Fraunhofer WKI brengt fijnstof- en gasemissie FDM printen in kaart

Is een 3D filamentprinter op je bureau wel een goed idee? Komen er niet te veel fijnstof en gassen vrij bij het smelten van plastic? Het Fraunhofer WKI deed onderzoek naar fijnstof en gasemissie FDM printen. Ze hebben met meerdere materialen 4 uur geprint. Wat zijn de conclusies?

 

Jaren geleden heeft het RIVM in Nederland in een studie al eens gewaarschuwd voor de mogelijke effecten als je niet verantwoord omgaat met een FDM printer. Dat rapport verscheen in een periode waarin iedereen nog verwachtte dat de consument massaal thuis zou gaan printen. Daar zat toen de bezorgdheid van het instituut. Echt metingen hebben toen niet plaatsgevonden. Dat hebben de onderzoekers van het Fraunhofer WKI wel gedaan. Het is overigens een onderzoeksinstituut voor de houtindustrie.

Duits onderzoek toont wel emissies aan, maar geen risico’s

Wat hebben ze gemeten en hoe?

Zij hebben een testopstelling gebouwd, 3D geprint met materialen uiteenlopend van ABS, PETG tot en met HIPS. Filamenten met een printtemperatuur van 240 tot 290 graden C. Tegelijkertijd hebben ze een aantal zaken gemeten, zoals de hoeveelheid fijnstof die vrijkomt en de emissie van vluchtige stoffen. Volgens de onderzoekers hebben zij voor het eerst aangetoond dat er weliswaar grote verschillen bestaan tussen de materialen, maar dat je een verhoogde concentratie fijnstof (Particle Number Concentration) wel kunt meten in bepaalde situaties. De 3D printer die ze hiervoor hebben gebruikt, is een Zortrax M200, met gesloten zijkanten maar aan de bovenkant open. Voor de metingen zelf hebben ze de 3D printer in een roestvrij stalen gesloten container van 3 m3 geplaatst. De instromende lucht is gefilterd.

Concentratie partikels verschilt per materiaal

Wat hebben ze nu kunnen vaststellen? Allereerst dat de deeltjes groter zijn als de 3D printer net is ingeschakeld. Waarschijnlijk komt dit door het restfilament dat nog in de nozzle zit. Bij ABS neemt de partikel grootte toe van 11 nm tot 30 nm binnen 20 minuten. Bij HIPS nam de grootte toe tot 41 nm en bij glasgevuld filament zelfs tot 82 nm. De deeltjes die vrijkomen zijn beweeglijk en beginnen te verdampen bij een temperatuur van 150 graden C. Bij 300 graden nozzle temperatuur bleef 25% ervan binnen de afmetingen van 11 nm. Start het 3D printproces, dan neemt de concentratie van deeltjes snel toe. Zo’n half uur voordat de printjob (4 uur in totaal) klaar was, begon het aantal partikels af te nemen. De hoogste concentratie werd gemeten tijdens het 3D printen met ASA en PCABS, lagere concentraties bij HIPS en PETG. Het verschil in concentratie van deeltjes kan oplopen tot een factor twee. De meeste partikels die gemeten zijn, betreffen semi-vluchtige organische samenstellingen.

Grote verschillen in concentratie VOC

Het tweede dat de onderzoekers hebben onderzocht is de emissie van VOC’s (vluchtige organische stoffen). De meeste concentraties die gemeten zijn, blijven onder de 100 ng/cm3. Daarnaast hebben ze verschillende cyclosiloxaan varianten gemeten. Deze komen waarschijnlijk vrij uit de smeermiddelen op de assen wanneer het printbed wordt verwarmd. Deze aanname wordt bevestigd door het feit dat tijdens het 3D printen de concentratie laag blijft. De gemeten concentraties VOC’s verschillen sterk. De laagste concentraties komen vrij bij 3D printen met onder andere PETG-filament; de hoogste bij een ABS-achtig filament. Dat verschil is een factor 20. Het meest gemeten werd Styreen, gevolgd door benzaldehyde en ethylbenzeen.

Meer onderzoek nodig

De conclusie die de onderzoekers van het Fraunhofer WKI trekken is dat de 3D printtechnologie en de chemische samenstelling van het filament nog geoptimaliseerd moeten worden wat betreft de uitstoot van partikels en gassen.

Hier kun je het wetenschappelijk artikel over dit onderzoek nalezen.

FOTO: Hybrid AM Systems bouwt standaard een industriële afzuigunit met filter in de FDM printers.  Ook andere fabrikanten passen filters toe, maar standaard is dat nog niet.