生的有害氣體對于人們的健康和環(huán)境污染的影響的相關(guān)研究較少。

FDM熔融沉積3D打印機(jī)的ABS打印材料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚而成的[2]，在高溫受熱過程中會(huì)產(chǎn)生有毒性的氣體，該物質(zhì)中主要含有對人體有害的苯乙烯和毒性較強(qiáng)的丙烯腈，如果操作者長期接觸會(huì)導(dǎo)致慢性中毒。目前，通常采用的防治措施主要是通風(fēng)或采用簡單活性炭吸附的方法。簡單活性炭吸附的方法雖然可以吸附部分有毒有害物質(zhì)，但由于沒有檢測，對多長時(shí)間該更換活性炭具有盲目性，所以仍有大量的有毒有害物質(zhì)散發(fā)并彌漫在打印環(huán)境中，對操作者的健康和環(huán)境造成危害。目前市面上未見能夠?qū)DM 3D打印機(jī)產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并及時(shí)清除或是減少有害氣體的裝置，因此進(jìn)行對FDM 3D打印ABS產(chǎn)生有害氣體的處理裝置的研究非常必要。

1 FDM 3D打印有害氣體處理裝置的組成

該處理裝置由主體裝置、配套氣體處理裝置組成（圖1為主體裝置爆炸圖，圖2為加裝了配套氣體處理裝置的爆炸圖），配套氣體處理裝置是多個(gè)主體裝置共用一個(gè)，下面介紹各部分的具體設(shè)計(jì)。

圖1 主體裝置爆炸圖

圖2 加裝了配套氣體處理裝置的爆炸圖

圖3 箱體組件爆炸圖

1.1 主體裝置

主體裝置由箱體組件、氣體處理組件、控制組件組成。

1.1.1 箱體組件

箱體組件部分如圖3所示，主要包括零件箱體前蓋1、箱體前板4、箱體后板9、箱體右板8、箱體左板11、箱體頂蓋7、箱體底座10。箱體前板4通過磁吸密封條2和3與前蓋1進(jìn)行箱體貼合密封，通過前蓋1的開合便可以實(shí)現(xiàn)打印完成零件的取出和箱體的密封；箱體頂蓋7通過磁吸密封條5和6與箱體貼合連接，通過箱體頂蓋7的開合便可實(shí)現(xiàn)打印機(jī)的更換和維修、打印耗材的更換、打印機(jī)的啟動(dòng)、過濾器12的更換等。裝置內(nèi)物件的零部件更換主要通過箱體頂蓋7的開啟來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)不用更換部件正常工作時(shí)，磁吸密封條緊緊吸住從而保證打印過程中產(chǎn)生的有害氣體不泄漏出去。

1.1.2 氣體處理組件

氣體處理結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括氣體隔板13、密封條14、過濾器12、氣體循環(huán)處理管15。氣體隔板13與密封條14連接將主箱體內(nèi)部隔離成兩部分即形成左右兩個(gè)空腔（如圖4），氣體隔板13的左邊部分即左腔用于放置打印機(jī)和封存高濃度有害氣體，右腔用于暫時(shí)存放處理后濃度較低的有毒氣體；左腔與右腔通過氣體循環(huán)處理管15進(jìn)行連接，過濾器12通過吸力從左腔吸取高濃度的有毒氣體并將過濾后的低濃度有害其體排到右腔。過濾器12通過氣體循環(huán)處理管15在左腔與右腔中形成強(qiáng)制對流，使得氣體中的有害顆粒不斷吸附在過濾器12上，從而達(dá)到氣體處理的效果。

1.1.3 控制組件

控制組件如圖4所示，包括報(bào)警、電路控制裝置16、氣體檢測頭17。為了避免過濾器12產(chǎn)生的強(qiáng)制對流對打印造成影響，該FDM 3D打印有害氣體及煙塵處理裝置選擇打印結(jié)束后再對有害氣體進(jìn)行處理的方法。當(dāng)打印結(jié)束后打印機(jī)發(fā)出聲音信號(hào)提醒后，報(bào)警、電路控制裝置16啟動(dòng)氣體檢測頭17，通過氣體檢測頭17不斷檢測有害氣體的濃度。

