2020 3D-print Hardwaremarkt: Trends, sleutelspelers en evolutie

Eerder dit jaar publiceerde AMFG zijn tweede Additive Manufacturing Landscape 2020 rapport, gericht op sleutelmarkspelers en de grootste trends die de industrie vormgeven. Vandaag lanceren we een reeks artikelen, die dieper ingaan op elk segment van het additieve productie (AM) ecosysteem, beginnend met hardware.

In 2020 vormen hardwarefabrikanten meer dan de helft van het AM-landschap, met een groot aantal bedrijven dat de afgelopen decennium de industrie is binnengekomen.

Met de instroom van nieuwe bedrijven, zagen de recente jaren een snelle evolutie van 3D-printers, die sneller, betrouwbaarder en productieklaraar worden.

Hieronder traceren we enkele van de meest prominente ontwikkelingen en trends die de 3D-print hardwaremarkt vormgeven.

Bekijk de andere artikelen in deze serie:
De evolutie van de 3D-print materialenmarkt: Trends en kansen
3D-print Software: Echte digitale productie bereiken
Post-processing voor industriële 3D-print: Belangrijke trends die u moet kennen

Metaal 3D-print hardware

Discussieerbaar is de metaal hardwaremarkt een van de snelst groeiende segmenten van 3D-printen. Onderzoeksbureau CONTEXT schat dat metaal 3D-printer leveringen jaar-op-jaar eenheidvolume groeicijfers van meer dan 49% zullen zien.

Het metaal AM hardwaresegment staat ook open voor een bijna $4 miljard omzetkans, volgens een recent rapport van analistenbureau SmarTech Analysis.

In 2020 is de metaal 3D-printmarkt uiteenlopend, met zo veel als 18 verschillende technologieën die het vormgeven, zoals gerapporteerd door AMPOWER.

Onder deze technologieën speelt de Powder Bed Fusion (PBF) familie de grootste rol in metaal AM, met 80% van alle wereldwijde metaal AM systeeminstallaties. De PBF familie omvat laser-gebaseerde en elektronenstraal-gebaseerde technologieën.

De PBF hardwaremarkt is verdeeld over een paar gevestigde bedrijven, waaronder EOS, Renishaw, 3D Systems, SLM Solutions, Trumpf en GE.

GE springt er met zijn unieke diversificatie van aanbod in de metaal AM markt uit. Naast het leveren van laser-gebaseerde Concept Laser 3D-printers, is GE ook een van de weinige bedrijven die Electron Beam Melting (EBM) apparatuur aanbieden, geproduceerd door Arcam. Verder ontwikkelt het bedrijf ook metaal binder jetting 3D-printen, al geadopteerd door een paar vroege gebruikers.

Met de focus van metaal 3D-printen verschoven naar productietoepassingen, hebben veel spelers in dit veld hun systemen geëvolueerd om aan de eis voor hogere snelheid en grotere betrouwbaarheid te voldoen.

Een van de gemeenschappelijke thema's in deze wedloop is de introductie van multilaser-systemen.

Het gebruik van meerdere lasers (meestal 2 of 4) kan het printproces versnellen door het tot viervoud te verhogen. Bovendien zijn multilaser-systemen productiever, wat helpt de kosten per onderdeel te verlagen en/of meer onderdelen in kortere tijd te produceren. Er wordt ook beweerd dat multilaser-machines verschillende onderdelen tegelijkertijd kunnen printen.

Onder de 3D-printerfabrikanten die dergelijke systemen aanbieden zijn EOS, Concept Laser (GE), SLM Solutions, Renishaw en Additive Industries.

Buiten de gevestigde spelers zag de PBF-markttoename van nieuwkomers, elk met hun unieke aanpak van de technologie.

Een voorbeeld is VELO3D, dat een systeem ontwikkelde dat met bijna nul ondersteuningen kan printen, dankzij het geavanceerde herlaagmechanisme en nauwe integratie tussen hardware en software.

Aurora Labs is een andere potentiële game-changer, die een metaalsysteem aanbiedt dat meerdere lagen poeder simultaan, in één doorlaag, kan printen. Essentiall betekent dit een substantiële verbetering in printsnelheid. Recent rapporteerde het bedrijf dat zijn PMP1 3D-printer een printsnelheid van 350 kg/dag kan bereiken.

De opkomst van metaal binder jetting technologieën

Een andere opvallende trend is een nieuwe focus op metaal binder jetting. Hoewel de technologie al een tijd bestaat, is pas recentelijk erkend als een haalbare methode voor hoge-volume toepassingen. Metaal binder jetting systemen zijn doorgaans goedkoper en sneller dan PBF-systemen.

