Эволюция рынка материалов для 3D-печати:тенденции и возможности в 2019 году

Рынок материалов для 3D-печати стремительно растет. Спрос растет, все больше компаний покупают оборудование для аддитивного производства (AM) и расширяют масштабы использования AM. В 2019 году рынок AM материалов оценена в 1,5 миллиарда долларов . Ожидается, что в следующие пять лет она вырастет до колоссальных $ 4,5 млрд.

Имея такую ​​возможность, поставщики материалов, особенно гигантские химические компании и производители металла, все активнее вовлекаются в отрасль. Наряду с разработкой новых материалов, они вносят большой вклад в индустриализацию AM.

В сегодняшней статье мы подробно рассмотрим, как рынок материалов для 3D-печати развивается в 2019 году, какие компании движут им и какие тенденции определяют его будущее.

Взгляните на другие статьи из этой серии:

Как будет развиваться рынок оборудования для 3D-печати в 2019 году

Программное обеспечение для 3D-печати:достижение настоящего цифрового производства

Постобработка для промышленной 3D-печати:основные тенденции, о которых вы должны знать

Полимеры - наиболее часто используемые материалы для 3D-печати

Полимеры остаются лидером рынка материалов для 3D-печати. С 2014 по 2018 год 80,6% мировых доходов от материалов для 3D-печати приходятся на полимеры и достигли 3,4 млрд долларов в 2018 году. Согласно недавнему опросу 308 пользователей 3D-печати, проведенному Jabil, в 2018 году 74% использовали полимерные материалы.

Высокий спрос на полимеры неудивителен. Полимерные 3D-принтеры имеют самую большую установленную базу, поскольку их проще и дешевле внедрить и использовать.

Повышенное внимание к высокоэффективным термопластам

Хотя на рынке полимеров доминируют относительно простые пластмассы, такие как PLA и ABS, растет спрос на прочные, функциональные материалы, которые могут выдерживать суровые условия окружающей среды и высокие температуры. Индустрия 3D-печати реагирует на эту тенденцию, разрабатывая высокоэффективные термопласты, такие как композиты, армированные углеродом, ULTEM, PEEK и PEKK.

Эти материалы позволяют производителям печатать на 3D-принтере функциональные прототипы и даже детали конечного использования для целого ряда промышленных приложений.

Во всей отрасли химические компании все чаще разрабатывают эти передовые материалы специально для использования в AM, включая Victrex, SABIC, Solvay и Evonik, и это лишь некоторые из них.

Многие производители оборудования для 3D-принтеров также тесно сотрудничают с этими компаниями, чтобы адаптировать оборудование для 3D-печати, необходимое для этих материалов. Например, Roboze, итальянский производитель экструзионных 3D-принтеров, сотрудничал с SABIC над аморфной термопластичной полиимидной нитью под названием EXTEM AMHH811F.

Новый материал отличается высокой устойчивостью к высоким температурам благодаря способности отклонять тепло до 230 ° C. Материал также имеет стеклование 247 ° C, которое, по мнению партнеров, является самым высоким. любого материала для 3D-печати. Кроме того, он предлагает отличные огнестойкие свойства, хорошую химическую стойкость и сохраняет свою механическую прочность при высоких температурах.

Разработка высокоэффективных термопластов имеет решающее значение для индустриализации AM. Они поддерживают переход технологии от прототипирования к передовым приложениям в критически важных отраслях, таких как медицина и аэрокосмическая промышленность.

Например, 3D-печать PEEK теперь используется для создания имплантатов для конкретных пациентов. Возможно, возможность быстрого роста в области медицинской 3D-печати из PEEK подтолкнула Evonik к тому, чтобы недавно инвестировать в Meditool, китайский стартап, специализирующийся на 3D-печатных имплантатах из PEEK для неврологической и спинальной хирургии.

Рост композитных материалов

Композитные материалы - еще одна область высокоэффективных полимеров, в которой наблюдается значительный рост.

Композиты состоят из термопластической матрицы и армирующих волокон. В настоящее время композиты для 3D-печати армированы углеродными волокнами, стекловолокнами или кевларовыми волокнами.

