Продолжаем говорить об основных этапах организации аддитивного производства из металлопорошковых композиций по технологии выборочного лазерного сплавления.
В третьей части статьи остановимся на обеспечении безопасности при работе с 3D-принтером.
Первая часть: вспомогательное оборудование
Вторая часть: подготовка цеха
Обеспечение безопасности работы с металлическим 3D-принтером
О безопасности работы на 3D-принтере говорят, пожалуй, чаще всего, ведь оборудование обслуживают люди.
На безопасность влияет:
- печать из реактивных или нереактивных материалов,
- объем бункера с порошком,
- размер частиц порошка,
- подготовка помещения,
- располагающееся рядом оборудование,
- требования по безопасности здания,
- пожарная охрана,
- организация газовой подготовки
и ряд других факторов.
Металлический порошок
Металлическая 3D-печать по LB-PBF технологии предполагает сплавление порошка в каждом слое. Типичные металлические порошки, используемые для лазерного синтеза на подложке, имеют сферическую форму и диаметр от 10 до 45 мкм. При таком маленьком размере частиц определенные сплавы обладают высоким потенциалом к возгоранию и даже взрыву.
Но это еще не все. При отсутствии требуемых СИЗ, вдыхание металлопорошка особо малых фракций может привести к неблагоприятным для здоровья последствиям. С порошком приходится взаимодействовать на протяжении всего рабочего цикла. Начиная от его получения у поставщика и заканчивая очисткой готового изделия от не сплавленных частиц и его утилизацией.
Для исключения оксидирования металлопорошка и продления срока службы его поставляют и хранят в инертной атмосфере. Используются специальные пластиковые контейнеры, банки с завинчивающейся крышкой или модуль подачи порошка в 3D-принтере. Новые и открытые банки лучше хранить в специальном шкафу, который поддерживает оптимальную влажность и температуру.
Процесс лазерного синтеза
Во время 3D-печати порошок сплавляется в твердое тело с помощью лазера. Лазер быстро сканирует маску каждого слоя изделия согласно выбранной стратегии. В технологии LB-PBF это происходит в инертной атмосфере: аргон или азот. Что является источником риска, поскольку данные газы призваны вытеснять кислород из закрытой среды камеры 3D-принтера.
Кроме того, в процессе лазерной плавки металлов образуются продукты сгорания и сажа. Часть их осаждается в рабочей камере, на фокусирующей линзе и фильтре. Частицы дыма могут быть даже мельче, чем сам порошок. Их необходимо тщательно убирать на регулярной основе.
Четыре основных риска, возникающих в процессе лазерного сплавления порошка:
- взрыв и пожар,
- вдыхание порошка и контакт с ним,
- удушье инертным газом,
- воздействие образующихся отходов на окружающую среду.
Рассмотрим каждый из них подробнее.
Взрыв и пожар
Мелкодисперсный металлический порошок реактивных материалов, к которым относятся алюминиевые сплавы, титан и его сплавы, имеет крайне высокий потенциал возгорания при наличии кислорода и источника воспламенения. Риск возгорания уменьшается с увеличением диаметра частиц. Но это оказывает негативный эффект на качестве сплавления. Лазерный луч является высокоэнергетическим источником, который может стать одним из триггеров воспламенения. А наличие кислорода ускоряет процесс возгорания.
Если порошок находится в виде облака пыли, то это уже может спровоцировать взрывоопасную атмосферу, особенно в замкнутом пространстве камеры построения 3D-принтера. Для взрыва порой требуется всего несколько миллисекунд.
Очевидна цель устранения кислорода в камере 3D-принтера путем вытеснения его такими газами, как азот и аргон. Наиболее вероятным источником возгорания является статическое электричество – блуждающие электрические токи.
Помимо лазера возгорание может быть инициировано горячими поверхностями, горячими газами и частицами, механически генерируемыми искрами. По этой причине очень важно соблюдение персоналом всех правил безопасности при работе с легковоспламеняющимися материалами и обеспечение защиты от любого источника воспламенения.
Сертифицированное оборудование предназначено для безопасной работы в среде инертного газа. Однако оператор несет полную ответственность за предотвращение любых источников возгорания при взаимодействии с порошком за пределами камеры 3D-принтера. Не стоит пренебрегать антистатическими браслетами, заземляющими проводами, антистатическими ковриками. Следует вовремя заменять фильтры, утилизировать салфетки и перчатки для уборки внутренних поверхностей 3D-принтера. В соответствии с регламентом прочищать внутренние шланги и валы от скопления порошка.
Если возгорание все-таки произошло, то для защиты от его опасных продуктов, как и в целом при работе с 3D-принтером, необходимо использовать средства индивидуальной защиты. Их выбор обуславливает конкретная ситуация.
Защитная одежда:
- одноразовый комбинезон или халат с длинными рукавами,
- перчатки и антистатический браслет при работе с химически активными металлами,
- токопроводящая обувь.
Стандартные средства индивидуальной защиты:
- респираторы классов FFP1, FFP2 и FFP3,
- нитриловые перчатки,
- защитные очки,
- лицевая маска, если она не интегрирована с респиратором,
- антистатический браслет,
- автономное изолирующее СИЗ органов дыхания с внешней подачей воздуха для дыхания (ИСЗОД)
- огнестойкий костюм, огнестойкие перчатки с длинными манжетами.
