Руководство по 3D-печати полипропиленом: Сравнение технологий, материалов и применений

По мере того как технологии 3D-печати становятся более совершенными, инженеры, производители и дизайнеры во всех отраслях начинают полагаться на 3D-печатные детали на каждом этапе процесса - от проектирования до производства. Возможность использовать один и тот же материал, например, полипропилен, на протяжении всего этого процесса дает огромные преимущества: снижение затрат, меньший риск необходимости переделки оснастки, постоянное соответствие нормативным стандартам и гладкий путь к валидации производственного процесса.

Существует высокий спрос на материалы, которые знакомы отрасли, но при этом сохраняют преимущества 3D-печати. Полипропилен - второй по распространенности производимый в мире пластик-коммодити, термопласт, который практически каждый в инженерной и производственной сферах понимает и использует ежедневно.

Возможность 3D-печати полипропиленом означает, что пользователи получают доступ к свободе дизайна, быстрым срокам изготовления и гибкости цепочки поставок, присущим 3D-печати, при этом сохраняя возможность полагаться на знакомые, стандартизированные свойства материала. Это руководство охватит распространенные области применения полипропилена, а также преимущества и недостатки создания полипропиленовых деталей с помощью традиционного литья, а также технологий 3D-печати FDM, SLS, MJF и SLA.

---

Что такое полипропилен?

Полипропилен обладает высокой устойчивостью цвета, что означает простоту технологий окрашивания, и гранулы можно легко насыщать пигментом. Эта характеристика делает его хорошим выбором материала для массового производства товаров народного потребления. (изображение: All3dp.com)

Полипропилен (ПП) — это полиолефин, похожий на полиэтилен. Это термопласт, используемый в производственной промышленности и промышленности товаров народного потребления для массового производства таких распространенных изделий, как пластиковые бутылки. Полипропилен образуется в результате реакцией полимеризации с ростом цепи из мономера пропилена. Он чрезвычайно похож на другой распространенный пластик - полиэтилен. Эти два материала иногда сочетают в процессе переработки для производства переработанных полиолефиновых волокон. Хотя полипропилен был впервые разработан в 1951 году американскими сотрудниками Philips Petroleum, исследования и разработки продолжаются, и есть много перспективных исследований в области биополипропиленовых материалов, а также новых методов переработки.

---

Области применения полипропилена

Полипропилен является одним из самых распространенных пластиков-коммодити в мире; его пластичность и низкая стоимость делают его идеально подходящим для применения в упаковке потребительских товаров, такой как бутылки для косметики, чистящих средств и фармацевтических препаратов. (изображение: Adreco Plastics)

Пластичность, легкость, а также химическая и водостойкость полипропилена делают его идеальным для товаров народного потребления, где стенки тонкие, но прочность необходима, как, например, в пластиковых пищевых контейнерах. Его наиболее частое применение — бутылки для жидкостей, таких как шампунь, моторное масло, чистящие растворы и другие, а также лабораторные пробирки и бутылки, контейнеры для пищевых продуктов и фармацевтических препаратов и медицинские устройства. Распространенный случай использования полипропилена — изготовление пластиковых оконных штор.

Пластичные качества полипропилена делают его идеальным для производства деталей с живыми петлями (интегральными шарнирами), таких как крышки контейнеров для конфет или бутылок шампуня. ПП устойчив к усталости и может многократно использоваться даже в таких применениях.

Пластичность полипропилена делает его хорошим выбором для таких элементов дизайна, как живые петли, где соединения компонентов должны многократно сгибаться без разрыва. (изображение: RevPart)

---

Свойства материала полипропилена

Материалы из полипропилена являются легкими, водонепроницаемыми, химически стойкими и пластичными. Плотность полипропилена низкая, обычно от 0,895 до 0,93 г/см³, что делает его одним из самых легких доступных пластиков и, следовательно, хорошо подходящим для применений, где важен малый вес.

Полипропилен обладает хорошей термостойкостью, а также гидрофобными и олеофобными свойствами, что приводит к его частому использованию в пищевой упаковочной промышленности. В сочетании с другими соединениями полипропилен может стать довольно прочным и использоваться в инженерных applications, где происходит повторяющееся давление или удар. Температура тепловой деформации под нагрузкой (HDT) многих форм материалов из полипропилена составляет около 100 °C при 0,45 МПа, что, хотя и не является чрезвычайно высоким показателем, делает его пригодным для широкого спектра применений.

---

Методы изготовления полипропилена

Полипропилен чаще всего формуют, как правило, литьем под давлением расплавленных гранул полипропилена или термоформованием с использованием листов полипропиленового материала. Эти методы изготовления чрезвычайно недороги за деталь при массовом производстве и представляют подавляющее большинство производимых деталей из полипропилена.

