Diese günstige Lösung filtert 99 % der ABS-Partikel – warum sie dennoch scheitert
Eine neue Studie deutet darauf hin, dass eine gut durchdachte Absaugung an der Düse und vollständig belüftete Gehäuse die beim ABS-Druck freigesetzten Partikel um 99 % reduzieren können. Dennoch stehen die Nutzer weiterhin ohne eine praktische Sicherheitslösung da.
Forscher des US-amerikanischen National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) haben vier relativ kostengünstige Methoden zur Erfassung von Partikelemissionen bei Desktop-FDM-3D-Druckern getestet. Unter kontrollierten Laborbedingungen entfernten die leistungsstärksten Konstruktionen mehr als 99 % der gemessenen Partikel.
Das interessanteste Ergebnis in der NIOSH-Studie „Design and Evaluation of Four Low-Cost Engineering Controls for Reducing Particle Emissions from 3D Printing“ ist nicht die Tatsache, dass ein vollständig belüftetes Gehäuse luftgetragene Partikel abfangen kann. Vielmehr ist es die Erkenntnis, dass auch ein offener Drucker beim Drucken von ABS eine sehr hohe Partikelerfassung erreichen kann. Allerdings ist die Lösung unschön, druckerspezifisch und möglicherweise umständlich.
Die Forscher des NIOSH entwarfen eine maßgeschneiderte Absaughaube. Diese wurde am Druckkopf montiert und direkt auf die Düse ausgerichtet. Ein Schlauch verband die Haube mit einem separaten Gebläse und einem Hochleistungsfilter. Bei einem offenen Drucker erreichte das System eine minimale Partikelerfassungseffizienz von 99,72 %.
Die Studie untersuchte nicht, ob der zusätzliche Aufsatz und der Schlauch die Druckgeschwindigkeit, die Bewegung, die Zuverlässigkeit oder die Druckqualität beeinträchtigten. Zudem wurden nur Partikel gemessen, keine Gase oder flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs). Die Konstruktion baut auf früheren Arbeiten des NIOSH zur Absaugung auf Düsenebene auf und führt dieses Konzept nicht zum ersten Mal ein.
Eine zweite Version der Absaugung an der Düse lieferte weniger gleichmäßige Ergebnisse und erreichte eine minimale Erfassungseffizienz von 91,55 %. Die Forscher führten den Unterschied auf den engeren Raum um den Extruder, schmalere interne Durchgänge und einen geringeren Luftstrom zurück – und nicht nur auf das Vorhandensein eines kleineren Aufsatzes.
Erfassungsraten von ABS-Dampfpartikeln:
- Düsenkontrolle A: 99,72 %
- Düsenkontrolle B: 91,55 %
- Handelsübliches Gehäuse für den Bauraum: 28,59 %
- Vollständig geschlossenes Gehäuse für den gesamten Drucker: 99,78 %
Obwohl diese Studie weniger bahnbrechend ist, als wir es von der 3D-Drucker-Forschung des NIOSH gewohnt sind, unterstreicht sie zwei wichtige Erkenntnisse. Erstens können eine sorgfältig konstruierte Absaugung an der Düse und belüftete Gehäuse fast alle gemessenen Partikel erfassen. Zweitens bedeutet die Platzierung des Bauraums in einer Acrylglasbox nicht zwangsläufig, dass die ABS-Partikelemissionen auch wirklich zurückgehalten werden.
Ein Gehäuse ist nur so gut wie sein Luftstrom
Eine weitere wichtige Erkenntnis betrifft das Design von Druckergehäusen. Es reicht nicht aus, den Drucker (oder einen Teil davon) einfach mit Platten zu verkleiden, um eine effektive Partikelerfassung zu gewährleisten. Der Luftstrom, die Lüftungsschlitze, die Lüfter und die Gehäusebegrenzung müssen stets als integraler Bestandteil der jeweiligen Maschine betrachtet werden.
Ein Drucker wurde mit einem handelsüblichen, druckerspezifischen Gehäuse getestet. Den Fotos in der Studie nach zu urteilen, handelt es sich dabei offenbar um einen LulzBot Mini. Die Partikelerfassung fiel hierbei schlecht aus. Das Gehäuse umschloss zwar den Bauraum, deckte jedoch nicht das gesamte Luftstromsystem der Maschine ab.
