3D-tulostaminen: työhygienia ja työympäristön turvallisuus

Antti Väisänen

Pro Gradu -tutkielma

Itä-Suomen yliopisto, Luonnon- ja metsätieteiden tiedekunta

Ympäristö- ja biotieteiden laitos

Toukokuu 2018

ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO, Luonnon- ja metsätieteiden tiedekunta

Ympäristötiede

VÄISÄNEN, ANTTI: 3D-tulostaminen: työhygienia ja työympäristön turvallisuus

Pro gradu -tutkielma, 84 sivua

Ohjaajat: Yliopisto-opettaja Marko Hyttinen ja projekti-insinööri Lauri Alonen

Toukokuu 2018

Avainsanat: työhygienia, 3D-tulostus, päästöt, haihtuvat orgaaniset yhdisteet, pienhiukkaset,

pöly, altistuminen, työterveys, muovi

Tiivistelmä

3D-tulostuslaitteiden päästöihin on alettu kiinnittämään huomiota kasvavan tulostimien käytön

lisääntyessä kodeissa ja työpaikoilla. Laitevalmistajat ovat todennäköisesti tutkineet omia

laitteitaan ja materiaalejaan, mutta julkisen tiedon puutteen vuoksi aiheen tutkiminen on

erityisen tärkeää.

Työssä kartoitettiin 3D-tulostusympäristöjen turvallisuuden parannuskeinoja ja mitattiin

erilaisten muovia tulostusmateriaalina hyödyntävien 3D-tulostimien käytön aikaisia sekä

eräistä jälkikäsittelyprosesseista vapautuvia hiukkasmaisia ja kemiallisia päästöjä. VOC-

pitoisuudet mitattiin Tenax-TA-näytteenottoputkilla, jotka analysoitiin GC-MS-laitteistolla.

Lyhytketjuisten karbonyyliyhdisteiden pitoisuudet mitattiin DNPH-Silica-keräimillä, ja

näytteet analysoitiin HPLC-laitteistolla. Pölypitoisuutta mitattiin IOM-keräimien ja DustTrak

DRX-laitteen avulla. Nanohiukkaspitoisuuksia mitattiin P-Trak 8525-laitteella ja sisäilman

muuttujia seurattiin TSI IAQ-Calc-mittarilla.

Erilaisia 3D-tulostusmenetelmiä käytettäessä vapautuu hyvin eritasoisia päästöjä. Alimmillaan

esimerkiksi materiaalin pursotusmenetelmässä haitallisten altisteiden pitoisuudet olivat tasolla,

jotka eivät aiheuta pitkässäkään altistumisessa merkittäviä terveysvaikutuksia. Vakavimmillaan

päästöt olivat tasolla, jotka aiheuttavat ärsytys- ja hengitystieoireita jo lyhyen altistumisjakson

kuluessa, jolloin pitkäaikainen altistuminen voi aiheuttaa merkittävää terveydellistä haittaa.

Nestemäisten materiaalien, kuten materiaalin ruiskutusmenetelmässä käytetyn tulostusaineen,

ja jauhemaisen nylonmuovin käyttö tulostusmateriaaleina aiheuttivat merkittävimmät päästö-

tasot. Myös etenkin isopropanolikäsittelyssä päästötasot olivat merkittävän korkeita.

Tutkimuksen perusteella etenkin nestemäisiä tulostusmateriaaleja hyödyntäviä menetelmiä on

syytä tutkia lisää. Materiaalin pursotusmenetelmän päästöt ovat jo hyvin tunnettuja, ja

jauhepetimenetelmässä päästöt liittyvät tunnetusti jauhemateriaalin käsittelyyn. Neste-

materiaalien tulostuksessa kemiallinen altistuminen oli merkittävintä, ja niiden tulostamisessa

esiintyi useita tunnetusti terveydelle haitallisia yhdisteitä. Päästöjen ennustaminen on hankalaa,

koska nestemäisten tulostusmateriaalien kemiallinen koostumus vaihtelee suuresti, jolloin

myös päästöjen koostumus vaihtelee.

UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND, Faculty of Science and Forestry

Environmental Science

VÄISÄNEN, ANTTI: 3D-printing: occupational hygiene and safety

Master’s thesis, 84 pages

Supervisors: University teacher Marko Hyttinen and project engineer Lauri Alonen

May 2018

Keywords: occupational hygiene, 3D-printing, emissions, volatile organic compounds,

particulate matter, dust, exposure, occupational health, plastic

Abstract

In recent times increasing attention has been drawn towards the emissions from 3D-printers due

to rapidly increasing numbers of printers utilized at homes and workplaces. System and printing

material manufacturers have most likely done research regarding their own products, but due

to deficiency of public data, research on this area is of particular importance.

In this study the methods to improve the safety of 3D-printing environments were surveyed and

the concentrations of potentially hazardous exposure agents were measured from different 3D-

printing systems and certain post processes which all used plastic materials in the printing

process. VOC samples were collected with Tenax-TA sampling tubes and analyzed with a GC-

MS instrument. Short-chained carbonyl compounds were collected with DNPH-Silica-

cartridges and analyzed with a HPLC instrument. Dust concentrations were measured with IOM

samplers and DustTrak DRX instrument. Concentrations of nanoparticles were measured with

P-Trak 8525 instrument and the variables of indoor air quality were measured with TSI IAQ-

Calc indoor air quality meter.

The emissions of 3D-printing depend greatly on the used printing method and material. In some

of the cases there were no threat of adverse health effects related to the 3D printing even over

a long exposure period. However, the highest measured concentrations were high enough to

induce acute irritation effects in lungs, eyes and on skin. This may indicate that prolonged

exposure can cause more severe adverse health effects. The use of liquid and powdered printing

materials caused the highest concentrations of exposure agents. In addition, extremely high

concentrations of volatile organic compounds were measured during the post processing of

liquid photopolymer material.

The emissions of fused deposition modeling are well known by now, as are the dust emissions

originating from material handling while using selective laser sintering printers. According to

the present study, especially methods which use liquid plastic materials as printing material can

potentially cause notable health effects in prolonged exposure. Printing liquid materials caused

the most hazardous emissions with known harmful chemicals being released during the printing

process. The chemical composition of liquid plastic materials have great variation between

different products, which indicates that their emissions most likely differ from each other as

well.

ESIPUHE

Tämän pro gradu -tutkielman tavoitteena oli selvittää erilaisten 3D-tulostusympäristöjen

terveydelle haitallisten altisteiden päästötasot, kun 3D-tulostuslaitteita käytetään, ja kun

kappaleita jälkikäsitellään. Tutkielman aineisto on kerätty Savonia-ammattikorkeakoulun

“Lisäävä valmistus Pohjois-Savossa” eli LIVA-hankkeessa, jossa tein päästömittaus-

tutkimuksia yhteistyökumppaneiden tiloissa vuoden 2017 kesän ja syksyn aikana. Aihe on

ajankohtainen, sillä 3D-tulostimien käyttö lisääntyy jatkuvasti, eikä aihetta ole vielä tutkittu

kattavasti.

Haluan kiittää LIVA-hankkeeseen osallistunutta Savonia-ammattikorkeakoulun henkilökuntaa

insinöörihuumorista, työmatkoista sekä erittäin viihtyisästä ensimmäisestä oman alani työ-

paikasta. Haluan kiittää etenkin Antti Alosta ja Lauri Alosta tutkimuksen mahdollistamisesta

sekä ohjaamisesta sekä Sami Lampista toimiston jakamisesta ja lukuisista tutkielmaani

edistäneistä kahvitauoista.

Laitteiden käytön ja näytteiden analysoinnin mahdollisti Itä-Suomen yliopiston Ympäristö- ja

biotieteiden laitoksen työhygienian tutkimusryhmä. Haluan kiittää avusta ja ohjauksesta

kaikkia minua auttaneita tutkimusryhmän jäseniä, etenkin Joonas Ruokolaista sekä Marko

Hyttistä, joka ohjasi ja tuki minua tutkielman aikana.

Tutkimuksien aineiston keruun mahdollistivat Mallihammas Oy, 3D Formtech Oy, Savonia-

ammattikorkeakoulu sekä Canon Oy. Pro gradu -tutkielman ulkopuolelle jätetystä, mutta

LIVA-hankkeen päästötutkimusjulkaisuun sisällytetyn tutkimusmateriaalin keräyksen

mahdollistivat Hetitec Oy sekä 3dstep Oy. Kiitän kaikkia mukana olleita yrityksiä yhteistyöstä

ja hyvästä asenteesta tutkimusta kohtaan sekä itseäni kohtaan osoitetusta luottamuksesta.

Haluan vielä kiittää Marko Hyttistä, Pertti Pasasta ja Antti Alosta siitä, että minulle tarjottiin

mahdollisuus päästä tutkimaan aihetta, sillä tilaisuus oli nuorelle opiskelijalle ainutlaatuinen.

Antti Väisänen

Huhtikuussa 2018

Sisällysluettelo

1. JOHDANTO ........................................................................................... 11

2. KIRJALLISUUSKATSAUS .................................................................. 15

2.1. LISÄÄVÄN VALMISTUKSEN MENETELMÄT .................................................. 15

2.1.1. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmä ...................................................................... 15

2.1.2. Materiaalin pursotusmenetelmä ................................................................................. 16

2.1.3. Materiaalin ruiskutusmenetelmä ................................................................................ 17

2.1.4. Jauhepetimenetelmä ................................................................................................... 18

2.1.5. Sidosaineruiskutusmenetelmä ................................................................................... 19

2.1.6. Suorakerrostusmenetelmä .......................................................................................... 19

2.1.7. Laminointimenetelmä ................................................................................................ 20

2.1.8. Hybridimenetelmät .................................................................................................... 21

2.2. JÄLKIKÄSITTELYPROSESSIT ............................................................................. 21

2.3. TULOSTUSMATERIAALIT ................................................................................... 22

2.3.1. ABS ........................................................................................................................... 23

2.3.2. PLA ............................................................................................................................ 23

2.3.3. Nylon ......................................................................................................................... 24

2.3.4. Puukuitufilamentti ..................................................................................................... 24

2.3.5. Hiilikuitufilamentti .................................................................................................... 25

2.3.6. Nestemäiset muovimateriaalit ................................................................................... 25

2.3.7. Jauhemateriaalit ......................................................................................................... 26

2.4. 3D-TULOSTAMISEN PÄÄSTÖT ........................................................................... 26

2.4.1. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmän päästöt ....................................................... 27

2.4.2. Materiaalin pursotusmenetelmän päästöt .................................................................. 27

2.4.3. Jauhepetimenetelmän päästöt .................................................................................... 30

2.4.4. Sidosaineruiskutusmenetelmän päästöt ..................................................................... 31

2.4.5. Jälkikäsittelyprosessien päästöt ................................................................................. 31

2.5. 3D-TULOSTAMISEN PÄÄSTÖJEN TERVEYSVAIKUTUKSET ........................ 32

2.6. TYÖYMPÄRISTÖN TURVALLISUUS .................................................................. 33

2.7. HENKILÖKOHTAISET SUOJAIMET .................................................................... 34

2.8. RISKINARVIOINNIN PERUSTEET ....................................................................... 35

2.8.1. Pöly ............................................................................................................................ 36

2.8.2. Ultrapienet hiukkaset ................................................................................................. 37

2.8.3. VOC-yhdisteet ja TVOC ........................................................................................... 38

2.8.4. Sisäilman olosuhteet .................................................................................................. 40

3. AINEISTO JA MENETELMÄT ............................................................ 41

3.1. VOC-YHDISTEIDEN KERÄYS JA ANALYSOINTI ............................................ 41

3.2. ALDEHYDIEN JA KETONIEN KERÄYS JA ANALYSOINTI ............................ 42

3.3. PÖLYN JA ULTRAPIENTEN HIUKKASTEN MITTAUS .................................... 43

3.4. SISÄILMAN OLOSUHTEIDEN MITTAUS ........................................................... 43

3.5. TUTKIMUSKOHTEET ............................................................................................ 44

3.5.1. Yritys 1 ...................................................................................................................... 44

3.5.2. Oppilaitos 1 ................................................................................................................ 45

3.5.3. Yritys 2 ...................................................................................................................... 46

3.5.4. Yritys 3 ...................................................................................................................... 47

4. TULOKSET ............................................................................................ 48

4.1. NESTEEN FOTOPOLYMERISAATIOMENETELMÄ .......................................... 48

4.2. MATERIAALIN PURSOTUSMENETELMÄ ......................................................... 52

4.3. JAUHEPETIMENETELMÄ ..................................................................................... 59

4.4. MATERIAALIN RUISKUTUSMENETELMÄ ....................................................... 63

5. TULOSTEN TARKASTELU ................................................................ 68

5.1. NESTEEN FOTOPOLYMERISAATIOMENETELMÄ .......................................... 68

5.2. MATERIAALIN PURSOTUSMENETELMÄ ......................................................... 70

5.3. JAUHEPETIMENETELMÄ ..................................................................................... 71

5.4. MATERIAALIN RUISKUTUSMENETELMÄ ....................................................... 72

5.5. 3D-TULOSTUSMENETELMIEN PÄÄSTÖJEN VERTAILU ............................... 73

5.6. TYÖYMPÄRISTÖN TURVALLISUUDEN PARANTAMINEN ........................... 74

6. JOHTOPÄÄTÖKSET ............................................................................ 77

11

1. JOHDANTO

3D-tulostaminen, eli lisäävä valmistus (additive manufacturing, AM) alkoi varsinaisesti

kehittymään 1980-luvun lopulla. Lisäävällä valmistuksella tarkoitetaan kappaleen

muodostamista liittämällä materiaalia yhteen kerros kerrokselta 3D-mallinnetun kappaleen

muotoon, ja termiä käytetään yleensä teollisen mittakaavan 3D-tulostustekniikkaan viitattaessa.

3D-tulostamisella tarkoitetaan mallinnetun kappaleen muodostamista kerros kerrokselta,

pääasiassa kuluttajatason laitteilla. Termejä käytetään kuitenkin vielä toistensa synonyymeinä.

(Wohlers ym. 2017.)

Lisäävän valmistuksen alkuperäinen tarkoitus oli mahdollistaa monipuolisten prototyyppien

nopea ja kustannustehokas valmistus tuotekehittelyn tarpeisiin. Nykyään kehityssuunta on

kohti teollisen mittaluokan AM-massatuotantoa. 3D-tulostamisen suosion kasvun pääsyitä ovat

tuotannon joustavuus sekä kappaleiden geometristen muotojen vapaan mallintamisen ja

kustomoinnin mahdollistaminen. AM-tekniikka mahdollistaakin monimutkaisten osien

tuotannon, joita ei muilla tekniikoilla voida valmistaa lainkaan. (Alonen ym. 2016.)

Testikappaleiden ja prototyyppien valmistamiseen kulunut aika onkin lyhentynyt AM-

teknologian avulla päivistä tai jopa viikoista vain muutamiin tunteihin samalla, kun kappaleiden

tuottamisen kustannukset ovat madaltuneet merkittävästi. Lisäksi materiaalihävikki pienen

mittakaavan kappaleiden tuotossa on 3D-tulostuksen yleistyessä vähentynyt huomattavasti.

(Loughborough University 2017a.)

3D-tulostusprosessi alkaa perinteisesti kappaleen mallintamisesta. Kappaleen kolmiulotteinen

malli valmistetaan tietokoneella, jolla se ”siivutetaan” ohuiksi poikkileikkauksiksi, jotka

esittävät tulostusprosessin kerroksia. Siivutettu malli siirretään digitaalisesti 3D-tulostimeen,

joka valmistaa mallinnetun kappaleen kerros kerrokselta. Tulostusprosessit tapahtuvat usein

korkeissa lämpötiloissa. Kun kappale on viilentynyt, se poistetaan tulostimesta ja sille voidaan

tehdä tarvittavat jälkikäsittelytoimenpiteet, kuten tukirakenteiden poistaminen tai pinnan

hiominen. (Loughborough University 2017a.)

Lisäävän valmistamisen teollisuudenala on ollut jatkuvassa kasvussa viimeisen seitsemän

vuoden ajan ja keskiarvoinen kasvu tuona aikana on ollut jopa 25,9 % vuodessa, liikevaihdon

ollessa noin 6 miljardia dollaria vuonna 2016. Vielä vuonna 2006 liikevaihto alalla oli alle 1

miljardin dollarin. Lisäävän valmistamisen tekniikoiden kehittyessä ja tietoisuuden sekä

mielenkiinnon lisääntyessä kysynnän odotetaan kasvavan tulevaisuudessa vielä entistä

nopeampaa tahtia. (Wohlers ym. 2017.)

12

Teollisiksi lisäävän valmistuksen laitteiksi lasketaan laitteet, jotka maksavat vähintään 5000

dollaria. Näiden laitteiden arvioitu myynti vuonna 2016 oli yli 13 000 kappaletta, kun vuonna

2009 laitteita myytiin vielä alle 5000 kappaletta. Laitteiden myynnin keskiarvoinen nousu

viimeisen neljän vuoden aikana on ollut 14,6 %. Kaksi suurinta laitevalmistajaa, Stratasys ja

3D Systems, joiden yhteenlaskettu osuus alan myynnistä on yli 48 %, ovat historioidensa aikana

myyneet yhteensä lähes 74 000 AM-laitetta. (Wohlers ym. 2017.)

Alle 5000 dollarin hintaiset laitteet luetaan kuluttajatason laitteiksi tai työpöytälaitteiksi.

Kuluttajatason laitteiden myynnin kasvu on ollut valtavaa viime vuosina ja kesiarvoinen

myynnin vuosittainen kasvu viimeisen neljän vuoden aikana on ollut 88,6 %. Laitteita myytiin

yli 424 000 kappaletta vuonna 2016, myytyjen laitteiden määrän ollessa vuonna 2009 vielä alle

2000 kappaletta. Halpojen ja helposti saatavien laitteiden myynnin määrä voi olla vielä

suurempi, koska pienet yritykset ovat alkaneet kauppaamaan omia laitteitaan ja osaava henkilö

voi koota oman laitteen tilausosista, jolloin laite ei näy myyntiluvuissa. (Wohlers ym. 2017.)

Suomessa teollisia AM-laitteita on arvioitu olevan vielä alle 150 kappaletta noin 50 yrityksen

tai toimitsijan käytössä. (FIRPA ry 2017.) Suomessa tehdyn tutkimuksen mukaan AM-

teknologiaa hyödynnetään valmistusteollisuudessa merkittävästi. Kyselytutkimukseen

vastanneista yrityksistä 43 % ilmoitti omistavansa 3D-tulostuslaitteen tai ostavansa 3D-

tulostuspalveluita. 74 % yrityksistä kertoi myös hyödyntävänsä 3D-mallinnusohjelmia tai 3D-

mallintamista tuotekehityksessään. Eniten 3D-teknologiaa hyödynnetään prototyyppien

valmistamisessa (35 %) ja ulkomuotomallien tuottamisessa (14 %.) Käytännössä

hyödynnettävien tuotteiden valmistaminen on vasta vakiintumassa, mutta jo 12 % vastanneista

yrityksistä kertoi käyttävänsä 3D-tulostettuja lopputuotteita. Etenkin sähkö- ja elektroniikka-

teollisuudessa investointihalukkuus on erittäin suurta ja kaikista tutkimukseen vastanneista

yrityksistä 34 % ilmoitti suunnittelevansa 3D-tulostuslaitteen hankintaa. (Canon 2017.)

3D-tulostuslaitteet ovat yleistyneet nopeasti etenkin työpaikoilla, pienissä määrin myös

kotitalouksissa. Myös ainoastaan 3D-tulostustoimintaan perustuvia yrityksiä on saapunut

markkinoille Laitteiden yleistymisestä ja käytöstä johtuen yhä useammat henkilöt altistuvat

niiden mahdollisesti haitallisille päästöille. Kuluttajille suunnattuja laitteita ostavilla henkilöillä

ei usein ole koulutusta laitteiden käytöstä ja tietoa niiden mahdollisista terveysvaikutuksista tai

oikeaa hyvin tuuletettua tilaa 3D-tulostuslaitteen sijoittamiselle. Lisäksi halvoissa kuluttaja-

tason laitteissa ei usein ole päästöjä sisällä pitävää kotelointia, vaan pelkkä kehikko. Tämä

johtaa päästöjen vapaaseen leviämiseen huonetilaan. (Mendes ym. 2017.) Azimin ym. (2016)

13

mukaan 3D-tulostusprosessien onkin havaittu aiheuttavan mahdollisesti suuriakin ultrapienten

hiukkasten ja VOC-yhdisteiden (Volatile Organic Compound, haihtuva orgaaninen yhdiste)

päästöjä.

Tulostusprosessit voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: tulostusprosessin valmisteluun,

varsinaiseen tulostusprosessiin ja jälkikäsittelyyn. Jokaisessa vaiheessa on olemassa tilanteita,

joissa erilaisia päästöjä voi esiintyä. AM-prosessista riippuen valmisteluvaiheessa voi esiintyä

pöly- tai VOC-päästöjä, mikäli tulostusmateriaali on jauhetta tai nestemäistä ainetta. Päästöt

syntyvät, kun tulostusmateriaalia käsitellään laitteen ulkopuolella. Tulostusprosessin aikana voi

pölyn ja VOC-yhdisteiden lisäksi esiintyä ultrapieniä hiukkasia, kun tulostusmateriaalia

käsitellään lämmöllä tai materiaalista vapautuneet kemikaalit agglomeroituvat muodostaen

pieniä hiukkasia. Jälkikäsittelyn pölypäästöt syntyvät, kun kappaleet poistetaan tulostusalueelta

ja ne puhdistetaan ylimääräisestä tulostusaineesta tai tuotettua kappaletta hiotaan mekaanisesti.

VOC-päästöjä syntyy etenkin silloin, kun kappaletta käsitellään kemikaaleilla, kuten

liuotinaineilla tai ne päällystetään kemiallisesti. Pölyä tuottavia 3D-tulostustekniikoita ovat

pääasiassa jauhepeti- ja sidosaineruiskutusmenetelmät. VOC-yhdisteiden ja ultrapienten

hiukkasten päästöjä syntyy todennäköisesti kaikissa 3D-tulostustekniikoissa, etenkin kun

tulostusaineena käytetään nestemäisiä materiaaleja. Työvaiheet ja niiden todennäköiset päästöt

on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1. Tulostusprosessin vaiheet ja niiden todennäköiset päästöt.

Työn tavoitteena oli tutkia eri 3D-tulostusmenetelmistä ja jälkikäsittelyprosesseista syntyvien

päästöjen tasoja erilaisissa työympäristöissä sekä arvioida mitattujen päästötasojen avulla työ-

peräisen altistumisen terveydellisiä vaikutuksia. Työssä mitattiin haihtuvien orgaanisten

yhdisteiden, hengittyvän pölyn, ultrapienten hiukkasten sekä aldehydien ja ketonien

14

pitoisuudet, samalla kun sisäilman muuttujia (lämpötilaa, ilmankosteutta sekä hiilidioksidi- ja

häkäpitoisuutta) seurattiin. Saatuja tuloksia tarkasteltiin tapauskohtaisesti saatavilla olevaan

kirjallisuuteen pohjautuen, mutta tutkittuja menetelmiä ja prosesseja pyrittiin vertailemaan

myös toisiinsa. Tällä tavalla eri menetelmien hyödyntämisestä seuraavia mahdollisia terveys-

vaikutuksia voidaan vertailla menetelmien välillä. Tutkimusten lisäksi työssä esitetään

suojautumiskeinoja ja tapoja vähentää tulostamisen päästöjä, joita työpaikoilla voidaan

hyödyntää altistumisen vähentämiseksi.

15

2. KIRJALLISUUSKATSAUS

3D-tulostamisen menetelmistä ja materiaaleista on saatavilla kattavasti tietoa. Seuraavassa

kirjallisuuskatsauksessa perehdytään 3D-tulostamisen standardoituihin menetelmiin,

jälkikäsittelyprosesseihin, tutkimuksen kannalta tärkeimpiin tulostusmateriaaleihin sekä

aiempiin 3D-tulostamisen päästötutkimuksiin ja niiden tuloksiin. Myöhemmin perehdytään

myös 3D-tulostusympäristöjen turvallisuuteen ja päästöiltä suojautumiseen sekä 3D-

tulostamisen terveysvaikutusten arviointiin.

2.1. LISÄÄVÄN VALMISTUKSEN MENETELMÄT

Kaikkia lisäävän valmistuksen prosesseja yhdistävät muutamat tekijät. Ensinnäkin kappaleen

muodostaminen perustuu 3D-mallintamiseen ja mallinnetun kappaleen tietojen syöttämiseen

laitteeseen, joka tulostaa kappaleen. Lisäksi kappaleet muodostetaan tulostusalueelle lähes

poikkeuksetta kerroksittain (Wohlers ym. 2017), muutamia harvinaisia menetelmiä, kuten

robottikäsiavusteista freeform-tulostusta lukuun ottamatta. Lisäävän valmistamisen prosessit

ovat ISO/ASTM 52900:2015 standardin mukaan jaoteltu seitsemään kategoriaan ja nämä

kategoriat sekä hybriditulostusmenetelmä ovat esitelty seuraavissa kappaleissa. Kuitenkaan

kaikki olemassa olevat valmistusmenetelmät eivät sijoitu näihin kategorioihin tai niiden

voidaan lukea kuuluvan useampaan kategoriaan yhdenaikaisesti. Tämä johtuu tulostus-

prosessien nopeasta kehityksestä. Prosessien erilaisuudesta johtuen niiden vertailu on

haastavaa, eikä toisinaan edes mielekästä, sillä eri AM-prosessit eroavat toisistaan hyvin

suuresti. Eri menetelmissä kappale tai tulostusalusta täytyy esi- tai jälkikäsitellä ja automaatio-

aste sekä tulostusnopeus vaihtelevat. Parempi tapa menetelmien vertailuun on ensin hahmotella

tulostettava kappale ja tarkastella sitten eri prosessien edullisia ominaisuuksia kappaleen

muodostamisen kannalta. (Alonen ym. 2016.)

