Arbeitsschutz beim Einsatz von 3-D-Druckern

Beim 3-D-Druck wird aus einem dreidimensionalen digitalen Modell ein physisches Objekt hergestellt.

Additives Verfahren für den 3-D-Druck

Beim Einsatz des 3-D-Drucks in Industrie und Wirtschaft wird auch oft vom additiven Verfahren oder „Additive Manufacturing“ gesprochen, bei der privaten Heimanwendung in der Regel nur einfach von 3-D-Druck. In allen Fällen handelt es sich um Verfahren, bei denen zur Erzeugung eines bestimmten Objekts Druckmaterial Schicht für Schicht aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Objekt zu schaffen. Insbesondere pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren mit den Werkstoffen Metallpulver und Kunststoffpulver haben sich bereits in vielen Industriebereichen durchgesetzt. 

Grundprinzip der 3-D-Druckverfahren

Auch wenn es unterschiedliche Methoden des 3-D-Druckes gibt, ist das Grundprinzip (vereinfacht) stets relativ ähnlich. Von einem geplanten dreidimensionalen Objekt wird eine Datei zumeist mittels einer speziellen Software erstellt. Diese Datei wird an den Drucker übertragen, der den Werkstoff, zumeist Kunststoff- und Metallpulver, Kunstharze und Keramiken, schichtweise und hauchdünn so aufträgt, wie von der Datei vorgegeben. Nach jeder einzelnen Schicht wird das Druckmaterial gehärtet, nach der letzten Schicht ist das gewünschte Objekt fertig.  Der gesamte Prozess wird über den angeschlossenen Computer gesteuert.

Risiko 1: Partikel-Emissionen

Beim Einsatz von 3-D-Druckern kann es zu gesundheitlichen Risiken für die Anwender kommen. So unter anderem bei der Luftbelastung durch Emissionen. Diese können vor allem bei dem vielfach in Unternehmen angewandten FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling, deutsch: Schmelzverfahren auf Kunststoffbasis) auftreten. Dabei wird als Druckmaterial Filament verwendet, was entweder aus dem Terpolymer ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) oder dem Polyester PLA (Polyactide oder auch Polymilchsäuren) besteht.

Beim Druckvorgang, dies haben Studien bewiesen, kann es in geschlossenen Räumen zu erhöhten Konzentrationen mit ultrafeinen ABS- und PLA-Partikeln kommen, die in hoher Konzentration Gesundheitsschäden verursachen können. Bei der Emission von ABS-Partikeln spricht man von Styroldämpfen.

Neuere 3-D-Drucker-Modelle, wie sie in den Unternehmen eingesetzt werden, verfügen zwar über Filter- und Abluftsystemen sowie Abdeckungen, die einen Partikelemission weitgehend unterbinden können.  Bei vielen der kleineren handelsüblichen Drucker (zumeist für den Heimanwender-Gebrauch) dagegen können die Partikel ungehindert emittieren und sich in der Umgebungsluft des Druckers in Form von Stäuben anreichern.

Bei Arbeiten mit Stäuben muss mindestens der allgemeine Staubgrenzwert eingehalten werden. In Deutschland gibt es zwei Grenzwerte für den allgemeinen Staub in der Luft am Arbeitsplatz. Für den einatembaren Staub liegt dieser bei 10 mg/m³ und für den feinstaubigen Alveolarstaub bei 1,25 mg/m³.

Laut Untersuchungen der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) aus dem Jahr 2021 wurden die Arbeitsplatzgrenzwerte in den zehn untersuchten Betrieben beim Einsatz von Kunststoffpulvern fast immer eingehalten. Hingegen kam es beim Einsatz von Metallpulvern mehrfach zu Überschreitungen der zulässigen Werte von metallischen Bestandteilen der Legierung im Staub. 

Risiko 2: Hautreizungen und allergische Hautreaktionen

Die bei einigen 3-D-Druckverfahren verwendeten Flüssigharze können Haut und Augen reizen. Auch Allergien können durch sie ausgelöst werden. Hinzu kommt für hautsensible Anwender eine weitere Gefährdung: Nach dem Drucken werden die zunächst leicht zerbrechlichen Objekte mit Hilfe von Sekundenklebern und mittels des sogenannten Tauchverfahrens stabilisiert. Insbesondere bei diesen Vorgängen ist besonders darauf zu achten, dass es nicht zu einem unmittelbaren Hautkontakt kommt, beispielsweise indem Schutzhandschuhe getragen werden.

