Emisiones de nanopartículas de impresoras 3D, peligros y soluciones !

¿Es real el peligro de las partículas finas o nanopartículas procedentes de las impresoras 3D de filamento? Si dejo la ventana abierta, ¿estoy a salvo? Sí, pero el aire exterior puede estar contaminado, sobre todo si vivo en la ciudad, así que ¿qué pasa con mi salud?

En primer lugar, empecemos con una pequeña definición. ¿Qué son las partículas finas?
Una nube de partículas que no podemos ver no significa que el aire esté limpio. En lo que respecta a la contaminación por partículas finas, éstas tienen un tamaño inferior a un micrómetro. En el ámbito de la calidad del aire, estas partículas se estudian mediante la clasificación PM (Particulate Matter).

PM 10 – partículas de tamaño inferior a 10 micrómetros
PM 2,5 – partículas de tamaño inferior a 2,5 micrómetros
A modo de comparación, el diámetro de un cabello oscila entre 50 y 100 micrómetros.

I. ¿Cuándo hablamos de nanopartículas para impresoras 3D?

Por debajo de 0,1 micrómetros (o 100 nanómetros) se utiliza el término nanopartícula. También se utiliza el término partículas ultrafinas (PUF) para referirse a estos nanomateriales. Tienen un tamaño intermedio entre el de un átomo y el de una célula. Por supuesto, una partícula de 105 nm también será una nanopartícula, un orden de magnitud.

Pequeño recordatorio: 1 micrómetro = 1000 nanómetros.
Por tanto, una PM 2,5 corresponde a una partícula de 2500 nm.
Se utilizan mucho en la industria cosmética y alimentaria. Por ejemplo, puede que conozca el E171 de la lista de ingredientes. Se trata de nanopartículas de dióxido de titanio utilizadas para dar blancura: pasta de dientes, chicles, protectores solares, caramelos…

II. Partículas finas y riesgos para la salud ?

Riesgo = peligro X exposición

La exposición se refiere al número de partículas en un volumen que puede ser inhalado y que es medible. Utilizando un sistema de filtración, se puede limitar la exposición. Sin embargo, el peligro de las nanopartículas aún no se conoce del todo y se refiere al impacto sobre la salud de una partícula específica.

En cuanto a las partículas finas PM10 y PM2,5, causan efectos negativos bien conocidos sobre la salud. Se ha demostrado el aumento del riesgo de enfermedades cardiovasculares, el deterioro de la función pulmonar y los efectos cancerígenos. En general, reducen la esperanza de vida.

III. Los riesgos específicos de las nanopartículas

Están bien presentes, pero aún no se conoce bien el alcance del problema para todos los nanomateriales.

Sin embargo, existe un pequeño problema de medición de la contaminación atmosférica.
La legislación actual propone un marco para las emisiones de partículas en el mejor de los casos PM2,5, especialmente durante los periodos de máxima contaminación atmosférica. Y en este contexto, la masa de partículas finas en suspensión se mide en microgramos por metro cúbico.

Sin embargo, las nanopartículas emitidas por la impresora 3D son de 10 a 100 veces más pequeñas. Para una masa igual de material, serán mucho más numerosas. Esta disminución de tamaño y el aumento de su número optimizarán su potencial de toxicidad. Sin embargo, no se tendrán en cuenta.

La delgadez de estas partículas les permitirá alojarse profundamente en el cuerpo humano, alcanzando los pulmones, la sangre, los órganos internos y el cerebro.

Así, las propiedades fisicoquímicas de un mismo material son muy diferentes entre una nanopartícula y una partícula fina.

Un material que es inofensivo a tamaño “normal” puede no serlo necesariamente a tamaño “nano”. Por lo tanto, todos los estudios toxicológicos deben rehacerse cuando los materiales tienen forma de nanopartículas.

El Centro de Investigación del Cáncer indica que “la biopersistencia de los nanomateriales hace temer una toxicidad crónica o incluso el desarrollo de cánceres con la combinación de genotoxicidad e inflamación crónica”.

