ポリプロピレン (PP) 3D プリンティング フィラメント:材料、特性、用途

PP (ポリプロピレン) は半結晶性の熱可塑性プラスチックです。ポリエチレンに次いで 2 番目に一般的に使用されている汎用プラスチックです。特性のバランスが良く、コストが低いため、主に食品や消費財の包装に使用されます。 PP は、1951 年にフィリップス石油社の従業員である J. ポール ホーガンとロバート バンクスによって初めて合成されました。その後、ドイツの化学者カール レーンとイタリアの科学者ジュリオ ナッタの協力を得て商品化されました。彼らのポリマー立体化学の研究により、アイソタクチック ポリプロピレンの大量生産が可能になりました。

3D プリントにおける PP の使用はそれほど普及していません。反りやすいため、印刷するのが難しい場合があります。 PP には加熱されたビルド ボリュームと比較的高いビルド プレート温度が必要です。 PP 3D プリンティング フィラメントは、半透明または着色された種類で提供したり、ガラス繊維、タルク パウダー、エチレン コポリマーなどのさまざまな添加剤を充填したりすることができます。ポリプロピレンを使用した 3D プリントの 3 つの主な利点は、優れた耐疲労性、優れた耐薬品性、良好な層間接着です。この記事では、ポリプロピレンの一般的な特徴とその組成、特性、制限について説明し、他の 3D プリンティング フィラメントと比較します。

PP 3D プリントとは何ですか?

積層造形としても知られる 3D プリンティングは、通常は溶融した熱可塑性材料の堆積を通じて、デジタル設計データから層ごとに物理オブジェクトを構築することで物理的オブジェクトを作成するプロセスです。  この熱可塑性プラスチックの印刷に関する技術的問題が解決され、受け入れられ、市場シェアを獲得しつつあります。そのため、ポリプロピレン (PP) 3D プリンティングでは、積層造形でポリプロピレン フィラメントを使用して、耐久性のある柔軟な部品を製造します。反りやベッドの接着不良などの問題により、歴史的に印刷は困難でしたが、最近の材料配合とプリンター設定の進歩により、その信頼性は大幅に向上しました。 PP は耐疲労性に特に優れているため、リビングヒンジなどの機能部品に最適です。室温での酸、塩基、溶剤に対する耐薬品性により、医療産業や自動車産業での用途に適しています。

詳細については、3D プリントに関するガイドを参照してください。

Xometry の MJF 3D プリント プロセスを使用して製造されたポリプロピレン パーツ

PP フィラメントの組成は何ですか?

ポリプロピレンは、式 (C3H6)n を持つ半結晶性モノマーです。プロペンの連鎖重合により製造されます。ポリプロピレンは、ホモポリマー (汎用グレード)、ブロック コポリマー (5 ～ 15% のエチレンを含む)、およびランダム コポリマー (ポリプロピレンの主分子鎖に沿ってランダムに配置されたコモノマーを組み込み、1 ～ 7 % のエチレンを含む) として入手できます。黒色の酸化チタン顔料を添加してプラスチックを着色し、UV (紫外線) 耐光性を向上させることができます。ガラス繊維入りポリプロピレン フィラメントを使用すると、耐衝撃性を犠牲にして標準ポリプロピレンの熱たわみ温度を上げることができます。

PP フィラメントの特性は何ですか?

PP 3D プリンティング フィラメントの主要な機械的特性と熱的特性を以下に示します。

<オル>

ポリプロピレンの溶融温度は 130 °C、熱たわみ温度は 64.1 °C です。

PP の最も重要な特性の 1 つは、化学的安定性です。この化学的安定性は、酸やアルカリを含むさまざまな化学薬品に対して耐性があることを意味します。

ポリプロピレンはブレーキや粉砕による衝撃荷重に耐えることができます。

ポリプロピレンは何百万回もの応力サイクルに耐えることができ、破損することもありません。

PP フィラメントの特性比較

表 1 に、PP 3D プリンティング フィラメントの特性を他の一連の高性能フィラメントと比較して示します。

表 1:PP、ABS、PETG の比較

プロパティ PP ABS PETG

プロパティ

引張弾性率 (MPa)

PP

234 ± 16

ABS

1699 ± 113

PETG

1711 ± 45

プロパティ

引張応力 @ 降伏 (MPa)

PP

8.6 ± 0.4

ABS

38.1 ± 0.3

PETG

46.2 ± 0.8

プロパティ

伸び @ 降伏 (%)

PP

18.7 ± 3.0

ABS

4.1 ± 0.1

PETG

5.9 ± 0.1

プロパティ

曲げ弾性率 (MPa)

PP

250 ± 9

ABS

1317 ± 28

PETG

1489 ± 25

プロパティ

曲げ強さ (MPa)

PP

9.4 ± 0.3

ABS

21.5 ± 1.8

PETG

50 ± 3.5

プロパティ

シャルピー衝撃強さ (kJ/m2)

PP

49.1 ± 3.2 (ノッチ付き)

ABS

1.5 ± 0.1 (ヒンジ)

PETG

7.9 ± 0.6 (ノッチ付き)

プロパティ

硬度 (ショア D)

PP

42

ABS

55–70

PETG

55–70

プロパティ

熱たわみ温度 (0.455 MPa)

PP

64.1 ± 3.6

ABS

86.6 ± 0.4

PETG

76.2 ± 0.8

プロパティ

ガラス転移温度 (°C)

PP

-20

ABS

100.5

PETG

77.4

プロパティ

融解温度 (°C)

PP

130.6

ABS

N/A (非晶質ポリマー)

PETG

230-250

3D プリントに PP が使用されるのはなぜですか?