Однако традиционные процессы массового производства имеют серьезные недостатки, такие как высокие первоначальные затраты на оснастку и связанный с этим риск устаревания, длительные сроки поставки и необходимость аутсорсинга, а также ограничения, которые они накладывают на процесс проектирования и разработки продукта.

3D-печать полипропиленом стала более популярной по мере развития аппаратного и программного обеспечения и материалов в индустрии 3D-печати. 3D-печатные детали из полипропилена могут демонстрировать те же свойства материала, что и детали из полипропилена, изготовленные литьем под давлением, и предлагать преимущества, присущие аддитивному производству: свободу дизайна, кастомизацию, эффективность, сокращение отходов, избежание устаревшей оснастки и гибкость цепочки поставок.

---

Технологии 3D-печати полипропиленом

Существует несколько возможностей для 3D-печати материалами из полипропилена, включая селективное лазерное спекание (SLS) или Multi Jet Fusion (MJF) с полипропиленовым порошком, а также моделирование методом наплавления (FDM) с полипропиленовой нитью. Также существуют материалы, похожие на полипропилен, доступные для принтеров стереолитографии (SLA), которые могут точно имитировать свойства полипропиленового материала.

Параметр	Селективное лазерное спекание (SLS)	Multi-Jet Fusion (MJF)	Моделирование методом наплавления (FDM)	Стереолитография (SLA)
Разрешение	★★★★☆	★★★★☆	★★★☆☆	★★★★★
Точность	★★★★★	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Качество пов-ти	★★★★☆	★★★★☆	★★☆☆☆	★★★★★
Производит-ть	★★★★★	★★★★★	★★★☆☆	★★★★☆
Сложные конструкции	★★★★★	★★★★★	★★★☆☆	★★★★★
Простота исп-ния	★★★★☆	★★★☆☆	★★★★★	★★★★★
Св-ва материала	★★★★★	★★★★★	★★★☆☆	★★★☆☆
Доступные мат-лы	Полипропилен, нейлон	Полипропилен, нейлон	Полипропилен, нейлон	Материалы, похожие на ПП: Tough 1500 Resin, Durable Resin
Стоимость	Настольные промышленные SLS-принтеры стоят от $30 000 за принтер и $60 000 за всю экосистему. Традиционные промышленные SLS-принтеры стоят от $200 000.	От $350 000.	Бюджетные принтеры, способные печатать ПП, — от $1 000, принтеры среднего класса — около $3 500, промышленные системы — от $15 000.	Профессиональные SLA-принтеры стоят около $2 500 – $10 000, а принтеры для печати больших деталей — в диапазоне $5 000 – $25 000.
Плюсы	Высокое качество деталей Свобода дизайна Не нужны поддержки Высокая произв-ть Упрощенный процесс Малый размер Низкие затраты на обслуживание	Большой объем сборки Высокое качество деталей Свобода дизайна Не нужны поддержки Высокая произв-ть	Низкая стоимость машин и мат-лов Быстро для простых мелких деталей Широкая гамма цветов	Доступность Высокое качество деталей Свобода дизайна
Минусы	Умеренный объем сборки	Дорогое оборудование Большие размеры Требования к помещению Требуется опер-р	Низкая точность Низкое качество деталей Анизотропия Огранич. свобода дизайна Требуются поддержки	Не настоящий полипропилен
Применения	Функциональное прототипирование Мелко- и среднесерийное или кастомное пр-во	Функциональное прототипирование Мелко- и среднесерийное или кастомное пр-во	Недорогое быстрое прототипирование Базовые моделя для проверки концепции	Функциональное прототипирование

---

Селективное лазерное спекание (SLS) для 3D-печати полипропиленом

Селективное лазерное спекание (SLS) быстро становится одним из самых популярных методов 3D-печати прочных деталей качества, пригодного для конечного использования. Технология SLS использует мощный лазер для сплавления мелких частиц полимерного порошка. Несплавленный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специальных опорных структурах.

Полипропиленовые порошки для SLS 3D-принтеров доступны не у всех производителей, поэтому при выборе SLS 3D-принтера важно убедиться, что он предлагает порошок ПП в своей библиотеке материалов.

Полипропиленовый порошок для SLS 3D-печати
Полипропиленовый порошок, хотя и не является самым распространенным материалом для SLS 3D-печати (это нейлон), все же является очень популярным материалом, предлагаемым производителями промышленных SLS 3D-принтеров.