2.1.1. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmä

Stereolitografia eli nesteen fotopolymerisaatiomenetelmä oli ensimmäinen markkinoille

saapunut lisäävän valmistuksen menetelmä. Perusta stereolitografialle luotiin 1980-luvun

alussa ja patentin sille haki Charles Hull vuonna 1984. Prosessissa kovetetaan nestemäistä

fotopolymeeriseosta kerros kerrokselta UV-laserin avulla. (Bártolo & Gibson 2011.) Laitteesta

riippuen kappale muodostetaan tulostusalustan ylä- tai alapuolelle. Tulostusalustaa lasketaan

kerros kerrokselta, nesteen pinta tasoitetaan kappaleen päälle ja se kovetetaan laserilla, kun

16

kappale tulostetaan alustan yläpuolelle. Kun kappale tulostetaan tason alle, alusta lasketaan

aluksi säiliön pohjalle, josta sitä aletaan nostamaan ylöspäin kerroksittain. (Alonen ym. 2016.)

Menetelmän toimintaperiaate on esitetty kuvassa 2. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmä on

tulostusjäljeltään hyvin tarkkaa, mutta kappaleet vaativat usein erillisiä tulostusprosessin

aikaisia tukirakenteita ja jälkikäsittelyä, kuten kappaleen puhdistuksen siihen jääneestä

tulostusaineesta. Lisäksi säiliössä oleva tulostusneste voi kontaminoitua ilman epäpuhtauksien,

kuten pölyn johdosta. (Loughborough University 2017b.) Pääasialliset terveydelliset riskit

johtuvat tulostusaineiden haitallisista kemikaaleista sekä jälkikäsittelyssä käytetyistä

liuottimista. (Bours ym. 2017.)

Kuva 2. Nesteen polymerisoimismenetelmä, tason alle tulostettava kappale. (Alonen ym. 2016.)

2.1.2. Materiaalin pursotusmenetelmä

Materiaalin pursotusmenetelmä on etenkin kuluttajatason laitteissa yleisimmin käytetty

menetelmä, missä materiaalia lisätään lämmitetyn suuttimen kautta tulostusalueelle. Prosessi

on myös yksinkertaisin ja halvin AM-prosessi. Menetelmää voidaan verrata kuumaliima-

pistooliin, jossa kuuma suutin notkistaa tulostettavan aineen. Menetelmän toimintaperiaate on

esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Materiaalin pursotusmenetelmä. Alonen ym. 2016.

17

Prosessissa käytettävän muovimateriaalin täytyy olla osittain kiinteää, sillä sen tulee kovettua

pursotettuun muotoon, mutta samalla riittävän juoksevaa, jotta se voi liittyä tiukasti kiinni

aiemmin pursotettuun materiaalikerrokseen. (Alonen ym. 2016.) Pursotusprosessiin ja sen

tarkkuuteen vaikuttavat useat tekijät, kuten suuttimen ja tulostuspedin lämpötilat sekä paine ja

nopeus, millä materiaalia pursotetaan. Mitä tasaisempana tulostusprosessin muuttujia voidaan

pitää, sen tarkempaa tulostusjälki on. Prosessi on verrattain hidas ja tulostustarkkuus on karkea

muihin menetelmiin verrattuna. (Loughborough University 2017c.) Muovimateriaalien lisäksi

tulostusaineena eli filamenttina voidaan käyttää muoviin sekoitettua puukuitua, hiilikuitua ja

metallia. Boursin ym. (2017) mukaan menetelmän pääasialliset terveysriskit johtuvat tulostus-

prosessista syntyvistä ultrapienistä hiukkasista, kemikaalipäästöistä ja kuumista pinnoista.

2.1.3. Materiaalin ruiskutusmenetelmä

Materiaalin ruiskutusmenetelmä muistuttaa periaatteeltaan perinteistä 2D-tulostusta.

Menetelmässä suutin sijoittelee tulostusmateriaalipisaroita valikoivasti tulostusalueelle tai

jatkuvasti ruiskuttamalla. Jatkuvalla ruiskutusmenetelmällä ylijäänyt tulostusmateriaali

kierrätetään takaisin tulostimen käyttöön. (Loughborough University 2017d.) Materiaali

kovetetaan UV-valon avulla ja kappale syntyy alhaalta ylöspäin. Menetelmän toimintaperiaate

on esitetty kuvassa 4. Materiaalin ruiskutuksessa voidaan hyödyntää useampaa suutinta, mikä

mahdollistaa nopeamman tulostamisen tai useamman materiaalin yhtäaikaisen käytön. Tämä

avaa mahdollisuuksia erilaisten kappaleiden tuottamiselle. (Alonen ym. 2016.)

Kuva 4. Materiaalin ruiskutusmenetelmä. Alonen ym. 2016.

18

Yleisiä materiaaleja tässä AM-prosessissa ovat UV-kovettuva muovi tai vaha (Alonen ym.

2016.) Materiaalin ruiskutusmenetelmän tulostusjälki on tarkkaa ja yleensä tulostusjätettä

syntyy vain vähän. Kappaleet vaativat usein tukirakenteita, jotka voidaan poistaa valmiista

kappaleesta esimerkiksi vesisuihkun tai ultraäänihauteen avulla. (Loughborough University

2017d.) Nesteen fotopolymerisaation tavoin merkittävimmät terveysriskit johtuvat

nestemäisten tulostusmateriaalien käytöstä.

2.1.4. Jauhepetimenetelmä

Jauhepetimenetelmä on AM-prosessi, jossa tulostusalueelle levitetty jauhe liitetään yhteen

lämmön avulla, perinteisesti laserilla. Prosessissa jauhetta levitetään kerros kerrokselta

tulostusalueelle. Jauheen levityksen välissä materiaali liitetään kiinni aiempaan kerrokseen

sulattamalla tai sintraamalla, jolloin tulostettava kappale syntyy kerroksittain. Menetelmän

toimintaperiaate on esitetty kuvassa 5. Sintrauksessa jauhe lämpenee, mutta ei sula. Tällä

tavalla jauhehiukkaset kiinnittyvät toisiinsa molekyylitasolla. Prosessissa käytetystä jauheesta

suuri osa jää yleensä hyödyntämättä, josta osa voidaan käyttää uudelleen. Jauhepetimenetelmä

on yleisin metallitulostusmenetelmä, mutta sitä käytetään laajasti myös muovikappaleiden

tulostukseen. (Alonen ym. 2016.) Menetelmän etuihin kuuluu jauhepedin toimiminen

tukirakenteena, jolloin niitä ei tarvitse muodostaa erikseen kappaleen muodostamisen

yhteydessä. Tämä vähentää aikaa vievän jälkikäsittelyn tarvetta sekä materiaalin kulutusta.

Kappaleet tulee kuitenkin puhdistaa tulostuksen jälkeen ylimääräisestä jauheesta.

(Loughborough University 2017e.) Pääasialliset terveydelliset riskit johtuvat jauhepeti-

menetelmää hyödynnettäessä tulipalovaarasta, pölystä sekä ultrapienten hiukkasten

syntymisestä. (Bours ym. 2017.)

Kuva 5. Jauhepetimenetelmä. Alonen ym. 2016.

19

2.1.5. Sidosaineruiskutusmenetelmä

Sidosaineruiskutusmenetelmässä tulostusaineena käytetyn jauhemateriaalin sekaan sijoitellaan

valikoivasti nestemäistä sidosainetta materiaalin liittämiseksi yhteen. Sidosaineen ruiskutuksen

jälkeen tulostusalueelle levitetään uusi jauhekerros, ja näin kappale muodostetaan kerroksittain.

Menetelmän toimintaperiaate on esitetty kuvassa 6. Jauhepeti toimii tulostusalueena sekä tuki-

rakenteena. Tässä AM-prosessissa voidaan käyttää apuna esimerkiksi UV-kovettuvaa

sidosainetta ja UV-valoa, joka kovettaa sidosaineen ja nopeuttaa tulostusta. Sidosaineen

kovettumista voidaan nopeuttaa myös käyttämällä sidosainetta aktivoivaa ainetta, jota

ruiskutetaan sidosaineen ruiskutuksen jälkeen tulostusalueelle. Prosessissa voidaan käyttää

lähes mitä tahansa jauhemaista tulostusainetta. (Alonen ym. 2016.) Sidosaineruiskutus-

menetelmällä tuotetut kappaleet vaativat usein jälkikäsittelyä, mikä voi hidastaa kappaleen

valmistumista vaikka itse prosessi on nopea. (Loughborough University 2017f.) Tulostus-

prosessissa syntyy sekä VOC-yhdisteiden että ultrapienten hiukkasten päästöjä. Myös pölyä voi

esiintyä, sillä tulostusprosessissa yhdistyvät jauhemainen tulostusaine, jatkuva liike sekä

sidosaineena käytettävien kemikaalien käyttö (Afshar-Mohajer ym. 2015.)

Kuva 6. Sidosaineruiskutusmenetelmä. Alonen ym. 2016.

2.1.6. Suorakerrostusmenetelmä

Suorakerrostusmenetelmässä käytetään kohdistettua lämpöenergiaa materiaalikerrosten

yhdistämiseen. Menetelmässä materiaalia sulatetaan samalla kun sitä sijoitetaan niin, että

haluttu kappale muodostuu tulostusalueelle. Kohdistetulla lämpöenergialla tarkoitetaan

energialähteen (laser- tai elektronisäde, plasmakaari) kohdistamista niin, että se sulattaa

syötetyn materiaalin kiinni aiempaan kerrokseen materiaalilähteen liikkuessa tulostusalueella.

Suorakerrostusmenetelmästä on olemassa useita eri variaatioita ja syötettävä materiaali voi olla

20

lankaa tai jauhetta. Jauheen käyttö materiaalina ja laserin käyttö energialähteenä on yleisin

yhdistelmä. Materiaalina käytetään usein metallin lisäksi myös polymeerimuoveja. Tätä

menetelmää käytettäessä ei synny tulostusjätettä, mutta sillä on olemassa rajoitteita.

Esimerkiksi tukirakenteita tarvitaan, mikäli kappaleessa on negatiivisia kulmia.

Suorakerrostusmenetelmässä materiaalia lisätään vain sinne, missä sitä tarvitaan ja joissain

variaatioissa suojakaasu lisätään suuttimesta, jolloin suljettua kammiota ei tarvita. Tämän

vuoksi suorakerrostusmenetelmällä ei ole samanlaisia tulostusalueen tai kappaleen kokoa

rajoittavia tekijöitä, kuten useimmilla lisäävän valmistuksen menetelmillä. (Alonen ym. 2016.)

Kuva 7. Suorakerrostusmenetelmä. Alonen ym. 2016.

2.1.7. Laminointimenetelmä

Laminointimenetelmässä materiaalilevyjä tai –kalvoja käytetään tuotettavan kappaleen

kerroksina. Levyt tai kalvot asetellaan päällekkäin, liitetään toisiinsa ja leikataan muotoonsa,

jolloin haluttu kappale syntyy kerroksittain. Menetelmän toimintaperiaate on esitetty kuvassa

8.

Kuva 8. Laminointimenetelmä. Alonen ym. 2016.

21

Laminointimenetelmässä voidaan hyödyntää monia erilaisia materiaaleja, kuten metalleja,

muoveja tai paperia. Prosessijärjestys voi vaihdella materiaalin sijoittamisen, leikkaamisen ja

liittämisen välillä. Levyn tai kalvon leikkaus voi tapahtua esimerkiksi veitsellä tai laserilla.

Materiaalikerrokset voidaan yhdistää toisiinsa esimerkiksi ultraäänihitsauksen avulla tai

liimaamalla. Laminointimenetelmän kerrospaksuus määräytyy levy- tai kalvomateriaalin

paksuuden mukaan. (Alonen ym. 2016.)

2.1.8. Hybridimenetelmät

Hybridimenetelmissä yhdistetään useita lisäävän valmistuksen menetelmiä toisiinsa, tai niihin

yhdistetään perinteisiä materiaalia poistavia menetelmiä. Näin prosessiin saadaan hyötyjä, joita

ei yksittäisillä menetelmillä voida saavuttaa. Prosessiin voidaan lisätä koneistusta, pinta-

käsittelyä tai muita jälkikäsittelyprosesseja. Hybridimenetelmissä tavoitellaan esimerkiksi

mahdollisimman pientä materiaalinkulutusta, parasta mahdollista pinnanlaatua ja tarkkuutta tai

mahdollisuuksia muodostaa entistä monimutkaisempia osia. (Alonen ym. 2016.)

2.2. JÄLKIKÄSITTELYPROSESSIT

Jälkikäsittelyprosessit voidaan jakaa tulostusmenetelmien välttämättömiin ja vapaaehtoisiin

jälkikäsittelyprosesseihin. Eri menetelmissä välttämättömän jälkikäsittelyn määrä vaihtelee.

Pakollisia prosesseja ovat kappaleen poisto tulostusalueelta ja ylimääräisen tai käyttämättömän

tulostusmateriaalin poistaminen kappaleesta sekä tukirakenteiden poistaminen. Tämä

materiaali voi tulostusmenetelmästä riippuen olla nestettä, jauhetta tai kiinteitä rakenteita.

Ylimääräinen tulostusneste poistetaan tavallisesti pesemällä kappale liuottimella, jauhe

poistetaan paineilmalla tai harjaamalla ja tukirakenteet irrotetaan leikkaamalla tai liuottamalla.

Nesteestä kovetettuja kappaleita täytyy usein säteilyttää kemiallisen käsittelyn jälkeen UV-

valolla, jotta polymerisaatio olisi täydellistä kappaleen pinnassa. (Työterveyslaitos 2016b &

Wohlers ym. 2017.)

Kappaleen pinta voidaan halutessaan käsitellä ylimääräisen materiaalin poistamisen jälkeen

haluttujen dimensioiden tai pinnanlaadun saavuttamiseksi esimerkiksi hiomalla tai liuottamalla.

Tämä tulee kyseeseen etenkin menetelmissä, jossa materiaalia pursotetaan kerros kerrokselta,

jolloin muodostetun kappaleen kerroksisuus jää näkyviin. Kappale voidaan myös päällystää

esimerkiksi metallilla, maalilla tai erikoispinnoitteella halutun lopputuloksen saavuttamiseksi.

22

Kappaleen geometria ei tavallisesti vaikuta jälkikäsittelymenetelmien toimivuuteen tai

sovellettavuuteen. (Wohlers ym. 2017.)

2.3. TULOSTUSMATERIAALIT

Tärkeimmät lisäävän valmistuksen materiaalikategoriat ovat metallit ja polymeerimuovit.

Muita tulostusmateriaaleja ovat keraamiset ja komposiittimateriaalit, kipsi sekä komposiitti-

metalli-hybridimateriaalit, joita hyödynnetään pääasiassa jauhepeti- ja sidosaineruiskutus-

menetelmissä. (Loughborough University 2017f & Wohlers ym. 2017.) Tulostusmateriaalien

tuottajat valmistavat kaikkiaan tuhansia erilaisia materiaaleja markkinoille sekä henkilö-

kohtaisiin tarpeisiin kuluttajien pyynnöstä. Tässä kappaleessa käsitellään pääasiassa työssä

tutkittuja materiaaleja.

Saatavilla olevia polymeerimuoveja on tarjolla runsaasti lisäävän valmistuksen tarpeisiin.

Tärkeimmät ovat ABS eli akryylinitriilibutadieenistyreeni- ja PLA eli polylaktidimuovit.

Ominaisuuksiltaan erilaisia muovimateriaaleja on tarjolla suuri määrä ja kuluttajalla on

mahdollisuus valita materiaali esimerkiksi kappaleen värin, joustavuuden, palonkestävyyden

tai vetolujuuden perusteella. Muovimateriaalien ominaisuuksia on helppo muuttaa lisäämällä

muoviseokseen lisäaineita. Polymeerimuovit jaetaan perinteisesti termoplastisiin ja

lämpökovettuviin muoveihin. Termoplastisia muoveja voidaan sulattaa ja työstää useampaan

kertaan, kun taas lämpökovettuvat muovit ”asettuvat” muotoonsa vain kerran eikä niitä voi

sulattaa ja käyttää enää uudestaan. (Wohlers ym. 2017.)

Materiaalin pursotuksessa käytettävät materiaalit ovat lähes poikkeuksetta polymeerimuoveja.

ABS- ja PLA-muovien lisäksi yleisiä materiaaleja ovat PC-muovi, nylon sekä erilaiset

muovisekoitukset. Viime vuosina markkinoille on tuotettu myös metalli-, puu- ja kiviainesta

sisältäviä filamentteja. (Wohlers ym. 2017.) Pursotettavilla tulostusmateriaaleilla on tavallisesti

niille ominaiset optimaaliset suuttimen ja tulostuskammion lämpötilat. Tulostusprosessissa

käytettävät lämpötilat riippuvat materiaaliominaisuuksien lisäksi sen paksuudesta. (Azimi ym.

2016.)

23

2.3.1. ABS

ABS-muovi eli akryylinitriilibutadieenistyreeni on kuluttajatason laitteissa yleisesti käytetty

öljypohjainen, kestävä ja kevyt materiaali. Sen suositeltu tulostuslämpötila on 230–250 °C,

tulostuskammion suositellun lämpötilan ollessa 80–105 °C. (Mendes ym. 2017.) ABS-muovi

kestää hyvin heikkoja happoja ja emäksiä, mutta ilman lisäaineita sen UV-valon sietokyky on

heikko (Alonen ym. 2016.) ABS-muovi on amorfinen aine, joten sillä ei ole varsinaista

sulamispistettä. Sen lasisiirtymälämpötila, eli lämpötila jossa aine muuttuu kovasta ja hauraasta

kumimaiseksi on 105 °C. Korkean lasisiirtymälämpötilan vuoksi ABS-muovista valmistetut

kappaleet kärsivät helpommin muotojen vääristymisestä tulostusprosessin aikana, kuin PLA-

muovista valmistetut kappaleet. ABS on termoplastinen eli lämpömuovattava materiaali, joten

sitä voidaan muovata useampaan kertaan sulattamalla. Tulostetun kappaleen pinta on

mattamainen ja kappale voidaan jälkikäsitellä esimerkiksi asetonilla kiiltävän pinnan

saavuttamiseksi tai pinta voidaan hioa tasaiseksi. ABS-muovin vetolujuus on samaa luokkaa

PLA-muovin kanssa, mutta ABS on usein suositumpi materiaali sen paremman venyvyyden

vuoksi. (Giang 2017.)

2.3.2. PLA

PLA-muovi eli polylaktidi on kuluttajatason laitteissa yleinen, oikeissa olosuhteissa

biohajoava, maissitärkkelyksestä ja sokeriruo’osta valmistettu muovimateriaali. Se on kovaa ja

kestävää, mutta sietää lämpöä huonommin kuin ABS-muovi. Tästä syystä sen muoto voi kärsiä

kuumuudesta ja sen suositeltu tulostuslämpötila onkin 180–210 °C, tulostuskammion

suositellun lämpötilan ollessa 40–60 °C. (Mendes ym. 2017.) PLA kestää hyvin UV-valoa,

mutta sen haurauden vuoksi sitä ei suositella iskuille altistuvien kappaleiden valmistukseen

(Alonen ym. 2016.) PLA:n sulamislämpötila on 173 °C, sen lasisiirtymälämpötila on 60 °C ja

ABS-muovin tavoin myös PLA on termoplastinen aine. Matalamman työstölämpötilan vuoksi

PLA-muovi ei tulostettaessa väänny yhtä helposti kuin ABS-muovi ja sillä voidaan valmistaa

terävämpiä kulmia kuin ABS-muovilla. PLA:n lämmönkestävyys on huomattavasti ABS-

muovia heikompi ja se alkaa menettämään muotoaan lämpötilan lähestyessä sen

lasisiirtymälämpötilaa, etenkin jos kappale on korkea ja siihen kohdistuu painokuormaa.

Tulostetun kappaleen pinta on aavistuksen kiiltävä, jopa läpikuultava. Muodostetun kappaleen

pinta voidaan hioa tasaiseksi, mutta kappaletta tulee käsitellä varovaisemmin kuin ABS-

muovista valmistettuja kappaleita. (Giang 2017.)

24

2.3.3. Nylon

Nylon on synteettinen polyamidi (PA) joka luetaan teknisiin muoveihin. Sitä käytetään

yleisimmin jauhepetimenetelmässä, mutta siitä valmistetaan myös filamentteja materiaalin

pursotusmenetelmän tarpeisiin. Nylonin lasisiirtymälämpötila on 117–140 °C. Jauhepeti-

menetelmässä ylijäänyttä nylonjauhetta voidaan käyttää uudelleen, mutta sen ominaisuudet

kärsivät ja tulostustarkkuus heikkenee uusiokäytössä. Ominaisuuksien muutokset johtuvat

tulostuskammion suuresta lämpötilasta, joka vaurioittaa materiaalia. Kertaalleen käytettyä

jauhetta voidaan kierrättää sekoittamalla sitä käyttämättömään jauheeseen, jolloin

tulostustarkkuus ei jauhepetimenetelmässä kärsi merkittävästi. (Wohlers ym. 2017.) Nylon on

ominaisuuksiltaan erittäin kestävää ja joustavaa, eikä sen tulostuksessa juuri esiinny muotojen

vääristymistä. Lisäksi nylon kestää UV-valoa ja useimpia kemikaaleja muita muovimateriaaleja

paremmin. Nylon on hygroskooppista, eli se imee itseensä ilmankosteutta. Runsas veden

sitoutuminen vaikuttaa tulostettavan kappaleen dimensioihin. Tästä syystä nylon täytyy pitää

kuivana varastoitaessa tai se tulee kuivattaa ennen tulostusprosessia. Hygroskooppisuuden

vuoksi nylonia on helppo värjätä. Markkinoilla on tarjolla erilaisia nylontyyppejä, joiden

polymeerirakenne vaihtelee. Rakenne voi muodostua yhden- tai kahdentyyppisistä

monomeereistä. Materiaalin pursotuksessa suuttimen lämpötila riippuu filamentin

polymeerirakenteesta. Suositeltu suuttimen lämpötila vaihtelee tästä syystä 220–280 °C välillä.

(Alonen ym. 2016 & Rawal 2017.)

2.3.4. Puukuitufilamentti

Puukuitumateriaaleja on olemassa sekä jauheena että pursotettavana filamenttina. Materiaalit

ovat todellisuudessa seoksia, jotka koostuvat puusta ja polymeerimuovista sekä lisäaineista.

Tarkat materiaalien koostumukset ovat kuitenkin salaisia. (Wohlers ym. 2017.) Tutkimuksessa

käytetty Formfutura EasyWood-filamentti on pohjaltaan PLA-muovia, jossa on noin 40 %

jauhettua puumateriaalia. Materiaali ei ole vahvuudeltaan perinteisen PLA-muovin tasoista.

Filamentti näyttää, tuntuu ja tuoksuu oikealta puulta. Siinä ei esiinny muotojen vääristymistä ja

pinnan muotoja sekä väriä voidaan muokata jälkikäsittelyn avulla tai tulostuslämpötilaa

säätämällä. Suositeltu suuttimen lämpötila tulostusprosessissa on 200–240 °C. Toisin kuin

muut filamentit, puukuitufilamentti ei vaadi tulostusalustan lämmitystä. (Formfutura 2017.)

25

2.3.5. Hiilikuitufilamentti

Markkinoilla on tarjolla runsaasti eri polymeerimuovipohjaisia hiilikuitufilamentteja. Hiili-

kuitufilamentteja on saatavilla esimerkiksi PLA-, ABS- tai nylonpohjaisina ja niiden hiili-

kuitupitoisuus on tyypillisesti 20–40 %. Hiilikuitufilamenteille on ominaista materiaalin korkea

puristuslujuus. Materiaali kestää erittäin hyvin myös lämpötilan muutoksia. Suositellut

suuttimen ja tulostusalustan lämpötilat vaihtelevat filamentissa käytetyn muovimateriaalin

mukaan. Suuttimen lämpötilaksi suositellaan tuotteesta riippuen 220–310 °C tulostusalustan

suosituslämpötilan ollessa 70–110 °C. (3DXTech 2017.)

2.3.6. Nestemäiset muovimateriaalit

Nesteen fotopolymerisaatiossa ja materiaalin ruiskutusmenetelmissä käytettävät nesteet ovat

lämpökovettuvia muoveja eli kertamuoveja eli aine voidaan kovettaa muotoonsa vain kerran.

Ne ovat seoksia, jotka koostuvat pääasiassa akryyleistä, akrylaateista tai epoksimateriaaleista

sekä lisäaineista, jotka ovat usein herkistäviä tai ärsyttäviä aineita. Nesteet ovat yleensä

valmistettu niin, että ne kovettuvat UV-valoenergian vaikutuksesta. Joitain seoksia voidaan

kovettaa myös näkyvän valon spektrin energialla. Yleensä 3D-tulostinlaitteiden valmistajat

myyvät omiin laitteisiinsa optimoituja patentoituja seoksia suoraan asiakkailleen.

Fotopolymerisaatiolaitteiden hintaluokan alenemisen ja laitteiden saatavuuden parannuttua

myös ulkopuoliset valmistajat ovat alkaneet tuottamaan markkinoille eri valmistajien laitteisiin

soveltuvia nesteitä. (Wohlers ym. 2017.)

Tässä työssä nesteen fotopolymersiaatiomenetelmässä käytettiin akrylaattipohjaista Bego

VarseoWax® CAD/Cast nestettä, joka oli suunniteltu käytettäväksi Begon valmistamissa 3D-

tulostimissa. Neste kovettuu 405 nm aallonpituuksisella valolla. Käyttöturvallisuustiedotteen

mukaan haitallisiksi komponenteiksi oli merkitty erilaiset akrylaatit sekä fosfiinioksidi.

Tuotteen vaaralausekkeisiin kuuluivat ihoärsytys (H315), mahdolliset allergiset ihoreaktiot

(H317), voimakas silmä-ärsytys (H319) sekä vaarallisuus vesieliöille (H411.) Tuotteessa oli

myös merkinnät yleisestä ärsyttävyydestä (GHS07) sekä haitallisuudesta ympäristölle

(GHS09.) Toksikologisten tietojen mukaan tuotteesta vapautuvan kaasun hengittäminen voi

aiheuttaa silmien ja hengitysteiden ärsytys-oireita sekä päänsärkyä, väsymystä ja

huonovointisuutta. (Bego 2018.)

