Effect of Temperature on the Emission Rate of Particulate Matter during 3D Printing and Characteristics of Initial Peak

Abstract

연구배경: FDM 방식의 3D 프린터는 대중들에게 빠르게 보급되고 있다. 프린팅 과정 중 고온 조건에서 열가소성플라스틱을 가열함에 따라 가스상과 입자상 물질을 포함하여 다양한 유해물질이 발생한다. 기존 연구에 따르면 출력 온도가 높아짐에 따라 입자 발생량은 증가하는 경향을 보이고, 프린팅 시작 후에 입자 발생량이 급격히 증가하였다가 점차 감소하는 양상을 보인다. 그러나 온도 조건이 입자 발생에 미치는 영향에 대한 연구가 부족하고, 초기 고농도 현상에 대한 원인 규명이 이루어지지 않았다. 때문에 이번 연구를 통하여 다양한 재료를 사용하여 3D 프린터 가동 중 입자 발생에 온도 조건이 미치는 영향에 대해 평가하고, 초기 고농도 현상에 대한 원인을 규명 한다. 연구방법: 프린팅 전 과정에서 네 종류의 필라멘트를 사용, 다양한 온도조건에서의 입자 수 농도 측정은 SMPS와 OPS를 사용하여 노출 챔버에서 진행되었다. 출력 온도 조건은 제조사 권장 온도를 포함하여 185도부터 290도 범위에서 15도씩 단계적으로 증가하며 입자 발생량은 세 가지 식을 통해 산출되었다. 프린팅 시작 전 가열 과정을 포함하여 프린팅 초기의 입자 발생 측정을 위해서는 짧은 간격의 CPC를 사용하였다. 결과: 프린팅 과정 중 입자 발생량은 모든 필라멘트 종류에서 온도가 증가함에 따라 점진적으로 증가하였으며, 필라멘트 종류 다음으로 출력 온도가 입자발생량에 영향을 미치는 가장 중요한 요소였다. 모든 종류의 필라멘트에서 가장 낮은 출력온도일 때 입자 발생량은 107~109 particles/min 수준이었으며, 가장 높은 출력온도에서는 1011 particles/min 수준으로, 가장 낮은 온도에서의 입자 발생량 보다 100~10,000 배 더 높았다. 프린팅 전 고온으로 가열되는 노즐에서 발생한 불안정한 상태의 필라멘트에서 발생한 입자가 프린팅 시작 직후 초기 고농도현상에 영향을 미친다. 결론: 본 연구에서 네 종류의 필라멘트를 사용하여3D 프린팅을 진행하였을 때 온도가 증가함에 따라 초기 농도와 입자 발생량이 모두 증가하였다. 입자 발생량을 줄이기 위하여 입자 발생량이 적은 재료를 사용, 되도록 가장 낮은 온도에서의 출력을 권장한다.

Objective: Three dimensional (3D) printers based on fused deposition modeling (FDM) technology are rapidly becoming popular. Various harmful substances including gas and particulate matter are known to be released during 3D printing by heating thermoplastic materials at high temperature conditions. Previous study reported that the particle concentration increased as the temperature rising and occurred highest emission at early stages of printing although limited paper mentioned about the effect of temperature on the particle emission and the high concentration of the early printing. The aims of this study were to evaluate the effect of temperature on the emission rate of particulate matter during three-dimensional (3D) printing using different filament types and to investigate the mechanism of the highest concentration peak in early stage of printing. Methods: The number concentration of particles was measured with direct-reading instruments, a scanning mobility particle sizer (SMPS) and optical particle sizer (OPS) in an exposure chamber at various temperatures while using four filament materials (acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), poly lactic acid (PLA), Laywood, nylon) during 3D printing. The temperature was increased from 185 to 290°C in 15°C increments, while incorporating the manufacturer-recommended operating conditions. Emission rates were calculated by three different equations. For the measurement of particles emitted from early stage of the printing in a short time including pre-heat period, on-line instrument, condensation particle counter (CPC) with 1 sec intervals was used. Results: In printing phase, the emission rate increased gradually as the temperature increased for all filament types, and temperature was the key factor affecting the emission rate after filament type. For all filaments, at the lowest operating temperature, the emission rate was 107~109 particles/min, whereas the emission rate at the highest temperature was about 1011 particles/min, i.e., 100~10,000 times higher than the emission rate at the lowest temperature. Temperature is crucial factor that affect total emission rates of particles, furthermore affect initial concentration. Before printing phase, in pre-heat period, particles emitted from heating nozzle with unstable state of filaments affect the initial peak just after printing started. In some cases, at the end of printing, final peak occurred also as the same mechanism with initial peak. Particles emitted from printing phase with particles from pre-heat period occurred high concentration of initial stage of the printing. Conclusions: In this study, the particle emission and initial concentration for all four filament materials were increased as the temperature increased. To reduce particle emissions from 3D printing, for all materials, manufacturers should develop low-temperature systems for low-emission printers. We recommend printing at the lowest temperature possible or using low-emission materials.