3D プリントはがんを引き起こしますか?正しい使い方は？学校は3Dプリンターをどのように選択するのでしょうか?

Antarctic Bear の紹介:中国は毎年何百万台もの消費者向け 3D プリンターを生産し、世界中に販売しており、そのうちの比較的多くの台数が家庭やオフィスのユーザーによって使用されています。少し前、南極熊事務所に新しいLCD光硬化3Dプリンターが届きました。私は一晩中モデルを印刷しました。翌日、事務所のドアを開けた瞬間、感光性樹脂の刺激臭が襲ってきました。すぐに樹脂材料を掃除し、換気のために窓を開けなければなりませんでした。私は数分間外で過ごした後、事務所に戻りました。

今日は、「3D プリントはどの程度安全か」という深刻な問題について議論します。

溶けたプラスチックのいい香りが空気中に充満すると、それは3Dプリンターが頑張っている証拠です。しかし、昨年、3D プリンターが有毒であるというニュースをご覧になり、「3D プリンターから排出されるガスは人体にどの程度有害なのか? 寝室に 3D プリンターを置いて一晩中稼働させたら、体に害があるのだろうか? オフィスに 3D プリンターを置いたら、従業員の健康に影響があるのだろうか?」と心配になったことがあるかもしれません。
3D プリンターを屋内のどこに置く予定であっても、3D プリンターの選択と購入の方法、および使用中の空気の質の安全性を確保する方法について、科学、研究、実践から学ぶことができます。

これらのガスは何から構成されているのでしょうか?がんの原因になりますか？

研究によると、すべての 3D プリンター (この記事では主に FDM/FFF 3D プリンターを分析し、光硬化やその他の技術については後で追跡調査します) は、印刷時に排出物を生成します。排出物の中には、材料が加熱されたときに発生する無害ですが臭いのあるものもあれば、健康に害を及ぼす可能性のあるものもあります。これらの排出物が安全かどうかを判断するには、プリンターから放出される粒子状物質 (PM) と揮発性有機化合物 (VOC) のレベルに特別な注意を払う必要があります。

3Dプリンターは粒子状物質（PM）と揮発性有機化合物（VOC）を排出します（画像提供：米国EPA）

吸入性粒子状物質（PM）：通常、人が吸入した粒子状物質は肺に蓄積されます。粒子状物質の含有量が多すぎると、喘息などの呼吸器疾患を引き起こします。これらの粒子状物質は、3Dプリンター以外にも、自動車の排気ガスや山火事など日常生活でも発生しています。PM2.5も私たちが日常生活でよく注目する汚染指標です。

揮発性有機化合物 (VOC): 車を装飾したり購入したりする場合、人々は通常、ホルムアルデヒドなどの VOC に特別な注意を払います。昨年のニュース報道で示唆されたように、一部の 3D プリンターは発がん性のある VOC を生成しましたが、これらの排出物の毒性は十分に研究されておらず、調査が進行中です。

詳細な調査はまだ進行中ですが、FDM の放出が人体にどの程度有害であるかは、動作環境と曝露期間によって異なります。 2021年の研究では、人間が1時間以内の排出物にさらされても健康に影響はないことが判明した。しかし、週に40時間以上プリンターの周りで働く人は呼吸器系の問題を発症する可能性があります。 1 時間から 40 時間までのグレースケール領域については、実験によるさらなる検証が必要です。

△米国ミシガン州ケタリング大学の研究室にあるすべてのプリンターは、3DPrintCleanフィルターボックスに密封されています（写真提供：ケタリング大学）

子どもたちに関するデータや結論も研究されていますが、私たちは学校、特に学校内の 3D プリントイノベーションラボにもっと注意を払う必要があります。米国環境保護庁 (EPA) による 3D プリンターの排出物に関する調査では、子供が特に 3D プリンターの排出物に対して脆弱である可能性があることが示唆されています。研究により、9歳から18歳の子どもは、大人に比べて、3Dプリントによって放出された粒子を吸入した後、粒子で覆われた肺の表面積が大きいことが判明した。 EPAは、これは子どもの方が好奇心が強く、プリントヘッドとの密接な接触を好むことと、子どもの呼吸器がまだ発達段階にあり感染しやすいことと関係があるのではないかとみている。

