24.05.2022 - 3D-Drucker halten in Schulen und Kindergärten Einzug

Die Risiken müssen klar benannt werden -

Im Jahr 2010 kamen die ersten 3D-Drucker für den Heimbedarf auf den Markt und seither nimmt das Interesse an dem Druckverfahren stetig zu. Mittlerweile wird nicht nur in Schulen, sondern auch in Kindergärten mit der Technik experimentiert. 3D-Drucker geben während des Druckvorgangs Schadstoffe und Partikel in unterschiedlicher Größe in die Raumluft ab und Teile des Druckers werden sehr heiß. Deshalb müssen die Verantwortlichen entsprechende Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, z.B. regelmäßig lüften, den Drucker nicht in Aufenthaltsräume stellen, auf die Verbrennungsgefahr durch heiße Düsen und die heiße Bauplattform hinweisen und die Kinder auf die Gefahr von Quetschungen durch bewegliche Teile aufmerksam machen. Die deutsche Gesellschaft der Unfallversicherungen (dguv.de) rät eindringlich dazu, Kinder nicht ohne Aufsicht an die Geräte zu lassen und Räume mit der Druckereinrichtung stets zu verschließen.

So funktionieren 3D-Drucker

Voraussetzung ist ein fertiger "Bauplan" für das zu erstellende Werk. Im Profibereich nutzt man dafür CAD-Programme, um ein virtuelles, dreidimensionales Modell zu erstellen. Im Konsumentenbereich sind einfachere Programme (Apps) wie z.B. TinkerCad erhältlich. Der Drucker übernimmt den Bauplan und erstellt aus einem schmelzfähigen Kunststoff in dünnen Schichten von 0,2 bis 1,2 Millimetern das Werkstück. Der Druckvorgang kann je nach Komplexität der zu formenden Figur dreißig Minuten oder mehrere Stunden dauern. Das Basismaterial bezeichnet man als "Filament". Der Name leitet sich aus dem Lateinischen ab und bedeutet Fadenwerk. So werden in der Tat für jeden Drucker fadenförmige Kunststoffe auf Rollen gepackt. Je nach Material entstehen an der Düse Temperaturen zwischen 180 und 250 Grad Celsius. Davon abhängig ist auch der Stromverbrauch für den Druckprozess. Fachleute bezeichnen das Verfahren als FDM (fused deposition modeling) oder FFF (fused filament fabrication). Übergeordnet wird der 3D-Druck als "additives" Verfahren bezeichnet, weil eben eine Schicht der anderen Schicht zugefügt wird.

Messungen an Arbeitsplätzen bestätigen hohen Partikelausstoß

Das IFA-Institut in Sankt Augustin hat mit einem 3D-Tischgerät Druckvorgänge mit sieben verschiedenen Filamenten untersucht. Während des Druckvorgangs von jeweils drei Stunden wurden in der Druckerkammer VOC- und Aldehydkonzentrationen gemessen und die Partikelanzahl mit einem Kondensationspartikelzähler (CPC) gezählt. Der Summenwert der leichtflüchtigen Stoffe (TVOC) in der Kammer wurde auf eine gängige Bürogröße gemäß Arbeitsschutzrichtlinien (ASR A1.2) umgerechnet. Sämtliche TVOC-Werte lagen unter dem Richtwert I der Innenraumkommission des Umweltbundesamts. Der Maximalwert für Styrol betrug in der Kammer 0,21 mg/m³, umgerechnet auf den Büroraum 0,012 (Vergleich RW I: 0,03). Der Partikelausstoß war bei allen Druckvorgängen sehr hoch. Dabei unterschieden sich die gängigsten Filamente beträchtlich: Die Verwendung von PLA (Polyactide=Polymilchsäure) erbrachte einen Ausstoß von 7,5 Millionen Partikel; ABS (Acrylnitrit-Butadien-Styrol) "schaffte" es auf 3,4 Milliarden Partikel. Einen wichtigen Hinweis geben die Prüfvorgänge des Instituts für Arbeitsschutz auch hinsichtlich der Temperatur während des Druckvorgangs: Je höher die Verarbeitungstemperatur für die einzelnen Kunststoffe war, umso mehr Partikel wurden in Luft abgegeben.

