Le danger lié aux particules fines ou aux nanoparticules d’imprimante 3D à filaments est-il réel ? Si je laisse ma fenêtre ouverte, suis-je en sécurité ? Oui mais l’air extérieur est peut-être pollué surtout si j’habite en ville alors qu’en est-il pour ma santé ?

 

Tout d’abord, commençons par une petite définition. Qu’appelle-t-on particules fines ?

Un nuage de particules que nous ne pouvons pas voir, ne veut pas dire que l’air est sain. Au sujet des pollutions aux particules fines, elles sont de taille inférieure au micromètre. Dans le domaine de la qualité de l’air on étudie ces particules suivant la classification PM (pour Matière Particulaire).

PM 10 – particules inférieures à 10 micromètres

PM 2.5 –  particules inférieures à 2.5 micromètres

A titre de comparaison, le diamètre d’un cheveu est compris entre 50 et 100 micromètres.

Quand parle t-on de nanoparticules d’imprimante 3d ?

Sous 0.1 micromètre (ou 100 nanomètres) on emploie le terme de nanoparticules. Le terme Particules Ultrafines (PUF) est également employé pour désigner ces nanomatériaux. Elles ont une taille comprise entre celle de l’atome et de la cellule. Bien entendu une particule de 105 nm sera aussi une nanoparticule, c’est un ordre de grandeur.

Petit rappel : 1 micromètre = 1000 nanomètres.

Donc, une PM 2.5 correspond à une particule de 2500 nm.

Elles sont très utilisées dans les domaines cosmétique et alimentaire. Par exemple, vous connaissez peut-être le E171 dans la liste des ingrédients ? Il s’agit des nanoparticules de dioxyde de titane utilisées pour la blancheur : dentifrice, chewing-gum, crème solaire, bonbons ….

Particules fines et risques pour la santé ?

Le risque = danger X exposition

L’exposition représente la quantité de particules dans un volume que l’on peut inhaler. Elle est mesurable et l’emploi d’un système de filtration permet de limiter cette expositionEn revanche, le danger est encore mal connu à ce jour pour les nanoparticules. Il représente l’effet sur la santé d’une particule donnée. 

illustration d'une imprimante 3D eméttant des pollutions

En ce qui concerne les particules fines PM10 et PM2.5, elles provoquent des effets néfastes bien connus sur la santé. L’augmentation des maladies cardio-vasculaires, l’altération des fonctions pulmonaires et des effets cancérogènes sont démontrés. De manière générale elles réduisent l’espérance de vie.

Le risque spécifique des nanoparticules

Ils sont bien présents mais l’étendue du problème est encore bien peu connu aujourd’hui pour l’ensemble des nanomatériaux.

Notons toutefois un petit problème de mesure de la pollution de l’air.

La législation actuelle propose un encadrement des émissions pour les particules au mieux PM2.5 notamment en période des pics de pollution atmosphérique. Et dans ce contexte on mesure la masse des particules fines en suspension en microgrammes par mètre cube.

Or, les nanoparticules d’imprimante 3D rejetées sont 10 à 100 fois plus petites. Pour une masse égale de matière, elles seront bien plus nombreuses. Cette diminution de taille et augmentation du nombre va optimiser leur potentiel de toxicité. Et pourtant, elles ne seront pas comptabilisées.

La finesse, de ces particules va leur permettre de se loger profondément dans le corps humain pour atteindre les poumons, le sang, les organes internes et le cerveau.

Ainsi, pour un même matériau, les propriétés physico-chimiques sont très différentes entre une nanoparticule et une particule fine.

Un matériau inoffensif à taille « normale », n’est pas forcément inoffensif à taille « nano ». Donc, toutes les études toxicologiques sont à refaire dès lors que les matériaux se retrouvent sous forme de nanoparticules.

Le centre de lutte contre le cancer indique que  » la biopersistance des nanomatériaux fait craindre un risque de toxicité chronique, voire de développement de cancers avec la conjugaison du processus de génotoxicité et de l’inflammation chronique « .

Peu réjouissant à entendre mais il vaut mieux être averti pour mieux anticiper. L’étude Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity illustre les effets potentiels des nanoparticules à tous les niveaux du corps humain.

les dangers des nanoparticules sur le corps humain

Les émissions nocives dans l’impression 3D

Les imprimantes 3D émettent des particules de différentes tailles et de différentes natures en fonction du filament et de sa température d’extrusion. C’est au cours de l’extrusion du plastique que les particules se dégagent en grande quantité.

Une température d’extrusion plus importante rejettera plus de particules. Et donc, les thermosplastiques à base de produits issus de la pétrochimie comme l’ABS émettent plus de particules que ceux fabriqués à base de composés organiques naturels comme le PLA.

