Технологія 3D-друку здається фантастичною – можна створити предмет будь-якої форми та складності, використовуючи будь-які матеріали. Це захоплює ще більше, коли розумієш, що зараз це доступно не тільки в промисловості, а й на аматорському рівні. Адже придбання 3D-принтера та матеріалів для нього – це не таке дороге задоволення, яке можуть собі дозволити багато ентузіастів. Однак запустивши вдома цей пристрій, користувачі розуміють, що він неприємно пахне. Деякі чутливі люди можуть відчувати серйозні розлади – подразнення, кашель, мігрені. І тоді виникає питання про повітрообмін та очищення повітря. Розглянемо, як правильно організовується вентиляція для 3D-принтера. Вивчимо, завдяки якому вентилятору, повітропроводу для вентиляції та іншому обладнанню можна організувати комфортні умови в різних ситуаціях, що для цього потрібно купити в тому чи іншому випадку.
Чи шкідливий 3D-принтер: види технологій і типи забруднень
Існують дві основні технології 3D-друку, доступні як у промисловості, так і в хобі – FDM і SLA. Кожна з них має свої особливості. Крім того, існують інші технології, які застосовуються тільки на промисловому рівні.
Спосіб 3D-друку FDM і ймовірні шкідливі відходи
FDM – моделювання методом пошарового накладання. Друга назва FFF – технологія пошарового накладання ниток. Друк відбувається з пластику у вигляді нитки, яка намотана на котушку. Пластик проходить через екструдер, в якому він нагрівається і видавлюється на стіл для друку. Екструдер рухається над поверхнею і шар за шаром створює модель. У міру друку матеріал охолоджується і стає готовим предметом.
Ця технологія проста, підтримує роботу з різними матеріалами, принтери для її реалізації відносно недорогі, не складні за конструкцією. Моделі виходять міцними та придатними для практичного застосування навіть у рухомих механізмах.
В екструдері 3D-принтера пластик нагрівається до температури 190–230 °C. Під час цього процесу з нього виділяються ультратонкі частинки (УТЧ) і летючі органічні сполуки (ЛОС). Це дрібні, легкі частинки пластику, які літають у повітрі, утворюють пил і осідають у дихальних шляхах. Вони можуть проникати глибоко в легені, викликаючи подразнення, захворювання, утруднення дихання.
FDM-друк усіма матеріалами, крім PLA, вимагає нагрівання столу до температури 100 °C і вище. Попри те що стіл і його покриття при цьому не виділяють запахів, утворюється надмірне тепло, яке також має бути відведене за допомогою вентилятора витяжного.
Частина пластику типу PLA для FDM-принтера позиціюється постачальниками як безпечна. Ця думка ґрунтується на тому, що він біорозкладний і виготовлений з поновлюваних ресурсів – цукрової тростини, крохмалю, кукурудзи. І це дійсно так. Однак при нагріванні навіть таких екологічних компонентів все ж утворюються ЛОС і УТЧ, хоча й не такі агресивні, як, наприклад, при друку пластиком типу ABS.
Метод друку SLA та його шкідливі відходи
SLA перекладається як лазерна стереографія. Друга назва DLP – цифрова обробка світлом. Метод полягає в обробці фотополімерної смоли – під дією світла лазера вона твердне та утворюється та чи інша фігура.
Цей метод складніший, обладнання для нього потрібне більш серйозне, хоча й таке ж доступне для хобі. Спосіб застосовується у випадках, коли потрібно створювати деталізовані дрібні моделі, тому використовується ювелірами у створенні форм для лиття або для друку реалістичних колекційних фігурок.
Смола, що використовується для SLA-друку в рідкому стані, дуже токсична. Для роботи з нею потрібні спеціальні засоби, щоб не завдати травм шкірі та слизовим оболонкам. Крім того, вона випаровується, її пари виділяють летючі органічні сполуки (ЛОС). Це дрібні молекули смоли, які, потрапляючи в організм людини через органи дихання, викликають головний біль, нудоту, подразнення та інші неприємні симптоми. Деякі види смол виділяють ЛОС, не створюючи запаху, що особливо небезпечно.
Сам процес друку відбувається в закритій ємності. Але під час роботи випаровування ЛОС все ж відбуваються. Однак під час підготовки до роботи та при очищенні моделі від смоли небажані випаровування особливо активні.
Інші технології 3D-друку
Решта технологій 3D-друку не використовуються вдома. Але навіть під час експлуатації в цеху потрібна правильна вентиляція для 3D-принтера. До таких методів друку належать:
- SLS (селективне лазерне спікання). Спосіб схожий на SLA, тільки замість смоли використовується порошок. Процес відбувається під впливом високої температури, у повітря виділяються дрібнодисперсні частинки, які вдихає людина.