No es muy tranquilizador oírlo, pero es mejor estar informado para anticiparse mejor. El estudio “Nanomateriales y nanopartículas: Fuentes y toxicidad” ilustra los efectos potenciales de las nanopartículas a todos los niveles del cuerpo humano.

IV. Emisiones nocivas en la impresión 3D

Dependiendo del filamento y de la temperatura de extrusión, las impresoras 3D emiten partículas de diferentes tamaños y tipos. Es durante la extrusión del plástico cuando se liberan partículas en grandes cantidades.

Una mayor temperatura de extrusión emitirá más partículas. Por lo tanto, los termoplásticos basados en productos petroquímicos como el ABS emiten más partículas que los fabricados a partir de compuestos orgánicos naturales como el PLA.

En 2013, el Instituto de Tecnología de Illinois midió la proporción de nanopartículas de las impresoras 3D. Hay entre 20 y 100 veces más nanopartículas de 10 a 116 nm (puntos grises) que partículas de más de 116 nm (puntos naranjas).

Las nanopartículas no sólo son más numerosas, sino también más ligeras. Las partículas más grandes también son más pesadas. Los mecanismos de filtración serán diferentes según el tamaño y la masa de las partículas.

Este gráfico ofrece más información sobre las emisiones de partículas. Muestra que el aire ya contiene nano y micropartículas antes de cualquier uso de impresoras 3D. También revela:

La impresión con PLA no liberó ninguna partícula mayor de 116 nm
En 20 minutos, 2 impresoras de PLA multiplicaron por 5 la concentración de nanopartículas
La concentración de nanopartículas parece aumentar mucho más rápidamente en presencia de ABS
La tasa de nanopartículas disminuye lentamente una vez finalizada la impresión

V. ¿Qué filtro para nanopartículas?

Hay filtros diseñados específicamente para tratar partículas finas. En la industria, encontramos diferentes normas para la filtración de partículas.

Hemos identificado la norma EN1822. Define la eficacia de los filtros de partículas mediante el recuento de las partículas filtradas.

EPA/HEPA – Filtros de alta eficacia
ULPA – Filtros de baja penetración

Esta norma se adapta perfectamente al contexto de la filtración del entorno de impresión 3D y es comparable al trabajo en salas blancas (laboratorio, electrónica…).
En cuanto a la protección, es habitual considerar el peor de los casos.

En la norma EN1822, un filtro se define por la mayor eficacia de penetración del tamaño de partícula (MPPS), es decir, la partícula que mejor atravesará el filtro. Y no es necesariamente la más pequeña.

El filtro no es un simple tamiz con agujeros donde se capturan todos los objetos más grandes que los agujeros. Cada filtro HEPA tiene un perfil de eficacia basado en el tamaño de las partículas.

En la curva de rendimiento del filtro, observará que el punto de filtración más bajo no corresponde a la partícula más fina de 10 nm (0,01 micrómetros). La partícula MPPS más penetrante es de unos 300 nanómetros; la eficacia más baja será del 99,95%. Para partículas por encima del MPPS, la eficacia es absoluta. Por debajo del MPPS, la eficacia se aproxima al 100%.

Por ejemplo, un filtro HEPA13 capturará al menos 9995 de cada 10.000 partículas de un tamaño de 0,3 micrómetros, mientras que un HEPA14 capturará 9999 de cada 10.000.

Por tanto, los filtros de muy alta eficiencia con este perfil pueden capturar eficazmente nanopartículas a partir de 10 nm emitidas por la impresión 3D con una eficiencia muy alta.

VI. Filtro de nano y micro partículas

Es una cuestión de masa. Hablamos de partículas tan pequeñas que la gravedad o la inercia no tienen el mismo impacto. Entran en juego cuatro mecanismos de filtración.

Así pues, es principalmente el mecanismo de difusión el que permitirá retener las nanopartículas en las fibras filtrantes.

VII. ¿Cómo elegir el filtro Alveo3D?

Probablemente, ya comprenda que el sistema de filtración perfecto para las nanopartículas de las impresoras 3D no existe.

