Рынок 3D-принтеров 2020: тренды, ключевые игроки и эволюция

Ранее в этом году AMFG опубликовала второй отчёт Additive Manufacturing Landscape 2020, анализирующий ключевых игроков и главные тренды, формирующие отрасль. Сегодня запускаем серию статей, глубже погружающуюся в каждый сегмент экосистемы аддитивного производства (AM), начиная с оборудования.

В 2020 году производители оборудования составляют более половины ландшафта AM, при этом большое количество компаний присоединилось к отрасли за последнее десятилетие.

С притоком новых компаний последние годы стали свидетелями быстрой эволюции 3D-принтеров: они становятся быстрее, надежнее и готовыми к производству.

Ниже прослеживаем наиболее заметные разработки и тренды, формирующие рынок 3D-принтеров.

Остальные статьи серии:
Эволюция рынка материалов для 3D-печати: тренды и возможности
ПО для 3D-печати: достижение настоящего цифрового производства
Постобработка для промышленной 3D-печати: ключевые тренды

Металлическое 3D-печатающее оборудование

Металлический сегмент оборудования, пожалуй, один из самых быстрорастущих в 3D-печати. Исследовательская фирма CONTEXT оценивает ежегодный рост поставок металлических 3D-принтеров более чем на 49 % в количественном выражении.

Сегмент металлического AM-оборудования также ожидает создание возможностей выручки почти в 4 млрд долларов, по недавнему отчёту аналитической фирмы SmarTech Analysis.

В 2020 году рынок металлической 3D-печати крайне разносторонен: по данным AMPOWER, его формирует до 18 различных технологий.

Среди этих технологий семейство Powder Bed Fusion (PBF) играет наибольшую роль в металлическом AM, составляя 80 % всех установок металлических AM-систем по миру. Семейство PBF включает лазерные и электронно-лучевые технологии.

Рынок PBF-оборудования разделён между несколькими устоявшимися компаниями: EOS, Renishaw, 3D Systems, SLM Solutions, Trumpf и GE.

GE выделяется уникальной диверсификацией предложений на рынке металлического AM. Помимо лазерных принтеров Concept Laser, GE — одна из немногих компаний, предлагающих оборудование для электронно-лучевого плавления (EBM), производимое Arcam. Кроме того, компания развивает металлическую 3D-печать методом связывания порошка (binder jetting), уже принятую несколькими ранними пользователями.

С смещением фокуса металлической 3D-печати к производственным приложениям многие игроки эволюционируют свои системы для ответа на спрос на более высокую скорость и надёжность.

Одна из общих тем в этой гонке — внедрение мультилазерных систем.

Использование нескольких лазеров (обычно 2 или 4) может ускорить печать до четырех раз. Кроме того, мультилазерные системы более производительны, что помогает снизить стоимость детали и/или произвести больше деталей за меньшее время. Также утверждается, что такие машины позволяют печатать несколько деталей одновременно.

Среди производителей, предлагающих такие системы: EOS, Concept Laser (GE), SLM Solutions, Renishaw и Additive Industries.

Помимо устоявшихся игроков, на рынке PBF растёт число новичков, каждый со своим видением технологии.

Пример — VELO3D, разработавшая систему, способную печатать практически без поддерживающих структур благодаря продвинутому механизму перераскатки и тесной интеграции железа и ПО.

Aurora Labs — ещё один потенциальный гейм-чейнджер, предлагающий металлическую систему, печатающую несколько слоёв порошка одновременно за один проход. По сути, это равносильно существенному приросту скорости печати. Недавно компания сообщила, что её принтер PMP1 достигает скорости 350 кг/день.

Взлёт металлических технологий binder jetting

Ещё один заметный тренд — новый фокус на металлическом binder jetting. Хотя технология существует давно, только недавно она признана жизнеспособным методом для крупносерийных приложений. Во-первых, системы металлического binder jetting обычно дешевле и быстрее PBF-систем.

ExOne, первый производитель систем металлического binder jetting, теперь конкурирует с новичками вроде Digital Metal, Desktop Metal и HP.

Desktop Metal и HP, в частности, имеют агрессивную стратегию превращения binder jetting в метод, конкурирующий с традиционным производством для определённых приложений. Desktop Metal, например, разработала двунаправленную систему (печатает в двух направлениях), обеспечивающую высокоточную печать до 12 000 см³/ч. Это переводится в более 60 кг металлических деталей в час.

HP разработала инновационный связующий агент для ускорения и удешевления спекания, происходящего после печати деталей.

