Beim 3D-Druck mit Kunststoffen entstehen in der Industrie vor allem ultrafeine Partikel und flüchtige organische Verbindungen (VOC). Diese Emissionen werden durch das Aufschmelzen von Kunststofffilamenten freigesetzt und können bei unzureichender Absaugung eine ernsthafte Gesundheitsgefahr für Beschäftigte darstellen. Der folgende Artikel beantwortet die wichtigsten Fragen zu Schadstoffen, Risiken und Schutzmaßnahmen beim industriellen 3D-Druck mit Kunststoffen.
Welche Schadstoffe setzt schmelzbasierter Kunststoffdruck frei?
Schmelzbasierter Kunststoffdruck, insbesondere das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling), setzt beim Aufheizen und Extrudieren von Kunststofffilamenten zwei Hauptkategorien von Schadstoffen frei: ultrafeine Partikel (UFP) mit einem Durchmesser unter 100 Nanometern sowie flüchtige organische Verbindungen (VOC). Beide entstehen direkt an der Düse und verteilen sich schnell in der Raumluft.
Der Prozess ähnelt in seiner Emissionscharakteristik thermischen Prozessen wie dem Löten oder Schweißen von Kunststoffen. Sobald das Filament auf Temperaturen zwischen 180 °C und über 260 °C erhitzt wird, beginnen Kunststoffmoleküle sich zu zersetzen. Dabei entstehen neben Partikeln auch gasförmige Abbauprodukte, deren Zusammensetzung stark vom verwendeten Material abhängt.
Typische Schadstoffe beim FDM-Druck umfassen:
- Ultrafeine Partikel (UFP) im Nanometerbereich
- Styrol, Benzol und Toluol (bei ABS und ähnlichen Materialien)
- Caprolactam (bei Nylon/PA)
- Formaldehyd und Acetaldehyd (bei PLA und PETG)
- Isocyanate (bei bestimmten technischen Filamenten)
Für Betreiber in der industriellen Fertigung, die mehrere Drucker gleichzeitig betreiben, summieren sich diese Emissionen erheblich. Die Gefährdungsbeurteilung nach der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) bildet die gesetzliche Grundlage für die Bewertung und Auswahl geeigneter Schutzmaßnahmen.
Welche Kunststoffe erzeugen die gefährlichsten Emissionen?
ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) gilt als das emissionsintensivste Standardfilament im 3D-Druck. Es setzt beim Schmelzen Styrol frei, das als möglicherweise krebserzeugend eingestuft ist (IARC Gruppe 2B). Auch Acrylnitril, ebenfalls ein Bestandteil von ABS, ist toxikologisch bedenklich. Nylon, ASA und gefüllte Verbundfilamente mit Glasfaser oder Kohlefaser zählen ebenfalls zu den problematischen Materialien.
Hochgefährliche Filamente im Überblick
ABS und ASA emittieren Styrol in relevanten Konzentrationen. Bei Raumtemperatur ohne Absaugung können die Konzentrationen schnell in Bereiche ansteigen, die den Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 86 mg/m³ (nach TRGS 900) überschreiten. Nylon (PA) setzt Caprolactam frei, das Atemwegsreizungen verursacht. Kohlefaser- und Glasfaserfilamente erzeugen beim Drucken zusätzlich feine Faserpartikel, die als lungengängig gelten.
Weniger kritische, aber nicht unbedenkliche Materialien
PLA gilt zwar als biologisch abbaubar, ist aber im Druckprozess nicht emissionsfrei. Es setzt Lactid und Acetaldehyd frei. PETG emittiert Acetaldehyd und Ethylenglykol. Diese Stoffe liegen zwar oft unterhalb kritischer Grenzwerte, stellen aber bei schlechter Raumlüftung und Dauerbetrieb eine relevante Belastung dar. Auch bei vermeintlich harmlosen Materialien ist eine geeignete Absauganlage sinnvoll.
Wie gefährlich sind ultrafeine Partikel aus dem 3D-Drucker?
Ultrafeine Partikel aus dem 3D-Druck sind besonders gefährlich, weil sie aufgrund ihrer geringen Größe (unter 100 nm) tief in die Lunge eindringen und dort nicht mehr durch die natürlichen Selbstreinigungsmechanismen der Atemwege entfernt werden können. Sie gelangen bis in die Alveolen und können in den Blutkreislauf übergehen.
