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Impresión 3D - Fabricación aditiva

Existe una necesidad real de estudios sobre la fabricación aditiva desde el punto de vista de la salud y la seguridad en el trabajo

Fabricación aditiva: riesgos laborales y medidas de control para la seguridad y la salud en el trabajo

José Ignacio Argote, Ingeniero Consultor24/09/2018
En los procesos de mecanización clásicos con tornos o fresadoras el resultado final de una pieza se logra eliminando capas sucesivas de material para ajustarlos a las cotas finales del plano. La ‘fabricación aditiva’ utiliza el proceso contrario: va añadiendo material en capas sucesivas hasta lograr el resultado deseado. Las ventajas del proceso (cuyo procedimiento más conocido lo constituyen las impresoras 3D) son muchas: ahorro de material, producción de series cortas a coste reducido, obtención de diseños imposibles o muy difíciles de lograr mediante los procedimientos convencionales. Con el uso de aplicaciones industriales de fabricación aditiva, aparecen riesgos laborales para los trabajadores cuya evaluación debe efectuarse con el rigor necesario para desarrollar sistemas y normas de protección.

Producción aditiva o impresión en 3D

Como resultado del proceso totalmente informatizado de diseño y fabricación de productos, la impresión en 3D es parte del gran desarrollo de la fabricación digital.

Dos importantes desarrollos están en los orígenes de la fabricación digital:

  • En 1952, el Massachusetts Institute of Technology (MIT) desarrolla primera máquina NC (Numerical Control - Control Numérico) financiada por la Fuerza Aérea Norteamericana. El control numérico o control decimal numérico es un sistema de automatización de máquinas herramienta que son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparación con el mando manual mediante volantes o palancas.
  • A principios de los 60 Iván Sutherland inventa en el laboratorio Lincoln del MIT desarrolla el primer sistema gráfico CAD (Computer- Aided Design - Diseño Asistido por Ordenador) llamado ‘Sketchpad’. Durante los años 70 este tipo de software comenzó su migración de la pura investigación hacia su uso comercial. Aunque todavía el software fuera desarrollado por grupos internos de grandes fabricantes de automoción y aeroespaciales como General Motors, Mercedes-Benz, Renault, Nissan, Toyota, Lockheed, McDonnell-Douglas, Dassault. Esta última empresa francesa de aviación desarrolla el primer programa CAD/CAM (Computer- Aided Design / Computer-Aided Manufacturing – Diseño Asistido por Ordenador - Mecanización Asistida por Ordenador) llamado Drapo acrónimo de definición y realización de aviones por ordenador.
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La fabricación aditiva ha crecido mucho en los últimos años, de acuerdo al  Según informe Wohlers, en el 2017 la fabricación aditiva aumentó un 21% y las soluciones de fabricación aditiva de meta crecieron un 80%.  En 2017 se vendieron 1.768, frente a 983 sistemas en 2016  y en 2018 estima  en 7000 millones de dólares que el mercado europeo y  2022  prevé un mercado con un valor de 11 mil millones de dólares. Fuente: Wohlers Report 2018, http://wohlersassociates.com/. Imagen: Wohlers Associates, Inc.

Es importante tener estas referencias porque los diferentes nombres (fabricación aditiva, autoproducción, prototipado rápido, fabricación digital) por los que se denomina la tecnología producción aditiva o impresión en 3D, crean cierta confusión para el público general en el verdadero significado de esta tecnología. El uso del término ‘impresión en 3D’ para denominar de forma general el amplio abanico de las técnicas de producción digital, tales como máquinas fresadoras CNC (Control Numérico Computarizado), cortadoras láser, trazadores gráficos de acero y otros, es engañosa.
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El Cluster at Aleph Objects, Inc. en Loveland, Colorado (Estados Unidos) con las 155 impresoras 3D LulzBot, y con 2 a 4 técnicos controlando el proceso ha alcanzado a principios de 2018 la producción de la impresora 2 millones. Se inició  la fabricación en el año 2014, en 2016 se habían fabricado un millón de  impresoras en un año y medio se ha alcanzado  la meta de los 2 millones. La producción diaria puede variar entre 1,000 y 15,000 partes y usar de 45 a 50 kilogramos de plástico ABS en el proceso. Imagen: Aleph Objects, Inc.

