De evolutie van de markt voor 3D-printmaterialen:trends en kansen in 2019

De markt voor 3D-printmaterialen groeit snel. De vraag neemt toe, met meer bedrijven die hardware voor additieve fabricage (AM) kopen en hun AM-gebruik opschalen. In 2019 is de AM-materialenmarkt gewaardeerd op $1,5 miljard . In de komende vijf jaar zal het naar verwachting uitgroeien tot een kans van maar liefst $ 4,5 miljard.

Met zo'n kans worden materiaalleveranciers, met name grote chemische bedrijven en metaalproducenten, steeds meer betrokken bij de industrie. Naast het ontwikkelen van nieuwe materialen, leveren ze een grote bijdrage aan de industrialisatie van AM.

In het artikel van vandaag gaan we in op hoe de markt voor 3D-printmaterialen in 2019 evolueert, welke bedrijven dit stimuleren en welke trends de toekomst bepalen.

Bekijk de andere artikelen die in deze serie worden behandeld: 

Hoe de 3D-printhardwaremarkt evolueert in 2019

3D-printsoftware:echte digitale productie bereiken

Nabewerking voor industrieel 3D-printen:belangrijkste trends die u moet kennen

Polymeren zijn de meest gebruikte materialen voor 3D-printen 

Polymeren blijven het leidende segment van 3D-printmaterialen in termen van marktaandeel. Van 2014 tot 2018 was 80,6% van de wereldwijde inkomsten voor 3D-printmaterialen afkomstig van polymeren en bereikte $ 3,4 miljard in 2018. Volgens een recent onderzoek van Jabil onder 308 3D-printgebruikers, gebruikte 74% polymeermaterialen in 2018.  

De grote vraag naar polymeren is niet verrassend. Polymeer 3D-printers hebben de grootste geïnstalleerde basis, omdat ze gemakkelijker en goedkoper te gebruiken en te bedienen zijn.

Een grotere focus op hoogwaardige thermoplasten

Hoewel relatief eenvoudige kunststoffen, zoals PLA en ABS, de polymeermarkt domineren, is er een groeiende vraag naar sterke, functionele materialen die bestand zijn tegen ruwe omgevingen en hoge temperaturen. De 3D-printindustrie speelt op deze trend in door hoogwaardige thermoplasten te ontwikkelen, zoals koolstofversterkte composieten, ULTEM, PEEK en PEKK.

Met deze materialen kunnen fabrikanten functionele prototypen en zelfs onderdelen voor eindgebruik in 3D printen voor een reeks industriële toepassingen.

In de hele industrie ontwikkelen chemische bedrijven deze geavanceerde materialen in toenemende mate, specifiek voor gebruik in AM, waaronder Victrex, SABIC, Solvay en Evonik, om er maar een paar te noemen.

Veel fabrikanten van 3D-printerhardware werken ook nauw samen met deze bedrijven om de voor deze materialen benodigde 3D-printhardware aan te passen. Zo heeft Roboze, een Italiaanse fabrikant van 3D-extrusieprinters, met SABIC samengewerkt aan een amorf thermoplastisch polyimidefilament, EXTEM AMHH811F genaamd.

Het nieuwe materiaal is zeer goed bestand tegen hoge temperaturen, dankzij een warmteafbuigingsvermogen tot 230°C. Het materiaal heeft ook een glasovergang van 247°C, die volgens de partners de hoogste is van elk 3D-afdrukbaar materiaal. Bovendien biedt het uitstekende vlamvertragende eigenschappen, goede chemische bestendigheid en behoudt het zijn mechanische sterkte bij hoge temperaturen.

De ontwikkeling van hoogwaardige thermoplasten is cruciaal voor de industrialisatie van AM. Ze ondersteunen de overgang van de technologie van prototyping naar geavanceerde toepassingen in kritieke industrieën zoals medische en ruimtevaart.

Zo wordt PEEK 3D-printen nu gebruikt om patiëntspecifieke implantaten te maken. Misschien heeft een sterke groeimogelijkheid in medisch PEEK 3D-printen Evonik onlangs aangemoedigd om te investeren in Meditool, een Chinese start-up die gespecialiseerd is in PEEK 3D-geprinte implantaten voor neurologische en spinale chirurgie.