△海外メーカー3Doodlerは、融点を下げることでPMを削減した子ども専用の3Dプリントペンを開発した。

そこで、この記事では、最新の研究結果を一つずつ紹介し、3D プリンターを屋内で使用する際に自分自身を守る方法や、3D プリンターの購入を計画している場合に考慮すべき点について、すべての人、特に教育者が理解できるようにします。

3Dプリンター使用時に起こりうる健康リスクを軽減する方法

△フィンランドのアアルト大学の3Dプリントスタジオ。同大学は3Dプリンターとその排出物が健康や空気の質に与える影響について、膨大な情報を収集している。本記事では同大学のデータを一部引用している。

1. 低排出材料（PLAなど）を使用し、オリジナルまたはブランドのフィラメントを選択する

まず、FDM 排出量に最も影響を与える要因は消耗品です。米国環境保護庁（EPA）やその他の省庁が実施した複数の調査によると、消耗品の種類は、製造業者が使用する原材料や中間合成プロセスに応じて、排出量に重大な影響を及ぼします。異なる消耗品には異なる強化剤、着色剤、その他の添加剤が含まれており、ホットメルトによる影響も異なります。米国食品医薬品局（FDA）も最近、「3Dプリント技術の応用がますます広まるにつれて、消耗品添加物が人間の健康に与える影響を調査する必要がある。今後、FDAは他の添加物の特性や、関連する揮発性有機化合物や粒子状物質を調査し続け、関連する基準を発行する」と述べた。

現在、FDA の調査のほとんどは、最も一般的な 3 つの消耗品である ABS、PLA、ナイロンの分析に重点を置いています。ABS は一般に、高放出物質としてリストされています。 ABS を使用すると、最初は大量の PM と VOC が発生しますが、印刷プロセス全体を通じて排出量は安定しています。前述のように、排出されたVOCはすぐに粒子状物質と結合して融合するため、継続的に生成される主な排出物は基本的に粒子状物質です。 PLA およびナイロン素材は、ABS よりも使用時に発生する排出量が少なくなります。これらの材料も、最初に使用したときには大量の粒子状物質を生成しますが、継続的に放出されることはありません。したがって、一般的にこれらの材料を低排出材料と呼びます。

同時に、PLA の排出量はフィラメントのブランドによって影響を受けることにも気付きました。ブランドによってフィラメントの品質は異なり、PLA の排出量は ABS の排出量に近いものもあります。ジョージア工科大学の研究者ロドニー・ウェーバー氏は、消耗品の排出に関する実験を行った後、2017年に早くもこのことを発見した。同氏は、安価な無名の消耗品を購入する際には注意するようユーザーに呼びかけた。同氏は、「安価なフィラメントを使用すると、オリジナルまたは有名ブランドのメーカーが製造または推奨するフィラメントを使用する場合よりも、印刷中に生成されるエアロゾルの濃度が高くなることが分かりました。PLA はコーンスターチなどの生分解性材料で作られていますが、当社とエアロゾル協会の調査により、PLA が放出する粒子や化合物の中には ABS よりも毒性が高いものがあることが判明しました。しかし、PLA は印刷の開始時にのみこれらの有害物質を生成するため、時間の経過とともに、ABS フィラメント放出の毒性は徐々に PLA フィラメント放出の毒性を超えていきます。」と述べました。

△ジョージア工科大学の研究者ロドニー・ウェバーツ氏は、3Dプリントからの排出物に関する画期的な調査を行っている（画像提供：Journal of Aerosol Science and Technology）