該主體裝置的控制工作模式有如下幾種。

1）氣體檢測頭17檢測到的濃度值一開始低于預(yù)設(shè)值。

氣體檢測頭17發(fā)送電信號(hào)給報(bào)警、電路控制裝置16，報(bào)警、電路控制裝置16打開警報(bào)并亮綠燈提醒打印者氣體已經(jīng)處理完畢。

2）氣體檢測頭17檢測到的濃度值高于預(yù)設(shè)值，過濾器12啟動(dòng)一段時(shí)間后氣體檢測頭17檢測的濃度值低于預(yù)設(shè)值。

氣體檢測頭17發(fā)送電信號(hào)給報(bào)警、電路控制裝置16，報(bào)警、電路控制裝置16啟動(dòng)過濾器12，待氣體檢測頭17檢測的濃度值低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警、電路控制裝置16打開警報(bào)并亮綠燈，提醒打印者氣體已經(jīng)處理完畢。

3）氣體檢測頭17檢測到的濃度值高于預(yù)設(shè)值，過濾器12啟動(dòng)后氣體檢測頭17檢測的濃度值很長一段時(shí)間保持不變并一直無法低于預(yù)設(shè)值。

氣體檢測頭17發(fā)送電信號(hào)給報(bào)警、電路控制裝置16，報(bào)警、電路控制裝置16啟動(dòng)過濾器12，當(dāng)氣體檢測頭17檢測的濃度值很長一段時(shí)間保持不變并一直無法低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警、電路控制裝置16打開警報(bào)并亮紅燈提醒打印者過濾器12的濾網(wǎng)已經(jīng)飽和，無法繼續(xù)處理氣體，需在氣體循環(huán)處理管15那里接上該裝置的配套氣體處理裝置，進(jìn)行剩下的氣體處理。接上配套氣體處理裝置后，氣體檢測頭17檢測的濃度值很長一段時(shí)間保持不變并一直無法低于預(yù)設(shè)值時(shí)，更換配套氣體處理裝置的濾網(wǎng)；氣體檢測頭17檢測的濃度值低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警、電路控制裝置16打開警報(bào)并亮綠燈，提醒打印者氣體已經(jīng)處理完畢并及時(shí)更換主設(shè)備過濾器12中的濾網(wǎng)。

1.2 配套氣體處理裝置

配套氣體處理裝置如圖5所示，主要包括過濾器18、氣體循環(huán)處理管道接口19和20。配套氣體處理裝置是多個(gè)設(shè)備共用一臺(tái)。當(dāng)主體裝置過濾器12中的濾網(wǎng)飽和時(shí)，將配套氣體處理裝置直接與氣體循環(huán)處理管15直接互換

便可以繼續(xù)過濾箱體內(nèi)未處理完的有毒氣體，避免了開蓋換過濾器12 的濾網(wǎng)時(shí)大量有毒氣體溢出對打印人員造成的危害。

2 有害氣體的檢測

2.1 檢測原理

如圖6所示，當(dāng)FDM 3D打印機(jī)打印ABS材料過程產(chǎn)生有害有毒氣體時(shí)，檢測、報(bào)警電路控制器通過向氣體探測器供電從而使探測器單元將采集到的氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[3]，并以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的形式發(fā)送給控制器單元，控制器單元接收探測器單元傳上來的電信號(hào)，經(jīng)過處理、邏輯分析，以數(shù)字顯示、聲光報(bào)警的方式反映出來，并驅(qū)動(dòng)過濾器，使得過濾器上的活性炭吸附有毒有害氣體。

圖6 有害氣體檢測原理框圖

2.2 檢測流程

1）檢測、報(bào)警電路控制器與氣體探測器接線。

圖7所示為檢測、報(bào)警電路控制器與氣體探測器的接線原理圖。氣體探測器與檢測、報(bào)警電路控制器要正確連接，即用三芯線將檢測、報(bào)警電路控制器與氣體探測器上相同字樣的端子“24 V”、“S”、”GND”一一對應(yīng)連接起來。檢查電源線及各接線端子連接準(zhǔn)確無誤之后開啟電源開關(guān)[4]。當(dāng)圖8所示的檢測、報(bào)警電路控制器面板上的電源指示燈2亮起，然后LED數(shù)顯屏1上開始60 s倒計(jì)時(shí)，待倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，檢測、報(bào)警電路控制器進(jìn)入正常檢測狀態(tài)。

