3D 打印機伴生風險及處理方法探究

彭鵬

（鄭州輕工業大學，河南 鄭州 450002）

一、燒傷

安全風險：大多數3D 打印機的工作溫度非常高，在廣泛使用的FDM 3D 打印機中，根據材料不同（PLAABSTPU 等)噴頭處溫度在210°C-250℃不等，如果使用PETG等特殊材質進行打印，噴頭溫度則會上探至310°C+，尼龍3D 打印機溫度相對稍低，處于210°C-240°C 區間。而金屬3D 打印機的溫度只會更高。

如圖所示，金屬3D 打印分預熱階段與加工階段，峰值溫度甚至可以達到7000°C，雖然大部分打印機都配有高溫檢測、過熱提醒、防誤觸等功能，但如果操作不當，安全規范執行不到位，依然會有很大燒傷，燙傷風險。此外，除了打印機的噴頭，激光器等熱源以外，熱床和打印件的溫度也值得警惕。

處理方法：

將3D 打印機放在孩童和無關人員不易接近的區域。在進行打印操作及相關后處理操作時使用鑷子、鏟子，夾子或帶上隔熱手套。對FDM 3D 打印機噴頭處進行隔熱處理，外敷包裹隔熱材料或采用水冷系統降溫。

二、夾傷或割傷

安全風險：3D 打印機作為傳統機械加工設備的延申與替代產品。雖機械成分已大幅減少，但仍存在大量的機械部件。根據成型方式的不同，打印機的運動系統主要包括光桿、同步齒形帶、滾珠絲桿、鋪粉軸、噴頭、激光發射器的三維步進系統等。在打印機工作時，打印機這些部件通過軟件代碼給出的X-Y-Z軸移動方向何移動距離、移動速度的要求進行移動。這些部件的機械運動原則上都會造成設備操作人員、使用者的夾傷，撞傷等傷害。現今大部分打印設備配備了人體監測及防碰撞組件，但因傳感器性能時有不穩定，且設備的閉環邏輯檢測系統往往復雜度高，對運動軌跡的預測也不能涵蓋所有操作場景，故障率隨之增高。夾傷，撞傷事件仍有發生。雖然有些機器配置了閉環系統，能夠檢測碰撞并以適當方式做出反應。然而，大多數3D 打印機仍然使用開環系統來創建運動方向，并且許多桌面3D 打印機使用開放式龍門結構，因此在機器運行時將手指伸入非常容易被夾傷。

另外，FDM 系統及poly-jet 系統的3D 打印機還需要使用刮刀將模型從熱床上鏟下來，刮刀為了提高效率，往往十分鋒利。這就伴隨著因用力過猛被刮刀割傷的風險。此外，非柔性打印件及支撐在去除過程中也伴隨著大量刮傷，割傷的風險。

處理方法：

有財力的可以購買具有碰撞檢測模式的3D 打印機，以及優質可拆卸柔性熱床。戴上防劃傷手套或其他防護裝備。使用外殼或各種屏障進行保護。確定打印機處于安全狀態時再進行接觸。拆除支撐結構時減緩動作幅度，或使用水溶性材料以及盡量減少支撐結構。

三、火災

安全風險：3D 打印機引發的火災也應引起社會廣泛重視。雖然大部分3d 打印機工作溫度在300 度以下，不至于引發火災發生。在如前文所述，金屬3D 打印機的瞬時溫度可達到攝氏7800 度，足夠達到引發火災的標準。此外，可燃物或可燃氣體不當接觸3d 打印機、特別是打印材料儲藏位置也是引發火災的重要因素。另一種常見的火災因素是打印機控制系統、傳感器或軟件故障，使噴頭、激光器等熱源超時或超設定功率工作。

誠然現在在售的打印機很多都針對這一隱患作出了對應設計，比如3dsystem 產品通過設置協處理芯片構筑安全檢測系統，獨立與打印系統之外提供安全防護。通過熱度傳感器和位移傳感器、一旦檢測到打印超范圍，超功率及其他隱患則自動停止打印或直接關機。這種保護措施也被稱為熱失控防護。

處理方法：

讓機器時刻處在監控之下，安裝煙霧探測器并在附近放置滅火器。確保3D 打印機啟用了熱失控保護。將3D 打印機遠離窗簾等易燃材料，盡量放在金屬表面上。如果沒有經驗，盡量避免使用自組裝3D 打印機套件。

四、細顆粒物

安全風險：細顆粒物又稱細粒、細顆粒、PM2.5。細顆粒物指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 微米的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5 只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。