De opkomst van composietmaterialen 

Composietmaterialen zijn een ander gebied van hoogwaardige polymeren dat een aanzienlijke groei kent.

Composieten zijn opgebouwd uit een thermoplastische matrix en versterkende vezels. Momenteel worden composieten voor 3D-printen versterkt met koolstofvezels, glasvezels of Kevlar-vezels.

Deze materialen, verkrijgbaar als poeders, pellets of filamenten, bevatten meestal gehakte vezels, hoewel continu printen van vezelcomposiet wordt steeds meer verkend. Zo heeft Desktop Metal onlangs de Fiber 3D-printer aangekondigd die nylon, PEEK en PEKK-materialen kan versterken met continue koolstofvezels.

Een SmarTech-analyserapport voorspelt dat de wereldwijde markt voor composiet 3D-printen de komende vijf jaar met een CAGR van 22,3% zal groeien. Dit duidt op een mogelijkheid om grote waarde te genereren, aangezien composieten nog relevanter worden in segmenten die verder reiken dan de medische en ruimtevaartsector en naar consumentengebieden, zoals de volgende generatie auto's, energie en transport in het algemeen.

De markt voor composiet 3D-printen heeft zich de afgelopen 12 maanden ontwikkeld, waarbij een aantal materialen en toepassingen aanzienlijk zijn gegroeid. Zo heeft composiet 3D-printen de lancering mogelijk gemaakt van een composiet 3D-geprint fietsframe.

Eerder dit jaar werkte Continuous Composites samen met Arkema, via de Sartomer-business line van de chemiereus. De samenwerking zal de gepatenteerde 3D-printtechnologie (CF3D) van Continuous Composites combineren met Arkema's fotohardbare harsoplossingen, waardoor nieuwe opties worden geboden voor AM-continue vezelcomposiet.

In dezelfde geest heeft Sandvik 's werelds eerste diamantcomposiet voor 3D-printen. Het composiet vertoonde een uitzonderlijke hardheid en warmtegeleiding, evenals een lage dichtheid, corrosieweerstand en goede thermische uitzetting. Materialen zoals deze kunnen bijzonder gunstig zijn voor toepassingen in de ruimte.

3D-printen van grafeen

Naast engineering en composietkunststoffen werkt de industrie aan het 3D-printen van geavanceerde materialen op basis van grafeen.

Grafeen is een van de sterkste materialen op aarde. Vanwege zijn hoge elektrische en thermische geleidbaarheid wordt er door verschillende industrieën naar gezocht, van batterijproductie tot ruimtevaart.

Vorige maand werkte Terrafilum, een producent van 3D-printfilamenten, samen met XG Sciences, ontwerper en fabrikant van grafeen-nanocomposieten, om grafeen-versterkte materialen te ontwikkelen voor extrusie 3D-printen.

Bovendien hebben onderzoekers van Virginia Tech en Lawrence Livermore National Laboratory sinds 2016 een nieuwe manier ontwikkeld om complexe objecten met grafeen in 3D te printen. 

Voorheen konden onderzoekers alleen print dit materiaal in 2D-vellen of basisstructuren. Nu hebben ze een op stereolithografie gebaseerd proces ontwikkeld dat kleine (tot 10 micron) grafeen 3D-structuren kan creëren.

Eén bedrijf was echter in staat om 3D-geprint grafeen om te zetten in een praktijktoepassing. Het Amerikaanse multinationale ingenieursbureau AECOM heeft grootschalig 3D-printen van de Britse provider Scaled gebruikt om een ​​4,5 m hoge signaalboog voor transportnetwerken te creëren.

Met behulp van een grafeenboog die over spoorrails zit elimineert de noodzaak om nieuwe digitale apparatuur aan bestaande infrastructuur te bevestigen.

De boog wordt geproduceerd in een nieuw met grafeen versterkt polymeer, dat wordt geleverd door Aecom's materiaalpartner, Versarien.