Die Partikelemissionen beim 3D-Druck sind messbar hoch. Studien aus dem Bereich der Arbeitsplatzhygiene zeigen, dass ein einziger FDM-Drucker mit ABS-Filament innerhalb einer Stunde Millionen von ultrafeinen Partikeln pro Kubikzentimeter Luft freisetzen kann. Bei mehreren Druckern in einem geschlossenen Raum ohne Absaugung steigt die Partikelkonzentration entsprechend an.
Die gesundheitlichen Folgen bei langfristiger Exposition umfassen:
- Entzündungsreaktionen in den Atemwegen
- Erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen
- Mögliche krebserzeugende Wirkung bei bestimmten Partikelzusammensetzungen
- Reizung der Schleimhäute und des zentralen Nervensystems
Die DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung) stuft ultrafeine Partikel aus thermischen Prozessen als alveolengängige Fraktion ein. Für diese gilt der allgemeine Staubgrenzwert der TRGS 900 von 1,25 mg/m³ (A-Fraktion). Bei reaktiven oder toxischen Partikeln gelten strengere stoffspezifische Grenzwerte.
Welche VOC entstehen beim 3D-Druck mit Kunststoffen?
Beim 3D-Druck mit Kunststoffen entstehen materialabhängig verschiedene flüchtige organische Verbindungen (VOC), darunter Styrol, Benzol, Toluol, Formaldehyd, Acetaldehyd und Caprolactam. Diese gasförmigen Verbindungen entstehen durch die thermische Zersetzung der Polymerketten und sind mit konventionellen Partikelfiltern allein nicht abscheidbar.
VOC-Emissionen beim 3D-Druck sind unsichtbar und geruchlich oft nur schwach wahrnehmbar. Das macht sie besonders tückisch: Beschäftigte nehmen die Belastung häufig nicht wahr, auch wenn die Konzentrationen gesundheitsrelevante Bereiche erreichen. Styrol beispielsweise riecht zwar charakteristisch, aber der Geruchsschwellenwert liegt deutlich unterhalb des gesundheitlichen Grenzwerts, was eine subjektive Einschätzung der Belastung erschwert.
Für die Absaugung von VOC beim 3D-Druck reicht ein einfacher Partikelfilter nicht aus. Aktivkohlefilter oder mehrstufige Filtersysteme mit Kombination aus Partikel- und Adsorptionsstufe sind erforderlich, um gasförmige Schadstoffe wirksam aus der Luft zu entfernen. Die Auswahl der richtigen Filterkombination hängt direkt vom verarbeiteten Material und den entstehenden VOC-Spezies ab.
Wie lassen sich 3D-Druck-Emissionen wirksam absaugen?
3D-Druck-Emissionen lassen sich wirksam durch eine quellennahe Erfassung direkt am Drucker in Kombination mit einem mehrstufigen Filtersystem absaugen. Die Absaugung muss sowohl ultrafeine Partikel als auch gasförmige VOC erfassen. Ein reiner HEPA-Filter ist für VOC nicht ausreichend. Erforderlich ist eine Kombination aus Vorfilter, HEPA-Stufe und Aktivkohleschicht.
Die Erfassung der Emissionen direkt an der Quelle ist entscheidend. Je weiter sich Partikel und VOC im Raum verteilen, desto schwieriger und energieaufwändiger wird die Abscheidung. Geeignete Erfassungselemente sind:
- Einhausungen mit integrierter Absaugöffnung direkt am Drucker
- Absaugdüsen an der Druckdüse (bei offenen Systemen)
- Absaugkabinen für größere Druckerfarmen
Für einzelne Drucker oder kleine Druckergruppen eignen sich mobile Absauganlagen mit integriertem Filtersystem. Bei industriellen Druckerfarmen mit mehreren Maschinen im Dauerbetrieb ist eine zentrale Absauganlage mit entsprechend ausgelegtem Volumenstrom sinnvoller. Der Gleichzeitigkeitsfaktor, also der Anteil der tatsächlich gleichzeitig emittierenden Drucker, kann die erforderliche Anlagengröße dabei um bis zu 40 % reduzieren.
