3D-Druckfilament aus Polypropylen (PP):Materialien, Eigenschaften und Anwendungen

PP (Polypropylen) ist ein teilkristalliner Thermoplast. Es ist nach Polyethylen der am zweithäufigsten verwendete Massenkunststoff. Aufgrund seiner günstigen Eigenschaften und geringen Kosten wird es hauptsächlich in Verpackungen für Lebensmittel und Konsumgüter eingesetzt. PP wurde erstmals 1951 von J. Paul Hogan und Robert Banks, Mitarbeitern von Phillips Petroleum, synthetisiert. Später wurde es mit Hilfe des deutschen Chemikers Karl Rehn und des italienischen Wissenschaftlers Giulio Natta kommerzialisiert, deren Arbeiten in der Polymerstereochemie die Massenproduktion von isotaktischem Polypropylen ermöglichten.

Der Einsatz von PP im 3D-Druck ist nicht so weit verbreitet. Aufgrund seiner Neigung zum Verziehen kann es schwierig zu drucken sein. PP benötigt ein beheiztes Bauvolumen und eine relativ hohe Bauplattentemperatur. PP-3D-Druckfilamente können in durchscheinenden oder farbigen Varianten geliefert oder mit verschiedenen Zusatzstoffen wie Glasfasern, Talkumpuder oder einem Ethylen-Copolymer gefüllt werden. Die drei Hauptvorteile des 3D-Drucks mit Polypropylen sind seine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit, gute chemische Beständigkeit und gute Zwischenschichtbindung. In diesem Artikel werden die allgemeinen Eigenschaften von Polypropylen sowie seine Zusammensetzung, Eigenschaften und Einschränkungen erörtert und es mit anderen 3D-Druckfilamenten verglichen.

Was ist PP-3D-Druck?

Beim 3D-Druck, auch als additive Fertigung bekannt, wird ein physisches Objekt erstellt, indem es Schicht für Schicht aus digitalen Designdaten aufgebaut wird, typischerweise durch die Abscheidung geschmolzener thermoplastischer Materialien.  Es gewinnt an Akzeptanz und Marktanteilen, da die technischen Schwierigkeiten beim Drucken dieses Thermoplasts gelöst wurden. Daher umfasst der 3D-Druck von Polypropylen (PP) die Verwendung von Polypropylenfilamenten in der additiven Fertigung, um langlebige, flexible Teile herzustellen. Während das Drucken in der Vergangenheit aufgrund von Problemen wie Verzug und schlechter Druckbetthaftung schwierig war, haben jüngste Fortschritte bei Materialformulierungen und Druckereinstellungen die Zuverlässigkeit erheblich verbessert. PP wird besonders wegen seiner hervorragenden Ermüdungsbeständigkeit geschätzt und eignet sich daher ideal für Funktionskomponenten wie bewegliche Scharniere. Aufgrund seiner chemischen Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen und Lösungsmitteln bei Raumtemperatur eignet es sich für Anwendungen in der Medizin- und Automobilindustrie.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zum 3D-Druck.

Polypropylenteil, hergestellt mit dem MJF-3D-Druckverfahren von Xometry

Wie ist die Zusammensetzung von PP-Filament?

Polypropylen ist ein teilkristallines Monomer mit der Formel (C3H6)n. Es wird durch Kettenwachstumspolymerisation von Propen hergestellt. Polypropylen ist als Homopolymer (Allzweckqualität), als Blockcopolymer (enthält zwischen 5 und 15 % Ethylen) und als Zufallscopolymer (enthält zufällig angeordnete Comonomere entlang der Hauptmolekülkette des Polypropylens und enthält zwischen 1 und 7 % Ethylen) erhältlich. Um den Kunststoff einzufärben und seine UV-Lichtbeständigkeit (Ultraviolettlicht) zu verbessern, kann schwarzes Titanoxidpigment hinzugefügt werden. Glasgefüllte Polypropylen-Filamente sind erhältlich, um die Wärmeformbeständigkeit von Standard-Polypropylen auf Kosten der Schlagfestigkeit zu erhöhen.

Was sind die Eigenschaften von PP-Filament?

Nachfolgend sind einige wichtige mechanische und thermische Eigenschaften von PP-3D-Druckfilamenten aufgeführt:

1. Polypropylen hat eine Schmelztemperatur von 130 °C und eine Wärmeformbeständigkeit von 64,1 °C.
2. Eine der wichtigsten Eigenschaften von PP ist seine chemische Stabilität. Diese chemische Stabilität bedeutet, dass es gegen viele verschiedene Chemikalien, einschließlich Säuren und Laugen, beständig ist.
3. Polypropylen kann Stoßbelastungen beim Bremsen oder Zerbrechen standhalten.
4. Polypropylen hält Millionen von Belastungszyklen stand, ohne zu versagen.

