3D 打印机伴生风险及处理方法探究

彭鹏

（郑州轻工业大学，河南 郑州 450002）

一、烧伤

安全风险：大多数3D 打印机的工作温度非常高，在广泛使用的FDM 3D 打印机中，根据材料不同（PLAABSTPU 等)喷头处温度在210°C-250℃不等，如果使用PETG等特殊材质进行打印，喷头温度则会上探至310°C+，尼龙3D 打印机温度相对稍低，处于210°C-240°C 区间。而金属3D 打印机的温度只会更高。

如图所示，金属3D 打印分预热阶段与加工阶段，峰值温度甚至可以达到7000°C，虽然大部分打印机都配有高温检测、过热提醒、防误触等功能，但如果操作不当，安全规范执行不到位，依然会有很大烧伤，烫伤风险。此外，除了打印机的喷头，激光器等热源以外，热床和打印件的温度也值得警惕。

处理方法：

将3D 打印机放在孩童和无关人员不易接近的区域。在进行打印操作及相关后处理操作时使用镊子、铲子，夹子或带上隔热手套。对FDM 3D 打印机喷头处进行隔热处理，外敷包裹隔热材料或采用水冷系统降温。

二、夹伤或割伤

安全风险：3D 打印机作为传统机械加工设备的延申与替代产品。虽机械成分已大幅减少，但仍存在大量的机械部件。根据成型方式的不同，打印机的运动系统主要包括光杆、同步齿形带、滚珠丝杆、铺粉轴、喷头、激光发射器的三维步进系统等。在打印机工作时，打印机这些部件通过软件代码给出的X-Y-Z轴移动方向何移动距离、移动速度的要求进行移动。这些部件的机械运动原则上都会造成设备操作人员、使用者的夹伤，撞伤等伤害。现今大部分打印设备配备了人体监测及防碰撞组件，但因传感器性能时有不稳定，且设备的闭环逻辑检测系统往往复杂度高，对运动轨迹的预测也不能涵盖所有操作场景，故障率随之增高。夹伤，撞伤事件仍有发生。虽然有些机器配置了闭环系统，能够检测碰撞并以适当方式做出反应。然而，大多数3D 打印机仍然使用开环系统来创建运动方向，并且许多桌面3D 打印机使用开放式龙门结构，因此在机器运行时将手指伸入非常容易被夹伤。

另外，FDM 系统及poly-jet 系统的3D 打印机还需要使用刮刀将模型从热床上铲下来，刮刀为了提高效率，往往十分锋利。这就伴随着因用力过猛被刮刀割伤的风险。此外，非柔性打印件及支撑在去除过程中也伴随着大量刮伤，割伤的风险。

处理方法：

有财力的可以购买具有碰撞检测模式的3D 打印机，以及优质可拆卸柔性热床。戴上防划伤手套或其他防护装备。使用外壳或各种屏障进行保护。确定打印机处于安全状态时再进行接触。拆除支撑结构时减缓动作幅度，或使用水溶性材料以及尽量减少支撑结构。

三、火灾

安全风险：3D 打印机引发的火灾也应引起社会广泛重视。虽然大部分3d 打印机工作温度在300 度以下，不至于引发火灾发生。在如前文所述，金属3D 打印机的瞬时温度可达到摄氏7800 度，足够达到引发火灾的标准。此外，可燃物或可燃气体不当接触3d 打印机、特别是打印材料储藏位置也是引发火灾的重要因素。另一种常见的火灾因素是打印机控制系统、传感器或软件故障，使喷头、激光器等热源超时或超设定功率工作。

诚然现在在售的打印机很多都针对这一隐患作出了对应设计，比如3dsystem 产品通过设置协处理芯片构筑安全检测系统，独立与打印系统之外提供安全防护。通过热度传感器和位移传感器、一旦检测到打印超范围，超功率及其他隐患则自动停止打印或直接关机。这种保护措施也被称为热失控防护。

处理方法：

让机器时刻处在监控之下，安装烟雾探测器并在附近放置灭火器。确保3D 打印机启用了热失控保护。将3D 打印机远离窗帘等易燃材料，尽量放在金属表面上。如果没有经验，尽量避免使用自组装3D 打印机套件。

四、细颗粒物

安全风险：细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5 只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

