聚丙烯(PP)3D打印—終極指南

魔猴君  知識堂   348天前

聚丙烯（PP）在我們身邊隨處可見，因為它來源廣泛，價格便宜，是僅次于聚乙烯的世界第二大塑料。它的加工多樣性、出色的材料特性和可回收性使這種聚合物成為制造業(yè)，尤其是注塑業(yè)的寵兒。

當您進行3D打印時，聚丙烯仍能保持其所有受人追捧的特性，非常適用于任何需要輕便、防水和耐用的產(chǎn)品。例如，鉸鏈就是一種非常受歡迎的用途，因為聚丙烯可以反復彎曲而不會斷裂。使用聚丙烯進行印刷正慢慢趕上傳統(tǒng)制造業(yè)的步伐，盡管它面臨著獨特的挑戰(zhàn)，我們將在本文末尾提供一些解決方案。首先，讓我們來看看聚合物本身。

一、聚丙烯材質介紹

食品容器通常由聚丙烯制成。（來源：All3DP）

材料特性：

聚丙烯因其低成本和許多有利的化學特性而成為制造商的首選，其中最重要的特性如下。

防水性：聚丙烯具有高度不滲透性。該特性對于醫(yī)療和工業(yè)產(chǎn)品中的完全浸入式應用至關重要。

透過率：在適當?shù)那闆r下，可以獲得高透過率。美觀或光的傳輸需要這種特性。

顏色變化：添加顏色很容易，并且不會降低塑料的性能（染色過程）。

高熔點：與市場上的其他塑料相比，聚丙烯的高熔點使其成為需要高溫的實驗室和食品用具（容器、廚房用具）的絕佳選擇。

耐化學性：半結晶聚合物的耐化學性和耐溶劑性通常比競爭性無定形材料好得多，因為其密集的晶體結構可防止溶解。

生物抗性：不會因細菌或真菌等生物因素而發(fā)霉或變質（短期內）。

絕緣：由于其高電阻，通常用于電子元件。

無毒性：根據(jù)美國食品和藥物管理局的說法，聚丙烯通常被認為對于食品和人類接觸是安全的，并且不包含有爭議的添加劑雙酚A(BPA)。然而，根據(jù)所使用的混合物，目前的研究表明，在某些條件下，塑料中發(fā)現(xiàn)的內分泌干擾化學物質仍然可能有滲入食品和飲料的風險。

可回收性：理論上，聚丙烯既可以化學回收，也可以機械回收。關于3D打印，這項研究表明，與在回收過程中容易斷裂或交聯(lián)的其他普通長絲不同，回收聚丙烯由于其高熱穩(wěn)定性而表現(xiàn)出優(yōu)異的材料性能。

使用Voxeljet高速燒結技術3D打印聚丙烯部件（來源：Voxeljet）

雖然這些聽起來都不錯，但聚丙烯的化學成分也有一些缺點：

易燃性高：這種材料很容易燃燒，但也有一些等級的材料具有更強的阻燃性。

紫外線降解：這種材料容易受到陽光的破壞，使其聚合物鍵降解。因此，對于長期暴露在室外光線下的純材料來說，它并不是一個理想的選擇，不過可以使用顏料和其他添加劑來改善這種情況。

高溫用途有限：雖然它能承受一定的熱量，但過了一定溫度后，PP就會變得太熱。這是因為它具有高溫膨脹系數(shù)。

耐氯化溶劑和芳烴性差。

粘合性能差：這使其難以涂漆，并影響其與某些膠水的兼容性。不過，粘合強度可以提高，這樣就可以使用涂料和油墨。

易氧化：聚丙烯容易發(fā)生熱氧化降解，在混合物中加入抗氧化劑可在一定程度上解決這一問題。

機械性能：

聚丙烯在拉伸測試中始終表現(xiàn)出色。（來源：Source:Instron）

聚丙烯物理特性的另一個重要方面是其在機械負荷下的行為。在這方面，聚丙烯還具有許多有利特性，使其成為一種極具吸引力的制造材料。

拉伸強度：盡管重量輕，但這種材料卻能承受重負荷。

彈性和韌性：聚丙烯被認為是一種堅韌的材料，因為它可以變形而不會斷裂。此外，聚丙烯還具有很好的柔韌性，使其易于塑造成不同的形狀，并確保在斷裂之前能夠承受巨大的破壞。