2.設定の最適化：ノズルを細くし、ノズル温度を下げ、最良の効果を選択する

第二に、メーカーによってハードウェアパラメータが異なり、それが排出量に影響します。特に PLA やナイロンフィラメントを使用する場合、プリンターのブランドやパラメータの影響はより顕著になります。設定によっては、PM および VOC の排出率に大きな影響を与える場合もあります。

ブルノ工科大学で研究が行われ、研究者らは ABS、PLA、PET、TPU 材料に対するプリンター設定の影響を比較しました。結果は、最適な印刷設定を選択すると、排出量を最小限に抑えながら印刷を成功させることができることを示しています。同時に、ノズルの温度を比較的低く設定すると、材料によって生成される排出量が少なくなります。そのため、研究者らは呼吸器の健康の観点から、プリンターのユーザーはメーカーの推奨よりもさらに低いノズル温度を可能な限り低く設定することを推奨しています。この研究では、ノズルのサイズが排出速度と粒子濃度の両方に大きな影響を与えることも判明しました。 ABS、PET、PLA 材料の場合、0.4mm ノズルを使用すると PM の発生が最も少なくなることがわかりました。 TPUは例外で、ノズルサイズを0.6mmに拡大すると、吐出量はさらに少なくなります。

△異なるノズル温度/サイズ設定での印刷中の粒子形成率の最高値（画像出典：International Journal of Environmental Research and Public Health、「3D 印刷における超微粒子排出に影響を与えるパラメータ」）
結果はまた、材料の流量や印刷速度が排出量にほとんど影響を与えないことを示しました。したがって、押出機の設定は排出量に影響を与える最も重要な要因です。 ABS と PLA を使用した別の研究では、加熱された印刷プラットフォームによって排出量は増加せず、代わりに粒子サイズが大きくなり、粒子数を減らしやすくなることがわかりました。

ほぼすべての研究者は、適切な換気方法が室内の空気質を改善する鍵であると指摘しています。最良の効果を得るには、プリンターを換気の良い場所に設置し、排気口にファンを取り付ける必要があります。すべての換気システムは、適切な空気ろ過システムと組み合わせて使用する必要があります。最大 99.95% の粒子を除去できる高効率エア (HEPA) フィルターの使用をお勧めします。 VOC 排出を削減するには、活性炭フィルターが最適な解決策です。

3. オープンプリンターの場合は、他のサポートデバイスを追加します

3D プリンターには、エアフィルター付きの小型の換気エンクロージャが最適です。研究によると、デスクトップ 3D プリンターをフィルター付き換気装置のある筐体内に配置すると、粒子放出を 97% 削減できることがわかっています。ただし、市販されている 3D プリンターシェルの多くは熱を維持するためだけに使用され、排出機能は備えていないため、購入する際に、購入するシェルに HEPA システムが搭載されているかどうかを確認する必要があります。

△フランスのAlveo3D社が特別にカスタマイズしたHEPAフィルター付きプリンターハウジング（写真提供：Alveo3D）

空気清浄機はファンを使用して空気を吸い込み、さまざまなフィルタリングと消毒方法を通じてさまざまな汚染物質を除去します。これらは、3D プリンターが稼働しているエリアの空気の質を改善する上で大きな役割を果たしますが、HEPA フィルターと活性炭フィルターを備えた空気清浄機を使用するのが最適です。空気フィルターを購入するときは、ほこりや粒子状物質専用に設計されたフィルターでは、3D プリンターから放出される粒子状物質や VOC を完全に除去できない場合があるため、十分に注意してください。機械のフィルターを定期的に交換することを忘れないでください。