2013 年2 月，全国科学技术名词审定委员会将PM2.5 的中文名称命名为细颗粒物。细颗粒物的化学成分主要包括有机碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐（Na+）等。在3D 打印领域，细颗粒物是指在操作过程中散发的极微小3D 打印材料粒子。例如FDM 打印机，他的工作原理是设备在通过把一段耗材加热融化，从喷嘴处将材料挤出，然后按照软件设置好的路径画出模型的形状。这个过程中有一部分材料受热会形成尺寸非常小的颗粒物并在热岛效应的影响下被释放到大气中，他们会在空气中滞留相当长的时间，并被吸入并滞留在人的肺部。根据材料的不同，3D 打印产生的细颗粒物也不尽一致。同时，这个影响还与热量相关，较高热量往往会释放更多的纳米颗粒。此外，还有一些材料在给定的温度下会比其他材料散发出更多的纳米颗粒，例如ABS，其在250°C-270°C 范围比PLA,PEEK 及其他大部分材料释放的细颗粒物多出50%-100%。与大气PM2.5 污染一样，这些3D 打印产生的细颗粒物也会带来多种危害，包括但不限于：

1.引发呼吸道阻塞或炎症。研究现实，PM2.5 及以下的微粒，75%在肺泡内沉积，我们可以想象，眼睛里进了沙子，眼睛会发炎。呼吸系统的深处，也是一个敏感环境，细颗粒物作为异物长期停留在呼吸系统内，同样会让呼吸系统发炎。2.致病微生物、化学污染物、油烟等“搭车”进入体内致癌。除了自己干坏事，PM2.5 还像一辆辆可以自由进入呼吸系统的小车，其它治病的物质如细菌、病毒，“搭车”进入呼吸系统深处，造成感染。流行病学的调查发现，城市大气颗粒物中的多环芳烃与居民肺癌的发病率和死亡率相关。多环芳烃进入人体的过程中，细颗粒物扮演了顺风车的角色，达其中的大多数多环芳烃吸附在颗粒物的表面，尤其是直径在5毫米以下的颗粒物上，大颗粒物上的多环芳烃很少。

处理方法：

操作时避免站在打印机附近或上方。将喷嘴温度设置在建议温度范围的下限，同时又不会降低打印质量。使用3D 打印机制造商特别推荐的材料。购买安全的3D 打印设备和材料。

此外，美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）建议：

在打印机附近放置装有高效微粒空气（HEPA）过滤的局部排气通风系统。使用通风的机壳，或者密闭空间。将打印机放在通风橱，或排到外面的通风孔。制定一套标准操作程序以减少暴露的可能性。禁止在打印车间附近饮食。使用个人防护设备，例如防热手套或耐化学手套，安全眼镜或面罩，实验室工作服或工作服等。适当时考虑使用呼吸防护设备。

五、材料毒性

安全风险：3D 打印机多采用光敏树脂作为成型材料或者支撑材料（SLA 陶瓷3D打印机），在初始状态和加工过程以至成型后都有一定的毒性产生。树脂的相对分子质量越小，极性毒性越大。即低相对分子质量的树脂比高相对分子质量的毒性大。在生产环境中对与人体的影响主要是吸入，接触及误食。症状有丘疹，红斑、流泪、食欲不振、呕吐等等。如果长期接触人的中枢神经和免疫系统也会受到影响。

处理方法：

在保存打印树脂时注意密闭，防止挥发，已开封的树脂材料一次如用不完可以使用透明胶带或保鲜膜对瓶口加以密封。在使用树脂打印机以及后处理过程时，注意带上安全手套，有条件的需配备全封闭护目镜以及符合安全生产标准的过滤口罩。

六、激光

安全风险：很大部分3D 打印机使用激光作为成型光源，对成型材料进行光固化或者烧结。打印过程中如不慎直视光源或者经过振镜折射的光源或被其照射，如果超出一类激光的安全界限，容易引发安全事故。容易造成灼伤，失明或其他眼部损伤。

处理方法：

有激光器的打印机应在明显处张贴相应的安全警示标贴。操作人员应当佩戴相应波长和OD 值的防护眼镜。激光打印机工作场所应使用防辐射窗帘及激光防护窗户。

以上是6 点常规的3D 打印过程中风险领域，伴随着数字化技术的进步，3D 打印途径和设备的不断迭代，相信新的安全隐患会不断产生。所以安全生产是一个长期过程，不能因为现阶段工作做的比较扎实而放松警惕，必须做到与时俱进，不断学习新知识，了解新功能，制定新的安全方案并加以落实。毕竟，安全就是一切，一切为了安全。