抗疲勞性：這一特性是洗發(fā)水蓋由聚丙烯制成的原因。它在彎曲或受到扭轉后仍能保持形狀。這使其適用于活鉸鏈，而這通常是PLA、ABS或尼龍等更熟悉的3D打印材料無法實現(xiàn)的。

二、未來的聚丙烯-更強且可持續(xù)

為增材制造增強聚丙烯性能的研究暗示著新產(chǎn)品的問世。最近一項關于用不同類型的玻璃（一種環(huán)保添加劑）增強聚丙烯的研究發(fā)現(xiàn)，玻璃能顯著改善聚丙烯的機械性能。

今年6月，總部位于美國的PureCycle Technologies公司首次生產(chǎn)了由工業(yè)后回收材料制成的再生PP粒子，這些材料包括回收的消費品包裝和其他傳統(tǒng)上被送往垃圾填埋場的廢棄產(chǎn)品。一旦全面投入運營，該公司的工廠將生產(chǎn)1.07億磅超純再生PP粒子，這些粒子易于著色并可進行3D打印。

今年4月，悉尼大學的研究人員利用兩株真菌成功地對聚丙烯進行了生物降解。研究人員希望他們的方法有朝一日能減少污染環(huán)境的大量塑料，并讓人們更深入地了解塑料污染在特定條件下是如何自然降解的。

三、聚丙烯的應用

xtol在六天內設計和建造的儲液罐功能原型（來源：HP）

聚丙烯是家中最常見的聚合物之一。它具有良好的半透明性、耐化學性和耐疲勞性，可在食品和微波爐中使用。此外，它還可以熱成型、塑形、焊接，甚至紡成纖維來生產(chǎn)織物產(chǎn)品。熱塑性塑料的應用包括：

汽車零件

軟包裝和硬包裝

時裝和運動服

醫(yī)療器械

家庭用品

家居用品

這些Peridot 3D打印聚丙烯風管使設備制造商能夠比等待注塑零件更快地解決關鍵問題（來源：巴斯夫）

最近，一家建筑設備制造商需要解決現(xiàn)有設備的現(xiàn)場問題。卡車總成上的一個特定區(qū)域允許高壓水進入，影響了車輛性能。由于無法等待16周的注塑成型解決方案，該原始設備制造商轉而求助于3D打印服務提供商Peridot，后者采用選擇性激光燒結3D打印和巴斯夫的聚丙烯來滿足應用需求。

該部件（如上圖所示）必須滿足-29oC至49oC的室外溫度要求，并能承受高壓水和振動的直接曝露。據(jù)Peridot稱，目前有數(shù)百個部件在現(xiàn)場表現(xiàn)良好。

聚丙烯3D打印機

HP 5200系列可以打印與巴斯夫合作開發(fā)的聚丙烯（來源：HP）

如果您正在研究聚丙烯3D打印機，可供選擇的種類很多，因為許多臺式FDM機器至少在技術上可以處理長絲形式的材料。一些制造商提供專門的套件，如聚丙烯打印板，以增加打印成功的幾率。工業(yè)機器也能將聚丙烯加工成細粉。因此，用于生產(chǎn)聚丙烯部件的四種頂級3D打印工藝：

熔融沉積成型（FDM）

選擇性激光燒結（SLS）

多射流熔融(MJF)

高速燒結(HSS)

SLS、MJF和HSS是粉末床熔融技術的不同版本。每種方法在成本、速度和打印質量方面都各有利弊，我們將在下文中一一介紹。

3D打印聚丙烯長絲和顆粒

聚丙烯可以在FDM打印機上進行加工（來源：PPprint）

將FDM 3D打印的多功能性與聚丙烯的材料特性相結合，具有巨大的潛力。例如，改進后的病人專用醫(yī)療設備（如矯形器或鞋墊）可以以合理的價格快速實現(xiàn)。這就是為什么使用聚丙烯進行打印越來越受歡迎的原因，但特種材料或復合混合物仍然少之又少。Infinite Material Solutions公司推出的新型Caverna PP 3D可打印泡沫材料是該領域一個令人興奮的進展。打印完成后，將這種聚丙烯長絲放入水中，部分沉積材料會溶解，留下類似海綿的輕質微孔形態(tài)。

聚丙烯（PP）長絲有多種配方，但對于大型項目來說，使用顆粒狀聚丙烯（PP）進行3D打印是一種更為經(jīng)濟的選擇，因此越來越受到人們的青睞。在大多數(shù)情況下，您可以使用與注塑成型行業(yè)相同的聚丙烯顆粒3D打印機進行3D打印。

