謝 凡，陳子軒，周皓宇

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景

3D打印技術(shù)作為當今快速成型技術(shù)的一種，使得桌式3D打印機在辦公場所、學(xué)校以及家庭越來越普及。截至目前為止，大部分3D打印機，特別是針對消費者設(shè)計的3D打印機大多采用熔絲加工的積層制造技術(shù)，即通過用高溫將各種線材塑料融化再一層一層累加之后冷卻凝固而完成一個實體。這種桌式3D打印機的打印原料是生活中常見的各種熱塑型塑料，目前ABS塑料（丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物）是3D打印材料中應(yīng)用十分普遍的一種材質(zhì)。然而研究表明，在桌式3D打印機運行的這個高溫融化塑料過程中會釋放出大量超微顆粒物（簡稱UFP），3D打印機已被視為室內(nèi)空氣污染源之一。

如圖1所示，用ABS打印時，3D打印機不停發(fā)射高濃度超微顆粒物，在打印過程中超微顆粒物的排放率數(shù)量積達到個/分鐘。

圖1 以ABS為原料的3D打印機隨時間改變的UFP發(fā)射率

ABS超微顆粒物是一種直徑小于0.1μm的顆粒物，比PM2.5更細小。通過呼吸進入人體的超微顆粒物會沉積在肺部，一部分會穿透肺泡和血管進入血液循環(huán)而到達全身各處。已有研究表明，熱塑性塑料的熱分解過程所產(chǎn)生的高濃度超微顆粒物會對人的健康產(chǎn)生各種不利影響，如心臟病、肺部疾病等。

2 研究意義

ABS超微顆粒物正對桌式3D打印機使用者造成嚴重傷害，3D打印機的排放污染問題亟待解決。3D打印機排放處理裝置能減少污染物的排放，減少操作者在使用桌式3D打印機時對排放污染物的吸收，很好地解決桌式3D打印機危害使用者健康問題，具有良好的應(yīng)用前景。

3 設(shè)計方案

ABS超微顆粒物處理裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作流程如圖2和圖3所示，裝置分為3部分：①底層3D打印機工作室。打印機在封閉的工作室中工作，產(chǎn)生的ABS超微顆粒物只能向上進入處理裝置。玻璃門可以開關(guān)，便于放入、取出3D打印物品及3D打印機，在密封的同時保證使用者能看清內(nèi)部狀況。②中層ABS超微顆粒物處理裝置。利用紫外線降解和HEPA過濾網(wǎng)攔截，減少ABS超微顆粒物的排放。③頂層離心風(fēng)機及排放檢測裝置。利用風(fēng)機產(chǎn)生的負壓作為驅(qū)動，使空氣和顆粒物一同向上運輸。在排風(fēng)口利用光纖傳感器實時監(jiān)測污染物排放狀況。

3.1 紫外線降解箱

紫外線降解箱內(nèi)裝有低壓汞燈，外圍紫外線阻隔壁。選用優(yōu)等的石英玻璃、電子粉、汞等原材料制作出精準的低壓汞燈，使其能量集中在185 nm，185 nm波長的紫外線正好能有效地使ABS降解。紫外線降解ABS的原理是光敏作用。波長為185 nm的紫外線具有很高的能量，且大多數(shù)碳氫化合物對185 nm波長的紫外線具有較強的吸收能力。在波長約為185 nm高能紫外線光束照射下，有機物分子鏈結(jié)構(gòu)將被裂解，降解轉(zhuǎn)變成低分子化合物，如CO2。

為了避免紫外線對人體造成的傷害，在發(fā)出紫外線的低壓汞燈外圍有紫外線阻隔壁。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 整體工作流程

3.2 HEPA過濾網(wǎng)

HEPA中文意思為高效空氣過濾器，達到HEPA標準的過濾網(wǎng)，對于0.1μm和0.3μm的有效率達到99.7%，HEPA網(wǎng)的特點是空氣可以通過，但細小的微粒卻無法通過。容塵量大、過濾精度高，是煙霧、灰塵以及細菌等污染物最有效的過濾媒介。

3.3 離心風(fēng)機

離心風(fēng)機由電機驅(qū)動，依靠輸入的機械能提高氣體壓力并排送氣體。在本裝置中，利用離心風(fēng)機的排送氣體能力，將ABS超微顆粒物與空氣一同向上排送。

3.4 排放檢測裝置

檢測裝置安裝于離心風(fēng)機出風(fēng)口處，實時監(jiān)測排放狀況。該檢測裝置主要依靠光纖傳感器技術(shù)，傳感器中光探測器將來自光源的光信號經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使離心風(fēng)機出風(fēng)口處的光與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用，然后成為被調(diào)制的信號源輸入信號處理系統(tǒng)。信號處理系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)會輸入到單片機內(nèi)，單片機控制著控制警報系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)ABS超微顆粒物超過濃度閾值，立即提醒使用者檢查設(shè)備。

3.5 可行性分析

3.5.1 技術(shù)可行性

3.5.1.1 紫外線降解裝置

由于短波長紫外線光子能量高于大多數(shù)污染物質(zhì)分子內(nèi)部化學(xué)鍵的鍵能，所以可以通過紫外線光子對分子化學(xué)鍵的作用直接使其斷裂，從而達到分解的目的。

3.5.1.2 排放檢測裝置

由于光學(xué)方法的傳感技術(shù)靈敏度非常高，目前光纖傳感器已經(jīng)在高靈敏檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用串聯(lián)的納米光纖大大提高了傳感器的傳感面積和檢測效率；通過優(yōu)化光纖模式，研究人員實現(xiàn)了單個標準納米顆粒的傳感和測量，粒徑分辨率達10 nm。因此，利用現(xiàn)有的光纖傳感技術(shù)，可以精確分辨出3D打印機排放空氣中的ABS超微顆粒物。

3.5.2 材料可行性

185 nm紫外線燈管應(yīng)用安全、穩(wěn)定。HEPA分PP濾紙、玻璃纖維、復(fù)合PPPET濾紙、熔噴滌綸無紡布和熔噴玻璃纖維五種材質(zhì)。這些用于制作HEPA過濾網(wǎng)的材質(zhì)均可以根據(jù)需要加工成各種尺寸和形狀。