émission nanoparticules abs pla

En 2013, l’institut de technologie de l’Illinois a mesuré la proportion nanoparticules d’imprimante 3D. Il y a 20 à 100 fois plus de nanoparticules de 10 à 116nm (carrés gris) que de particules au-delà de 116nm (triangles violets).

Les nanoparticules sont bien plus nombreuses mais aussi plus légères. Les particules les plus grosses sont également plus lourdes. Les mécanismes de filtration vont être différents suivant la taille et la masse des particules.

Ce graphique en dit un peu plus sur les émissions de particules. Il montre que l’air contient déjà des nano et micros particules avant tout usage d’imprimantes 3D. Il nous nous révèle également :

 

  • l’impression en PLA n’a pas rejeté de particules de plus de 116 nm
  • en 20 minutes, 2 imprimantes de PLA multiplient par 5 la concentration de nanoparticules
  • la concentration des nanoparticules semble augmenter bien plus rapidement en présence d’ABS 
  • le taux de nanoparticules diminue lentement après la fin des impression

Quel filtre pour les nanoparticules ?

Il existe des filtres spécifiquement conçus pour traiter les particules fines. En industrie nous trouvons différentes normes pour la filtration des particules.

Nous avons identifié la norme EN1822. Elle définit l’efficacité des filtres particulaires par comptage des particules filtrées.

EPA / HEPA – Les filtres Très haute efficacité

ULPA – les filtres basse pénétration

Cette norme convient parfaitement au contexte de la filtration de l’environnement des impressions 3D et s’apparente au travail en salles blanches (laboratoire, électronique…).

Quand on parle de protection, il est d’usage de considérer le cas le plus défavorable. 

Dans la norme EN1822, un filtre est défini pour une efficacité à la taille de particule ayant la plus forte pénétration (MPPS). C’est-à-dire la particule qui arrivera le mieux à passer à travers le filtre. Et ce n’est pas forcément la plus petite.

Le filtre n’est pas qu’une simple passoire à trous dans laquelle tous les objets plus gros que les trous sont capturés.

Il existe un profil d’efficacité pour chaque filtre HEPA en fonction de la taille des particules.

efficacité d'un filtre H13

Dans la courbe de performance du filtre, vous remarquerez que le point le plus bas de la filtration n’est pas pour la particule la plus fine 10nm (0.01micromètre). La particule la plus pénétrante MPPS se trouve aux alentours des 300 nanomètres, l’efficacité la plus basse sera de 99,95%. Pour les particules au-dessus de la MPPS l’efficacité est absolue. En dessous de la MPPS l’efficacité s’approche des 100%. 

A titre d’exemple, un filtre HEPA13 pourra capturer au minimum 9995 particules sur 10000 d’une taille de 0.3 micromètre là ou un HEPA14 en capturera 9999 sur 10000. 

Les filtres Très Haute Efficacité ayant ce profil, pourront donc capturer les nanoparticules à partir de 10nm émises par l’impression 3D avec une très bonne efficacité. 

Filtrer les nano et les micro particules

C’est une question de masse. Nous parlons de particules tellement petite que la gravité ou l’effet d’inertie n’a pas la même incidence. Quatre mécanismes de filtration interviennent.

nanoparticules

Diffusion

Les particules ultrafines de moins de 0.5 micromètre sont si légères qu’elles vibrent avec la matière sans suivre parfaitement le flux d’air (mouvement bownien).

hepa HEPA filter nanoparticules

Interception

L’interception interviendra entre 0.5 et 1 micromètre

filtration inertial

Inertie

Au-delà de 1 micron

tamisage mécanisme filtration HEPA

Tamisage

Pour les plus grosses particules

C’est donc essentiellement le mécanisme de diffusion qui va permettre de retenir les nanoparticules dans les fibres du filtre.

Choix du filtre Alveo3D ?

Vous l’avez sans doute compris à présent, le système de filtration parfait n’existe pas pour les nanoparticules d’imprimante 3D.

Mais nous voulons proposer la solution la plus efficace possible. Le principal travail dans la sélection du type de filtre consiste à trouver le bon compromis entre 3 variables.

Efficacité / Résistance à l’air / Coût

3 Filtres de test différente haute efficacité

Nous avons évoqué l’efficacité du filtre HEPA et c’est naturellement vers ce type de matériel que nous nous sommes tourné. Le choix d’utiliser des filtres certifiés qui répondent à la norme EN1822 pour garantir une réelle efficacité sur les particules fines, s’est naturellement imposé.

Les filtres sont testés sur leur efficacité globale (performance moyenne de tout le filtre) et sur l’efficacité locale (performance aux différents points de la surface filtrante, sauf pour les EPA).

