Вентиляція для безпечної роботи 3D-принтера в кімнаті

З появою 3D-друку з'явилися нові можливості для інженерії, виробництва та творчості. Сьогодні можна надрукувати все — від декоративних елементів і макетів до складних геометричних форм та функціональних деталей із високою точністю. Ця технологія дозволяє швидко перетворювати цифрові моделі у фізичні об’єкти, що зменшує час від ідеї до виробництва до тижня або навіть доби.

Втім, експлуатація 3D-принтера не є абсолютно безпечною, особливо у приміщеннях без належної підготовки. Процес друку передбачає нагрівання та плавлення матеріалів, що завжди супроводжується виділенням у повітря невидимих, але потенційно шкідливих речовин. Важливо не тільки усвідомлювати ці ризики, а й заздалегідь подбати про якісну вентиляцію. Вентиляція для 3D-принтера - це один з необхідних компонентів безпечного робочого процесу, адже вона видаляє такі речовини та забезпечує подачу свіжого повітря.

У цій статті ми розглянемо які шкідливі випари виділяються при роботі різних типів принтерів, який потрібно забезпечити повітрообмін у приміщенні та рекомендації щодо вентиляції, оглянемо вентиляційні системи для цього завдання та наведемо приклад розрахунку вентиляції.

Типи 3D-принтерів та шкідливі речовини, які вони виділяють

Існує кілька різних технологій 3D-друку, і кожна з них має свої особливості – в тому числі щодо виділень у повітря. Розглянемо основні типи 3D-принтерів, які найчастіше використовуються, і що варто про них знати з погляду виділення шкідливих речовин.

FDM/FFF-принтери (ниткові) – найбільш поширений тип для домашнього та офісного використання. FDM (Fused Deposition Modeling), відомий також як FFF (Fused Filament Fabrication), працює шляхом плавлення пластикової нитки-філаменту і пошарового нанесення матеріалу. Такі принтери друкують матеріалами як-от PLA, ABS, PETG, нейлон тощо.

Особливості: процес супроводжується нагріванням пластику до ~200–250°C, тому утворюються пари та ультрадрібні частки пластику. Багато бюджетних принтерів відкриті (без камери), через що випаровування вільно потрапляють у кімнату. Деякі сучасні моделі мають часткові кожухи або фільтри, але повністю проблему вони не усувають.

SLA/DLP-принтери (фотополімерні) – використовують технологію стереолітографії, де рідка фотополімерна смола твердне під дією ультрафіолетового лазера чи LCD-проектора. Такі принтери забезпечують високу деталізацію, популярні серед моделістів і ювелірів.

Особливості: смоли для SLA є токсичними в рідкому стані та виділяють леткі органічні сполуки (ЛОС). Під час друку та особливо при відкритті кришки чи в процесі очищення моделей, у повітря можуть потрапляти випари акрилових сполук. Ці випари не завжди мають різкий запах, проте навіть без запаху вони шкідливі при тривалому впливі. Більшість принтерів закриті кришкою, що затримує частину випарів, але під час роботи у приміщенні все одно потрібна вентиляція.

SLS-принтери (порошкові) – selective laser sintering, технологія лазерного спікання порошків (найчастіше нейлону). Це здебільшого промислові або напівпромислові пристрої.

Особливості: мають повністю закриту камеру, нагріту до високої температури, і потужний лазер, що спікає шар порошку. У ході роботи можуть утворюватися дрібнодисперсні частки порошку та продукти термічного розкладу полімеру. Такі принтери обов’язково оснащуються системами фільтрації та витяжки, оскільки концентрація пилу і хімічних випарів усередині установки дуже висока. В домашніх умовах SLS практично не використовується через складність і вартість, але якщо він все ж встановлений – вимоги до вентиляції будуть ще суворішими, ніж для FDM/SLA.

Інші типи (металевий друк, Binder Jetting тощо) – існують технології друку металевим порошком, рідкими струменевими матеріалами та так далі. В контексті кімнати в житловому приміщенні такі принтери зустрічаються рідко. Вони можуть виділяти дуже небезпечні речовини: наприклад, друк металом утворює мікроскопічний металевий пил, озон та оксиди, які категорично вимагають промислової вентиляції та фільтрації. Якщо ви не в промисловому цеху – імовірно, з такими принтерами ви не зіштовхнетеся. 

Які небезпечні речовини виділяються під час 3D-друку

Незалежно від типу 3D-принтера, необхідно враховувати, що під час його роботи у повітря можуть потрапляти небажані речовини. Така технологія не є “чистим” процесом – в ході друку виділяються ультратонкі частинки (УТЧ) і леткі органічні сполуки (ЛОС).