Ultrafeine Partikel setzen Zellen unter Stress

Mit dem Ausstoß von Partikeln aus Konsumer-3D-Druckern setzte sich im Jahr 2019 das Institut Environmental Science Technology in Georgia (USA) auseinander. Hauptsächlich interessierten sich die Forschenden für den Einfluss von Partikel auf lebende Zellen. Untersucht wurden die Unterschiede bei den Filamenten PLA und ABS (Definition siehe oben). ABS-Filamente setzten wesentlich mehr Partikel frei als PLA-Filamente. Eine Untersuchung im Rasterelektronenmikroskop (REM) zeigte aber, dass die aus PLA emittierten Partikel mit 50 Nanometern im Durchschnitt kleiner waren als die aus ABS-Filamenten emitierten Stoffe (100 nm). Erkannt wurde zudem, dass neben dem Hauptfilament auch Additive die Partikelbildung beeinflussen können. So findet man in den Filamenten beispielsweise Zusätze auf metallischer Basis (Kupfer, Stahl, Nickel), Holzbestandteile oder Faserelemente in Nanogröße. Bei Zelltests mit Mäusen zeigten sich allesamt toxische Reaktionen, wenn sie PLA- und ABS-emittierten Partikeln ausgesetzt waren, wobei PLA-emittierte Partikel bei vergleichbaren Massendosen höhere Reaktionswerte auslösten als ABS-emittierte Partikel. Die Toxizitätsreaktionen hängen möglicherweise nicht nur mit der Dosis und den chemischen Eigenschaften der Partikel zusammen, sondern auch mit der Partikelgröße und ihrer Fähigkeit, in Zellen und Gewebe einzudringen. So ergibt sich folgendes Fazit des Forscherteams: die Ergebnisse des Projekts deuten darauf hin, dass die Partikelemissionen von 3D-Druckern nicht harmlos sind und die Exposition minimiert werden sollte.

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Forderung nach zertifiziertem Material und sicheren Arbeitsbedingungen

3D-Drucker für Endverbraucher emittieren ultrafeine und feine Partikel, über deren chemische Zusammensetzung und potenzielle Toxizität nur wenig bekannt ist. Die Emissionen hängen von vielen Faktoren ab, z. B. von der Druckermarke, dem Filamentmaterial, der Filamentfarbe, der Schmelztemperatur und der Vorschubgeschwindigkeit während des Druckvorgangs. Die chemische Zusammensetzung der Partikel ist jedoch nicht gut deklariert, und auch die Toxizität ist ungewiss. Auch das Bundesamt für Risikobewertung (BfR) bestätigt, dass es bisher zu wenige verlässliche Informationen zu möglichen gesundheitlichen Folgen gibt und sieht hier einen Forschungsschwerpunkt. Gütesiegel werden dringend benötigt. Ein Tätigkeitsfeld für den Blauen Engel zeichnet sich bereits ab. Über die Qualität der Filamente und Additive hinaus werden bereits Drucker mit Einhausung und Absaugung angeboten. Gerade für den Einsatz in Schulen und Kindergärten sollten die Mehrkosten für ein sicheres Druckersystem keine Rolle spielen. Keineswegs harmlos sind auch die Heißklebestifte für Kinder. Das enthaltene Filament wird durch Stromzufuhr oder per Batterie erhitzt und dann auf die Unterlage ausgebracht. Die Temperaturen können bis 150 Grad Celsius erreichen und die Emissionen aus dem Schmelzmaterial erfolgen in unmittelbarer Nähe von Nase und Mund der Kids.