FFF-3D-Drucker sind eine Hauptquelle für flüchtige organische Verbindungen und ultrafeine Partikel, die beide gesundheitsschädlich sein können. Auch wenn dies je nach Filamenttyp stark variieren kann, ist es dennoch ratsam, die Belastung durch 3D-Drucker-Emissionen zu reduzieren. Es gibt immer mehr Forschungsarbeiten, die die Emissionen von 3D-Druckerfilamenten miteinander vergleichen.

Die Zahl der Studien zu den Emissionen von 3D-Druckern ist immer noch relativ gering und hat bis vor kurzem nur die grundlegenden Filamenttypen wie PLA und ABS1 untersucht. PLA ist relativ unbedenklich, da es größtenteils aus unbedenklichen Bestandteilen besteht. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) gibt, wie der Name schon sagt, beim Erhitzen große Mengen an Styrol ab. Kaum eine Studie hat diese Filamenttypen mit den moderneren Alternativen auf dem Markt verglichen. Mich hat vor allem die Leistung von PETG interessiert, und ich habe diese Studie gefunden, die einen genaueren Blick darauf wirft.

Gemessen wurden die Partikelgrößenverteilung (PSD), die Partikelanzahlkonzentration (PNC), die chemische Zusammensetzung der Partikel und die Flüchtigkeit der Partikel. Außerdem wurden die flüchtigen und sehr flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs und VVOCs) analysiert, die beim 3D-Druck entstehen.2

Die Ergebnisse waren ziemlich interessant. Hier sind die Arten von Filamenten, die getestet wurden:

  • ABS – Acrylnitril-Butadien-Styrol
  • ULTRAT – Acrylnitril-Butadien-Styrol + 0-3% Polycarbonat
  • ASA – Acrylnitril-Styrol-Acrylat
  • HIPS – Hochschlagfestes Polystyrol
  • PETG – Polyethylenterephthalat-Glykol
  • GLASS – 80% PETG + 8-12% Glasfaserspäne
  • PCABS – 30-35% Polycarbonat + 55-65% ABS
  • ESD – PETG + leitfähige Additive auf Kohlenstoffbasis

Bemerkenswert sind zwei Dinge. Erstens, dass Styrol ein üblicher Bestandteil von 3D-Druckerfilament ist, und zweitens, dass kein PLA enthalten ist. Letzteres lässt sich wahrscheinlich dadurch erklären, dass frühere Studien das Emissionsprofil von PLA bereits hinreichend ermittelt haben. Trotzdem ist es etwas enttäuschend, da es direkte Vergleiche erschwert.

Partikelemissionen

Feinstaubemissionen (0,3-10 µm)

Als Erstes haben wir die Menge der Partikelemissionen, die von den verschiedenen Filamenten erzeugt werden. Die Messungen wurden mit zwei verschiedenen Geräten und somit in zwei verschiedenen Größenordnungen durchgeführt. Die Anzahl der erzeugten Partikel zwischen 0,3 – 10 µm war relativ gering:

Bild10 - 3D-Drucker-Emissionen der gängigen Filamenttypen im Vergleich
Partikelemissionen (0,3-10 µm)

Aufgrund ihrer geringen Größe können Partikel in der Größenordnung von 10 Mikrometern oder weniger (Grobstaub, PM10) in den tiefsten Teil der Lunge, wie die Bronchiolen oder Alveolen, eindringen. Wenn Asthmatiker diesen Bedingungen ausgesetzt sind, kann dies eine Bronchialverengung auslösen.3

Vor allem die langfristige Exposition gegenüber diesen Partikeln sollte vermieden werden. Deshalb wird allgemein empfohlen, 3D-Drucker nur in gut belüfteten Räumen zu betreiben. Das ist die einfachste und kostengünstigste Methode, um die Gesamtzahl der Feinstaubpartikel in der Luft zu reduzieren. Es gibt mehrere Alternativen, z. B. den Betrieb des 3D-Druckers in einem Gehäuse oder die Filterung der Luft innerhalb des Gehäuses oder des Raums, in dem der 3D-Drucker steht, durch ein Luftfiltersystem.

Ultrafeine Partikelemissionen (5,6-560 nm)

Die zweite Kategorie von Partikelemissionen ist die der ultrafeinen Partikel. Diese liegen zwischen 5,6 und 560 nm.

Bild11 - 3D-Drucker-Emissionen der gängigen Filamenttypen im Vergleich
Partikelemissionen (5,6-560 nm)

Auch das Einatmen von ultrafeinen Partikeln sollte vermieden werden, vor allem wenn du an verschiedenen Formen von Lungenkrankheiten leidest.