Ультратонкі частинки (УТЧ) – це нанорозмірні частинки, що утворюються при плавленні або отвердінні матеріалів. Вони настільки малі, що проникають глибоко в легені при вдиханні. Наприклад, під час друку PLA чи ABS в повітря виділяються мікрочастинки пластику і добавок. Навіть PLA, який вважається “біобезпечним” пластиком, виділяє мікрочастинки при плавленні, які можуть осідати в легенях.

Леткі органічні сполуки (ЛОС) – це газоподібні хімічні речовини, що випаровуються з розігрітих матеріалів. До них належать різноманітні випари хімікатів, зокрема ті, що мають різкий запах. Класичний приклад – друк пластиком ABS (акрилонітрил-бутадієн-стирол). ABS при плавленні виділяє помітний запах пластику і диму; було виявлено, що він емісує стирол – сполуку з канцерогенними властивостями. Міжнародне агентство з вивчення раку (IARC) класифікує стирол як імовірний канцероген для людини. Нейлон і PETG при друку також виділяють шкідливі хімічні речовини, особливо при підвищених температурах екструзії.

Концентрація та склад таких викидів залежить від типу принтера, матеріалу друку та навіть налаштувань температури.

Наступний крок – з’ясувати, як правильно організувати вентиляцію і який повітрообмін необхідний, щоб видалити ці небезпечні речовини з повітря кімнати.

Як розрахувати вентиляцію для кімнати з 3D-принтером

Тепер розглянемо як створити необхідний повітрообмін у такому приміщенні та що для цього потрібно. Визначимо рекомендовану кратність повітрообміну — величину, яка визначає скільки разів за 1 годину повітря у кімнаті повинно змінитися під дією системи вентиляції.

Скільки повітря потрібно постачати та видаляти

У світі поки немає строгих будівельних норм спеціально під 3D-принтери (ASHRAE та інші не встановили окремих цифр). Однак профільні організації та дослідники вже напрацювали рекомендації на основі експериментів. Згідно з рекомендаціями відділів охорони праці деяких університетів (наприклад, EHRS Пенсильванського університету та ін.), рекомендована кратність повітрообміну для приміщень з 3D-принтерами становить:

Рекомендована кратність повітрообміну для 3D-друку4 повітрообміни на годину – мінімум для кімнати, де працює один 3D-принтер. Такий рівень вважається достатнім, якщо додатково не використовуються локальні витяжні парасольки для принтера.6 повітрообмінів на годину – бажано, якщо в одному приміщенні працює декілька принтерів одночасно або якщо вони інтенсивно використовуються протягом дня. Більша кількість принтерів = більше випарів, тож потрібен вищий повітрообмін. 8–10 обмінів на годину – такий рівень радять забезпечити у лабораторіях чи майстернях активного 3D-друку. Верхня межа 10 обмінів може бути релевантна, якщо, наприклад, принтер працює майже безперервно, матеріали дуже “димні” (ABS, нейлон) або людям доводиться довго знаходитися поруч.

Приклад розрахунку повітрообміну

Маємо кімнату площею 12 м² і висотою стелі 2.5 м (типова маленька кімната або просторова комора; об’єм повітря ~30 м³).

Встановлено один FDM-принтер для домашнього використання.

Візьмемо мінімальну рекомендовану кратність 4 обміни/год.

Необхідна продуктивність вентиляції = 30 м³ × 4 = 120 м³/год.

Отже, вентиляційна система повинна подавати ≈ 120 м³/год свіжого повітря і видаляти таку ж кількість забрудненого. Якщо принтерів було б два, варто було б розрахувати 6 обмінів: 30 × 6 ≈ 180 м³/год.

Схеми вентиляції

Зараз дуже розповсюджено використання корпусів для принтерів, де розташований патрубок-отвір для витяжного вентилятора. Така локальна витяжна вентиляція дозволяє відводити більшу кількість шкідливого повітря через повітровод назовні на вулицю.

Або просто встановлюють витяжний вентилятор у вікно або витяжний канал, який просто буде викидати повітря з приміщення.

Але така схема може мати деякі недоліки, якщо не подбати про деякі моменти. Якщо повітря інтенсивно витягується з кімнати, воно повинно звідкись надходити взамін. Уявімо, що припливу немає. Тоді витяжний вентилятор швидко створює розрідження, компенсації припливу немає. Він крутиться, але витяжки не відбувається. Якщо це звичайна квартира та ви друкуєте іноді, то можна просто тримати вікно відкритим для компенсації витяжного повітря. 

Також у такому корпусі мають бути отвори для надходження припливного повітря достатніх розмірів, щоб приплив вільно заходив у простір, де працює принтер.