ExOne, de eerste fabrikant van metaal binder jetting systemen, moet nu concurreren met een aantal nieuwkomers zoals Digital Metal, Desktop Metal en HP.

Desktop Metal en HP hebben met name een agressieve strategie om binder jetting een methode te maken die kan concurreren met traditionele productie voor bepaalde toepassingen. Desktop Metal heeft bijvoorbeeld een bi-directioneel systeem ontwikkeld (print in twee richtingen), wat hoog-resolutie printen tot 12.000 cm³/uur mogelijk maakt. Dit vertaalt zich in meer dan 60 kg metaalonderdelen per uur.

HP heeft daarentegen een innovatief bindmiddel ontwikkeld om het sinterproces, dat plaatsvindt wanneer onderdelen geprint worden, sneller en goedkoper te maken.

'Bij metaal injectiegieten heb je typisch meer dan 10% per gewicht binder dat uitgebrand moet worden. In ons geval is dat minder dan 1%, wat een orde van grootte minder is, wat het sneller, goedkoper en veel simpeler maakt om te sinteren', zegt Tim Weber, HP's Global Head of Metals, in een interview met AMFG.

Metaal binder jetting heeft het potentieel om toepassingen ontgrendelen die momenteel onhaalbaar zijn met andere metaal 3D-printtechnologieën, met name in hoge-volume industrieën als automotive. Dit betekent dat de evolutie in deze sector zal doorgaan, wat het de sector maakt om in de gaten te houden.

Compacte metaal 3D-printers: Een nieuw segment vol groei

Terwijl PBF en metaal binder jetting systemen ontworpen zijn om productiebehoeftes te vervullen, rijst een ander sector van compacte metaal 3D-printers om prototyping van metaalonderdelen goedkoper en eenvoudiger te maken. Een recent rapport van SmarTech Analysis voorspelt dat de verkoop van compacte industriële metaalprinters $1 miljard zal overschrijden in 2027.

Markforged en Desktop Metal zijn momenteel de twee grootste bedrijven die compacte metaal 3D-printers ontwikkelen.

Zowel Markforged's Metal X als Desktop Metal's Studio System zijn extrusie-gebaseerde 3D-printers die plastic-gecapsuleerde metaalpoeders gebruiken om groene onderdelen te creëren, die vervolgens in een oven gesinterd worden. Deze aanpak maakt het een veel meer betaalbare optie vergeleken met traditioneel dure metaal 3D-printers. Dit is grotendeels te danken aan lagere operationele kosten, mogelijk gemaakt door goedkopere metaal injectiegiet materialen.

Betaalbaarheid en eenvoudige opzet van compacte metaal AM-systemen resoneren duidelijk met de markt. In Q1 2019 namen Markforged en Desktop Metal de centrale positie in in termen van 3D-printer leveringen, met Desktop Metal het grootste aantal metaal 3D-printers over de periode geleverd.

We verwachten dat dit segment van metaal 3D-printen zal blijven groeien, aangezien compacte 3D-printers een geheel nieuwe markt van betaalbaar metaal prototyping en productontwikkeling kunnen ontginnen. Dit betekent ook dat industriële klanten nu meer opties dan ooit hebben om hun verkenning van metaal AM te ondersteunen.

Toegenomen betrouwbaarheid van metaal 3D-printen

Om metaal 3D-printers verder te verbeteren, moeten bedrijven een hogere mate van herhaalbaarheid aan het proces introduceren. De sleuteloplossing hiervoor ligt in het uitrusten van 3D-printers met sensoren en machine vision om in-process monitoring mogelijk te maken.

Sensoren en camera's, geplaatst binnenin een 3D-printer, kunnen gebruikt worden om meerdere aspecten van een build in real-time te meten, helpen de build te documenteren en eisen te waarborgen. De verkregen data van sensoren kan dan teruggevoerd worden naar gespecialiseerde software, die de data analyseert en feedback geeft over hoe het proces verbeterd kan worden.

Deze oplossing staat bekend als een closed-loop control systeem, en wordt een essentiële vereiste voor metaal 3D-printers.

Controle behouden over het buildproces, door het closed-loop control systeem, stelt fabrikanten in staat consistente geometrieën, oppervlakteafwerkingen en materiaaleigenschappen te bereiken die kwaliteit onderbouwen.