Вода и CO2 не являются безопасным выбором для тушения пожаров, вызванных возгоранием металлов. В данных целях используют огнетушители класса D.
Вдыхание порошка и контакт
Наиболее часто используемый порошок в технологии LB-PBF имеет диаметр 15-45 или 10-65 мкм. Физического контакта с порошком следует избегать, поскольку он может вызвать раздражение и дерматит. Серьезную опасность представляет систематическое вдыхание металлического порошка. Чем меньше содержащиеся в нем фракции, тем к более тяжелым последствиям они приводят. Особенно если это мелкодисперсный порошок, близкий к нанометровому размерному ряду. Частицы определенного размера могут откладываться в трахео-бронхиальной области.
Таким образом, работа с 3D-принтером без соблюдения требований безопасности имеет накопительный эффект, который, вероятно, отразится на здоровье в будущем. Частицы размером менее двух микрон могут попасть в альвеолы и вызвать заболевание легких. Более крупные частицы чаще всего выводятся из организма. Но последствия длительного воздействия на человека широкого спектра металлов и сплавов до конца не изучены.
Для исключения риска влияния порошка на органы дыхания необходимо использовать СИЗ. Например, респираторы классов FFP1, FFP2 и FFP3, респираторные фильтры N95/N100.
Необходимо избегать контакта с порошком и всегда пользоваться перчатками при работе с 3D-принтером. Также важно свести к минимуму возможность переноса порошка за пределы оборудования:
- перед началом работы убрать часы, наручные украшения, мобильный телефон,
- по окончании работы снять защитный халат или одноразовый костюм и вымыть руки до локтей,
- установить клейкий напольный коврик при выходе из цеха.
Удушение из-за газа, дыма, пара, недостатка кислорода
Инертные газы используются в лазерных 3D-принтерах для снижения реактивности металла и повышения стабильности работ с высокой безопасностью. В 3D-принтерах по технологии LB-PBF применяют только два вида газа: азот или аргон.
При использовании других аддитивных технологий, например, проволочной WAAM, для разных материалов рекомендуются различные газы и газовые смеси с аргоном, СО2, гелием и даже водородом.
Важно, чтобы помещение, в котором находится оборудование и работает оператор, было достаточно просторным и имело штатно функционирующую систему вентиляции. Человек не может обнаружить ни один из перечисленных выше газов ни визуально ни благодаря обонянию. Потеря сознания или асфиксия из-за газа, дыма, пара, недостатка кислорода, твердых частиц в воздухе не является распространенным явлением в 3D-печати. Тем не менее, длительное пребывание в помещении, обедненном кислородом, может иметь серьезные последствия для персонала.
Человеку для нормальной жизнедеятельности необходимо содержание кислорода в воздухе на уровне 21%. Значения ниже 20% определяются Государственным управлением охраной труда как недостаток кислорода. Минтруд приказом №902н от 15.12.2020 ввел в действие новые Правила охраны труда при работе в ограниченных и замкнутых пространствах (ОЗП). Рабочая зона ОЗП может быть охарактеризована как безопасная для нахождения в нём персонала без автономных изолирующих средств индивидуальной защиты органов дыхания с внешней подачей воздуха или без таковой (ИСЗОД) только в случае, если концентрация опасных веществ не превышает предельно допустимых концентраций в воздухе рабочей зоны. А содержание кислорода не менее 20% объемной доли.
На основании работы газоанализаторов необходима установка специальных датчиков тревоги, которые включают оповещение по достижению критической концентрации отравляющих веществ и кислорода. После чего требуется немедленная эвакуация всего персонала. Верхний предел составляет не выше 23% объемной доли, нижний – не менее 19% объемной доли.
Пользователи оборудования должны знать, где находится запорная арматура для газов, если по какой-либо причине им потребуется ее перекрыть.
Отходы
Металлический порошок после завершения процесса 3D-печати попадает в сухие и влажные отходы.
Сухие отходы – это салфетки, перчатки с порошком и продуктами сгорания. Влажные в основном состоят из воды и взвешенных металлических частиц от влажного сепаратора и УЗ-ванны.
Для реактивных сплавов отходы могут включать фильтрующие картриджи, полностью погруженные в воду. Поскольку отходы содержат металлические порошки, в ответственность компании входит выяснение всех аспектов их комплексной утилизации в регионе (свалка, канализация, переплавка, и т.п.).
Следует запросить у производителя паспорт безопасности материала. Некоторые металлические порошки, например, Ti6Al4V, представляют большую опасность, чем другие. Поэтому при организации производства стоит рассмотреть все сплавы, планируемые для использования.
Имеет смысл заключить договор с компанией по утилизации промышленных отходов, которая будет забирать мусорные контейнеры с определенной периодичностью.
Если вы задумались о печати своей продукции на 3D-принтере, но испытываете сомнения, мы сделаем тестовое изделие, чтобы вы смогли принять окончательное решение. Записаться на тестовую печать можно по электронной почте Stanok@topstanok.ru, через чат на сайте или по телефону: 8 (800) 500-33-91.
Было полезно? 👍
Подписывайтесь на наш канал, чтобы быть в курсе последних новостей мира 3D-печати!
⚙Ваш TopStanok