При такій схемі, якщо ваш друк відбувається довгий час або принтерів більше ніж один, така витяжка дуже швидко охолодить приміщення. Обігрівачі або радіатори опалення не зможуть встигати компенсувати ці втрати. Свіже припливне повітря буде постійно надходити через вікна без фільтрації та підігріву. Влітку це може бути запилене або вологе повітря, взимку — холодне.

Для періодичного друку у житловому приміщенні така схема можливо може бути прийнятною, якщо знаєш про всі недоліки, але якщо річ йде про постійний друк, то необхідно подбати про контрольовану та збалансовану механічну припливно-витяжну вентиляцію.

Припливно-витяжна вентиляція

Для забезпечення ефективного повітрообміну у такому приміщенні з 3D-принтером існують два основні підходи до організації механічної припливно-витяжної вентиляції: використання припливно-витяжної установки з рекуперацією тепла або комбінація окремої припливної установки з електронагрівачем та витяжного вентилятора. Кожен з цих варіантів має свої переваги та недоліки, які слід враховувати при виборі системи.

Припливно-витяжна установка з рекуперацією тепла

Припливно-витяжна установка з рекуперацією – це вентиляційний пристрій, всередині якого знаходиться теплообмінник (рекуператор) і два вентилятори: один на приплив, другий на витяжку.

Витяжний вентилятор тягне тепле забруднене повітря з кімнати через рекуператор і викидає назовні; одночасно припливний вентилятор бере свіже холодне повітря з вулиці та проганяє через той самий рекуператор всередину приміщення.

ПеревагиЗбереження енергії. Рекуператор передає більшу частину тепла від вихідного потоку – вхідному, внаслідок чого свіже повітря підігрівається взимку. Така система значно економить витрати на підігрів повітря, особливо при постійній роботі. Наприклад, роторні та пластинчасті рекуператори мають ККД 70–87%.Контрольований повітрообмін. Установка одночасно подає і витягує рівні об’єми повітря, підтримуючи нейтральний або легкий надлишковий тиск. Немає проблеми “де взяти повітря” – система спроектована на потрібну продуктивність. Якщо потрібно 120 м³/год, вона забезпечить їх як на витяжку, так і на приплив. Це гарантує стабільний повітрообмін.Фільтрація повітря. Більшість рекупераційних установок обладнані фільтрами на обох каналах. Наприклад, у продуктах бренду VENTS стоять стандартно змінні фільтри класу G4 на припливі та витяжці. Це означає, що свіже повітря очищується від пилу, комах, сажі перед потраплянням у вашу кімнату, а витяжне повітря фільтрується, щоб сам рекуператор і вентилятори не забруднювалися.Зручне користування та автоматизація. Сучасні ПВУ (приточно-витяжні установки) можуть працювати цілодобово, підтримуючи заданий режим. У них передбачені системи захисту від обмерзання взимку, датчики, пульти керування, різні швидкості. Це зручне, інтелектуальне рішення: ви один раз налаштовуєте потрібний режим – і система самостійно вентилює приміщення, поки друкуєте.

НедолікиВисока вартість рішення. Головний недолік цієї схеми це висока вартість обладнання. Системи з рекуперацією – технологічно складніші та коштують дорожче, ніж прості вентилятори. Необхідно інвестувати в саму установку, її монтаж (прорізання стіни, встановлення повітропроводів, якщо це канальна система).

Для прикладу, компактна установка на 300–400 м³/год може коштувати півтори тисячі доларів, а більш потужні системи – ще більше. Однак треба врахувати, що ця інвестиція окупається економією на енергоносіях протягом опалювального сезону.

Окремий витяжний вентилятор + припливна установка (без рекуперації)

Це роздільна система, де за видалення повітря відповідає витяжний вентилятор, а за подачу свіжого – припливний пристрій. На відміну від рекуператора, між припливом і витяжкою немає теплообміну. Тому щоб не перетворити кімнату на холодильник взимку, припливне повітря нагрівають електричним або водяним нагрівачем.

Витяжний вентилятор. Це може бути канальний вентилятор у повітроводі, або настінний/віконний вентилятор, що викидає повітря назовні. Важливо вибрати вентилятор з продуктивністю не меншою за розрахункову потребу.

Припливна установка. Простіше кажучи – це ізольований корпус, у якому розміщені: вентилятор для подачі повітря, фільтр, нагрівач та система автоматики. Припливне повітря береться ззовні, проходить через фільтр, потім через нагрівач (щоб підняти температуру до комфортної) і далі подається в кімнату через повітровод та решітки.

Є компактні моделі припливних пристроїв. У лінійці бренду VENTS це серія МПА, яка має різні діаметри підключення та потужності нагрівача. Зазвичай припливна установка має пульт або регулятор, де можна задати температуру повітря, швидкість вентилятора.

