【科學(xué)網(wǎng)】3D打印真“有罪”嗎
作者：張雙虎
不經(jīng)意間，增材制造（3D打?。┮炎哌M(jìn)我們的生活。商場、學(xué)校、家庭都能發(fā)現(xiàn)它的身影。也許你案頭的擺件、孩子手中的玩具就來自3D打印。
在幾家電商平臺(tái)上檢索3D打印，從上百萬的大型商用設(shè)備，數(shù)百元的3D打印筆，到幾十元的打印耗材，各類各款應(yīng)有盡有。從平臺(tái)的銷售記錄看，不少型號(hào)的3D打印機(jī)銷量不錯(cuò)。
日前，國外有研究表明，3D打印機(jī)的使用者和使用3D打印產(chǎn)品的消費(fèi)者，可能面臨健康和安全危險(xiǎn)。3D打印怎么了？
發(fā)現(xiàn)新問題
日前，美國國家職業(yè)安全和健康所研究人員，在評(píng)估了丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）材料3D打印過程后認(rèn)為，打印過程釋放出的顆粒，對(duì)人類肺部造成中度毒性傷害。
一份題為《美國環(huán)境保護(hù)署最新3D打印排放研究》的報(bào)告，分析了實(shí)驗(yàn)條件下3D打印拉絲擠出機(jī)（一種用來制造3D打印機(jī)機(jī)絲的設(shè)備）的排放情況，并預(yù)測使用3D打印機(jī)時(shí)，沉積在呼吸道特定位置的顆粒數(shù)量對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生潛在危害。
“迄今為止，大眾幾乎不會(huì)注意到自己可能會(huì)暴露在3D打印機(jī)排放中。”該報(bào)告作者說，“應(yīng)增強(qiáng)公眾對(duì)于3D打印機(jī)排放的意識(shí)，而且兒童的易感性可能會(huì)更高?！?/font>
在 2020 年風(fēng)險(xiǎn)分析協(xié)會(huì)虛擬年會(huì)期間舉行的 3D 打印和新興材料風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研討會(huì)上，幾項(xiàng)研究表明，3D 打印通過熔化塑料細(xì)絲或其它基礎(chǔ)材料來工作，這些材料包括納米粒子、金屬、熱塑性塑料等。然而當(dāng)塑料或其它基礎(chǔ)材料被加熱熔化時(shí)，它們會(huì)將揮發(fā)性化合物釋放到附近的空氣中，影響室內(nèi)空氣質(zhì)量和公共健康。
該會(huì)議建議，3D 打印時(shí)，選擇一種更加環(huán)保的材料尤為重要。隨著 3D 打印技術(shù)的日益普及，監(jiān)管機(jī)構(gòu)、制造商和用戶可能需要將注意力集中在更好地管理潛在風(fēng)險(xiǎn)上。
3D打印的本質(zhì)
“3D打印始于快速成型技術(shù)，其本質(zhì)是一個(gè)材料加工成型的技術(shù)。在航空、航天、航海、兵器、醫(yī)療、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊，被譽(yù)為‘第三次工業(yè)革命’的核心技術(shù)?！睎|華大學(xué)材料學(xué)院復(fù)合材料系主任游正偉告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“增材制造在大規(guī)模工業(yè)化制造方面并無優(yōu)勢(shì)，因此其主要應(yīng)用領(lǐng)域是數(shù)量相對(duì)少的裝備、新型結(jié)構(gòu)材料創(chuàng)新、個(gè)性化醫(yī)療和工業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)意產(chǎn)品環(huán)節(jié)?！?/font>
科學(xué)家會(huì)根據(jù)3D打印材料性能，依據(jù)所需的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行針對(duì)性的開發(fā)。例如，航空航天領(lǐng)域更關(guān)注3D打印的材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、耐高溫、低溫和輻射等極端環(huán)境的性能；在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員更關(guān)注材料的生物相容性、生物可降解性、生物活性等；而對(duì)于創(chuàng)意產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者更關(guān)注材料的使用便捷性、成本以及批量化生產(chǎn)；對(duì)于復(fù)合材料的3D打印，人們則更關(guān)注材料的功能化、智能化。