Эти материалы, доступные в виде порошков, гранул или нитей, чаще всего содержат рубленые волокна, хотя в настоящее время применяется непрерывная композитная печать. исследовал все больше и больше. Например, Desktop Metal недавно анонсировал 3D-принтер Fiber, способный армировать материалы из нейлона, PEEK и PEKK непрерывными углеродными волокнами.

Отчет SmarTech Analysis предсказывает, что глобальный рынок композитной 3D-печати будет расти со среднегодовым темпом роста 22,3% в течение следующих пяти лет. Это указывает на возможность создания высокой стоимости, поскольку композиты становятся еще более востребованными в сегментах, которые выходят за пределы медицинского и аэрокосмического секторов и в потребительские области, такие как автомобилестроение следующего поколения, энергетика и транспорт в целом.

Рынок композитной 3D-печати за последние 12 месяцев развивался, при этом значительно выросло количество материалов и приложений. Например, композитная 3D-печать позволила запустить составную раму велосипеда, напечатанную на 3D-принтере.

Ранее в этом году Continuous Composites объединилась с Arkema через бизнес-направление Sartomer химического гиганта. В рамках партнерства будет представлена ​​запатентованная технология непрерывной 3D-печати Continuous Composites (CF3D) в сочетании с решениями Arkema на основе фотоотверждаемых смол, что предоставит новые возможности для непрерывного волоконного композитного материала AM.

Аналогичным образом Sandvik создала первый в мире алмазный композит для 3D-печати. Композит продемонстрировал исключительную твердость и теплопроводность, а также низкую плотность, коррозионную стойкость и хорошее тепловое расширение. Такие материалы могут быть особенно полезны для космических приложений.

3D-печать графена

Помимо инженерных и композитных пластиков, промышленность работает над тем, чтобы сделать возможной 3D-печать современных материалов на основе графена.

Графен - один из самых прочных материалов на Земле. Благодаря своей высокой электрической и теплопроводности, он востребован в самых разных отраслях промышленности, от производства аккумуляторов до авиакосмической промышленности.

В прошлом месяце компания Terrafilum, производитель нитей для 3D-печати, заключила партнерские отношения с XG Sciences, разработчиком и производителем нанокомпозитов графена, для разработки материалов с улучшенным графеном для экструзионной 3D-печати.

Кроме того, с 2016 года исследователи из Технологического института Вирджинии и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса разрабатывают новый способ 3D-печати сложных объектов с использованием графена.

Раньше исследователи могли только распечатать этот материал на двухмерных листах или базовых конструкциях. Теперь они разработали основанный на стереолитографии процесс, позволяющий создавать небольшие (до 10 микрон) графеновые трехмерные структуры.

Однако одной компании удалось превратить напечатанный на 3D-принтере графен в реальное приложение. Американская многонациональная инженерная компания AECOM использовала крупномасштабную 3D-печать от британского провайдера Scaled для создания сигнальной арки высотой 4,5 м для транспортных сетей.

Используя графеновую арку, которая находится над железнодорожными путями. избавляет от необходимости подключать новое цифровое оборудование к существующей инфраструктуре.

Арка изготовлена ​​из нового армированного графеном полимера, который поставляется партнером Aecom по материалам, Versarien.

Несмотря на это достижение, графен остается очень сложным материалом для 3D печать, к тому же это дорого и сложно производить. В свете этого, мы все еще находимся на очень ранних стадиях 3D-печати графена, однако прогресс пока выглядит очень многообещающим.

Взрывной рост эластомерных материалов

Компании все чаще применяют 3D-печать в потребительских, медицинских и промышленных приложениях, где требуются мягкие и гибкие, но при этом прочные и прочные свойства. Этот спрос способствует росту рынка гибких материалов, таких как ТПУ и силикон.

Только за последние шесть месяцев было сделано несколько анонсов, касающихся гибких материалов для 3D-печати.

В июле международная химическая компания Huntsman представила линейку мягких и гибких материалов IROPRINT AM для обуви. Материалы бывают трех видов - смола, порошок и нить - и могут использоваться для производства обуви, шлангов и прокладок, роботизированных захватов, уплотнений и других резиноподобных изделий.