 У якості припливної системи, як альтернатива, може бути поєднання вентилятора, фільтра та нагрівача з регулюванням потужності. Це так звана набірна система припливної вентиляції, коли ви окремо підбираєте кожний елемент.

Окремі елементи часто коштують дешевше, ніж єдиний блок. Якщо бюджет обмежений, можна стартувати хоча б з витяжки + елементарного припливного каналу з вентилятором (навіть без нагрівача на перший час, якщо клімат теплий або планується використання влітку). Таке рішення більш модульне: наприклад, вже є витяжка у стіні – додали до неї короб припливу. Або спершу встановили вентилятор, переконались що без нагріву холодно – додали нагрівач.

НедолікиГоловний недолік цієї схеми — витрати енергії у холодну пору року на підігрів припливного повіря. Щоб повітря, яке зайшло ззовні, нагріти до комфортної температури, треба затратити додаткову електроенергію (або теплоносій, якщо приплив з водяним нагрівачем).

Наприклад, при -5°C на вулиці та бажаних +20°C в кімнаті нагрівач має підняти температуру на 25°, проганяючи 120 м³/год. Це близько 1.0–1.5 кіловат теплової потужності безперервно. За кілька годин друку це 1-2 кВт·год електроенергії витратиться тільки на вентиляцію. За цілий день – вже 10+ кВт·год, що суттєво збільшує рахунок за електрику. В системі з рекуперацією цю енергію ми б майже повністю зберегли.

Таким чином, роздільна вентиляція при однакових параметрах використання програє 5 разів за енергоефективністю. У холодному кліматі це може стати фінансово невигідно в довгостроковій перспективі.

Така схема може бути виправданою, якщо:

• бюджет обмежений;
• 3D-принтери використовуються епізодично (наприклад, кілька годин на тиждень, а не щодня), тому втрати тепла не критичні;
• приміщення саме по собі потребує вентиляції також для інших потреб.

У такому разі роздільне рішення розв'язує проблему шкідливих випарів: забезпечує належний обмін та видалення забруднень

Використання локальної витяжної системи

Окремо хочемо зазначити, що використання витяжних корпусів зі своїм витяжним вентилятором дозволяє уловлювати шкідливі речовини безпосередньо біля джерела та якщо у вас є така можливість, краще обладнати кожен принтер таким пристроєм або витяжною парасолею. Це збільшує ефективність вентиляції.

Якщо це декілька принтерів, то можна використовувати один витяжний вентилятор на всі такі витяжні корпуси. Тоді для регулювання кількості повітря, яке буде витягуватися від кожного принтеру, встановлюється дросель-клапан на повітроводі, який під'єднується до кожного такого корпусу.

Також радимо встановити один витяжний вентилятор для загальнообмінної вентиляції у приміщенні, який буде забирати повітря під стелею через решітки. Звісно має зберігатися баланс між загальною витяжкою та припливом.

Як ми з’ясували, 3D-друк супроводжується виділенням ультратонких частинок і летких органічних сполук, що небезпечно для здоров'я людини. Тому головне завдання — організувати цілеспрямоване видалення забрудненого повітря та подачу очищеного свіжого.

Рівень повітрообміну слід добирати за інтенсивністю роботи. Базовим орієнтиром для кімнати з одним принтером є приблизно чотири обміни на годину — цього достатньо при помірному або епізодичному друці. Якщо ж друк триває довго, виконується щоденно, використовується «димний» пластик на кшталт ABS чи нейлону, працює кілька принтерів або люди постійно перебувають поруч, доцільно підвищувати кратність до 8–10 разів на годину.

Коли йдеться про невелику кімнату й один принтер, що вмикається рідко, мінімально прийнятним рішенням може бути витяжний вентилятор у парі з відкритим вікном для компенсації припливу. Це не позбавлене недоліків — немає фільтрації припливу, можливі протяги й тепловтрати, — але для разових завдань працює.

Якщо друк відбувається частіше, варто додати керований механічний приплив: встановити припливну систему з фільтрацією та електронагрівачем і узгодити її роботу з витяжним вентилятором. Так ви отримаєте стабільний баланс повітря без холодних підсмоктувань і різких перепадів комфорту.

За щоденного або інтенсивного друку оптимальним рішенням стане збалансована припливно-витяжна система, бажано з рекуперацією тепла. Вона одночасно й безперервно видаляє шкідливі речовини, подає очищене повітря і суттєво економить енергію взимку, забезпечуючи стабільний мікроклімат і комфорт для тривалої роботи. 

Правильно розрахована, змонтована та працююча припливно-витяжна вентиляція зробить вашу роботу з 3D-принтером безпечною і приємною. Ви зможете друкувати годинами без запаху гарячого пластику чи смоли, без хвилювань за своє здоров’я. Інвестиція у таку вентиляцію – це необхідність для вашого захисту!