圖7 檢測、報(bào)警電路控制器與氣體探測器的接線原理圖

2）檢測、報(bào)警電路控制器與氣體探測器的調(diào)試。

開啟電源后，檢測、報(bào)警電路控制器面板（如圖8）的電源指示燈2亮起，然后LED數(shù)顯屏1上開始60 s倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。然后在檢測、報(bào)警電路控制器面板上調(diào)好報(bào)警模式并設(shè)定好預(yù)想的低報(bào)值和高報(bào)值，設(shè)定好所有的數(shù)據(jù)后返回主機(jī)面板的開機(jī)頁面，然后按上鍵/自檢11及確認(rèn)鍵10進(jìn)入自檢狀態(tài)，LED數(shù)顯屏1顯示低報(bào)設(shè)定值，低報(bào)指示燈4亮起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；LED數(shù)顯屏1顯示高報(bào)設(shè)定值，高報(bào)指示燈5亮起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。隨后，故障指示燈3亮起，且蜂鳴器發(fā)出鳴叫。自檢完畢，返回正常檢測狀態(tài)。在調(diào)試過程中如果要消除報(bào)警聲音，則單擊下鍵/消音12。

圖8 檢測、報(bào)警電路控制器面板圖

3）檢測、報(bào)警電路控制器與氣體探測器的測試。

在FDM3D打印機(jī)開始打印ABS材料時(shí)，開啟檢測、報(bào)警電路控制器的電源，等氣體濃度達(dá)到低報(bào)值，低報(bào)指示燈4亮起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)時(shí)，輸出一指示燈6亮起，驅(qū)動(dòng)過濾器12進(jìn)行過濾，使過濾器中的活性炭吸附打印ABS材料過程中產(chǎn)生的有害有毒氣體，凈化后的氣體則通過氣體循環(huán)處理管進(jìn)行循環(huán)。若有毒有害氣體濃度達(dá)到高報(bào)值，高報(bào)指示燈亮5起，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)時(shí)，則是提醒濃度過高，需要更換過濾器中的活性炭。此時(shí)可以按輸出一手控7來停止外接設(shè)備過濾器12運(yùn)行。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)所用裝置為設(shè)計(jì)自制的FDM 3D打印有害氣體處理裝置，其外觀如圖9所示，其內(nèi)部放置桌面型3D打印機(jī)后的內(nèi)部配置圖如圖10所示。試驗(yàn)的目的是測試本氣體處理裝置的主裝置對苯乙烯氣體的處理能力，驗(yàn)證該設(shè)備是否具有可行性。

圖9 主裝置外觀圖

圖10 主裝置內(nèi)部配置圖

本次實(shí)驗(yàn)打印的實(shí)驗(yàn)樣品為使用FDM熔融沉積3D打印機(jī)打印一個(gè)材料為ABS、質(zhì)量為10 g的立方體，每次打印將耗時(shí)40 min。

打印前測得未蓋上蓋暴露在空氣中的主裝置內(nèi)部苯乙烯平均初始濃度為26 mg/L。實(shí)驗(yàn)探頭在通風(fēng)透氣的環(huán)境中，測得顯示數(shù)據(jù)為3 mg/L。箱體內(nèi)壁材料會(huì)吸附少量的苯乙烯，所以應(yīng)該定時(shí)用酒精等有機(jī)溶劑清洗箱體內(nèi)壁。

1）驗(yàn)證過濾裝置的氣密性。

實(shí)驗(yàn)通過在未開啟過濾功能的情況下檢測高濃度的苯乙烯在過濾裝置內(nèi)隨時(shí)間的增長而降低的速率，驗(yàn)證該過濾裝置對苯乙烯氣體是否具備氣密性。

蓋上過濾裝置的蓋子，在沒有開啟過濾裝置的情況下進(jìn)行打印，完成打印后。在不打開箱體的情況下，在室溫25 ℃開有風(fēng)扇空調(diào)的室內(nèi)靜置30 min，并每隔5 min觀察記錄苯乙烯濃度的變化情況，如表1所示。

表1 未開啟過濾裝置時(shí)苯乙烯濃度隨時(shí)間變化表

由表1可知，在沒有開啟過濾裝置的情況下靜置30 min過程中，由于冷卻的原因，苯乙烯濃度會(huì)快速下降到79 mg/L左右并保持苯乙烯濃度在較長時(shí)間內(nèi)不改變，所以該過濾裝置能夠有效地阻隔苯乙烯氣體的擴(kuò)散。在去除過濾裝置的影響時(shí)，由過濾裝置泄漏引起的苯乙烯濃度變化極小，該過濾裝置的氣密性良好。