Ondanks deze mijlpaal blijft grafeen een zeer uitdagend materiaal voor 3D print, en het is ook duur en moeilijk te produceren. In het licht hiervan bevinden we ons nog in de zeer vroege stadia van het 3D-printen van grafeen, maar de voortgang tot nu toe ziet er veelbelovend uit.

De explosieve groei van elastomere materialen 

In toenemende mate passen bedrijven 3D-printen toe in consumenten-, medische en industriële toepassingen, die zachte en flexibele, maar toch taaie en sterke eigenschappen vereisen. Deze vraag voedt de groei van de markt voor flexibele materialen, zoals TPU en siliconen.

Alleen al in de afgelopen zes maanden zijn er verschillende aankondigingen geweest over flexibele materialen voor 3D-printen.

In juli introduceerde het wereldwijde chemiebedrijf Huntsman zijn assortiment zachte, flexibele IROPRINT AM-materialen voor schoenentoepassingen. Materialen zijn er in drie vormen – hars, poeder en filament – ​​en kunnen worden gebruikt voor de productie van schoeisel, slangen en pakkingen, robotgrijpers, afdichtingen en andere rubberachtige toepassingen.

Het toenmalige Duitse chemiebedrijf Covestro, bracht een nieuwe toepassing voor zijn TPU-materiaal in de schijnwerpers:3D-geprinte orthopedische inlegzolen.

TPU is het materiaal bij uitstek voor deze toepassing, dankzij de gunstige eigenschappen. Met name de TPU-producten van Covestro dekken een breed scala aan hardheden af, die kunnen worden aangepast door de structuur van een binnenzoolontwerp te veranderen. Dit betekent dat fabrikanten schoeninlegzolen kunnen bedrukken met harde of zachte contactvlakken, waardoor ultieme maatwerk wordt bereikt.

Bovendien lanceerde Dow, een wereldleider in de wetenschap van siliconenelastomeer, twee nieuwe vloeibare 3D-printmaterialen van siliconenrubber. Onlangs is het bedrijf een samenwerking aangegaan met Nexus Elastomer Systems en het Duitse RepRap, om gebruikers van 3D-printen de mogelijkheid te bieden om siliconenrubberen onderdelen in 3D in kleur te printen.

De nieuwe en kleurrijke mogelijkheden zijn afhankelijk van een combinatie van drie belangrijke elementen:Dow's SILASTIC 3D 3335 LSR-materiaal, de Duitse RepRap Liquid Additive Manufacturing (LAM) 3D-printer en een nieuw doseersysteem van Nexus Elastomer Systems. Met deze mogelijkheid kunnen gebruikers een reeks kleuren aan hun afdrukken toevoegen, zonder de mechanische eigenschappen of prestaties van het onderdeel te veranderen.

Ten slotte heeft EOS onlangs zijn portfolio van polymeermateriaal uitgebreid met de lancering van een nieuwe flexibel EOS TPU 1301 poeder. Volgens EOS biedt de EOS TPU 1301 een grote veerkracht na vervorming, een zeer goede schokabsorptie en een zeer hoge processtabiliteit. Het materiaal is met name geschikt voor toepassingen in schoenen, lifestyle en auto's - inclusief dempingselementen, beschermende kleding en schoenzolen.

Het is duidelijk dat de beschikbaarheid van flexibele materialen bedrijven in staat stelt nieuwe toepassingen te ontsluiten en te profiteren van 3D-printen in veel meer niches.

Polymeren met vlamvertragende eigenschappen 

Er is een sterke drang binnen de industrie naar materialen met specifieke eigenschappen, waarvan vlamvertraging er een van is.

Deze trend wordt waarschijnlijk gedreven door de vraag van industrieën met strikte brandveiligheidseisen, zoals transport en elektronica, die steeds meer gebruik gaan maken van 3D-printen.

Een van de recente ontwikkelingen is DSM's UL Blue Card-gecertificeerde vlamvertragende materiaal, Novamid AM1030 FR, voor extrusie 3D-printers. Het materiaal is ontwikkeld op basis van DSM's Novamid-technologie en is gecertificeerd als V0 (het branden stopt binnen 10 seconden op een verticaal exemplaar) en V2 (het branden stopt binnen 30 seconden op een verticaal exemplaar).