Затем немецкая химическая компания Covestro, выделила новое применение своего материала TPU:ортопедические стельки, напечатанные на 3D-принтере.

ТПУ - предпочтительный материал для этого применения, благодаря его благоприятному диапазону свойств. В частности, продукты Covestro из ТПУ имеют широкий диапазон твердости, который можно регулировать, изменяя структуру конструкции стельки. Это означает, что производители могут печатать стельки для обуви с твердыми или мягкими контактными поверхностями, обеспечивая максимальную индивидуальность.

Кроме того, компания Dow, мировой лидер в области науки о силиконовых эластомерах, выпустила два новых жидких силиконовых каучука для 3D-печати. Недавно компания стала партнером Nexus Elastomer Systems и German RepRap, чтобы предоставить пользователям 3D-печати возможность 3D-печати деталей из силиконовой резины в цвете.

Новые и красочные возможности зависят от комбинации трех ключевых элементов:материала Dow SILASTIC 3D 3335 LSR, 3D-принтера Liquid Additive Manufacturing (LAM) German RepRap и новой системы дозирования от Nexus Elastomer Systems. Благодаря этой возможности пользователи могут добавлять различные цвета к своим отпечаткам без изменения механических характеристик или характеристик детали.

Наконец, EOS недавно расширила свой портфель полимерных материалов, выпустив новый гибкая пудра EOS TPU 1301. Согласно EOS, EOS TPU 1301 обеспечивает большую устойчивость после деформации, очень хорошее поглощение ударов и очень высокую стабильность процесса. Этот материал особенно подходит для применения в обуви, образе жизни и автомобилестроении, включая амортизирующие элементы, защитное снаряжение и подошвы обуви.

Очевидно, что наличие гибких материалов позволяет компаниям открывать новые области применения и извлекать выгоду из 3D-печати. во многих других нишах.

Полимеры с огнестойкими свойствами

В отрасли наблюдается сильный толчок в сторону материалов с особыми свойствами, в том числе огнестойкость.

Эта тенденция, вероятно, вызвана спросом со стороны отраслей с жесткими требованиями пожарной безопасности. например, транспорт и электроника, которые все больше используют 3D-печать.

Среди недавних разработок - сертифицированный UL Blue Card негорючий материал Novamid AM1030 FR для экструзионных 3D-принтеров. Этот материал был разработан на основе технологии Novamid компании DSM и сертифицирован как V0 (горение прекращается в течение 10 секунд на вертикальном образце) и V2 (горение прекращается в течение 30 секунд на вертикальном образце).

DSM считает, что Уровень огнестойкости материала делает его пригодным для использования в автомобильной и электронной секторах.

Аналогичным образом, Cubicure, Markforged и CRP Technology выпустили собственные огнестойкие материалы. Материалы от CRP Technology и Markforged также являются композитами, что делает их востребованными для ряда важных промышленных применений.

Мы уверены, что разработка специализированных полимерных материалов будет продолжаться, поскольку компании находят все больше и больше применений для 3D-печати. Еще одна область, в которой мы ожидаем быстрого роста, - это полимеры с более высокой устойчивостью к ультрафиолету (УФ), что поможет продвинуть их применение в автомобильном секторе.

Керамические материалы

Рынок керамики для 3D-печати, возможно, еще не так велик, как рынок полимеров, однако он не менее интересен. Согласно отчету SmarTech Analysis, этот рынок вырастет с 20 миллионов долларов в 2020 году до более 450 миллионов долларов к 2029 году.

В отчете также подчеркивается тот факт, что ожидается, что стоимость конечных деталей, изготовленных из технических или традиционных керамических материалов, будет стимулировать спрос на оборудование и материалы в среднесрочной и долгосрочной перспективе.

В частности, техническая или высокоэффективная керамика отличается улучшенными механическими свойствами, в том числе очень высокой прочностью, высокой температурой и химической стойкостью. Это легкие материалы, которые уже используются в нескольких секторах передового производства, от аэрокосмической до электроники, многие из которых являются одними из первых, кто применил технологии AM.

В прошлом году компания XJet Ltd., разработавшая технологию наночастиц (NPJ) для керамики и металлов, добавила в свою систему AM новый керамический материал:оксид алюминия. Новый материал пополнил диоксид циркония в портфеле технической керамики XJet.

