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Quel filament d’imprimante 3D émet le plus de nanoparticules ?

Illustration des filaments qui forment un graphique

Écrit par Elisa Pinet

Written by Elisa Pinet

Escrito porElisa Pinet

avril 25, 2023

Les nanoparticules sont omniprésentes lors des impressions 3D. Chaque filament émet une quantité de nanoparticules. Être exposé de manière chronique ou récurrente à ces émissions, peut potentiellement avoir des conséquences toxiques pour la santé.

Les opérateurs peuvent être exposés aux émissions polluantes dues à la fusion du plastique chauffé dans des locaux peu ou non ventilés. Ils se retrouvent alors exposés à de fortes concentrations de nanoparticules. Elles sont constituées de nanoparticules majoritairement comprises entre 10 et 100 nm en fabrication additive FDM.

Pour mieux comprendre le danger que peut engendrer ces émissions, n’hésitez pas à consulter notre précédent article : “Emissions de nanoparticules d’imprimante 3D, dangers et solution !

Aujourd’hui, concentrons nous sur le risque principal : les émissions de nanoparticules ou autrement appelé, les particules ultrafines.

II. Les filaments courant de l’imprimante 3D ?

Lors d’une étude réalisée en 2021, nous avons confirmé l’hypothèse disant que les concentrations de nanoparticules étaient différentes selon les filaments utilisés. Afin de quantifier cette proportion de nanoparticules produites lors d’une impression 3D dans un caisson, nous nous sommes concentrés sur 3 des filaments les plus couramment utilisés :

  • L’ABS : Connu pour sa rigidité et sa bonne résistance aux chocs, il est également connu pour sa température d’extrusion élevée (250°C). Il est par contre plus difficile à imprimer.
  • Le PLA : Très populaire pour sa facilité d’impression et par sa faible sensibilité au warping, il est possible de l’utiliser pour l’impression de grandes pièces. La température d’extrusion est de 215°C.
  • Le PETG : Un des plus utilisés dans le monde en raison de sa bonne résistance aux chocs, sa stabilité, sa facilité d’impression et sa transparence. Sa température d’extrusion relativement basse de 245°C facilite son impression.

Nous avons réalisé une campagne de mesures dans les locaux d’Alveo3D. Nous disposons de notre banc de mesure spécialement dédié à l’étude des nanoparticules d’imprimante 3D de bureau.

Nous avons mesuré la production de ces éléments à l’aide d’un compteur à condensation Palas modèle ENVI- CPC-100. La plage de mesure de l’appareil est de 7 à 5000 nm avec une précision de 5% jusqu’à 100 000 p/cm3 et 10% au-delà. Nous pouvons ainsi mesurer les émissions de nanoparticules de filaments plastiques comprises majoritairement entre 10 et 200nm.

Ces séquences de mesures ont été réalisées en imprimant le même modèle.

 

Pour chaque filament de plastique, les particules ont été mesurées en 3 étapes distinctes :

  • Étape 1 : Mesure dans le caisson sans ventilation d’air
  • Étape 2 : Mesure dans le caisson avec ventilation d’air
  • Étape 3 : Mesure après le filtre
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L’imprimante 3D agit comme un générateur de particules. Le flux d’air est dirigé dans le conduit de prélèvement, ce qui oblige un passage des particules à travers le filtre.

La section amont du filtre permet de prendre des mesures relatives à la production des particules dans le volume du caisson d’imprimante 3D. Cette configuration est tout à fait similaire aux conditions réelles d’emploi des imprimantes 3D avec caisson de sécurité ALVEO3D. La partie aval du conduit représente l’air « propre » en sortie de filtre.

Chaque processus d’impression 3D est programmé avec le même fichier GCODE, (un langage de programmation permettant à la machine de comprendre les instructions nécessaires pour produire la pièce finale). Nous avons appliqué les températures d’extrusion préconisées par le fabricant.

A chaque étape, nous avons enregistré les concentrations de nanoparticules. Ces mesures nous ont permis d’observer les concentrations de nanoparticules émises pour chaque filaments.