Como hemos reseñado anteriormente, el control numérico es una técnica tradicional de fresado, por medio de la cual se controlan los movimientos de la máquina de forma digital. Aunque todas ellas ofrecen la misma libertad en cuanto a formas y singularidad, la fabricación digital se basa mayoritariamente en sustraer material de un sólido mediante fresado, aserrado o corte. Con la impresión en 3D, un producto se construye desde cero mediante la adición de material. La descripción más concisa sería, por lo tanto, fabricación aditiva. En el futuro, estas dos técnicas digitales (sustracción y adición) se podrán utilizar de una forma flexible mediante el desarrollo de una máquina de CNC robotizada que puede transformarse fácilmente de producción sustractiva a aditiva, simplemente cambiando el cabezal.
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La  impresora EOS M 400 es una impresora 3D de metal fabricada por la empresa alemana EOS. Una de las empresas de impresión 3D más antiguas, que lleva más de 25 años en la industria de la impresión 3D en Sinterización selectiva por láser y DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Imagen: EOS GMBH Electro Optical Systems.

Procesos en la fabricación aditiva o impresión en 3D

La fabricación aditiva o Additive Manufacturing (AM) es la técnica o proceso que consiste básicamente en manipular material a escala micrométrica y depositarlo de forma muy precisa para construir un sólido. Se parte del diseño generado por ordenador se divide digitalmente en miles de capas; este proceso se realiza mediante el software que prepara el diseño para una orden de impresión. Otra forma de generar el archivo de impresión digital de un producto es mediante el escaneado 3D de un objeto existente. Estos datos se pueden transformar en una orden de impresión con un software especial.

La técnica de fabricación aditiva o impresión 3D actual puede dividirse en dos procesos técnicos diferentes:

  • Curado: se utiliza un cabezal de impresión (equipado con un láser, un proyector de rayos ultravioleta (UV), un calentador, etc.) para curar un material sintético que es pulverizado. La calidad es mejor y se puede utilizar una variedad más amplia de materiales. También exige un mayor grado de conocimiento y precisión, y es más costoso. Estas impresoras 3D son más caras y también lo son los materiales utilizados. El curado se utiliza principalmente en procesos altamente avanzados y semiindustriales.
  • Extrusión: por deposición de un material que se extrude en una coreografía exacta de tiempo y espacio. Este es el proceso usado más habitualmente por las impresoras 3D de un código abierto y accesible para el usuario. El material extruido puede ser líquido, polvo, un filamento sintético u otro material orgánico tal como la cerámica o el caucho. Muchas de estas impresoras se venden como un kit de bricolaje. La producción es más rápida y más barata, pero el producto final no es tan refinado.
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Científicos de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Ambientales y Tecnológicas), Hospital General Universitario Gregorio Marañón, en colaboración con la firma BioDan Group, han presentado un prototipo de una bioimpresora 3D que puede crear totalmente piel humana funcional. Esta piel es adecuada para trasplantar a pacientes o para su uso en investigación o prueba de productos cosméticos, químicos y farmacéuticos. Imagen cortesía de Universidad Carlos III de Madrid.Oficina de Información Científica.

Materiales en la fabricación aditiva o impresión en 3D: prevención en materia de seguridad y salud

Los primeros materiales que se aplicaron en la impresión en 3D eran plásticos sintéticos. Pero en los últimos 10 años la cantidad de materiales que se pueden utilizar con las impresoras 3D ha aumentado considerablemente y actualmente materiales ‘tradicionales’ tales como la cerámica, el acero, el vidrio y hasta la madera también son muy utilizados. Es importante reseñar que los materiales utilizados para la impresión en 3D en un contexto industrial difieren de aquellos utilizados en los entornos domésticos, de enseñanza o de laboratorios de investigación o diseño. En estos últimos, los materiales utilizados más habitualmente son el ácido poliláctico (PLA) biodegradable y el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), un plástico a base de aceite y por lo tanto más tóxico en el uso.

