Scegliere filamenti per la stampa 3D

La stampa 3D sta diventando sempre più popolare grazie alla sua capacità di creare oggetti tridimensionali in modo efficiente ed economico. Tuttavia, ci sono alcune preoccupazioni riguardo alle emissioni dei filamenti utilizzati in questa tecnologia. I filamenti per la stampa 3D sono spesso realizzati in plastica e possono emettere sostanze chimiche nocive durante il processo di fusione. Le emissioni dei filamenti per la stampa 3D possono avere conseguenze negative sulla salute umana e sull'ambiente. Molti di questi filamenti contengono sostanze chimiche pericolose come il benzene, l'acido cianidrico e il monossido di carbonio, che possono causare problemi respiratori, irritazioni alla pelle e persino cancro. Questo è particolarmente preoccupante quando si utilizzano filamenti in ambienti interni, dove le emissioni possono accumularsi e causare problemi di salute a lungo termine. Per questo motivo, prima dell'acquisto di questi materiali, è importante che gli utilizzatori di stampanti 3D prendano in considerazione le emissioni dei filamenti. Questo articolo esplorerà le problematiche legate alle emissioni dei filamenti per la stampa 3D e presenterà un metodo per quantificarle e poter quindi confrontare le emissioni di più filamenti.

Introduzione

La diversità dei filamenti per la fabbricazione a filamento fuso continua a crescere rapidamente, dato che la popolarità delle stampanti desktop è aumentata notevolmente nell'ultimo decennio. Le potenziali emissioni nocive e i rischi per la salute associati al funzionamento in ambienti chiusi hanno indotto molti studi sulle emissioni. Tuttavia, la mancanza di standardizzazione delle misure ha impedito un confronto oggettivo dei risultati della ricerca. Alcuni scienziati però hanno progettato un metodo che fornisce una procedura di stampa standardizzata e quantifica sistematicamente l'emissione di particelle rilasciate da singoli filamenti in condizioni controllate. L'origine dei polimeri, gli additivi specifici del produttore e le impurità non dichiarate hanno una forte influenza. I risultati di questi test suggeriscono che il numero totale di particelle emesse caratterizza un singolo prodotto di filamento e le emissioni di particelle non possono essere classificate solo in base al tipo di polimero (ad esempio, PLA o ABS). La scelta di un filamento da parte dell'utente è quindi decisiva per l'esposizione a basse emissioni e sembra essere una misura facilmente realizzabile per prevenire i rischi per la salute.

Stampa 3D e filamenti

La Fused Filament Fabrication (FFF) è una tecnologia di stampa 3D che è stata utilizzata per la prototipazione rapida nell'industria già all'inizio degli anni '90. In particolare, dal 2010, questa tecnologia è maturata progressivamente e ha semplificato la gestione per i non professionisti sotto forma di modelli desktop. In concomitanza con il calo dei prezzi di acquisto, le stampanti FFF-3D desktop hanno ottenuto una grande popolarità. Seguendo la tendenza, la diversità dei materiali di stampa (filamenti) continua a crescere rapidamente. Inoltre, l'emergere di piattaforme di stampa 3D online consente lo scambio di conoscenze e la condivisione di file di progettazione digitale, incoraggiando applicazioni come, ad esempio, la fabbricazione domestica. La FFF si basa sull'estrusione di materiale in cui i filamenti termoplastici vengono fusi, estrusi attraverso un ugello riscaldato e quindi depositati strato per strato sul letto di stampa per costruire progressivamente un oggetto 3D. Nel filamento fuso si verifica l'evaporazione e la decomposizione termica della termoplastica. Durante il processo di stampa si formano quindi composti organici volatili (VOC) e particolato, principalmente sotto forma di particelle ultrafini (UFP, diametro delle particelle dP ≤ 100 nm); queste particelle, come quelle dell'inquinamento atmosferico, raggiungono gli alveoli e hanno il potenziale per entrare nel flusso sanguigno e raggiungere altri organi e vengono spesso rilasciati in modo incontrollato e non filtrato negli ambienti interni in cui vengono normalmente utilizzate le stampanti FFF-3D desktop. Soprattutto i modelli a basso costo spesso non sono dotati né di un involucro né di sistemi di filtraggio. Gli utenti sono quindi direttamente esposti, il che rappresenta un potenziale pericolo per la salute. È stato evidenziato che la scelta di un filamento può influenzare l'emissione di particelle fino a diversi ordini di grandezza. Ulteriori indagini hanno suggerito che il colore, il metallo e gli additivi del legno influenzano il livello di emissione di particelle. Sembra quindi possibile che l'emissione di particelle sia specifica per un singolo prodotto di filamento piuttosto che per il suo polimero di base. Una classificazione delle emissioni in base ai tipi di polimero di base del filamento non sembra quindi opportuna. Di seguito, utilizzeremo il termine "prodotto di filamento" come sinonimo di un singolo composto che comprende un polimero di base con stabilizzatori e impurità solitamente sconosciute, una selezione di additivi e coloranti. Il termine descrive quindi una singola materia prima acquistabile da un mercato o da un fornitore noto, piuttosto che una classe di materiali. Idealmente, un prodotto di filamento viene fornito con una dichiarazione degli ingredienti, istruzioni per l'uso e un foglio di sicurezza. In pratica, questo non è uno standard. Alcuni studi hanno inoltre riscontrato che anche l'hardware e il firmware della stampante sono influenti sulle emissioni. Una spiegazione plausibile è che il firmware predefinisca la "strategia di costruzione dell'oggetto", che comprende ad esempio il controllo e i movimenti dell'estrusore e del letto di stampa, i dettagli della deposizione del materiale in funzione del tempo e la progettazione di strutture di supporto come le zattere. Inoltre, la potenza e i tassi di riscaldamento e l'accuratezza del controllo della temperatura devono essere considerati fattori di emissione legati all'hardware. Anche le apparecchiature delle stampanti, ad esempio i ventilatori, le protezioni dalla polvere e i filtri integrati, possono influire sull'esposizione alle particelle rilasciate. I parametri personalizzabili rilevanti sono, tra l'altro, le temperature di esercizio dell'estrusore e del letto di stampa, la velocità di stampa, e la densità e la struttura dell'oggetto. Complessivamente, è evidente che una moltitudine di fattori di influenza può modificare notevolmente l'emissione di particelle e gas durante un processo di stampa 3D. Inoltre, la mancanza di standardizzazione in termini di condizioni sperimentali, siti di misurazione, strumenti, metriche e dettagli della procedura di stampa complica un confronto oggettivo dei risultati della ricerca.

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