Hoe schadelijk is de uitstoot van 3D-printers?

De explosieve 3D-printermarkt heeft desktopversies betaalbaar gemaakt voor scholen, bibliotheken, bedrijven en zelfs consumenten. Maar de groeiende invloed van 3D-printers heeft ook geleid tot bezorgdheid over mogelijke negatieve gevolgen voor de gezondheid door het inademen van toxische vluchtige organische stoffen (VOS) en deeltjes die door de apparaten worden afgegeven.

Door gesmolten plastic laag op laag af te zetten, kunnen driedimensionale printers bijna alles, inclusief speelgoed, geweren en kunstmatige ledematen, printen. Hoewel verschillende regeringen werkpleknormen hebben vastgesteld voor industriële omgevingen waar VOS door 3D-printers worden vrijgegeven, geldt dat niet voor huizen, scholen of bibliotheken. Hier geldt nauwelijks regulering, terwijl dan zelfs kwetsbare personen zoals kinderen ermee in aanraking komen. Volgens de Amerikaanse milieutechnoloog Marina E. Vance moeten we meer rekening gaan houden met de schadelijke uitstoot van 3D-printers. “Wetenschappers weten dat deeltjes en VOS slecht zijn voor de gezondheid, maar ze hebben niet genoeg informatie om een ​​wettelijke norm voor 3D-printers te creëren.”

Twee jaar geleden richtte Underwriters Laboratories, een onafhankelijk, wereldwijd opererend bedrijf voor veiligheidscertificering, een adviesraad op en begon onderzoeksprojecten te financieren om fundamentele vragen over de hoeveelheden en soorten verbindingen in 3D-printeremissies te beantwoorden: welke niveaus zijn veilig en hoe kunnen we blootstellingen. Het bedrijf werkt aan een consistente test- en evaluatiemethode zodat onderzoekers gegevens van verschillende laboratoria met elkaar kunnen vergelijken. “Tegen deze herfst zullen we een ANSI [American National Standards Institute] -standaard voor het meten van deeltjes en VOS voor iedereen gebruiken”, Marilyn S. Black, vice-president bij UL. 

Bovendien, zo zegt Rodney J. Weber, aerosol chemicus aan de Georgia Institute of Technology, zijn gegevens uit vroege onderzoeken van 3D-printeremissies moeilijk te gebruiken in de ontwikkeling van normen vanwege de variabiliteit in de onderzoeksomstandigheden.

Schadelijke stoffen

Een 3D-printer maakt een object door rollen van plastic filament door een mondstuk te leiden dat het plastic smelt bij temperaturen tot 320 ° C en het vervolgens extrudeert op een bewegende basisplaat. Een computer stuurt de beweging van de grondplaat zodat er materiaallagen worden opgebouwd totdat de voorgedefinieerde 3D-vorm tevoorschijn komt. “We weten dat wanneer je plastic smelt bij hoge temperaturen, de lange ketens van organisch materiaal in het plastic gedeeltelijk degraderen en mogelijk schadelijke vluchtige organische stoffen en ultrafijn stof in de lucht afgeven”, zegt Brent Stephens, milieutechnicus bij Illinois Instituut for Technology. Hij en andere onderzoekers hebben ontdekt dat de meest voorkomende filamentmaterialen potentieel ongezonde emissies kunnen veroorzaken bij gebruik in 3D-printers. Op aardolie gebaseerd acrylonitril-butadieen-styreen (ABS), een plastic dat in legoblokken wordt gebruikt, geeft styreen en formaldehyde af – de eerste vermoedelijk kankerverwekkend voor de mens, van de tweede is dat bekend. Nylon geeft caprolactam af, irriterend voor de luchtwegen. Polylactide (PLA) – een op maïs gebaseerd plastic dat wordt aangetroffen in medische implantaten, drinkbekers en wegwerpluiers – stoot methylmethacrylaat uit, een mild huidirriterend middel. En alle soorten filamenten spuiten ultrafijne deeltjes, deeltjes met een diameter kleiner dan 100 nm die diep in de longen kunnen doordringen en de bloedbaan kunnen binnendringen. Het is bekend dat deze deeltjes ademhalings- en hart- en vaatziekten veroorzaken.

Terwijl laserprinters inkt verwarmen en neerleggen, geven ze aantallen ultrafijne deeltjes af die vergelijkbaar zijn met die van 3D-printers. Dat betekent niet echter niet dat ze hetzelfde gezondheidsrisico hebben, zegt Aleksandr B. Stefaniak, een industriële hygiënist bij de US National Institute voor veiligheid en gezondheid op het werk. “Hoewel beide soorten printers plastic ‘inkt’ gebruiken, wordt laser toner slechts kort verwarmd om het op een vel papier te smelten. Een 3D-afdruktaak kan uren of dagen duren omdat het filament continu wordt gesmolten door het spuitmondje van de extruder. Vanwege de langdurige smelting omvatten de 3D-printeremissies honderden VOS en grote aantallen deeltjes met onbekende samenstelling.