根據(jù)成型原理和所適用的材料，3D打印主要可分為四類。一是適用于塑料的熔融擠出成型技術(shù)（FDM）。二是適用于液態(tài)光敏樹脂的光固化3D打印技術(shù)（SLA、DLP等）。三是適用于凝膠類材料的直接墨水書寫打印技術(shù)（DIW）。四是適用于金屬粉末或聚合物粉末的選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等。
“對(duì)于3D打印是否存在污染或?qū)θ梭w、環(huán)境有害的因素，我認(rèn)為要從3D打印加工過程中和成型后使用過程兩個(gè)方面來分析。”游正偉說。
游正偉解釋說，F(xiàn)DM主要用于塑料加工，也是受眾面最廣的3D打印方式，其本質(zhì)就是塑料熔化后的三維成型，因此在加工過程中所帶來的污染或者微小顆粒釋放非常有限。對(duì)于光固化打印技術(shù)和DIW3D打印技術(shù)，其本質(zhì)是利用紫外光、溫度或者擠出剪切力等，相對(duì)溫和的外界因素改變材料流變性，最終獲得三維結(jié)構(gòu)，所使用的也是樹脂或凝膠類材料，因此在加工過程中，材料基本不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害因素，除非部分材料使用了一些有機(jī)溶劑，但這兩種技術(shù)基本都在實(shí)驗(yàn)室中使用，通常有專用的通風(fēng)保護(hù)設(shè)施。對(duì)于SLM和SLS，由于加工過程中大量使用了粉末材料，因此粉塵、微粒對(duì)人風(fēng)險(xiǎn)較高，現(xiàn)有的SLM和SLS打印機(jī)都采用相對(duì)密閉設(shè)計(jì)，且加工車間或者實(shí)驗(yàn)室也有標(biāo)準(zhǔn)化的防范措施和要求。
對(duì)此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所增材制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)研究員許高杰也表達(dá)了類似看法。
“3D打印有沒有污染或毒性，取決于所用的打印材料?！痹S高杰對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說，“目前所用的3D打印材料基本都是市場上已有的材料，特別是很多高分子材料，都是日常生活中常見的和經(jīng)常接觸到的材料，在污染或毒性方面是經(jīng)過考查評(píng)價(jià)而允許使用的?！?/font>
3D打印本“無罪”
“總體來說，3D打印作為一種新型的制造技術(shù)，受到全球的青睞，本身是沒有問題的。”許高杰說，“考慮到有些高分子材料（或化工產(chǎn)品）在加工時(shí)有一定的（污染或毒性）排放，如果要用作3D打印材料，必須充分考慮到在成型加熱時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的排放，而進(jìn)行材料篩選和研發(fā)。對(duì)于負(fù)責(zé)任的3D 打印材料研發(fā)人員和生產(chǎn)單位，材料使用帶來的安全問題都會(huì)放在首位的?！?/font>
游正偉認(rèn)為，相對(duì)于金屬、塑料進(jìn)行削、切、磨等傳統(tǒng)機(jī)床“減材制造”所形成的細(xì)微顆粒、廢料、廢氣，“3D打印技術(shù)反而安全性更高”。
“部分3D打印產(chǎn)品在后續(xù)使用過程中，會(huì)出現(xiàn)由于磨損等因素所產(chǎn)生的塑料微?；蚣{米填料的問題。但這種‘原罪’不能歸于3D打印，而是材料本身的原因，即便不使用3D打印產(chǎn)品，生活中也有倒模、吹塑等各種復(fù)合材料加工制品。因此，沒有絕對(duì)‘無污染、無風(fēng)險(xiǎn)’的情況。在同等條件下，3D打印用料更少、更方便、保護(hù)措施更好，安全性更高?！庇握齻フf。
某些高分子材料產(chǎn)品存在潛在危害的問題，是整個(gè)制造業(yè)所面對(duì)的共性問題。專家認(rèn)為，解決這一問題還要聚焦于新型材料的研發(fā)，替代現(xiàn)有塑料、樹脂等不可降解材料。
“但有一個(gè)問題應(yīng)引起重視?！庇握齻フf，“對(duì)打印過程中出現(xiàn)的問題，工廠或?qū)嶒?yàn)室都有相應(yīng)的防護(hù)條件和措施，但3D打印逐漸進(jìn)入家庭后，可能有防護(hù)不到位的情況。這一方面要求我們加強(qiáng)增材制造新材料的研發(fā)，研制出性能優(yōu)越，對(duì)環(huán)境友好的新材料。另一方面應(yīng)該建立包括設(shè)計(jì)、材料、產(chǎn)品性能、認(rèn)證檢測等在內(nèi)的一整套增材制造的安全標(biāo)準(zhǔn)體系?！?/font>
?。ㄔ陌l(fā)布于2021年3月15日科學(xué)網(wǎng)）
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