III. L’ABS est-il vraiment le filament le plus polluant de l’imprimante 3D ?

Emission du filament ABS

Fichier 39
  • s’est révélé être le filament le plus émissif, dû probablement à sa composition chimique et/ou sa température d’extraction. 200 à 300 fois plus de particules que sur la pollution atmosphérique courante.
  • Sans ventilation: pics élevés de concentrations de nanoparticules tout au long de l’impression. Danger élevé pour l’opérateur.
  • Avec ventilation : limitation des pics d’émissions de nanoparticules mais risque important en cours d’impression 3D.
  • Après filtre : réduction significative de la concentration de nanoparticules dans l’air. Conforme aux valeurs de pollution atmosphérique.

Emission du filament PLA

Fichier 43
  • Avec une température d’extraction moins importante, il se révèle être bien moins émissif que l’ABS tout en générant des concentrations 5 à 10x supérieures à la pollution atmosphérique.
  • Sans ventilation : la pollution atmosphérique aux particules peut être multipliée par trois en moyenne.
  • Avec ventilation : pollution plus importante que sans ventilation. L’hypothèse la plus probable serait que l’agitation de l’air met en évidence des variations de la concentration de particules dans le volume d’un caisson d’imprimante 3D. Concentrations supérieures à 100 000 p/cm3 ce qui reste un niveau élevé et donc impose de limiter l’exposition.
  • Après filtre : Réduction importante de la pollution et concentration qui se stabilise en dessous de 1000p/cm3 (moins que la pollution atmosphérique) sur toute la durée de l’impression.

Emission du filament PTEG

Fichier 47
  • Filament un peu plus émissif que le PLA mais moins que l’ABS
  • Sans ventilation :pics de particules mais moins importants que sans ventilation. Le pic passe de 200000 p/cm3 à un pic d’environ 48 000 p/cm3. 10 x moins que l’ABS mais 10 x plus que la pollution atmosphérique.
  • Avec ventilation : Concentration maximum limitée et valeur moyenne en baisse. Le risque est limité mais toujours présent en cours d’impression.
  • Après filtre : efficacité notable du filtre : la concentration de particules est plus faible que celle de la pollution atmosphérique.

Pour en apprendre d’avantage sur notre filtre P3D et son efficacité, nous vous invitons à lire cet article.

IV. Comment se protéger des émissions de nanoparticules ? Nos recommandations

Nos recommandations :

Grâce à ces différentes mesures nous avons pu établir certaines conclusions et recommandations.

  • Selon les filaments utilisés, les émissions de nanoparticules peuvent varier. Pour cela, nous recommandons aux opérateurs de favoriser des filaments peu émissifs tel que le PLA. De plus, en complément d’une filtration d’air de qualité, il est recommandé de l’utiliser en continue puisque les niveaux de pollution atmosphérique sont systématiquement dépassés lors des impressions.
  • Rendre accessible hors caisson les interfaces de contrôle de la ventilation et de l’imprimante pour éviter l’exposition en cour d’impression.
  • Réduire son temps d’exposition. Une fois l’impression terminée, il est recommandé de refermer le caisson avec la ventilation. Bien qu’il y ait peu d’études sur la toxicité des nanoparticules pour le corps humain, il est difficile de déterminer à quel niveau de concentration cela devient toxique. Par mesure de précaution, il est donc préférable de limiter le temps d’exposition, en particulier lors des phases d’accès au volume d’impression telles que le changement de filaments et en fin d’impression.

Recommandations de ventilation avec carte de contrôle électronique (carte V2 + filtre P3D)

  • ABS : ventilation 80% jusqu’au démarrage de l’impression. Pendant l’impression, 30 à 40% et ventilation jusqu’à refroidissement du plateau
  • PETG/PLA : ventilation 80% jusqu’au démarrage de l’impression. Pendant l’impression, 50 à 70% et ventilation jusqu’à refroidissement du plateau
    Au début et à la fin du cycle d’impression, vous pouvez également utiliser une vidange rapide si vous avez besoin d’un accès immédiat à votre imprimante.
ATTENTION ! La vitesse de ventilation peut avoir un impact sur la qualité d’impression, d’autant plus sur les filaments sensibles au phénomène de rétractation. Il est donc important d’adapter cette vitesse de ventilation aux conditions de températures auxquelles l’imprimante 3D sera exposée et d’augmenter le temps de ventilation si le système de filtration est utilisé à vitesse réduite.
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