DSM gelooft dat de het vlamvertragende niveau van het materiaal maakt het geschikt voor toepassing in de automobiel- en elektronicasector.

Evenzo hebben Cubicure, Markforged en CRP Technology hun eigen vlamvertragende materialen uitgebracht. De materialen van CRP Technology en Markforged zijn ook composieten, waardoor ze wenselijk zijn voor een aantal kritische industriële toepassingen.

Wij geloven dat de ontwikkeling van gespecialiseerde polymeermaterialen zal doorgaan, aangezien bedrijven steeds meer toepassingen vinden voor 3D-printen. Een ander gebied waarvan we verwachten dat het snel zal groeien, zijn polymeren met een grotere ultraviolette (UV) weerstand, die zullen helpen om hun toepassingen in de automobielsector voort te stuwen.

Keramische materialen 

De markt voor keramiek voor 3D-printen is misschien nog niet zo groot als de markt voor polymeer, maar het is net zo spannend. Deze markt zal naar verwachting groeien van een omzetkans van $ 20 miljoen in 2020 tot meer dan $ 450 miljoen in 2029, volgens een rapport van SmarTech Analysis.

Het rapport benadrukt ook het feit dat de waarde van onderdelen voor eindgebruik, vervaardigd met technische of traditionele keramische materialen, naar verwachting de vraag naar hardware en materialen voor de middellange tot lange termijn zal stimuleren.

Met name technische of hoogwaardige keramiek heeft geavanceerde mechanische eigenschappen, waaronder zeer hoge sterkte, hoge temperatuur en chemische bestendigheid. Het zijn lichte materialen die al worden gebruikt in verschillende sectoren van geavanceerde productie, van ruimtevaart tot elektronica, waarvan vele tot de eerste gebruikers van AM-technologieën behoren.

Vorig jaar heeft XJet Ltd., het bedrijf achter de NanoParticle Jetting (NPJ)-technologie voor keramiek en metalen, een nieuw keramisch materiaal aan zijn AM-systeem toegevoegd:aluminiumoxide. Het nieuwe materiaal voegde zich bij zirkonia in XJet's portfolio van technisch keramiek.

Vergeleken met zirkoniumoxide heeft aluminiumoxide bepaalde kenmerken, zoals een hogere mate van hardheid en sterkte, maar vertoont het een lagere slijtvastheid, waardoor het gemakkelijker te bewerken en te verfijnen is voor en na het bakken.

/>Hoewel keramisch 3D-printen achterblijft bij het 3D-printen van polymeren en metalen, is er een groot potentieel voor deze technologie en bijbehorende materialen om in de komende vijf tot tien jaar te evolueren.

Metalen materialen 

Metal AM materials is een sector vol groei. In 2018 bereikten de inkomsten uit metalen 390 miljoen EUR, zoals gerapporteerd door Ampower, en groeiden naar schatting 41,9%, waarmee een reeks van meer dan 40% groei in de afgelopen vijf jaar werd voortgezet (Wohlers Report 2018).

Het aantal bedrijven dat 3D-printen van metaal toepast, neemt ook gestaag toe, waardoor de vraag naar grotere materiaaldiversiteit en kwaliteit toeneemt.

Productie metaalpoeder gaat omhoog 

Als gevolg van deze vraag sluiten steeds meer materiaalleveranciers zich aan bij de industrie, en degenen die zich al hebben aangesloten, breiden hun metaalproductiecapaciteit uit.

Dit is vooral gebruikelijk voor producenten van metaalpoeder, die materialen willen leveren voor op poeder gebaseerde processen, zoals Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM), Binder Jetting en gepoederde Direct Energy Deposition ( DED) – die zich momenteel in een sterk groeitraject bevinden.

Een van 's werelds toonaangevende fabrikanten van metaalpoeders, Höganäs AB, is begonnen met de bouw van zijn nieuwe verstuivingsinstallatie voor de productie van zeer zuivere metaalpoeders voor de AM-industrie.

