4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse
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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.
Volatile organic compounds (VOCs) emitted by furniture and building materials can cause health issues. For an improvement of indoor air quality low emitting materials should be used. Quality assurance and –control (QA/QC) measures require an emission reference material (ERM) with a predictable emission rate of VOCs. The idea is to use porous materials as ERM, which store the VOCs inside their pores and emit them constantly.
Volatile organic compounds (VOCs) emitted by furniture and
building materials can cause health issues. For an
improvement of indoor air quality low emitting materials
should be used. Quality assurance and –control (QA/QC)
measures require an emission reference material (ERM) with a
predictable emission rate of VOCs. The idea is to use porous
materials as ERM, which store the VOCs inside their pores and
emit them constantly.
In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. VOC in combination may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. Emission concentrations can become further elevated in new or refurbished buildings where the rate of air exchange with fresh ambient air may be limited due to improved energy saving aspects. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use (building) materials proved to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable emission reference materials (ERM). For the emission test chamber procedure according to EN 16516, no artificial ERM is commercially available. The EU-funded EMPIR project MetrIAQ aims to fill this gap by developing new and improved ERMs. The goal is to obtain a material with a reproducible and temporally constant compound release (less than 10 % variability over 14 days). Two approaches were tested: the impregnation of porous materials with VOC, and the encapsulation of VOC in polymer microcapsules. Impregnation is performed with help of an autoclave and supercritical CO2. The encapsulation is done by interfacial polymerisation on VOC droplets. For both approaches, synthesis and/or material parameters were varied to obtain an optimal ERM. Findings about the optimisation of ERM generation, as well as performance of the best emission reference materials, will be presented.
The ink analysis protocol developed through cooperation between the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin and the Centre for the Study of Manuscript Cultures at the University of Hamburg involves the use of imaging techniques for ink screening, followed by spectroscopic analysis. In our presentation, we will begin by briefly reviewing the history of writing inks and discussing the three main categories: carbon-based inks, plant, and iron-gall inks. We will address their chronology, precursors, and mixed forms, as well as the features that allow for their identification. Then, we will present the techniques we use in ink analysis, whereby we would like to highlight the limitations, advantages, and disadvantages of each approach. Finally, we will discuss the new mass-spectrometric method based on micro-sampling and using atmospheric solid analysis probe (ASAP).
In recent years the BAM has been focusing on the characterization of the writing materials of the medieval Torah scrolls. The challenge imposed by the study of this specific type of manuscript led to designing and building dedicated stages to ensure the safety of the scrolls during the analysis. Furthermore, the identification of multiple corrections executed in apparently identical inks required broadening the standard two-step protocol of near infrared reflectography and X-ray fluorescence to include multispectral imaging. This work has prepared the division to participate in the large collaborative project “To roll: Materialisierte Heiligkeit (Materialised Holiness)” based at the Free University, Berlin.
The presentation will demonstrate the aims of the studies, preliminary results and the strategies adopted by the division 4.5 of the BAM.
Conclusion et piste:
Il semblerait qu’il n’existe pas de corrélation entre le type d’encre utilisés et d’autres critères recherchés à part une marque de préférence personnelle, sauf en ce qui concerne des documents religieux, auquel cas une différence se fait en function de la communauté.
Les résultats réunis dans cette étude semble indiquer que les scribes achètent leur propre encre.
L’analyse des encres peut nous aider à retracer une chronologie de l’écriture et signature de certains documents juridiques.
Élargissement du corpus:
- Comparaison avec des documents écrits par la cour du Qadi
- Documents d’autres collections
- Avec d’autres documents contemporains (Génizah Afghane)
Results:
- Four types of inks were measured iron gall (vitriolic and non vitriolic), carbonic, mixed and vegetable inks.
- We need to start analyzing systematically the organic part of the inks.
- Great variety in the composition of the inks.
- No correlation between the type of ink used and any other criteria apart from a personal preference.
- Inks purchased by (some) scribes.
- Reconstruction of the chronology of writing and signing of certain legal documents.
- Comparison with documents written by the Muslim court.
