聚丙烯 (PP) 3D 打印长丝：材料、特性和应用

PP（聚丙烯）是一种半结晶热塑性塑料。它是继聚乙烯之后第二常用的商品塑料。由于其良好的性能平衡和低成本，它主要用于食品和消费品的包装。 PP 是由菲利普斯石油公司的员工 J. Paul Hogan 和 Robert Banks 于 1951 年首次合成的。后来在德国化学家 Karl Rehn 和意大利科学家 Giulio Natta 的帮助下实现了商业化，他们在聚合物立体化学方面的工作使得全同立构聚丙烯得以大规模生产。

PP在3D打印中的应用还不是很广泛。由于其容易变形，打印可能具有挑战性。 PP 需要加热的打印体积和相对较高的打印板温度。 PP 3D 打印丝可以提供半透明或彩色品种，或填充各种添加剂，如玻璃纤维、滑石粉或乙烯共聚物。使用聚丙烯进行3D打印的三大优点是其优异的抗疲劳性、良好的耐化学性和良好的层间结合力。本文将讨论聚丙烯的一般特性、其成分、性能和局限性，并将其与其他 3D 打印长丝进行比较。

什么是PP 3D打印？

3D 打印，也称为增材制造，是通过数字设计数据逐层构建物理对象（通常通过熔化的热塑性材料的沉积）来创建物理对象的过程。  由于打印这种热塑性塑料的技术难题已得到解决，它正在获得认可和市场份额。因此，聚丙烯 (PP) 3D 打印涉及在增材制造中使用聚丙烯长丝来生产耐用、灵活的零件。虽然历史上由于翘曲和床粘附力差等问题而难以打印，但材料配方和打印机设置的最新进展显着提高了其可靠性。 PP 因其出色的抗疲劳性而受到特别重视，使其成为活动铰链等功能部件的理想选择。其在室温下对酸、碱和溶剂的耐化学性使其适合医疗和汽车行业的应用。

有关更多信息，请参阅我们的 3D 打印指南。

采用Xometry MJF 3D打印工艺制造的聚丙烯部件

PP长丝的成分是什么？

聚丙烯是一种半结晶单体，化学式为(C3H6)n。它是通过丙烯的链增长聚合生产的。聚丙烯有均聚物（通用级）、嵌段共聚物（含有 5% 至 15% 乙烯）和无规共聚物（含有沿聚丙烯主链随机排列的共聚单体，含有 1% 至 7% 乙烯）。可以添加黑色氧化钛颜料给塑料着色并提高其抗UV（紫外线）光性能。玻璃填充聚丙烯长丝可提高标准聚丙烯的热变形温度，但会牺牲抗冲击性。

PP长丝有什么特性？

PP 3D打印丝的一些关键机械和热性能如下：

1. 聚丙烯的熔化温度为 130°C，热变形温度为 64.1°C。
2. PP 最关键的特性之一是其化学稳定性。这种化学稳定性意味着它可以抵抗许多不同的化学物质，包括酸和碱。
3. 聚丙烯可以抵抗制动或破碎时的冲击载荷。
4. 聚丙烯可以承受数百万次应力循环而不会出现故障。

PP长丝性能比较

表1列出了PP 3D打印长丝与一系列其他高性能长丝的性能比较：

表1：PP、ABS、PETG比较

属性 PP ABS PETG

物业

拉伸模量（MPa）

PP

234±16

ABS

1699±113

PETG

1711±45

物业

屈服拉伸应力（MPa）

PP

8.6±0.4

ABS

38.1±0.3

PETG

46.2±0.8

物业

屈服伸长率 (%)