PP はエンジニアリンググレードのポリマーに比べて高い引張強度を備えていませんが、特定の使用例にとって価値のあるいくつかの独特の特性を備えています。 PP は、優れた耐疲労性と低い吸湿性により、リビング ヒンジ、半透明または半フレキシブル コンテナ、ストラップなどのウェアラブル デバイス コンポーネントなどの用途に特に適しています。また、酸、塩基、および多くの溶媒に対して高い耐薬品性を示すため、実験室や産業環境に最適です。さらに、PP は生体適合性、滅菌プロセスへの耐性、軽量という利点から、医療業界や自動車業界で広く使用されています。多くの熱可塑性プラスチックと同様に、ポリプロピレンもリサイクル可能ですが、3D プリントされた PP 部品は、部品サイズが小さく、材料が汚染されているため、リサイクルがより困難になる可能性があります。それにもかかわらず、その熱可塑性の性質により、閉ループ製造システムで再溶解して再利用することができます。

3D プリントで PP を使用する方法

PP 3D プリンティング フィラメントは、プリントが最も難しい熱可塑性プラスチックの 1 つです。ただし、正しい設定を使用すれば、優れた結果が得られないということはありません。以下に、ポリプロピレンで印刷するためのヒントをいくつか示します。

<オル>

PP 3D プリンティング フィラメントは、準備されていないビルド プレートには容易に接着しません。ビルド プレートに貼られた梱包テープは、Magigoo PP などの特定の特殊なスティック接着剤と同様に、最初の印刷層に良好に接着します。

印刷環境が 45°C の比較的高温に維持されないと、印刷中にポリプロピレンが反りやすくなります。したがって、印刷物を同梱することをお勧めします。

「ラフト」は、実際のパーツをその上に印刷できる印刷ベースです。ラフトを使用すると、パーツのベース層が保護されます。これは、パーツが適切に準備されたビルド プレートに接着しすぎて、パーツを取り外すとベースが損傷する可能性があるためです。いかだは引っ張るだけで簡単に取り外せます。

PP 3D プリントに最適な構成設定は何ですか?

加熱ビルドボリュームと適切なベッド接着技術により PP での印刷成功率が大幅に向上しますが、プリンター設定の最適化も同様に重要です。以下にリストされているパラメータは一般的なガイドラインとして機能しますが、最良の結果を得るには、必ず技術データシートまたは特定のポリプロピレン フィラメント グレードの製造元の推奨事項を参照してください。ポリプロピレンは表面エネルギーが低いことで知られており、そのため接着が困難になります。ベッドを確実に接着するには、ポリプロピレン ビルド シート、梱包テープ (PP ベース)、または特殊な接着プライマー (Magigoo PP など) を使用するなどの技術をお勧めします。

表 2 の次のデータは、ポリプロピレン フィラメントで印刷する前に決定および設定する必要がある重要なプリンタ設定の一部です。

表 2. 一般的な PP プリンタ設定

プリンタ設定 値

プリンター設定

ベッド温度

値

85～100℃

プリンター設定

ノズル温度

値

205～220℃

プリンター設定

印刷速度

値

30 ～ 90 mm/s (速度が遅いほど良い結果が得られます)

プリンター設定

後退距離

値

ボーデン押出機の場合は 6.5 mm。 

ダイレクトドライブ システムの場合は 3mm

プリンター設定

充填密度

値

20%

PP 3D プリントの最高速度はどれくらいですか?

PP の推奨印刷速度は、プリンターの設定、フィラメントのブランド、および必要な部品の品質に応じて、通常 30 mm/s から 60 mm/s の範囲です。最大 90 mm/s の速度で印刷することは可能ですが、適切に制御されていない場合、寸法の不正確さや層の接着の問題が発生する可能性があります。一般に、特に厳しい公差や反りを最小限に抑える必要がある部品を印刷する場合、寸法安定性と表面品質を向上させるには、より遅い印刷速度 (30 ～ 50 mm/秒) が推奨されます。速度を速くすると、全体の印刷時間は短縮されますが、PP の高い収縮率により、熱の不均一や反りが発生する可能性があります。

印刷速度を上げると、層の堆積間の冷却時間が短縮され、前の層が温かいままになり、次の層との結合が良くなるため、層間の結合が改善される場合があります。ただし、この利点は正確な温度制御と効果的な部品冷却管理に大きく依存しますが、PP では表面エネルギーが低く、ベッドの接着力が低いため、これが困難な場合があります。高速印刷を試みる場合、振動や共振を最小限に抑えるために 3D プリンターの機械的剛性が重要です。高速動作中の過度の動きやぐらつきは、特に背の高い部品や幾何学的に複雑な部品の場合、印刷品質を大幅に低下させる可能性があります。

PP フィラメントの溶融温度は何度ですか?