Materiaalin ruiskutusmenetelmässä käytettiin akrylaattipohjaista VisiJet® M2R-CL nestettä

tutkimuksen aikana. Haitallisiksi komponenteiksi oli merkitty diakrylaatit sekä fosfiinioksidi.

26

Tuotteessa oli maininta hiilidioksidin ja -monoksidin muodostumisesta nestettä

kuumennettaessa. Vaaralausekkeisiin kuuluivat ihoärsytys (H315), mahdolliset allergiset

ihoreaktiot (H317), voimakas silmä-ärsytys (H319), mahdollisuus heikentää hedelmällisyyttä

(H361f) sekä vaarallisuus vesieliöille (H412.) Tuotteessa oli myös merkinnät yleisestä

ärsyttävyydestä (GHS07) sekä terveysvaarasta (GHS08.) Toksikologisissa tiedoissa oli

kirjallinen maininta silmä-, iho- ja hengitystieärsytyksestä sekä mahdollisesta allergiseen

reaktioon johtavasta herkistävästä vaikutuksesta. (3D Systems 2017.)

2.3.7. Jauhemateriaalit

3D-tulostuksessa käytettävät jauheet voivat olla muoveja, metalleja, kipsiä sekä keraamisia ja

komposiittimateriaaleja tai hiekkaa (Loughborough University 2017g.) Yleisimmät käytetyt

materiaalit ovat metallit ja muovi, etenkin titaani ja nylon. Jauhemateriaalien tulostuksessa

tärkeimpiä jauheen ominaisuuksia ovat sen raekoko ja tasalaatuisuus. Hienojakeisinta ja tasa-

laatuisinta jauhetta käyttämällä saavutetaan paras tulostusjälki. Jauheen hiukkaskoko

määräytyy sen valmistusprosessin mukaan. (Alonen 2016.)

Metallijauheiden tulostuksessa tulostusalue täytetään suojakaasulla, ja käytetty kaasu voi

vaihdella tulostusmateriaalista riippuen. Suojakaasua käytetään estämään materiaalin

reagoiminen ilman kanssa. Jauhemateriaaleja voidaan periaatteessa myös sekoittaa keskenään

erilaisten kappaleiden ominaisuuksien saavuttamiseksi. (Alonen ym. 2016.)

2.4. 3D-TULOSTAMISEN PÄÄSTÖT

Aiemmissa tutkimuksissa on havaittu, että muovimateriaalien tulostusprosessit tuottavat

ilmateitse leviäviä päästöjä, kuten ultrapieniä hiukkasia ja kemikaaleja, mukaan lukien

karsinogeenisiä ja ärsytysoireita aiheuttavia yhdisteitä sekä otsonia, joka voi reagoida ilman

yhdisteiden kanssa muodostaen hapettuneita yhdisteitä kuten ketoneita, happoja ja aldehydejä

(Stefaniak 2017.) Prosesseista syntyvien kemikaaliseosten koostumus ja hiukkaspäästöjen

määrä vaihtelevat suuresti tulostusmenetelmästä, -materiaalista ja –olosuhteista riippuen

(Mendes ym. 2017.)

27

2.4.1. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmän päästöt

Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmässä ja materiaalin ruiskutusmenetelmässä käytettävät

nesteet sisältävät tavallisesti yhdisteitä, jotka eivät haihdu kovin helposti, mutta jotka voivat

olla hyvin reaktiivisia. Reaktiivisuutensa vuoksi ne ovatkin usein hyvin haitallisia ihmisille ja

vesieliöille. (Bours ym. 2017.)

Työterveyslaitoksen (2016b) tutkimuksen mukaan ultrapienten hiukkasten päästöt nousivat

nesteen fotopolymerisaatiomenetelmässä vain hetkellisesti yli taustapitoisuuden. Työpaikalla

mitatut tausta- ja tulostuksen aikaiset pitoisuudet olivat 5000-5400 kpl/cm3.

2.4.2. Materiaalin pursotusmenetelmän päästöt

Materiaalin pursotusmenetelmässä suuttimen ja sen lämpötilan on havaittu vaikuttavan suuresti

tulostusprosessin hiukkaspäästöihin. Kuuma suutin aiheuttaa suurempia hiukkaspäästöjä kuin

viileä suutin. Syntyvät hiukkaset ovat pääasiassa ultrapieniä hiukkasia, karkeampien

hiukkasjakeiden emissioiden ollessa erittäin pieniä. (Mendes ym. 2017.)

Ultrapienten hiukkasten päästöjen on Azimin ym. (2016) mukaan havaittu olevan

suurimmillaan tulostusprosessin alussa. Tulostusprosessin edetessä pitoisuus laskee

huomattavasti, mutta pitoisuus pysyy selvästi yli taustapitoisuuden. Lisäksi pitoisuuden

huomattiin nousevan uudestaan tulostusprosessin loppuvaiheessa, kun kappaleen viimeisiä

kerroksia muodostettiin. Hiukkaspäästöjen määrään vaikuttaa myös suuresti tulostimen malli,

käytettävä tulostusmateriaali, tulostettavan kappaleen muodot, tulostimen suuttimen tyyppi

sekä suuttimen lämpötilan lisäksi myös tulostuskammion lämpötila. Mitä lämpimämpi

tulostuskammio on, sitä suuremmat ultrapienten hiukkasten päästöt ovat.

Lämpimämpi suutin voi aiheuttaa myös suurempia kemikaalipäästöjä. Tulostusaineena

käytettävät muovit voivat lämpöhajota suuttimen läpi kulkiessaan, jolloin prosessista vapautuu

muovien hajoamistuotteita ja erittäin kuumissa olosuhteissa myös hiilimonoksidia. (Stephens

ym. 2013.) Tulostusmateriaalilla on havaittu olevan suurin vaikutus VOC-päästöihin (Azimi

ym. 2016.)

Azimin ym. (2016) tutkimuksessa hiukkasemission suuruus oli samalla tasolla riippumatta siitä,

oliko tulostimessa kotelointi vai ei. Kimin ym. (2015) tutkimuksessa ABS-muovin

tulostuksessa ultrapienten hiukkasten emissio oli jopa lähes 40 kertaa suurempi kuin PLA-

muovin tulostuksessa. ABS-muovin tulostuksessa 96 % hiukkasista kuului ultrapienten

28

hiukkasten kokoluokkaan. Tutkimuksessa mitattiin myös kahta PLA-filamenttia, joissa toisen

tulostuksen aikana 98 % hiukkasista kuului ultrapieniin hiukkasiin, toisen filamentin

tulostuksen aikana vain 12 %. Steinlen (2016) mittauksissa havaittu emissiotaso oli poikkeava,

sillä ABS-muovin ultrapienten hiukkasten emissio oli PLA-muovin emissiotasoa matalampi.

Mitattuja ultrapienten hiukkasten emissioita on esitetty taulukossa 1.

Taulukko 1. Mitattuja ultrapienten hiukkasten emissioita.

Lähde Filamentti Emissio (kpl/s) Mittauspaikka

Mendes ym. (2017)

ABS 3,7 ∙ 108–1,4 ∙ 109 Kammio

ABS 2,0–4,0 ∙ 109 Huonetila

PLA 1,0 ∙ 107 Kammio

PLA Ei havaittavissa Huonetila

Azimi ym. (2016) ABS 3,3 ∙ 108–1,5 ∙ 109 Huonetila

PLA 1,8 ∙ 106 Huonetila

Steinle (2016) ABS 4 ∙ 107 Kammio

PLA 2,1 ∙ 109 Kammio

Yi ym. (2016)

ABS 4 ∙ 109 Kammio

ABS 1,2 ∙ 109 Huonetila

PLA 4,8 ∙ 109 Kammio

PLA 4,0 ∙ 108 Huonetila

Kim ym. (2015) ABS 2,7 ∙ 108 Kammio

PLA 7,7 ∙ 106 Kammio

Stephens ym. (2013) ABS 3,2 ∙ 1010 Huonetila

PLA 3,3 ∙ 109 Huonetila

Stephensin ym. (2013) tutkimuksessa ultrapienten hiukkasten lukumääräpitoisuuden havaittiin

nousevan noin nelinkertaiseksi taustapitoisuuteen verrattuna (27 800 hiukkasta/cm3 (kpl/cm3)

vs. 9700 kpl/cm3), kun käytössä oli kaksi PLA-muovia tulostavaa laitetta. Huippupitoisuus oli

jopa 142 200 kpl/cm3, kun käytössä oli kaksi PLA-muovia ja kolme ABS-muovia tulostavaa

laitetta. Työterveyslaitoksen (2016b) mittauksissa ultrapienten hiukkasten keskiarvoiset

pitoisuudet olivat pieniä, hengitysvyöhykkeeltä mitattuna 1200-2200 kpl/cm3 ja työpisteeltä

mitattuna 2100 kpl/cm3.

Tulostettavalla materiaalilla on suurin vaikutus syntyviin VOC-päästöihin, joiden määrä riippui

suuresti tulostimen mallista, mutta tulostimen koteloinnilla ei ollut yhteyttä päästöjen määrään.

(Azimi ym. 2016.) Tulostettujen kappaleiden on myös havaittu jatkavan kemikaaliemissiota

vielä tulostusprosessin jälkeen, jolloin yhdisteille altistuminen voi jatkua kappaleen

valmistuttua (Stefaniak ym. 2017.)

29

Huomattavia VOC-emissioita on havaittu nylonmuovin tulostusprosesseissa, ja ABS-muovin

tulostuksen on havaittu aiheuttavan suuria styreenipäästöjä (Azimi ym. 2016.) Myös Wojtylan

ym. (2017) mukaan styreenipäästöjen osuus ABS-muovin tulostuksessa oli merkittävä, ja ABS-

muovin tulostamisen on arvioitu olevan muita filamentteja haitallisempaa terveydelle styreenin

vuoksi. Kim ym. (2015) havaitsivat TVOC-pitoisuuden kohoamisen ABS-muovin tulostuksen

aikana, mutta PLA-muovin tulostuksessa pitoisuus ei kohonnut. Huippupitoisuus ABS-muovin

tulostamisessa oli 155 ppb (parts per billion, tilavuuden miljardisosa.)

PLA-muovin tulostamisen on havaittu aiheuttavan merkittäviä metyylimetakrylaatin,

kaprolaktaamin ja laktidin päästöjä (Azimi ym. 2016.) Myös Steinlen (2016) ja Wojtylan ym.

(2017) mukaan metyylimetakrylaatti on yleisin PLA-muovin tulostamisesta vapautuva yhdiste.

Taulukossa 2 on esitetty mitattuja VOC-emissioita sekä tulostusprosessien yleisimmät

yhdisteet.

Taulukko 2. Mitatut VOC-emissiot ja yleisimmät yhdisteet.

Lähde Filamentti Emissio Yleisin yhdiste (%) Mittauspaikka

Stefaniak ym.

(2017)

ABS 53,6 µg/min Styreeni Kammio

PLA 1,3 µg/min Isopropyylialkoholi Kammio

Wojtyla ym.

(2017)

ABS 0,5 µmol/h Styreeni (>30 %) Kammio

PLA 0,5 µmol/h Metyylimetakrylaatti

(44 %) Kammio

Azimi ym. (2016)

ABS 4,4 µg/min Styreeni Huonetila

PLA 49,5 µg/min Laktidi Huonetila

Nylon 182,6 µg/min Kaprolaktaami Huonetila

Puukuitu 45,4 µg/min Kaprolaktaami Huonetila

Steinle (2016)

ABS 5,8 µg/min Styreeni (>50 %) Kammio

PLA 6,5 µg/min Metyylimetakrylaatti

(35 %) Kammio

Kim ym. (2015) ABS - Etyylibentseeni Kammio

PLA - Tolueeni Kammio

Kuluttajatason ABS- ja PLA-muoveja tulostavien laitteiden VOC-emissiot ovat Stefaniakin

ym. (2017) ja Mendesin ym. (2017) mukaan olleet hyvin pieniä sekä kammio- että

huonekokeissa. Pitoisuudet olivat Mendesin ym. (2017) mukaan 230–270 µg/m3

kammiokokeissa ja 250–520 µg/m3 huonekokeissa. Lisäksi ABS-muovin tulostuksesta syntyi

havaittavia määriä styreeniä (14 µg/m3.) Stefaniakin ym. (2017) mittauksissa havaittiin myös

runsaasti styreeniä, sekä eräitä astmaa aiheuttavia yhdisteitä, kuten 4-oksopentanaalia. Steinlen

30

(2016) mukaan ABS- ja PLA-muovien tulostusprosessit voivat tuottaa myös havaittavia määriä

fluoranteeniä ja pyreeniä, jotka ovat polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä (PAH-yhdisteitä.)

Myös lyhytketjuisia aldehydejä ja ketoneita, kuten formaldehydiä voi esiintyä matalina

pitoisuuksina (Mendes ym. 2017 & Stefaniak ym. 2017.)

Lisäksi kammiokokeissa mitatut materiaalin pursotusmenetelmän hiilidioksidipäästöt olivat

erittäin matalalla tasolla, alle 500 ppm (parts per million, tilavuuden miljoonasosa.)

Tulostustilanteella, suuttimen lämpötilalla ja hiilidioksidipitoisuuden vaihteluilla ei ollut selvää

yhteyttä. Hiilimonoksidia ei mittauksissa esiintynyt. (Mendes ym. 2017.)

2.4.3. Jauhepetimenetelmän päästöt

Työterveyslaitoksen (2016b) mittauksissa metallijauheen tulostamisessa ultrapienten

hiukkasten keskiarvopitoisuus tulostushuoneessa oli 7600 kpl/cm3. Työpisteiltä mitattuna

hiukkasten keskiarvopitoisuudet vaihteluväli oli 5500-19 400 kpl/cm3 ja työntekijöiden

hengitysvyöhykkeeltä mitattuna keskiarvopitoisuus oli 1300-9300 kpl/cm3 välillä. Mittauksissa

havaittiin myös hyvin korkeita ultrapienten hiukkasten pitoisuuksien kohoamisia silloin, kun

työntekijät käsittelivät tulostusmateriaalia, jolloin jauhe pölysi työn aikana. Lisäksi mittausten

aikana havaittiin poikkeuksellinen tilanne, jolloin hiilimonoksidipitoisuus kohosi yhtäaikaisesti

ultrapienten hiukkasten pitoisuuden kanssa. Syy tälle jäi tuntemattomaksi.

Samassa tutkimuksessa muovin tulostamisessa esiintyi korkeita ultrapienten hiukkasten

pitoisuuksia. Tulostuksen aikana tulostushuoneen keskiarvopitoisuus oli 27 500 kpl/cm3.

Korkeimmat pitoisuudet mitattiin kahden tulostimen ollessa toiminnassa yhtäaikaisesti.

Karkeampien hiukkasten pitoisuudet kohosivat työpaikalla hetkellisesti, johtuen työntekijöiden

toiminnasta.

Työterveyslaitos (2016b) mittasi myös VOC- ja formaldehydipitoisuuksia. Tulostushuoneen

TVOC-pitoisuus ei poikennut merkittävästi muista tiloista mitatuista pitoisuuksista, mutta

näytteet sisälsivät pieniä määriä styreeniä. Myös formaldehydiä esiintyi työpaikalla. Pitoisuudet

olivat kuitenkin matalia, eivätkä ne poikenneet muista tiloista kerätyistä näytteistä. Lisäksi

tulostushuoneen lämpötila kohosi usealla asteella.

31

2.4.4. Sidosaineruiskutusmenetelmän päästöt

Sidosaineruiskutusmenetelmässä esiintyy VOC-yhdisteiden ja ultrapienten hiukkasten lisäksi

karkeampia hiukkasia. Ultrapienten hiukkasten pitoisuuden havaittiin olevan materiaalin

pursotusmenetelmään verrattuna jopa useita kertaluokkia matalampia, mutta alle 2,5 µm

(PM2,5) ja 10 µm (PM10) halkaisijaltaan olevien hiukkasten pitoisuudet olivat merkittävän

korkeita. Menetelmässä esiintyi lukumääräisesti eniten halkaisijaltaan 205–407 nm hiukkasia.

PM2,5-hiukkasten pitoisuus tulostusprosessin aikana oli noin 340 µg/m3, samalla kun PM10-

hiukkasten pitoisuus oli noin 470 µg/m3. (Afshar-Mohajer ym. 2015.) Työterveyslaitoksen

(2016b) mittauksissa keskiarvoiset ultrapienten hiukkasten pitoisuudet olivat välillä 2000-3700

kpl/cm3 työntekijän hengitysvyöhykkeellä ja 1980 kpl/cm3 työpisteellä mitattuna. Hengittyvää

pölyä esiintyi hetkellisesti, pitoisuuden noustessa jopa yli 2 mg/m3 työntekijän hengitys-

vyöhykkeellä. Pitoisuuden nousu oli yhteydessä työntekijän toimiin, kuten jauhemateriaalin

käsittelyyn.

VOC-päästöt olivat myös moninkertaisia verrattuna materiaalin pursotusmenetelmään. TVOC-

pitoisuus prosessin aikana oli jopa yli 1700 µg/m3. Suurimmat pitoisuudet havaittiin tulostetun

kappaleen tulostuskammiosta poistamisen yhteydessä. (Afshar-Mohajer ym. 2015.)

2.4.5. Jälkikäsittelyprosessien päästöt

Jälkikäsittelyprosessien päästöihin vaikuttaa pääasiassa tapa, jolla kappale käsitellään. Nesteen

fotopolymerisaatiomenetelmällä ja materiaalin ruiskutusmenetelmällä tuotetut kappaleet täytyy

yleensä huuhdella orgaanisella liuottimella, jotta ylimääräinen tulostusaine saadaan poistettua

kappaleesta. Myös materiaalin pursotusmenetelmällä tuotettuja kappaleita voidaan käsitellä

kemiallisesti. Työntekijä voi altistua suurille kemikaalipitoisuuksille kappaleiden kemiallista

jälkikäsittelyä tehdessä. Pölylle ja ultrapienille hiukkasille voidaan altistua, kun kappaleita

hiotaan tai jauhepetimenetelmää käytetään. Vapaata jauhetta voi levitä työympäristöön, kun

jauhepetitulostimen säiliö ladataan, puretaan, tai sen tuottamia kappaleita puhdistetaan. (Bours

ym. 2017.)

Myös Työterveyslaitoksen (2016b) mukaan kappaleiden jälkikäsittely hiomalla aiheuttaa

merkittäviä pölyn ja ultrapienten hiukkasten päästöjä. Syntyvien hiukkasten terveydelliset

vaikutukset määräytyvät tulostusmateriaalin mukaan. Esimerkiksi jauhepetimenetelmässä

käytetyt metallijauheet voivat sisältää syöpävaarallista aineita kuten kobolttia, nikkeliä ja

kromia. Eri muovimateriaalit puolestaan sisältävät erilaisia hengitysteitä ärsyttäviä aineita.

32

Hengitystie-altistumisen kannalta merkittäviä pitoisuuksia ei havaittu, kun kappaleita

käsiteltiin kemikaaleilla tai liuotinaineilla. Ruiskumaalauksen aikana etenkin

isosyanaattiyhdisteiden pitoisuudet olivat merkittäviä käytettyjen suojainten ulkopuolella, jopa

yli tunnetun haitallisen pitoisuuden. Lisäksi ihoaltistuminen kemikaaleille, jotka voivat olla

myös herkistäviä, on mahdollista jälkikäsittelyprosessien aikana.

2.5. 3D-TULOSTAMISEN PÄÄSTÖJEN TERVEYSVAIKUTUKSET

3D-tulostusprosesseissa altistutaan yleensä yhtäaikaisesti etenkin sekä VOC-yhdisteille että

ultrapienille hiukkasille. Taustalla voi olla myös tulostusmenetelmästä riippuen myös pölyä.

(Työterveyslaitos 2016b.) Koska pitkäaikaisen 3D-tulostamisen päästöille altistumisen

terveysvaikutuksia käsitteleviä tutkimuksia ei ole saatavilla, täytyy mahdollisia akuutteja ja

kroonisia terveysvaikutuksia arvioida saatavilla olevan muun tiedon perusteilla.

Harvoissa 3D-tulostamisen prosesseissa syntyy akuutteja terveysvaikutuksia aiheuttavia

päästömääriä. Jauhepetimenetelmää hyödynnettäessä kuitenkin pöly voi aiheuttaa nopeasti

havaittavia oireita. (Työterveyslaitos 2016b.) Kemiallisten jälkikäsittelyprosessien ja

materiaalin ruiskutus- sekä nesteen fotopolymerisaatiomenetelmien VOC-päästöt ovat

nykyisen tiedon mukaan todennäköisimmät prosessit, joissa altistumisen taso voi olla

merkittävää (Bours 2017 & Stefaniak 2017.)

Muovimateriaalit voivat sisältää vapaita monomeereja ja erilaisia lisäaineita, jotka voivat olla

haitallisia terveydelle. Muovi voi hajota korkeissa lämpötiloissa, jolloin ilmaan vapautuu

erilaisia VOC-yhdisteitä, joista osa voi olla karsinogeenisiä tai herkistäviä kemikaaleja. (Unwin

ym. 2013.)

Korkeat VOC-pitoisuudet voivat aiheuttaa yskää, limakalvojen akuuttia ärtymistä sekä

keuhkojen hapensaantikyvyn väliaikaista heikkenemistä (Brunekreef & Holgate 2002). Muita

mahdollisia terveysvaikutuksia ovat hermostolliset oireet kuten päänsärky ja väsymys, mutta

pitoisuuksien ollessa korkeita myös suhteellisen nopeasti kehittyvät keuhkojen tulehdustilat

ovat mahdollisia (Jones 1999 & Bernstein ym. 2007.) Akuutit terveysvaikutukset ovat kuitenkin

harvinaisia. Akuutit oireet palautuvat tavallisesti pian altistumisen loputtua.

Kroonisia 3D-tulostamisen päästöjen terveysvaikutuksia voidaan arvioida tarkastelemalla

tutkimuksia, jotka ovat seuranneet samankaltaisten päästöjen terveysvaikutuksia pitkällä

aikavälillä. Pöly ja ultrapienet hiukkaset ovat Brunkreefin ja Holgaten (2002) katsauksen sekä

33

Mossmanin ym. 2007 tutkimuksen mukaan yhdistetty keuhkosairauksiin, sydän- ja

verisuonisairauksiin sekä astmaan. Hiukkaset aiheuttavat ärsytystä keuhkojen limakalvoilla,

jolloin tulehdusreaktiot ovat mahdollisia. Pitkään jatkuva tulehdus voi aiheuttaa pysyviä

muutoksia keuhkoissa, joka voi altistaa keuhkoahtaumataudille. Astmaan taas on liitetty

hiukkasten mukana kulkeutuvat VOC-yhdisteet, jotka yhdessä hiukkasten kanssa aiheuttavat

herkistymistä kulkeutuessaan syvälle keuhkoihin. Pöly ja VOC-yhdisteet voivat aiheuttaa myös

allergisia oireita. (Bernstein ym. 2007.)

Formaldehydi ja eräät VOC-yhdisteet ovat yhdistetty myös kohonneeseen syöpäriskiin.

Pitoisuudet sisäilmassa ovat usein kuitenkin niin pieniä, ettei merkittävää riskiä tavallisesti

esiinny. Riski on kuitenkin olemassa, koska syöpävaarallisilla aineilla ei ole matalinta

syöpävaaraa aiheuttavaa pitoisuutta, vaan syöpäriski on lineaarinen pitoisuuden suhteen.

Lisäksi useiden VOC-yhdisteiden syöpävaarallisuudessa on vielä paljon epävarmuutta, mutta

vaarallisiakin yhdisteitä tunnetaan. (Jones 1999 & Bernstein ym. 2007.)

Yhteenvetona voidaan todeta, että akuutit 3D-tulostamisen päästöistä johtuvat terveys-

vaikutukset ovat pääasiassa ohimeneviä limakalvojen ja hengitysteiden ärsytysoireita tai

pölystä johtuvaa keuhkojen toiminnan väliaikaista heikkenemistä. Kroonisia terveys-

vaikutuksia voivat olla etenkin keuhkosairaudet, sydän- ja verisuonisairaudet, astma tai

allergiat. Tutkimuksia, joissa 3D-tulostushenkilöiden terveyttä on seurattu, ei ole saatavilla,

joten kroonisia terveysvaikutuksia voidaan vasta arvioida saatujen mittaustulosten perusteella.

Altistumisen ja terveysvaikutusten arvioinnissa on otettava myös huomioon työntekijän

suojautuminen työpaikalla sekä altistumisen pituus.

2.6. TYÖYMPÄRISTÖN TURVALLISUUS

Turvallinen 3D-tulostaminen alkaa perehtymisellä käytettäviin laitteisiin ja materiaaleihin.

Perehtyminen 3D-tulostusmateriaalien mukana tuleviin käyttöturvallisuustiedotteisiin, joissa

on selostettu aineen vaaraa tai haittaa aiheuttavat yhdisteet ja niiltä suojautuminen sekä ensiapu-

toimenpiteet, on tärkeää. (Työterveyslaitos 2016b.) Lisäksi ennen 3D-tulostustoiminnan

aloittamista on suositeltavaa arvioida työntekijöiden altistuminen tulostus- ja jälkikäsittely-

prosessien päästöille. Arvioinnissa on huomioitava myös tuotetuista kappaleista emittoituvat

päästöt. Altistumisen arvioinnin lisäksi työpaikalla on syytä tehdä altistumisen ja päästöjen

vähentämiseen tähtäävä 3D-tulostinten käyttösuunnitelma, jolloin työperäinen altistuminen

päästöille voidaan pitää mahdollisimman matalalla tasolla. (Stefaniak ym. 2017.)

34

3D-tulostusympäristön turvallisuuteen ja työntekijän altistumiseen voidaan vaikuttaa useilla

tavoilla. Koska 3D-tulostimet tuottavat kappaleet automatisoidusti, on laitteet paras sijoittaa

erilliseen tilaan, jossa työntekijät eivät oleskele pääasiallisesti (Työterveyslaitos 2016b.)

Laitteita tulee tästä huolimatta valvoa säännöllisin väliajoin, sillä tulostusprosesseissa voi

esiintyä häiriöitä, jolloin tulostus tulee keskeyttää. Merkittävimmät päästömäärät vapautuvat

usein häiriötilanteissa.

