3D打印机ABS超微颗粒物处理装置＊

谢 凡，陈子轩，周皓宇

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

1 研究背景

3D打印技术作为当今快速成型技术的一种，使得桌式3D打印机在办公场所、学校以及家庭越来越普及。截至目前为止，大部分3D打印机，特别是针对消费者设计的3D打印机大多采用熔丝加工的积层制造技术，即通过用高温将各种线材塑料融化再一层一层累加之后冷却凝固而完成一个实体。这种桌式3D打印机的打印原料是生活中常见的各种热塑型塑料，目前ABS塑料（丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物）是3D打印材料中应用十分普遍的一种材质。然而研究表明，在桌式3D打印机运行的这个高温融化塑料过程中会释放出大量超微颗粒物（简称UFP），3D打印机已被视为室内空气污染源之一。

如图1所示，用ABS打印时，3D打印机不停发射高浓度超微颗粒物，在打印过程中超微颗粒物的排放率数量积达到个/分钟。

图1 以ABS为原料的3D打印机随时间改变的UFP发射率

ABS超微颗粒物是一种直径小于0.1μm的颗粒物，比PM2.5更细小。通过呼吸进入人体的超微颗粒物会沉积在肺部，一部分会穿透肺泡和血管进入血液循环而到达全身各处。已有研究表明，热塑性塑料的热分解过程所产生的高浓度超微颗粒物会对人的健康产生各种不利影响，如心脏病、肺部疾病等。

2 研究意义

ABS超微颗粒物正对桌式3D打印机使用者造成严重伤害，3D打印机的排放污染问题亟待解决。3D打印机排放处理装置能减少污染物的排放，减少操作者在使用桌式3D打印机时对排放污染物的吸收，很好地解决桌式3D打印机危害使用者健康问题，具有良好的应用前景。

3 设计方案

ABS超微颗粒物处理装置整体结构设计及工作流程如图2和图3所示，装置分为3部分：①底层3D打印机工作室。打印机在封闭的工作室中工作，产生的ABS超微颗粒物只能向上进入处理装置。玻璃门可以开关，便于放入、取出3D打印物品及3D打印机，在密封的同时保证使用者能看清内部状况。②中层ABS超微颗粒物处理装置。利用紫外线降解和HEPA过滤网拦截，减少ABS超微颗粒物的排放。③顶层离心风机及排放检测装置。利用风机产生的负压作为驱动，使空气和颗粒物一同向上运输。在排风口利用光纤传感器实时监测污染物排放状况。

3.1 紫外线降解箱

紫外线降解箱内装有低压汞灯，外围紫外线阻隔壁。选用优等的石英玻璃、电子粉、汞等原材料制作出精准的低压汞灯，使其能量集中在185 nm，185 nm波长的紫外线正好能有效地使ABS降解。紫外线降解ABS的原理是光敏作用。波长为185 nm的紫外线具有很高的能量，且大多数碳氢化合物对185 nm波长的紫外线具有较强的吸收能力。在波长约为185 nm高能紫外线光束照射下，有机物分子链结构将被裂解，降解转变成低分子化合物，如CO2。

为了避免紫外线对人体造成的伤害，在发出紫外线的低压汞灯外围有紫外线阻隔壁。

图2 整体结构设计

图3 整体工作流程

3.2 HEPA过滤网

HEPA中文意思为高效空气过滤器，达到HEPA标准的过滤网，对于0.1μm和0.3μm的有效率达到99.7%，HEPA网的特点是空气可以通过，但细小的微粒却无法通过。容尘量大、过滤精度高，是烟雾、灰尘以及细菌等污染物最有效的过滤媒介。

3.3 离心风机

离心风机由电机驱动，依靠输入的机械能提高气体压力并排送气体。在本装置中，利用离心风机的排送气体能力，将ABS超微颗粒物与空气一同向上排送。

3.4 排放检测装置

检测装置安装于离心风机出风口处，实时监测排放状况。该检测装置主要依靠光纤传感器技术，传感器中光探测器将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使离心风机出风口处的光与进入调制区的光相互作用，然后成为被调制的信号源输入信号处理系统。信号处理系统得到的数据会输入到单片机内，单片机控制着控制警报系统，一旦发现ABS超微颗粒物超过浓度阈值，立即提醒使用者检查设备。

3.5 可行性分析

3.5.1 技术可行性

3.5.1.1 紫外线降解装置

由于短波长紫外线光子能量高于大多数污染物质分子内部化学键的键能，所以可以通过紫外线光子对分子化学键的作用直接使其断裂，从而达到分解的目的。

3.5.1.2 排放检测装置

由于光学方法的传感技术灵敏度非常高，目前光纤传感器已经在高灵敏检测领域得到了广泛应用。利用串联的纳米光纤大大提高了传感器的传感面积和检测效率；通过优化光纤模式，研究人员实现了单个标准纳米颗粒的传感和测量，粒径分辨率达10 nm。因此，利用现有的光纤传感技术，可以精确分辨出3D打印机排放空气中的ABS超微颗粒物。

3.5.2 材料可行性

185 nm紫外线灯管应用安全、稳定。HEPA分PP滤纸、玻璃纤维、复合PPPET滤纸、熔喷涤纶无纺布和熔喷玻璃纤维五种材质。这些用于制作HEPA过滤网的材质均可以根据需要加工成各种尺寸和形状。