Sommige vroege tests wijzen erop dat het gebruik van 3D-printers kan leiden tot ongezonde aerosolniveaus. Weber heeft VOS’s gemeten die zijn afgegeven door een 3D-printer in een milieukamer van 1 m3, terwijl collega’s niveaus hebben gemodelleerd die in een kantoor met dezelfde machine zouden worden gevonden. Het model voorspelde dat de caprolactamruimteconcentraties 100 μg / m3 zouden bereiken – meer dan 14 keer zo groot als het aanvaardbare niveau van Californië van 7 μg / m3 (1,4 ppb) voor een blootstelling van acht uur. Formaldehyde zou concentraties bereiken die hoger zijn dan die aanbevolen door de Wereldgezondheidsorganisatie voor binnenlucht.

Testen op ratten

Ook keken Stefaniak en zijn team naar de gezondheidseffecten van 3D- printeremissies op ratten. Deeltjes in de buitenlucht kunnen bij mensen tot hart- en vaatziekten leiden, dus zocht Stefaniak naar vergelijkbare effecten van stofjes die 3D-printers vrijgeven. Hij en zijn team legden gedurende drie uur ratten bloot aan de uitstoot van een printer met zwart ABS en voerden verschillende tests uit op het cardiovasculaire systeem van de ratten voor en na de blootstelling. Vierentwintig uur na blootstelling was de bloeddruk van de ratten met ongeveer 30% gestegen en hun slagaders waren stijf geworden ten opzichte van vóór de blootstelling. “Nu willen we de causatieve factor identificere en ontdekken hoe het werkt”, zegt hij.

Het filament

De samenstelling van het filament en de temperatuur waartoe deze wordt verwarmd, zijn van cruciaal belang voor het genereren van deeltjes en schadelijke stoffen, zo stelt Weber. “Hoe hoger de temperatuur, hoe meer gassen worden geproduceerd en hoe meer deeltjes zich uiteindelijk vormen.” Warmte degradeert het plastic en vervluchtigt de verbindingen. Terwijl ze afkoelen, vormen de gassen deeltjes en condenseren ze ook op kleine deeltjes die al in de kamer aanwezig zijn.

Weber redeneert dat temperatuur de reden is waarom ABS-filamenten meer VOS en deeltjes afgeven in vergelijking met PLA: ABS wordt zacht bij een hogere temperatuur dan PLA, dus printers verwarmen ABS meestal tot 240° C, terwijl PLA wordt verwerkt bij 220 ° C. Filamenttoevoegingen, die worden toegevoegd voor bijvoorbeeld glans, elektrische geleidbaarheid, kleur of andere eigenschappen, kunnen de uitstoot drastisch veranderen. PLA sporenstoffen bevat om het slagvast te maken, genereert bijvoorbeeld meer deeltjes dan standaard ABS, zegt Weber.

Stefaniak heeft deeltjes ontdekt die chroom, nikkel en aluminium bevatten tijdens het afdrukken, mogelijk geproduceerd door metaalhoudende kleurstoffen in gekleurde ABS-filamenten. “Deze metalen kunnen reactieve zuurstofsoorten genereren die ontstekingen bevorderen, een aandoening die gepaard gaat met bepaalde longziekten,” zegt hij. Gerelateerd: Sommige 3-D-gedrukte delen kunnen giftige chemicaliën uitspoelen. Dergelijke bevindingen wijzen erop dat additieven verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van de afgifte van fijne deeltjes. Toch hoeven fabrikanten de identiteit van de verbindingen niet te onthullen op veiligheidsinformatiebladen, zegt Weber. Hij heeft gemerkt dat filamenten van verschillende merken zeer uiteenlopende deeltjes produceren, een bevinding waarvan hij vermoedt dat deze te wijten is aan onbekende toevoegingen. 

Onderzoek in Nederland

In Nederland deed het RIVM in 2016 onderzoek naar de veiligheid van 3D-printers en met name het gebruik hiervan door consumenten. “Consumenten kunnen aan chemische stoffen worden blootgesteld bij het gebruik van de geprinte producten. Dit kan via contact met de huid, zoals bij sieraden, en via de mond, bijvoorbeeld bij kinderspeelgoed of drinkbekers. Deze producten moeten normaliter voldoen aan veiligheidseisen, zodat er bijvoorbeeld geen gevaar op vergiftiging is wanneer een kind speelgoed in de mond stopt. Daar is bij eigen, 3D-geprinte producten geen controle op. Consumenten moeten zich er dus van bewust zijn dat de veiligheid van 3D-geprinte producten niet gegarandeerd is.” 
Echter stelt deze instantie, net zoals een van de Amerikaanse specialisten, dat de beschikbare data nog te onduidelijk zijn om conclusies te trekken over de risico’s. “Gedurende het 3D-printen is er kans op inhalatie van de vrijgekomen stoffen als damp of in de vorm van nanodeeltjes die bij het printen ontstaan. Het vrijkomen van deze stoffen hangt af van parameters zoals het gebruikte filament, de printomstandigheden, en de grootte van het te printen object. Het is niet mogelijk om vast te stellen of inademing van de vrijgekomen stoffen tot risico’s leidt. Daarom is het verstandig om consumenten te adviseren om de ruimte waar geprint wordt goed te ventileren. Bij het gebruik van 3D-geprinte producten is er mogelijk dermale of orale blootstelling aan chemische stoffen die uit het product migreren. De aard van het product en het gebruik ervan bepalen de mate van blootstelling. Door gebrek aan (blootstellings)data, waaronder data over gebruik en migratie, is het op dit moment niet mogelijk hiervoor kwantitatieve risicobeoordelingen uit te voeren.”

Door: Kelly Bakker
Bron: C&EN/RIVM