3D-tulostusympäristön ilmanvaihdon täytyy olla tarpeeksi tehokas pitämään syntyvien

päästöjen pitoisuudet mahdollisimman alhaisina. Tavallinen toimistotilan ilmanvaihto ei tähän

tavallisesti kykene. Steinlen (2016) mukaan toimistoympäristössä voidaan havaita tulostuksesta

vapautuvia yhdisteitä vielä vuorokauden päästä tulostusprosessista. Toiminnan vaatimaa

voimakasta ilmanvaihtoa ei usein ole mahdollista järjestää, jolloin tarvitaan muita päästöjen

torjuntakeinoja. Kohdepoiston käyttäminen tai laitteiden sijoittaminen vetokaappiin estää

useimpien päästöjen leviämisen myös ilman kotelointia, sillä syntyvät päästöt kulkeutuvat

erittäin tehokkaasti ilmavirran mukana. (Työterveyslaitos 2016b & 2016c.) Jos muut

torjuntakeinot, kuten kohdepoistojen käyttö, eivät ole mahdollisia, niin päästöjen leviämistä

rajoittavasta koteloinnista voi olla apua, mikäli se on hyvälaatuinen. (Mendes ym. 2017.)

Työtasojen ja -tilojen siisteydestä tulee pitää huolta. Puhtaus vähentää turhaa altistumista

tulostamisen päästöille ja materiaaleille. Pöly ja jauhemaiset tulostusaineet tulee puhdistaa

imurilla tai kostealla pyyhkeellä ja ilmanvaihtokanavien puhtaudesta tulee pitää huolta.

Nestemäiset tulostusmateriaalitahrat tulee pyyhkiä mahdollisimman pian, ettei niistä ehdi

vapautua VOC-yhdisteitä työtilan ilmaan. Lisäksi ihokosketus nestemäisten tulostusaineiden ja

pölyn kanssa tulee estää. (Työterveyslaitos 2016c.)

2.7. HENKILÖKOHTAISET SUOJAIMET

Työntekijöiden henkilökohtainen suojautuminen on tärkeää, kun käytetään menetelmiä joiden

päästötasot ovat korkeita tai terveysvaikutukset mahdollisesti merkittäviä. Tärkeimmät

suojautumismenetelmät ovat pitkähihaisten vaatteiden tai suojahaalareiden, suojalasien,

hansikkaiden ja hengityssuojainten käyttö. Suojainten avulla altistuminen voidaan poistaa lähes

täysin ja herkät kehon alueet saadaan suojattua. Suojavaatetusta käytettäessä tulee edelleen

kiinnittää huomiota siisteyteen, sillä epäpuhtaudet voivat kulkea työvaatetuksen mukana.

(Työterveyslaitos 2016b & 2016c.) Yleensä työntekijän henkilökohtainen suojautuminen on

helpoin ja halvin, muttei paras ratkaisu, sillä tulostuslaitteiden ja jälkikäsittelyprosessien

35

päästöjä on hankala vähentää ilman toiminnan rajoittamista tai muuttamista huomattavasti.

Taulukossa 3 on esitetty yleisimmät kemikaali- ja hiukkassuodatinluokat.

Taulukko 3. Kemikaali- ja hiukkassuodatinluokat (Työterveyslaitos 2014.)

Kemikaalisuodattimet Hiukkassuodattimet

Luokka Suojaus Luokka Tyyppi

A Orgaaniset kaasut

(kiehumispiste yli 65 °C) P Hiukkassuodatin

B Epäorgaaniset kaasut FF Suodattava puolinaamari

E Happamat kaasut TM Puhaltimella toimiva suodatin,

puoli- tai kokonaamari

K Orgaaniset, epäorgaaniset ja

happamat kaasut, ammoniakki TH

Puhaltimella toimiva suodatin,

kypärä tai huppu

AX Orgaaniset kaasut

(kiehumispiste alle 65 °C) – –

Hg-P3 Elohopeahöyry – –

Markkinoilla on olemassa myös yhdistelmäsuodattimia, joissa yhdistyvät sekä kemikaalien että

hiukkasten suodattaminen. Oikean suodatinluokan valitsemiseen vaikuttavat käytettävä

tulostusmateriaali sekä tulostus- ja jälkikäsittelyprosessien oletetut tai tunnetut päästöt.

Suodattimien käyttöikään vaikuttavat suodatettavan altisteen pitoisuus ilmassa sekä työntekijän

hengitystiheys. Kemikaalisuodattimien aktiivihiilisuodattimella on tietty suodatuskapasiteetti,

jonka ylittyessä suodatin ei toimi odotetulla tehokkuudella ja se täytyy vaihtaa. Hiukkas-

suodattimien käyttöikään vaikuttaa ilman pölypitoisuus ja suodattimen kerätessä pölyä sen

suodatustehokkuus paranee mutta työntekijän hengitys käy työläämmäksi, jolloin suodatin

täytyy vaihtaa sopivin väliajoin työn käydessä kuormittavaksi. (Työterveyslaitos 2014.)

2.8. RISKINARVIOINNIN PERUSTEET

3D-tulostamisen päästöjen terveysvaikutuksia ei ole tutkittu pitkäjaksoisesti ja 3D-

tulostustyöntekijöiden työperäisen altistumisen terveysvaikutusten seurantatutkimuksia ei ole

vielä tehty. Tästä syystä riskinarvioinnissa täytyy hyödyntää muuta tutkittua ja tieteellisesti

arvioitua tietoa. Tässä tapauksessa etenkin Työterveyslaitoksen tekemät tutkimukset ja antamat

suositukset ovat sopiva vertailukohde.

36

2.8.1. Pöly

Pölyhiukkaset jaetaan perinteisesti kolmeen jakeeseen niiden aerodynaamisen halkaisijan

mukaan. Nämä ovat hengittyvä, keuhko- ja alveolijakeinen pöly. Hengittyvällä pölyllä

tarkoitetaan hiukkasia, jotka eivät kykene kulkeutumaan keuhkoputkea pidemmälle

hengitysteissä ja joiden aerodynaaminen halkaisija on 100 µm tai vähemmän. Keuhkojakeisella

pölyllä tarkoitetaan hiukkasia, jotka voivat kulkea keuhkoputkistoon saakka ja joiden

aerodynaaminen halkaisija on 30 µm tai vähemmän. Alveolijakeisen pölyn aerodynaaminen

halkaisija on 10 µm tai alle ja tämän kokoluokan hiukkaset kykenevät tunkeutumaan

keuhkorakkuloihin eli alveoleihin saakka. Hiukkasten aerodynaaminen halkaisija on paras

hiukkasen tunkeutuvuutta kuvaava indikaattori. Aerodynaamisella halkaisijalla tarkoitetaan

pallonmuotoisen hiukkasen halkaisijaa, jonka tiheys on 1 g/cm3, millä on sama

laskeutumisnopeus kuin tutkittavalla hiukkasella. (WHO 1999.)

Työterveyslaitos (2016a) on ehdottanut hengittyvän pölyn tavoitetasoksi 2 mg/m3 ja alveoli-

jakeisen pölyn tavoitetasoksi 0,5 mg/m3. Nämä arvot perustuvat pölyn epäspesifisiin terveys-

vaikutuksiin, jotka voimistuvat pölyaltistuksen tason noustessa. Näihin terveysvaikutuksiin

kuuluvat esimerkiksi kohonnut kroonisten keuhkoahtaumataudin ja keuhkoputken tulehduksen

riski. Nykyään epäorgaanisen pölyn HTP-arvo (haitalliseksi tunnettu pitoisuus) on 10 mg/m3 ja

orgaanisen pölyn HTP-arvo on 5 mg/m3. HTP-arvoja sovelletaan pölylle yleisesti, eikä

esimerkiksi alveolijakeiselle pölylle ole olemassa omaa HTP-arvoa. Taulukossa 4 on esitetty

työpaikoilla mitattuja pölypitoisuuksia.

Taulukko 4. Hengittyvän pölyn mitattuja pitoisuuksia (Työterveyslaitos 2016a.) Näytteiden n

= 4602.

Toimiala Keskiarvo (mg/m3) Mediaani Vaihteluväli

Kaivokset ja louhinta 5,3 1,6 <0,1–180

Mineraalituotteiden valmistus 5,8 1,8 0,04–191

Betoniteollisuus 6,7 2,6 <0,1–144

Metallien jalostus 6,2 1,4 <0,1–207

Metallien valu 7,9 2,9 <0,1–23,7

Metallituotteiden valmistus 4,5 1,3 0,02–81

Koneiden ja laitteiden valmistus 4,5 0,82 <0,1–284

Jätteen keruu ja kierrätys 2,0 0,6 <0,1–51

Rakentaminen 4,8 1,1 <0,1–120

Kaikki toimialat 5,8 1,1 0,002–2200

37

Työhygieniassa käytetään hengittyvälle pölylle leikkausrajaa 100 µm, keuhkojakeelle leikkaus-

rajaa 10 µm ja alveolijakeelle leikkausrajaa 4 µm. Leikkausrajalla tarkoitetaan hiukkasen aero-

dynaamista halkaisijaa, jonka keräystehokkuus on 50 %. Pääasiassa kaikki halkaisijaltaan yli

30 µm hiukkaset jäävät kiinni ylähengitysteihin, eivätkä ne tunkeudu syvälle keuhkoihin.

Halkaisijaltaan 4 µm ja sen alle olevat hiukkaset voivat kulkeutua syvälle alveoleihin saakka.

Alveoleihin päästyään hiukkasten ominaisuudet määrittelevät sen, mitä niille tapahtuu (kuten

depositio tai poistuminen) ja mitä terveysvaikutuksia ne aiheuttavat. (Työterveyslaitos 2016a.)

Pölyntorjuntakeinoista ensisijainen on pölyn syntymisen estäminen. Tämä edellyttää vaihto-

ehtoisten työtapojen tai materiaalien hyödyntämistä. Seuraava ratkaisu on pyrkiä estämään

pölyn leviäminen sitomalla pöly siellä, missä se syntyy, tai käyttämällä kohdepoistoa pölyä

aiheuttavassa työssä. Viimeinen pölyntorjuntakeino on työntekijöiden suojaaminen henkilö-

kohtaisia suojaimia käyttämällä. (Työterveyslaitos 2016a.)

2.8.2. Ultrapienet hiukkaset

Ultrapienillä hiukkasilla tarkoitetaan pieniä hiukkasia, joiden aerodynaaminen halkaisija on

100 nanometriä (0,1 µm) tai vähemmän. Määritelmä on lähes sama kuin nanokoon hiukkasille,

joiden määritelmässä niiden yksi dimensio on 100 nm tai vähemmän. (Baldauf ym. 2016.)

Työterveyslaitos (2013) on ehdottanut varovaisuusperiaatetta mukaillen teollisesti tuotettujen

ultrapienien hiukkasten työilman tavoitetasoiksi 20 000 kpl/cm3 (8 h altistus) hiukkasille, joiden

tiheys on >6000 kg/m3 (kuten mineraali- ja metalliperäiset hiukkaset) ja 40 000 kpl/cm3 (8 h

altistus) hiukkasille, joiden tiheys on <6000 kg/m3 (kuten muoviperäiset hiukkaset.) Suomessa

hiukkasten riskinarviointi ja raja-arvot perustuvat massapitoisuuteen, mutta on näyttöä siitä,

että ultrapienen kokoluokan hiukkasten terveysvaikutukset perustuvat ennemminkin

lukumääräpitoisuuteen. Ultrapienten hiukkasten terveysvaikutuksista on toistaiseksi olemassa

rajallisesti tutkimustietoa. Taulukkoon 5 on kerätty Työterveyslaitoksen (2013) mittaamia

ultrapienten hiukkasten pitoisuuksia eri ympäristöistä.

Tärkein altistumisreitti ultrapienille hiukkasille ovat hengitystiet, josta ne kulkeutuvat veren-

kierron mukana eri elimiin. Mahdollisiin terveysvaikutuksiin on yhdistetty etenkin keuhkojen

tulehdusreaktiot sekä sydän- ja verisuonisairaudet. Suurimpia huolenaiheita ovat myös ultra-

pienien hiukkasten mahdollinen genotoksisuus ja karsinogeenisuus. Kaikki hiukkaset eivät

kuitenkaan vaikuta aiheuttavan terveydellisiä vaikutuksia. Ultrapienien hiukkasten torjuntaan

sovelletaan samoja torjuntakeinoja kuin karkeampien pölyhiukkasten torjuntaan. Olemassa

38

olevan tiedon ja sen puutteen vuoksi ultrapienien hiukkasten kanssa tulee soveltaa varovaisuus-

periaatetta, jolloin altistumisen taso tulee pyrkiä pitämään mahdollisimman alhaisena.

(Työterveyslaitos 2013.)

Taulukko 5. Ultrapienten hiukkasten mitattuja pitoisuuksia (Työterveyslaitos 2016b.)

2.8.3. VOC-yhdisteet ja TVOC

VOC-yhdisteillä tarkoitetaan sellaisia haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, joilla on huoneen-

lämmössä huomattava höyrynpaine, jotka voidaan määrittää kaasukromatografisilla

menetelmillä ja kerätä sisä- tai ulkoilmasta. VOC-yhdisteiden sulamispiste on huoneilman

lämpötilaa alhaisempi ja kiehumispiste 50–260 °C. (WHO 1989.) Taulukossa 6 on esitetty

VOC-yhdisteiden luokitukset.

Taulukko 6. Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden tyypit (WHO 1989.)

Kuvaus Kiehumispiste °C Höyrynpaine kPa

VVOC: Erittäin haihtuvat orgaaniset yhdisteet

(Very volatile organic compounds) 0...50–100 >15

VOC: Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (Volatile

organic compounds) 50…100–240...260 >10-2

SVOC: Puolihaihtuvat orgaaniset yhdisteet (Semi-

volatile organic compounds) 240…260–380...400 10-2–10-8

Työterveyslaitos (2012) on ehdottanut teollisten työympäristöjen TVOC-pitoisuuden (Total

Volatile Organic Compounds, haihtuvien orgaanisten yhdisteiden yhteenlaskettu pitoisuus)

viitearvoksi 3000 µg/m3 ja tavoitetasoksi 300 µg/m3. Taulukossa 7 on esitetty ehdotus TVOC-

pitoisuuden tulkitsemiseksi. Tavoite- ja viitearvot eivät perustu terveydellisiin vaikutuksiin,

eikä niiden perusteilla voida arvioida terveyshaittoja. Arvoja ei sovelleta töihin, joissa käytetään

Mittausympäristö Pitoisuus (kpl/cm3)

Ulkoilma (kaupunki - tienvarsi) 10 700–48 000

Toimisto 2500–12 100

Ravintola yms. 9100–773 000

Teollisuusympäristö 15 000–1 646 000

Hitsaus 33 000–4 860 000

Teollinen 3D-tulostus 2100–27 500

39

liuotinaineita tai kemikaaleja. Ilman kemikaalien määrää pyritään rajoittamaan asettamalla

yksittäisille yhdisteille raja-arvoja TVOC-pitoisuuden sijaan. Suomessa käytetään yksittäisten

yhdisteiden pitoisuuksien arviointiin ja haitan määrittämiseen perinteisesti HTP-arvoja.

Taulukko 7. Ehdotus TVOC-pitoisuuksien tulkinnaksi. Työterveyslaitos 2012.

Taso Pitoisuusalue (µg/m3) Tulkinta

1 <300 Tilanne hyvä

2 >300–1000

Tilanne kohtuullinen, mikäli yksittäisiä HTP-

arvojen ylityksiä ei esiinny

3 >1000–3000 Pitoisuus koholla

4 >3000–10 000 Pitoisuus liiallinen

5 >10 000 Pitoisuus ei hyväksyttävä

Keskimääräisen TVOC-altistuksen ollessa tasolla 300–3000 µg/m3 ovat hajuhaitat ja lievät

ärsytysoireet mahdollisia. ALARA-periaatteen (As Low As Reasonably Achievable) mukaan

kemikaalialtistumisen määrää tulee aina vähentää työpaikalla, mikäli se on mahdollista

saavuttaa kohtuullisin kustannuksin tai toimenpitein, vaikka varsinaisia terveyshaittoja ei

työpaikalla esiintyisi. Yksittäiset kemikaalit voivat aiheuttaa selvää oireilua jo alhaisilla tasoilla

ja siksi TVOC-pitoisuuden lisäksi tulee tarkastella myös yksittäisten kemikaalien pitoisuuksia

työpaikan ilmassa. (Työterveyslaitos 2012.) Taulukossa 8 on esitetty teollisista työ-

ympäristöistä mitattujen VOC-arvojen tunnuslukuja.

Taulukko 8. Teollisten työympäristöjen VOC-tunnuslukuja (Työterveyslaitos 2012.)

Tunnusluku TVOC-pitoisuus (ug/m3)

Keskiarvo 3641

Keskihajonta 13 932

Mediaani 750

Minimi 15

Maksimi 260 000

95-persentiili 17 000

90-persentiili 6580

25-persentiili 230

10-persentiili 80

40

Tehokkain kemikaalien torjuntakeino on päästöjen vähentäminen emissiolähteessä, esimerkiksi

käyttämällä korvaavia kemikaaleja tai materiaaleja. Päästölähde voidaan myös osastoida tai

kohteessa voidaan käyttää kohdepoistoa tai tehokkaampaa ilmanvaihtoa, jolloin päästään

kohtuullisen hyviin lopputuloksiin. Työskentelytapojen ja –käytäntöjen muuttamisella voidaan

myös vähentää päästöjä ja henkilökohtaista altistumista huomattavasti. (Työterveyslaitos

2012.)

2.8.4. Sisäilman olosuhteet

Hiilidioksidi on kaasua, jonka pääasiallinen lähde sisäilmassa ovat ihmiset. Sen taustapitoisuus

ulkoilmassa on noin 380 ppm, mutta kaupunkialueilla pitoisuus voi olla jopa 500 ppm (Persily

1997.) Hiilidioksidin HTP8h-arvo (haitalliseksi tunnettu pitoisuus 8 tunnin altistumisessa) on

5000 ppm (9100 mg/m3.) Sisäilman suunnitteluarvo hiilidioksidille on 800 ppm (1450 mg/m3)

yli ulkoilman pitoisuuden, mutta tätä arvoa ei tavallisesti sovelleta työpaikoilla. Altistumisen

alle 20 000 ppm hiilidioksidipitoisuuksille lyhyitä aikoja ei ole todettu aiheuttavan

terveyshaittoja, mutta työtehokkuuden ja suorituskyvyn on havaittu heikkenevän sisäilman

hiilidioksidipitoisuuden ja lämpötilan kohotessa. Suuremmat hiilidioksidipitoisuudet

aiheuttavat päänsärkyä ja kiihdyttävät hengitystiheyttä, huomattavasti suurempien

pitoisuuksien aiheuttaessa hengenahdistusta, huonovointisuutta ja muita keskushermoston

häiriöitä. (Työterveyslaitos 2015a & Clements-Croome 2006.)

Hiilimonoksidi eli häkä on hengitettynä myrkyllistä kaasua. Sen HTP8h-arvo on 30 ppm (35

mg/m3) ja HTP15min-arvo (haitalliseksi tunnettu pitoisuus 15 minuutin altistumisessa) on 75 ppm

(87 mg/m3). Hiilimonoksidi sitoutuu veren hemoglobiiniin syrjäyttäen hapen, jolloin solujen

hapensaantikyky heikkenee. Herkimpiä kohteita, jotka kärsivät hapenpuutteesta ovat aivot ja

sydän. Häkä voi vaurioittaa sikiöitä ja se voimistaa melun aiheuttamia kuulovaurioita.

Palautumaton hiilimonoksidin aiheuttama hermoston vaurioituminen on mahdollista. Jo 50

ppm altistuminen voi aiheuttaa sydämen ja hermoston toiminnan häiriöitä. Suuremmat

häkäpitoisuudet aiheuttavat päänsärkyä, pahoinvointia, hengenahdistusta ja jopa kuoleman

altistumisen jatkuessa pitkiä aikoja ja hapen syrjäytyessä verenkierrosta. Hiilimonoksidi

poistuu kehosta uloshengityksen mukana melko tehokkaasti ja sen puoliintumisaika on 2-5

tuntia. (Työterveyslaitos 2015b.)

41

3. AINEISTO JA MENETELMÄT

Tässä kappaleessa esitellään työssä käytetyt näytteiden keräys- ja analyysimenetelmät. Myös

tutkimuskohteet kuvataan tarkasti, mukaan lukien kohteissa käytetyt tulostusmenetelmät,

laitteet, materiaalit sekä tulostusprosessien ja jälkikäsittelyprosessien tiedot. Lisäksi mittausten

kulku kohteittain kuvataan tässä kappaleessa.

3.1. VOC-YHDISTEIDEN KERÄYS JA ANALYSOINTI

VOC-yhdisteet kerättiin Tenax TA-adsorptionäyteputkien ja SKC AirChek 3000-pumppujen

avulla. Tenax-näyteputket liitettiin pumppuihin letkulla. Pumput kalibroitiin The Buck-

saippuakuplakalibraattorilla (A. P. Buck, Inc.) ennen näytteiden keräämistä. Näytteet kerättiin

edustavista paikoista mittauskohteissa, tyypillisesti 3D-tulostimen välittömästä läheisyydestä

hengitysvyöhykkeen korkeudelta tai suoraan työntekijän hengitysvyöhykkeeltä. Näytteitä

kerättiin myös taustalta ennen 3D-tulostusprosessien aloittamista sekä jälki-

käsittelyprosesseista. VOC-näytteet analysoitiin ISO-16000-standardin mukaisesti Markes

TD100-termodesorptiolaitteella ja Agilent Technologies 7890A-kaasukromatografilla joka oli

yhdistetty Agilent Technologies 5975C-massaspektrometriin. Näytteet määritettiin Agilentin

5977 MSD Data Analysis -tietokoneohjelmalla. Näytteiden alimmaksi määritysrajaksi valittiin

taustakohinan viisinkertainen ylitys.

Analysoinnissa näyteputkia käsiteltiin +280 °C heliumvirralla 10 minuutin ajan, jolloin niiden

sisältämät yhdisteet höyrystyivät ja irtosivat putkista. Tämän jälkeen yhdisteet siirtyivät

kylmäloukkuun jonka lämpötila oli -10 °C. Seuraavaksi kylmäloukku lämpeni nopeasti +300

°C saakka ja yhdisteet siirtyivät kaasukromatografiin. Laitteen kolonnin tyyppi oli HP5MS,

jonka pituus oli 50 metriä, sisähalkaisija 200 µm ja faasin paksuus 0,33 µm. Kolonnin kautta

yhdisteet siirtyivät massaspektrometriin, joka oli SCAN-tilassa. SCAN-tilaa käytettiin, koska

kaikki Tenax-näyteputkiin kerätyt yhdisteet haluttiin tunnistaa.

Massaspektrometrissä käytettiin MHVOC-lämpötilaohjelmaa, jossa alkulämpötila oli +38 °C.

Tätä lämpötilaa pidettiin 4 minuuttia, ja sen jälkeen sitä nostettiin 5 °C/min 210 °C saakka.

Tämän jälkeen lämpötilaa nostettiin 20 °C/min nopeudella 280 °C asti, ja huippulämpötilaa

pidettiin yllä 6 minuuttia. Massaspektrometri mittasi kaikki 29 – 400 massaluvun yhdisteet.

Desorptio-ohjelma oli Checkout MH Split8. Näytteiden analysointia varten oli valmistettu

VOC-standardiliuos, jossa sisälsi 48 VOC-yhdistettä, 50 ng/ml kutakin. Näytteitä

analysoitaessa valmistettiin kolme standardi-Tenax-näytettä, joihin injektoitiin 1, 2 ja 3 µl

42

VOC-standardiliuosta typpivirran avulla. Näytteiden sisältämän tolueenin vasteen avulla

voitiin muodostaa standardisuora, jonka avulla varsinaisten näytteiden VOC-pitoisuudet voitiin

laskea.

3.2. ALDEHYDIEN JA KETONIEN KERÄYS JA ANALYSOINTI

Lyhytketjuiset aldehydit ja ketonit kerättiin KNF Neuberger-pumpun ja Waters Sep-Pak

DNPH-Silica-keräimien avulla. Pumppu kalibroitiin ennen näytteenottoa, The Buck-

saippuakuplakalibraattorilla (A. P. Buck Inc). DNPH-keräin liitettiin pumppuun letkulla.

Näytteet kerättiin edustavista paikoista mittauskohteissa, tyypillisesti 3D-tulostimen

välittömästä läheisyydestä hengitysvyöhykkeen korkeudelta.

Näytteet uutettiin DNPH-keräimistä ruiskuttamalla 3 ml ACN:ää 1 ml/min vauhdilla keräimen

läpi koeputkeen. Ruisku huuhdeltiin keräinten uuttojen välissä kolme kertaa ACN:llä. Koeputki

punnittiin ennen ja jälkeen uuton, jolloin tarkka näytepaino voitiin laskea. Näytteitä mitattiin

noin 2 ml vial-pulloihin analysointia varten. Pitoisuudet laskettiin erikseen valmistetun

standardiliuoksen yhdisteiden vasteen perusteella. Standardiliuos valmistettiin 100 ml

mittapulloon, jossa liuottimena käytettiin ACN:ää. Liuokseen punnittiin Sartorius BP211D-

vaa’alla 16,08 mg formaldehydiä, 13,03 mg asetaldehydiä, 11,90 mg asetonia, 8,63 mg

propanaalia, 7,45 mg butanonia ja 3,78 mg butanaalia. Standardiliuoksesta valmistettiin 1:5,

1:10 ja 1:20 laimennokset mittapulloihin laimentamalla alkuperäistä standardiliuosta ACN:llä.

Laimennetuista standardiliuoksia valmistettiin standardit mittaamalla valmistettuja

laimennoksia noin 2 ml vial-pulloihin näytteitä analysoitaessa.

Taulukko 9. Nestekromatografin ajo-ohjelma.