Die Bezeichnung „Tinte auf Papier“ bietet einen guten Einstieg in die Beschreibung der Materialität von Musikhandschriften; so haben sich zahlreiche Manuskripte erhalten, die mit Eisengallustinte auf Hadernpapier verfasst wurden.
Das Papier besteht aus Fasern meist pflanzlicher Herkunft und wird durch Entwässerung einer Fasersuspension auf einem Sieb gebildet. Der Abdruck des Schöpfsiebes (die Papierstruktur) und ein vorhandenes Wasserzeichen bieten Anhaltspunkte für Provenienz und Datierung; daneben erlaubt die Analyse der Fasern, der Füllstoffe und der Leimung eine weitere Charakterisierung des Schriftträgers.
Spätestens seit dem Mittelalter sind es Eisengallustinten, die das schwarze bis bräunliche Erscheinungsbild vieler Manuskripte auf Papier hervorrufen. Daneben lassen sich auch schwarze Rußtuschen oder farbige Auszeichnungstuschen nachweisen. Eisengallustinten werden durch Mischung einer eisenhaltigen Komponente mit Gerbstoffen hergestellt. Eisensulfat ist die am häufigsten genannte Eisen liefernde Zutat, daneben sind aber auch eisenhaltige Minerale, Nägel oder Rost denkbar. Die Gallussäure leitet sich ab aus den Galläpfeln, der krankhaften Veränderung einzelner Planzenteile verschiedener Eichenarten. Diese werden durch die Eiablage von Schlupfwespen hervorgerufen.
Wie schon beim Papier ermöglicht der materialanalytische Nachweis charakteristischer Beimischungen oder Verunreinigungen innerhalb der Tinten die Beantwortung kulturhistorischer Fragestellungen – gemeint sind hier die Unterscheidung von Original und Korrektur oder die Sichtbarmachung späterer Ergänzungen.
Fused filament fabrication (FFF) on desktop 3D printers is a material extrusion-based technique often used by educational institutions, small enterprises and private households. Polymeric filaments are melted and extruded through a heated nozzle to form a 3D object in layers. The extrusion temperature is therefore a key parameter for a successful print job, but also one of the main driving factors for the emission of harmful air pollutants, namely ultrafine particles and volatile organic gases, which are formed by thermal stress on the polymeric feedstock. The awareness of potential health risks has increased the number of emission studies in the past years. However, the multiplicity of study designs makes an objective comparison of emission data challenging because printer hardware factors such as the actual extruder temperature (TE) and also feedstockspecific emissions are not considered. We assume that across the market of commercial low- and mid-price FFF printers substantial deviations between actual and set extruder temperatures exist, which have a strong effect on the emissions and hence may bias the findings of exposure studies. In our last publication, we presented a standardized feedstock-specific emission test method and showed that for each investigated feedstock an increase in actual extruder temperature was accompanied by an increase in particle emissions (Tang and Seeger, 2022). Therefore, any systematic discrepancy between set and actual extruder temperature matters. In this study, we used a thermocouple and an infrared camera to measure the actual extruder temperatures at different heights. We found significant under- and overestimation of the actual extruder temperatures by the respective set temperatures in three commercial printers. This caused a broad variation of the measured total numbers of emitted particles (TP), even when the same feedstock was operated. For the determination of TP, we followed the DE-UZ 219 test guideline. In a second round we repeated the tests with all printers adjusted to exactly the same extruder temperatures, i.e., to TE=230°C for ABS and TE=210°C for PLA. All measurements were conducted in a 1 m³ emission test chamber. Particle emissions in the size range between 4 nm and 20 μm were detected. Printing on three different printer models without temperature adjustment resulted for each of the investigated feedstocks in a variation in TP of around two orders of magnitude. After temperature adjustment, this was substantially reduced to approx. one order of magnitude and hence minimizes the bias of printer hardware on the emissions. Our findings suggest that adjustment of the extruder temperature should be mandatory in emission testing standards. It also poses a more accurate benchmark and provides more reliable emission data for evaluation of indoor air quality or for health risk assessments. In addition, a proper temperature setting is in the interest of the user. Some commercial FFF printers may have a higher actual extruder temperature than displayed and unintended overheating may not only impair the print quality but may cause unnecessarily increased exposure to particle emissions.