PP

18.7±3.0

ABS

4.1±0.1

PETG

5.9±0.1

物业

弯曲模量（MPa）

PP

250±9

ABS

1317±28

PETG

1489±25

物业

弯曲强度（MPa）

PP

9.4±0.3

ABS

21.5±1.8

PETG

50±3.5

物业

简支梁冲击强度（kJ/m2）

PP

49.1 ± 3.2（缺口）

ABS

1.5±0.1（铰链）

PETG

7.9 ± 0.6（缺口）

物业

硬度（肖氏D）

PP

42

ABS

55–70

PETG

55–70

物业

热变形温度（0.455MPa）

PP

64.1±3.6

ABS

86.6±0.4

PETG

76.2±0.8

物业

玻璃化转变温度(°C)

PP

-20

ABS

100.5

PETG

77.4

物业

熔化温度(°C)

PP

130.6

ABS

N/A（非晶态聚合物）

PETG

230-250

为什么 PP 用于 3D 打印？

虽然与工程级聚合物相比，PP 的拉伸强度不高，但它具有多种独特的特性，使其对于特定用例很有价值。 PP 由于其优异的抗疲劳性和低吸湿性，特别适合活动铰链、半透明或半柔性容器以及带子等可穿戴设备组件等应用。它还对酸、碱和许多溶剂具有很高的耐化学性，使其成为实验室或工业环境的理想选择。此外，PP还广泛应用于医疗和汽车行业，其生物相容性、耐灭菌过程和轻质特性具有优势。与许多热塑性塑料一样，聚丙烯是可回收的，但由于零件尺寸小和材料污染，3D 打印的 PP 零件的回收难度更大。然而，其热塑性特性使其可以在闭环制造系统中重新熔化和重复使用。

如何在3D打印中使用PP

PP 3D打印长丝是较难打印的热塑性塑料之一。然而，如果使用正确的设置，就没有理由不能获得出色的结果。下面列出了使用聚丙烯打印的一些技巧：

1. PP 3D 打印耗材不容易粘合到未准备好的构建板上。应用于打印平台板上的包装胶带将与第一层印刷层形成良好的粘合，特殊的专用胶棒（例如 Magigoo PP）也能实现良好的粘合。
2. 如果打印环境不保持在45°C的较高温度，聚丙烯在打印过程中很容易翘曲。因此，建议附上打印卷。
3. “筏”是一个打印底座，可以在其上打印实际部件。使用筏可以保护零件的基础层，因为有时零件会与正确准备的构建板粘合得太好，并且移除零件可能会损坏其基础层。只需将木筏拉下来即可轻松拆除。

PP 3D 打印的最佳配置设置是什么？

虽然加热的构建体积和适当的床粘合技术可显着提高 PP 的打印成功率，但优化打印机设置也同样重要。下面列出的参数可作为一般准则，但为了获得最佳结果，请务必查阅技术数据表或制造商针对您的特定聚丙烯长丝等级的建议。聚丙烯以其低表面能而闻名，这使得粘合具有挑战性。建议使用聚丙烯构建片、包装胶带（PP 基）或特殊粘合底漆（例如 Magigoo PP）等技术来实现可靠的床粘合。

表2中的以下数据是使用聚丙烯长丝打印之前需要确定和设置的一些重要打印机设置：

表 2. 典型 PP 打印机设置

打印机设置 值

打印机设置

床层温度

价值

85-100℃

打印机设置

喷嘴温度

价值

205-220℃

打印机设置

打印速度

价值

30-90 mm/s（速度越慢效果越好）

打印机设置

回缩距离

价值

Bowden 挤出机为 6.5 毫米； 

3mm 用于直接驱动系统

打印机设置

填充密度

价值

20%

最佳 PP 3D 打印速度是多少？

PP 的建议打印速度通常为 30 毫米/秒至 60 毫米/秒，具体取决于打印机设置、耗材品牌和所需的零件质量。虽然打印速度可以高达 90 毫米/秒，但如果控制不当，可能会导致尺寸不准确和层粘附问题。为了提高尺寸稳定性和表面质量，通常优选较低的打印速度（30-50 毫米/秒），特别是在打印需要严格公差或最小翘曲的零件时。更高的速度虽然会减少总体打印时间，但由于 PP 的高收缩率，可能会导致热不一致和翘曲。