Порошок Nylon 11 предлагает свойства, схожие с полипропиленом.

Formlabs в настоящее время предлагает Nylon 12 Tough и Nylon 11 Powder для 3D-печати деталей со свойствами, похожими на полипропилен. Порошок Nylon 12 Tough менее пластичен, чем полипропилен, но значительно прочнее. Для максимально возможного относительного удлинения при разрыве и ударной вязкости выбирайте Nylon 11 Powder (для лучших результатов Nylon 11 Powder требует инертной атмосферы).

Как печатать детали, похожие на полипропилен, с помощью технологии SLS
3D-печать деталей с помощью технологии SLS позволяет производить единичные прототипы или мелко- и среднесерийные производственные партии. Рабочий процесс SLS включает этап предпечатной подготовки для эффективного размещения деталей в порошковой ванне.

Плотность упаковки и коэффициент обновления (refresh rate) являются важными факторами для повышения эффективности и снижения стоимости детали. Этот шаг можно упростить — особенно для производства больших объемов — используя алгоритм упаковки, такой как алгоритм упаковки PreForm от Formlabs или решение Autodesk NetFabb. Formlabs Nylon 12 Tough Powder имеет коэффициент обновления 20%, что означает, что 80% каждой камеры построения может быть переработанным порошком. Это означает, что в целом используется меньше порошка, а стоимость детали остается довольно низкой.

После завершения печати необходимы дополнительные этапы постобработки: удаление порошка и струйная обработка. Некоторые производители принтеров SLS предлагают полные экосистемы для этих этапов, а другие — нет, поэтому для процесса обеспыливания и струйной обработки может потребоваться дополнительное стороннее оборудование. Formlabs Fuse Sift и Fuse Blast упрощают постобработку деталей SLS, повышая эффективность использования порошка и чистоту вашего пространства для SLS-печати.

Решения для постобработки, такие как паровая полировка, вибрационная обработка (виброфинишинг), керамическое покрытие или окрашивание, могут улучшить как эстетику, так и механические характеристики деталей, напечатанных на SLS.

Плюсы и минусы SLS 3D-печати полипропиленом
Детали из полипропилена, напечатанные на 3D-принтере SLS, близки к изотропным, что означает, что они демонстрируют сходные свойства материала при нагрузке по всем осям. Это изотропное качество позволяет использовать 3D-печатные детали из полипропилена в условиях конечного использования, где усилие или удар могут приходить с нескольких — или непредвиденных — направлений. Принтеры FDM не могут создавать изотропные детали, поэтому полипропиленовые нити FDM будут производить детали, которые могут раскалываться при ударе вдоль линий слоев.

SLS 3D-печать — это мощный способ прототипирования, и, поскольку полипропилен так часто используется для товаров народного потребления, SLS 3D-печать полипропилена создает возможности для переосмысления потребительских товаров, увеличения частоты итераций и предоставления малым или средним предприятиям инструментов для создания деталей и вывода их на рынок без аутсорсинга больших частей их рабочего процесса. Благодаря деталям из полипропилена, напечатанным на 3D-принтере, качеством для конечного использования, процесс от проектирования до производства становится более тесным, эффективным и рентабельным.

---

Multi Jet Fusion (MJF) для 3D-печати полипропиленом

Принтеры MJF от HP хорошо подходят для мелко- и среднесерийного производства деталей из полипропилена. (изображение: Make Parts Fast)

Multi Jet Fusion — это процесс аддитивного производства на основе порошкового слоя, запатентованный и предоставляемый исключительно Hewlett Packard (HP). 3D-принтеры MJF производят детали, нанося жидкое связующее вещество на слой частиц полимерного порошка, чтобы перевести их в полутвердое состояние, прежде чем отвердить слой с помощью инфракрасного источника тепла и начать следующий слой.

Полипропиленовый порошок для MJF 3D-печати
HP предлагает материал из полипропиленового порошка для MJF с 2020 года. Клиенты MJF используют способность порошка ПП создавать настоящие детали из полипропилена для обеспечения преемственности на этапах прототипирования и проектирования, чтобы при переходе от прототипирования к массовому производству свойства материала полипропилена оставались неизменными на протяжении всего процесса. Полипропиленовый порошок HP предлагает относительное удлинение при разрыве 20% и предел прочности при растяжении 30 МПа, что делает его похожим по производительности на Formlabs Polypropylene Powder для серии Fuse, но с несколько менее благоприятным относительным удлинением при разрыве.

Как печатать детали из полипропилена с помощью технологии MJF
Только одна из пяти моделей принтеров HP MJF совместима с их порошком ПП, поэтому клиентам следует убедиться в правильности модели перед покупкой.

