混合工作场所中增材制造对室内空气质量的影响

《Buildings》：Indoor Air Quality Implications of Additive Manufacturing in Hybrid Workplaces

　　

增材制造（AM）技术正越来越多地被整合到工作环境中，使得生产与办公活动在混合工作场所中共存的情况更加普遍，并引发了人们对共享或相邻工作场所环境中室内空气质量（IAQ）的担忧。尽管已有研究考察了与AM过程相关的排放物，但对生产与办公功能共享同一室内环境的混合工作场所中的IAQ状况关注有限。本研究通过实时环境监测和员工感知分析，调查了混合工作场所中选定的粉末床熔融（PBF）和槽光聚合（VP）操作相关的IAQ状况。现场实验在印前、打印、印后和后处理阶段进行。研究人员开发了两款定制仪器：室内网络化空气感知生态系统（INBASE）和室内空气质量投票仪（AIRPOLL），用于监测颗粒物（PM）、挥发性有机化合物、甲醛、苯（C₆H₆）、乙醇（C₂H₅OH）、二氧化氮（NO₂）、二氧化碳（CO₂）、氧气（O₂）并收集员工反馈。研究结果表明，污染物浓度因工艺类型、操作阶段和监测空间而异。在生产空间中观察到了更高浓度的污染物，特别是挥发性有机化合物，而大多数其他参数保持在参考值范围内。员工反馈表明，在办公空间的感知较为积极，而在生产空间的担忧更大。研究结果支持了在集成AM的混合工作场所中进行通风、空间分离和持续监测的重要性。

研究背景与意义：随着工业4.0的发展，增材制造（AM）技术被广泛引入工作场所，使得生产与办公活动在混合工作场所中共存。然而，这也引发了室内空气质量（IAQ）的担忧。尽管针对AM排放物已有研究，但对于生产与办公功能同处一室的混合工作场所，其IAQ状况的研究仍显不足。由于污染物可能跨越生产区域影响非生产人员，传统空间分离和通风策略是否足够尚不明确。为此，研究人员在一处375 m²的AM设施中开展了研究，该设施结合了粉末床熔融（PBF）与槽光聚合（VP）操作。研究表明，污染物浓度因工艺、阶段和空间而异，生产空间的挥发性有机化合物浓度较高，而办公空间相对稳定。研究强调了通风、空间分离与持续监测的重要性。该论文发表在《Buildings》期刊上。

关键技术方法：研究人员在真实运营的混合工作场所中开展了实地实验，涵盖PBF-SLM、PBF-SLS及VP-SLA三种工艺的操作阶段。关键技术手段为开发并部署了两款定制仪器：室内网络化空气感知生态系统（INBASE）与室内空气质量投票仪（AIRPOLL）。INBASE基于物联网多传感器阵列，用于实时监测PM_1.0、PM_2.5、PM₁₀等参数。AIRPOLL用于实时收集员工对感知IAQ的匿名投票反馈。实验使用了钛合金（Ti-6Al-4V）、钴铬合金粉末、Nylon 12粉末及标准灰色树脂等材料。

研究结果：
4.1. Field Experiments for Powder Bed Fusion—Selective Laser Melting
研究人员通过INBASE和AIRPOLL在PBF-SLM操作期间进行监测，使用Ti-6Al-4V和钴铬合金粉末。结果表明，生产空间除TVOC外其余参数均在参考阈值内，办公空间所有参数均达标。生产空间在打印和印后阶段TVOC升至2级，瞬时峰值达3级。办公空间员工感知积极，而生产空间感知随TVOC上升由好变差。

4.2. Field Experiments for Powder Bed Fusion—Selective Laser Sintering
研究人员通过对使用Nylon 12粉末的PBF-SLS操作进行监测发现，两空间多数污染物低于参考值。生产空间打印阶段TVOC达2级，办公空间在打印、印后及后处理阶段达2级，瞬时峰值达3级。员工反馈显示生产与办公空间感知均在中上水平。

4.3. Field Experiments for Vat Photopolymerization—Stereolithography
研究人员通过对使用标准灰色树脂的VP-SLA操作进行监测发现，生产空间后处理阶段由于使用异丙醇洗涤，TVOC平均浓度达4级，瞬时峰值超5级；C₆H₆和C₂H₅OH通道也有响应。办公空间TVOC维持1级。生产空间员工感知降至中性以下，办公空间感知正面。

4.4. Case-Based Comparison of Monitored AM Operations and Discussion
研究人员通过跨工艺对比表明，TVOC是唯一持续超标的参数。VP-SLA后处理TVOC最高（4级），PBF-SLM和PBF-SLS为2级。员工评分在生产空间TVOC峰值高且缺乏过滤设备的工艺中下降明显，办公空间保持稳定。该结论与以往研究中Damanhuri et al.、Zisook et al.及V?is?nen et al.关于材料处理和后处理导致排放增加的发现一致，差异源于材料与通风条件不同。

4.5. Implications for Hybrid Workplace Design and Monitoring
研究人员指出研究结果对混合工作场所设计具有实际意义，建议将制造活动封闭在专用房间并设缓冲区，针对生产及后处理区域进行分区通风与局部排风，并强调需进行持续IAQ监测并结合员工反馈。

总结讨论与结论部分：研究结论指出，在所监测的AM集成混合工作场所中，PM_2.5、PM₁₀、甲醛、CO₂和O₂均在参考值内。C₆H₆、C₂H₅OH和NO₂仅在VP-SLA生产空间出现。TVOC表现出最明显的阶段依赖性变化，生产空间TVOC浓度较高，而办公空间相对稳定且获正面感知。尽管因非同时监测无法直接证实污染物转移，但观察结果支持进行设施调整，包括空间组织（封闭制造室、缓冲区）、改善通风（局部排风、负压遏制）以及鼓励使用个人防护装备等预防策略。研究局限性在于实地实验在单一设施中进行且无独立重复试验，低成本传感器未经参考级仪器验证，且未量化评估通风性能。