Vergleich der PP-Filamenteigenschaften

Tabelle 1 listet die Eigenschaften von PP-3D-Druckfilamenten im Vergleich zu einer Reihe anderer Hochleistungsfilamente auf:

Tabelle 1:Vergleich von PP vs. ABS vs. PETG

Eigenschaft PP ABS PETG

Eigentum

Zugmodul (MPa)

PP

234 ± 16

ABS

1699 ± 113

PETG

1711 ± 45

Eigentum

Zugspannung bei Streckgrenze (MPa)

PP

8,6 ± 0,4

ABS

38,1 ± 0,3

PETG

46,2 ± 0,8

Eigentum

Dehnung bei Ausbeute (%)

PP

18,7 ± 3,0

ABS

4,1 ± 0,1

PETG

5,9 ± 0,1

Eigentum

Biegemodul (MPa)

PP

250 ± 9

ABS

1317 ± 28

PETG

1489 ± 25

Eigentum

Biegefestigkeit (MPa)

PP

9,4 ± 0,3

ABS

21,5 ± 1,8

PETG

50 ± 3,5

Eigentum

Charpy-Schlagzähigkeit (kJ/m2) 

PP

49,1 ± 3,2 (gekerbt)

ABS

1,5 ± 0,1 (Scharnier)

PETG

7,9 ± 0,6 (gekerbt)

Eigentum

Härte (Shore D)

PP

42

ABS

55–70

PETG

55–70

Eigentum

Wärmeformbeständigkeitstemperatur (0,455 MPa)

PP

64,1 ± 3,6

ABS

86,6 ± 0,4

PETG

76,2 ± 0,8

Eigentum

Glasübergangstemperatur (°C)

PP

-20

ABS

100,5

PETG

77,4

Eigentum

Schmelztemperatur (°C)

PP

130,6

ABS

N/A (Amorphes Polymer)

PETG

230-250

Warum wird PP im 3D-Druck verwendet?

Obwohl PP im Vergleich zu technischen Polymeren keine hohe Zugfestigkeit bietet, verfügt es über mehrere charakteristische Eigenschaften, die es für bestimmte Anwendungsfälle wertvoll machen. PP eignet sich aufgrund seiner hervorragenden Ermüdungsbeständigkeit und geringen Feuchtigkeitsaufnahme besonders für Anwendungen wie bewegliche Scharniere, durchscheinende oder halbflexible Behälter und tragbare Gerätekomponenten wie Riemen. Es weist außerdem eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen und vielen Lösungsmitteln auf und eignet sich daher ideal für Labor- und Industrieumgebungen. Darüber hinaus wird PP häufig in der Medizin- und Automobilindustrie eingesetzt, wo seine Biokompatibilität, Beständigkeit gegenüber Sterilisationsprozessen und sein geringes Gewicht von Vorteil sind. Polypropylen ist wie viele Thermoplaste recycelbar, obwohl 3D-gedruckte PP-Teile aufgrund kleiner Teilegrößen und Materialverunreinigungen schwieriger zu recyceln sein können. Aufgrund seiner thermoplastischen Beschaffenheit kann es jedoch erneut geschmolzen und in Produktionssystemen mit geschlossenem Kreislauf wiederverwendet werden.

So verwenden Sie PP im 3D-Druck

PP-3D-Druckfilament ist einer der schwieriger zu druckenden Thermoplaste. Wenn jedoch die richtigen Einstellungen verwendet werden, gibt es keinen Grund, warum nicht hervorragende Ergebnisse erzielt werden können. Nachfolgend finden Sie einige Tipps zum Drucken mit Polypropylen:

1. PP-3D-Druckfilament haftet nicht leicht auf einer unvorbereiteten Bauplatte. Auf die Bauplatte aufgetragenes Verpackungsband sorgt für eine gute Verbindung mit der ersten gedruckten Schicht, ebenso wie spezielle Spezialklebestifte wie Magigoo PP.
2. Polypropylen verformt sich beim Drucken leicht, wenn die Druckumgebung nicht auf einer relativ hohen Temperatur von 45 °C gehalten wird. Daher wird ein beiliegendes Druckvolumen empfohlen.
3. Ein „Floß“ ist eine gedruckte Basis, auf die ein tatsächliches Teil gedruckt werden kann. Die Verwendung eines Rafts schützt die Basisschicht des Teils, da das Teil manchmal zu gut auf einer ordnungsgemäß vorbereiteten Bauplatte haftet und durch das Entfernen des Teils die Basis beschädigt werden kann. Ein Floß kann durch einfaches Abziehen leicht entfernt werden.