Aika (min) Vesi % ACN % THF %

0 65 30 5

15 33 77 0

20 10 90 0

22 65 30 5

Näytteet analysoitiin Hewlett Packard HP 1090 LC-nestekromatografilla. Ajo-ohjelman nimi

oli ”Aldehydit & ketonit”. Ajolius koostui vedestä, asetonitriilistä (ACN) ja

tetrahydrofuraanista (THF.) Ajo-ohjelma on esitetty taulukossa 9. Ajoliuokseen injektoidun

näytteen tilavuus oli 15 µl. Virtausnopeus oli 1,3 ml/min. Nestekromatografi oli yhdistetty

43

Agilent Zorbax XDB-C8 kolonniin, missä yhdisteet erottuivat. Näytteet havainnoitiin UV-

valon absorption avulla ja tunnistettiin retentioaikojen perusteella. Mitattava aallonpituus oli

380 nm.

3.3. PÖLYN JA ULTRAPIENTEN HIUKKASTEN MITTAUS

Tutkimuksessa mitattiin syntyviä pienhiukkasia usealla eri laitteella. Jatkuvatoimisina

mittalaitteina käytettiin TSI DustTrak DRX Aerosol Monitor 8533-mittalaitetta, jolla mitattiin

hengittyvien hiukkasten pitoisuus ja TSI P-Trak Ultrafine Particle Counter 8525-mittalaitetta,

jolla mitattiin ultrapienten hiukkasten pitoisuus. DustTrak- ja P-Trak-laitteille suoritettiin

nollakalibroinnit laitteiden omilla nollakalibraattoreilla aina ennen mittausten suorittamista.

DustTrak-laitteessa käytettiin Millipore Mixed Cellulose Esters Membrane-suodatinta

hiukkasmassan keräystä varten. Näytteet kerättiin edustavista paikoista tutkimuskohteissa,

tasaiselta alustalta mahdollisimman läheltä mittauskohdetta.

IOM-keräimien ja SKC AirChek 224-pumppujen avulla mitattiin EN 481 -standardin

mukaisesti hengittyvän pölyn määrä. Suodattimina käytettiin Millipore Mixed Cellulose Esters

Membrane-suodattimia. IOM-keräinten pumput kalibroitiin The Buck -

saippuakuplakalibraattorilla ennen mittauksia. IOM-keräimet liitettiin pumppuihin letkulla.

Näytteet kerättiin edustavista paikoista tutkimuskohteissa, tyypillisesti mahdollisimman läheltä

3D-tulostinta hengitysvyöhykkeen korkeudelta, tai suoraan työntekijän hengitysvyöhykkeeltä.

IOM-keräimien suodattimia vakioitiin olosuhde-vakioidussa tilassa vähintään 24 tuntia ennen

punnitusta Mettler Toledo-vaa’alla, jossa käytettiin varauksenpoistajaa. Näytteiden keräyksen

jälkeen suodattimia vakioitiin vähintään 24 tuntia ennen kuin ne punnittiin uudelleen.

Suodattimien painon erotuksen ja näytetilavuuden avulla voitiin laskea pölypitoisuus muodossa

mg/m3. Määritysraja voitiin laskea seuraavasti: 𝑀ää𝑟𝑖𝑡𝑦𝑠𝑟𝑎𝑗𝑎 = 5 ∗

𝑛𝑜𝑙𝑙𝑎𝑛ä𝑦𝑡𝑡𝑒𝑖𝑑𝑒𝑛 𝑘𝑒𝑠𝑘𝑖ℎ𝑎𝑗𝑜𝑛𝑡𝑎.

3.4. SISÄILMAN OLOSUHTEIDEN MITTAUS

Sisäilman olosuhteiden muuttujia mitattiin TSI IAQ-Calc 7525-mitttarilla. Laite mittasi ilman

hiilidioksidi- ja häkäpitoisuutta, lämpötilaa sekä ilmankosteutta. Mittauksen aikana laite

sijoitettiin tutkimuksen kannalta edustavaan paikkaan, tyypillisesti mahdollisimman lähelle

44

3D-tulostinta tai muuta prosessia noin 1,5 metrin korkeudelle. Laite kalibroitiin puhtaassa

tilassa aina ennen mittausten suorittamista.

3.5. TUTKIMUSKOHTEET

Tutkimuksessa oli mukana kolme yritystä ja yksi oppilaitos, jotka hyödynsivät 3D-tulostus-

tekniikkaa toiminnassaan. Tässä kappaleessa esitellään tutkimuskohteiden yleiset tiedot sekä

käytetyt materiaalit ja laitteistot. Lisäksi tarkemmat kohteissa tehdyt toimet, näytteen-

keräystiedot ja tutkimusten oleelliset yksityiskohdat on esitelty tässä kappaleessa.

3.5.1. Yritys 1

Yrityksen 1 tiloissa mitattiin nesteen fotopolymerisaatiomenetelmästä syntyvien päästöjen

pitoisuuksia kesäkuussa 2017. Käytössä oli Bego Varseo-3D-tulostin, joka kovetti UV-valon

avulla tulostusnestettä haluttuun muotoon. Kappaleet olivat hammasproteeseja ja muita

hammaslääke-tieteellisiä instrumentteja sekä zirkonijyrsin. Yrityksen 1 tilat oli perustettu

vanhan kerrostalon asuinhuoneiston tiloihin.

3D-tulostin oli sijoitettu huoneeseen, jossa oli hammaslääkärin tuoli ja muita hammaslääke-

tieteellisiä tarvikkeita. Tulostimessa ei ollut kohdepoistoa, mutta sen läheisyydessä oli

ilmansuodatuslaite, joka ei ollut tutkimuksen aikana käytössä. Tulostimen päällä oli

poistoilmakanava. Tilasta oli vapaa pääsy odotushuoneen kautta huoneiston aulaan sekä käynti

huoneeseen, jossa kappaleet jälkikäsiteltiin.

3D-tulostimella tulostettiin kaksi kappaletta peräkkäin. Tulostusprosessin kesto oli noin 60

minuuttia per kappale. Tulostusnesteenä käytettiin VarseoWax® CAD/Cast–nestettä.

Ensimmäisen kappaleen tulostuksen aikana mitattiin VOC-päästöt tulostuksen alku-, keski- ja

loppuvaiheessa. Toisen kappaleen tulostuksen aikana mitattiin ultrapienten hiukkasten määrää

huoneilmassa. Hengittyvän pölyn pitoisuutta sekä aldehydien ja ketonien esiintymistä mitattiin

molempien kappaleiden tulostuksen ajan.

Jälkikäsittelyssä tulostettu kappale liuotettiin irti tulostusalustasta käyttämällä isopropanolia.

Työ tehtiin käsin ja isopropanolia ruiskutettiin kappaleeseen pullosta. Jälkikäsittelyhuoneessa

oli yksi poistoilmakanava.

45

3.5.2. Oppilaitos 1

Oppilaitoksen 1 3D-tulostuslaboratoriossa mitattiin materiaalin pursotusmenetelmästä

vapautuvien päästöjen pitoisuuksia heinäkuussa 2017. Filamentteina käytettiin PLA-, ABS- ja

nylonmuoveja sekä puu- ja hiilikuitufilamentteja, joiden valmistajat ja markkinanimet on

esitetty taulukossa 10. Tulostimilla tehtiin testikappaleita. Tila oli suuri nelikulmio, jossa oli

kokouspöytä ja useita erityyppisiä tulostimia sijoitettuna tilan reunoille ja tilan keskiosassa

olleelle pöydälle. Tutkimuksissa käytettiin 3Dfactoriesin valmistamaa Profi3DMaker- ja

ZMorphin valmistamaa ZMorph 2.0 SX-laitteita.

Taulukko 10. Tutkimuksessa käytetyt filamentit.

Filamentit

DR3D Filament, PLA White (PLA)

Formfutura, Premium ABS Frosty White (ABS)

Formfutura, EasyWood™ (Puukuitu)

ZMorph, Carbon Filament (Hiilikuitu)

Taulman, Alloy 910 (Nylon)

Mittauksissa käytetyt 3D-tulostimet oli sijoitettu pöydälle lähelle huoneen keskiosaa.

Tulostimissa ei ollut kohdepoistoa, mutta niissä oli koteloinnit, jotka eivät olleet ilmatiiviitä.

Mittausten aikana tulostettiin erimuotoisia kappaleita ja tulostusprosessien pituudet olivat

vaihtelevia, noin 70–150 minuuttia. Tulostusalustaan levitettiin vedellä laimennettua Eri

Keeper-liimaa aina ennen tulostuksen aloittamista, jotta tulostettava filamentti kiinnittyy

paremmin tulostusalustaan. Liiman annettiin kuivua kauttaaltaan ennen tulostuksen

aloittamista. Liimasta vapautuvat VOC-yhdisteet mitattiin erikseen valamalla liimaa

tulostusalustaan, joka lämmitettiin 80 °C lämpötilaan.

Tutkimus oli jaettu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa mitattiin vain ultrapienten hiukkasten

pitoisuuksia, kun eri filamentteja tulostettiin. Toisessa osassa mitattiin hengittyvä pöly, VOC-

yhdisteet, aldehydit ja ketonit sekä sisäilman olosuhteiden muutokset. Aldehydejä ja ketoneita

kerättiin poikkeuksellisesti kaksi näytettä. Ensimmäinen näyte kerättiin PLA- ja ABS-muovien

tulostuksesta, toinen näyte kerättiin nylonmuovin sekä puu- ja hiilikuitufilamenttien

tulostuksesta. Taulukoissa 11 ja 12 on esitetty tulostusprosessien tarkat tiedot.

46

Taulukko 11. Tulostusprosessien tiedot, ultrapienien hiukkasten mittaus.

Tulostusprosessien tiedot Suutin °C Tulostusalusta °C Aika (h:mm)

Profi3DMaker PLA 215 °C 50 °C 2:15

ZMorph PLA 210 °C 50 °C 1:30

ZMorph ABS 230 °C 80 °C 0:30

Profi3DMaker ABS häiriö 230 °C 80 °C 0:30

Profi3DMaker ABS 220 °C 80 °C 0:36

ZMorph Puukuitu 245 °C 60 °C 1:15

Profi3DMaker Puukuitu häiriö 245 °C 60 °C 0:20

ZMorph Hiilikuitu 245 °C 60 °C 1:10

ZMorph Nylon 240 °C 80 °C 1:05

Taulukko 12. Tulostusprosessien tiedot, muut näytteet.

Tulostusprosessien tiedot Suutin °C Tulostusalusta °C Aika (h:mm)

ZMorph PLA 210 °C 50 °C 1:45

Profi3DMaker Hiilikuitu 245 °C 60 °C 1:11

ZMorph ABS 230 °C 80 °C 1:19

Profi3DMaker Puukuitu 245 °C 60 °C 0:34

ZMorph Puukuitu 245 °C 60 °C 1:10

ZMorph Nylon 240 °C 80 °C 1:07

3.5.3. Yritys 2

Yritys 2:n tiloissa mitattiin teollisen mittakaavan 3D-tulostamisen päästöjä elokuussa 2017, kun

käytössä oli jauhepetimenetelmää hyödyntävät 3D-tulostuslaitteet. Myös kahden

jälkikäsittelyprosessin, jauheen ja kappaleiden käsittelyn sekä värjäysprosessin päästöt

mitattiin. Tulostushallissa oli kaksi EOS Formiga P110-laitetta ja yksi EOS P396-laite, joissa

tulostusmateriaalina käytettiin nylonmuovijauhetta, markkinanimeltään PA 2200-jauhetta.

Tulostetut kappaleet olivat kuluttajatuotteita. Mittaukset tehtiin teollisuushallissa, jossa oli

tehokas ilmanvaihto. 3D-tulostimissa oli ilmanvaihtoletkut, jotka johtivat laitteista tulevan

ilman suoraan ilmanvaihtokanavaan.

Tulostushallista oli suora yhteys jälkikäsittelyhuoneisiin. Jauheen ja kappeleiden käsittely-

huone oli alipaineistettu ilmanvaihdon avulla. Jauheenkäsittelyhuoneessa tulostusjauhe

valmisteltiin 3D-tulostinten käyttöön ja ylimääräinen jauhe puhdistettiin tulostetuista

47

kappaleista. Työskentelypisteen päällä oli huuva, mutta tilaa ei oltu alipaineistettu. Huoneessa

oli avoin pesuallas ja kattiloita, joissa väriaineet sekoitettiin ja joihin valmiit kappaleet

upotettiin värjäytymään. Lisäksi värjätyt kappaleet kuivattiin huoneessa avoimilla hyllyillä.

Väriaineena käytettiin tekstiilien värjäykseen tarkoitettua väriainetta.

Tulostusprosessin alun näytteet kerättiin EOS P396-laitteesta. Keski- ja loppuvaiheen näytteet

kerättiin EOS Formiga P110-laitteesta. Näytteitä kerättiin sekä 3D-tulostimien IV-kanavista

että niiden ulkopuolelta oleskeluvyöhykkeeltä. Näytteet kerättiin eri laitteista, koska

tulostimien käyttö oli porrastettu erittäin pitkien tulostusprosessien kestojen vuoksi.

3.5.4. Yritys 3

Yrityksen 3 tiloissa mitattiin materiaalin ruiskutusmenetelmää hyödyntävän 3D-tulostuslaitteen

päästöjä syyskuussa 2017. Materiaalin ruiskutusmenetelmässä käytetään samantyyppisiä

tulostusnesteitä kuin nesteen fotopolymerisaatiomenetelmässä ja neste kovetetaan molemmissa

menetelmissä UV-valon avulla. Mittauskohde oli toimistorakennus, jossa 3D-tulostin ja

jälkikäsittelypiste olivat sijoitettu samaan, pieneen huoneeseen. Huone sijaitsi suuremman

aulatilan sivussa, jossa oli paperiprinttereitä ja muita toimistolaitteita sekä tilaa oleskeluun.

Muita laitteita ei tutkimusten aikana käytetty. 3D-tulostushuoneessa oli tavallinen, koneellinen

ilmanvaihto, joka oli säädetty niin voimakkaaksi kuin mahdollista. Tulostimilla tehtiin varaosia

ja testikappaleita.

Tulostimena käytettiin 3D Systemsin valmistamaa ProJet MJP 2500-laitetta ja tulostusnesteenä

käytettiin 3D Systemsin valmistamaa VisiJet® M2R-CL-nestettä. Tutkimuksen aikana

tulostettiin kaksi kappaletta. Ensimmäisen tulostuksen aikana mitattiin VOC-yhdisteet,

aldehydit ja ketonit, pöly sekä sisäilman muuttujat. Toisen tulostuksen aikana mitattiin

ultrapienten hiukkasten esiintyminen. Tulostusprosessien pituus oli noin 2 tuntia.

VOC-yhdisteet ja pölyn määrä mitattiin myös jälkikäsittelyprosessista sekä 3D-

tulostushuoneen ulkopuolelta aulasta, jotta saatiin selville yhdisteiden mahdollinen leviäminen

tilasta ulos, sillä työpaikalla oli ilmoitettu hajuhaitasta 3D-tulostushuoneen ulkopuolella.

Jälkikäsittelyprosessissa tulostettuja kappaleita haudutettiin ensin vesihauteessa, jonka jälkeen

ne siirrettiin ultraäänihauteeseen, jossa ylimääräinen tulostusaine irtosi kappaleista. Hauteet

olivat metallisia astioita, jotka eivät olleet ilmatiiviitä.

48

4. TULOKSET

Tuloksissa on esitetty työssä tutkittujen 3D-tulostus- ja jälkikäsittelyprosessien päästöt. Jälki-

käsittelyprosessit saattoivat olla yleisiä toimenpiteitä, jotka eivät riippuneet käytetystä 3D-

tulostus-menetelmästä tai käytetyn tulostusmenetelmän vaatima välttämätön jälkikäsittely-

toimenpide. Kaikissa kohteissa käytettiin muoveja tulostusmateriaalina. VOC-taulukoiden

ulkopuolelle on jätetty suurin osa yhdisteistä, joiden pitoisuus oli <10 µg/m3, koska jokaisessa

näytteessä esiintyi jopa kymmeniä yhdisteitä erittäin pieninä pitoisuuksina. Näiden yhdisteiden

pitoisuus on otettu huomioon TVOC-pitoisuuksissa.

Merkittävimmät VOC-yhdisteiden pitoisuudet mitattiin prosesseista, joissa käytettiin

nestemäisiä tulostusaineita tai kemikaaleja. Jauhetta käsitellessä pölypitoisuus oli merkittävän

korkealla tasolla. Ultrapieniä hiukkasia esiintyi vaihtelevina pitoisuuksina, eniten materiaalin

pursotusmenetelmän häiriötilanteissa ja jauhepetimenetelmässä. Formaldehydiä esiintyi

useissa menetelmissä pieninä pitoisuuksina. Tulokset on esitetty kohteittain seuraavissa

kappaleissa.

4.1. NESTEEN FOTOPOLYMERISAATIOMENETELMÄ

Yrityksen 1 tiloissa mitatut nesteen fotopolymerisaatiomenetelmästä peräisin olevat päästöt

olivat pääasiassa VOC-yhdisteitä sekä ultrapieniä hiukkasia, mutta niiden pitoisuudet eivät

olleet erityisen korkeita. Menetelmän jälkikäsittelyprosessin VOC-pitoisuudet olivat erittäin

korkeita. Tulostustyössä voidaan altistua myös pienille määrille formaldehydiä.

Taustan VOC-pitoisuudet olivat melko matalia, poikkeuksena metyylimetakrylaattin muita

yhdisteitä huomattavasti korkeampi pitoisuus. Metyylimetakrylaattia esiintyi yleisesti

työpaikalla 3D-tulostusprosessin lisäksi muissa työpisteissä. TVOC-pitoisuus on matalalla

tasolla. Tulostusprosessissa esiintyi määrällisesti hyvin monia yhdisteitä. Yhdisteiden

pitoisuudet olivat pääasiassa matalia, poikkeuksina metyylimetakrylaatti (11-33 %), 2-

buteenihapon metyyliesteri (13-33 %) ja 4-metyyli-2-pentanoni (1-25 %), joiden pitoisuudet

olivat huomattavasti muita korkeammat. Useiden yhdisteiden, kuten metyylimetakrylaatin ja 4-

metyyli-2-pentanonin pitoisuudet alenivat tulostuksen aikana merkittävästi. TVOC-pitoisuus

oli alussa suurimmillaan ja se aleni taustapitoisuuden tasolle tulostusprosessin puoleenväliin

saavuttaessa. Taulukossa 13 on esitetty taustan ja tulostusprosessin aikaiset VOC-pitoisuudet.

49

Taulukko 13. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmän VOC-pitoisuudet.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alkoholit Etanoli 5 13 13 14

Alifaattiset

hiilivedyt

Pentadekaani 9 - - -

Heksadekaani 21 - - -

2-Metyyliheksaani 1 8 - 3

Aromaattiset

hiilivedyt

Etyylibentseeni 3 4 7 4

o-Ksyleeni 9 14 7 4

p-Ksyleeni 2 13 26 15

Aldehydit Nonanaali 12 8 4 6

Dekanaali 6 10 8 10

Ketonit 4-Metyyli-2-Pentanoni - 105 3 9

Karboksyylihapot

Tetrahydro-2-furaani-

happo - 18 1 -

Bentsoehappo - 12 1 2

Esterit

Metyylimetakrylaatti 78 136 64 21

Tetrahydrofurfuryyli-

asetaatti - 14 - 3

2-Buteenihapon

metyyliesteri - 55 68 55

Siloksaanit

Heksametyylisyklotri-

siloksaani 3 7 9 6

Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 7 10 8 10

Muut TVOC 218 418 205 191

Jälkikäsittelyssä esiintyneet VOC-pitoisuudet olivat erittäin korkeita verrattuna tulostus-

prosessiin ja taustaan, kuten taulukosta 14 näkyy. Taustan TVOC-pitoisuus oli myös

suhteellisen korkea. Syy jälkikäsittelyn kohonneisiin VOC-pitoisuuksiin on etenkin liuotin-

aineen, tässä tapauksessa isopropanolin käyttö kappaleen liuotuksessa sekä kappaleen

osittainen sulaminen, kun se irrotettiin käsittelyn aikana tulostusalustasta. 4-Metyyli-2-

pentanonin pitoisuus oli lähes 75 % näytteen TVOC-arvosta. Myös isopropanolia (15 %) ja

tetrahydro-2-furanyylimetyyli-pivalaattia (4 %) vapautui prosessissa huomattavasti.

50

Taulukko 14. Isopropanolikäsittelyn VOC-pitoisuudet.

Luokitus Yhdiste Pitoisuus tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

jälkikäsittely (µg/m3)

Alkoholit

Etanoli 14 139

Isopropanoli 43 1658

Tetrahydrofurfuryyli-

alkoholi - 27

2-Metyyli-2-propanoli 12

2-Etyyli-1-heksanoli 2 18

Alifaattiset

hiilivedyt

Heksaani 3 24

2,4-Dimetyylipentaani 3 61

3-Metyyliheksaani 2 28

Heptaani 3 21

2,4-Dimetyyliheptaani - 22

1,3,5-Trimetyyli-

sykloheksaani - 14

Aromaattiset

hiilivedyt Tolueeni - 10

Aldehydit Nonanaali 10 12

Dekanaali 19 24

Ketonit 4-Metyyli-2-Pentanoni 9 8147

Karboksyylihapot Bentsoehappo 10 35

Etikkahappo 4 11

Esterit

Metyylimetakrylaatti 487 292

Etikkahapon butyyliesteri 5 50

Isopropyylipalmitaatti 4 12

Siloksaanit

Heksametyylisyklo-

trisiloksaani 6 9

Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 11 9

Muut

Tetrahydro-2-furanyyli-

metyylipivalaatti - 442

TVOC 687 11 145

Mittauksissa havaittiin pieniä määriä formaldehydiä ja asetaldehydia sekä suhteellisen runsaasti

asetonia. Yhdisteiden pitoisuudet on esitetty taulukossa 15. Merkittävin havaittu yhdiste on

formaldehydi, vaikka sen pitoisuus oli hyvin matala.

Taulukko 15. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmän aldehydit ja ketonit.

Tulostusprosessi

Yhdiste Pitoisuus (µg/m3)

Formaldehydi 12

Asetaldehydi 9

Asetoni 136

51

Tulostusprosessissa ei esiintynyt merkittävää määrää hengittyvää pölyä, keskiarvopitoisuuden

vaihteluvälin ollessa 0,03-0,05 mg/m3 DustTrak DRX-laitteella mitattuna ja IOM-keräimellä

mitattuna alle määritysrajan. Yli 0,1 mg/m3 pitoisuuden piikkejä havaittiin muutama, johtuen

työntekijän liikkeistä huoneessa, jolloin zirkonipölyä vapautui ilmaan. Taustan ja tulostus-

prosessin aikaiset hengittyvän pölyn pitoisuudet on esitetty taulukossa 16.

Taulukko 16. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmän pölypitoisuudet.

Pölypitoisuus Minimi

(mg/m3)

Maksimi

(mg/m3)

Keskiarvo

(mg/m3)

Tausta (DRX) 0,01 0,08 0,03

Tulostusprosessi (DRX) 0,02 0,12 0,05

Tulostusprosessi (IOM) - - Alle määritysrajan

Ultrapienten hiukkasten taustan ja tulostusprosessin aikaiset pitoisuudet olivat kohtuullisia.

Maksimipitoisuudet olivat molemmissa tapauksissa samalla tasolla, mutta tulostusprosessin

minimi- ja keskiarvopitoisuudet olivat taustaan verrattuna noin kaksinkertaisia. Tulokset on

esitetty taulukossa 17.

Taulukko 17. Ultrapienet hiukkaset, nesteen fotopolymerisaatiomenetelmä.

Ultrapienet hiukkaset Minimi (kpl/cm3) Maksimi (kpl/cm3) Keskiarvo (kpl/cm3)

Tausta 1920 11 680 4420

Tulostusprosessi 4510 13 510 8020

Lämpötila nousi hieman tulostuksen aikana. Lisäksi tulostuksen alku- ja loppuvaiheessa esiintyi

pieniä määriä (1,4 – 1,8 ppm) hiilimonoksidia, joka ei ollut yhteydessä hiilidioksidin

esiintymiseen tai lämpötilan muutoksiin. Hiilidioksidipitoisuus pysyi tasaisena mittauksen

aikana ja pitoisuuden lievä kohoaminen saattoi johtua tilassa oleskelleista henkilöistä.

Sisäilman olosuhteiden arvot on esitetty taulukossa 18.

52

Taulukko 18. Sisäilman olosuhteet, nesteen fotopolymerisaatiomenetelmä.

Olosuhteet Tausta Tulostusprosessi

CO2 minimi (ppm) 630 550

CO2 maksimi (ppm) 790 860

CO2 keskiarvo (ppm) 710 660

CO minimi (ppm) 0 0

CO maksimi (ppm) 0,1 1,8

CO keskiarvo (ppm) 0 0,2

Lt minimi (°C) 22,3 23,2

Lt maksimi (°C) 23,4 25,8

Lt keskiarvo (°C) 23,1 24,4

rH minimi (%) 44 40

rH maksimi (%) 49 47

rH keskiarvo (%) 45 43

4.2. MATERIAALIN PURSOTUSMENETELMÄ

Oppilaitoksen 1 tiloissa mitatut materiaalin pursotusmenetelmän päästöt ovat pääasiassa VOC-

yhdisteitä ja ultrapieniä hiukkasia. VOC-päästöjen koostumus ja ultrapienten hiukkasten määrä

vaihtelevat suuresti eri tulostusmateriaalien välillä. Lisäksi häiriötilanteiden havaittiin

aiheuttavan erittäin korkeita ultrapienten hiukkasten päästöjä. Materiaalin pursotus-

menetelmässä syntyy myös pieniä määriä formaldehydiä.

Eri Keeper-liimasta vapautui pieniä määriä VOC-yhdisteitä. TVOC-pitoisuus oli 89 µg/m3 eli

alle taustapitoisuuden, ja yleisimmät yhdisteet olivat isopropyylialkoholi (19 µg/m3),

propyleeniglykoli (8 µg/m3) ja dietyleeniglykolimonobutyylieetteriasetaatti (7 µg/m3).

Liimasta vapautuneet yhdisteet voivat vaikuttaa VOC-tuloksiin.