«При литье под давлением (MIM) обычно более 10 % по весу связующего, которое нужно выжечь. У нас — менее 1 %, что на порядок меньше, делая спекание быстрее, дешевле и проще», — говорит Тим Вебер, глобальный глава металлов HP, в интервью AMFG.

Металлический binder jetting может разблокировать приложения, сейчас неосуществимые другими металлическими 3D-технологиями, особенно в крупносерийных отраслях вроде автопрома. Это означает, что эволюция в этом секторе продолжится, делая его тем, за которым нужно следить.

Компактные металлические 3D-принтеры: новый растущий сегмент

Пока PBF и binder jetting системы ориентированы на производственные потребности, другой сектор компактных металлических 3D-принтеров растёт, чтобы сделать прототипирование металлических деталей дешевле и проще. Недавний отчёт SmarTech Analysis предсказывает, что продажи компактных промышленных металлических принтеров превысят 1 млрд долларов к 2027 году.

Markforged и Desktop Metal — сейчас две крупнейшие компании, разрабатывающие компактные металлические 3D-принтеры.

И Metal X от Markforged, и Studio System от Desktop Metal — экструзионные 3D-принтеры, использующие инкапсулированные в пластик металлические порошки для создания «зелёных» деталей, затем спеканных в печи. Этот подход делает их гораздо более доступными по сравнению с традиционно дорогими металлическими 3D-принтерами, во многом благодаря более низким операционным затратам, обеспечиваемым дешевыми материалами для MIM.

Доступность и простота настройки компактных AM-систем явно резонирует с рынком. В Q1 2019 Markforged и Desktop Metal возглавили поставки 3D-принтеров, при этом Desktop Metal отгрузило наибольшее количество металлических 3D-принтеров за период.

Ожидаем, что этот сегмент продолжит расти, так как компактные 3D-принтеры могут охватить совершенно новый рынок доступного металлического прототипирования и разработки продуктов. Это также значит, что промышленные клиенты теперь имеют больше вариантов для исследования металлического AM.

Рост надежности металлической 3D-печати

Для дальнейшего продвижения металлических 3D-принтеров компаниям нужно внедрить более высокий уровень повторяемости процесса. Ключевое решение — оснащение принтеров датчиками и машинным зрением для внутрипроцессного мониторинга.

Датчики и камеры внутри принтера могут измерять множество аспектов сборки в реальном времени, документируя процесс и гарантируя выполнение требований. Данные с датчиков передаются в специализированное ПО, анализирующее их и дающее обратную связь по улучшению процесса.

Это решение известно как система замкнутого цикла управления (closed-loop control system) и становится обязательным требованием для металлических 3D-принтеров.

Поддержание контроля над процессом сборки через замкнутую систему позволяет производителям достигать согласованных геометрий, качества поверхности и материальных свойств, лежащих в основе качества.

Однако внутрипроцессный контроль качества, обеспечиваемый замкнутой системой, всё ещё относительно нов для AM-технологий и представляет барьер для внедрения. На 2019 год лишь небольшой процент доступных на рынке 3D-принтеров оснащён единицами замкнутого управления.

В будущем ожидаем, что все металлические 3D-принтеры будут оснащены системой замкнутого управления, что значительно повысит повторяемость процесса, снижая риск сбоев сборки.

Полимерные 3D-принтеры

Пока металлическое оборудование растёт быстро, полимерное остаётся крупнейшим сегментом по количеству используемых систем. 72 % компаний, опрошенных для EY Global 3D Printing Report 2019, используют полимерные AM-системы, против 49 % для металлических.

Менее сложный рабочий процесс и более высокая доступность — два ключевых фактора выбора полимерных 3D-принтеров вместо металлических.

Как и на металлическом рынке, полимерный рынок разделён на ряд технологий: Fused Filament Fabrication (FFF), Стереолитография (SLA)/Digital Light Processing (DLP), Селективное лазерное спекание (SLS) и Multi Jet Fusion (MJF), с множеством новых технологий, ожидающих коммерциализации в ближайшие годы.

Каждая из этих технологий эволюционирует, поскольку компании стремятся разработать надёжные профессиональные решения для производства и прототипирования.

Возможно, самые впечатляющие разработки происходят в сегменте SLA/DLP оборудования. Эти технологии становятся настоящими производственными решениями, особенно для отраслей вроде стоматологии и товаров народного потребления. Например, SLA-3D-принтеры используются для производства большинства форм для стоматологических элайнеров, выпуская сотни тысяч устройств в год.

Однако технологии ещё нужно созреть, чтобы выйти за пределы форм и позволить прямое производство таких устройств.