Was sind die besten Konfigurationseinstellungen für den PP-3D-Druck?

Während ein beheiztes Bauvolumen und geeignete Druckbetthaftungstechniken die Erfolgsquote beim Drucken mit PP deutlich verbessern, ist die Optimierung der Druckereinstellungen ebenso wichtig. Die unten aufgeführten Parameter dienen als allgemeine Richtlinie. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, konsultieren Sie jedoch immer das technische Datenblatt oder die Empfehlungen des Herstellers für Ihre spezifische Polypropylen-Filamentsorte. Polypropylen ist für seine niedrige Oberflächenenergie bekannt, was die Haftung erschwert. Für eine zuverlässige Betthaftung werden Techniken wie die Verwendung einer Polypropylen-Bauplatte, eines Packbands (auf PP-Basis) oder spezieller Haftprimer (z. B. Magigoo PP) empfohlen.

Die folgenden Daten in Tabelle 2 sind einige der wichtigen Druckereinstellungen, die vor dem Drucken mit Polypropylen-Filament ermittelt und eingestellt werden müssen:

Tabelle 2. Typische PP-Druckereinstellungen

Druckereinstellung Wert

Druckereinstellungen

Betttemperatur

Wert

85-100°C

Druckereinstellungen

Düsentemperatur

Wert

205-220°C

Druckereinstellungen

Druckgeschwindigkeit

Wert

30–90 mm/s (niedrigere Geschwindigkeit führt zu besseren Ergebnissen)

Druckereinstellungen

Rückzugsstrecke

Wert

6,5 mm für Bowden-Extruder; 

3 mm für Direktantriebssysteme

Druckereinstellungen

Fülldichte

Wert

20 %

Was ist die beste PP-3D-Druckgeschwindigkeit?

Die empfohlene Druckgeschwindigkeit für PP liegt typischerweise zwischen 30 mm/s und 60 mm/s, abhängig von der Druckereinrichtung, der Filamentmarke und der gewünschten Teilequalität. Obwohl es möglich ist, mit Geschwindigkeiten von bis zu 90 mm/s zu drucken, kann dies zu Maßungenauigkeiten und Schichthaftungsproblemen führen, wenn dies nicht richtig gesteuert wird. Niedrigere Druckgeschwindigkeiten (30–50 mm/s) werden im Allgemeinen für eine verbesserte Dimensionsstabilität und Oberflächenqualität bevorzugt, insbesondere beim Drucken von Teilen, die enge Toleranzen oder minimale Verformungen erfordern. Höhere Geschwindigkeiten verkürzen zwar die Gesamtdruckzeit, können jedoch aufgrund der hohen Schrumpfungsrate von PP zu thermischen Inkonsistenzen und Verformungen führen.

Eine Erhöhung der Druckgeschwindigkeit kann manchmal die Bindung zwischen den Schichten verbessern, da dadurch die Abkühlzeit zwischen den Schichtablagerungen verkürzt wird, sodass die vorherige Schicht warm bleibt und sich besser mit der nächsten verbindet. Dieser Vorteil hängt jedoch in hohem Maße von einer präzisen Temperaturkontrolle und einem effektiven Kühlmanagement der Teile ab, was bei PP aufgrund seiner geringen Oberflächenenergie und schlechten Betthaftung schwierig sein kann. Beim Hochgeschwindigkeitsdruck ist es wichtig, dass der 3D-Drucker mechanisch stabil ist, um Vibrationen und Resonanzen zu minimieren. Übermäßige Bewegung oder Wackeln während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs können die Druckqualität erheblich beeinträchtigen, insbesondere bei größeren oder geometrisch komplexen Teilen.

Was ist die Schmelztemperatur von PP-Filament?

Die Schmelztemperatur von Polypropylenfilamenten liegt typischerweise im Bereich von 160 °C bis 170 °C, obwohl diese je nach Hersteller und etwaigen in der Formulierung enthaltenen Zusatzstoffen variieren kann. Während reines isotaktisches PP einen Schmelzpunkt von etwa 130,6 °C hat, verwenden die meisten kommerziellen 3D-Druckfilamente modifizierte Versionen, um die Druckbarkeit zu verbessern, was den effektiven Schmelzbereich erhöht. In der Praxis wird PP normalerweise bei 220 °C bis 250 °C extrudiert, um einen ordnungsgemäßen Fluss und eine gute Verbindung zwischen den Schichten zu gewährleisten. Konsultieren Sie immer das technische Datenblatt (TDS) des jeweiligen Filaments, um die richtigen Temperatureinstellungen für optimale Ergebnisse zu ermitteln.