Echter, in-process kwaliteitscontrole, mogelijk gemaakt door een closed-loop systeem, is nog relatief nieuw voor AM-technologieën en vormt een barrière voor fabrikanten om te implementeren. Per 2019 is slechts een klein percentage van de op de markt beschikbare 3D-printers uitgerust met closed-loop control units.

In de toekomst verwachten we dat alle metaal 3D-printers uitgerust zullen zijn met het closed-loop control systeem, wat de procesherhaalbaarheid aanzienlijk zal verhogen, door het risico op build-fouten te verminderen.

Polymeer 3D-printers

Terwijl metaal 3D-print hardware snel groeit, blijft polymere hardware het grootste segment in termen van systemen in gebruik. 72% van de bedrijven, onderzocht voor EY's Global 3D Printing Report 2019, gebruiken polymere AM-systemen, vergeleken met 49% die metaal systemen gebruiken.

Minder complexe workflow en grotere betaalbaarheid zijn de twee sleutelfactoren voor het kiezen van polymere 3D-printers boven metaal 3D-printers.

Vergelijkbaar met de metaal 3D-printmarkt, is de polymere markt verdeeld over een aantal technologieën, waaronder Fused Filament Fabrication (FFF), Stereolithography (SLA)/Digital Light Processing (DLP), Selective Laser Sintering (SLS) en Multi Jet Fusion (MJF), met veel nieuwe technologieën die de komende jaren kommercieel worden.

Elke van deze technologieën ondergaat een evolutie, aangezien bedrijven streven naar betrouwbare, professionele oplossingen, zowel voor productie als prototyping.

Misschien zijn de meest indrukwekkende ontwikkelingen gaande in het SLA/DLP hardware segment. Deze technologieën worden echte productieoplossingen, met name voor industrieën als tandheelkunde en consumentenproducten. SLA 3D-printers worden bijvoorbeeld gebruikt om de meerderheid van gietvormen voor dentale duidelijke aligners te produceren, met honderdduizenden apparaten per jaar.

De technologie moet echter nog volwassen worden om verder te gaan dan alleen gietvormen en directe productie van dergelijke apparaten mogelijk te maken.

Wat betreft hardware met de grootste geïnstalleerde basis, blijven FFF 3D-printers bovenaan. Dit kan worden verklaard door de populariteit van toegankelijke desktop FDM 3D-printers van bedrijven als Ultimaker en Makerbot.

Opwindende ontwikkelingen in SLS 3D-printers

Overgaand op SLS 3D-printers, heeft deze sector ook opvallende ontwikkelingen gezien. Een voorbeeld betreft Aerosint, een Belgisch bedrijf, dat werkt aan een SLS-systeem dat met twee verschillende poeders kan printen. Dit stelt de machine in staat om één poeder als goedkoop ondersteuningsmateriaal te gebruiken.

Normaal is het ongesmolten ondersteuningspoeder in een SLS-machine hetzelfde materiaal dat gebruikt wordt om een onderdeel te printen, en het is meestal duur. Het introduceren van een machine die goedkoop ondersteuningsmateriaal en een tweede materiaal voor onderdeelprinten kan gebruiken, zou een significant bedrag kunnen besparen voor diegenen die SLS-processen gebruiken.

Een andere ontwikkeling die SLS 3D-printen kan heruitvinden, komt van EOS. Op Formnext 2018 presenteerde EOS een komende LaserProFusion-systeem dat belooft de polymere 3D-productie 10 keer sneller te maken. Om deze prestatie te bereiken, heeft het bedrijf meer dan 8 jaar besteed aan het heruitvinden van de lasertechnologie die in het proces gebruikt wordt.

Terwijl huidige SLS-machines één of een paar CO₂-lasers gebruiken, zal het LaserProFusion-systeem tot een miljoen diodelasers kunnen gebruiken. Dit zal het in staat stellen om onderdelen niet alleen met hoge resolutie, maar ook met een veel grotere printsnelheid te creëren, potentieel rivallerend met injectiegieten.

De technologie is gepland voor commerciële release in de komende jaren.

De snelle groei van HP Multi Jet Fusion

MJF trad de markt in 2016 toe, toen HP publiekelijk zijn instap in 3D-printen aankondigde en zijn eerste polymere 3D-printer lanceerde. Sindsdien is MJF een van de snelst groeiende polymere 3D-printprocessen. Meer dan 10 miljoen onderdelen zijn geproduceerd met HP's MJF 3D-printers in 2018.

MJF, dat tot de powder bed fusion familie behoort zoals SLS, heeft voordelen wat betreft dimensionale nauwkeurigheid en materiaaleigenschappen, wat het mogelijk maakt om hoge-tolerantie onderdelen te printen die superieur zijn in zowel sterkte als flexibiliteit.