El PLA es un polímero constituido por moléculas de ácido láctico, con propiedades semejantes a las del tereftalato de polietileno (PET). Es un termoplástico que se obtiene a partir de almidón de maíz (EE UU) o de yuca o mandioca (mayormente en Asia), o de caña de azúcar (resto del mundo). Habitualmente se utiliza para hacer envases, pero que además es biodegradable. Se degrada fácilmente en agua y óxido de carbono.

El ABS es un plástico muy resistente al impacto muy utilizado en automoción y otros usos tanto industriales como domésticos. Los bloques de acrilonitrilo proporcionan rigidez, resistencia a ataques químicos y estabilidad a alta temperatura así como dureza, propiedades muy apreciadas en ciertas aplicaciones como son equipos pesados o aparatos electrónicos. Los bloques de butadieno, que es un elastómero, proporcionan tenacidad a cualquier temperatura. Esto es especialmente interesante para ambientes fríos, en los cuales otros plásticos se vuelven quebradizos. El bloque de estireno aporta resistencia mecánica y rigidez. En el proceso de impresión 3D se funde a 200/250 °C.

En los procesos industriales de impresión en 3D el material más utilizado es la poliamida (por ejemplo, el nailon), tanto en forma líquida como en polvo, Durante el calentamiento de este plástico a base de aceite se liberan gases tóxicos y por lo tanto se necesita ventilación. O, aún mejor, confinar la impresora para evitar que las emisiones se propaguen al aire en el lugar de trabajo. Otros materiales que pueden ser empleado son: polieterimida (PEI), policarbonato, policaprolactona (PCL), y polifenilsulfona (PPSU).

La poliamida en forma de polvo a veces se mezcla con aluminio (alumida) que es menos tóxico, pero sigue requiriendo medidas especiales de prevención en materia de seguridad y salud. Otros materiales empleados a nivel industrial son la polisulfona (PSU) y la polifenilsulfona (PPSU), que son plásticos sintéticos que requieren medidas preventivas en términos de ventilación y manipulación.

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Aplicación de fabricación aditiva de joyas obtenidas mediante la fusión selectiva por láser de capas de polvo metálico en 3D con metales preciosos. Imagen: Progold S.p.A. https://www.progold.com/.
El segmento de mayor crecimiento en la impresión en 3D es el uso de metal. En estos procesos se requiere adoptar medidas preventivas de ventilación, ya que el metal se combina con productos sintéticos a base de aceite. Las altas temperaturas también exigen medidas de seguridad y manipulación. En el caso de impresión en metal, debe tenerse en cuenta que los metales pueden ser cancerígenos y que, por lo tanto, es necesario el uso de protección respiratoria cuando se manipulan tales polvos.

Entre los nuevos materiales utilizados en la impresión 3D se encuentran los materiales inteligentes, que reaccionan a las diferencias de temperatura, presión o luz después de la fabricación. También son nuevos los nanocarbonos, que se espera utilizar a gran escala industrial en un futuro próximo. La introducción de estos materiales de alta tecnología requiere una profunda investigación en cuanto a seguridad, ya que la mayoría de ellos son todavía experimentales.

En ciertas técnicas, tales como la estereolitografía o el tratamiento superficial de objetos impresos, se utilizan componentes químicos plásticos como por ejemplo las resinas epoxi. Estos pueden provocar dermatitis alérgica por contacto. No deben tocarse los componentes químicos plásticos sin curar y debe evitarse la contaminación de las superficies y la ropa. Otros productos químicos utilizados para el posprocesado y tratamiento de la superficie pueden ser también peligrosos y deben ser manejados con precaución.

Otro aspecto importante que hay que tener en cuenta es la manipulación previa y posterior de los materiales de impresión y objetos impresos. En el caso de material de impresión en forma de polvo, es importante evitar que los polvos se propaguen mediante, por ejemplo, la ventilación local por extracción y asegurar así métodos de trabajo adecuados. Existe también un riesgo de combustión espontánea de polvos (metálicos), que debe reconocerse, por ejemplo, mediante el uso de dispositivos EX (dispositivos de detección en áreas potencialmente explosivas).