De nieuwe fabriek in Duitsland zal Höganäs helpen zijn marktaandeel in het groeiende segment van 3D-printen te vergroten. De poeders die in de fabriek worden geproduceerd, zullen wereldwijd worden verkocht onder het handelsmerk Amperprint®. Het merk Amperprint omvat momenteel nikkel, kobalt en ijzerlegeringen.

Op dezelfde manier bouwt Liberty House Group, het moederbedrijf van het Britse Liberty Powder Metals, een ontwikkelingsfaciliteit voor poedermetalen in het VK.

Het bedrijf hoopt dat de faciliteit haar in staat zal stellen haar bereik in gespecialiseerde metalen en materialen voor AM uit te breiden. De fabriek zal capaciteiten omvatten zoals vacuüm-inductie inert-gasverstuiver (VIGA) en een reeks zeef-, meng-, verpakkings- en analytische apparatuur.

Bovendien heeft Sandvik, de ontwikkelaar en producent van geavanceerde materialen, zijn nieuwe fabriek geopend voor de productie van AM-titaanpoeders door middel van verneveling, waarin het ongeveer 200 miljoen Zweedse kronen heeft geïnvesteerd.

Sandvik's lancering van een titaniumpoederfaciliteit ondersteunt een groeiende trend naar titanium 3D-printen. Titanium kan een moeilijk metaal zijn om mee te werken, vooral als het gaat om machinale bewerking. AM wordt een levensvatbaar alternatief en helpt bedrijven om titaniumafval te verminderen en meer ontwerpflexibiliteit te bieden.

Metaalmateriaalproducenten breiden uit in AM-waardeketen

Naast de toegenomen productie van metaalpoeder, breiden veel bedrijven die materialen voor 3D-metaalprinten produceren hun rol in de AM-waardeketen uit. Sommigen nemen strategisch andere bedrijven over, terwijl anderen hun bedrijf herstructureren.

Een goed voorbeeld hiervan is de Britse luchtvaart- en automobielonderneming GKN. Begin dit jaar kondigde haar dochteronderneming GKN Additive een nieuw submerk aan, GKN Additive Materials, gevormd als resultaat van een fusie met GKN Hoeganaes, de metaalpoederfabrikant van het moederbedrijf.



Dit maakt GKN Additive, dat ook een submerk heeft, GKN Additive Components, een volledige leverancier van poeder-tot-deeloplossingen. Hierdoor kan het bedrijf de kennis van AM-processen en materialen onder één dak combineren, wat resulteert in een beter begrip van beide aspecten van AM-technologie.

Om haar positie op de AM-markt verder te versterken, heeft GKN onlangs ook de in de VS gevestigde 3D-printserviceprovider Forecast 3D overgenomen. Terwijl Forecast 3D gespecialiseerd is in 3D-printen van polymeren, stelt deze stap GKN in staat om AM nu te promoten, zowel in metaal als in plastic.

Met deze overname kan het in het VK gevestigde GKN een groter bereik hebben op de Amerikaanse markt en een volledig nieuwe bedrijfstak aanboren, namelijk polymeer AM.

En GKN is niet het enige voorbeeld van uitbreiding naar andere delen van AM.

Zweedse Sandvik heeft onlangs ook een verrassende stap gezet door een belang van 30% te verwerven in de Italiaanse 3D-printserviceprovider Beam IT. Volgens het bedrijf past deze stap in zijn strategische ambitie om zijn aanwezigheid in de bredere maakindustrie te vergroten, een aanwezigheid die het hoopt te bereiken door te investeren in additieven.

Nieuwe metalen materialen voor AM

Met al deze activiteiten die wijzen op de gezonde toestand van de AM-metaalindustrie, is de ultieme indicator van haar groei de voortdurende materiaalontwikkeling.

Metaalpoeders zijn notoir moeilijk te ontwikkelen, laat staan ​​te certificeren. De vooruitgang op dit gebied is echter continu.