- DMLS (пряме лазерне спікання металу). Технологія схожа на FDM, тільки замість пластику використовується метал. Тому й температури набагато вищі. Під час роботи виділяються дрібні частинки металу, озон, оксиди та інші сполуки, які не можна вдихати людині.
При роботі з таким обладнанням перевага надається потужним вентиляторам промисловим. Вони не тільки забезпечують нормальну витрату повітря, але при необхідності можуть і очищати витяжний потік, щоб виключити вплив на екологію середовища. Це важливо при розміщенні в щільно забудованих місцевостях, наприклад, у Києві та інших містах.
Норми та розрахунок вентиляції для приміщення з 3D-принтером
Державні стандарти в Україні на сьогодні не встановлюють жодних норм для вентиляції приміщення з 3D-принтером, хай то домашня установка для хобі або промислове обладнання в цеху з десятком пристроїв. Однак деякі дослідницькі центри, наприклад, EHRS Пенсильванського університету, вже розробили певні норми, які можна успішно застосовувати для розрахунку проєкту вентиляції.
Яку кратність повітрообміну передбачають вимоги до вентиляції в приміщенні з 3D-принтером
Необхідна кратність повітрообміну залежить від кількості працюючих принтерів та інтенсивності друку. Витрата повітря повинна бути такою:
- якщо працює один 3D-принтер, то потрібна вентиляція з 4-кратним повітрообміном;
- якщо принтерів декілька, то рекомендується 6-кратний повітрообмін;
- якщо для 3D-друку використовуються особливо токсичні матеріали, такі як ABS-пластик, друк відбувається безперервно, а фахівцям доводиться перебувати в одній кімнаті з принтерами, то рекомендована кратність повітрообміну повинна становити 8-10.
Частота повітрообміну показує, скільки разів за 1 годину в приміщенні має бути повністю оновлено повітря. Наприклад, 4-кратний повітрообмін означає, що за 1 годину повітря має бути виведено та замінено новим 4 рази.
Не варто вважати, що для повітрообміну вентиляції 3D-принтера потрібні якісь складні дорогі установки. Наприклад, у звичайній ванній або на кухні рекомендується кратність 5-8. Це не так багато, звичайна вентиляційна техніка впорається з цим. Тому нормальний повітрообмін у приміщенні з 3D-принтером організовується вентиляційними системами побутового рівня, які можна придбати в магазині за доступною ціною.
Розрахунок вентиляції для приміщення з 3D-принтером
Знаючи необхідну кратність повітрообміну, можна визначити, яку витрату повітря повинна мати вентиляційна система для 3D-принтера. Це допоможе вибрати потрібне обладнання.
Витрата вимірюється в обсязі повітря, що виводиться за годину. Тому для розрахунку потрібно знати об'єм приміщення та кількість принтерів. Якщо розрахунок проводиться для кімнати довжиною та шириною 5 м і 3 м, висотою стелі 2,5 м, то її об'єм становить 5*3*2,5=37,5 м3 . Якщо в такому приміщенні працює один 3D-принтер, то необхідна вентиляція з 4-кратною витратою повітря – 37,5*4=150 м3 /год, якщо принтерів багато, то кратність 6, а витрата 37,5*6=225 м3 /год. Навіть для кількох принтерів можна організувати вентиляцію за допомогою того чи іншого вентилятора для побутового використання.
Додаткові рекомендації щодо вентиляції 3D-принтера
Перш ніж проектувати систему вентиляції для 3D-принтера, слід подбати про те, щоб вона відповідала й іншим рекомендаціям. Наш досвід роботи показав, що необхідно, щоб:
- Не було протягів від вентиляції. По-перше, протяги неприємно відчуваються і від них можна захворіти. По-друге, вони піднімають пил. А це не тільки шкідливо для дихання, але й заважає при FDM 3D-друку – пил осідає між шарами пластику, забиває екструдер. Якщо друк відбувається на нагрітому столі, то протяг призводить до прискореного та нерівномірного охолодження моделі, від чого вона може тріснути або відклеїтися від поверхні під час друку.
- Не було перевитрати ресурсів. Бажано, щоб вентиляція не витрачала занадто багато енергії на себе і не забирала тепло опалення. Особливо, якщо мова йде про часте, щоденне друкування на 3D-принтері.
- Не було шуму. На відміну від вентиляції складу, де зазвичай ніхто не перебуває, шум у кімнаті з принтером заважатиме працювати. Тому система має бути тихою. З огляду на те що й сам принтер видає звук, додатковий шум буде зайвим. Це може бути не так важливо, якщо друк рідкісний, але якщо це відбувається постійно і в одній кімнаті з людьми, то хороша шумоізоляція важлива.
