راهنمای کامل چاپ سهبعدی با پلیپروپیلن (PP) | مزایا، چالشها و روشهای چاپ
پلیپروپیلن (Polypropylene – PP) یکی از پرکاربردترین پلیمرهای جهان است که تقریباً همه ما آن را در زندگی روزمره میشناسیم؛ از ظروف غذایی گرفته تا قطعات خودرو و لوازم پزشکی. با گسترش چاپ سهبعدی صنعتی و نیمهصنعتی، پلیپروپیلن بهعنوان یک ماده نهایی (End-Use Material) توجه طراحان و مهندسان را بیش از پیش جلب کرده است.
در این مقاله، بهصورت جامع به چاپ سهبعدی با پلیپروپیلن، خواص ماده، مزایا و معایب، فناوریهای سازگار، نکات مهم چاپ و تأثیرات زیستمحیطی آن میپردازیم.
پلیپروپیلن (PP) چیست و چرا در چاپ سهبعدی مهم است؟
پلیپروپیلن دومین پلاستیک پرمصرف دنیا پس از پلیاتیلن است. دلیل محبوبیت آن، قیمت مناسب، وزن کم، مقاومت بالا و انعطافپذیری است. این ویژگیها باعث شده PP در تولید انبوه بهخوبی جا بیفتد و حالا امکان چاپ سهبعدی آن، مسیر نمونهسازی واقعی با ماده نهایی را هموار کرده است.
چاپ سهبعدی پلیپروپیلن این مزیت را دارد که قطعه نهایی:
- سبک است
- در برابر آب و مواد شیمیایی مقاوم است
- دوام و انعطافپذیری بالایی دارد
به همین دلیل برای قطعات کاربردی، لولاهای زنده (Living Hinges) و محصولات مصرفی گزینهای بسیار ارزشمند محسوب میشود.
خواص مهم پلیپروپیلن در چاپ سهبعدی
پلیپروپیلن به دلیل هزینه کم و بسیاری از خواص شیمیایی مطلوب، گزینهای محبوب برای تولیدکنندگان شده است. مهمترین خواص آن عبارتند از:
- مقاومت: پلیپروپیلن به دلیل نسبت استحکام به وزن عالی شناخته شده است، یعنی مادهای قوی اما سبک است. مقاومت کششی، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت خمشی آن بستگی به نوع ماده، قطعه چاپشده و فناوری چاپ دارد.
- مقاومت در برابر آب: پلیپروپیلن بسیار غیرقابل نفوذ است. این ویژگی برای کاربردهایی که نیاز به غوطهوری کامل دارند، مانند محصولات پزشکی و صنعتی، ضروری است.
- نقطه ذوب بالا: نسبت به سایر پلاستیکها، نقطه ذوب بالای پلیپروپیلن آن را گزینهای عالی برای ظروف آزمایشگاهی و وسایل آشپزخانه میکند که در آنها دمای بالا مورد نیاز است.
- مقاومت شیمیایی: مقاومت پلیمرهای نیمهکریستالی در برابر مواد شیمیایی و حلالها معمولاً بسیار بهتر از مواد آمورف است، زیرا ساختارهای کریستالی فشرده آنها از حل شدن محافظت میکند.
- مقاومت زیستی: در کوتاهمدت، کپک یا باکتریها نمیتوانند پلیپروپیلن را خراب کنند.
- عایق بودن: با توجه به مقاومت بالای آن در برابر برق، در قطعات الکترونیکی کاربرد دارد.
- غیرسمی بودن: طبق اعلام سازمان غذا و دارو (FDA)، پلیپروپیلن به طور کلی برای تماس با غذا و انسان ایمن است و شامل افزودنی بحثبرانگیز بیسفنول A (BPA) نیست. (با این حال، بسته به ترکیب استفادهشده، تحقیقات فعلی نشان میدهد که مواد شیمیایی مختلکننده هورمون ممکن است در شرایط خاص وارد غذا و نوشیدنی شوند.)
- قابلیت بازیافت: در تئوری، پلیپروپیلن از نظر شیمیایی و مکانیکی بازیافتپذیر است. چندین نوع پلیپروپیلن بازیافتی برای چاپ سهبعدی موجود است.
