Leitfaden zum 3D-Druck von Polypropylen: Vergleich von Prozessen, Materialien und Anwendungen

Polypropylen (PP) ist ein Polyolefin, das Polyethylen ähnlich ist. Es handelt sich um einen Thermoplast, der in der Fertigungs- und Konsumgüterbranche für die Massenproduktion gängiger Artikel wie Kunststoffflaschen verwendet wird. Polypropylen wird durch Polymerisierung eines einzelnen Propylenmonomers durch Kettenwachstum gebildet. Es ist einem anderen gängigen Kunststoff, nämlich Polyethylen, sehr ähnlich. Die beiden Materialien werden manchmal in Recyclingprozessen kombiniert, um recycelte Polyolefinfasern herzustellen. Polypropylen wurde erstmals 1951 von amerikanischen Mitarbeitern von Philips Petroleum entwickelt, doch Forschung und Entwicklung laufen bis heute weiter, und es gibt vielversprechende Forschungsarbeiten zu Materialien aus Polypropylen auf biologischer Basis sowie zu neuartigen Recyclingverfahren.

Aufgrund seiner Duktilität, seines geringen Gewichts und seiner Chemikalien- und Wasserbeständigkeit eignet sich Polypropylen ideal für Konsumgüter mit dünnen Wänden, die dennoch Festigkeit erfordern, wie z. B. Kunststoffbehälter für Lebensmittel. Am häufigsten werden aus Polypropylen Flaschen für Flüssigkeiten wie Shampoo, Motoröl, Reinigungslösungen etc. sowie Laborschläuche und -flaschen, Lebensmittel- und Arzneimittelbehälter und Medizinprodukte produziert. Eine weitere häufige Verwendung von Polypropylenmaterialien ist die Fertigung von Kunststoff-Jalousien.

Aufgrund seiner Duktilität eignet sich Polypropylen ideal für die Fertigung von Teilen mit Biegescharnieren, wie z. B. Deckel von Süßigkeitenverpackungen oder Shampooflaschen. PP ist ermüdungsbeständig und hält wiederholter Verwendung stand.

Polypropylenmaterialien sind leicht, wasserdicht, chemikalienbeständig und duktil. Die Dichte von Polypropylen ist mit einer Spanne von etwa 0,895 bis 0,93 g/cm³ eine der niedrigsten unter den Kunststoffen, weshalb sich das Material gut für Anwendungen eignet, die Leichtigkeit erfordern.

Polypropylen weist eine gute Temperaturbeständigkeit sowie hydrophobe und oleophobe Eigenschaften auf, was ein Grund für seine häufige Verwendung für Lebensmittelverpackungen ist. In Kombination mit anderen Komponenten kann Polypropylen sehr belastbar sein und für technische Anwendungen verwendet werden, bei denen es zu wiederholter Druckeinwirkung oder Stößen kommt. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) vieler Polypropylenmaterialien beträgt etwa 100 °C bei 0,45 MPa, was zwar nicht sehr hoch ist, aber eine große Bandbreite von Anwendungen ermöglicht.

Polypropylen-Pulver ist zwar nicht das gängigste Material für den SLS-3D-Druck (sondern Nylon), aber dennoch ein sehr beliebtes Material, das von Herstellern industrieller SLS-3D-Drucker angeboten wird. Angesichts der Allgegenwärtigkeit von Polypropylen auf dem Markt der Massenkunststoffe sollten Hersteller, die Lösungen für die Fertigung von Endprodukten anbieten, dieses Material in ihrem Portfolio führen. Einige SLS-Drucker der Einstiegsklasse im Desktop- oder Benchtop-Format bieten kein Polypropylen-Pulver an, die meisten größeren industriellen Lösungen hingegen schon.