HP is toegewijd aan het verbeteren van MJF-technologie. Vorig jaar lanceerde het de Jet Fusion 5200 Series. Deze nieuwe serie breidt uit op HP's bestaande MJF-portfolio, wat ook de Jet Fusion 300/500 Series voor functioneel prototyping en de Jet Fusion 4200 Series voor korte series en productie omvat. De nieuwe 3D-printerserie voegt aan het portfolio toe, met een oplossing voor volumeproductie.

Onder de meest opvallende kenmerken van de 5200 Series is de verhoogde vermogens van lampen binnenin de 5200 3D-printers. Dit stelt het nieuwe systeem in staat om poeder in één doorlaag te smelten, in tegenstelling tot een twee-doorlaag modus in eerdere systemen. Als resultaat heeft het systeem 40% verbetering in productiviteit en opent mogelijkheden voor 3D-printen van hoge-temperatuur materialen.

Professionele desktop 3D-printers

De desktop 3D-printmarkt is een van de jongste binnen de hardware-sector. De opkomst kan worden teruggevoerd naar het begin van 'de maker-beweging', aan het einde van de jaren 2000. De beweging bracht de consumenten 3D-print revolutie voort, die echter snel instorte door gebrek aan vraag in de consumentenmarkt.

De barst van de hype rond consumenten 3D-printen dreef veel desktop 3D-printer bedrijven in de bankruptie. Een paar zijn overgebleven door over te stappen van de consumenten- naar de professionele en enterprise-markt.

Dit leverde leveranciers als Ultimaker, MakerBot en Formlabs de mogelijkheid om in te treden, te groeien en te bloeien.

Deze verschuiving heeft ook een groeiende behoefte aan industriële systemen onthuld die kleiner zijn en een fractie van de kosten van hun grotere tegenhangers.

De focusverleging naar professionele gebruikers, vereiste dat desktop 3D-printer leveranciers hun oplossingen herzien. Dit resulteerde in de introductie van industriële functies die eerder alleen in high-end 3D-printers gevonden werden. Een verwarmde bed, een behuizing en een dubbele extruder zijn de noodzakelijke elementen van FFF desktop 3D-printers geworden, gericht op professionele toepassing. Over het algemeen hebben bedrijven geprobeerd systemen productiever en betrouwbaarder te maken, terwijl ze een compact formaat behielden.

Wat desktop SLA betreft, blijft Formlabs een van de toonaangevende bedrijven in deze sector. Het claimt de grootste verkoper van desktop SLA 3D-printers ter wereld te zijn, met meer dan 40.000 systemen verkocht.

In 2019 introduceerde Formlabs een nieuwe technologie, genaamd Low Force Stereolithography (LFS). Het LFS-proces biedt verbeterde detail en oppervlakteafwerking, dankzij de flexibele tank die de krachten op onderdelen tijdens het printen vermindert.

Gebouwd op de geavanceerde LFS-technologie, helpen Formlabs' nieuwe Form 3 en Form 3L 3D-printers de kloof tussen desktop en industriële 3D-printen te overbruggen.

Keramische 3D-printers

In 2020 is keramische 3D-printen nog niet zo goed gevestigd als polymere en metaal 3D-printtechnologieën. De technologie is nog in de vroege stadia van ontwikkeling, hoewel verwacht wordt dat het binnen de komende 5 tot 6 jaar volwassenheid bereikt.

Vanwege de nieuwheid van de technologie, zijn er een handvol leveranciers die systemen aanbieden voor 3D-printen van keramiek. Onder hen zijn 3D Systems, ExOne, Prodways, Lithoz, 3DCeram en XJet.

Een ontwikkeling die met name transformatief kan zijn voor keramische 3D-print, is de introductie van XJet's Nanoparticle Jetting Technology (NPJ).

Gelanceerd in 2016, is NPJ een type inkjetten waar materialen nanopartikels (het kan keramiek of metaal zijn) in een vloeibare formulering worden opgeschort. Vervolgens spuiten duizenden zuigpijpen in het XJet-systeem miljoenen ultrafijne druppels van deze vloeibare suspensies, zowel het bouw- als het ondersteuningsmateriaal.

Een XJet-printer handhaalt een hoge temperatuur binnenin (tot 300°C) tijdens het printproces. Dit helpt de vloeistof te verbranden zodra het wordt gedeponeerd, wat resulteert in een vast onderdeel. Het onderdeel uit de printer blijft echter in een groene staat en heeft daaropvolgende sintering nodig om de verharding te voltooien.