4. 室内に空気質モニターを設置する

空気質モニターは、ユーザーが作業エリア内の潜在的に有害な化学物質のレベルをリアルタイムで監視するのに役立ちます。しかし、消費者向けモニターが 3D 印刷プロセス中に放出される小さな粒子を検出できるほど感度が高いかどうかについては、さまざまな研究結果が出ています。ある研究によると、消耗品から排出される固体粒子状物質の大部分は、0.05～0.2ミクロンの大きさであることが分かりました。ほとんどの家庭用空気質モニターは、サイズが 1 ～ 2.5 ミクロン (PM1 ～ PM2.5 と定義) の粒子しか検出できません。ただし、0.1ミクロン未満の粒子（PM0.1と定義）を検出できるモニターもあります。
いくつかの研究では、高度な研究環境であっても、空気質モニターは必ずしも信頼できるわけではないことが指摘されています。しかし、モニターが PM 濃度を 35 μg/m3 以上示している場合は、作業エリアから排出物を除去する方法を検討し始める必要があります。

空気の質を保証するプリンターを選択して購入するにはどうすればよいですか?

1. HEPAフィルターを内蔵したFDMプリンターを選択する

まだ成熟した試験基準がないため、3D プリンターを使用する際に室内の空気質を確保するには、3D プリンター自体と室内環境に基づいて対応するソリューションを見つけることができます。まず、3D プリンターから始めることができます。市場には、エアフィルターを内蔵した 3D プリンターが数多くあります。これらのプリンターを使用すると、エアフィルターアクセサリを別途購入する手間が省け、排出源からの排出を制御できます。
ほとんどの消費者向け 3D プリンターには、従来のエアフィルターが装備されていません。一部のプロ仕様モデルにはエアフィルターが装備されていますが、追加の取り付けが必要なモデルもあります。購入時には特に注意が必要です。産業グレードの 3D プリンターは工場向けに設計されており、職場の安全規制を満たすためにエアフィルターを装備する必要があります。ユーザーは、印刷するモデルの数や環境に応じて対応する 3D プリンターを購入できますが、濾過システムを搭載したモデルを直接購入するのが最善です。

レイズ3D

Raise3D の新しい Pro3 プリンターには、まずプリンターコンパートメントを通して空気を循環させ、次に HEPA フィルターを通過させる Air Flow Manager システムが搭載されています。実際の効果は、HEPA フィルターのみを使用するモデルよりもはるかに優れています。原理としては、機内循環中に微粒子が互いに接触すると大きな塵粒子となり、吸着・沈降しやすくなると考えられます。

2. スケーラブルなFDMプリンターにエアフィルターを追加する

一部の 3D プリンターには独自のエアフィルターシステムが搭載されていませんが、機器に合ったエアフィルターアクセサリも提供されています。排出源を「発生源」で制御することは可能ですが、これらの 3D プリンターでは、アクセサリを購入するための追加コストと手順が必要になり、同様の価格と機能を持つフィルターを内蔵したデバイスよりもコストが高くなります。

ゾルトラックス

Zortrax の HEPA トップカバー (追加料金 250 ドル、約 1,500 人民元) は、ほとんどの Zortrax モデルに適合します。内蔵の活性炭フィルターは、印刷プロセス中に多くの不快な臭いを吸収し、HEPA フィルターはほとんどの有害な粒子を捕捉します。

メーカーボット

すべての MakerBot Method および Method X プリンターには、HEPA フィルターが含まれ、GreenGuard 認定を受けた Clean Air System (899 ドルのアドオン) が付属しています。

アルティメーカー

メーカーによれば、Ultimaker S5 Air Manager（追加で925ドル、約6,500元）には、超微粒子を最大95％除去できるE10グレードの粒子フィルターが搭載されており、静音ファンも搭載されている。

要約する

テクノロジーの発展に伴い、教育や科学研究に大きな役割を果たすことができることから、3D プリンターを使用する教室、大学、企業が増えています。現在のデータはまだ業界基準の確立をサポートするには不十分ですが、潜在的な危険に特別な注意を払い、危険が発生する前に予防措置を講じ、職業上の危険の可能性を減らし、過去のメラミン事件と同様の事故から子供たちを保護する必要があります。

オリジナルリンク: https://all3dp.com/1/3d-printing-emissions-air-quality/

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