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3D 打印是快速成型技術(shù)的一種，又被稱為增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

自 20 世紀 90 年代中期出現(xiàn)以來，3D 打印一直是工程領(lǐng)域的熱門研究方向。因為相較于傳統(tǒng)加工，3D 打印可以制作復雜的形狀，并且使單獨制造零件的成本更低，這兩個優(yōu)點使 3D 打印在某些情況下是不可替代的。

圖 | 3D 打印制作零件（來源：Scitechdaily）

但是，在 2020 年 12 月 13-17 日舉行的 2020 年風險分析協(xié)會（Society for Risk Analysis）虛擬年度會議上，幾項新的研究發(fā)現(xiàn)，3D 打印會釋放出危害人類健康的有毒顆粒，并且這種顆粒對兒童的毒性更強。

危及健康的材料顆粒

3D 打印通過熔化塑料細絲或其它基礎材料來工作，這些材料包括納米粒子、金屬、熱塑性塑料等。然而當塑料或其它基礎材料被加熱熔化時，它們會將揮發(fā)性化合物釋放到打印機和物體附近的空氣中。

圖 | 3D 打印過程（來源：Frptitan）

在打印過程中釋放到環(huán)境中的化學產(chǎn)物和顆粒會隨著打印時間的增加而逐漸積累。因為這些存在環(huán)境中的顆粒足夠小，所以它們可以滲透到肺部，從而損害人類健康。

鑒于這些未知的風險，科學家們已經(jīng)開始進行研究，了解這些釋放物及其在室內(nèi)環(huán)境中的具體成分、顆粒大小和停留時間，從而產(chǎn)生可納入可靠的暴露和風險評估的數(shù)據(jù)。

在風險分析協(xié)會虛擬年度會議期間舉行的 3D 打印和新興材料風險評估研討會上，幾項研究表明，3D 打印過程中釋放的顆粒會影響室內(nèi)空氣質(zhì)量和公共健康。同時會議也介紹幾項旨在表征和量化室內(nèi)環(huán)境中的釋放和成分、粒度和停留時間的研究。

風險分析協(xié)會成立于 1980 年，是一個跨學科、學術(shù)性的國際協(xié)會，它是對所有風險分析感興趣的人提供的一個開放論壇。自 1981 年以來，一直出版《風險分析：國際期刊》，它是該領(lǐng)域領(lǐng)先的學術(shù)期刊。

（來源：Society for Risk Analysis）

風險研究人員提出了涉及 3D 打印影響健康和安全的新問題，以及如何減輕 3D 打印用戶和使用這種新興技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品消費者存在的任何健康風險，尤其是對兒童健康的影響。

眾多研究證實 3D 打印的危害

美國環(huán)境保護署（EPA）的兩項研究分析了 3D 打印中細絲擠出機的排放，這些設備用于創(chuàng)建 3D 打印的細絲。然后使用模擬模型查看產(chǎn)生的顆粒數(shù)量，以及在不同年齡段的人使用 3D 打印機時這些材料顆粒沉積在人體的哪些部位。

研究發(fā)現(xiàn)，細絲擠出機釋放出的小顆粒和蒸汽量與 3D 打印的其他研究中發(fā)現(xiàn)的相似。并且模擬模型預測，對于 9 歲及以下的兒童，肺部單位表面積的顆粒質(zhì)量沉積更高。但是需要更多的研究來確定吸入劑量為多少。

EPA 相關(guān)研究的主要作者之一 Peter Byrley 在一份聲明中說：“迄今為止，公眾幾乎沒有意識到 3D 打印機可能產(chǎn)生的危害。這項研究的潛在社會效益是提高公眾對 3D 打印機危害，以及兒童可能更高危害性的認識?！?/p>

圖 | 正在工作中的 3D 打?。▉碓矗?D Insider）

由美國國家職業(yè)安全與健康研究所 Yong Qian 博士進行的另一項研究表明，通過檢查吸入暴露在 3D 打印過程產(chǎn)生顆粒的人體肺細胞和動物，評估 3D 打印過程中產(chǎn)生的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）排放物的潛在毒性。

這項名為 “ABS 打印機排放引發(fā)體外和體內(nèi)毒性” 的研究結(jié)果表明，打印過程中排放的顆粒在人肺細胞中引起中度毒性，在動物中產(chǎn)生的毒性較小。