По сравнению с диоксидом циркония, оксид алюминия имеет некоторые общие черты, такие как более высокая степень твердости и прочности, но демонстрирует более низкую износостойкость, что упрощает обработку и доводку до и после обжига.

Хотя керамическая 3D-печать отстает от 3D-печати полимеров и металлов, у этой технологии и сопутствующих материалов есть большой потенциал для развития в ближайшие пять-десять лет.

Металлические материалы

Металлические материалы AM - это сектор, полный роста. По данным Ampower, в 2018 году выручка от продажи металлов достигла 390 миллионов евро и выросла примерно на 41,9%, продолжая более чем 40% рост за последние пять лет (Wohlers Report 2018).

Число компаний, применяющих 3D-печать металлом, также неуклонно растет, что стимулирует спрос на большее разнообразие материалов и их качество.

Производство металлического порошка растет

В результате этого спроса все больше и больше поставщиков материалов присоединяются к отрасли, а те, кто уже присоединился, наращивают свои мощности по производству металла.

Это особенно характерно для производителей металлического порошка, которые ищут материалы для порошковых процессов, таких как селективная лазерная плавка (SLM), электронно-лучевая плавка (EBM), струйная обработка связующего и порошковое прямое энергетическое осаждение ( DED), которые в настоящее время находятся на устойчивой траектории роста.

Один из ведущих мировых производителей металлических порошков, Höganäs AB, начал строительство своей новой распылительной установки для производства металлических порошков высокой чистоты для промышленности AM.

Новый завод, расположенный в Германии, поможет Höganäs увеличить свою долю рынка в растущем сегменте 3D-печати. Производимые на заводе порошки будут продаваться по всему миру под торговой маркой Amperprint®. Бренд Amperprint в настоящее время включает сплавы никеля, кобальта и железа.

Точно так же Liberty House Group, материнская компания Liberty Powder Metals, строит в Великобритании завод по разработке порошковых металлов.

Компания надеется, что это предприятие позволит расширить ассортимент специализированных металлов и материалов для AM. Завод будет включать в себя такие возможности, как вакуумный индукционный распылитель инертного газа (VIGA), а также ряд оборудования для просеивания, смешивания, упаковки и анализа.

Кроме того, Sandvik, разработчик и производитель современных материалов, открыла свой новый завод по производству титановых порошков AM методом распыления, в который компания инвестировала около 200 миллионов шведских крон.

Запуск Sandvik производства порошка титана поддерживает растущую тенденцию к 3D-печати титаном. С титаном трудно работать, особенно когда дело касается механической обработки. AM становится жизнеспособной альтернативой, помогая компаниям сократить отходы титана и обеспечить большую гибкость конструкции.

Производители металлических материалов расширяются в цепочке создания стоимости AM

Наряду с увеличением производства металлического порошка, многие компании, производящие материалы для 3D-печати металлом, расширяют свою роль в цепочке создания стоимости AM. Некоторые из них стратегически приобретают другие фирмы, в то время как другие реструктурируют свой бизнес.

Яркий тому пример - британская аэрокосмическая и автомобильная корпорация GKN. В начале этого года ее дочерняя компания GKN Additive объявила о создании нового суббренда GKN Additive Materials, образованного в результате слияния с GKN Hoeganaes, производителем металлического порошка материнской компании.



Это делает добавку GKN, у которой также есть суббренд, добавка GKN Components, полный поставщик решений для порошковых работ. Это позволяет компании объединить знания о процессах и материалах AM под одной крышей, что приводит к лучшему пониманию обоих аспектов технологии AM.

Чтобы еще больше укрепить свои позиции на рынке AM, GKN недавно приобрела американского поставщика услуг 3D-печати Forecast 3D. Хотя Forecast 3D специализируется на 3D-печати из полимеров, этот шаг позволит GKN теперь продвигать AM, как из металла, так и из пластика.

Благодаря этому приобретению, британская компания GKN может иметь больший охват на рынке США и сможет задействовать совершенно новое направление бизнеса - полимерный АМ.