Печать деталей из полипропиленового порошка на принтерах HP MJF требует многих из тех же шагов, что и SLS 3D-печать полипропилена. Поскольку многие принтеры MJF больше, чем серия Fuse, следует использовать алгоритм упаковки, чтобы избежать ненужных отходов порошка. Принтерам MJF требуются выделенные электрические цепи, большая площадь пола и часто выделенный оператор, прошедший обучение работе на машине.

После печати детали проходят этапы обеспыливания и струйной обработки, а затем могут быть подвергнуты постобработке с помощью ряда опций для достижения качества отделки, пригодного для конечного использования. Эти методы постобработки могут помочь перевести детали из полипропилена от прототипа к качеству готовой продукции.

Плюсы и минусы MJF 3D-печати полипропиленом
MJF 3D-печать полипропилена позволяет получать детали, которые точно отражают свойства материала литого под давлением полипропилена, что важно для тех, кто хочет сохранить один материал на всех этапах проектирования и производства. Принтеры MJF надежно создают высококачественные детали и могут использоваться для производственных объемов благодаря своим большим камерам построения.

Однако принтеры MJF дороги и могут часто стоить более 340 000 долларов, включая ежегодные сервисные контракты, требования к выделенной инфраструктуре и дорогой порошок.

---

Моделирование методом наплавления (FDM) для 3D-печати полипропиленом

Полипропиленовая нить FDM может использоваться для быстрых прототипов, таких как этот инженерный компонент, напечатанный на FDM-принтере. (изображение: Sculpteo)

FDM 3D-печать — это наиболее известный процесс 3D-печати благодаря своей повсеместности и низкому порогу вхождения. Известный как метод «горячего клеевого пистолета», FDM-принтеры плавят и экструдируют пластиковую нить в форме детали, укладывая материал слой за слоем. FDM 3D-печать полипропиленовой нитью доступна от многих производителей, но детали из полипропилена, напечатанные на FDM, редко могут соответствовать свойствам материала традиционно изготовленных деталей из полипропилена.

Полипропиленовая нить для FDM 3D-печати
Многие производители предлагают варианты полипропиленовой нити, но они дороже, чем другие, более распространенные материалы для FDM 3D-печати, такие как ABS или PLA нить. Более высокая HDT полипропилена означает, что FDM 3D-принтеры должны поддерживать высокую температуру как для экструдера, так и для камеры печати, поэтому важно убедиться в совместимости, прежде чем выбирать FDM-принтер или покупать нить для создания полипропиленовых деталей.

Полипропилен, напечатанный на FDM, не подходит для более сложных применений, таких как детали для конечного использования, где превосходны полипропиленовые порошки SLS и MJF. Существуют бюджетные принтеры, способные печатать ПП, начиная от 1000 долларов, принтеры среднего класса стоимостью примерно 3500 долларов и промышленные системы, которые начинаются от 15 000 долларов.

Как печатать детали из полипропилена с помощью технологии FDM
С полипропиленовой нитью печатать сложнее, чем со стандартными материалами FDM. Для этого требуется температура экструдера около 240 °C с температурой стола 85-120 °C. Печать деталей из полипропилена на FDM-принтере также требует, чтобы у принтера был вентилятор охлаждения — полипропиленовая нить может деформироваться во время этапа охлаждения или отверждения, и вентилятор может помочь снизить этот риск, равномерно распределяя более холодный воздух вокруг детали.

Плюсы и минусы FDM 3D-печати полипропиленом
FDM 3D-печать полипропиленом — хороший метод для создания быстрых, недорогих прототипов на ранних стадиях или моделей «похоже на». Доступность многих FDM 3D-принтеров, как по стоимости, так и по рабочему процессу, делает эту технологию хорошей для любителей, желающих проектировать потребительские товары, или дизайнеров продуктов, которые хотят получить раннюю физическую модель до начала более интенсивных этапов проектирования.

FDM 3D-принтеры не создают изотропных или водонепроницаемых деталей, поэтому детали из полипропилена FDM не могут эффективно функционировать в качестве бутылок, корпусов или трубок, которые являются распространенными областями применения полипропилена.