Betriebe, die bei einer BG-Prüfung keine ausreichende Absaugtechnik nachweisen können, riskieren Bußgelder, Auflagen und im Schadensfall die persönliche Haftung verantwortlicher Führungskräfte.
Welche Normen und Grenzwerte gelten für 3D-Druck-Emissionen am Arbeitsplatz?
Für 3D-Druck-Emissionen am Arbeitsplatz gelten in Deutschland die Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) der TRGS 900, das Minimierungsgebot der TRGS 910 für krebserzeugende Stoffe sowie die allgemeinen Anforderungen der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV). Eine spezifische Norm ausschließlich für den 3D-Druck existiert bislang nicht, aber die bestehenden Regelwerke sind vollständig anwendbar.
Relevante Grenzwerte für typische 3D-Druck-Emissionen:
- Styrol (ABS): AGW 86 mg/m³ (TRGS 900), Überschreitung bei schlechter Lüftung möglich
- Formaldehyd: AGW 0,37 mg/m³, krebserzeugend, Minimierungsgebot nach TRGS 910
- Alveolengängiger Staub (A-Fraktion): AGW 1,25 mg/m³ (TRGS 900)
- Caprolactam (Nylon): AGW 10 mg/m³ (Dampf und Aerosol kombiniert)
Für Absauganlagen, die Schweißrauch abscheiden, gilt die DIN EN ISO 21904 mit den Schweißrauch-Filterklassen W1/W2/W3. Für den 3D-Druck mit Kunststoffen, bei dem krebsverdächtige Verbindungen wie Formaldehyd oder Styrol entstehen, sind die Anforderungen an die eingesetzte Absauganlage auf Basis der GefStoffV und TRGS 910 zu bestimmen; die W-Klassen nach DIN EN ISO 21904 gelten hier nicht.
Die Gefährdungsbeurteilung nach GefStoffV §6 ist die Grundlage jeder Geräte- und Filterauswahl. Sie muss die verwendeten Filamentmaterialien, die Drucktemperaturen, die Anzahl der Drucker und die Raumsituation berücksichtigen. Ohne dokumentierte Gefährdungsbeurteilung ist ein rechtskonformer Betrieb von 3D-Druckanlagen in der Industrie nicht möglich.
Wie ULMATEC bei der Absaugung von 3D-Druck-Emissionen unterstützt
Für Betreiber industrieller 3D-Druckanlagen, die Partikel- und VOC-Emissionen sicher und normkonform erfassen müssen, analysiert ULMATEC den jeweiligen Werkstoff, Prozess und Volumenstrom und entwickelt, fertigt und montiert die passende Absauganlage dazu. Hergestellt in Deutschland, ausgelegt nach TRGS 900, TRGS 910 und GefStoffV.
Konkret bedeutet das:
- Auslegung der Absauganlage auf den tatsächlichen Volumenstrom, abhängig von Druckeranzahl und Gleichzeitigkeitsfaktor
- Mehrstufige Filtration für Partikel unter 0,3 µm (HEPA H14) in Kombination mit Aktivkohlestufe für VOC
- Mobile Absauganlagen für einzelne Drucker sowie zentrale Systeme für Druckerfarmen ab 3.000 m³/h
- Auswahl aus über 100 Filterkombinationen, abgestimmt auf das verarbeitete Filamentmaterial
- Geräteauswahl entsprechend der Gefährdungsbeurteilung nach GefStoffV für den Einsatz bei krebserzeugenden Emissionen
- Lieferung inklusive vollständiger technischer Dokumentation für die Gefährdungsbeurteilung
Sprechen Sie uns an, wenn Sie die Emissionen Ihrer 3D-Druckanlage bewerten oder eine Absauganlage auslegen lassen möchten. Einen umfassenden Überblick über das gesamte Spektrum unserer Absauganlagen finden Sie auf unserer Website. Über unser Kontaktformular erreichen Sie unsere Spezialisten direkt.
Related Articles
- Was ist Kunststoffstaub und warum ist er am Arbeitsplatz gefährlich?
- Was passiert mit der Luftqualität in der Werkstatt bei einem Filterausfall?
- Wie beeinflusst die Aufstelldichte von Maschinen die Schadstoffkonzentration in der Halle?
- Wie lassen sich Gefahrstoffe durch Absaugtechnik dauerhaft reduzieren?
- Was ist Feinstaub und wie entsteht er in der Industrie?