3D打印機(jī)ABS超微顆粒物處理裝置＊

謝 凡，陳子軒，周皓宇

（武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景

3D打印技術(shù)作為當(dāng)今快速成型技術(shù)的一種，使得桌式3D打印機(jī)在辦公場(chǎng)所、學(xué)校以及家庭越來(lái)越普及。截至目前為止，大部分3D打印機(jī)，特別是針對(duì)消費(fèi)者設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)大多采用熔絲加工的積層制造技術(shù)，即通過(guò)用高溫將各種線材塑料融化再一層一層累加之后冷卻凝固而完成一個(gè)實(shí)體。這種桌式3D打印機(jī)的打印原料是生活中常見(jiàn)的各種熱塑型塑料，目前ABS塑料（丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物）是3D打印材料中應(yīng)用十分普遍的一種材質(zhì)。然而研究表明，在桌式3D打印機(jī)運(yùn)行的這個(gè)高溫融化塑料過(guò)程中會(huì)釋放出大量超微顆粒物（簡(jiǎn)稱(chēng)UFP），3D打印機(jī)已被視為室內(nèi)空氣污染源之一。

如圖1所示，用ABS打印時(shí)，3D打印機(jī)不停發(fā)射高濃度超微顆粒物，在打印過(guò)程中超微顆粒物的排放率數(shù)量積達(dá)到個(gè)/分鐘。

圖1 以ABS為原料的3D打印機(jī)隨時(shí)間改變的UFP發(fā)射率

ABS超微顆粒物是一種直徑小于0.1μm的顆粒物，比PM2.5更細(xì)小。通過(guò)呼吸進(jìn)入人體的超微顆粒物會(huì)沉積在肺部，一部分會(huì)穿透肺泡和血管進(jìn)入血液循環(huán)而到達(dá)全身各處。已有研究表明，熱塑性塑料的熱分解過(guò)程所產(chǎn)生的高濃度超微顆粒物會(huì)對(duì)人的健康產(chǎn)生各種不利影響，如心臟病、肺部疾病等。

2 研究意義

ABS超微顆粒物正對(duì)桌式3D打印機(jī)使用者造成嚴(yán)重傷害，3D打印機(jī)的排放污染問(wèn)題亟待解決。3D打印機(jī)排放處理裝置能減少污染物的排放，減少操作者在使用桌式3D打印機(jī)時(shí)對(duì)排放污染物的吸收，很好地解決桌式3D打印機(jī)危害使用者健康問(wèn)題，具有良好的應(yīng)用前景。

3 設(shè)計(jì)方案

ABS超微顆粒物處理裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作流程如圖2和圖3所示，裝置分為3部分：①底層3D打印機(jī)工作室。打印機(jī)在封閉的工作室中工作，產(chǎn)生的ABS超微顆粒物只能向上進(jìn)入處理裝置。玻璃門(mén)可以開(kāi)關(guān)，便于放入、取出3D打印物品及3D打印機(jī)，在密封的同時(shí)保證使用者能看清內(nèi)部狀況。②中層ABS超微顆粒物處理裝置。利用紫外線降解和HEPA過(guò)濾網(wǎng)攔截，減少ABS超微顆粒物的排放。③頂層離心風(fēng)機(jī)及排放檢測(cè)裝置。利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓作為驅(qū)動(dòng)，使空氣和顆粒物一同向上運(yùn)輸。在排風(fēng)口利用光纖傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染物排放狀況。

3.1 紫外線降解箱

紫外線降解箱內(nèi)裝有低壓汞燈，外圍紫外線阻隔壁。選用優(yōu)等的石英玻璃、電子粉、汞等原材料制作出精準(zhǔn)的低壓汞燈，使其能量集中在185 nm，185 nm波長(zhǎng)的紫外線正好能有效地使ABS降解。紫外線降解ABS的原理是光敏作用。波長(zhǎng)為185 nm的紫外線具有很高的能量，且大多數(shù)碳?xì)浠衔飳?duì)185 nm波長(zhǎng)的紫外線具有較強(qiáng)的吸收能力。在波長(zhǎng)約為185 nm高能紫外線光束照射下，有機(jī)物分子鏈結(jié)構(gòu)將被裂解，降解轉(zhuǎn)變成低分子化合物，如CO2。

為了避免紫外線對(duì)人體造成的傷害，在發(fā)出紫外線的低壓汞燈外圍有紫外線阻隔壁。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 整體工作流程

3.2 HEPA過(guò)濾網(wǎng)

HEPA中文意思為高效空氣過(guò)濾器，達(dá)到HEPA標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)濾網(wǎng)，對(duì)于0.1μm和0.3μm的有效率達(dá)到99.7%，HEPA網(wǎng)的特點(diǎn)是空氣可以通過(guò)，但細(xì)小的微粒卻無(wú)法通過(guò)。容塵量大、過(guò)濾精度高，是煙霧、灰塵以及細(xì)菌等污染物最有效的過(guò)濾媒介。

3.3 離心風(fēng)機(jī)

離心風(fēng)機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠輸入的機(jī)械能提高氣體壓力并排送氣體。在本裝置中，利用離心風(fēng)機(jī)的排送氣體能力，將ABS超微顆粒物與空氣一同向上排送。

3.4 排放檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置安裝于離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排放狀況。該檢測(cè)裝置主要依靠光纖傳感器技術(shù)，傳感器中光探測(cè)器將來(lái)自光源的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處的光與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，然后成為被調(diào)制的信號(hào)源輸入信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)處理系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)會(huì)輸入到單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)控制著控制警報(bào)系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)ABS超微顆粒物超過(guò)濃度閾值，立即提醒使用者檢查設(shè)備。

3.5 可行性分析

3.5.1 技術(shù)可行性

3.5.1.1 紫外線降解裝置

由于短波長(zhǎng)紫外線光子能量高于大多數(shù)污染物質(zhì)分子內(nèi)部化學(xué)鍵的鍵能，所以可以通過(guò)紫外線光子對(duì)分子化學(xué)鍵的作用直接使其斷裂，從而達(dá)到分解的目的。

3.5.1.2 排放檢測(cè)裝置

由于光學(xué)方法的傳感技術(shù)靈敏度非常高，目前光纖傳感器已經(jīng)在高靈敏檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用串聯(lián)的納米光纖大大提高了傳感器的傳感面積和檢測(cè)效率；通過(guò)優(yōu)化光纖模式，研究人員實(shí)現(xiàn)了單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)納米顆粒的傳感和測(cè)量，粒徑分辨率達(dá)10 nm。因此，利用現(xiàn)有的光纖傳感技術(shù)，可以精確分辨出3D打印機(jī)排放空氣中的ABS超微顆粒物。

3.5.2 材料可行性

185 nm紫外線燈管應(yīng)用安全、穩(wěn)定。HEPA分PP濾紙、玻璃纖維、復(fù)合PPPET濾紙、熔噴滌綸無(wú)紡布和熔噴玻璃纖維五種材質(zhì)。這些用于制作HEPA過(guò)濾網(wǎng)的材質(zhì)均可以根據(jù)需要加工成各種尺寸和形狀。