Formlabs bietet Polypropylene Powder für die SLS-3D-Drucker der Fuse-Serie und macht damit 3D-gedruckte Endverbrauchsteile aus Polypropylen mit hoher Qualität, Duktilität und Haltbarkeit zugänglich. Polypropylene Powder bietet eine Bruchdehnung von 34 % in der X/Y-Ebene und 16 % in der Z-Ebene sowie eine maximale Zugfestigkeit von 29 MPa und ist damit nahezu identisch mit spritzgegossenem Polypropylen. Von der Prototypenentwicklung bis zur Fertigung kleinerer Serien ermöglichen die Fuse-Serie und Polypropylene Powder neue Arbeitsabläufe, die kostspielige Produktionswerkzeuge überflüssig machen und die Designmöglichkeiten ausdehnen.

Dank ihrer moderaten Kosten macht die Fuse-Serie den SLS-3D-Druck von Polypropylen erschwinglich für Produktdesigner, Entwickler und Hersteller, die die Vorteile des Materials mit dem Potenzial des betriebsinternen 3D-Drucks kombinieren möchten.

HP bietet seit 2020 ein Polypropylen-Pulver für den MJF-3D-Druck an. MJF-Anwender profitieren von der Möglichkeit, echte Polypropylenteile zu erstellen, um eine Kontinuität in der Prototypenentwicklung und im Design zu schaffen, sodass die Materialeigenschaften von der Prototypenentwicklung bis hin zur Massenproduktion stets gleich bleiben. Das Polypropylen-Pulver von HP bietet eine Bruchdehnung von 20 % und eine maximale Zugfestigkeit von 30 MPa. Damit ähnelt es in seiner Leistung Formlabs' Polypropylene Powder für die Fuse-Serie, allerdings mit einer etwas ungünstigeren Bruchdehnung.

Nur eines der fünf MJF-Druckermodelle von HP ist mit dem PP-Pulver kompatibel, daher sollten Kunden vor dem Kauf bestätigen, dass sie das richtige Modell gewählt haben.

Das Drucken von Teilen aus Polypropylen-Pulver auf den HP-MJF-Druckern erfordert größtenteils dieselben Schritte wie der SLS-3D-Druck von Polypropylen. Da viele der MJF-Drucker größer sind als die Drucker der Fuse-Serie, sollte ein Packalgorithmus verwendet werden, um unnötige Pulververschwendung zu vermeiden. MJF-Drucker benötigen spezielle Stromkreise, große Stellflächen und häufig eigenes geschultes Personal für die Bedienung der Maschine.

Nach dem Druck werden die Teile entpulvert und sandgestrahlt und können anschließend mit einer Reihe von Optionen nachbearbeitet werden, um eine Oberflächenbeschaffenheit in Endproduktqualität zu erreichen. Mit diesen Nachbearbeitungsmethoden können Polypropylenteile von Prototypen in Endprodukten verwandelt werden.

MJF-3D-Druck von Polypropylen liefert Teile mit den Materialeigenschaften von spritzgegossenem Polypropylen, was entscheidend ist, um während der gesamten Design- und Produktionsphase dasselbe Material nutzen zu können. MJF-Drucker erstellen zuverlässig hochwertige Teile und können aufgrund ihrer größeren Baukammern auch für Serienproduktion eingesetzt werden.

Mit Preisen von häufig über 340 000 € sind MJF-Drucker jedoch kostspielig, wobei jährliche Serviceverträge, spezielle Infrastrukturanforderungen und hohe Materialpreise noch hinzukommen.

Viele Hersteller bieten Polypropylen-Filamente an, die jedoch teurer sind als andere, gängigere Materialien für den FDM-3D-Druck wie ABS- oder PLA-Filamente. Aufgrund der höheren Wärmeformbeständigkeitstemperatur von Polypropylen müssen FDM-3D-Drucker im Extruder sowie in der Druckkammer eine hohe Temperatur aufrechterhalten. Daher ist es wichtig, vor der Entscheidung für einen FDM-Drucker und dem Kauf des Polypropylen-Filamentes die Kompatibilität zu prüfen.

FDM-3D-gedrucktes Polypropylen eignet sich nicht für fortgeschrittene Anwendungen wie Teile für die Endverwendung. Für solche Fälle bieten Polypropylen-Pulver für SLS- und MJF-3D-Druck erstklassige Leistungen. Kostengünstige Drucker für den Druck mit Polypropylen sind ab 1000 € erhältlich, Drucker der mittleren Preisklasse kosten etwa 3500 € und industrielle Systeme beginnen ab rund 15 000 €.

