聚丙烯(PP)3D打印—终极指南

魔猴君  知识堂   170天前

聚丙烯（PP）在我们身边随处可见，因为它来源广泛，价格便宜，是仅次于聚乙烯的世界第二大塑料。它的加工多样性、出色的材料特性和可回收性使这种聚合物成为制造业，尤其是注塑业的宠儿。

当您进行3D打印时，聚丙烯仍能保持其所有受人追捧的特性，非常适用于任何需要轻便、防水和耐用的产品。例如，铰链就是一种非常受欢迎的用途，因为聚丙烯可以反复弯曲而不会断裂。使用聚丙烯进行印刷正慢慢赶上传统制造业的步伐，尽管它面临着独特的挑战，我们将在本文末尾提供一些解决方案。首先，让我们来看看聚合物本身。

一、聚丙烯材质介绍

食品容器通常由聚丙烯制成。（来源：All3DP）

材料特性：

聚丙烯因其低成本和许多有利的化学特性而成为制造商的首选，其中最重要的特性如下。

防水性：聚丙烯具有高度不渗透性。该特性对于医疗和工业产品中的完全浸入式应用至关重要。

透过率：在适当的情况下，可以获得高透过率。美观或光的传输需要这种特性。

颜色变化：添加颜色很容易，并且不会降低塑料的性能（染色过程）。

高熔点：与市场上的其他塑料相比，聚丙烯的高熔点使其成为需要高温的实验室和食品用具（容器、厨房用具）的绝佳选择。

耐化学性：半结晶聚合物的耐化学性和耐溶剂性通常比竞争性无定形材料好得多，因为其密集的晶体结构可防止溶解。

生物抗性：不会因细菌或真菌等生物因素而发霉或变质（短期内）。

绝缘：由于其高电阻，通常用于电子元件。

无毒性：根据美国食品和药物管理局的说法，聚丙烯通常被认为对于食品和人类接触是安全的，并且不包含有争议的添加剂双酚A(BPA)。然而，根据所使用的混合物，目前的研究表明，在某些条件下，塑料中发现的内分泌干扰化学物质仍然可能有渗入食品和饮料的风险。

可回收性：理论上，聚丙烯既可以化学回收，也可以机械回收。关于3D打印，这项研究表明，与在回收过程中容易断裂或交联的其他普通长丝不同，回收聚丙烯由于其高热稳定性而表现出优异的材料性能。

使用Voxeljet高速烧结技术3D打印聚丙烯部件（来源：Voxeljet）

虽然这些听起来都不错，但聚丙烯的化学成分也有一些缺点：

易燃性高：这种材料很容易燃烧，但也有一些等级的材料具有更强的阻燃性。

紫外线降解：这种材料容易受到阳光的破坏，使其聚合物键降解。因此，对于长期暴露在室外光线下的纯材料来说，它并不是一个理想的选择，不过可以使用颜料和其他添加剂来改善这种情况。

高温用途有限：虽然它能承受一定的热量，但过了一定温度后，PP就会变得太热。这是因为它具有高温膨胀系数。

耐氯化溶剂和芳烃性差。

粘合性能差：这使其难以涂漆，并影响其与某些胶水的兼容性。不过，粘合强度可以提高，这样就可以使用涂料和油墨。

易氧化：聚丙烯容易发生热氧化降解，在混合物中加入抗氧化剂可在一定程度上解决这一问题。

机械性能：

聚丙烯在拉伸测试中始终表现出色。（来源：Source:Instron）

聚丙烯物理特性的另一个重要方面是其在机械负荷下的行为。在这方面，聚丙烯还具有许多有利特性，使其成为一种极具吸引力的制造材料。

拉伸强度：尽管重量轻，但这种材料却能承受重负荷。

弹性和韧性：聚丙烯被认为是一种坚韧的材料，因为它可以变形而不会断裂。此外，聚丙烯还具有很好的柔韧性，使其易于塑造成不同的形状，并确保在断裂之前能够承受巨大的破坏。