Ein freiliegender Lüfter für die Elektronikkühlung drückte partikelbeladene Luft durch Öffnungen nach außen. Dadurch konnte die Luft den gefilterten Abluftweg des Gehäuses umgehen. Dieses Ergebnis zeigt deutlich, dass ein effektives Gehäuse Lüfter und Lüftungsschlitze kontrollieren muss. Es reicht nicht, lediglich das Druckbett zu umschließen.
Die meisten modernen Druckergehäuse umschließen die gesamte Maschine. Diese Erkenntnis dient daher in erster Linie als Lektion in Sachen Luftstrom sowie als Warnung für DIY-Gehäuseprojekte. Es verdeutlicht zudem, warum ein Gehäuse, das primär für die Temperaturstabilität gebaut wurde, nicht automatisch als Emissionskontrollsystem betrachtet werden sollte.
Eindeutige Ergebnisse, aber nicht einfach zu reproduzieren
Im Laufe des letzten Jahrzehnts hat das NIOSH maßgeblich zum Aufbau der Evidenzbasis beigetragen. Diese wird genutzt, um den Desktop-3D-Druck an Arbeitsplätzen, in Schulen, Makerspaces und Laboren sicherer zu machen. Die Forschung der Einrichtung hat die Diskussion über die vage Warnung, dass Drucker „Dampf produzieren“, hinausgeführt. Sie ermittelte, was genau emittiert wird, wann sich die Emissionen verschlechtern und wie Arbeiter diesen ausgesetzt sein könnten. Darüber hinaus wurde aufgezeigt, welche technischen Kontrollmaßnahmen diese Exposition reduzieren können.
Für Arbeitssicherheitsexperten und Hobbyisten gleichermaßen ist diese neueste Studie jedoch eher ein Machbarkeitsnachweis als ein praktischer Leitfaden. Sie belegt zwei fundierte Prinzipien: Die Emissionen sollten entweder nahe der Düse erfasst oder der gesamte Prozess umschlossen werden, wobei ein kontrollierter, nach innen gerichteter Luftstrom aufrechterhalten bleiben muss. Was die Studie jedoch nicht liefert, ist ein vollständiges, validiertes und herunterladbares System, das die Nutzer einfach installieren und nachbauen können.
Das NIOSH hat zwar in der Vergangenheit bereits Dateien für ein ähnliches Absaugsystem veröffentlicht. Das aktuelle Papier enthält jedoch weder druckbare Dateien noch vollständige Bauanleitungen für die neuen druckerspezifischen Absaughauben, mit denen diese Ergebnisse erzielt wurden.
Zudem bewertet die Studie nicht die gesamte Mischung der Emissionen, die beim Drucken von ABS freigesetzt werden. Die Autoren weisen ausdrücklich darauf hin, dass die Kontrollmaßnahmen nicht zur Minderung von gasförmigen Emissionen entwickelt wurden. Die gemeldeten 99 % können somit nicht als 99-prozentige Beseitigung aller ABS-Emissionen interpretiert werden. Ein Hochleistungs-Partikelfilter kann zwar luftgetragene Partikel erfassen, lässt aber gleichzeitig gasförmige Verunreinigungen passieren.
Die Forschung weist erhebliche Lücken auf, ist aber wissenschaftlich gesehen keineswegs sinnlos. Einerseits bestätigt sie, dass eine kostengünstige Absaugung an der Quelle die Freisetzung ultrafeiner Partikel bei korrekter Konstruktion drastisch reduzieren kann. Andererseits warnt sie auch davor, dass das Gehäusedesign weitaus komplizierter ist, als es auf den ersten Blick erscheinen mag.
Nutzer sollten sich nicht auf rein kosmetische Abdeckungen verlassen. Die Emissionskontrolle sollte sowohl Partikel als auch Gase berücksichtigen. Überdies muss bei der Konstruktion eines Gehäuses jeder mögliche Luftstromweg bedacht werden. Der Artikel empfiehlt zudem, vor der Installation von nachgerüsteten Kontrollsystemen oder improvisierten Modifikationen eine Risikobewertung durchzuführen. Dabei sollten unter anderem Brandgefahren, Auswirkungen auf die Garantie und mögliche Folgen für Gerätezertifizierungen berücksichtigt werden.
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