Pollen AM 3D打印機不需要耗材，因為它們擁有集成螺桿擠出機。（來源：AM）

無論是長絲還是顆粒，聚丙烯的半結晶結構都會帶來自身的挑戰(zhàn)。聚丙烯在冷卻時會產(chǎn)生很高的翹曲應力，從而剝落可能幸運地粘在打印床上的第一層。由于床層粘附和翹曲是我們的主要敵人，因此我們將介紹如何解決這些問題，以取得打印成功。在3D打印聚丙烯時，請記住，不同的擠出溫度會導致3D打印部件具有不同的特性。例如，提高溫度有助于層粘合，從而提高Z方向的拉伸強度。

翹曲是由不均勻的熱收縮引起的（來源：Box3D）

粉床熔融聚丙烯

在Sinterit SLS系統(tǒng)上生產(chǎn)的聚丙烯水泵（來源：Sinterit）

粉末床熔融包括將粉末原料層熔融在一起的任何技術。具體做法是用激光直接熔化粉末，或用從噴嘴噴射的能量吸收器選擇性地粘合粉末，然后加熱熔化粉末。

聚丙烯粉末目前可用于選擇性激光燒結（SLS）、多射流熔融（MJF）和高速燒結（HSS）。在所有三種情況下，都是通過溶解沉淀法或低溫研磨法將樹脂制成的聚丙烯細粉逐層熔融成所需的形狀，并留下該技術特有的顆粒表面。然而，不同的材料成分和參數(shù)往往意味著這些粉末只能用于特定的技術或機器。

聚丙烯可實現(xiàn)靈活的幾何形狀，例如活動鉸鏈。（來源：i.materialise）

雖然SLS是激光塑料粉末加工的成熟術語，許多3D打印機制造商（包括EOS、Formlabs、Stratasys、Sinterit和Sintratec等）都采用這一術語，但其他兩個術語是個別制造商的專有名稱。惠普稱其工藝為Multi Jet Fusion，而Voxeljet稱其工藝為High-Speed Sintering（HSS）。盡管略有不同，但這兩種技術都通過粘合劑噴射原理工作，然后加熱打印床，熔化含有吸能液體的部件，從而制造出致密的最終使用部件。

PP工藝的具體優(yōu)勢包括粉末刷新率非常高，熔化溫度相對較低，這將降低SLS中昂貴激光器的成本。然而，與FDM類似，翹曲也是一個重要問題，不僅會影響尺寸精度，還可能導致打印崩潰，因此聚丙烯是一種特別難加工的PBF材料。

四、聚丙烯對環(huán)境的影響

Aectual的這些花盆由聚丙烯家庭垃圾制成（來源：Aectual）

最后要說的是，聚丙烯是由石油制成的，而石油是一種有限資源，無論是作為能源還是作為石化工業(yè)的精煉產(chǎn)品，都會對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。聚丙烯不可生物降解，在垃圾填埋場中的分解過程需要20到450年，因為這一過程在很大程度上取決于外部環(huán)境條件。

此外，聚丙烯經(jīng)常被用于水瓶等一次性用品，而水瓶是臭名昭著的環(huán)境污染者，它們會逐漸分解成微塑料。為了避免這些問題，聚丙烯可以回收利用。然而，并非所有的回收都是一樣的，也會帶來一系列問題。

聚丙烯回收

聚丙烯的樹脂回收代碼為5，理論上與該列表中的其他塑料相比，具有良好的化學和機械可回收性，這意味著用回收聚丙烯制成的產(chǎn)品具有出色的機械質量。以化學或溶劑為基礎的聚丙烯回收被稱為溶解/再沉淀技術，由于提高了去除雜質的能力，因此回收物的同質性更高。但缺點是，這種技術相當耗能，導致成本較高，使回收料難以與價格低廉的原生料競爭。

聚丙烯的底線是，盡管它在紙張上顯示出良好的可回收性，但目前只有約1%-4%被回收利用。絕大部分聚丙烯要么被丟棄在環(huán)境中，要么被填埋，要么被"熱回收"，即被焚燒用于發(fā)電，從而將二氧化碳釋放到大氣中。因此，在使用聚丙烯或任何聚合物時，首要任務是在3D打印之前進行思考，并始終牢記廢物分級（減量化、再利用、再循環(huán)），以避免不必要的浪費。

編譯整理：ALL3DP