抗疲劳性：这一特性是洗发水盖由聚丙烯制成的原因。它在弯曲或受到扭转后仍能保持形状。这使其适用于活铰链，而这通常是PLA、ABS或尼龙等更熟悉的3D打印材料无法实现的。

二、未来的聚丙烯-更强且可持续

为增材制造增强聚丙烯性能的研究暗示着新产品的问世。最近一项关于用不同类型的玻璃（一种环保添加剂）增强聚丙烯的研究发现，玻璃能显著改善聚丙烯的机械性能。

今年6月，总部位于美国的PureCycle Technologies公司首次生产了由工业后回收材料制成的再生PP粒子，这些材料包括回收的消费品包装和其他传统上被送往垃圾填埋场的废弃产品。一旦全面投入运营，该公司的工厂将生产1.07亿磅超纯再生PP粒子，这些粒子易于着色并可进行3D打印。

今年4月，悉尼大学的研究人员利用两株真菌成功地对聚丙烯进行了生物降解。研究人员希望他们的方法有朝一日能减少污染环境的大量塑料，并让人们更深入地了解塑料污染在特定条件下是如何自然降解的。

三、聚丙烯的应用

xtol在六天内设计和建造的储液罐功能原型（来源：HP）

聚丙烯是家中最常见的聚合物之一。它具有良好的半透明性、耐化学性和耐疲劳性，可在食品和微波炉中使用。此外，它还可以热成型、塑形、焊接，甚至纺成纤维来生产织物产品。热塑性塑料的应用包括：

汽车零件

软包装和硬包装

时装和运动服

医疗器械

家庭用品

家居用品

这些Peridot 3D打印聚丙烯风管使设备制造商能够比等待注塑零件更快地解决关键问题（来源：巴斯夫）

最近，一家建筑设备制造商需要解决现有设备的现场问题。卡车总成上的一个特定区域允许高压水进入，影响了车辆性能。由于无法等待16周的注塑成型解决方案，该原始设备制造商转而求助于3D打印服务提供商Peridot，后者采用选择性激光烧结3D打印和巴斯夫的聚丙烯来满足应用需求。

该部件（如上图所示）必须满足-29ºC至49ºC的室外温度要求，并能承受高压水和振动的直接曝露。据Peridot称，目前有数百个部件在现场表现良好。

聚丙烯3D打印机

HP 5200系列可以打印与巴斯夫合作开发的聚丙烯（来源：HP）

如果您正在研究聚丙烯3D打印机，可供选择的种类很多，因为许多台式FDM机器至少在技术上可以处理长丝形式的材料。一些制造商提供专门的套件，如聚丙烯打印板，以增加打印成功的几率。工业机器也能将聚丙烯加工成细粉。因此，用于生产聚丙烯部件的四种顶级3D打印工艺：

熔融沉积成型（FDM）

选择性激光烧结（SLS）

多射流熔融(MJF)

高速烧结(HSS)

SLS、MJF和HSS是粉末床熔融技术的不同版本。每种方法在成本、速度和打印质量方面都各有利弊，我们将在下文中一一介绍。

3D打印聚丙烯长丝和颗粒

聚丙烯可以在FDM打印机上进行加工（来源：PPprint）

将FDM 3D打印的多功能性与聚丙烯的材料特性相结合，具有巨大的潜力。例如，改进后的病人专用医疗设备（如矫形器或鞋垫）可以以合理的价格快速实现。这就是为什么使用聚丙烯进行打印越来越受欢迎的原因，但特种材料或复合混合物仍然少之又少。Infinite Material Solutions公司推出的新型Caverna PP 3D可打印泡沫材料是该领域一个令人兴奋的进展。打印完成后，将这种聚丙烯长丝放入水中，部分沉积材料会溶解，留下类似海绵的轻质微孔形态。

聚丙烯（PP）长丝有多种配方，但对于大型项目来说，使用颗粒状聚丙烯（PP）进行3D打印是一种更为经济的选择，因此越来越受到人们的青睐。在大多数情况下，您可以使用与注塑成型行业相同的聚丙烯颗粒3D打印机进行3D打印。

