4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
UFP-Emission beim 3D-Druck
(2024)
Desktop-3D-Drucker haben in der letzten Dekade große Popularität in Bildungseinrichtungen, kleinen Unternehmen und Privathaushalten erlangt. Weit verbreitet ist mittlerweile die „Fused Filament Fabrication (FFF)“ Technologie. Hier wird ein thermoplastisches Filament geschmolzen, durch eine Metalldüse extrudiert und anschließend schichtweise so auf ein Druckbett aufgetragen, dass ein 3D-Objekt entsteht. Das Filamentmaterial wird dabei thermisch stark belastet, was zur Emission von Aerosolen sowie flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) führt. Dabei werden hauptsächlich ultrafeine Partikel (UFP, dP < 100 nm) freigesetzt werden, die sogar in manchen Fällen im sub-4nm Größenbereich einen signifikanten Anteil ausmachen können (Tang und Seeger 2024).
Die gesundheitliche Relevanz eingeatmeter UFP ist durch sehr viele Studien gut belegt. Während eines i.d.R. mehrstündigen FFF-Druckvorgangs wird ein Anwender mit diesen Luftschadstoffen im Innenraum exponiert, häufig ohne eine Einschätzung des damit verbundenen Risikos zu haben. Die Exposition kann durch technische Faktoren (z.B. Druckerausstattung und -einstellung, Innenraumventilation), aber auch erheblich durch die Filamentauswahl beeinflusst werden. Unser Vorschlag zur Risikominderung besteht in der Auszeichnung emissionsarmer Filamentprodukte mit dem Umweltzeichen „Blauer Engel“, um so den Verbrauchern eine fundierte Auswahl zu ermöglichen. In unserem Projekt entwickeln wir dafür ein kammerbasiertes, standardisierbares und robustes Prüfverfahren zur vergleichenden Messung der Emission aus Filamenten. Mit dem Strangdruck-Verfahren (engl. Strand Printing Method, SPM) wird eine festgelegte Filamentlänge mit konstanter Rate extrudiert und auf dem Druckbett abgelegt, ohne dabei ein 3D-Objekt aufzubauen. Diese Vorgehensweise reduziert den Einfluss experimentell schlecht zu kontrollierender Faktoren sowie die Ausfallquote. Eine detaillierte Beschreibung und die Vorteile von SPM werden in Tang und Seeger (2022) erläutert. SPM wurde bereits für 44 Filamentprodukte aus unterschiedlichen Polymeren und Additiven als Vergleichstest angewendet. Alle Messungen wurden in einer klimatisierten 1 m³-Emissionsprüfkammer durchgeführt. Die Gesamtanzahl der emittierten Partikel (TP) dient als Beurteilungsmaß, in Anlehnung an die Vergabegrundlage DE-UZ-219 des Umweltzeichens Blauer Engel für Laserdrucker. Unter den getesteten Filamentprodukten variiert TP um ca. vier Größenordnungen (1E+9 ≤ TP ≤ 1E+13). Auch innerhalb jeder der untersuchten Polymergruppen variierte TP signifikant. Die Partikelemission kann daher nicht allein nach dem Basispolymer kategorisiert werden. Unsere Resultate belegen, dass die Stärke der Partikelemission eher eine charakteristische und individuelle Eigenschaft eines Filamentproduktes ist. Die Herkunft der Polymere, die herstellerspezifischen Additive sowie die nicht deklarierte Verunreinigungen können einen starken Einfluss auf die Emission haben. Die Auszeichnung von emissionsarmen Filament-produkten verspricht somit eine einfache, aber effektive Maßnahme zu sein, um Verbrauchern eine Minderung des Expositionsrisikos beim FFF-3D-Druck zu ermöglichen.
