3Dプリンターの蒸気やその他の汚染物質に最適な空気清浄機

3Dプリンティングは、製造業にとって驚くべき可能性を秘めている。技術が成熟し、価格が下がるにつれて、家庭の作業場や学校の教室に3Dプリンターを設置できるようになり、より多くの人が趣味やビジネスとして3Dプリンターを追求できるようになりました。

残念なことに、3Dプリンターが排出する蒸気やその他の汚染物質によって、室内の空気の質にも悪影響を及ぼす可能性があります。3Dプリンターの影響を相殺するのに最適な空気清浄機を見つけるために、プリンターから放出される汚染物質と、これらの汚染物質を空気から除去するのに適したデバイスを調べます。

工業環境では、フィルターや強力な換気システムが適切な室内空気質を維持するために設置されていることが多く、これは政府によって設定された職場基準に照らして測定することができる。しかし、家庭や学校で3Dプリンターを使用する場合は、このようなことはありません。この技術は比較的新しいため、規制がほとんどなく、3Dプリンタの排出ガスがOSHA基準を満たしているかどうかを確認するために、自宅の作業場を検査する人もいません。つまり、自宅の空気の質を安全で健康的な状態に保つ必要があるのです。そのための1つの方法は、空気清浄機を使用することです。

空気清浄機は3Dプリンターから出る蒸気や粒子に効果がありますか？

3Dプリンターはさまざまな方法で立体形状を造形しますが、個人や小規模企業向けに市販されている3Dプリンターのほとんどは、溶融ポリマー堆積法（MPD）と呼ばれる方法を採用しています。このプロセスは、溶融積層造形法（FDM）とも呼ばれます。MPDプリンターは、ノズルからプラスチックを押し出し、最高320℃の温度で溶かし、薄い層に堆積させて目的の物体を形成します。プラスチックがこのような高温に加熱されると、その成分が分解し始め、非常に微細な汚染物質や蒸気として空気中に放出される。空気清浄機は、空気中のこの種の汚染物質を減らすことができるはずだ。

ここでは、MPD 3Dプリンティングに焦点を当てる。人気のあるMakerBotプリンターはこのカテゴリーに入る。他のタイプの3Dプリンターでも他の種類の汚染物質が発生する可能性はありますが、ほとんどすべての3Dプリンターは、粉末、結合剤、または基材の溶解をベースにしているため、使用するプリンターのタイプに関係なく、空気清浄システムを検討する必要があります。

3Dプリンターに含まれる有害物質の種類

広く使用されているため、ほとんどの実験室試験はMPD 3Dプリンターで実施されている。これらのプリンターは、揮発性有機化合物（VOC）と超微粒子（UFP）という2種類の汚染物質を発生させる。

プラスチック蒸気（VOC）

3Dプリンターに使用されるプラスチックは通常、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）かポリ乳酸（PLA）のどちらかだ。どちらのプラスチックも、スチレン、ホルムアルデヒド、メタクリル酸メチル、シアン化水素など、さまざまなVOCを高温で発生させる。一酸化炭素も発生する。適切な空気浄化技術はVOCを考慮する必要があるが、すべてがそうではない。HEPAフィルターやイオナイザーのような従来のエアフィルターは、粒子のみを対象として設計されており、気体には対応していないため、3Dプリンティングプロセス中に放出される有害なVOCの混合物に対しては効果がない。

ABSプラスチックはPLAよりも高温で溶けるため、より有害である可能性があり、融点が高いほど、より多くの有毒化合物が放出される傾向がある（Stephens et al.）プラスチックの溶融による蒸気は、ラットやマウスなどの哺乳類に有毒であることがわかっている（Schaper, Thompson & Detwiler-Okabayashi, 1994）。さらに、3Dプリンターの基材の多くには、色、柔軟性、導電性、その他の特性を付与するための添加剤が含まれている。これらの添加物は、加熱するとさらに有毒な揮発性有機化合物（VOC）を空気中に放出する可能性がある。

プラスチックと超微粒子

もうひとつの問題点は超微粒子（UFP）で、これはプラスチックを高温で加熱する際に発生する。VOCと同様、これらの粒子は溶融原料の副産物である。これらの粒子の直径は0.1マイクロメートル以下であり、容易に吸い込むことができる。3DプリンターからUFPを吸い込むことによる長期的な影響についてはほとんど分かっていないが、確かなことは、UFPの蓄積は体に良くないということだ。UFPは非常に小さいため、既存のエアフィルターではこれらの汚染物質を処理するために特殊な技術が必要となる。従来のエアフィルターは通常、一定の大きさの粒子（通常、幅0.3ミクロンの粒子に最も効果的であると約束されている）に対応できるが、UFPは通常もっと小さい。