Что касается оборудования с наибольшей установленной базой, FFF-3D-принтеры остаются на вершине. Это объясняется популярностью доступных настольных FDM-принтеров от компаний вроде Ultimaker и Makerbot.

Волнующие разработки в SLS 3D-принтерах

Переходим к SLS-3D-принтерам — этот сектор также увидел заметные разработки. Один пример — бельгийская компания Aerosint, разрабатывающая SLS-систему, способную печатать двумя разными порошками. Это позволит машине использовать один порошок как недорогой поддерживающий материал.

Обычно несплавлённый поддерживающий порошок в SLS-машине — тот же материал, что и для печати детали, и он склонен быть дорогим. Введение машины, использующей дешёвый поддерживающий материал и второй материал для печати детали, может сэкономить значительные средства для пользователей SLS-процессов.

Другая разработка, способная переосмыслить SLS-3D-печать, приходит от EOS. На Formnext 2018 EOS презентовала предстоящую систему LaserProFusion, обещающую сделать полимерное 3D-производство в 10 раз быстрее. Для этого компания потратила более 8 лет на переосмысление лазерной технологии, используемой в процессе.

Пока текущие SLS-машины используют один или несколько CO₂ лазеров, система LaserProFusion сможет использовать до миллиона диодных лазеров. Это позволит создавать детали не только с высоким разрешением, но и с гораздо большей скоростью печати, потенциально соперничая с литьём под давлением.

Технология запланирована к коммерческому выпуску в ближайшие несколько лет.

Быстрый рост HP Multi Jet Fusion

MJF вошла на рынок в 2016 году, когда HP публично анонсировала вход в 3D-печать и запустила свой первый полимерный 3D-принтер. С тех пор MJF стал одним из самых быстрорастущих полимерных 3D-процессов. Заявляется, что более 10 млн деталей произведено на MJF-принтерах HP в 2018 году.

MJF, относящийся к семейству порошкового спекания как SLS, имеет преимущества в размерной точности и материальных свойствах, позволяя печатать детали с высокими допусками, превосходящие по прочности и гибкости.

HP привержена развитию MJF. В прошлом году запущена серия Jet Fusion 5200. Новая серия расширяет существующий портфель MJF HP, включающий серии Jet Fusion 300/500 для функционального прототипирования и Jet Fusion 4200 для коротких серий и производства. Новая серия добавляет решение для объёмного производства.

Среди заметных особенностей 5200-й серии — повышенная мощность ламп внутри принтеров. Это позволяет новой системе спеклять порошок за один проход, в отличие от двухпроходного режима в предыдущих системах. В результате система показывает 40 % прироста производительности и открывает возможности для 3D-печати высокотемпературных материалов.

Профессиональные настольные 3D-принтеры

Рынок настольных 3D-принтеров — один из самых молодых в हारдварном секторе. Его появление восходит к началу «движения мейкеров» в конце 2000-х. Движение породило потребительскую революцию 3D-печати, которая, однако, быстро рухнула из-за отсутствия спроса на потребительском рынке.

Крах хайпа вокруг потребительской 3D-печати заставил многие компании выйти из бизнеса. Однако несколько выжили, перейдя от потребительского к профессиональному и энтерпрайз-рынку.

Это позволило вендорам вроде Ultimaker, MakerBot и Formlabs войти, расти и процветать.

Этот сдвиг также كشف растущую потребность в промышленных системах, меньших и стоящих долю стоимости своих крупных собратьев.

Переход фокуса на профессиональных пользователей заставил вендоров настольных принтеров переработать решения. Это привело к внедрению промышленных функций, ранее встречавшихся только в хай-энд 3D-принтерах. Например, подогреваемый стол, камера и двойной экструдер стали необходимыми элементами FFF настольных 3D-принтеров для профессионального применения. В целом компании стараются делать системы более производительными и надежными, сохраняя компактный формат.

Что касается настольных SLA, Formlabs остаётся одной из ведущих компаний в секторе. Заявляет о себе как о крупнейшем продавце настольных SLA 3D-принтеров в мире, с более чем 40 000 проданных систем.

В 2019 году Formlabs представила новую технологию Low Force Stereolithography (LFS). Процесс LFS предлагает улучшенную детализацию и качество поверхности благодаря гибкой ванне, снижающей силы, действующие на детали при печати.

Построенные на передовой LFS технологии, новые Form 3 и Form 3L от Formlabs помогают сократить разрыв между настольной и промышленной 3D-печатью.

Керамические 3D-принтеры

В 2020 году керамическая 3D-печать не так хорошо установлена, как полимерные и металлические технологии. Технология всё ещё на ранних стадиях развития, хотя предсказывается достижение зрелости в ближайшие 5–6 лет.