- Припливне повітря має бути чистим. Неприпустимо, щоб разом з повітрям у приміщення потрапляв пил, який пошкодить друк і призведе до частого обслуговування принтера. До того ж пил та інші забруднення шкодять органам дихання людей.
Як організувати вентиляцію для кімнати з 3D-принтером
Залежно від кількості принтерів, інтенсивності їх роботи, специфіки приміщення, вентиляцію можна організувати різними способами. Розглянемо всі доступні для цього варіанти.
Припливно-витяжна вентиляція для кімнати з 3D-принтером
Припливно-витяжна вентиляція може бути як повністю примусовою, так і частково. Компонент, який обов'язково повинен бути примусовим для забезпечення необхідної кратності повітрообміну – витяжний вентилятор. Його завдання полягає в тому, щоб забрати забруднене повітря з приміщення і вивести його на вулицю. Тому він встановлюється на зовнішній стіні. Якщо такої можливості немає, то вентилятор виводить повітря за допомогою вентиляційної труби. Але тоді потрібно передбачити запас витрати повітря, який покриє опір труби. В інтернет-магазині доступний великий вибір повітропроводів, що відрізняються за матеріалами та дизайном. Тому можна вибрати варіант, що підходить до інтер'єру приміщення.
Припливна вентиляція повинна вводити в приміщення стільки повітря, скільки виводить витяжна. Вона може бути організована наступними способами:
- природна – через відкрите вікно або двері, актуально, якщо принтер один, працює не часто, пластик без сильного запаху;
- за допомогою вентиляційного клапана – це провітрювач, який подає свіже повітря природним чином (найчастіше) або примусово (за допомогою вентилятора), може оснащуватися фільтрами, простою автоматикою, зручний в управлінні;
- припливний вентилятор – для принтера 3D вентилятори цього типу можуть бути оснащені більш ефективним фільтром, автоматикою;
- перетічна вентиляція – свіже повітря може надходити в приміщення з 3D-принтером з іншої кімнати, через щілину під дверима, відкриті двері, перетічний повітророзподільник, актуально, якщо приміщення глухе або тільки одна стіна межує з вулицею (яка вже використовується для витяжки).
Основний недолік такої вентиляції полягає в енерговитратах, які особливо відчутні взимку. Якщо зовнішня температура опуститься до -10 °C, то припливне повітря повинно штучно нагріватися на 30 °C, щоб досягти комфортних кімнатних 20 °C.
Нагрівання припливного повітря можливе тільки в примусових установках. Для цього застосовується спеціальна запчастина для вентиляційної системи – нагрівач. Нагрівач може бути електричним або водяним. Другий варіант зазвичай економніший, оскільки використовує ресурси вже увімкненого та працюючого опалення. Це робить цей спосіб зручним, якщо припливна вентиляція використовується нечасто. Адже якщо така вентиляція працює всю зиму, то витрати будуть значними.
Ще один недолік з'являється, якщо застосовується природна припливна вентиляція. Через відкриті вікна, двері надходить шум, алергени, запахи, комахи. Особливо шкідливим буде пил, який може негативно впливати на роботу принтерів. Тому цей варіант небажаний.
Варто розуміти важливість кількості припливного повітря. Якщо його буде недостатньо, а витяжка забиратиме більше, то в приміщенні створюється розрідження. Це знизить температуру, а також призведе до погіршення роботи витяжки.
Припливні, витяжні та перетічні канали можна декорувати за допомогою повітророзподільників для вентиляції. У продажу доступні різні варіанти, що відрізняються за матеріалами, формами, видами.
Рекуператорні вентиляційні системи для 3D-принтера
Якщо 3D-друк відбувається активно, протягом тривалого часу або в приміщенні працює багато принтерів, то доцільно використовувати вентиляцію з рекуператором. Цей прилад поєднує в собі припливно-витяжну вентиляцію та усуває основний недолік роздільної системи – втрати енергії взимку. Завдяки рекуператорам повітря нагріти припливне повітря можна, не витрачаючи електроенергію або ресурси опалення, а забравши тепло через теплообмінник з витяжного потоку.
І приплив, і витяжка, і теплообмін відбуваються в одному пристрої. Тому це спрощує монтаж. У вентиляції з рекуператором є такі переваги:
- Енергоефективність. Як уже було сказано, рекуператори допомагають зберігати тепло опалення, вентиляція не знижує температуру. Сам пристрій витрачає мало електроенергії на вентилятори.
- Фільтрація. Припливне повітря від рекуператора буде чистим. Більшість моделей оснащені фільтрами. Це виключає забруднення, в тому числі пил і комах.
