聚丙烯(PP)3D打印—終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   414天前

聚丙烯（PP）在我們身邊隨處可見，因?yàn)樗鼇碓磸V泛，價(jià)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(dāng)您進(jìn)行3D打印時(shí)，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?yàn)榫郾┛梢苑磸?fù)彎曲而不會(huì)斷裂。使用聚丙烯進(jìn)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(dú)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(zhì)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(xué)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(duì)于醫(yī)療和工業(yè)產(chǎn)品中的完全浸入式應(yīng)用至關(guān)重要。

透過率：在適當(dāng)?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(huì)降低塑料的性能（染色過程）。

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

耐化學(xué)性：半結(jié)晶聚合物的耐化學(xué)性和耐溶劑性通常比競(jìng)爭(zhēng)性無定形材料好得多，因?yàn)槠涿芗木w結(jié)構(gòu)可防止溶解。

生物抗性：不會(huì)因細(xì)菌或真菌等生物因素而發(fā)霉或變質(zhì)（短期內(nèi)）。

絕緣：由于其高電阻，通常用于電子元件。

無毒性：根據(jù)美國(guó)食品和藥物管理局的說法，聚丙烯通常被認(rèn)為對(duì)于食品和人類接觸是安全的，并且不包含有爭(zhēng)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(nèi)分泌干擾化學(xué)物質(zhì)仍然可能有滲入食品和飲料的風(fēng)險(xiǎn)。

可回收性：理論上，聚丙烯既可以化學(xué)回收，也可以機(jī)械回收。關(guān)于3D打印，這項(xiàng)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(zhǎng)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(jié)技術(shù)3D打印聚丙烯部件（來源：Voxeljet）

雖然這些聽起來都不錯(cuò)，但聚丙烯的化學(xué)成分也有一些缺點(diǎn)：

易燃性高：這種材料很容易燃燒，但也有一些等級(jí)的材料具有更強(qiáng)的阻燃性。

紫外線降解：這種材料容易受到陽(yáng)光的破壞，使其聚合物鍵降解。因此，對(duì)于長(zhǎng)期暴露在室外光線下的純材料來說，它并不是一個(gè)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(huì)變得太熱。這是因?yàn)樗哂懈邷嘏蛎浵禂?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(qiáng)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(jī)械性能：

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

聚丙烯物理特性的另一個(gè)重要方面是其在機(jī)械負(fù)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(qiáng)度：盡管重量輕，但這種材料卻能承受重負(fù)荷。

彈性和韌性：聚丙烯被認(rèn)為是一種堅(jiān)韌的材料，因?yàn)樗梢宰冃味粫?huì)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)的。

二、未來的聚丙烯-更強(qiáng)且可持續(xù)

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

今年6月，總部位于美國(guó)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(fèi)品包裝和其他傳統(tǒng)上被送往垃圾填埋場(chǎng)的廢棄產(chǎn)品。一旦全面投入運(yùn)營(yíng)，該公司的工廠將生產(chǎn)1.07億磅超純?cè)偕鶳P粒子，這些粒子易于著色并可進(jìn)行3D打印。

今年4月，悉尼大學(xué)的研究人員利用兩株真菌成功地對(duì)聚丙烯進(jìn)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(yīng)用

xtol在六天內(nèi)設(shè)計(jì)和建造的儲(chǔ)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(xué)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(yīng)用包括：

汽車零件

軟包裝和硬包裝

時(shí)裝和運(yùn)動(dòng)服

醫(yī)療器械

家庭用品

家居用品

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

最近，一家建筑設(shè)備制造商需要解決現(xiàn)有設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)問題。卡車總成上的一個(gè)特定區(qū)域允許高壓水進(jìn)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(shè)備制造商轉(zhuǎn)而求助于3D打印服務(wù)提供商Peridot，后者采用選擇性激光燒結(jié)3D打印和巴斯夫的聚丙烯來滿足應(yīng)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(dòng)的直接曝露。據(jù)Peridot稱，目前有數(shù)百個(gè)部件在現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)良好。

聚丙烯3D打印機(jī)

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(jī)，可供選擇的種類很多，因?yàn)樵S多臺(tái)式FDM機(jī)器至少在技術(shù)上可以處理長(zhǎng)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(jī)器也能將聚丙烯加工成細(xì)粉。因此，用于生產(chǎn)聚丙烯部件的四種頂級(jí)3D打印工藝：

熔融沉積成型（FDM）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）

多射流熔融(MJF)

高速燒結(jié)(HSS)

SLS、MJF和HSS是粉末床熔融技術(shù)的不同版本。每種方法在成本、速度和打印質(zhì)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(zhǎng)絲和顆粒

聚丙烯可以在FDM打印機(jī)上進(jìn)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(jié)合，具有巨大的潛力。例如，改進(jìn)后的病人專用醫(yī)療設(shè)備（如矯形器或鞋墊）可以以合理的價(jià)格快速實(shí)現(xiàn)。這就是為什么使用聚丙烯進(jìn)行打印越來越受歡迎的原因，但特種材料或復(fù)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(lǐng)域一個(gè)令人興奮的進(jìn)展。打印完成后，將這種聚丙烯長(zhǎng)絲放入水中，部分沉積材料會(huì)溶解，留下類似海綿的輕質(zhì)微孔形態(tài)。

聚丙烯（PP）長(zhǎng)絲有多種配方，但對(duì)于大型項(xiàng)目來說，使用顆粒狀聚丙烯（PP）進(jìn)行3D打印是一種更為經(jīng)濟(jì)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(jī)進(jìn)行3D打印。

Pollen AM 3D打印機(jī)不需要耗材，因?yàn)樗鼈儞碛屑陕輻U擠出機(jī)。（來源：AM）

無論是長(zhǎng)絲還是顆粒，聚丙烯的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)都會(huì)帶來自身的挑戰(zhàn)。聚丙烯在冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的翹曲應(yīng)力，從而剝落可能幸運(yùn)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(shí)，請(qǐng)記住，不同的擠出溫度會(huì)導(dǎo)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(qiáng)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(shù)。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(jié)（SLS）、多射流熔融（MJF）和高速燒結(jié)（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(xì)粉逐層熔融成所需的形狀，并留下該技術(shù)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(shù)或機(jī)器。

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

雖然SLS是激光塑料粉末加工的成熟術(shù)語，許多3D打印機(jī)制造商（包括EOS、Formlabs、Stratasys、Sinterit和Sintratec等）都采用這一術(shù)語，但其他兩個(gè)術(shù)語是個(gè)別制造商的專有名稱?；萜辗Q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(shù)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(shì)包括粉末刷新率非常高，熔化溫度相對(duì)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(gè)重要問題，不僅會(huì)影響尺寸精度，還可能導(dǎo)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(duì)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(huì)對(duì)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(chǎng)中的分解過程需要20到450年，因?yàn)檫@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(huì)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(huì)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(xué)和機(jī)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(jī)械質(zhì)量。以化學(xué)或溶劑為基礎(chǔ)的聚丙烯回收被稱為溶解/再沉淀技術(shù)，由于提高了去除雜質(zhì)的能力，因此回收物的同質(zhì)性更高。但缺點(diǎn)是，這種技術(shù)相當(dāng)耗能，導(dǎo)致成本較高，使回收料難以與價(jià)格低廉的原生料競(jìng)爭(zhēng)。

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(shí)，首要任務(wù)是在3D打印之前進(jìn)行思考，并始終牢記廢物分級(jí)（減量化、再利用、再循環(huán)），以避免不必要的浪費(fèi)。

編譯整理：ALL3DP