La acetona se emplea en los procesos postimpresión con ABS en tratamientos como pulido, pegado… Es altamente inflamable y las mezclas vapor/aire son explosivas: Los límites de explosividad: 2,2 - 13% en volumen en el aire.

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Prótesis de articulación de la cadera impresa desarrollada por el Dr. Zhang Ke, Liu Zhong junio, y Cai Hong, de la Universidad de Pekín en colaboración con la compañía médica privada china AK Medical. La impresora 3D utilizada en la fabricación de la articulación de la cadera es de la empresa sueca Arcam AB y utiliza el método de fabricación Electron Beam Melting (EBM). Imágenes: Peking University Third Hospital y AK Medical.

Peligros de las impresoras 3D relacionado con las emisiones de partículas finas y compuestos orgánicos volátiles que desprenden

La revista American Environmental Science & Technology publicó (Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 1260−1268), en un estudio realizado por Parham Azimi y colaboradores, sobre los peligros de las impresoras 3D relacionado con las emisiones de partículas finas y compuestos orgánicos volátiles que desprenden. Los investigadores centraron su ensayo en la cuantificación de emisiones de partículas en los procesos de impresión 3D con algunos compuestos orgánicos peligrosos, con 5 impresoras 3D con 9 materiales más comunes del mercado, entre ellos ABS, PLA y nailon. Las pruebas se realizaron en una cámara cerrada con un entorno muy controlado para que nada interfiriera en los resultados del aire.
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Esquema de la cámara de prueba experimental. Fuente: Sci. Technol., 2016, 50 (3), pp 1260–1268. American Chemical Society 2016.

Los resultados más relevantes del estudio son:

  • Después de las pruebas se han identificado cantidades de partículas de menos de 100 nanómetros o nanopartículas potencialmente peligrosas para personas con trastornos respiratorios.
  • Al medirse los compuestos orgánicos detectaron grandes cantidades de caprolactam, una molécula en la síntesis del nailon, estireno ABS y un poliestireno de alto impacto. Todas estas emisiones varían dependiendo de diferentes criterios como el modelo de la impresora, el tipo de filamento, la boquilla de la extrusora, la temperatura de la placa o el momento de la impresión.
  • Los diversos compuestos liberados en el aire por las impresoras 3D son potencialmente tóxicos e irritantes si se respiran en grandes cantidades, pero se han clasificado como “no cancerígenos para los seres humanos” por la Organización Mundial de la Salud.

Según el Dictamen del Comité Económico y Social Europeo sobre ‘Vivir mañana. La impresión en 3D: una herramienta para reforzar la economía europea’, a pesar de este carácter estratégico el marco regulador nacional y europeo no ha logrado seguir el rápido ritmo de cambio en la fabricación aditiva, por lo que se necesita una reglamentación específica para abordar principalmente las normas y la certificación, los derechos de propiedad intelectual, la protección de los consumidores, la salud y la seguridad en el trabajo, y el medio ambiente. En el plano

Son muy pocos los estudios sobre la fabricación aditiva desde el punto de vista de la salud y la seguridad en el trabajo. La necesidad real de que los haya se debe a:

  • los riesgos químicos, derivados de las resinas volátiles que se utilizan en la fabricación aditiva de componentes con polímeros, y los aditivos volátiles metálicos y no metálicos en polvos metálicos,
  • los riesgos químico-físicos derivados del uso de polvos, especialmente cuando dichos polvos contienen nanopartículas,
  • el riesgo de explosión, derivado de la utilización de polvos,
  • los riesgos específicos, derivados del uso de fuentes láser, haces de electrones, etc.
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Estimaciones de las tasas de emisión de los tres principales VOC (Volatile Organic Compounds - Componentes Volátiles Orgánicos) de mayor concentración, así como la suma de los 10 COV más detectables (SVOC) resultantes del funcionamiento de 16 combinaciones de impresoras 3D y filamentos. La figura se divide en (a – izquierda) emisores bajos, con ESVOC <40 µg / min, y (b- derecha) a emisores altos, con ESVOC> 40 µg / min, para la claridad visual.