Taustanäytteen TVOC-pitoisuus oli matala, ja suurin osa siitä koostui dekametyyli-

syklopentasiloksaanista, jonka pitoisuus oli alussa suhteellisen korkea. Dekametyylisyklo-

pentasiloksaanin lähde on tuntematon, ja sen pitoisuus aleni tutkimuksen aikana. Tämä näkyy

taulukoissa 19-23, kun tarkastellaan tulostusprosessin aikaisia pitoisuuksia. Muiden taustan

yhdisteiden pitoisuudet olivat erittäin matalalla, tasaisella tasolla. Taustan VOC-pitoisuudet

ovat vertailun vuoksi esillä taulukoissa 19-23.

PLA-muovin tulostuksessa ei esiintynyt merkittäviä VOC-pitoisuuksia. Yksittäisten

yhdisteiden pitoisuudet laimenivat tulostusprosessin edetessä. Dekametyylisyklopenta-

siloksaanin pitoisuus (30-37 %) oli merkittävästi muiden yhdisteiden pitoisuutta suurempi.

53

Tulostusprosessissa syntyi etenkin propyleeniglykolia (5-15 %), kaprolaktaamia (11-14 %) ja

dietyleeniglykolimonobutyylieetteriasetaattia (5-11 %). TVOC-pitoisuus oli taustaan

verrattuna hieman koholla tulostusprosessin alussa, mutta pitoisuus laimeni taustan tasolle

tulostuksen edetessä. PLA-muovin tulostuksen yleisimmät VOC-yhdisteet ja niiden pitoisuudet

on esitetty taulukossa 19, kun käytössä oli ZMorph-tulostin.

Taulukko 19. Materiaalin pursotusmenetelmän VOC-pitoisuudet, PLA-muovi.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alkoholit Bentsyylialkoholi 3 4 5 4

Propyleeniglykoli - 14 19 6

Aldehydit

Bentsaldehydi 3 3 3 3

Nonanaali 4 7 3 4

Dekanaali 5 10 4 5

Esterit

Isopropyylipalmitaatti 3 4 3 6

Dietyleeniglykolimono-

butyylieetteriasetaatti - 18 13 8

Siloksaanit

Heksametyylisyklotri-

siloksaani - 7 5 8

Dekametyylisyklopenta-

siloksaani 87 64 44 32

Muut Kaprolaktaami - 24 15 12

TVOC 108 171 131 108

Hiilikuitufilamenttia tulostettaessa TVOC-pitoisuus oli alussa hieman koholla tausta-

pitoisuuteen verrattuna. Pitoisuus laski tulostusprosessin edetessä lähelle taustapitoisuutta.

Tiettyjen VOC-yhdisteiden pitoisuuksissa oli suurta vaihtelua ajallisesti. Etenkin propyleeni-

glykolin (2-38 %) pitoisuus oli alussa selvästi koholla, mutta pitoisuus laimeni tulostuksen

puoleenväliin saavuttaessa. Dietyleeniglykolimonobutyylieetteriasetaattia (15-31 %) esiintyi

myös suhteellisen runsaasti läpi tulostuksen. Bentsoehappoa (0-24 %) taas ei tulostuksen alussa

esiintynyt lainkaan, mutta tulostuksen puoli- ja loppuvaiheessa sitä esiintyi muihin yhdisteisiin

verrattuna runsaasti. Hiilikuitufilamentin tulostuksen yleisimmät VOC-yhdisteet ja niiden

pitoisuudet on esitetty taulukossa 20, kun käytössä oli Profi3DMaker-tulostin.

ABS-muovin tulostuksessa TVOC-pitoisuus oli koholla vain tulostuksen puolivälissä. Alku- ja

loppupitoisuudet olivat lähellä taustapitoisuutta. Dekametyylisyklopentasiloksaanin pitoisuus

oli tässä vaiheessa asettunut matalalla tasolle. Tulostusprosessissa syntyi etenkin dietyleeni-

54

glykolimonobutyylieetteriasetaattia (13-43 %), propyleeniglykolia (2-29 %) ja kaprolaktaamia

(3-10 %). ABS-muovin tulostuksen yleisimmät VOC-yhdisteet ja niiden pitoisuudet on esitetty

taulukossa 21, kun käytössä oli ZMorph-tulostin.

Taulukko 20. Materiaalin pursotusmenetelmän VOC-pitoisuudet, hiilikuitufilamentti.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alkoholit Bentsyylialkoholi 3 5 5 4

Propyleeniglykoli - 82 4 8

Aldehydit

Bentsaldehydi 3 - 6 4

Nonanaali 4 4 8 7

Dekanaali 5 5 15 11

Karboksyyli-

hapot Bentsoehappo - - 43 18

Esterit

Isopropyyli-

palmitaatti 3 3 5 6

Dietyleeniglykoli-

monobutyyli-

eetteriasetaatti

- 66 31 21

Siloksaanit Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 87 28 11 15

Muut TVOC 108 214 180 138

Taulukko 21. Materiaalin pursotusmenetelmän VOC-pitoisuudet, ABS-muovi.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alkoholit Bentsyylialkoholi 3 4 5 6

Propyleeniglykoli - 13 54 2

Aromaattiset

hiilivedyt Styreeni - 1 - 1

Aldehydit

Bentsaldehydi 3 4 3 3

Nonanaali 4 4 7 3

Dekanaali 5 5 11 5

Esterit

Isopropyyli-

palmitaatti 3 4 4 4

Dietyleeniglykoli-

monobutyylieetteri-

asetaatti

- 13 81 18

Siloksaanit Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 87 8 9 10

Muut Kaprolaktaami - 8 6 4

TVOC 108 97 187 98

55

Suurin TVOC-pitoisuus esiintyi puukuitufilamenttia tulostettaessa. Havaittuja yhdisteitä

esiintyi myös määrällisesti eniten. TVOC-pitoisuus laski alusta huomattavasti tulostusprosessin

puoliväliin saavuttaessa, mutta kohosi jälleen prosessin lopussa. Tulostuksen alku- ja

loppuvaiheessa dietyleeniglykolimonobutyylieetteriasetaatin pitoisuus (14-22 %) oli

suhteellisen korkea. Alkuvaiheessa myös laktidin pitoisuus (4-16 %) oli koholla, kun taas

propyleeniglykolin pitoisuus (9-22 %) oli merkittävä tulostuksen loppuvaiheessa.

Puukuitufilamentin tulostuksen yleisimmät VOC-yhdisteet ja niiden pitoisuudet on esitetty

taulukossa 22, kun käytössä oli ZMorph ja Profi3DMaker-tulostimet. Tulostuksen alun näyte

kerättiin Profi3DMaker-tulostimesta, keski- ja loppuvaiheen näytteet ZMorph-tulostimesta

häiriötilanteen vuoksi.

Taulukko 22. Materiaalin pursotusmenetelmän VOC-pitoisuudet, puukuitufilamentti.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alkoholit Bentsyylialkoholi 3 6 5 5

Propyleeniglykoli - 29 10 33

Alifaattiset

hiilivedyt

Pentadekaani - 10 1 -

Heksadekaani - 22 7 3

Aldehydit

Bentsaldehydi 3 3 4 4

Nonanaali 4 6 5 4

Dekanaali 5 10 8 5

Furfuraali - 19 - -

Esterit

Isopropyyli-

palmitaatti 3 5 4 4

Laktidi - 52 5 6

Dietyleeniglykoli-

monobutyyli-

eetteriasetaatti

- 70 16 37

Siloksaanit

Heksametyyli-

syklotrisiloksaani - 10 2 8

Dekametyyli-

syklopentasiloksaani 87 13 8 6

Muut TVOC 108 322 117 152

Nylonmuovin tulostuksessa esiintyi myös kohonneita VOC-pitoisuuksia. Määrällisesti VOC-

yhdisteitä esiintyi vähän, mutta yhdisteiden pitoisuudet olivat suhteellisen korkeita. Dietyleeni-

glykolimonobutyylieetteriasetaattia (23-67 %), propyleeniglykolia (5-29 %) ja kaprolaktaamia

(10-18 %) esiintyi huomattavasti muita yhdisteitä suurempina pitoisuuksina. TVOC-pitoisuus

56

käyttäytyi samalla tavalla kuin puukuitufilamentin tulostusprosessissa, eli pitoisuus laski

huomattavasti tulostuksen puoliväliin saavuttaessa, mutta nousi taas loppua kohden, tässä

tapauksessa tulostuksen alun tasolle. Nylonmuovin tulostuksen yleisimmät VOC-yhdisteet ja

niiden pitoisuudet on esitetty taulukossa 23, kun käytössä oli ZMorph-tulostin.

Taulukko 23. Materiaalin pursotusmenetelmän VOC-pitoisuudet, nylonmuovi.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alkoholit Bentsyylialkoholi 3 6 5 8

Propyleeniglykoli - 50 6 79

Aldehydit

Bentsaldehydi 3 - 3 -

Nonanaali 4 - 5 -

Dekanaali 5 - 8 5

Esterit

Isopropyyli-

palmitaatti 3 - 4 4

Dietyleeniglykoli-

monobutyyli-

eetteriasetaatti

- 195 27 118

Eetterit Dietyleeniglykoli-

butyyli-eetteri - 9 - 4

Siloksaanit Dekametyyli-

syklopentasiloksaani 87 - 2 -

Muut Kaprolaktaami - 29 21 38

TVOC 108 289 119 268

Samoja aldehydejä ja ketoneita esiintyi molemmissa näytteissä. Yhdisteiden pitoisuudet olivat

myös samaa suuruusluokkaa, eli matalia, molemmissa näytteistä. On mahdotonta tarkastella

aldehydien ja ketonien esiintymistä filamenttikohtaisesti, koska näytteitä kerättiin teknisistä ja

ajallisista syistä aina useamman kuin yhden filamentin tulostuksen ajan. Esiintyneistä

yhdisteistä merkittävin on formaldehydi. Taulukossa 24 on esitetty kerättyjen näytteiden

sisältämät aldehydit ja ketonit sekä niiden pitoisuudet.

Taulukko 24. Materiaalin pursotusmenetelmän aldehydit ja ketonit.

Yhdiste Näyte 1 pitoisuus (µg/m3) Näyte 2 pitoisuus (µg/m3)

Formaldehydi 11 14

Asetaldehydi 4 8

Asetoni 17 20

Butanoni 15 14

57

Hengittyvää pölyä ei esiintynyt merkittävästi materiaalin pursotusmenetelmässä, pitoisuuden

vaihteluvälin ollessa 0,01-0,04 mg/m3 filamentista riippumatta DustTrak DRX-laitteella

mitattuna. IOM-keräimillä mitattuna pölypitoisuus oli alle määritysrajan. Tämä oli odotettavaa,

sillä näkyviä hiukkasia ei tulostusprosesseissa esiintynyt. Taustan ja eri tulostusprosessien

aikaiset hengittyvän pölyn pitoisuudet on esitetty taulukossa 25.

Taulukko 25. Materiaalin pursotusmenetelmän pölypitoisuudet.

Pölypitoisuus Minimi (mg/m3) Maksimi (mg/m3) Keskiarvo (mg/m3)

Tausta (DRX) 0,01 0,03 0,01

ZMorph PLA (DRX) 0,01 0,04 0,01

Profi3DMaker Hiilikuitu (DRX) 0,01 0,02 0,01

ZMorph ABS (DRX) 0,01 0,01 0,01

Profi3DMaker Puukuitu (DRX) 0,01 0,03 0,01

ZMorph Puukuitu (DRX) 0,01 0,03 0,01

ZMorph Nylon (DRX) 0,01 0,02 0,01

PLA ja hiilikuitu (IOM) - - Alle määritysrajan

ABS, puukuitu ja nylon (IOM) - - Alle määritysrajan

Ultrapienten hiukkasten pitoisuuksissa ei ollut havaittavissa selkeää ja johdonmukaista

vaihtelua tulostuksen alku-, keski- ja loppuvaiheissa. Täten hiukkaspitoisuudet voidaan esittää

yksinkertaistetusti taulukossa 26. Tulostettavalla materiaalilla oli suuri vaikutus syntyvien

ultrapienten hiukkasten määrään, hiukkasten keskiarvon vaihteluvälin ollessa noin 2000-36 000

filamentista riippuen. Lisäksi häiriötilanteissa ultrapienien hiukkasten pitoisuus nousi noin

kymmenkertaiseksi verrattuna puhtaaseen tulostustilanteeseen.

58

Taulukko 26. Ultrapienet hiukkaset, materiaalin pursotusmenetelmä.

Ultrapienet hiukkaset Minimi (kpl/cm3) Maksimi (kpl/cm3) Keskiarvo (kpl/cm3)

Tausta 1200 1520 1400

Profi3DMaker PLA 1390 5610 2820

ZMorph PLA 1240 7840 2960

Profi3DMaker ABS häiriö 1430 500 000 101 760

ZMorph ABS 4300 53 630 32 860

Profi3DMaker ABS 8100 86 910 36 260

ZMorph Puukuitu 2520 31 930 6520

Profi3DMaker Puukuitu häiriö 36 350 498 100 375 810

ZMorph Hiilikuitu 1380 3570 2070

ZMorph Nylon 3210 79 430 10 370

Tulostusprosessit eivät aiheuttaneet merkittäviä muutoksia sisäilman muuttujiin.

Hiilidioksidipitoisuus kohosi hieman johtuen tilassa oleskelevista ihmisistä, mutta ei

merkittävälle tasolle. Hiilimonoksidia ei tulostusprosesseissa esiintynyt lainkaan. Lämpötila

tulostimien läheisyydessä nousi kuumien suuttimien ja tulostusalustojen vuoksi hieman, muttei

merkittävän paljon. Sisäilman olosuhteiden arvot on esitetty taulukossa 27.

Taulukko 27. Sisäilman olosuhteet, materiaalin pursotusmenetelmä.

Olosuhteet Tausta Tulostusprosessi

CO2 minimi (ppm) 460 550

CO2 maksimi (ppm) 670 860

CO2 keskiarvo (ppm) 510 660

CO minimi (ppm) 0 0

CO maksimi (ppm) 0 0

CO keskiarvo (ppm) 0 0

Lt minimi (°C) 21,0 21,7

Lt maksimi (°C) 25,0 29,5

Lt keskiarvo (°C) 22,8 27,1

rH minimi (%) 50 35

rH maksimi (%) 62 51

rH keskiarvo (%) 55 43

59

4.3. JAUHEPETIMENETELMÄ

Yrityksen 2 tiloissa mitatut jauhepetimenetelmän päästöt ovat pääasiassa ultrapieniä hiukkasia

ja pölyä. Myös formaldehydiä esiintyi >10 % sen HTP8h-arvoon verrattuna. Ultrapienille

hiukkasille ja formaldehydille altistutaan yhtäaikaisesti tulostustyössä. Lisäksi pöly-

altistuminen voi olla merkittävän suurta tulostusjauhetta ja tulostettuja kappaleita käsiteltäessä.

VOC-yhdisteitä esiintyi työpaikan eri prosesseissa, mutta pitoisuudet olivat alhaisella tasolla.

VOC-pitoisuudet olivat tulostusprosessin aikana suuremmat tulostimien IV-kanavissa, kuin

laitteiden ulkopuolella. TVOC-pitoisuudella oli havaittavaa ajallista vaihtelua IV-kanavan

sisällä, muttei tulostimien ulkopuolella. Yhdisteitä löytyi joitain kymmeniä, joista yleisimmät

on esitetty taulukoissa 28 ja 29. Tulostusprosessissa syntyi etenkin syklododekanonia (15-24

%), oktametyylisyklotetrasiloksaania (11-25 %) heksametyylisyklotrisiloksaania (5-20 %) ja 5-

metyyli-3-heptanonia (4-16 %). Laitteen ulkopuolelta mitattuina yhdisteet vastasivat taustasta

mitattuja yhdisteitä. Yleisimmät yhdisteet tulostimien ulkopuolella olivat syklododekanoni (1-

39 %), n-butyylieetteri (17–28 %) ja dekametyylisyklopentasiloksaani (2-22 %).

Taulukko 28. Jauhepetimenetelmän VOC-pitoisuudet, IV-kanava.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alkoholit 2-Butoksietanoli - 27 - -

2-Etyyli-1-Heksanoli - 5 - 72

Alifaattiset

hiilivedyt

1-Noneeni - 6 - 10

1-Dekeeni - 7 17 13

Aldehydit Nonanaali 6 6 8 -

Dekanaali 5 6 8 10

Karboksyylihapot Bentsoehappo 10 - - -

Esterit Etikkahapon butyyliesteri 14 - - -

Eetterit n-Butyylieetteri 20 - 62 17

Ketonit

2-Butanoni - 5 12 -

5-Metyyli-3-heptanoni - 49 35 13

Syklododekanoni 8 59 94 71

Siloksaanit

Heksametyylisyklo-

trisiloksaani 10 16 122 30

Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 8 25 38 30

Oktametyylisyklo-

tetrasiloksaani 7 33 152 45

Muut

Alfa-pineeni 16 11 15 8

3-Kareeni 9 11 10 6

TVOC 129 301 608 295

60

Taulukko 29. Jauhepetimenetelmän VOC-pitoisuudet, 3D-tulostimien ulkopuoli.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Aldehydit Nonanaali 6 15 - 4

Dekanaali 5 5 - 4

Karboksyylihapot Bentsoehappo 10 4 - 5

Esterit Etikkahapon

butyyliesteri 14 - - -

Eetterit n-Butyylieetteri 20 18 23 20

Ketonit Syklododekanoni 8 1 32 11

Siloksaanit

Heksametyylisyklo-

trisiloksaani 10 11 11 14

Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 8 2 9 26

Oktametyylisyklo-

tetrasiloksaani 7 1 9 7

Muut

Alfa-pineeni 16 10 10 11

3-Kareeni 9 2 - 6

TVOC 129 92 82 116

Myös kappaleiden värjäysprosessissa havaittiin pääasiassa matalia VOC-pitoisuuksia, kuten

taulukosta 30 näkyy. Värjäyksessä syntyi etenkin n-butyylieetteriä (16-33 %), dekametyyli-

syklopentasiloksaania (25-27 %) ja D-limoneenia (5-13 %). TVOC-pitoisuus oli alhaisella

tasolla. Lisäksi henkilökohtaisessa näytteessä havaittiin ketoneita.

Taulukko 30. Kappaleiden värjäyksen VOC-pitoisuudet.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

kiinteä näyte

(µg/m3)

Pitoisuus

henkilökohtainen

näyte (µg/m3)

Ketonit 1-Metoksi-2-Propanoni - - 12

Dodekanoni - - 32

Esterit Etikkahapon butyyliesteri 28 16 6

Eetterit n-Butyylieetteri 4 69 32

Karboksyylihapot Bentsoehappo 19 - -

Siloksaanit

Dekametyylisyklopenta-

siloksaani - 56 48

Heksametyylisyklotri-

siloksaani 11 7 5

Muut

Alfa-pineeni 20 17 14

3-Kareeni 10 10 8

D-Limoneeni - 27 10

TVOC 166 209 196

61

Havaittavia määriä aldehydejä ja ketoneita esiintyi ainoastaan 3D-tulostimien ulkopuolella.

Kappaleiden värjäyksessä yhdisteitä ei esiintynyt havaittavina pitoisuuksina. Tärkein havaittu

yhdiste on formaldehydi, jonka pitoisuus oli yli 10 % sen HTP8h-arvosta. Muiden havaittujen

yhdisteiden pitoisuudet olivat suhteellisen matalia, kuten taulukossa 31 on esitetty.

Taulukko 31. Jauhepetimenetelmän aldehydit ja ketonit.

Yhdiste Pitoisuus (µg/m3)

Formaldehydi 40

Asetaldehydi 42

Propanaali 20

Butanoni 7

Hengittyvää pölyä esiintyi merkittäviä määriä jauhetta käsitellessä. Nylon on orgaanista ainetta,

joten jauheen käsittelystä mitatut pitoisuudet ylittivät orgaanisen pölyn HTP8h-arvon. Myös 3D-

tulostinten IV-kanavissa esiintyi merkittävästi pölyä, mutta tulostimien ulkopuolella pitoisuus

oli erittäin matala. Jauheenkäsittelyhuoneen taustapitoisuus oli myös suhteellisen korkea, ottaen

huomioon, että tilassa ei oltu työskennelty ennen taustanäytteen keräystä. IOM-keräimillä

mitatut tulokset on esitetty taulukossa 32.

Taulukko 32. Jauhepetimenetelmän pölypitoisuudet, IOM-keräimet.

Pöly Pölypitoisuus (mg/m3)

Tausta (jauheen käsittely) 0,6

Tausta (3D-tulostushalli) 0,1

Jauheen käsittely (kiinteä) 5,2

Jauheen käsittely (henkilökohtainen) 9,1

Tulostusprosessi (ulkopuoli) Alle määritysrajan

Tulostusprosessi (IV-kanava) 1,3

DustTrak DRX-laitteella mitattuna pölypitoisuudet olivat matalampia johtuen erilaisesta

mittaustavasta ja -paikasta. DustTrakilla mitatut pölypitoisuudet on esitetty taulukossa 33.

Pölypitoisuus mittauspisteissä oli keskiarvojen perusteilla matala, mutta korkeita pölypiikkejä

esiintyi etenkin tulostusjauhetta käsiteltäessä.

62

Taulukko 33. Jauhepetimenetelmän pölypitoisuudet, DustTrak DRX.

Pölypitoisuus Minimi

(mg/m3)

Maksimi

(mg/m3)

Keskiarvo

(mg/m3)

Tausta (3D-tulostushalli) 0,02 0,05 0,02

Tulostusjauheen käsittely 0,01 2,57 0,04

Tulostusprosessi (EOS Formiga, ulkopuoli) 0,01 0,47 0,04

Tulostusprosessi (EOS Formiga, IV-kanava) 0,01 0,41 0,14

Tulostusprosessi (EOS P396, ulkopuoli) 0,01 0,08 0,03

Tulostusprosessi (EOS P396, IV-kanava) 0,01 0,18 0,03

Ultrapienten hiukkasten pitoisuudet olivat tulostusprosessissa suhteellisen korkeita. Tausta-

pitoisuuksien välillä oli suuri merkitys riippuen mittausajankohdasta, sillä aamulla mitattu

pitoisuus oli jopa kymmenen kertaa matalampi iltapäivään verrattuna. Pitoisuuksien erot

selittyvät päivän 1 aikana jo suoritetuilla työvaiheilla, joissa 3D-tulostimet olivat käytössä ja

kappaleita käsiteltiin kemiallisesti, joiden seurauksena ultrapieniä hiukkasia pääsi leviämään

työympäristöön. Eri 3D-tulostimista vapautuvien pitoisuuksien välillä ei esiintynyt suurta eroa.

Myöskään mittauspiste ei vaikuttanut pitoisuuteen huomattavasti. Ultrapienten hiukkasten

pitoisuudet eri mittaustapahtumissa on esitetty taulukossa 34. Tulostusjauheen käsittelyssä ei

esiintynyt taustasta poikkeavia ultrapienten hiukkasten pitoisuuksia.

Taulukko 34. Ultrapienet hiukkaset, jauhepetimenetelmä.

Ultrapienet hiukkaset Minimi (kpl/cm3) Maksimi (kpl/cm3) Keskiarvo (kpl/cm3)

Tausta (päivä 1) 32 860 65 300 43 480

Tausta (päivä 2) 2220 5130 3330

Tulostusjauheen käsittely 2240 4510 3530

EOS Formiga IV 10 440 16 060 12 800

EOS P396 IV 14 850 26 550 22 360

EOS P396 ulkopuoli 15 050 22 300 16 900

Tulostusprosessissa havaittiin hiilidioksidi- ja –monoksidipitoisuuden kohoaminen tulostimien

ilmanvaihtopoistokanavissa. Pitoisuudet eivät kuitenkaan olleet merkittävän korkeita.

Hiilimonoksidia esiintyi pieniä määriä myös tulostimien ulkopuolella. Lämpötila kohosi

tulostimien ulko-puolella hieman tulostusprosessien aikana. Sisäilman olosuhteiden arvot on

esitetty taulukossa 35.

63

Taulukko 35. Sisäilman olosuhteet, jauhepetimenetelmä.

Olosuhteet Tausta Tulostusprosessi

(IV)

Tulostusprosessi

(ulkopuoli) Jälkikäsittelyt

CO2 minimi (ppm) 410 420 430 450

CO2 maksimi (ppm) 500 1070 510 710

CO2 keskiarvo (ppm) 430 450 450 500

CO minimi (ppm) 0 0 0 0

CO maksimi (ppm) 0,2 2,7 1,2 0,1

CO keskiarvo (ppm) 0 0,2 0,1 0

Lt minimi (°C) 21,1 31,3 23,9 22,2

Lt maksimi (°C) 24,6 43,8 31,9 24,3

Lt keskiarvo (°C) 23,4 33,5 25,3 23,3

rH minimi (%) 43 24 27 45

rH maksimi (%) 59 30 45 60

rH keskiarvo (%) 48 26 42 49

4.4. MATERIAALIN RUISKUTUSMENETELMÄ

Yrityksen 3 tiloissa mitatut materiaalin ruiskutusmenetelmästä vapautuvat päästöt erosivat

huomattavasti muiden menetelmien päästöistä. VOC-pitoisuudet olivat huomattavasti muita

3D-tulostusmenetelmiä korkeampia, mutta muita mitattuja päästöjä ei esiintynyt merkittävinä

pitoisuuksina.

Myös taustanäytteen VOC-pitoisuudet olivat korkea verrattuna muiden mitattujen menetelmien

taustapitoisuuksiin. Isobornyyliakrylaattia esiintyi huomattavasti muita yhdisteitä suurempana

pitoisuutena, ja määrällisesti yleisimpiä yhdisteitä olivat erilaiset aromaattiset hiilivedyt.

Tulostusprosessissa TVOC-pitoisuus kohosi erityisen korkealle tasolle. Määrällisesti erilaisia

yhdisteitä esiintyi myös laajalti, etenkin aromaattisia hiilivetyjä havaittiin runsaasti. Taustan ja

tulostusprosessin VOC-yhdisteet ja niiden pitoisuudet on esitetty taulukossa 36. Tulostuksen

yleisimmät yhdisteet olivat isobornyyliakrylaatti (71-73 %), heksahydro-4H-oksireno[3,4]-

syklopenta[1,2-b]furan-4-oni (6-7%) ja butyloitu hydroksitolueeni (3-4 %).

Tulostusprosessissa esiintyi myös styreeniä.

64

Taulukko 36. Materiaalin ruiskutusmenetelmän VOC-pitoisuudet.