Der Mensch verbringt die überwiegende Zeit des Tages in Innenräumen von Gebäuden. Der Aufenthalt in Innenräumen umfasst das Wohnen, Bürotätigkeiten oder auch Nutzung öffentlicher Gebäude wie Kindertagesstätten, Schulen, Sporthallen und Bibliotheken. Um Innenräume von Gebäuden ohne Gefährdung für die menschliche Gesundheit nutzen zu können, müssen diese bei ihrer Errichtung und Verwendung dauerhaft die an sie gestellten hohen Anforderungen zu Gesundheit und Hygiene erfüllen. Die Innenraumluftqualität und ihre Wahrnehmung durch die Raumnutzer spielt für das individuelle Wohlbefinden und die Gesundheit eine entscheidende Rolle.
Dieses Buch richtet sich bevorzugt an Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauherren aber auch an Bauproduktehersteller. Ihnen allen fällt die wichtige Aufgabe zu, Aufenthaltsräume von Gebäuden durch eine gezielte Bauproduktverwendung zu gestalten und dauerhaft nutzbar zu machen. Die Frage, ob der Aufenthalt in Gebäuden den Menschen gesundheitlich beeinträchtigen oder sogar krank machen kann, hängt wesentlich von der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung der Raumluft ab.
„Innenraumluftqualität und Bauprodukte“ enthält Angaben über wichtige Inhaltsstoffe der Raumluft und damit verbundene Einflussfaktoren, und geht im Besonderen auf Emissionen aus Bauprodukten ein. So vermögen Bauprodukte oftmals als großflächige Emissionsquellen die Innenraumluft mit verschiedenartigen Stoffen und Stoffgemischen anzureichern, mit der Folge, dass Raumnutzer diesen dauerhaft und teilweise intensiv ausgesetzt sind.
Das Buch vermittelt wichtige Erkenntnisse über flüchtige organische Verbindungen (VOC) aus Bauprodukten sowie deren Verhalten in der Raumluft etwa in Bezug auf Emissionsdauer, Hausstaubdeposition und Sekundärquellenbildung. Auf spezifische VOC-Einzelstoffemissionen – sehr flüchtige (VVOC) bis hin zu schwerflüchtigen (SVOC) – und einzelne chemische Stoffgruppen in Zusammenhang mit ihrem Vorkommen in Bauprodukten wird eingegangen.
Die wesentlichen Voraussetzungen und die Bedeutung einzelner VOC und VOC-Stoffgemische für die Expositionssituation und die Gesundheit von Raumnutzern werden in einem eigenen Kapitel beschrieben. Wichtige Kenntnisse über gesundheitliche Stoffwirkungen werden transparent erläutert. Angesprochen werden der inhalative Aufnahmepfad, Effekte durch Reizstoffe an den Atemwegen, andere toxische Wirkungen und die Auswirkungen von geruchsintensiven und -belästigenden Stoffen.Das Kapitel „Bewertung der Innenraumluftqualität“ vermittelt die allgemein anerkannte Vorgehensweise zur Beurteilung der Luftqualität und erstreckt sich auf chemische Stoffe, Geruchseinwirkungen sowie auf das Edelgas Radon. Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauherren werden in die Lage versetzt, die Bedeutung und Anwendung verschiedener Beurteilungsparameter und ihre Beurteilungswerte anschaulich nachzuvollziehen und deren Verwendung in Beurteilungen und Prüfberichten gezielt einzuordnen. Im Detail wird die notwendige Abgrenzung der Verwendung der Begrifflichkeiten „Grenzwerte“ und „toxikologisch begründete Innenraumluftrichtwerte des Ausschusses für Innenraumrichtwerte (AIR)“ mit den dazugehörigen aktuellen Richtwerten (RW II bzw. RW I) erklärt. Auch die Bedeutung und der Anwendungsbereich internationaler Beurteilungen der WHO und der europäischen Chemikalienbewertung (REACH) werden erläutert. Das Buch liefert Informationen über die Ermittlung und Verwendung statistisch abgeleiteter Beurteilungswerte, die als Referenzwerte definiert sind.