Polypropylen-Filament ist schwieriger zu drucken als standardmäßige FDM-Materialien. Es erfordert eine Extrudertemperatur von etwa 240 °C bei einer Betttemperatur von 85–120 °C. Zum Drucken von Polypropylen auf einem FDM-Drucker ist auch ein Kühlungslüfter erforderlich, da sich Polypropylen-Filament während der Kühl- oder Aushärtungsphase verziehen kann. Ein Lüfter kann helfen, dieses Risiko zu mindern, indem er die kühlere Luft gleichmäßig um das Teil herum verteilt.

Der FDM-3D-Druck von Polypropylen ist eine gute Methode, um in der Anfangsphase schnell und kostengünstig Prototypen oder Konzeptmodelle zu erstellen. Da viele FDM-3D-Drucker sowohl einen zugänglichen Arbeitsablauf als auch erschwingliche Preise bieten, eignet sich diese Technologie gut für Hobbyprojekte oder für erste physische Modelle im Produktdesign, vor dem Einstieg in intensivere Designphasen.

FDM-3D-gedruckte Teile sind weder isotrop nich wasserdicht. Daher können Polypropylenteile aus FDM-Druckern nicht als Flaschen, Gehäuse oder Schläuche verwendet werden – die üblichen Anwendungsfälle von Polypropylen.

Mehrere Kunstharze von Formlabs eignen sich ideal für die Prototypenentwicklung für Teile, die später aus Polypropylen gefertigt werden, z. B. Verpackungen für Konsumgüter. Da es viele verschiedene Arten von Polypropylen gibt, lässt es sich je nach Anwendung durch unterschiedliche Kunstharze ersetzen.

Tough 1500 Resin bietet sehr ähnliche Materialeigenschaften wie spritzgegossenes Polypropylen. Mit einer maximalen Zugfestigkeit von 33 MPa und einer Bruchdehnung von 51 % ist es etwas flexibler als spritzgegossenes Polypropylen.

Durable Resin bietet mit 55 % eine ähnliche Dehnbarkeit, aber eine geringere maximale Zugfestigkeit von 28 MPa. Es wird häufiger anstelle von Polyethylen eingesetzt.

Der Arbeitsablauf für das Drucken von Polypropylen-ähnlichen Materialien mit SLA-3D-Druck hängt vom Druckerhersteller ab. Die Arbeitsabläufe und Kosten der Drucker erstrecken sich von preiswert und unkompliziert bis hin zu komplexen und kostspielig. Formlabs' SLA-Drucker des Typs Form 3+ sind preiswert, mit Preisen ab rund 2500 €, und der Arbeitsablauf ist intuitiv und sauber.

Nachdem Sie sich für ein Kunstharz zur Simulation von Polypropylen entschieden haben, setzen Sie die Harzkartusche in den Drucker ein und starten Sie den Druck. Nach dem Druck müssen die Teile gewaschen und – bei Verwendung von Tough 1500 Resin oder Durable Resin – nachgehärtet werden. Diese beiden Schritte können mit den Nachbearbeitungslösungen von Formlabs – Form Wash oder Form Wash L und Form Cure oder Form Cure L – rationalisiert werden.

Der SLA-3D-Druck mit PP-ähnlichen Materialien ist ideal für hochwertige funktionsfähige Prototypen von Teilen, die in der Regel aus Polypropylen hergestellt werden. Für Kunden, die bereits SLA-Drucker nutzen, ist die Verwendung von Tough 1500 Resin oder Durable Resin eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, vergleichbare mechanische Leistungen zu erzielen wie mit Polypropylen. Der Wechsel zwischen den Materialien ist einfach und erfordert keinen Reinigungsschritt.

Der größte Nachteil des Drucks mit diesen Kunstharzen besteht darin, dass es sich nicht um echte Polypropylen-Materialien handelt, sodass die Kontinuität zwischen Prototyping und Fertigung etwas eingeschränkt ist.