2013 年2 月，全國科學技術名詞審定委員會將PM2.5 的中文名稱命名為細顆粒物。細顆粒物的化學成分主要包括有機碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。在3D 打印領域，細顆粒物是指在操作過程中散發的極微小3D 打印材料粒子。例如FDM 打印機，他的工作原理是設備在通過把一段耗材加熱融化，從噴嘴處將材料擠出，然后按照軟件設置好的路徑畫出模型的形狀。這個過程中有一部分材料受熱會形成尺寸非常小的顆粒物并在熱島效應的影響下被釋放到大氣中，他們會在空氣中滯留相當長的時間，并被吸入并滯留在人的肺部。根據材料的不同，3D 打印產生的細顆粒物也不盡一致。同時，這個影響還與熱量相關，較高熱量往往會釋放更多的納米顆粒。此外，還有一些材料在給定的溫度下會比其他材料散發出更多的納米顆粒，例如ABS，其在250°C-270°C 范圍比PLA,PEEK 及其他大部分材料釋放的細顆粒物多出50%-100%。與大氣PM2.5 污染一樣，這些3D 打印產生的細顆粒物也會帶來多種危害，包括但不限于：

1.引發呼吸道阻塞或炎癥。研究現實，PM2.5 及以下的微粒，75%在肺泡內沉積，我們可以想象，眼睛里進了沙子，眼睛會發炎。呼吸系統的深處，也是一個敏感環境，細顆粒物作為異物長期停留在呼吸系統內，同樣會讓呼吸系統發炎。2.致病微生物、化學污染物、油煙等“搭車”進入體內致癌。除了自己干壞事，PM2.5 還像一輛輛可以自由進入呼吸系統的小車，其它治病的物質如細菌、病毒，“搭車”進入呼吸系統深處，造成感染。流行病學的調查發現，城市大氣顆粒物中的多環芳烴與居民肺癌的發病率和死亡率相關。多環芳烴進入人體的過程中，細顆粒物扮演了順風車的角色，達其中的大多數多環芳烴吸附在顆粒物的表面，尤其是直徑在5毫米以下的顆粒物上，大顆粒物上的多環芳烴很少。

處理方法：

操作時避免站在打印機附近或上方。將噴嘴溫度設置在建議溫度范圍的下限，同時又不會降低打印質量。使用3D 打印機制造商特別推薦的材料。購買安全的3D 打印設備和材料。

此外，美國國家職業安全與健康研究所（NIOSH）建議：

在打印機附近放置裝有高效微粒空氣（HEPA）過濾的局部排氣通風系統。使用通風的機殼，或者密閉空間。將打印機放在通風櫥，或排到外面的通風孔。制定一套標準操作程序以減少暴露的可能性。禁止在打印車間附近飲食。使用個人防護設備，例如防熱手套或耐化學手套，安全眼鏡或面罩，實驗室工作服或工作服等。適當時考慮使用呼吸防護設備。

五、材料毒性

安全風險：3D 打印機多采用光敏樹脂作為成型材料或者支撐材料（SLA 陶瓷3D打印機），在初始狀態和加工過程以至成型后都有一定的毒性產生。樹脂的相對分子質量越小，極性毒性越大。即低相對分子質量的樹脂比高相對分子質量的毒性大。在生產環境中對與人體的影響主要是吸入，接觸及誤食。癥狀有丘疹，紅斑、流淚、食欲不振、嘔吐等等。如果長期接觸人的中樞神經和免疫系統也會受到影響。

處理方法：

在保存打印樹脂時注意密閉，防止揮發，已開封的樹脂材料一次如用不完可以使用透明膠帶或保鮮膜對瓶口加以密封。在使用樹脂打印機以及后處理過程時，注意帶上安全手套，有條件的需配備全封閉護目鏡以及符合安全生產標準的過濾口罩。

六、激光

安全風險：很大部分3D 打印機使用激光作為成型光源，對成型材料進行光固化或者燒結。打印過程中如不慎直視光源或者經過振鏡折射的光源或被其照射，如果超出一類激光的安全界限，容易引發安全事故。容易造成灼傷，失明或其他眼部損傷。

處理方法：

有激光器的打印機應在明顯處張貼相應的安全警示標貼。操作人員應當佩戴相應波長和OD 值的防護眼鏡。激光打印機工作場所應使用防輻射窗簾及激光防護窗戶。

以上是6 點常規的3D 打印過程中風險領域，伴隨著數字化技術的進步，3D 打印途徑和設備的不斷迭代，相信新的安全隱患會不斷產生。所以安全生產是一個長期過程，不能因為現階段工作做的比較扎實而放松警惕，必須做到與時俱進，不斷學習新知識，了解新功能，制定新的安全方案并加以落實。畢竟，安全就是一切，一切為了安全。