Luokitus Yhdiste

Pitoisuus

tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

alku

(µg/m3)

Pitoisuus

keski

(µg/m3)

Pitoisuus

loppu

(µg/m3)

Alifaattiset

hiilivedyt

2,3-Dimetyyli-2,4-

heksadieeni - 12 - 72

Aromaattiset

hiilivedyt

Tolueeni 7 24 61 20

Styreeni - 23 35 21

Etyylibentseeni 9 24 34 23

1,3-Dimetyylibentseeni - 73 - -

p-Ksyleeni 9 23 34 22

o-Ksyleeni 27 41 67 48

Butyloitu

hydroksitolueeni 33 61 111 113

Aldehydit Dekanaali 11 - 4 5

Ketonit

Heksahydro-4H-

Oksireno[3,4]syklopenta

[1,2-b]furan-4-oni

58 127 162 164

2-(1-Syklopent-1-

enyyli-1-metyylietyyli)-

syklopentanoni

27 70 116 100

Esterit Isobornyyliakrylaatti 621 1325 2076 1914

Allyyliakrylaatti 9 49 76 65

Siloksaanit Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 5 14 11 7

Muut

D-Limoneeni - 10 4 -

2-Etyyli-4-metyyli-

imidatsoli - 8 13 11

TVOC 744 1875 2857 2627

VOC-pitoisuuksia mitattiin huoneen ulkopuolelta mahdollisten vuotojen ja yhdisteiden

leviämisen selvittämiseksi. Kuten taulukossa 37 näkyy, yhdisteitä esiintyi määrällisesti vähän,

mutta TVOC-pitoisuus oli hieman kohonneella tasolla. Tulostuksen aikana butyloidun

hydroksitolueenin pitoisuus kohosi huoneen ulkopuolella samalla, kun isobornyyliakrylaatin

pitoisuus laimeni.

Jälkikäsittelyn VOC-pitoisuudet on esitetty taulukossa 38. TVOC-pitoisuus oli koholla ja

tässäkin prosessissa isobornyyliakrylaatin pitoisuus oli erittäin korkea (61 %). Myös butyloidun

hydroksitolueenin (11 %) pitoisuus oli kohonnut. Myös jälkikäsittelyprosessissa esiintyi

styreeniä.

65

Taulukko 37. Materiaalin ruiskutusmenetelmän VOC-pitoisuudet huoneen ulkopuolella.

Luokitus Yhdiste Pitoisuus tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

tulostusprosessi

(µg/m3)

Alifaattiset hiilivedyt Syklododekaani 14 12

Aromaattiset hiilivedyt Butyloitu hydroksitolueeni 28 63

Eetterit Butyylieetteri - 7

Esterit Isobornyyliakrylaatti 390 289

Siloksaanit

Heksametyylisyklotri-

siloksaani 4 9

Dekametyylisyklopenta-

siloksaani 5 9

Muut

2-(1-Syklopent-1-enyyli-1-

metyylietyyli)-

syklopentanoni

10 8

TVOC 472 421

Taulukko 38. Ultraäänihauteen VOC-pitoisuudet.

Luokitus Yhdiste Pitoisuus tausta

(µg/m3)

Pitoisuus

ultraäänihaude

(µg/m3)

Alkoholit Farnesoli - 19

Aromaattiset

hiilivedyt

Tolueeni 7 12

Etyylibentseeni 9 26

Styreeni - 33

p-Ksyleeni 9 76

o-Ksyleeni 27 32

Butyloitu hydroksitolueeni 33 225

Aldehydit Dekanaali 11 7

Ketonit

Heksahydro-4H-

Oksireno[3,4]syklopenta[1,2-

b]furan-4-oni

58 112

2-(1-Syklopent-1-enyyli-1-

metyylietyyli)-syklopentanoni 14 27

Esterit Isobornyyliakrylaatti 621 1233

Allyyliakrylaatti 9 -

Siloksaanit Dekametyylisyklo-

pentasiloksaani 5 7

Muut TVOC 744 2008

Aldehydejä ja ketoneita ei esiintynyt mitattavina pitoisuuksina.

66

Pölypitoisuudet olivat DustTrak DRX-laitteella mitattuina erittäin matalia, pitoisuuden

vaihteluvälin ollessa 0,01-0,03 mg/m3. Taustapitoisuuden ja tulostusprosessin aikaisen

pitoisuuden välillä ei ollut eroa. IOM-keräimillä mitattuna pölypitoisuus oli alle määritysrajan.

Pölypitoisuudet eri menetelmillä mitattuna on esitetty taulukossa 39.

Taulukko 39. Materiaalin ruiskutusmenetelmän pölypitoisuudet.

Pölypitoisuus Minimi (mg/m3) Maksimi (mg/m3) Keskiarvo (mg/m3)

Tausta (DRX) 0,01 0,02 0,01

Tulostusprosessi (DRX) 0,01 0,03 0,01

Tulostusprosessi (IOM) - - Alle määritysrajan

Huoneen ulkopuoli (IOM) - - Alle määritysrajan

Ultrapieniä hiukkasia ei esiintynyt tulostusprosessissa taustapitoisuutta suurempina määrinä,

kuten taulukosta 40 näkyy. Hiukkaspitoisuus oli myös suurempi tulostushuoneen ulkopuolella,

kuin sisällä tulostusprosessin aikana.

Taulukko 40. Ultrapienet hiukkaset, materiaalin ruiskutusmenetelmä.

Ultrapienet hiukkaset Minimi (kpl/cm3) Maksimi (kpl/cm3) Keskiarvo (kpl/cm3)

Tausta (huoneen ulkopuoli) 830 5670 2330

Tausta (3D-tulostushuone) 1000 1090 1050

Tulostusprosessi 740 1220 980

Sisäilman muuttujat eivät merkittävästi vaihdelleet tulostusprosessin aikana verrattuna

taustaan, kuten taulukossa 41 on esitetty. Hiilimonoksidia esiintyi erittäin matalana

pitoisuutena, johtuen todennäköisesti ulkopuolisista lähteistä.

67

Taulukko 41. Sisäilman olosuhteet, materiaalin ruiskutusmenetelmä.

Olosuhteet Tausta Tulostusprosessi

CO2 minimi (ppm) 520 490

CO2 maksimi (ppm) 600 670

CO2 keskiarvo (ppm) 540 560

CO minimi (ppm) 0 0

CO maksimi (ppm) 0,6 1,2

CO keskiarvo (ppm) 0,1 0,5

Lt minimi (°C) 23,1 24,9

Lt maksimi (°C) 26,2 26,8

Lt keskiarvo (°C) 25 25,5

rH minimi (%) 18 15

rH maksimi (%) 21 21

rH keskiarvo (%) 19 19

68

5. TULOSTEN TARKASTELU

Tässä kappaleessa tarkastellaan työssä mitattuja todellisia työpaikkojen altisteiden pitoisuuksia

ilman taustapitoisuuksien vähennyksiä. Tällä tavoin saadaan selville 3D-tulostustöiden

todellinen altistumisen taso, jolloin tutkimuskohteissa tehtävien 3D-tulostustöiden terveys-

vaikutuksia voidaan arvioida. Koska vähennyksiä ei tehty, menetelmien päästötasojen vertailu

ei ole täysin luotettavaa. Jokainen tutkimuskohde oli erilainen, 3D-tulostustoiminta kohteissa

oli niille omanlaatuista ja tästä syystä taustapitoisuuksissa oli eroavaisuuksia. Tulostusprosessit

eivät myöskään olleet eristettyjä, jolloin ulkopuolista häiriötä saattoi esiintyä etenkin kaasu-

maisten päästöjen kuten VOC-yhdisteiden ja hiilimonoksidin osalta. Tuloksia tarkastellessa on

otettava huomioon myös 3D-tulostustyön luonne, sillä altistuminen ei välttämättä ole pitkä-

jaksoista laitteiden automaation ja lyhytkestoisten jälkikäsittelyprosessien vuoksi.

Etenkin jauhepetimenetelmässä, materiaalin ruiskutusmenetelmässä ja nesteen foto-

polymerisaatiomenetelmän jälkikäsittelyssä mitattujen altisteiden pitoisuudet olivat

merkittävän korkealla tasolla. Tämä tarkoittaa sitä, että käytetyllä materiaalilla ja

jälkikäsittelytoimilla on huomattava merkitys 3D-tulostustyön turvallisuuteen ja terveys-

vaikutuksiin. Seuraavaksi käsitellään tutkittujen menetelmien tulokset erikseen, jonka jälkeen

menetelmiä vertaillaan toisiinsa suuntaa-antavasti, tehdään yleistyksiä liittyen 3D-tulostamisen

turvallisuuteen ja ehdotetaan työympäristön turvallisuutta parantavia toimia.

5.1. NESTEEN FOTOPOLYMERISAATIOMENETELMÄ

Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmässä pölypitoisuus oli erittäin alhainen. Ultrapienten

hiukkasten pitoisuus oli myös matala ja vastaa tavallisen toimistoympäristön hiukkas-

pitoisuutta. Tämä on yhdenmukainen havainto Työterveyslaitoksen tekemän tutkimuksen

(2016b) kanssa. Merkittäviä ultrapienten hiukkasten piikkejä ei havaittu. Voidaan todeta, ettei

hiukkasista aiheudu terveydelle merkittävää haittaa. Sisäilman olosuhteet säilyivät tasaisena

mittausten aikana, poikkeuksena lämpötilan kohoaminen muutamalla asteella.

TVOC-pitoisuus saattoi tulostuksen alussa olla selvästi koholla siksi, että 3D-tulostimen

nestesäiliö täytettiin ennen tulostusprosessin aloittamista. Nestesäiliön ollessa auki siitä saattoi

vapautua VOC-yhdisteitä huoneilmaan. Tulostuksen alettua säiliöstä ei enää voinut vapautua

yhdisteitä, ja VOC-pitoisuudet laimenivat ilmanvaihdon toimesta.

69

Myös havaitut VOC-pitoisuudet olivat pääasiassa matalia, poikkeuksena tulostuksen alkuvaihe,

jolloin pitoisuudet olivat hieman koholla. Tulostuksessa syntyi etenkin metyylimetakrylaattia

(11-33 %), 2-buteenihapon metyyliesteriä (13-33 %) ja 4-metyyli-2-pentanonina (1-25 %).

Näiden yhdisteiden pitoisuudet olivat tulostusprosessin alussa huomattavasti muita yksittäisiä

yhdisteitä korkeammat, mutta niiden pitoisuus aleni nopeasti tulostusprosessin edetessä,

poikkeuksena 2-buteenihapon metyyliesteri, jonka pitoisuus pysyi tasaisena. Pitoisuuksien

aleneminen voi johtua yhdisteiden kyvystä höyrystyä helposti, jolloin varsinainen lähde oli

tulostusnestesäiliön täyttö, ei itse tulostusprosessi. Yksittäisten yhdisteiden pitoisuudet olivat

pääasiassa niin matalia, ettei niistä todennäköisesti aiheudu terveydellisiä haittoja. TVOC-

pitoisuus oli tulostusprosessin alussa kohtuullisella, tämän jälkeen hyvällä tasolla ja selvästi

alle teollisten alojen mediaanipitoisuuden, jopa alle 25-persentiilin (Työterveyslaitos 2012.)

Lievät ärsytysoireet ja mukavuushaitan esiintyminen ovat kuitenkin mahdollisia, koska

tulostusneste oli erittäin pistävän hajuista.

Aldehydeistä ja ketoneista merkittävin oli formaldehydi, vaikka sen pitoisuus oli tulostus-

prosessin aikana matala. Kohteessa mitattu pitoisuus ei merkittävästi lisää syövän syntymisen

todennäköisyyttä pitkäaikaisessakaan altistumisessa. Asetonin pitoisuus oli suhteellisen

korkea, mutta ei tarpeeksi suuri aiheuttaakseen terveyteen tai viihtyvyyteen liittyviä haittoja.

Jälkikäsittelyprosessista vapautui erittäin korkeita VOC-pitoisuuksia. Etenkin 4-metyyli-2-

pentanonin pitoisuus oli kohonneella tasolla (>10 % HTP8h). TVOC-pitoisuus ylitti teollisten

työympäristöjen 90-persentiilin. TVOC- ja isopropanolipitoisuudet saattoivat todellisuudessa

olla suurempia, koska isopropanoli voi läpäistä Tenax-TA-näytteenkeräys-putken. On

kuitenkin otettava huomioon, että kappaleen käsittely kestää vain muutaman minuutin, jolloin

altistumisjakso on erittäin lyhyt. Altistuminen on kuitenkin merkittävää, mikäli useita

kappaleita käsitellään peräkkäin.

On mahdollista, että nesteen fotopolymerisaatiomenetelmään perustuvien 3D-tulostimien

käytöllä voi olla terveydellisiä haittavaikutuksia, mutta ne eivät ole todennäköisiä. Vaikutukset

olla todennäköisimmin kroonisia ärsytysoireita, mutta mahdollisesti myös allergiat, astma ja

hengitystiesairaudet voivat ovat mahdollisia, mikäli altistuminen on pitkäkestoista ja toistuvaa.

Jälkikäsittelyssä puolestaan voi esiintyä aiemmin mainittujen oireiden lisäksi akuutteja ihon,

limakalvojen ja hengitysteiden ärsytysoireita, mikäli suojautuminen laiminlyödään. (Gosavi

ym. 2010 & Savonius ym. 1993.)

70

5.2. MATERIAALIN PURSOTUSMENETELMÄ

Materiaalin pursotusmenetelmässä pölyn ja VOC-yhdisteiden pitoisuudet olivat alhaisella

tasolla, eikä niistä aiheudu todennäköisesti terveydelle erityistä haittaa. VOC-yhdisteiden haju-

kynnyksien ylittymisestä johtuvaa viihtyvyyshaittaa ei myöskään esiintynyt. Sisäilman olo-

suhteet säilyivät tasaisena mittausten aikana, poikkeuksena lämpötilan kohoaminen

muutamalla asteella tulostusprosessien kuumien pintojen seurauksena.

Eri Keeper-liimasta huomattiin vapautuvan pieniä määriä propyleeniglykolia ja dietyleeni-

glykolimonobutyylieetteriasetaattia, joita esiintyi myös kaikkien filamenttien tulostuksen

aikana. Yhdisteiden pitoisuudet olivat yhteydessä tulostuslämpötilaan. Pitoisuudet olivat

huomattavasti korkeampia tulostuksen aikana, kuin erikseen mitattuna, mutta on todennäköistä,

että niiden lähde oli käytetty liima. Täten näitä yhdisteitä ei arvioida tarkemmin. Voidaan

kuitenkin todeta, että liiman käyttö tulostamisen apuna voi lisätä materiaalin pursotus-

menetelmän VOC-päästöjä jopa 20-85 % filamentista, tai todennäköisemmin tulostusprosessin

lämpötiloista riippuen.

Dekametyylisyklopentasiloksaani saattoi olla myös yksi virhelähde etenkin PLA-muovin ja

hiilikuitufilamentin tulostuksessa. Yhdisteen pitoisuus oli koholla ennen tulostusta mitatussa

taustanäytteessä, ja sen pitoisuus laimeni johdonmukaisesti, kunnes ABS-muovin tulostuksesta

eteenpäin sen pitoisuus oli erittäin matala. Täten yhdistettä ei arvioida tarkemmin.

Puukuitufilamenttia tulostettaessa VOC-pitoisuudet poikkesivat suuresti keski- ja loppu-

vaiheessa verrattuna alkuun. Syy vaihtelulle voi selittyä käytetyn tulostimen vaihdolla.

Tulokset olivat osittain yhdenmukaisia aiempien tutkimusten kanssa. Suurimmat ultrapienten

hiukkasten päästöt syntyivät häiriötilanteissa ja tulostetulla materiaalilla oli suuri vaikutus

syntyneisiin hiukkaspitoisuuksiin ja VOC-yhdisteisiin. (Mendes ym. 2017 & Stefaniak ym.

2017.) Hiukkaspäästöjen ja VOC-yhdisteiden pitoisuuksien suuruusluokkaa ei voida suoraan

vertailla suurimpaan osaan aiemmista tutkimuksista, koska tulokset on esitetty eri yksiköissä.

PLA-muovin tulostuksen ultrapienten hiukkasten pitoisuus oli samaa suuruusluokkaa kuin

Stephensin (2016) ja Työterveyslaitoksen (2016b) mittauksissa. VOC-päästöt olivat

nylonmuovin tulostuksen aikana korkeita verrattuna PLA- ja ABS-muovien tulostukseen,

yleisimmän yhdisteen ollessa kaprolaktaami (10-18 %), kuten Azimin ym. (2016)

tutkimuksessakin. ABS- ja PLA-muovien tulostuksen TVOC-pitoisuudet olivat samaa

suuruusluokkaa aiempien tutkimusten kanssa, ja selvästi alle teollisten työympäristöjen

mediaanipitoisuuden, lähellä 25-persentiiliä. Myös formaldehydiä esiintyi matalina

71

pitoisuuksina ja ABS-muovin tulostuksessa vapautui merkittävästi enemmän ultrapieniä

hiukkasia, kuin PLA-muovin tulostuksessa.

Tulokset olivat osittain myös ristiriitaisia aiempien tutkimusten kanssa. Yleisimmät tulostus-

prosessista mitatut VOC-yhdisteet eivät jokaisen filamentin kohdalla vastanneet aiempien

tutkimusten tuloksia. ABS-muovin tulostuksessa ei havaittu lainkaan styreeniä, vaan pääasiassa

kaprolaktaamia (3-10 %). PLA-muovin tulostuksessa ei esiintynyt metyylimetakrylaattia tai

laktidia, vaan jälleen kaprolaktaamia (11-14 %). Syy, miksi styreeniä, metyylimetakrylaattia tai

laktidia ei havaittu on tuntematon. Puukuitufilamentin tulostuksessa aiemmin havaittua

kaprolaktaamia ei myöskään esiintynyt tutkimuksessa, vaan filamentin tulostuksessa vapautui

eniten laktidia (4-16 %).

Materiaalin pursotusmenetelmän tarpeisiin on olemassa lähes rajoittamaton määrä erilaisia

materiaaleja. Tästä syystä tulostusprosessissa voi esiintyä hyvin erilaisia päästöjä ja siten myös

terveydelliset vaikutukset voivat vaihdella suuresti. Pääasialliset terveysvaikutukset ovat

todennäköisesti pitkäaikaisesta altistumisesta johtuvat verenkiertoelimistön rasittuminen ja

mahdolliset keuhkosairaudet (Donaldson ym. 2013), jotka johtuvat yhtäaikaisesta

altistumisesta ultrapienille hiukkasille ja kemiallisille yhdisteille (Hoet ym. 2004.)

Suuttimen lämpötilalla on havaittu olevan merkitys syntyvien ultrapienien hiukkasten määrään,

mutta hiukkasten syntyyn vaikuttaa selvästi myös tulostettava materiaali. Esimerkiksi

hiilikuitufilamentin tulostuslämpötila oli erittäin korkea (suuttimen lämpötila 245 °C), mutta

tulostusprosessissa syntyvien ultrapienien hiukkasten pitoisuudet olivat kaikista vähäisimpiä.

Suuttimen lämpötilan nostaminen todennäköisesti aiheuttaa suurempien ultrapienien

hiukkasten pitoisuuksien syntymisen samalla filamentilla, mutta suuttimen lämpötila ei yksin

vaikuta hiukkasten syntyyn.

5.3. JAUHEPETIMENETELMÄ

Jauhepetimenetelmässä VOC-pitoisuudet olivat erittäin matalia tulostuslaitteiden ulkopuolella.

Laitteiden IV-kanavissakin pitoisuudet olivat kohtuullisia, joten altistuminen VOC-yhdisteille

on menetelmässä vähäistä, eikä vaaraa esiinny, vaikka laitteiden IV-letkut irtoaisivat. Sisäilman

olosuhteet säilyivät pääasiassa tasaisena mittausten aikana, poikkeuksena lämpötilan

kohoaminen muutamalla asteella ja hiilimonoksidin esiintyminen matalana pitoisuutena.

Kappaleiden värjäyksessä ei myöskään esiintynyt terveydelle haitallisia päästöjä.

72

Mittaustulokset ovat yhdenmukaisia Työterveyslaitoksen tutkimuksen (2016b) kanssa.

Tulostusprosessissa havaittiin lämpötilan nousu, ja prosessin aikana esiintyi huomattavan

korkeita ultrapienten hiukkasten pitoisuuksia sekä matalia VOC- ja formaldehydin pitoisuuksia.

TVOC-pitoisuus alitti teollisten työympäristöjen mediaanipitoisuuden ja 25-persentiilin

tulostuslaitteiden ulkopuolella. Tulostusprosessissa ei esiintynyt lainkaan kaprolaktaamia, joka

on tunnettu nylonmuovin hajoamistuote. Yleisimmät tulostuksessa syntyneet yhdisteet olivat

sen sijaan ketoneita (13-54 %) ja silokaaneja (36-51 %).

Formaldehydipitoisuus oli tutkituista menetelmistä suurin, >10 % formaldehydin HTP-arvosta.

Ultrapienten hiukkasten pitoisuus oli merkittävä, pitoisuustason vastatessa tulostuksen aikana

vilkkaasti liikennöidyn tien vartta. Pitoisuus oli ajoittain >50 % Työterveyslaitoksen (2013)

ehdottamasta hiukkaspitoisuuden tavoitetasosta. Mitatut pitoisuudet voivat pitkäaikaisessa

altistumisessa aiheuttaa sydän- ja verenkiertoelimistön ja keuhkojen rasittumisesta johtuvia

terveyshaittoja (Hoet ym. 2004 & Donaldson ym. 2013.)

Jauhepetimenetelmän merkittävin altiste on pöly, jonka pitoisuus oli Työterveyslaitoksen

(2016a) mukaan teollisten alojen keskiarvopitoisuuden tasolla. Pölyaltistuminen on

merkittävintä jälkikäsittelyssä, kun kappaleita puhdistetaan tulostusjauheesta ja kun

tulostusjauhetta valmistellaan tulostuslaitteen käyttöön. Mitatut pitoisuudet voivat aiheuttaa

akuutteja tai merkittäviä terveydellisiä haittavaikutuksia. Orgaanisen pölyn HTP-arvo 5 mg/m3

ylittyi henkilökohtaisissa näytteissä, toisessa lähes kaksinkertaisesti. Näin korkea pölypitoisuus

voi heikentää keuhkojen hapensaantikykyä väliaikaisesti ja aiheuttaa tulehdustilan keuhkoihin,

mikäli altistumista tapahtuu usein pitkällä aikavälillä. Vakavampien keuhkosairauksien, kuten

keuhkoahtaumataudin, syntyminen on tällöin mahdollista. Myös iho-oireet kuten ihottumat ja

ärtyminen ovat mahdollisia, mikäli suojaamaton iho ja tulostusmateriaali kohtaavat.

5.4. MATERIAALIN RUISKUTUSMENETELMÄ

Materiaalin ruiskutusmenetelmän päästöt olivat muista menetelmistä poikkeavia. Ultrapieniä

hiukkasia, pölyä tai aldehydejä ja ketoneita ei esiintynyt tulostusprosessin aikana mitattavina

tai taustapitoisuudesta poikkeavina pitoisuuksina. Sisäilman olosuhteet pysyivät myös

tasaisena mittausten aikana. Tulostuksen aikana mitatut VOC-pitoisuudet olivat puolestaan

erittäin korkeita verrattuna muihin menetelmiin. Tutkimuskohteessa havaittiin myös, ettei

toimistohuoneen ilmanvaihto kykene tehokkaasti puhdistamaan ilmaa siihen vapautuvista

yhdisteistä, sillä taustanäytteissä esiintyi tulostusprosessista vapautuvia yhdisteitä, vaikkei

73

tulostinta oltu käytetty lähes vuorokauteen. Tämä oli yhtenevä havainto Steinlen (2015)

tutkimuksien kanssa, jossa tulostuksesta vapautuvia yhdisteitä havaittiin vielä 20 tunnin jälkeen

heikosti ilmastoidussa huoneessa. Kohteessa havaittiin myös etenkin butyloidun

hydroksitolueenin pitoisuuden kohoaminen tulostustilan ulkopuolella tulostusprosessin aikana,

mikä viittaa vuotoihin tilasta riittämättömän ilman-vaihdon vuoksi.

VOC-yhdisteet aiheuttivat kohteessa viihtyvyyshaittaa, sillä tulostusneste oli varsin pistävän

hajuista. TVOC-pitoisuus oli selvästi koholla. Pitoisuus ylittää teollisten työpaikkojen 25-

persentiilin, sen ollessa ajoittain lähellä teollisten alojen keskiarvopitoisuutta. Pitoisuudeltaan

merkittävin yhdiste oli isobornyyliakrylaatti (71-73 %), jonka terveysvaikutuksiin kuuluu laaja

kirjo erilaisia ärsytysoireita (Sigma-Aldrich 2012.) Muita merkittäviä tulostuksessa syntyviä

yhdisteitä olivat heksahydro-4H-oksireno[3,4]-syklopenta[1,2-b]furan-4-oni (6-7%) ja

butyloitu hydroksitolueeni (3-4 %).

Isobornyyliakrylaatti oli myös jälkikäsittelyprosessissa yleisin yhdiste (61 %). Lisäksi etenkin

butyloidun hydroksitolueenin, joka ei ole erityisen haitallinen yhdiste, pitoisuus (11 %) nousi

huomattavasti. Lisäksi jälkikäsittelyssä havaittiin styreeniä, jota ei esiintynyt tulostusprosessin

aikana. Styreenin toimenpideraja on Sosiaali- ja terveysministeriön (2015) mukaan 40 µg/m3.

Mitattu pitoisuus oli samaa suuruusluokkaa, joten on mahdollista, että toimenpideraja voi

ylittyä tässä prosessissa.