Die Hauptexposition gegenüber UFP erfolgt durch Einatmen. Aufgrund ihrer Größe gelten UFP als lungengängige Partikel. Im Gegensatz zu PM10 und PM2.5, die eingeatmet werden, lagern sich ultrafeine Partikel in der Lunge ab, wo sie in das Gewebe eindringen und eine Interstitialisierung durchlaufen oder direkt in den Blutkreislauf aufgenommen werden können – sie werden also nicht so leicht aus dem Körper entfernt und können eine unmittelbare Wirkung haben. Die Exposition gegenüber UFPs kann, selbst wenn die Bestandteile nicht sehr giftig sind, oxidativen Stress und die Freisetzung von Entzündungsmediatoren verursachen und Herz- und Lungenerkrankungen sowie andere systemische Auswirkungen hervorrufen.2

Diese Arten von Partikeln sind aufgrund ihrer Größe schwieriger aus der Luft zu filtern, aber HEPA-Filter können ihre Anzahl dennoch reduzieren, insbesondere wenn die kontaminierte Luft wiederholt durch das Filtermedium geleitet wird.4

Partikel-spezifische Emissionsrate (SER)

Die SER basiert auf der Emission von Partikeln im Größenbereich von 5,6-560 nm.

Bild1 - 3D-Drucker-Emissionen der gängigen Filamenttypen im Vergleich
Partikel-spezifische Emissionsrate

VOC-Emissionen

VOCs, oder flüchtige organische Verbindungen, sind an sich nicht gefährlich oder problematisch. Die meisten Gerüche sind tatsächlich VOCs. Das heißt aber nicht, dass sie nicht gefährlich sein können. Atemwegs-, Allergie- oder Immuneffekte bei Säuglingen und Kindern werden mit künstlich hergestellten VOCs und anderen Innen- oder Außenluftschadstoffen in Verbindung gebracht. Einige VOCs wie Styrol und Limonen können mit Stickstoffoxiden oder mit Ozon reagieren, um neue Oxidationsprodukte und sekundäre Aerosole zu erzeugen, die sensorische Reizsymptome hervorrufen können.5

Der 3D-Druck mit PETG und GLAS wurde mit geringen TVOC-Emissionen in Verbindung gebracht, während bei ULTRAT, ASA und ABS hohe Emissionsraten festgestellt wurden. Die am häufigsten vorkommende VOC war Styrol für die meisten Filamente außer PETG-basierten Filamenten (PETG, GLASS und ESD). Darüber hinaus wurden in den acht Filamenten Benzaldehyd (8-mal), Acetophenon (6-mal), Ethylbenzol (5-mal), Toluol (5-mal) und andere C3-Benzole (5-mal) nachgewiesen.2

Da Styrol ein Hauptbestandteil von ABS- und ASA-basierten Filamenten ist, kommt es beim Drucken unweigerlich zu einer erhöhten Emission dieser VOC.

Bild2 - 3D-Drucker-Emissionen der gängigen Filamenttypen im Vergleich
Emission von VOC

Interessanterweise wiesen selbst Filamente, die auf demselben Material basieren (einfaches ABS und ULTRAT), unterschiedliche Emissionsmengen auf, wenn auch unter verschiedenen Druckbedingungen:

Filamente, die die gleichen Basispolymere haben, können unterschiedliche VOC-Emissionsprofile aufweisen: So basieren ABS und ULTRAT hauptsächlich auf ABS-Polymer, und während die Hauptmonomere Styrol und Acrylnitril häufig nachgewiesen wurden, unterschieden sich sowohl die TVOC-Emissionsraten als auch andere wichtige VOCs. Die Drucktemperaturen von ABS und ULTRAT sind ebenfalls unterschiedlich (275 °C vs. 260 °C). Daher kann keine Aussage darüber getroffen werden, ob der feine Unterschied in der Filamentzusammensetzung, die Drucktemperaturen oder andere undefinierte Faktoren zu den unterschiedlichen VOC-Emissionen beitragen. Das Gleiche gilt für PETG und ESD, die beide auf PETG basieren.2

Dies könnte darauf hindeuten, dass viele andere „Spezialmischungen“ von Filamenten mehr VOC-Emissionen verursachen können. Das liegt wahrscheinlich an Zusatzstoffen wie Stabilisatoren, Schmiermitteln, Mineralölen, Antioxidantien und Farbstoffen. Am bemerkenswertesten ist wiederum die Leistung von PETG, das nur Spuren von VOCs enthält.

VOC können mit Aktivkohlefiltern gefiltert werden.6 Diese Filter sind normalerweise eine der Filterstufen in den meisten Luftfiltersystemen und sehr effizient. Beachte aber, dass sie mit der Zeit ihre Wirksamkeit verlieren, da sie gesättigt sind. Deshalb ist es notwendig, sie regelmäßig auszutauschen.

Fazit

Auch wenn es unwahrscheinlich ist, dass der 3D-Druck direkt gesundheitsschädlich ist, sollten dennoch Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, vor allem, wenn du einer langfristigen Belastung ausgesetzt bist. Das gilt vor allem, wenn du mit den schädlicheren Filamenttypen druckst, vor allem solchen, die Styrol als Hauptbestandteil haben. Glücklicherweise scheint PETG heutzutage eine brauchbare Alternative zu vielen ABS-basierten Filamenten zu sein. Seine Eigenschaften entsprechen oder übertreffen nicht nur die von ABS, sondern sein Emissionsprofil ist auch viel weniger gefährlich.

Unabhängig davon, für welches Filament du dich entscheidest, solltest du beim 3D-Drucken immer die üblichen Sicherheitsvorkehrungen treffen.

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