Pero queremos ofrecer la solución más eficaz posible. El principal trabajo a la hora de seleccionar el tipo de filtro es encontrar el equilibrio adecuado entre 3 variables: Eficacia / Resistencia al aire / Coste

Hemos mencionado la eficacia del filtro HEPA y es naturalmente hacia este tipo de material que nos dirigimos. La elección de utilizar filtros certificados que cumplen la norma EN1822 para garantizar una eficacia real sobre las partículas finas se impuso de forma natural.

Los filtros se someten a pruebas para comprobar su eficacia global (rendimiento medio de todo el filtro) y su eficacia local (rendimiento en distintos puntos de la superficie del filtro, excepto en el caso de los filtros HEPA). Rápidamente determinamos que queríamos utilizar un filtro HEPA13 como mínimo para garantizar una eficacia muy alta con respecto a las nanopartículas.

Los filtros HEPA se dejaron de lado debido a su rendimiento limitado y a la falta de pruebas de valor local. Según las recomendaciones del INRS, los filtros HEPA están designados para proporcionar una protección eficaz durante la impresión 3D.

VIII. ¿ HEPA 13, HEPA 14 o ULPA 15 ?

El laboratorio de Alveo3D probó los 3 tipos de filtro. Para elegir el filtro adecuado, es necesario conocer o probar la caída de presión que generará, es decir, su resistencia al aire. A continuación, se puede calibrar el sistema de ventilación en función de esta resistencia.

Así que los filtros ULPA mostraron rápidamente una resistencia muy alta. No podemos hacer un sistema de ventilación compacto y relativamente silencioso para la impresión 3D con este tipo de filtro. Ahora sabemos por qué se llaman “filtros de baja penetración”. También son más caros.

Por lo tanto, la decisión se reduciría a entre filtros HEPA 13 y HEPA 14.
Un filtro HEPA puede fabricarse con pliegues para aumentar la superficie filtrante. Una mayor superficie filtrante reduce la resistencia del aire y aumenta la vida útil del filtro.

Experimentamos con unos 20 prototipos, modificando el grosor de los filtros y utilizando distintos materiales filtrantes, como fibra de vidrio, fibras de poliéster y fibras con infusión de carbón.

Nuestro objetivo era permitir la filtración de nanopartículas de impresoras 3D de un armario de 60x60x60cm en 30 segundos, con un caudal de 26m3/h. Este caudal debía conseguirse en un formato compacto con las dimensiones de un ventilador de 120mm para adaptarse al mayor número de cajas. Y, por último, no superar el caudal de aire a través del filtro para no perjudicar su rendimiento.

Con estas características, el filtro HEPA13 se reveló como el mejor compromiso: 50 dB de media en la caja entre el kit de filtración AlveoONE en versión independiente o montaje en panel. El coste es razonable. Por lo tanto, podemos ofrecer el kit de filtración universal más asequible del mercado con muy buena eficacia y buena vida útil.

Al final

Sería posible utilizar HEPA 14, pero el ruido generado por el ventilador no es nada agradable con el concepto actual. No obstante, tenemos una excelente oportunidad de desarrollo con un futuro kit de filtración HEPA 14. Nuestro reto será mantener un nivel de ruido razonable a la vez que aumentamos el rendimiento de la filtración.

Encontrará sistemas de filtración de partículas para impresoras 3D basados en cartuchos filtrantes para mascarillas respiratorias.

En estos cartuchos, la filtración de partículas la realiza un filtro P3 que cumple la norma EN14387. La eficacia de filtración de estos filtros es similar a la del filtro HEPA 13, pero están optimizados para la respiración humana. Están diseñados para manejar volúmenes más pequeños de aire y resistir la humedad (que no es útil en la impresión 3D). Se presentan en forma de pequeñas superficies no plegadas. Esta configuración ofrece una gran resistencia al aire y una menor superficie de filtración.

Por lo tanto, preferimos utilizar filtros HEPA que ofrecen una respuesta más pertinente a las emisiones de nanopartículas de las impresoras 3D y la posibilidad de evolucionar a niveles de filtración superiores.
Las impresoras 3D también emiten gases nocivos llamados Compuestos Orgánicos Volátiles COV. Encontrará información interesante en las publicaciones del INRS.

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Artículo escrito por:

Lucas

CEO de Alveo3D