Die Ergebnisse aktueller Referenzwertstudien zum Vorkommen einzelner VOC und von VOC-Stoffgemischen als Summe aller nachgewiesenen VOC (TVOC-Wert) in Wohnräumen, Büros und auch öffentlichen Gebäuden wie Schulen – einschließlich ihrer Methodik und Analytik – werden erläutert und diskutiert. Der Verwendungszweck eines Bauproduktes in Gebäuden zwingt dazu, bereits vor dessen Einbau mittels konkretisierten Produktanforderungen eine Beurteilung des Gesundheitsschutzniveaus für die späteren Raumnutzer zu gewährleisten. Daher sind alle am Bau beteiligten Personen wie Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauproduktehersteller gefordert. Zwar treten in den Bauproduktemissionen viele VOC in eher geringeren Konzentrationen auf, jedoch zeigen einige nachweisbare Einzelstoffe sowohl Reizeffekte oder andere toxische Wirkungen als auch erhebliche Geruchsintensitäten auf.
„Innenraumluftqualität und Bauprodukte“ geht aus diesem Grund zwei bedeutsamen Fragen nach: Wie lässt sich das Gefährdungspotenzial der emittierten VOC aus Bauprodukten bevorzugt bewerten und wie lassen sich die Anforderungen an den Aufenthaltsraum zum Gesundheitsschutzniveau in Bezug auf Bauproduktemissionen prüfen, beurteilen und letztlich gewährleisten?
Hierzu gibt das Buch aktuelle Informationen zum anerkannten Prüf- und Bewertungsverfahren vom Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten (AgBB). Über das breit etablierte AgBB-Schema zur gesundheitlichen Beurteilung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC) aus innenraumrelevanten Bauprodukten wird im Detail nachvollziehbar berichtet. Im Fokus steht die Anwendung des AgBB-Schemas in der Praxis. In einem umfangreichen Kapitel wird auf die Durchführung von Materialemissionsmessungen sowie Bewertungen der Geruchsemissionen und die dafür notwendigen Voraussetzungen eingegangen. Abbildungen und Messberichte geben einen weitreichenden Einblick zum Verständnis einer Prüfkammeruntersuchung auf flüchtige organische Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC). Zur Verdeutlichung werden beispielhaft Messdaten angeführt zu unterschiedlichen Bauprodukten, wie Bodenbelägen, Bodenbelagsklebstoffen, Holz und Holzwerkstoffen, Lacken und Farben,
Kunstharzfertigputzen und Dichtstoffen. Das Buch bietet tabellarische Übersichten über das Vorkommen und die Konzentration ermittelter VOC-Emissionen aus Bauprodukten verschiedener Produktgruppen und zeigt Möglichkeiten auf, wie in der Praxis bestimmte SVOC-Emissionen, etwa Flammschutzmittel und Biozide, sowie Sekundäremissionen aus Bauprodukten analysiert und quantifiziert werden können. Darüber hinaus gibt es einen Überblick über die geltenden baurechtlichen Anforderungen in Bezug auf Hygiene und Gesundheit. Öffentlich-rechtliche Mindestforderungen zur Sicherstellung des Gesundheitsschutzniveaus für in Innenräume von Gebäuden eingebrachte Bauprodukte werden mit den zugrunde zu legenden Bestimmungen der Musterbauordnung (MBO) und ihrer neuen Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) beschrieben.
Eigens wird ein Einblick in rechtliche Regelungen – in Bezug auf die gesundheitsbezogenen Anforderungen an bauliche Anlagen, die über die „Anforderungen an bauliche Anlagen bezüglich des Gesundheitsschutzes (ABG)“ konkretisiert sind – gegeben. Es wird ersichtlich, dass die Anforderungen für Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC) aus Bauprodukten mindestens denen des AgBB entsprechen. Die in Europa noch lückenhafte und unvollständige Harmonisierung der Normen zum Gesundheitsschutz wird dargelegt. Das Buch leistet so Hilfestellung, um trotzdem gemäß den MBO- bzw. MVV TB-Anforderungen gesundheitsbezogene Angaben zu Produktleistungen zu ermöglichen.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte.
Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte. Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen. Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen. Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.