El Dictamen del Comité Económico y Social Europeo (CESE) sobre ‘Vivir mañana. La impresión en 3D: una herramienta para reforzar la economía europea’ (dictamen de iniciativa – 2015/C 332/05) fue aprobado por unanimidad en la sesión del 28 de mayo de 2015.

Las conclusiones y recomendaciones que se recogen en este de este dictamen son:

  1. La fabricación aditiva es una de las tecnologías facilitadoras esenciales que definirán el nuevo enfoque a la fabricación y los productos y las fábricas del futuro. La revolución digital, sumada a esta revolución en la fabricación, hará posible que Europa recupere los niveles de producción en las regiones con sueldos más bajos a fin de estimular la innovación y crear un crecimiento sostenible a nivel interno.
  2. El CESE considera que la UE puede mantener su posición actual como protagonista de primer orden en la escena mundial en lo que respecta a la fabricación aditiva, aunque para lograrlo deberán tomarse, a nivel europeo y nacional, las medidas que se presentan a continuación.
  3. Debería darse prioridad a las inversiones en las infraestructuras de las TIC de manera que todos los ciudadanos y empresas tengan acceso a redes de internet de alta velocidad, con las normas de calidad y seguridad más rigurosas.
  4. Debe reforzarse y actualizarse la capacidad europea de almacenar y transmitir grandes cantidades de datos digitales y garantizarse la protección de dichos datos de conformidad con los intereses legítimos de los ciudadanos y las empresas de la UE.
  5. Las instituciones y los gobiernos nacionales de la UE deberían preparar a los ciudadanos para los retos que plantea la sociedad digital y las tecnologías revolucionarias afines, como la fabricación aditiva, a través de inversiones en programas culturales, educativos y de formación que estén en consonancia con la dinámica y las necesidades de los nuevos perfiles profesionales asociados a una nueva generación de sistemas de producción.
  6. Para alcanzar todo el potencial de la fabricación aditiva, han de fomentarse la investigación y la creatividad (a través de incentivos financieros y fiscales) en las empresas e instituciones educativas y científicas pertinentes.
  7. Es necesario seguir investigando para ampliar la gama de materiales y el número de aplicaciones, así como para mejorar la robustez, la velocidad, la productividad y el grado de desarrollo de esta tecnología. En Europa debe avanzarse a fin de hacer madurar el proceso de producción para garantizar que ocupamos una posición competitiva en los mercados mundiales y que la UE sigue teniendo beneficios económicos y empleos de calidad.
  8. Las asociaciones europeas para la innovación deben racionalizar los esfuerzos para desarrollar nuevos materiales destinados a la fabricación aditiva. Una gama más amplia de materiales y un mayor número de proveedores promoverán unos precios más competitivos, harán que aparezcan nuevos sectores industriales y crearán tanto mayores volúmenes de materiales para la fabricación aditiva como mercados de suministro más competitivos.
  9. La UE debe facilitar la inversión en nuevos equipos de fabricación aditiva y fomentar el desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva en sistemas de producción abiertos que sean flexibles y fáciles de integrar con otras tecnologías de producción y acabado, para incrementar así el número de solicitudes y el volumen de negocios.
  10. El marco regulador nacional y europeo no ha logrado seguir el rápido ritmo de cambio en la fabricación aditiva, por lo que se necesita una reglamentación específica para abordar principalmente las normas y la certificación, los derechos de propiedad intelectual, la protección de los consumidores, la salud y la seguridad en el trabajo, y el medio ambiente.
  11. El proceso de reglamentación por lo que respecta a la fabricación aditiva debe basarse en una investigación científica interdisciplinaria que estudie el impacto de esta tecnología y en la que participen plenamente las partes interesadas.
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La impresora de comida 3D Foodini ha sido desarrollada por la empresa española Natural Machines. Permite imprimir alimentos con hasta 6 ingredientes frescos en forma de puré. Foodini no cocina, los ingredientes se distribuyen en capas. Imagen: Natural Machines.