Risiko 3: Brandgefahr durch Strom

Beim Betrieb eines 3-D-Druckers fließen Ströme von teilweise mehr als 10 Ampere. Besonders große Stromspannung findet sich im beheizbaren Druckbett, das sogenannte Heizbett (Heatbed). Zwar stellen auch diese Stromgrößen an und für sich keine größere Gefahr für Menschen dar, aber aufgrund von zu geringen Kabelquerschnitten, zu lockeren Verbindungen an Lötverbindungen, Schrauben und Klemmen sowie unterdimensionierten Streck- und Schraubverbindungen können Brände ausgelöst werden.

Risiko 4: Brandgefahr durch hohe Temperaturen

Sehr hohe Temperaturen können insbesondere beim Betrieb der Düse entstehen, wobei Temperaturen von über 270 Grad erreicht werden können. Beim Berühren der Düse kann es daher zu Verbrennungen kommen.

Weiterhin besteht die Gefahr, dass sich Kunststoffteile, Kabel und andere Objekte im näheren Umfeld der Düse entzünden oder anbrennen. Die Brandgefahr bei der Düse ist dann besonders groß, wenn der Temperaturregler versagt oder wenn es zu Kurzschlüssen und Wackelkontakten kommt.

Sicherheit im Umgang mit 3-D-Druckern

Folgende Sicherheits- und Schutzmaßnahmen sollten bei der Anschaffung und beim Arbeiten mit 3-D-Druckern beachtet werden:

• Bereits vor dem Kauf eines 3-D-Druckers sollte der Platzbedarf des 3-D-Druckers genau berechnet sein, denn ein Mindestabstand zu Mitarbeitern und anderen Arbeitsmitteln im Raum sollte auf jeden Fall eingehalten werden. Hierbei sind insbesondere die Abmessungen des Druckbereichs entscheidend. Je größer die Objekte sind, die man drucken will, umso mehr freier Raum ist um den Druckbereich herum einzuplanen.
• Sowohl die Position des 3-D-Druckers im Raum als auch seine technischen Ausstattungen und Eigenschaften sollten wichtige Bestandteile der Arbeitsplatzanalyse im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung sein.
• Beim Einsatz im Unternehmen sollten ausschließlich 3-D-Drucker verwendet werden, die über geeignete Belüftungs- und Absaugeeinrichtungen verfügen. Dadurch kann sich nachweislich keine gesundheitsschädliche Partikelkonzentration im Raum bilden.
• Unternehmen sollten aufgrund der beim Druckvorgang entstehenden hohen Temperaturen unbedingt Drucker mit Einhausungen betreiben. Verfügt der Drucker über keine Einhausung, sollten sich während des Druckvorgangs keine Gegenstände oder Menschen im unmittelbaren Umfeld des Druckers befinden bzw. aufhalten. In jedem Fall, auch bei Modellen mit Einhausungen, sollten ein Rauchmelder und ein Feuerlöscher in nächster Nähe des Geräts angebracht sein.
• Beim pulverbettbasierten Verfahren, das in der Industrie das meistangewandte Verfahren darstellt, sollten offene Schüttvorgänge vermieden werden. Die Geräte sollten standardmäßig mit integrierter Pulverzufuhr und -absaugung sowie Handschuhkästen ausgestattet sein. Werden Störungen bei der Fertigung beseitigt, sollte filtrierender Atemschutz getragen werden. 
• Grundsätzlich müssen bei Verfahren, die Druckmaterialien in Pulverform verwenden, von den am Drucker arbeitenden Beschäftigten Schutzhandschuhe getragen werden. Diese sollten staubdicht und bezüglich des eingesetzten Materialpulvers chemikalienbeständig sein, d. h. möglichst aus Naturlatex, Polychloropren, Nitrilkautschuk, Butylkautschuk, Fluorkautschuk und Polyvinylchlorid bestehen. Stoff- oder Lederhandschuhe dürfen auf keinen Fall verwendet werden.

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