Die Arbeit mit Polypropylen im 3D-Druck zeigte, wie Materialeigenschaften nicht nur die Leistung der Teile, sondern auch die Prozessstabilität bestimmen. Seine niedrige Oberflächenenergie und hohe Schrumpfung stellten Herausforderungen dar, die mehr als nur die Temperaturkontrolle erforderten – sie erforderten ein verfeinertes Verständnis der Adhäsionsmechanik und des thermischen Verhaltens. Während Datenblätter seine chemische Beständigkeit und Ermüdungslebensdauer hervorhoben, wurde in der Praxis deutlich, dass erfolgreiches Drucken von einer streng kontrollierten Umgebung und einer materialspezifischen Handhabung abhängt. Für Ingenieure, die Haltbarkeit flexibler Teile anstrebten, bot PP einen einzigartigen Wert, allerdings nur, wenn Prozessbeschränkungen von Anfang an berücksichtigt wurden.

Ist beim Drucken mit PP ein beheiztes Druckbett erforderlich?

Ja, beim Drucken mit Polypropylen ist ein beheiztes Druckbett erforderlich. Wenn nicht mit einem Bett gedruckt wird, das auf mindestens 85 °C erhitzt ist, führt dies zu Problemen mit der Haftung der Bettplatte, was zu einem Fehldruck führt.

Was ist eine gute Wandstärke für den 3D-Druck von PP?

Die optimale Wandstärke für den 3D-Druck von PP hängt von der beabsichtigten Anwendung ab. Dennoch gilt als allgemeiner Richtwert eine Mindestwandstärke von etwa 1 mm für Standardfunktionsteile. Dies sorgt für ausreichende Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitiger Minimierung von Verformungen. Für spezielle Merkmale wie bewegliche Scharniere ermöglicht die hervorragende Ermüdungsbeständigkeit von PP die Verwendung viel dünnerer Abschnitte – nur 0,4 mm –, um Flexibilität und Haltbarkeit über wiederholte Zyklen hinweg aufrechtzuerhalten. Allerdings erfordern Wände, die dünner als 0,8 mm sind, möglicherweise eine Feinabstimmung der Druckereinstellungen, einschließlich geeigneter Kühlung, langsamerer Geschwindigkeiten und hochpräziser Extrusion. Wie immer sollten sich Designüberlegungen an den Richtlinien des Filamentherstellers orientieren, um die beste Leistung zu erzielen.

Was ist eine gute Wanddichte für den 3D-Druck von PP?

Die optimale Fülldichte für ein nicht funktionsfähiges 3D-Druckteil aus Polypropylen beträgt 20 %. Allerdings muss diese Dichte je nach Anwendungszweck angepasst werden. Tragende Anwendungen können eine Fülldichte von 50–80 % erfordern. Für die meisten Anwendungen reicht die Standard-Gitterfüllung aus.

Was ist der Unterschied zwischen PP und PLA beim 3D-Druck?

PLA (Polymilchsäure) ist ein starres und sprödes Material mit schlechter Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu Polypropylen. Allerdings ist PLA deutlich günstiger als PP-3D-Druckfilament und lässt sich viel einfacher drucken.

Was ist der Unterschied zwischen PP und ABS im 3D-Druck?

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) weist eine deutlich bessere mechanische Festigkeit auf als Polypropylen-3D-Druckerfilament. Allerdings neigen beide Materialien zum Verziehen und erfordern beim Drucken erhitzte Bauvolumina.

Was ist der Unterschied zwischen PP und PET im 3D-Druck?

Es gibt erhebliche Überschneidungen bei den Anwendungen von PP und PET (Polyethylenterephthalat). Beide dienen beispielsweise der sicheren Aufbewahrung von Lebensmitteln und Flüssigkeiten. PP und PET weisen zudem ähnliche Temperaturbeständigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf.

Häufig gestellte Fragen zum PP-3D-Druck

Ist PP biologisch abbaubar?

Polypropylen-Filament für den 3D-Druck ist nicht biologisch abbaubar und muss in einer Industrieanlage recycelt werden.

Ist PP recycelbar?

Wie die meisten Thermoplaste ist Polypropylen recycelbar. 

Ist PP hygroskopisch?

Polypropylen-3D-Druckfilament ist nicht hygroskopisch. Es nimmt Feuchtigkeit nicht so leicht auf. 

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde PP-3D-Druckfilament vorgestellt, erklärt, was es ist, und verschiedene Faktoren erörtert, die bei der Verwendung im 3D-Druck zu berücksichtigen sind. Um mehr über PP-3D-Druckfilamente zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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