Pollen AM 3D打印机不需要耗材，因为它们拥有集成螺杆挤出机。（来源：AM）

无论是长丝还是颗粒，聚丙烯的半结晶结构都会带来自身的挑战。聚丙烯在冷却时会产生很高的翘曲应力，从而剥落可能幸运地粘在打印床上的第一层。由于床层粘附和翘曲是我们的主要敌人，因此我们将介绍如何解决这些问题，以取得打印成功。在3D打印聚丙烯时，请记住，不同的挤出温度会导致3D打印部件具有不同的特性。例如，提高温度有助于层粘合，从而提高Z方向的拉伸强度。

翘曲是由不均匀的热收缩引起的（来源：Box3D）

粉床熔融聚丙烯

在Sinterit SLS系统上生产的聚丙烯水泵（来源：Sinterit）

粉末床熔融包括将粉末原料层熔融在一起的任何技术。具体做法是用激光直接熔化粉末，或用从喷嘴喷射的能量吸收器选择性地粘合粉末，然后加热熔化粉末。

聚丙烯粉末目前可用于选择性激光烧结（SLS）、多射流熔融（MJF）和高速烧结（HSS）。在所有三种情况下，都是通过溶解沉淀法或低温研磨法将树脂制成的聚丙烯细粉逐层熔融成所需的形状，并留下该技术特有的颗粒表面。然而，不同的材料成分和参数往往意味着这些粉末只能用于特定的技术或机器。

聚丙烯可实现灵活的几何形状，例如活动铰链。（来源：i.materialise）

虽然SLS是激光塑料粉末加工的成熟术语，许多3D打印机制造商（包括EOS、Formlabs、Stratasys、Sinterit和Sintratec等）都采用这一术语，但其他两个术语是个别制造商的专有名称。惠普称其工艺为Multi Jet Fusion，而Voxeljet称其工艺为High-Speed Sintering（HSS）。尽管略有不同，但这两种技术都通过粘合剂喷射原理工作，然后加热打印床，熔化含有吸能液体的部件，从而制造出致密的最终使用部件。

PP工艺的具体优势包括粉末刷新率非常高，熔化温度相对较低，这将降低SLS中昂贵激光器的成本。然而，与FDM类似，翘曲也是一个重要问题，不仅会影响尺寸精度，还可能导致打印崩溃，因此聚丙烯是一种特别难加工的PBF材料。

四、聚丙烯对环境的影响

Aectual的这些花盆由聚丙烯家庭垃圾制成（来源：Aectual）

最后要说的是，聚丙烯是由石油制成的，而石油是一种有限资源，无论是作为能源还是作为石化工业的精炼产品，都会对环境产生巨大影响。聚丙烯不可生物降解，在垃圾填埋场中的分解过程需要20到450年，因为这一过程在很大程度上取决于外部环境条件。

此外，聚丙烯经常被用于水瓶等一次性用品，而水瓶是臭名昭著的环境污染者，它们会逐渐分解成微塑料。为了避免这些问题，聚丙烯可以回收利用。然而，并非所有的回收都是一样的，也会带来一系列问题。

聚丙烯回收

聚丙烯的树脂回收代码为5，理论上与该列表中的其他塑料相比，具有良好的化学和机械可回收性，这意味着用回收聚丙烯制成的产品具有出色的机械质量。以化学或溶剂为基础的聚丙烯回收被称为溶解/再沉淀技术，由于提高了去除杂质的能力，因此回收物的同质性更高。但缺点是，这种技术相当耗能，导致成本较高，使回收料难以与价格低廉的原生料竞争。

聚丙烯的底线是，尽管它在纸张上显示出良好的可回收性，但目前只有约1%-4%被回收利用。绝大部分聚丙烯要么被丢弃在环境中，要么被填埋，要么被"热回收"，即被焚烧用于发电，从而将二氧化碳释放到大气中。因此，在使用聚丙烯或任何聚合物时，首要任务是在3D打印之前进行思考，并始终牢记废物分级（减量化、再利用、再循环），以避免不必要的浪费。

编译整理：ALL3DP