- مقاومت در برابر خستگی: این ویژگی دلیل استفاده از پلیپروپیلن در درپوش شامپو است. پس از خم شدن یا تحت پیچش قرار گرفتن، شکل خود را حفظ میکند. این ویژگی آن را برای لولاهای زنده مناسب میسازد که معمولاً با مواد رایج چاپ سهبعدی مانند PLA، ABS یا نایلون قابل دستیابی نیست.
معایب پلیپروپیلن در چاپ سهبعدی
با وجود مزایای زیاد، پلیپروپیلن چالشهایی هم دارد:
- پیچش (Warping) بالا به دلیل انقباض در حین خنک شدن
- چسبندگی ضعیف به صفحه چاپ
- حساسیت به اشعه UV
- اشتعالپذیری بالا
- ساختهشده از سوختهای فسیلی
شناخت این محدودیتها به انتخاب فناوری مناسب و تنظیمات درست چاپ کمک میکند.
فناوریهای سازگار با چاپ سهبعدی پلیپروپیلن
اگر میخواهید خودتان پلیپروپیلن را روی دستگاه شخصی چاپ کنید، گزینههای متنوعی در سه فناوری مختلف وجود دارد.
سه روش اصلی چاپ سهبعدی که برای تولید قطعات پلیپروپیلن استفاده میشوند عبارتند از:
- مدلسازی رسوب ذوبشده (FDM)، با مواد رشته ای و گرانول
- ذوب انتخابی لیزر (SLS)
- جت بایندر (Binder Jetting)، شامل Multi Jet Fusion (MJF) از HP، High-Speed Sintering (HSS) از Voxeljet، و Selective Absorption Fusion (SAF) از Stratasys
تقریباً هر دستگاه FDM میتواند با مواد پلیپروپیلن چاپ کند، به شرطی که نازل آن بتواند دمای 205 تا 275 درجه سانتیگراد را تحمل کند، صفحه چاپ را بتوان به 80 تا 100 درجه سانتیگراد گرم کرد و سرعت فن کنترل شود. برخی تولیدکنندگان کیتهای تخصصی مانند صفحات چاپ پلیپروپیلن ارائه میدهند تا شانس موفقیت چاپ افزایش یابد. پرینترهای صنعتی نیز پلیپروپیلن را بهصورت رشته ای، گرانول یا پودر ریز پردازش میکنند.
دستگاه های صنعتی (مانند MiniFactory، Roboze، Apium، Aon3D، Stratasys و غیره) معمولاً کنترل بیشتری بر پارامترهای چاپ و پروفایلهای چاپ آماده برای پلیپروپیلن ارائه میدهند. برخی از تولیدکنندگان چاپگر FDM، ماده پلیپروپیلن خاص خود را که با دستگاههایشان سازگار است، ارائه میدهند. با افزایش رایج شدن چاپ سهبعدی با پلیپروپیلن بازیافتی، استفاده از آن بهصورت گرانول یا ضایعات در چاپگرهای رباتیک بزرگ مقیاس محبوب شده است. روشهای SLS و جت بایندر (MJF، HSS، SAF) از پلیپروپیلن بهصورت پودر استفاده میکنند. در بخش بعدی به جزئیات اینچاپگرها در چاپ سهبعدی با پودر (Powder Bed Fusion) خواهیم پرداخت.
چاپ با filament و گرانول پلیپروپیلن
ادغام انعطافپذیری چاپ فیلامنتی با ویژگیهای مادهای پلیپروپیلن، برای طیف وسیعی از محصولات مانند تجهیزات ارتوپدی، قطعات خودرو و لوازم ورزشی ایدهآل است. متریال PP در فرمولاسیونهای مختلف بهصورت گسترده در دسترس است، اما چاپ سهبعدی با گرانول PP بهعنوان جایگزینی اقتصادی برای پروژههای بزرگ محبوبیت پیدا کرده است. در اکثر موارد میتوانید همان گرانولهای PP که در صنعت قالبگیری تزریقی استفاده میشوند را با دستگاه گرانولی چاپ کنید.
کنترل پیچش و تنش حرارتی در چاپ سهبعدی پلیپروپیلن
در چاپ سهبعدی با پلیپروپیلن (PP)، ساختار نیمهکریستالی این ماده چالشهای فنی ویژهای ایجاد میکند. پلیپروپیلن در فرآیند خنک شدن دچار انقباض حرارتی قابلتوجهی میشود که این موضوع اغلب منجر به پیچش (Warping) و جدا شدن لایههای اولیه از سطح چاپ میگردد.