Inkjet 3D-printen is bekend om zijn nauwkeurigheid en het vermogen om een hoog detailniveau te bereiken. Dit betekent dat XJet-systemen potentieel in staat zijn om afgeronde onderdelen van bijna elke geometrie te creëren, inclusief die met kleine gaten, dunne wanden, uitdagende boogvormen en scherpe randen.

Toepassingen als componenten voor een nieuwe borstkankerbehandeling en 3D-geprinte antennae hebben al de geschiktheid van XJet's 3D-printers voor industriële toepassingen getoond.

Ondanks recente vooruitgang, ligt er nog een lange weg voor keramische 3D-printen. Echter, naarmate de vraag naar 3D-geprinte keramische onderdelen groeit, zal 3D-printen van keramiek uiteindelijk een belangrijk en winstgevend deel van de productie-industrie worden.

Elektronische 3D-printers

Net als de keramische markt, is de 3D-printmarkt voor elektronica nog relatief jong, maar een die grote belofte inneemt. Momenteel zijn er maar een paar bedrijven die hardware voor elektronica 3D-printen leveren, met Namen als Nano Dimension en Optomec die de aanvoer doen.

De technologieën achter Nano Dimension's en Optomec's systemen zijn volledig anders, maar bieden een even spannende kans voor prototyping en directe productie van elektronische componenten, zoals antennae, Printplaten (PCB's), condensatoren en sensoren.

Een ontwikkeling die recent veel aandacht heeft gegenereerd, betreft de introductie van DragonFly Lights-Out Digital Manufacturing (LDM).

Het systeem bouwt voort op Nano Dimension's DragonFly Pro-systeem, dat in 2017 gelanceerd werd, om ingenieurs en ontwerpers in staat te stellen snel elektronische componenten te prototypen. De LDM zou deze mogelijkheden buiten prototyping moeten duwen, naar in-house, non-stop productie voor kleine series van kleine onderdelen.

Net als eerdere versies van Nano Dimension's 3D-printsysteem, werkt dit systeem door co-deponeren van geleidende en isolerende materialen op een PCB-substraat. Wat anders is, is de productiviteit van de machine, die met meer dan 40% is toegenomen, vergeleken met de DragonFly Pro.

Voortgang als deze is bemoedigend, aangezien ze helpen de grenzen voor elektronische 3D-printen te verschuiven, buiten prototyping. Hoewel er nog veel te doen is, niet alleen op hardware-gebied maar ook materialen en software, legt het zeker de basis voor elektronische 3D-printen om volwassenheid te bereiken.

3D-print hardware: Ultieme betrouwbaarheid bereiken

De 3D-print hardware-sector evolveert snel, aangezien bedrijven constant de beschikbare systemen verbeteren en volledig nieuwe hardware-oplossingen ontwikkelen.

Toch blijft de kosten van apparatuur een van de grootste weerstanden om te investeren in AM. Volgens het EY Global 3D Printing Report 2019, zien 87% van de bedrijven hoge systeemprijzen als een kritieke barrière voor 3D-printadoptie. Dit betekent dat het verlagen van de kosten van AM-apparatuur de sleutel zal zijn tot het uitbreiden van het gebruik van de technologie.

De 3D-printindustrie lost dit op door meer toegankelijke desktop 3D-printers en compacte metaal AM-machines te introduceren.

Ondertussen is het duidelijk dat de 3D-hardware-industrie beïnvloed is door de uitbraak van de pandemie, met leveringen die een onverwachte daling zien. Marktonderzoeksbureau CONTEXT wijst erop dat hardware-omzetten in de algehele 3D-printmarkt met -27% zijn gedaald ten opzichte van vorig jaar. Bijna alle Westerse top 20 industriële printerbedrijven zagen aanzienlijke jaar-op-jaar dalingen in het aantal geleverde 3D-printers.

Toch hebben 3D-printleveranciers hernieuwde interesse in de technologie gerapporteerd gedurende Q3 – van nieuwe sectoren als bekende markten. Volgens CONTEXT zijn ze hoopvol dat dit interesse zal omzetten in Q4-orders.

Al met al, de vraag naar meer geavanceerde industriële systemen zal de evolutie van de AM-hardware blijven voeden. In de komende vijf jaar verwachten we dat 3D-print hardware veel grotere betrouwbaarheid zal bereiken, dankzij in-process monitoring oplossingen en nauwere integratie met software.