2）驗(yàn)證過濾裝置對苯乙烯氣體處理能力。

實(shí)驗(yàn)通過對比打印機(jī)工作時(shí)是否開啟過濾功能的兩種情況中苯乙烯濃度的變化，驗(yàn)證過濾裝置對苯乙烯氣體的處理能力。

打開過濾裝置的蓋子，待過濾裝置內(nèi)部的苯乙烯濃度降回到26 mg/L左右的時(shí)候。蓋上過濾裝置蓋子，重新進(jìn)行打印，每隔5 min記錄主裝置顯示的苯乙烯濃度；開啟過濾裝置的過濾功能并重復(fù)以上步驟，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 啟動(dòng)過濾裝置前后苯乙烯濃度隨時(shí)間變化表mg/L

3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

通過表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條插值處理，得到圖11苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線，斜率變化比較大的曲線2是開啟過濾裝置后苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線。

圖11 有無開啟過濾裝置下苯乙烯的濃度隨時(shí)間變化圖

未開啟過濾裝置時(shí)，由苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線可知，40 min后過濾裝置內(nèi)的氣體濃度上升到86 mg/L，總上升量為60 mg/L。數(shù)據(jù)表明，人持續(xù)3 a吸入濃度為50～600 mg/L的苯乙烯會(huì)出現(xiàn)頭暈、頭痛、輕度視野縮小、多發(fā)性神經(jīng)炎、神經(jīng)傳導(dǎo)速度低下等癥狀；人持續(xù)2 a吸入濃度為40～130 mg/L的苯乙烯會(huì)出現(xiàn)頭痛倦怠、72%腦電波異常、中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙等癥狀[5]。因此，如未對使用ABS材料的3D打印中產(chǎn)生的苯乙烯進(jìn)行有效地處理會(huì)對工作人員的身體健康造成傷害。

開啟過濾裝置后，苯乙烯濃度隨時(shí)間變化的曲線上漲速率明顯比未開啟過濾裝置時(shí)平緩，并且在20 min左右達(dá)到峰值且保持平衡，峰值為40 mg/L，總上升量為14 mg/L，比未開啟過濾裝置時(shí)下降76.67%。可見，開啟過濾裝置能夠有效地降低使用ABS材料的3D打印中苯乙烯濃度，且此時(shí)箱體仍處在密閉環(huán)境，繼續(xù)保持過濾裝置處于開啟狀態(tài)能夠進(jìn)一步降低箱體內(nèi)的苯乙烯的濃度。

4）驗(yàn)證打印后靜置吸收苯乙烯的能力。

在打印結(jié)束后，繼續(xù)保持箱體密封情況下，開啟過濾裝置，觀測苯乙烯濃度的下降速率，可進(jìn)一步研究過濾裝置對苯乙烯的吸收情況。

在室溫25 ℃開空調(diào)的室內(nèi)開啟過濾裝置靜置30 min，并每隔5 min觀察記錄的苯乙烯濃度的變化情況如表3所示。由表3可知，在打印結(jié)束后，繼續(xù)保持箱體密封情況下，開啟過濾裝置靜置10 min可以將箱體內(nèi)的苯乙烯濃度降到最低值30 mg/L，但由于苯乙烯測量頭的靈敏度誤差以及箱體內(nèi)壁會(huì)吸附一部分的苯乙烯氣體，所以無法將其降回原始值。

表3 啟動(dòng)過濾裝置前后苯乙烯濃度隨時(shí)間變化表

4 結(jié)語

試驗(yàn)證明該裝置擁有較好的氣密性和過濾能力，能夠有效處理有害氣體，避免有害氣體對工作人員的危害，減少有害氣體的流散導(dǎo)致對環(huán)境的污染破壞。但過濾時(shí)間過長是主體裝置存在的主要問題，這是由于試驗(yàn)采用的過濾器功率較低，提供的過濾能力不足影響了實(shí)驗(yàn)的過濾速度，后期裝置改進(jìn)中可根據(jù)具體需求更換更大功率的過濾器來提高過濾速度和過濾質(zhì)量。