И GKN - не единственный пример расширения AM в других областях.

Шведская Sandvik также недавно сделала неожиданный шаг, купив 30% акций итальянского поставщика услуг 3D-печати из металла Beam IT. По заявлению компании, этот шаг соответствует ее стратегическим амбициям по увеличению своего присутствия в более широкой обрабатывающей промышленности, чего компания надеется достичь, инвестируя в аддитивы.

Новые металлические материалы для AM

Поскольку все эти действия указывают на здоровое состояние металлургической отрасли AM, окончательным показателем ее роста является постоянное развитие материалов.

Металлические порошки, как известно, сложно разработать, не говоря уже о сертификации. Однако прогресс в этой области непрерывен.

Например, H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, дочерняя компания JX Nippon Mining &Metals, представила линейку распыленных порошков тантала и ниобия (Ta / Nb) AM под торговой маркой AMtrinsic.

Благодаря высокому качеству точки плавления, высокая коррозионная стойкость и высокая теплопроводность и электрическая проводимость - эти материалы позволят пользователям AM применять эту технологию в химической переработке, в энергетическом секторе и в ряде высокотемпературных сред.

Порошки AMtrinsic обещают отличную текучесть, высокую плотность утряски, «идеальную» сферическую форму и узкий гранулометрический состав - ключевые характеристики материалов, используемых в процессах плавления в порошковом слое.

Кроме того, OxMet Technologies, компания по разработке сплавов, расположенная в Великобритании, разработала ряд высокопрочных и жаропрочных никелевых сплавов, специально разработанных для процесса AM.

Утверждается, что новые сплавы демонстрируют высокую прочность до 900 ° C. Сообщается, что это значительное улучшение рабочих характеристик, поскольку самый прочный никелевый сплав (сплав 718), доступный в настоящее время для AM, становится нестабильным при температуре выше 650 ° C, что делает его непригодным для использования. в наиболее ответственных компонентах турбомашин.

В другом примере, Aeromet International, британский специалист по литейному производству, улучшил свой запатентованный алюминиевый порошок A20X, так что он превысил отметку Ultimate Tensile Strength (UTS) в 500 МПа. По заявлению компании, это достижение делает этот материал одним из самых прочных алюминиевых порошков AM на рынке.

Чтобы внести свой вклад в идею экономики замкнутого цикла, которая направлена ​​на постоянное использование ресурсов, микроволновая печь Компания 6K, специалист по плазменным технологиям, представила порошки AM, полученные из экологически чистых источников.

Порошки производятся с использованием уникальной технологии UniMelt компании 6K, которая позволяет преобразовывать обработанные измельченные материалы, стружку и другие источники вторичного сырья в порошок премиум-класса. для AM.

В будущем 6K планирует создавать порошки из поддерживающих структур AM и неудачных отпечатков AM. Цель состоит в том, чтобы использовать 100% материалов, которые входят в цепочку поставок, предоставляя конечным пользователям AM новый способ управления затратами проекта и контроля цепочки поставок, а также повышая экологичность в AM металла.

Материалы:важнейшая часть головоломки аддитивного производства

Материалы играют решающую роль в превращении AM в настоящую производственную технологию. Согласно недавнему опросу Jabil, 41% опрошенных пользователей AM считают, что внедрение более качественных материалов окажет наибольшее влияние на стимулирование массового внедрения 3D-печати в производство.

И промышленность активно реагирует на спрос. Разрабатываются современные полимеры, а также специализированные металлы. Поставщики материалов теперь гораздо лучше понимают, как определять, оптимизировать, производить и перерабатывать материалы для AM.

В то же время мы видим, что все больше игроков открывают новые области разработки материалов, будь то композиты, силиконы или керамика.

Тем не менее, высокие материальные затраты остаются одним из ключевых узких мест на пути масштабирования технологических приложений. Возможно, вскоре мы увидим снижение цен на материалы, поскольку спрос возрастет. Однако это не произойдет в одночасье.

В конечном итоге, индустрия материалов для 3D-печати, похоже, процветает благодаря как крупным компаниям, так и нишевым стартапам. Мы уверены, что эта восходящая тенденция продолжит формировать индустрию AM в ближайшие годы.