提高打印速度有时可以改善层间粘合，因为它减少了层沉积之间的冷却时间，使前一层保持温暖并与下一层更好地粘合。然而，这一优势在很大程度上取决于精确的温度控制和有效的零件冷却管理，而对于 PP 来说，由于其表面能低且床层附着力差，这可能会很困难。如果尝试高速打印，3D 打印机必须具有机械刚性，以最大限度地减少振动和共振。高速运行期间的过度运动或摆动会显着降低打印质量，特别是在较高或几何形状复杂的零件中。

PP长丝的熔化温度是多少？

聚丙烯长丝的熔化温度通常在 160°C 至 170°C 范围内，但这可能因制造商和配方中包含的任何添加剂而异。虽然纯等规 PP 的熔点约为 130.6°C，但大多数商业 3D 打印长丝都使用改性版本来增强可打印性，从而提高了有效熔化范围。在实践中，PP 通常在 220°C 至 250°C 下挤出，以确保适当的流动和层间粘合。请务必查阅特定灯丝的技术数据表 (TDS)，以确定正确的温度设置以获得最佳结果。

在 3D 打印中使用聚丙烯揭示了材料特性不仅决定零件性能，还决定工艺稳定性。其低表面能和高收缩率带来的挑战不仅仅需要温度控制，还需要对粘合力学和热行为有深入的了解。虽然数据表强调了其耐化学性和疲劳寿命，但实际使用强调成功的打印依赖于严格控制的环境和特定材料的处理。对于寻求柔性部件耐用性的工程师来说，PP 提供了独特的价值，但前提是从一开始就考虑到了工艺限制。

PP打印时需要加热打印床吗？

是的，使用聚丙烯打印时需要加热打印床。未能将床加热到至少 85°C 进行打印将导致床板粘附问题，从而导致打印失败。

3D 打印 PP 的最佳壁厚是多少？

3D 打印 PP 的最佳壁厚取决于预期应用。尽管如此，一般准则是对于标准功能部件使用 1 毫米左右的最小壁厚。这提供了足够的强度和刚度，同时最大限度地减少翘曲。对于活动铰链等特殊功能，PP 具有出色的抗疲劳性，可实现更薄的部分（低至 0.4 毫米），以在重复循环中保持灵活性和耐用性。然而，壁薄于 0.8 毫米的壁可能需要微调打印机设置，包括适当的冷却、较慢的速度和高精度挤出。与往常一样，设计考虑因素应与灯丝制造商的指南保持一致，以获得最佳性能。

3D 打印 PP 的最佳壁密度是多少？

非功能性聚丙烯 3D 打印零件模型的最佳填充密度为 20%。然而，必须根据预期应用来调整该密度。承重应用可能需要 50-80% 的填充密度。标准网格型填充物足以满足大多数应用。

3D打印中PP和PLA有什么区别？

PLA（聚乳酸）是一种硬而脆的材料，与聚丙烯相比，耐疲劳性较差。然而，PLA 比 PP 3D 打印耗材便宜得多，而且更容易打印。

3D打印中PP和ABS有什么区别？

ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）的机械强度明显优于聚丙烯 3D 打印机丝。然而，这两种材料都容易变形，并且在打印过程中需要加热构建体积。

3D打印中PP和PET有什么区别？

PP和PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）的应用有相当大的重叠。例如，两者都用于安全储存食物和液体。 PP和PET也具有相似的耐温性和刚度性能。

有关 PP 3D 打印的常见问题

PP 可生物降解吗？

用于 3D 打印的聚丙烯长丝不可生物降解，必须在工业设施中回收。

PP 可回收吗？

与大多数热塑性塑料一样，聚丙烯是可回收的。 

PP 吸湿吗？

聚丙烯3D打印长丝不吸湿。它不易吸收水分。 

摘要

本文介绍了 PP 3D 打印长丝，解释了它是什么，并讨论了在 3D 打印中使用它时需要考虑的不同因素。要了解有关 PP 3D 打印耗材的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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