در نتیجه، چسبندگی به صفحه ساخت و کنترل تنشهای حرارتی از مهمترین عوامل موفقیت در چاپ سهبعدی پلیپروپیلن به شمار میآیند. بهکارگیری تنظیمات مناسب دمایی و ایجاد شرایط پایدار حرارتی میتواند نقش مهمی در کاهش تغییر شکل قطعه و افزایش کیفیت چاپ داشته باشد.
همچنین باید توجه داشت که تغییر دمای فرآیند در چاپ پلیپروپیلن میتواند باعث ایجاد تفاوت در خواص مکانیکی بخشهای مختلف یک قطعه چاپشده شود. در کاربردهایی که یکنواختی خواص اهمیت دارد، استفاده از محیط چاپ کنترلشده و پایدار توصیه میشود تا از نوسانات دما و جریانهای هوای ناخواسته جلوگیری شود.
نکتهها برای کاهش پیچش
- استفاده از نوار بستهبندی شفاف
نوارها معمولاً بهعنوان کمک چسبندگی روی صفحه چاپ استفاده میشوند، مانند نوار Kapton یا نوار آبی نقاشی. متأسفانه این نوارها برای PP کارایی ندارند، زیرا PP دوست ندارد به مواد دیگر بچسبد.
خوشبختانه PP دوست دارد به خودش بچسبد و اکثر نوارهای بستهبندی از پلیپروپیلن ساخته شدهاند. بنابراین به جای نوارهای کلاسیک، روی نوار بستهبندی شفاف چاپ کنید و مطمئن شوید از PP ساخته شده باشد. این کار معمولاً چسبندگی صفحه چاپ را بهطور چشمگیری بهبود میبخشد. - استفاده از حاشیه یا پایه بزرگ
برای مقابله با تنشهای بالای پیچش، از حاشیه یا پایه بزرگ استفاده کنید. این روشها سطح لایههای اول چاپ را افزایش میدهند، نقاط تمرکز تنش را کاهش داده و احتمال موفقیت چاپ را بالا میبرند. پس از چاپ، بهراحتی قابل جدا شدن هستند.
با PP ممکن است نیاز باشد اندازه حاشیه یا پایه بزرگتر از مواد دیگر باشد. معمولاً هر دو روش قابل جایگزینی هستند، اما ممکن است یکی را بیشتر ترجیح دهید. - افزایش دما
راه دیگر برای کاهش پیچش، افزایش دمای صفحه چاپ است. این کار از خنک شدن سریع PP جلوگیری میکند و میزان انقباض را کاهش میدهد، در نتیجه تنشهای پیچش کمتر ایجاد میشوند.
نقطه شروع خوب، تنظیمات پیشفرض پرینتر یا تولیدکننده فیلامنت برای PP است. در غیر این صورت از ۸۵ درجه سانتیگراد شروع کنید و دمای صفحه را ۵ درجه بهتدریج افزایش دهید تا دمای بهینه پیدا شود. محدوده مطلوب معمولاً بین 85 تا 100 درجه سانتیگراد است.
چاپ سهبعدی با پودر (Powder Bed Fusion)
چاپ سهبعدی با Powder Bed Fusion (PBF) شامل دو فناوری قبلی (SLS و Binder Jetting) است و برای قطعات نهایی اغلب نسبت به FDM ترجیح داده میشود. دلایل آن عبارتند از:
- چسبندگی بین لایهای بهتر نسبت به لایههای فیلامنت
- کیفیت سطح بهتر
- خواص مکانیکی یکنواختتر
فرآیندهای جت بایندر (MJF، HSS، SAF) نسبت به SLS برای چسبندگی بین لایهای حتی ترجیح داده میشوند. در واقع، چاپ SLS با پلیپروپیلن نسبتاً نادر است، زیرا ماده نقطه ذوب پایین دارد و در خنک شدن تمایل به پیچش و جمعشدگی دارد. بسیاری از برندهای برتر SLS مانند EOS و 3D Systems پرینتری سازگار با پودر پلیپروپیلن ارائه نمیدهند و به جای آن از نایلون و پلیمرهای مهندسی استفاده میکنند.
حتی اگر این فرآیندهای PBF از پودر پلیپروپیلن استفاده کنند، همه پودرها یکسان نیستند. ترکیب ماده و پارامترهای متفاوت اغلب باعث میشود پودرها محدود به فناوری یا برند خاصی باشند.
نمونه پرینترها و پودر پلیپروپیلن
|
پلیپروپیلن |
پرینتر / فناوری |
تولیدکننده |
|
Sinterit polypropylene |
Lisa X / SLS |
Sinterit |
|
Formlabs polypropylene |
Fuse 1+ 30W / SLS |
Formlabs |
|
Open source polypropylene |
QLS 230 / SLS |
Nexa3D |
|
Ultrasint PP |
eForm / SLS |
Farsoon |
|
Ultrasint PP |
H350 / Binder Jetting |
Stratasys |
|
High Reusability PP enabled by BASF |
MJF 5000, 5200 / Binder Jetting |
HP |
|
Open source polypropylene |
VX200 HSS, VX1000 HSS / Binder Jetting |
Voxeljet |
مزایای خاص PP در این فرآیندها شامل نرخ تازهسازی پودر بسیار بالا و نقطه ذوب نسبتاً پایین است. با این حال، همانند FDM، پیچش یک مشکل جدی است که نهتنها دقت ابعادی را تحت تأثیر قرار میدهد بلکه ممکن است باعث خرابی چاپ شود، و همین امر PP را به مادهای دشوار برای PBF تبدیل میکند.
تأثیر محیطی پلیپروپیلن
همانطور که ذکر شد، پلیپروپیلن از سوختهای فسیلی ساخته میشود، منبعی محدود با تأثیر قابل توجه بر محیط زیست. با این حال، این به معنی کنار گذاشتن ماده بهعنوان یک گزینه ناسازگار با محیط زیست نیست، زیرا پیشرفتهای زیادی در زمینه پلیپروپیلن بازیافتی برای چاپ سهبعدی حاصل شده است.
پلیپروپیلن دارای کد بازیافت رزین 5 است و از نظر تئوری قابلیت بازیافت شیمیایی و مکانیکی خوبی نسبت به سایر پلاستیکها دارد، به این معنا که محصولات ساخته شده از PP بازیافتی کیفیت مکانیکی بسیار خوبی دارند. بازیافت شیمیایی یا مبتنی بر حلال پلیپروپیلن به عنوان روش حل و رسوب مجدد (Dissolution / Reprecipitation) شناخته میشود و به دلیل توانایی بهتر در حذف آلایندهها، بازیافت یکنواختتری ارائه میدهد. نقطه ضعف این روش مصرف بالای انرژی است که هزینهها را افزایش میدهد و رقابت با قیمت پایین مواد اولیه نو را دشوار میکند.
شرکت آمریکایی PureCycle Technologies، مستقر در ایالت اوهایو، در حال توسعه گرانولهای PP بازیافتی از مواد پساصنعتی مانند بستهبندیهای مصرفی بازیافتی و محصولات دور ریختنی است که معمولاً به محل دفن زباله میرفتند. پس از راهاندازی کامل، این کارخانه 107 میلیون پوند گرانول Ultra-Pure Recycled PP تولید خواهد کرد که به راحتی رنگآمیزی و چاپ سهبعدی میشوند. PureCycle چندین درجه PureFive را به مشتریان ارائه میدهد که شامل ترکیبی از رزین PureCycle و سطوح مختلف مواد بازیافتی پساصنعتی یا پلیپروپیلن نو است.
در واقع، مواد گرانولی بازیافتی برای چاپ FDM اکسترودری، معمولاً با پرینتر رباتیک، بسیار بیشتر از پنج سال پیش در دسترس هستند. با این حال، اولویت هنگام استفاده از پلیپروپیلن یا هر پلیمر دیگر این است که قبل از چاپ سهبعدی فکر کنید و همیشه سلسله مراتب مدیریت ضایعات (کاهش، استفاده مجدد، بازیافت) را در ذهن داشته باشید تا از تولید زباله غیرضروری جلوگیری کنید.
جمعبندی
چاپ سهبعدی با پلیپروپیلن فرصتی ارزشمند برای تولید قطعات کاربردی، سبک و مقاوم با ماده نهایی واقعی فراهم میکند. اگرچه چالشهایی مانند پیچش و چسبندگی وجود دارد، اما با انتخاب فناوری مناسب و تنظیمات صحیح، PP میتواند یکی از بهترین مواد برای چاپ سهبعدی صنعتی و نیمهصنعتی باشد.