Nous avons très rapidement déterminé que nous souhaitions utiliser un filtre HEPA13 à minima pour garantir une efficacité très élevée vis-à-vis des nanoparticules.

Les filtres EPA ont été mis de côté pour leurs performances limités et l’absence de test de valeur locale.

D’après les recommandations du CNRS, les filtres HEPA sont désignés pour constituer une protection efficace au cours d’une impression 3D. 

Alors HEPA 13, HEPA 14 ou ULPA 15 ?

L’équipe Alveo3D a testé les 3 types de filtre. Pour choisir le bon filtre, il faut connaitre ou tester la perte de charge qu’il va générer, c’est-à-dire sa résistance à l’air. Ensuite, il est possible de calibrer le système de ventilation en fonction de cette résistance.

Test de pression avec un filtre P3D

Les filtres ULPA ont rapidement montré une résistance très élevée. Nous ne pouvons pas faire un système de ventilation compact et relativement silencieux pour l’impression 3D avec ce type de filtre. On sait maintenant pourquoi ils s’appellent « filtres basse pénétration ». Ils sont également plus onéreux. 

La décision allait donc se jouer entre les HEPA 13 et HEPA 14.

Un filtre HEPA peut se fabriquer avec des plis pour augmenter la surface de filtration. Une plus grande surface de filtration permet de réduire la résistance à l’air et d’augmenter la durée de vie du filtre.

Nous avons donc testé une vingtaine de prototypes différents en faisant varier les épaisseurs de filtre et les matières du filtre (fibre de verre, fibres polyesters, fibres imprégnées de charbon actif).

Pyramide de filtres de tests pour alveo3D

Notre objectif était de permettre la filtration des nanoparticules d’imprimante 3D d’un caisson de 60x60x60cm en 30 secondes soit un débit de 26m3/h. Ce débit devant être atteint dans un format compact aux dimensions d’un ventilateur 120mm pour s’adapter au plus grand nombres de boîtiers. Et enfin, ne pas dépasser une vitesse de passage d’air dans le filtre pour ne pas détériorer ses performances.

Avec ces caractéristiques, c’est le filtre HEPA13 qui s’est révélé le meilleur compromis : 50dB dans le caisson en moyenne entre le kit de filtration alveoONE en version pose libre ou montage en panneau. Le coût est raisonnable. Nous pouvons ainsi proposer le kit de filtration universel le plus abordable du marché avec une très bonne efficacité et une bonne durée de vie.

Le mot de la fin :

Il serait possible d’employer le HEPA 14 mais les nuisances sonores générées par le ventilateur ne sont pas agréables du tout avec le concept actuel. Nous avons malgré tout une belle opportunité de développement avec un futur kit de filtration en HEPA 14. Notre challenge sera de maintenir un bruit raisonnable tout en augmentant la performance de filtration.

Vous trouverez des systèmes de filtration de nanoparticules d’imprimante 3D à base de cartouches filtrantes de masque respiratoire.

Dans ces cartouches, la filtration des particules est effectuée par un filtre P3 qui répond à la norme EN14387. L’efficacité de filtration de ces filtres s’apparente au filtre HEPA 13 mais sont optimisés pour la respiration humaine. Ils sont faits pour traiter des volumes d’air plus faibles et résister à l’humidité (ce qui n’est pas utile dans l’impression 3D). Ils se présentent sous forme de petites surfaces non plissées. Cette configuration présente une forte résistance à l’air et une moins grande surface de filtration.

Nous préférons donc utiliser des filtres HEPA qui présentent une réponse plus pertinente aux émissions de nanoparticules d’imprimante 3D et une possibilité d’évolution vers des niveaux de filtration supérieurs.

Les imprimantes 3D émettent également des gaz nocifs appelés Composé Organiques Volatiles COV. Nous publierons bientôt un article pour traiter de ce sujet. Retrouver quelques informations intéressantes sur les publication du CNRS.

Retrouvez nous sur réseaux:

Article écrit par:

CEO d'alveo3d

Lucas

CEO chez Alveo3D

2 Commentaires

    • Lucas Martini

      Vous avez tout à fait raison Amandine, nous sommes spécialisé en filtration d’air et nos caissons professionnels permettent de protéger d’autres risques tels que le risque incendie, brûlure, blessures mécanique, …
      Malgré tout certains risques sont en amont ou en aval de l’utilisation d’une imprimante 3D. Par exemple, le POM émet naturellement du formaldéhyde en faible concentration. Il est possible qu’un opérateur soit exposé à des concentrations toxiques lors de l’ouverture des emballages de bobines de filaments. Nous recommandons la lecture attentive des fiches de sécurité avant l’utilisation d’un filament thermoplastique

      Réponse

Soumettre un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *