3D打印機ABS超微顆粒物處理裝置＊

謝 凡，陳子軒，周皓宇

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景

3D打印技術作為當今快速成型技術的一種，使得桌式3D打印機在辦公場所、學校以及家庭越來越普及。截至目前為止，大部分3D打印機，特別是針對消費者設計的3D打印機大多采用熔絲加工的積層制造技術，即通過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實體。這種桌式3D打印機的打印原料是生活中常見的各種熱塑型塑料，目前ABS塑料（丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物）是3D打印材料中應用十分普遍的一種材質。然而研究表明，在桌式3D打印機運行的這個高溫融化塑料過程中會釋放出大量超微顆粒物（簡稱UFP），3D打印機已被視為室內空氣污染源之一。

如圖1所示，用ABS打印時，3D打印機不停發射高濃度超微顆粒物，在打印過程中超微顆粒物的排放率數量積達到個/分鐘。

圖1 以ABS為原料的3D打印機隨時間改變的UFP發射率

ABS超微顆粒物是一種直徑小于0.1μm的顆粒物，比PM2.5更細小。通過呼吸進入人體的超微顆粒物會沉積在肺部，一部分會穿透肺泡和血管進入血液循環而到達全身各處。已有研究表明，熱塑性塑料的熱分解過程所產生的高濃度超微顆粒物會對人的健康產生各種不利影響，如心臟病、肺部疾病等。

2 研究意義

ABS超微顆粒物正對桌式3D打印機使用者造成嚴重傷害，3D打印機的排放污染問題亟待解決。3D打印機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打印機時對排放污染物的吸收，很好地解決桌式3D打印機危害使用者健康問題，具有良好的應用前景。

3 設計方案

ABS超微顆粒物處理裝置整體結構設計及工作流程如圖2和圖3所示，裝置分為3部分：①底層3D打印機工作室。打印機在封閉的工作室中工作，產生的ABS超微顆粒物只能向上進入處理裝置。玻璃門可以開關，便于放入、取出3D打印物品及3D打印機，在密封的同時保證使用者能看清內部狀況。②中層ABS超微顆粒物處理裝置。利用紫外線降解和HEPA過濾網攔截，減少ABS超微顆粒物的排放。③頂層離心風機及排放檢測裝置。利用風機產生的負壓作為驅動，使空氣和顆粒物一同向上運輸。在排風口利用光纖傳感器實時監測污染物排放狀況。

3.1 紫外線降解箱

紫外線降解箱內裝有低壓汞燈，外圍紫外線阻隔壁。選用優等的石英玻璃、電子粉、汞等原材料制作出精準的低壓汞燈，使其能量集中在185 nm，185 nm波長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。波長為185 nm的紫外線具有很高的能量，且大多數碳氫化合物對185 nm波長的紫外線具有較強的吸收能力。在波長約為185 nm高能紫外線光束照射下，有機物分子鏈結構將被裂解，降解轉變成低分子化合物，如CO2。

為了避免紫外線對人體造成的傷害，在發出紫外線的低壓汞燈外圍有紫外線阻隔壁。

圖2 整體結構設計

圖3 整體工作流程

3.2 HEPA過濾網

HEPA中文意思為高效空氣過濾器，達到HEPA標準的過濾網，對于0.1μm和0.3μm的有效率達到99.7%，HEPA網的特點是空氣可以通過，但細小的微粒卻無法通過。容塵量大、過濾精度高，是煙霧、灰塵以及細菌等污染物最有效的過濾媒介。

3.3 離心風機

離心風機由電機驅動，依靠輸入的機械能提高氣體壓力并排送氣體。在本裝置中，利用離心風機的排送氣體能力，將ABS超微顆粒物與空氣一同向上排送。

3.4 排放檢測裝置

檢測裝置安裝于離心風機出風口處，實時監測排放狀況。該檢測裝置主要依靠光纖傳感器技術，傳感器中光探測器將來自光源的光信號經過光纖送入調制器，使離心風機出風口處的光與進入調制區的光相互作用，然后成為被調制的信號源輸入信號處理系統。信號處理系統得到的數據會輸入到單片機內，單片機控制著控制警報系統，一旦發現ABS超微顆粒物超過濃度閾值，立即提醒使用者檢查設備。

3.5 可行性分析

3.5.1 技術可行性

3.5.1.1 紫外線降解裝置

由于短波長紫外線光子能量高于大多數污染物質分子內部化學鍵的鍵能，所以可以通過紫外線光子對分子化學鍵的作用直接使其斷裂，從而達到分解的目的。

3.5.1.2 排放檢測裝置

由于光學方法的傳感技術靈敏度非常高，目前光纖傳感器已經在高靈敏檢測領域得到了廣泛應用。利用串聯的納米光纖大大提高了傳感器的傳感面積和檢測效率；通過優化光纖模式，研究人員實現了單個標準納米顆粒的傳感和測量，粒徑分辨率達10 nm。因此，利用現有的光纖傳感技術，可以精確分辨出3D打印機排放空氣中的ABS超微顆粒物。

3.5.2 材料可行性

185 nm紫外線燈管應用安全、穩定。HEPA分PP濾紙、玻璃纖維、復合PPPET濾紙、熔噴滌綸無紡布和熔噴玻璃纖維五種材質。這些用于制作HEPA過濾網的材質均可以根據需要加工成各種尺寸和形狀。