この2種類の汚染物質により、3Dプリンターは空気清浄機にとって特に厄介な問題になっている：VOCとUFPです。

3Dプリンターによる汚染対策に最適な空気清浄機は？

それぞれの空気清浄技術には長所と短所があり、すべての空気清浄機が粒子状汚染物質と揮発性有機化合物の両方に対応できるわけではない。

ヘパ - HEPAフィルターは、0.3ミクロンの粒子を99.97％除去するよう特定の基準で設計されています。3Dプリンターから出るUFPは0.1ミクロンと小さいため、HEPAフィルターで空気中からすべてを除去することはできません。しかし、これらの小さな粒子は、互いにくっついたり、空気中の他の粒子とくっついたりして大きくなる傾向がある。研究によると、プリンター本体をHEPAフィルター付きのエンクロージャーに設置した場合、室内のUFP濃度は98％減少した。したがって、HEPAフィルターは、UFPsをすべて除去することはできなくても、部屋中のUFPsの量を減らすのに役立つ。しかし、HEPAフィルターでは、揮発性有機化合物や燃やしたプラスチックの臭いは除去できない。

カーボンフィルター - カーボンフィルターは、活性炭を使って空気中の揮発性有機化合物（VOC）を除去する。カーボンには、VOC分子が鍵穴にはまる錠前のように捕捉される場所が多数ある。吸着」として知られるこのプロセスは、空気中の揮発性有機化合物と臭いの両方を効果的に除去することができる。カーボン空気清浄機の問題点は、カーボンがVOC分子で「満杯」になるにつれて、その効果が徐々に失われていくことである。ある時点でフィルターは機能しなくなるだけでなく、同じ有毒化合物を再び空気中に放出し始める。そのため、頻繁に交換する必要がある。さらに、カーボンフィルターは、一酸化炭素やその他の種類のガスなどの特定の化合物をろ過することができない。3Dプリンターから排出される揮発性有機化合物はプラスチックの溶解に関連するため、家庭用カーボンフィルターではこれらの物質を除去する効果が低い可能性がある。最後に、カーボンフィルターは、UFPを含む粒子状汚染物質を捕捉することはできません。

オゾン発生装置 - オゾン発生器は、ガスを除去する効果に限界があるだけでなく、有害なオゾンを発生させる。これは有毒な副産物も発生させ、プリンターのプラスチックは高温であるため、空気中にはすでに化学物質が含まれている。さらに、オゾン発生装置は微粒子を除去しないため、潜在的に有害なUFPは影響を受けない。こうしたことから、EPAは屋内でのオゾン発生器の使用を推奨していない。

イオナイザー - イオナイザーは、流れる粒子を電気的に帯電させることで、粒子を凝集させ、空気から分離させる。しかし、このプロセスではオゾンが発生するため、オゾン発生器と同じ欠点がある。また、イオナイザーはVOCに対しては効果がないため、3Dプリンターから出る溶けたプラスチックの有害な副産物を除去することはできない。一部の空気清浄機には、装置の主要技術を補完する特別な「イオン化」セクションがある。

せいぎょかんそくてん - PCO空気清浄機は、光化学反応を利用して空気中の揮発性有機化合物を除去できると主張している。しかし、これらの反応による副産物は予測不可能で、有毒である可能性もある。さらに、PCO空気清浄機はオゾンを放出し、粒子状汚染物質には効果がない。

3Dプリンティングにおける有害物質に関する推奨事項

カーボンとHEPAフィルターのハイブリッド - あるいは、個人的な状況や予算が許せば、十分な数のカーボンとHEPAフィルターのハイブリッドユニットを検討するとよいでしょう。有機粒子は破壊されないが、HEPAフィルターは汚染物質を捕捉する。カーボン層は、VOCを十分に吸収するのに十分な重さ（例えば5ポンド以上）が必要であることに注意（薄い層はすぐに飽和する）。

3Dプリンターを使用する際に空気の質を改善するその他の方法

3Dプリンターを使用する際の最も重要なステップは、十分な換気を行うことです。3Dプリンティングの工程には数時間から数日かかることもあるため、窓を開けるだけでは不十分です。屋外に排気する適切な換気扇があれば、揮発性有機化合物（VOC）や粒子が家の外に排出され、空気がきれいになります。

3Dプリンターの使用による潜在的な危険性がより理解されるにつれ、VOCやUFPの発生量が少ない新しいプラスチックや基材が開発されています。低エミッションの基材を選択することで、室内の空気の質を改善することもできます。

HEPAフィルターを取り付けた筐体の中で3Dプリンターを使用することは、3Dプリンターをより安全にするための実証済みの方法である。しかし、現在、エンクロージャー付きで販売されている3Dプリンターはほとんどありません。ワークショップにHEPAエンクロージャーを追加することは、3Dプリンターによって引き起こされる空気品質の問題の多くを回避する素晴らしい方法です。

3Dプリンティング技術が入手しやすくなり、価格も手頃になるにつれて、室内の空気の質と私たちの健康への影響に対する理解も深まっています。したがって、自宅や職場に3Dプリンターがある場合、安全な室内環境を維持するために空気清浄機を選ぶ際には、十分な情報を得た上で決定することが重要です。