---

Стереолитография (SLA) для 3D-печати с материалами, похожими на полипропилен

*SLA-принтеры, такие как Form 4L (слева) и Form 4 (справа), являются отличным дополнением к рабочему процессу разработки продукта. Печать с помощью смолы, похожей на полипропилен, такой как Tough 1500 Resin, может быть быстрым способом создания ранних прототипов перед переходом к функциональному тестированию или более крупным тиражам с литьем под давлением полипропилена.*

Технология стереолитографии (SLA) использует лазер или источник света для отверждения жидких смол по одному тонкому слою за раз, создавая деталь, которая является изотропной и химически связанной между слоями, а также физически. Производители 3D-принтеров SLA производят свои собственные материалы — отраслевые стандартные материалы, такие как ABS, PLA или нейлон, не имеют точных эквивалентов в библиотеках материалов смол SLA, поэтому на рынке нет «настоящей» смолы полипропилена.

Однако многие производители предлагают смолы, которые могут соответствовать почти всем свойствам полипропиленового материала и служить адекватной заменой в рабочих процессах проектирования и прототипирования перед массовым производством с традиционно изготовленными деталями из полипропилена.

Смолы, похожие на полипропилен, для SLA 3D-печати

Durable Resin от Formlabs — хорошая замена полипропилену в процессе прототипирования. С относительным удлинением при разрыве 55% Durable Resin является хорошим выбором для упаковки потребительских товаров, такой как эта бутылка.

Tough 1500 Resin от Formlabs имеет более высокий предел прочности при растяжении (33 МПа), чем Durable Resin, и немного более гибкий, чем литой под давлением полипропилен.

Formlabs предлагает несколько смол, которые идеально подходят для прототипирования в applications, где в конечном итоге будет использоваться полипропилен, например, упаковка потребительских товаров. Поскольку существует много различных марок полипропилена, существует более одной смолы, которая может занять его место в определенных применениях.

Tough 1500 Resin предлагает свойства материала, очень похожие на литой под давлением полипропилен. С пределом прочности при растяжении 33 МПа и относительным удлинением при разрыве 51%, он немного более гибкий, чем литой под давлением полипропилен.

Durable Resin предлагает схожее относительное удлинение, 55%, но более низкий предел прочности при растяжении — 28 МПа, и чаще используется вместо полиэтиленовых материалов.

Как печатать смолами, похожими на полипропилен, с помощью технологии SLA
Рабочий процесс печати материалами, похожими на полипропилен, с помощью технологии SLA зависит от производителя принтера. Рабочие процессы и стоимость принтеров могут варьироваться от начального уровня и простых рабочих процессов до сложных рабочих процессов и дорогостоящих машин. SLA-принтеры Form Series от Formlabs недороги, а рабочий процесс интуитивно понятен и чист.

Выбрав смолу для имитации полипропилена, вставьте картридж со смолой в заднюю часть принтера и начните печать. После завершения печати детали необходимо будет промыть, и, если используется Tough 1500 Resin или Durable Resin, потребуется пост-отверждение. Эти два шага можно упростить с помощью решений для постобработки Formlabs: Form Wash или Form Wash L и Form Cure или Form Cure L.

Плюсы и минусы SLA 3D-печати со смолами, похожими на полипропилен
SLA 3D-печать с материалами, похожими на ПП, идеально подходит для высококачественных функциональных прототипов и прототипирования деталей, которые обычно производятся из полипропилена. Для клиентов SLA, которые уже печатают на SLA-принтерах, использование Tough 1500 Resin или Durable Resin для имитации деталей из полипропилена — это простой и недорогой способ достижения аналогичных механических характеристик. Переключение между смолами просто и не требует этапа очистки.

Главный недостаток печати этими смолами заключается в том, что они не являются настоящими материалами из полипропилена, поэтому при использовании их для прототипирования или проектирования будет некоторый разрыв в преемственности между проектированием и производством.

---

Как начать работу с 3D-печатью полипропиленом

Решения для 3D-печати полипропиленом становятся более доступными, поскольку производители 3D-принтеров технологий SLS, MJF, FDM и SLA представляют все больше полипропиленовых нитей и порошков, а также смол, которые могут имитировать свойства полипропилена.

Чтобы начать работу с 3D-печатью деталей из полипропилена, сначала подумайте, какие функции вам нужны от 3D-принтера и для вашего уникального рабочего процесса. Для быстрого и недорогого прототипирования на ранних стадиях полипропиленовая нить для FDM 3D-печати может быть наиболее эффективным вариантом. Для более качественных функциональных прототипов SLA-печать со смолой, такой как Tough 1500 Resin или Durable Resin, — хороший способ достичь многих преимуществ полипропилена. Для настоящего полипропилена, который является водонепроницаемым и создает детали, которые могут выдержать функциональные испытания и конечное использование, SLS и MJF 3D-печать являются лучшим выбором.

Экосистема SLS серии Fuse делает создание промышленных деталей, похожих на полипропилен, доступным. Остались вопросы о правильном решении? Свяжитесь с нашими экспертами.