El informe y dentro del en el epígrafe ‘Salud y seguridad en el trabajo’ señala:

Son muy pocos los estudios sobre la fabricación aditiva desde el punto de vista de la salud y la seguridad en el trabajo. Existe una necesidad real de que los haya debido a:

  • los riesgos químicos, derivados de las resinas volátiles que se utilizan en la fabricación aditiva de componentes con polímeros, y los aditivos volátiles metálicos y no metálicos en polvos metálicos,
  • los riesgos químico-físicos derivados del uso de polvos, especialmente cuando dichos polvos contienen nanopartículas,
  • el riesgo de explosión, derivado de la utilización de polvos,
  • los riesgos específicos, derivados del uso de fuentes láser, haces de electrones, etc.

Con el uso de aplicaciones industriales de fabricación aditiva, urge la aparición de estudios concretos sobre la evaluación del riesgo para los trabajadores con el fin de desarrollar sistemas y normas de protección. También hay que poner en marcha cursos de formación en materia de seguridad para aquellos trabajadores que trabajan con máquinas de fabricación aditiva. Esto podría formar parte del programa de formación que se mejorará o creará.

Aunque en los puntos 10 de las conclusiones y recomendaciones se recoge “necesita una reglamentación específica para abordar principalmente las normas y la certificación, los derechos de propiedad intelectual, la protección de los consumidores, la salud y la seguridad en el trabajo, y el medio ambiente”. Solamente se ha avanzado en los derechos de la propiedad intelectual. El Pleno del Parlamento Europeo ha aprobó la propuesta de resolución ‘Impresión tridimensional, un reto en el ámbito de los derechos de propiedad intelectual y de la responsabilidad civil’ (2017/2007(INI) en la que, entre otras medidas, pide a la Comisión Europea, el órgano de gobierno ejecutivo de la Unión, que identifique a todos los participantes en el proceso de obtención de un objeto 3D (desde el creador del programa informático hasta el impresor del objeto); que refuerce la propiedad intelectual en el sector y que estudie la posibilidad de elaborar un régimen de responsabilidad civil.
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Olaf Diegel utiliza la impresión 3D para crear instrumentos musicales. Esta guitarra fue impresa en aluminio como una sola pieza con una impresora EOS M400. Tiene un núcleo interno de madera de arce, un mástil Warmoth, un puente Schaller y un mini sintonizador Gotoh 510. El instrumento terminado pesa 3,6 kilos. Imagen: Olaf Diegel, https://www.oddguitars.com/

En cualquier y a falta de una reglamentación específica para el riesgo que implica la utilización del láser en los procesos de trabajo siempre deberán tenerse en cuenta:

  • Las contenidas en el Anexo I - 1.5.12 Radiaciones láser, de la Directiva 2006/42/CE relativa a las máquinas (R.D. 1644/2008): (1) Se deben diseñar y fabricar de forma que se evite toda radiación involuntaria. (2) Deberán disponer de protección de forma que no perjudiquen a la salud ni las radiaciones útiles, ni la radiación producida por reflexión o difusión, ni la radiación secundaria. (3) Los equipos ópticos para la observación o el reglaje de equipos láser de las máquinas deben ser tales que no den lugar a riesgo alguno para la salud debido a las radiaciones láser.
  • El Real Decreto 486/2010, de 23 de abril, sobre la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición a radiaciones ópticas artificiales.

Para el riesgo higiénico por la utilización de polvos y teniendo en cuenta que a algunos polvos metálicos pueden ser inflamables o generar atmósferas explosivas deberá tenerse en cuenta:

  • La Directiva 2006/42/CE relativa a las máquinas (R.D. 1644/2008) en; (1) Anexo I - 1.5.6 Incendio: La máquina se debe diseñar y fabricar de manera que se evite cualquier riesgo de incendio o de sobrecalentamiento provocado por la máquina en sí o por los gases, líquidos, polvos, vapores y demás sustancias producidas o utilizadas por la máquina; y en Anexo I - 1.5.7 Explosión: La máquina se debe diseñar y fabricar de manera que se evite cualquier riesgo de explosión provocado por la propia máquina o por los gases, líquidos, polvos, vapores y demás sustancias producidas o utilizadas por la máquina.
  • Cumplir con lo indicado en la Ficha de Datos de Seguridad (FDS).
  • El Real Decreto 681/2003, de 12 de junio, sobre la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos derivados de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo.

Referencias y fuentes:

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