值得注意的是，盡管今天提出的許多研究仍處于早期階段，但它為證實 3D 打印機具有潛在毒性增加了越來越多的證據(jù)。

例如，去年發(fā)表的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，ABS 和聚乳酸（PLA）顆粒均會對細胞活力產(chǎn)生負面影響，后者會引發(fā)更強的毒性反應。

領(lǐng)導這項研究的佐治亞理工學院地球與大氣科學學院教授 Rodney Weber 說：“毒性測試表明，與 ABS 顆粒相比，PLA 顆粒的毒性更大，但因為打印機排放的 ABS 材料顆粒占據(jù)主要部分，所以 ABS 排放的細微顆粒才是更令人擔憂的?！?/p>

總的來說，這些研究表明，隨著時間的推移，暴露在這些 ABS 細絲顆粒中可能會像城市環(huán)境中被車輛或其他排放物污染的空氣一樣有毒。

這項研究還發(fā)現(xiàn)，熔化 ABS 細絲所需的溫度越高，產(chǎn)生的顆粒排放量就越大，并且從 3D 打印機排放的 ABS 顆粒的化學特性與 ABS 細絲不同。

Weber 說：“當 ABS 細絲公司生產(chǎn)某種類型的細絲時，他們可能會添加少量的其他化合物來實現(xiàn)某些特性，但他們通常不會透露這些添加劑是什么。由于這些添加劑似乎會影響 ABS 的排放量，并且添加到 ABS 中添加劑的類型和數(shù)量可能會有很大的差異，因此消費者可能會購買某種 ABS 細絲，它產(chǎn)生的排放量可能會遠遠超過不同供應商的排放量?！?/p>

所以選擇一種更加環(huán)保的材料，也尤為重要。

圖 | 工作人員正在查看打印完成的試樣（來源：GETTY）

杜克大學 Joana Marie Sipe 進行的另一項研究發(fā)現(xiàn)，3D 打印可能不僅對人體有害，而且由打印機制造的塑料制成的副產(chǎn)品也可能對環(huán)境造成破壞。

在這項研究中，Sipe 開發(fā)了一種機器，可以測量塑料產(chǎn)品（例如水壺）在使用過程中以及在環(huán)境中通過摩擦和打磨可以分解的程度。然后將塑料顆粒喂給魚類，觀察塑料中的納米顆粒對它們器官的影響。

她發(fā)現(xiàn)，當塑料分解時，摻入的納米材料會暴露于環(huán)境中。研究人員能夠預測被魚吃掉時從塑料中逸出的納米顆粒的百分比，從而提供了一種矩陣釋放因子（MRF），可以用來找出當有人咀嚼產(chǎn)品或產(chǎn)品在海洋中分解時釋放出的塑料和納米粒子的數(shù)量。

Sipe 說：“這項研究有助于根據(jù)特定消費產(chǎn)品的 MRF 值，設定納米材料填充劑的添加量，這些數(shù)據(jù)可以幫助確定有多少塑料或納米填充產(chǎn)品向環(huán)境或人體釋放污染物?！?/p>

亟待解決的問題

會議也提出，隨著 3D 打印技術(shù)的日益普及，監(jiān)管機構(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險上。

例如，3D 打印機的操作員可以采取一些措施來減輕其對空氣質(zhì)量的影響，包括：

僅在通風良好的區(qū)域操作 3D 打印機；將噴嘴溫度設置為建議的 ABS 細絲材料溫度范圍的下限；遠離正在運行中的 3D 打印系統(tǒng)；使用經(jīng)測試和驗證具有低排放量的機器和 ABS 細絲。

（來源：3D Printing PROGRESS）

現(xiàn)如今，3D 打印技術(shù)越來越多地用于家庭、學校、圖書館和其他人們通?；ㄙM大量時間的場所。

同時在疫情期間，3D 打印廣泛用于制造 COVID-19 的口罩、呼吸器和其他個人防護設備，因此解決這些顆粒的問題有了新的緊迫性。

但是 3D 打印過程釋放顆粒污染的問題，并不是一個容易解決的問題?；蛟S將來在材料、工程機械等多學科的共同發(fā)展下，這個難題最終會被攻克，屆時人們才能真正安全地使用 3D 打印技術(shù)。

參考資料：

https://www.sra.org/2020/12/18/3d-printers-may-be-toxic-for-humans/