Bijvoorbeeld H.C. Starck Tantalum en Niobium GmbH, een dochteronderneming van JX Nippon Mining &Metals, hebben een reeks vernevelde tantaal- en niobium (Ta/Nb) AM-poeders geïntroduceerd onder de merknaam AMtrinsic.

Dankzij de hoge smeltpunten, hoge corrosieweerstand en hoge thermische en elektrische geleidbaarheid, deze materialen zouden AM-gebruikers in staat stellen de technologie toe te passen in chemische verwerking, de energiesector en een reeks omgevingen met hoge temperaturen.

De AMtrinsic-poeders beloven een uitstekende vloeibaarheid, een hoge tapdichtheid, een 'perfecte' bolvorm en een smalle deeltjesgrootteverdeling - belangrijke kenmerken voor materialen die worden gebruikt in poederbedfusieprocessen.

Bovendien heeft OxMet Technologies, een legeringsontwikkelingsbedrijf gevestigd in het Verenigd Koninkrijk, een reeks nikkellegeringen met hoge sterkte en hoge temperatuur ontwikkeld, speciaal ontworpen voor het AM-proces.

Van de nieuwe legeringen wordt gezegd dat ze een hoge sterkte vertonen tot 900 ° C. Dit is naar verluidt een aanzienlijke prestatieverbetering, aangezien de sterkste nikkellegering (legering 718) die momenteel beschikbaar is voor AM onstabiel wordt boven 650 ° C, waardoor het ongeschikt is voor gebruik in de meest kritische componenten van turbomachines.

In een ander voorbeeld verbeterde Aeromet International, een in het VK gevestigde gieterijspecialist, zijn gepatenteerde A20X aluminiumpoeder, zodat het de Ultimate Tensile Strength (UTS)-markering van 500 heeft overschreden MPa. Volgens het bedrijf maakt deze prestatie het materiaal tot een van de sterkste aluminium AM-poeders die commercieel verkrijgbaar zijn. plasmatechnologiespecialist, 6K, heeft AM-poeders gelanceerd die zijn afgeleid van duurzame bronnen.

De poeders worden geproduceerd met behulp van de unieke UniMelt-technologie van 6K, die machinaal frezen, draaien en andere gerecyclede grondstoffen kan omzetten in premium poeder voor AM.

In de toekomst is 6K van plan om poeders te maken van AM-ondersteuningsstructuren en mislukte AM-prints. Het doel is om 100% van de materialen te gebruiken die de toeleveringsketen binnenkomen, waardoor AM-eindgebruikers een nieuwe manier krijgen om projectkosten te beheren en de toeleveringsketen te beheersen, terwijl ook meer duurzaamheid wordt geïntroduceerd in metaal AM.

Materialen:een cruciaal onderdeel van de Additive Manufacturing-puzzel

Materialen spelen een cruciale rol om van AM een echte productietechnologie te maken. Volgens een recent onderzoek van Jabil is 41 % van de ondervraagde AM-gebruikers van mening dat de introductie van betere materialen de grootste impact zou hebben op het stimuleren van de massale acceptatie van 3D-printen voor productie.

En de industrie speelt actief in op de vraag. Er worden geavanceerde polymeren ontwikkeld, evenals gespecialiseerde metalen. Materiaalleveranciers begrijpen nu veel meer over het identificeren, optimaliseren, produceren en recyclen van materialen voor AM.

Tegelijkertijd zien we meer spelers zich vertakken in nieuwe gebieden van materiaalontwikkeling, of het nu gaat om composieten, siliconen of keramiek.

Dat gezegd hebbende, blijven hoge materiaalkosten een van de belangrijkste knelpunten bij het opschalen van technologische toepassingen. Misschien zullen we de materiaalprijzen binnenkort zien dalen, naarmate de vraag toeneemt. Dit zal echter niet van de ene op de andere dag gebeuren.

Uiteindelijk lijkt de industrie voor 3D-printmaterialen te bloeien, gedreven door zowel grote bedrijven als niche-start-ups. We zijn ervan verzekerd dat deze opwaartse trend de AM-industrie de komende jaren zal blijven vormen.