Mitatut VOC-pitoisuudet voivat ovat tarpeeksi korkeita aiheuttamaan terveydellisiä vaikutuksia

sekä viihtyvyyshaittaa. Terveysvaikutuksiin kuuluvat etenkin mahdolliset nopeastikin

kehittyvät limakalvojen ja hengitysteiden ärsytysoireet. Myös krooniset ärsytystilat, allergia,

astma ja keuhkosairaudet kuten keuhkoahtaumatauti, ovat mahdollisia, mikäli altistumista

tapahtuu toistuvasti pitkällä aikavälillä. Lisäksi ihoaltistuminen tulostusnesteille voi aiheuttaa

iho-oireita. (Savonius ym. 1993, Gosavi ym. 2010 & Win-Shwe ym. 2013.) Mittauksessa

havaitut akrylaatti ja styreeni ovat herkistäviä ja voimakkaasti ärsyttäviä yhdisteitä, jotka ovat

todennäköisesti suuressa roolissa terveysvaikutusten kehittymiseen.

5.5. 3D-TULOSTUSMENETELMIEN PÄÄSTÖJEN VERTAILU

Kuten aiemmin mainittiin, eri menetelmien päästötasoja voidaan vertailla vain suuntaa-

antavasti, johtuen mittausten suoritustavasta. Tulosten perusteella materiaalin pursotus-

menetelmän päästöt ovat kohtuullisella tasolla verrattuna muihin menetelmiin, poikkeuksena

häiriötilanteet, joissa ultrapienten hiukkasten päästötasot ovat erittäin suuria. Nämä

74

poikkeustilanteet ovat kuitenkin vain hetkellisiä, jolloin niissä vapautuvia päästöjä ei ole

mielekästä vertailla puhtaisiin tulostusprosesseihin.

Jauhepetimenetelmässä päästöt ovat menetelmälle ominaisia, ja poikkeavat merkittävästi

muista menetelmistä. Menetelmää päästöt ovat pääasiassa vain ultrapieniä hiukkasia ja pölyä,

eikä kemiallisia päästöjä esiinny tulostimien ulkopuolella. Jauhepetimenetelmän pölyn ja

ultrapienten hiukkasten päästötasot ovat kuitenkin merkittävän suuria, jolloin suojautumis- ja

päästöjen vähennystoimenpiteitä tulee hyödyntää.

Nesteen fotopolymerisaatio- ja materiaalin ruiskutusmenetelmässä käytetään samankaltaisia

tulostusnesteitä, jotka voivat sisältää voimakkaasti ärsyttäviä ja herkistäviä yhdisteitä. Näissä

menetelmissä tulee kiinnittää huomiota kemialliseen altistumiseen, joka voi etenkin materiaalin

ruiskutusmenetelmässä ja nesteen fotopolymerisaatiomenetelmän jälkikäsittelyssä olla

merkittävää. Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmässä tulostusprosessin päästötasot olivat

kuitenkin kohtuullisia, verrattavissa materiaalin pursotusmenetelmän tasoon. Havaitut

yhdisteet olivat kuitenkin pääasiassa terveydelle haitallisempia, kuin materiaalin pursotus-

menetelmässä. Materiaalin ruiskutusmenetelmässä VOC-tasot olivat korkeita, ja havaitut

yhdisteet olivat myös osittain terveydelle tunnetusti haitallisia. Tätä menetelmää

hyödynnettäessä tulee kiinnittää erityistä huomiota päästöjen vähentämiseen ja niiltä

suojautumiseen.

5.6. TYÖYMPÄRISTÖN TURVALLISUUDEN PARANTAMINEN

Työympäristön turvallisuutta käsiteltiin aiemmin kirjallisuuskatsauksessa. Tässä kappaleessa

esitellään työn pohjalta yleisiä ja yksityiskohtaisia keinoja vähentää työntekijän altistumista.

Lisäksi kappaleessa esitetään keinoja lisätä työpaikan tulostustyön turvallisuutta erilaisissa työ-

ympäristöissä.

Kaikissa 3D-tulostustöissä tulee perehtyä käytettyihin laitteisiin ja materiaaleihin sekä arvioida

työntekijän altistuminen orgaanisille päästöille. Altistumisen arvioinnin lisäksi tulostustyöt ja

jälkikäsittelytoimenpiteiden tekeminen tulee suunnitella etukäteen ja niiden riskit tulee

tunnistaa. Tulostuslaitteet ja jälkikäsittelytoimenpiteet tulee sijoittaa niille sopiviin pisteisiin.

Ilmanvaihdon tulee olla riittävän tehokas, ja sitä tulee tarvittaessa tehostaa kohdepoistojen

avulla. Työtilojen siisteydestä työntekijän henkilökohtaisesta suojautumisesta täytyy myös

pitää huolta.

75

Nesteen fotopolymerisaatio- ja materiaalin pursotusmenetelmien päästötasot olivat

kohtuullisella tasolla, jolloin erityisiä päästöjen torjuntakeinoja ei välttämättä tarvita. Paras tapa

vähentää altistumista on sijoittaa laite tilaan, jossa työntekijät eivät oleskele, mutta voivat

valvoa tulostusprosessin etenemistä säännöllisesti. Myös laitteiden tiiviillä koteloinnilla

voidaan alentaa päästötasoja merkittävästi. Mikäli tulostus aiheuttaa viihtyvyyshaittaa, tulee

tilan ilmanvaihtoa tehostaa, jolloin työtilan altisteiden pitoisuustasot laskevat. Materiaalin

pursotusmenetelmässä päästöihin voidaan vaikuttaa merkittävästi tulostusmateriaalivalinnoilla

ja korvaamalla tulostusalustaan valettava liima muilla vaihtoehdoilla. Nesteen foto-

polymerisaation jälkikäsittely tulee sijoittaa siten, etteivät käytetyt kemikaalit pääse leviämään

työympäristöön. Paras sijoituspaikka jälkikäsittelylle on vetokaappi, mutta myös kohdepoiston

käyttö työpisteellä on tehokas ratkaisu. Kemikaaleilta suojaavaa hengityssuojainta tulee myös

käyttää, mikäli jälkikäsittelyä ei voida tehdä vetokaapissa.

Jauhepetimenetelmää hyödynnetään pääasiassa teollisen mittakaavan 3D-tulostamisessa.

Laitteiden sijoittaminen tai päästöjen torjuntatoimenpiteiden rahoittaminen eivät usein ole

ongelmia, sillä teollisen mittakaavan tulostamiseen ryhdyttäessä toiminta on todennäköisesti

suunniteltu hyvin, ja taustalla on rahoitusta takaamaan sopivat työtilat. Laitteet tulee sijoittaa

hyvin tuuletettuun halliin tai muuhun tilaan, jolloin tulostusprosessin päästöt eivät rikastu

työtilan ilmaan. Laitteet tulee eristää muista työtiloista mahdollisuuksien mukaan. Haaste on

ennemminkin jauheen käsittelyn sijoittamisessa. Tila, jossa jauhetta ja tulostettuja kappaleita

käsitellään, tulee olla suljettu ja alipaineistettu. Kappaleet tulee myös käsitellä koteloidussa,

kohdepoistollisessa kammiossa, sillä prosessissa vapautuu ilmaan merkittäviä määriä pölyä.

Tulostimien jauhesäiliöitä ja kappaleita käsiteltäessä tulee myös pitää hengityssuojainta.

Materiaalin ruiskutusmenetelmässä tulee kiinnittää erityistä huomiota VOC-yhdisteiden

päästöihin ja niiden suodattamiseen. Tässäkin tapauksessa laite tulee sijoittaa erilliseen tilaan,

jossa työntekijät eivät pääasiallisesti oleskele. Tilassa tulee olla myös tehokas ilmanvaihto tai

kohdepoisto laitteen lähellä, joiden avulla VOC-yhdisteet voidaan tehokkaasti poistaa työ-

tilasta. Kuten työssä havaittiin, toimistotilan ilmanvaihto ei ole riittävä puhdistamaan ilmaa

menetelmän päästöistä. Kemikaaleilta suojaavan hengityssuojaimen käyttö on suositeltavaa,

mikäli tulostuslaitteen lähellä joudutaan työskentelemään pitkäkestoisesti.

3D-tulostaminen yleistyy myös työympäristöjen ulkopuolella, kuten kirjastoissa ja kotioloissa,

laitteiden hintatason laskiessa. Markkinoilla on tarjolla halpoja materiaalin pursotus-

menetelmään pohjautuvia laitteita, ja edulliset nesteen fotopolymerisaatiomenetelmää

76

hyödyntävät laitteet ovat myös yleistymässä. Tällöin 3D-tulostamisen päästöille voidaan

altistua myös etenkin kotioloissa. Kotiympäristössä päästöjen torjuntakeinot ovat haastavia

toteuttaa. Tulostimet tulee sijoittaa tilaan, jossa asukkaat eivät pääasiallisesti oleskele. Myös

ilmanvaihdon tehokkuudesta ja tuuletuksesta tulee pitää huolta tulostusprosessien aikana.

Tulostaminen voidaan ajoittaa myös siten, ettei tulostusprosessin aikana kotona oleskella

lainkaan. Tässä on vaarana tulostusprosessien mahdolliset häiriötilanteet, joissa tulostus-

materiaali voi jopa palaa. Kuluttajien tulee kiinnittää erityistä huomiota käytettäviin

materiaaleihin ja valita vähäpäästöisiä vaihtoehtoja. Myös laitteen- ja materiaalin valmistajien

tulee kantaa vastuuta ja kehittää mahdollisimman vähäpäästöisiä laitteita ja materiaaleja

kuluttajamarkkinoille.

77

6. JOHTOPÄÄTÖKSET

Työperäinen altistuminen 3D-tulostamisen päästöille vaihtelee suuresti riippuen monista

tekijöistä, kuten henkilökohtaisesta suojautumisesta, käytetystä laitteesta ja materiaalista,

tulostimen sijoittelusta, ilmanvaihdosta sekä päästöjen torjuntatekniikan käytöstä.

Ideaalitilanteessa tulostin on sijoitettu erilliseen huoneeseen tai liitetty kohdepoistoon, jolloin

työntekijä ei altistu haitallisille päästötasoille. Empiiristen havaintojen mukaan 3D-tulostimille

ja jälkikäsittelytoimenpiteille ei kuitenkaan usein ole niille suunniteltua sijoituspaikkaa, vaan

toiminta ja laitteet sijoitetaan sinne, minne ne tilan puutteessa mahtuvat, jolloin työperäinen

altistuminen päästöille voi olla merkittävää.

Nesteen fotopolymerisaatiomenetelmässä päästötasot vaikuttavat olevan kohtuullisia. Tätä

havaintoa tukee myös aiempi tutkimustieto. Työssä havaittiin kuitenkin useita tunnetusti

haitallisia yhdisteitä, jolloin terveysvaikutuksia voi esiintyä menetelmää hyödynnettäessä.

Menetelmällä tuotettujen kappaleiden käsittely liuotinaineilla puolestaan vapauttaa ilmaan

VOC-yhdisteitä erittäin korkeina pitoisuuksina, jotka voivat aiheuttaa terveydellistä haittaa.

Näiden havaintojen vuoksi päästöjen vähennystoimenpiteitä tulee hyödyntää nesteen foto-

polymerisaatiomenetelmää käytettäessä.

Materiaalin pursotusmenetelmän päästöt ovat jo hyvin tunnettuja, ja työssä saadut tulokset pää-

asiassa tukivat aiempia havaintoja. Työssä huomattiin kuitenkin tulostuksessa apuna käytetyn

liiman vaikutus syntyviin VOC-päästöihin. Liiman vaihtaminen muihin tartuntapintaa

parantaviin vaihtoehtoihin voi alentaa menetelmän päästöjä merkittävästi.

Myös jauhepetimenetelmässä saadut tulokset tukevat aiempaa tutkimustietoa. Tulostus-

prosessin päästötasot ovat kohtuullisella tasolla, mutta tulostusmateriaalia ja tulostettuja

kappaleita käsitellessä pölyaltistuminen voi olla merkittävää. Henkilökohtaisten suojainten ja

kohdepoistollisten kappaleiden käsittelypisteiden hyödyntäminen voivat alentaa altistumista

huomattavasti, jolloin etenkin keuhkosairauksien todennäköisyys alenee.

Materiaalin ruiskutusmenetelmästä ei ollut saatavilla aiempaa tutkimustietoa. Menetelmän

VOC-päästöjen taso, mukaan lukien eräiden tunnetusti haitallisten yhdisteiden pitoisuus, oli

erittäin korkea, eikä menetelmässä esiintynyt muita terveydelle haitallisia altisteita.

Terveydelliset haittavaikutukset ovat tutkituista menetelmistä todennäköisimpiä materiaalin

ruiskutusmenetelmää hyödynnettäessä, mutta tämän varmistamiseksi tarvitaan lisätutkimuksia.

Todennäköisiin terveysvaikutuksiin kuuluvat etenkin akuutit keuhko- ja ärsytysoireet,

pitkäaikaisessa altistumisessa keuhkosairaudet ja herkistävien yhdisteiden aiheuttamat astma ja

78

allergia (Savonius 1993, Gosavi ym. 2010 & Win-Shwe ym. 2013.) Tätä menetelmää

tutkittaessa havaittiin myös toimistotilan ilmanvaihdon riittämättömyys 3D-tulostamisen

päästöjen torjumiseksi.

Kotioloissa päästöjen torjunta- ja vähennyskeinot ovat vähäisiä, ja tehokkain keino vähentää

altistumista on käyttää vähäpäästöisiä materiaaleja ja laitteita. Tähän asiaan voivat vaikuttaa

lähinnä vain laitteiden ja materiaalien valmistajat. Lisäksi tulostuslaitteita hankitaan yhä

enemmän myös työpaikoille, ja 3D-tulostusyritykset lisääntyvät jatkuvasti, jolloin myös

valmistajien on kannettava vastuu alan turvallisuudesta ja tulostamisen terveellisyydestä.

Työssä saatujen tulosten perusteella etenkin nestemäisiä tulostusmateriaaleja hyödyntäviä

tulostusmenetelmiä tulee tutkia tarkemmin, sillä VOC-yhdisteiden pitoisuudet olivat näissä

menetelmissä korkeimmalla tasolla. Lisäksi saatavilla olevien nestemäisten tulostus-

materiaalien kemiallinen koostumus vaihtelee erittäin paljon ja täten myös syntyvät päästöt

todennäköisesti poikkeavat toisistaan suuresti. Tästä tutkimuksesta ei voida vielä päätellä, mikä

yleinen päästötaso on nestemäisiä tulostusaineita hyödynnettäessä. Myös syntyvien yhdisteiden

ennustaminen on hankalaa, tai mahdotonta. Myös jälkikäsittelymenetelmien päästöjä on tutkittu

vain vähän, ja työn mukaan niissä on omat riskinsä, vaikka prosessit ovat hyvin lyhytkestoisia.

79

LÄHDELUETTELO.

3D Systems 2017. VisiJet M2R-CL Safety Data Sheet.

http://infocenter.3dsystems.com/materials/mjp/visijet-m2r-cl. Luettu 12.4.2018.

3DXTech 2017. CarbonX™ Carbon Fiber Reinforced ABS 3D Filament Technical Data

Sheet.

https://www.3dxtech.com/content/Carbon_Fiber_ABS_Filament_v2.1.pdf. Luettu 31.8.2017.

Alonen A., Alonen L. & Hietikko E. 2016. Lisäävän valmistuksen perusteet. Savonia-

ammattikorkeakoulu, ALVO-hanke.

Afshar-Mohajer N., Wu C-Y., Ladun T., Rajon D. A. & Huang Y. 2015. Characterization of

particulate matters and total VOC emissions from a binder jetting 3D printer. Building and

Environment 93: 293–301.

Azimi P., Zhao D., Pouzet C., Crain N. E. & Stephens B. 2016. Emissions of Ultrafine

Particles and Volatile Organic Compounds from Commercially Available Desktop Three-

Dimensional Printers with Multiple Filaments. Environmental Science & Technology 50:

1260–1268.

Baltauf R. W., Devil R. B., Gehr P., Gianelli R., Hassett-Sippe B., Jung H., Martini G.,

McDonald J., Sacks J. D. & Walker K. 2016. Ultrafine Particle Metrics and Research

Considerations: Review of the 2015 UFP Workshop. International Journal of Environmental

Research and Public Health 13: 1054.

Bártolo P.J. & Gibson I. 2011. Stereolithography: Materials, Processes and Applications.

Springer 2011.

Bego 2018. VarseoWax Cad/Cast. Safety data sheet VarseoWax CAD/Cast.

http://www.bego.com/3d-printing/materials/varseowax-cadcast/. Luettu 11.4.2018.

Bernstein J. A., Alexis N., Bacchus H., Bernstein L., Fritz P., Horner E., Li N., Mason S., Nel

A., Oullette J., Reijula K., Reponen T., Seltzer J., Smith A & Tarlo S. M. 2007. The health

effects of nonindustrial indoor air pollution. Journal of Allergy and Clinical Immunology 121:

585–591.

80

Bours J., Adzima B., Gladwin S., Cabral J. & Mau S. 2017. Addressing Hazardous

Implications of Additive Manufacturing: Complementing Life Cycle Assessment with a

Framework for Evaluating Direct Human Health and Environmental Impacts. Journal of

Industrial Ecology. DOI:10.1111/jiec.12587.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jiec.12587/full. Luettu 8.9.2017.

Brunekreef B. & Holgate S. T. 2002. Air pollution and health. The Lancet 360: 1233–1242.

Canon 2017. Näin Suomi 3D-tulostaa.

https://www.canon.fi/about_us/press_centre/press_releases/business_solutions_news/2h16/3d

_print_finland.aspx. Luettu 5.9.2017.

Clements-Croome D. 2006. Creating a Productive Workplace. Taylor & Francis 2006,

London.

Donaldson K., Duffin R., Langrish J. P., Miller M. R., Mills N. L., Poland C. A., Raftis J.,

Shah A., Shaw C. A. & Newby D. E. 2013. Nanoparticles and the cardiovascular system: A

critical review. Nanomedicine 8: 403-423.

Finnish Rapid Prototyping Association FIRPA ry 2017. Suomessa olevia AM-laitteita.

http://www.firpa.fi/AM_lista_viimeisin.pdf. Luettu 5.9.2017.

Formfutura 2017. EasyWood™ Technical Data Sheet.

file:///C:/Users/sh19967/Downloads/EasyWood%20-%20TDS%20-%20Formfutura.pdf.

Luettu 31.8.2017.

Giang K. 2017. PLA vs. ABS: What’s the difference?

https://www.3dhubs.com/knowledge-base/pla-vs-abs-whats-difference#introduction. Luettu

1.9.2017.

Gosavi S. S., Gosavi S. Y. & Alla R. K. 2010. Local and Systemic Effects of Unpolymerised

Monomers. Dental Research Journal 7: 82-87

Hoet P. H-M., Brüske-Hohlfeld I. & Salata O. V. 2004. Nanoparticles – known and unknown

health risks. Journal of Nanobiotechnology 2:12.

81

Jones A. P. 1999. Indoor air quality and health. Atmospheric Environment 33: 4535–4564.

Kim Y., Yoon C., Ham S., Park J., Kim S., Kwon O., & Tsai P.‐J. 2015. Emissions of

Nanoparticles and Gaseous Material from 3D Printer Operation. Environmental Science &

Technology 49: 12044–12053.

Loughborough University 2017a. About Additive Manufacturing. What is Additive

Manufacturing?

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/whatisam/. Luettu 16.6.2017.

Loughborough University 2017b. About Additive Manufacturing. VAT Photopolymerisation.

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing/vatphoto

polymerisation/. Luettu 16.6.2017.

Loughborough University 2017c. About Additive Manufacturing. Material Extrusion.

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing/materiale

xtrusion/. Luettu 16.6.2017.

Loughborough University 2017d. About Additive Manufacturing. Material Jetting.

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing/materialj

etting/. Luettu 16.6.2017.

Loughborough University 2017e. About Additive Manufacturing. Powder Bed Fusion.

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing/powderb

edfusion/. Luettu 16.6.2017.

Loughborough University 2017f. About Additive Manufacturing. Binder Jetting.

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing/binderjet

ting/. Luettu 16.6.2017.

Loughborough University 2017g. About Additive Manufacturing. Materials.

http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/materials/. Luettu 16.6.2017.

82

Mendes L., Kangas A., Kukko K., Mølgaard B., Säämänen A., Kanerva T., Ituarte I. F.,

Huhtiniemi M., Stockmann-Juvala H., Partanen J., Hämeri K., Eleftheriadis K. & Viitanen A-

K. 2017. Characterization of Emissions from a Desktop 3D Printer. Journal of Industrial

Ecology. DOI 10.1111/jiec.12569.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jiec.12569/full. Luettu 9.6.2017.

Mossman B. T., Borm P. J., Castranova V., Costa D. L., Donaldson K. & Kleeberger S. R.

2007. Mechanisms of action of inhaled fibers, particles and nanoparticles in lung and

cardiovascular diseases. Particle and Fibre Toxicology 4:4.

Persily A.K. 1997. Evaluating building IAQ and ventilation with carbon dioxide. ASHRAE

Transactions 103: 193–204.

Rawal A. 2017. All You Need to Know About Nylon Printing.

https://3dprinting.com/filament/3d-print-nylon-filament-tips/. Luettu 31.8.2017.

Savonius B., Keskinen H., Tuppurainen M. & Kanerva L. 1993. Occupational respiratory

disease caused by acrylates. Clinical & Experimental Allergy 23: 416-424.

Sigma-Aldrich 2012. Material Safety Data Sheet. Isobornyl acrylate.

http://www.smfl.rit.edu/pdf/msds/msds_isobornyl_acrylate.pdf. Luettu 12.12.2017.

Sosiaali- ja terveysministeriö 2015. Sosiaali- ja terveysministeriön asetus asunnon ja muun

oleskelutilan terveydellisistä olosuhteista sekä ulkopuolisten asiantuntijoiden

pätevyysvaatimuksista 545/2015.

Stefaniak A. B., LeBouf R. F., Yi J., Ham J., Nurkewicz T, Schwegler-Berry D. E., Chen B.

T., Wells J. R., Duling M. G., Lawrence R. B., Marting Jr. S. B., Johnson A. R. & Virji M. A.

2017. Characterization of Chemical Contaminants Generated by a Desktop Fused Deposition

Modeling 3-Dimensional Printer. Journal of Occupational and Environmental Hygiene 14:

540–550.

Steinle P. 2016. Characterization of emissions from a desktop 3D printer and indoor air

measurements in office settings. Journal of Occupational and Environmental Hygiene 13:

121–132.

Stephens B., Azimi P., El Orch Z. & Ramos T. 2013. Ultrafine particle emissions from

desktop 3D printers. Atmospheric Environment 79: 334–339.

83

Työterveyslaitos 2012. Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden kokonaispitoisuuden (TVOC)

tavoitetasot teollisten työympäristöjen yleisilmassa.

https://www.ttl.fi/wp-content/uploads/2016/12/TVOC-tavoitetasot.pdf. Luettu 28.7.2017.

Työterveyslaitos 2013. Teollisesti tuotettujen nanomateriaalien tavoitetasoperustelumuistio.

https://www.ttl.fi/wp-content/uploads/2016/12/nanojen_tavoitetasot.pdf. Luettu 27.7.2017.

Työterveyslaitos 2014. Henkilönsuojaimet työssä. Multiprint Oy, Vantaa 2014.

Työterveyslaitos 2015a. OVA-ohje: HIILIDIOKSIDI.

http://www.ttl.fi/ova/hiilidioksidi.html. Luettu 28.7.2017.

Työterveyslaitos 2015b. OVA-ohje: HIILIMONOKSIDI.

http://www.ttl.fi/ova/hiilmono.html. Luettu 28.7.2017.

Työterveyslaitos 2016a. Hengittyvän ja alveolijakeisen pölyn tavoitetasoperustelumuistio.

https://www.ttl.fi/wp-content/uploads/2016/12/hengittyva-ja-alveolijakeinen-poly-

tavoitetaso.pdf. Luettu 27.7.2017.

Työterveyslaitos 2016b. Materiaalia lisäävän valmistuksen (3D-tulostus) kaasu- ja

hiukkaspäästöt eri työvaiheissa.

http://www.julkari.fi/bitstream/handle/10024/131891/Materiaalia%20lis%C3%A4%C3%A4v

%C3%A4n%20valmistuksen%20%283D-tulostus%29%20kaasu-

%20ja%20hiukkasp%C3%A4%C3%A4st%C3%B6t%20eri%20ty%C3%B6vaiheissa.pdf?seq

uence=1. Luettu 11.9.2017.

Työterveyslaitos 2016c. Tietokortti 34: Ohjeita turvalliseen 3D-tulostukseen.

https://www.ttl.fi/wp-content/uploads/2017/01/Ohjeita-turvalliseen-3D-tulostukseen.pdf.

Luettu 12.12.2017.

United States Environmental Protection Agency 2017. Technical Overview of Volatile

Organic Compounds.

https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq/technical-overview-volatile-organic-

compounds#8. Luettu 25.5.2017.

84

Unwin J., Coldwell M.R. & McAlinden J.J. 2013. Airborne emissions of carcinogens and

respiratory sensitizers during thermal processing of plastics. Annals of Occupational Hygiene

57: 399–406.

WHO. World Health Organization. 1989. Indoor air quality: organic pollutants: Report on a

WHO meeting, Berlin, West, 23-27 August 1987. Copenhagen: World Health Organization,

Regional Office for Europe, 1989.

WHO. World Health Organization. 1999. Hazard prevention and control in the work

environment: Airborne dust. WHO/SDE/OEH/99.14.

http://www.who.int/occupational_health/publications/airdust/en/. Luettu 6.9.2017.

Win-Shwe T-T., Fujimaki H., Arashidani K. & Kunugita N. 2013. Indoor Volatile Organic

Compounds and Chemical Sensitivity Reactions. Clinical and Developmental Immunology

2013, 8 pages.

Wohlers T., Campbell I., Diegel O., Kowen J. & Caffrey J. 2017. Wohlers Report 2017.

Wohlers Associates, Inc. 2017.

Wojtyla S., Klama P. & Baran T. 2017. Is 3D printing safe? Analysis of the thermal treatment

of thermoplastics: ABS, PLA, PET, and nylon. Journal of Occupational and Environmental

Hygiene 14: D80–D85.

Yi J., LeBouf R. F., Duling M. G., Nurkiewicz T., Chen B. T., Schwegler-Berry D., Virji M.

A. & Stefaniak A. B. 2016. Emission of particulate matter from a desktop three-dimensional

(3D) printer. Journal of Toxicology and Environmental Health 79: 453–465.