Из-за новизны технологии, предлагающих системы для 3D-печати керамики — горстка вендоров: 3D Systems, ExOne, Prodways, Lithoz, 3DCeram и XJet.

Одна разработка, потенциально трансформационная для керамической 3D-печати — введение технологии Nanoparticle Jetting (NPJ) от XJet.

Дебютировавшая в 2016 году, NPJ — тип струйной печати, где наночастицы материала (керамика или металл) взвешены в жидкой формулировке. Тысячи сопел в системе XJet струят миллионы ультратонких капель этих взвесей — как строительного, так и поддерживающего материала.

Принтер XJet поддерживает высокую температуру внутри (до 300 °C) во время печати. Это помогает сжигать жидкость при осаждении, формируя твёрдую деталь. Деталь из принтера остаётся в «зелёном» состоянии и требует последующего спекания для завершения затвердевания.

Струйная 3D-печать известна своей точностью и способностью достигать высокого уровня детализации. Значит, системы XJet потенциально способны создавать готовые детали почти любой геометрии, включая крошечные отверстия, тонкие стенки, сложные арки и острые края.

Приложения вроде компонентов для нового лечения рака груди и 3D-печатанных антенн уже показали пригодность принтеров XJet для промышленных применений.

Несмотря на недавний прогресс, перед керамической 3D-печатью ещё долгий путь. Однако по мере роста спроса на 3D-печатанные керамические детали, 3D-печать керамики в конечном счёте станет важным и прибыльным разделом производственной отрасли.

Электронные 3D-принтеры

Как и керамический рынок, рынок 3D-печати электроники ещё относительно молод, но обещает большие перспективы. Сейчас только несколько компаний предоставляют оборудование для 3D-печати электроники, среди них Nano Dimension и Optomec.

Технологии систем Nano Dimension и Optomec кардинально различаются, но предлагают одинаково волнующие возможности для прототипирования и прямого производства электронных компонентов: антенн, печатных плат (PCB), конденсаторов и датчиков.

Одно развитие, вышедшее на большой резонанс — внедрение DragonFly Lights-Out Digital Manufacturing (LDM).

Система строится на DragonFly Pro от Nano Dimension, запущенном в 2017 году, позволяющем инженерам и дизайнерам быстро прототипировать электронные компоненты. LDM, как утверждается, выводит эти возможности за пределы прототипирования, доставляя внутреннее, круглосуточное производство для коротких серий мелких партий деталей.

Как и ранние версии систем Nano Dimension, эта система работает совместным осаждением проводимых и изолирующих материалов на подложке PCB. Отличие — в производительности машины, увеличенной более чем на 40 % по сравнению с DragonFly Pro.

Такие достижения вдохновляют, так как толкают конверт электронной 3D-печати за пределы прототипирования. Хотя ещё много работы — не только по железу, но и материалам и ПО — это определенно закладывает фундамент для зрелости электронной 3D-печати.

3D-печатающее оборудование: достижение высшей надежности

Сектор 3D-печатающего оборудования эволюционирует быстро, поскольку компании постоянно улучшают доступные системы и разрабатывают совершенно новые решения.

Тем не менее, стоимость оборудования остаётся одним из крупнейших сдерживающих факторов инвестиций в AM. По EY Global 3D Printing Report 2019, 87 % компаний видят высокую цену систем критический барьером для внедрения 3D-печати. Это значит, что снижение стоимости AM-оборудования будет ключом к расширению использования технологии.

Индустрия 3D-печати решает эту проблему внедрением более доступных настольных 3D-принтеров и компактных металлических AM-машин.

Пока что ясно, что 3D-печатающая индустрия пострадала от вспышки пандемии: поставки ожидаемо упали. Исследовательская фирма CONTEXT указывает, что выручка от оборудования на общем рынке 3D-принтеров снизилась на -27 % по сравнению с прошлым годом. Почти все западные топ-20 промышленных компаний-производителей принтеров увидели существенные годовые спады в поставках 3D-принтеров.

Тем не менее, вендоры 3D-печати сообщают об обновлённом интересе к технологии в Q3 — от новых секторов и известных рынков. По CONTEXT, они надеются, что этот интерес превратится в заказы Q4.

В целом, спрос на более сложные промышленные системы продолжит топлить эволюцию AM-оборудования. В ближайшие пять лет ожидаем, что 3D-печатающее оборудование достигнет гораздо большей надежности благодаря решениям внутрипроцессного мониторинга и более тесной интеграции с ПО.