ポリプロピレン フィラメントの融解温度は通常 160°C ～ 170°C の範囲ですが、これはメーカーや配合物に含まれる添加剤によって異なります。純粋なアイソタクティック PP の融点は約 130.6°C ですが、ほとんどの市販の 3D 印刷用フィラメントは印刷適性を高めるために改良されたバージョンを使用しており、これにより有効融解範囲が高くなります。実際には、適切な流動性と層間結合を確保するために、PP は通常 220°C ～ 250°C で押出成形されます。最適な結果を得るための正しい温度設定を決定するには、常に特定のフィラメントの技術データ シート (TDS) を参照してください。

3D プリンティングでポリプロピレンを扱うことで、材料特性が部品の性能だけでなくプロセスの安定性にもどのように影響するかが明らかになりました。表面エネルギーが低く、収縮率が高いため、単なる温度制御以上の課題が生じ、接着力学と熱挙動についての洗練された理解を必要としました。データシートでは耐薬品性と疲労寿命が強調されていましたが、実際の使用では、印刷を成功させるには厳密に制御された環境と材料固有の取り扱いが必要であることが強調されました。柔軟な部品の耐久性を求めるエンジニアにとって、PP は独自の価値を提供しましたが、それはプロセスの制約が最初から考慮されていた場合に限られます。

PP で印刷する場合、加熱された印刷ベッドが必要ですか?

はい、ポリプロピレンで印刷する場合は加熱された印刷ベッドが必要です。少なくとも 85°C に加熱されたベッドで印刷しないと、ベッド プレートの接着に問題が発生し、印刷が失敗します。

3D プリント PP に適した肉厚はどれくらいですか?

3D プリンティング PP に最適な壁の厚さは、意図された用途によって異なります。それでも、一般的なガイドラインとしては、標準機能部品の最小肉厚は約 1 mm です。これにより、反りを最小限に抑えながら、十分な強度と剛性が得られます。リビング ヒンジなどの特殊な機能の場合、PP の優れた耐疲労性により、0.4 mm という非常に薄いセクションが可能になり、繰り返しのサイクルにわたって柔軟性と耐久性を維持できます。ただし、壁の厚さが 0.8 mm より薄い場合は、適切な冷却、遅い速度、高精度の押し出しなど、プリンターの設定を微調整する必要がある場合があります。いつものように、最高のパフォーマンスを得るために、設計上の考慮事項はフィラメント メーカーのガイドラインに沿ったものでなければなりません。

3D プリント PP に適した壁密度はどれくらいですか?

非機能モックアップのポリプロピレン 3D プリント部品の最適な充填密度は 20% です。ただし、この密度は用途に応じて調整する必要があります。耐荷重用途では、50 ～ 80% の充填密度が必要な場合があります。標準のグリッド タイプの充填材は、ほとんどの用途に十分です。

3D プリントにおける PP と PLA の違いは何ですか?

PLA (ポリ乳酸) は硬くて脆い材料であり、ポリプロピレンに比べて耐疲労性に劣ります。ただし、PLA は PP 3D 印刷用フィラメントよりも大幅に安価であり、印刷がはるかに簡単です。

3D プリントにおける PP と ABS の違いは何ですか?

ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン) は、ポリプロピレン 3D プリンター フィラメントよりも機械的強度が大幅に優れています。ただし、どちらの材料も反りやすいため、印刷中に加熱されたビルド ボリュームが必要です。

3D プリントにおける PP と PET の違いは何ですか?

PP と PET (ポリエチレンテレフタレート) の用途にはかなりの重複があります。たとえば、どちらも食品や液体を安全に保管するために使用されます。 PP と PET は同様の耐熱性と剛性特性も備えています。

PP 3D プリントに関するよくある質問

PP は生分解性ですか?

3D プリント用のポリプロピレン フィラメントは生分解性ではないため、産業施設でリサイクルする必要があります。

PP はリサイクル可能ですか?

ほとんどの熱可塑性プラスチックと同様に、ポリプロピレンはリサイクル可能です。 

PP は吸湿性がありますか?

ポリプロピレン 3D プリンティング フィラメントは吸湿性がありません。湿気を吸収しにくいです。 

概要

この記事では、PP 3D プリンティング フィラメントを紹介し、それが何であるかを説明し、3D プリンティングで使用する際に考慮すべきさまざまな要素について説明しました。 PP 3D プリンティング フィラメントの詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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