Wenn sich der 3D-Druck in der Welt der Kunststoffe als feste Größe unter den Fertigungstechnologien etablieren möchte, wird er nicht um Polypropylen (PP) herumkommen. PP gehört zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffen, vor allem in der Verpackungs-, Elektro und Automobilindustrie.
Hauptsächlich wird PP mittels Spritzgusses zu Produkten verarbeitet. Als 3D-Druckmaterial ist PP noch nicht so weit verbreitet, insbesondere im Vergleich zur breiten Anwendung von bspw. PA12 als 3D-Druckmaterial. Gründe dafür liegen in den Eigenschaften von Polypropylen und den Herausforderungen im Zusammenhang mit der jeweiligen 3D-Drucktechnologie. Im Folgenden möchten wir näher auf den 3D-Druck von Polypropylen eingehen und aufzeigen, wie sich das Material dennoch auch additiv verarbeiten lässt.
Was ist PP (Polypropylen)?
Polypropylen ist, wie die meisten anderen Kunststoffe, ein Thermoplast. Das heißt, dass sich das Material unter der Zufuhr von Wärme schmelzen und verformen lässt. Auch nach der Abkühlung kann PP wieder aufgeschmolzen und erneut geformt werden. Eine Eigenschaft, die bei Duraplasten oder Elastomeren bspw. ausbleibt, da sich die Molekülketten zu stark verändern.
Sowohl die chemischen als auch die mechanischen Eigenschaften von Polypropylen machen es zu einem sehr beliebten Werkstoff in den verschiedensten Sparten. In der Verpackungsindustrie kommt Polypropylen mit seiner chemischen Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln und Fetten sowie den meisten Säuren und Laugen und seiner Hydrophobie zum Tragen. Ein weiterer Industriezweig, in dem Polypropylen Verwendung findet, ist die Automobilindustrie. Sie profitiert vom leichten Gewicht und der hohen Zähigkeit und Schlagfestigkeit des Materials. So kann PP nur sehr schwer gebrochen werden und verursacht in der Regel keine scharfen Kanten, wenn es bricht.
Doch wie jede Medaille hat auch PP eine zweite Seite. Die Oberfläche des Thermoplasts ist äußerst reaktionsträge, sodass es sich nur mit entsprechender Oberflächenbehandlung verkleben lässt. Der 3D-Druck von Polypropylen bedarf eines äußerst präzisen Temperaturmanagements. Als Thermoplast ist es vor allem für filament- oder pulverbettbasierte 3D-Drucktechnologien geeignet.
Was sind die Herausforderungen beim 3D-Druck von Polypropylen?
Das Eigenschaftsprofil von PP macht die additive Fertigung zur Herausforderung. Aufgrund der Hydrophobie des Materials lässt es sich bspw. schwerer mit solchen 3D-Drucktechnologien anwenden, die eine wasserbasierte Tinte zum Sintern nutzen. Als Thermoplast ist PP darüber hinaus sehr wärmeempfindlich und bedarf somit als 3D-Druckmaterial eines präzisen Thermomanagements, um einen stabilen Schichtverbund zu gewährleisten und den Verzug der 3D-gedruckten Bauteile zu kontrollieren. Der Kristallit-Schmelzbereich von PP liegt in etwa bei 160-165° C.
Die niedrige Oberflächenenergie des Kunststoffes erschwert die Verarbeitung mit dem klassischen Binder-Jetting 3D-Druckverfahren, bei dem ein Pulvermaterial mit einem komplementären Binder verklebt wird. Stattdessen sind all jene 3D-Drucktechnologien gefragt, die mittels Energie-Input in Form von Wärme arbeiten, um einen Schichtverbund zu generieren.
Welche 3D-Drucker können PP verarbeiten?
Als 3D-Druckmaterial wird PP häufig als Filament mit dem 3D-Druckverfahren FDM verarbeitet oder als Pulver mit dem SLS 3D-Druckverfahren oder dem HSS-Verfahren. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, PP als Verbundwerkstoff zu prozessieren, indem dem Filament bspw. Glasfasern hinzugemischt werden, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen.
Beim FDM-3D-Druck wird das PP-Druckmaterial als Filament durch eine beheizte Düse auf einer Bauplattform extrudiert. Die Düse steuert das Aufschmelzen des Materials und muss demnach mit dem sensiblen Schmelzverhalten von Polypropylen kompatibel sein. Um die Bauteile auf der Bauplattform zu fixieren, können spezielle Folien auf dieser ausgelegt werden. Dadurch ist ein stabiler 3D-Druck garantiert.
Beim SLS und HSS kommt PP als 3D-Druckmaterial in Pulverform zum Einsatz. Beim SLS-Verfahren wird das Pulver mittels Recoater auf der Bauplattform aufgetragen und Schicht für Schicht durch Laserenergie versintert. Das HSS-Verfahren funktioniert ähnlich. Auch hier wird das Pulver auf einer Bauplattform aufgetragen. Anschließend werden diejenigen Bereiche des Bettes, an denen das Bauteil entstehen soll, mit einer infrarotlichtabsorbierenden Tinte eingefärbt. Um das Pulver aufzuschmelzen, bestrahlt man das Baufeld mit einer IR-Lampe. Die eingefärbten Bereiche absorbieren die Energie und verschmelzen, während das unverdruckte Pulver lose bleibt und sich im Anschluss recyceln und wiederverwenden lässt.
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Was lässt sich im 3D-Druck aus PP herstellen?
In der Verpackungsindustrie wird PP dank seiner chemischen Beständigkeit für Behälter für Laugen, Lösungsmittel etc. verwendet. Darüber hinaus ist es auch lebensmittel- und hautverträglich und kann somit im B2C- und Endkonsumentenbereich eingesetzt werden. In der Automobilindustrie wird PP für Armaturenbretter, Batteriegehäuse und andere Elemente der Innenausstattung von Autos verwendet. Auch die Elektrotechnik verlässt sich auf die Eigenschaften von Polypropylen, zum Beispiel bei der Herstellung von Trafogehäusen oder Kabelummantelungen.
Etwas exotischere Verwendungen von PP finden sich unter anderem in Australien und Neuseeland. Dort werden die Geldscheine aus Polypropylen hergestellt.
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