- Контроль та управління. Рекуператори оснащені сучасною автоматикою та зручним управлінням. У багатьох моделей є датчики температури, вологості, якості повітря, вуглекислого газу – норма цих показників відіграє важливу роль як для комфорту людей, так і для роботи електронного обладнання 3D-принтера. Параметри підтримуються на автоматичному рівні. А користувач за допомогою дистанційного керування може задати комфортні характеристики мікроклімату.
- Контроль пропорцій повітрообміну. Оскільки рекуператор – це єдиний пристрій, у ньому витяжка та приплив завжди відбуваються в одному обсязі, що й необхідно для нормальної вентиляції. Такі явища, як розрідження або високий тиск, не виникають.
Слід розуміти, що підключення системи вентиляції цього типу має виконуватися фахівцем. Монтаж зазвичай здійснюється у наскрізний отвір у стіні, який має бути просвердлений алмазним буром під правильним кутом. Також важливо вибрати відповідне місце для встановлення. У цьому, а також у вартості самого пристрою полягає основний недолік такого типу вентиляції. Однак витрати окупаються завдяки економії на ресурсах, якщо користуватися рекуператором часто.
3D-принтер з вентиляцією локального типу
Багато сучасних 3D-принтерів постачаються з ковпаками, корпусами. Для деяких моделей їх можна придбати окремо. Для інших – спроєктувати бокс самостійно та виготовити. Суть корпусу для принтера полягає в тому, що він ізолює його робочий простір від приміщення в кімнаті. А також підключається до витяжної вентиляції через спеціальний отвір за допомогою повітропроводу. Повітропровід може бути підключений до витяжки у вікні, зовнішній стіні, загальній шахті або витяжному каналу вентиляційної установки. Якщо пристроїв декілька, то для кожного з них можна зробити свій корпус і по повітропроводу об'єднати з одним загальним каналом, який обслуговує один вентилятор для 3D-принтера.
Для локальної вентиляції також необхідний приплив повітря. Тому в корпусі мають бути отвори, через які свіже повітря надходитиме замість виведеного в необхідному обсязі. Це важливо не тільки для ефективності витяжки, але й забезпечує нормальне охолодження простору всередині корпусу – перегрів загрожує пошкодженням електронних і механічних компонентів принтера. Витяжка може бути організована будь-яким зі способів, описаних у цій статті в розділі про припливно-витяжну роздільну вентиляцію: і природною (якщо продуктивність дозволяє), і примусовою.
У локальної вентиляції є кілька переваг:
- забруднене повітря буде поширюватися по кімнаті з меншою інтенсивністю, якщо у принтера є корпус;
- якщо друк відбувається з нагріванням столу, то для підтримки його температури потрібно менше енергії, оскільки тепло не виходить з принтера, корпус його затримує;
- принтер у корпусі захищений від випадкового падіння на нього предметів, дотику до високовольтних або рухомих частин оператором, дітьми або домашніми тваринами.
Оптимізувати можна за допомогою автоматики для вентиляції. Наприклад, вона може автоматично вмикати витяжку, коли починається друк, і вимикати її після закінчення процесу.
Як зменшити забруднення повітря від 3D-принтера
Завдяки своєму досвіду ми сформулювали кілька рекомендацій, які допоможуть зменшити забруднення від принтера та зробити вентиляцію більш ефективною;
- Очищувачі повітря. Невеликий прилад всмоктує повітря, очищає його і виводить назад – повітроочисник допоможе затримати шкідливі частинки від роботи принтера. Він посилить ефект вентиляції.
- Обслуговування принтера. Затримка пластику в екструдері призводить до його перегріву та інтенсивного виділення зайвих речовин, а також псування моделі. Щоб цього не допустити, виконуйте періодичне очищення каналу хотенда.
- Уникайте агресивних матеріалів. Не використовуйте агресивні засоби, що виділяють шкідливі речовини при нагріванні, для посилення адгезії моделі до столу принтера. А також, по можливості, використовуйте пластики PLA і PETG – вони менш токсичні. Рідше вибирайте ABS і Nylon.
- Друк при низьких температурах. Чим нижче нагрів, тим менше шкідливих речовин виділяється. Друкуйте на нижній температурній межі нагріву пластику. У різних брендів можуть бути різні температурні діапазони для одного й того ж виду пластику.
- Індивідуальні засоби захисту. Якщо принтерів багато, вони працюють постійно, вентиляція не справляється або організувати її неможливо, то користуйтеся індивідуальними засобами захисту – респіратором, маскою.
Ми розглянули, навіщо вентиляція 3D-принтера потрібна, дізналися, як її організувати, визначили, який варіант буде оптимальним у тій чи іншій ситуації.
