La evolución del mercado de materiales de impresión 3D:tendencias y oportunidades en 2019

El mercado de materiales de impresión 3D está creciendo rápidamente. La demanda está aumentando, con más empresas que compran hardware de fabricación aditiva (AM) y escalan su uso de AM. En 2019, el mercado de materiales AM es valorado en $ 1.5 mil millones . En los próximos cinco años, se espera que se convierta en una enorme oportunidad de $ 4.5 mil millones.

Con esta oportunidad a la mano, los proveedores de materiales, en particular las empresas químicas gigantes y los productores de metales, se están involucrando cada vez más en la industria. Además de desarrollar nuevos materiales, están contribuyendo en gran medida a la industrialización de la FA.

En el artículo de hoy, profundizaremos en cómo está evolucionando el mercado de materiales de impresión 3D en 2019, qué empresas lo están impulsando y qué tendencias están dando forma a su futuro.

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Los polímeros son los materiales de impresión 3D más utilizados

Los polímeros siguen siendo el segmento de materiales de impresión 3D líder en términos de participación de mercado. De 2014 a 2018, el 80,6% de los ingresos mundiales por materiales de impresión 3D provinieron de polímeros y alcanzaron los 3.400 millones de dólares en 2018. Según una encuesta reciente de Jabil a 308 usuarios de impresión 3D, el 74% utilizó materiales poliméricos en 2018.

La gran demanda de polímeros no es sorprendente. Las impresoras 3D de polímeros tienen la base instalada más grande, ya que son más fáciles y económicas de adoptar y operar.

Un mayor enfoque en termoplásticos de alto rendimiento

Si bien los plásticos relativamente simples, como el PLA y el ABS, dominan el mercado de los polímeros, existe una demanda creciente de materiales resistentes y funcionales, que puedan soportar entornos hostiles y altas temperaturas. La industria de la impresión 3D está respondiendo a esta tendencia desarrollando termoplásticos de alto rendimiento, como compuestos reforzados con carbono, ULTEM, PEEK y PEKK.

Estos materiales permiten a los fabricantes imprimir en 3D prototipos funcionales e incluso piezas de uso final para una variedad de aplicaciones industriales.

En toda la industria, las empresas químicas están desarrollando cada vez más estos materiales avanzados, específicamente para su uso. en AM, incluidos Victrex, SABIC, Solvay y Evonik, por nombrar algunos.

Muchos fabricantes de hardware de impresoras 3D también están trabajando en estrecha colaboración con estas empresas para adaptar el hardware de impresión 3D necesario para estos materiales. Por ejemplo, Roboze, un fabricante italiano de impresoras 3D de extrusión, ha colaborado con SABIC en un filamento de poliimida termoplástica amorfa, llamado EXTEM AMHH811F.

El nuevo material cuenta con una gran resistencia a las altas temperaturas, gracias a una capacidad de deflexión del calor de hasta 230 ° C. El material también tiene una transición vítrea de 247 ° C, que los socios creen que es la más alta de cualquier material imprimible en 3D. Además, ofrece excelentes propiedades ignífugas, buena resistencia química y mantiene su resistencia mecánica a altas temperaturas.

El desarrollo de termoplásticos de alto rendimiento es crucial para la industrialización de la FA. Apoyan la transición de la tecnología de la creación de prototipos a aplicaciones avanzadas en industrias críticas como la médica y la aeroespacial.

Por ejemplo, la impresión PEEK 3D ahora se utiliza para crear implantes específicos para el paciente. Quizás una gran oportunidad de crecimiento en la impresión médica PEEK 3D ha alentado a Evonik a invertir recientemente en Meditool, una nueva empresa china especializada en implantes PEEK impresos en 3D para cirugía neurológica y espinal.

El aumento de materiales compuestos

Los materiales compuestos son otra área de polímeros de alto rendimiento que está experimentando un crecimiento significativo.

Los composites están formados por una matriz termoplástica y fibras de refuerzo. Actualmente, los materiales compuestos para impresión 3D están reforzados con fibras de carbono, fibras de vidrio o fibras de Kevlar.

Estos materiales, disponibles en forma de polvos, gránulos o filamentos, suelen presentar fibras cortadas, aunque se está realizando la impresión de compuestos de fibra continua. explorado cada vez más. Por ejemplo, Desktop Metal ha anunciado recientemente la impresora Fiber 3D capaz de reforzar materiales de nailon, PEEK y PEKK con fibras de carbono continuas.

Un informe de análisis de SmarTech predice que el mercado global de impresión 3D compuesta crecerá a una tasa compuesta anual del 22,3% durante los próximos cinco años. Esto indica una gran oportunidad de generación de valor, ya que los compuestos se vuelven aún más relevantes en segmentos que se expanden más allá de los sectores médico y aeroespacial y en áreas de consumo, como la automoción de próxima generación, la energía y el transporte en general.

El mercado de la impresión 3D compuesta ha evolucionado durante los últimos 12 meses, con una cantidad de materiales y aplicaciones que han crecido significativamente. Por ejemplo, la impresión 3D compuesta ha permitido el lanzamiento de un cuadro de bicicleta compuesto impreso en 3D.

A principios de este año, Continuous Composites se asoció con Arkema, a través de la línea de negocios Sartomer del gigante químico. La asociación verá la tecnología de impresión 3D de fibra continua patentada (CF3D) de Continuous Composites, combinada con las soluciones de resina fotocurable de Arkema, proporcionando así nuevas opciones para el compuesto de fibra continua AM.

En una línea similar, Sandvik ha creado el primer compuesto de diamante del mundo para impresión 3D. El compuesto demostró una dureza y conductividad térmica excepcionales, así como baja densidad, resistencia a la corrosión y buena expansión térmica. Materiales como este podrían ser particularmente beneficiosos para aplicaciones espaciales.

Grafeno de impresión 3D

Además de la ingeniería y los plásticos compuestos, la industria está trabajando para permitir la impresión 3D de materiales avanzados basados ​​en grafeno.

El grafeno es uno de los materiales más fuertes de la tierra. Debido a su alta conductividad eléctrica y térmica, es buscado por una variedad de industrias, desde la fabricación de baterías hasta la aeroespacial.

El mes pasado, Terrafilum, un productor de filamentos de impresión 3D, se asoció con XG Sciences, diseñador y fabricante de nanocompuestos de grafeno, para desarrollar materiales mejorados con grafeno para la impresión 3D por extrusión.

Además, los investigadores de Virginia Tech y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han estado desarrollando una nueva forma de imprimir objetos complejos en 3D, utilizando grafeno, desde 2016.

Anteriormente, los investigadores solo podían imprima este material en hojas 2D o estructuras básicas. Ahora han desarrollado un proceso basado en estereolitografía que puede crear pequeñas estructuras de grafeno 3D (hasta 10 micrones).

Sin embargo, una empresa pudo trasladar el grafeno impreso en 3D a una aplicación del mundo real. La empresa de ingeniería multinacional estadounidense AECOM ha utilizado la impresión 3D a gran escala del proveedor del Reino Unido, Scaled, para crear un arco de señalización de 4,5 m de altura para las redes de transporte.

Usando un arco de grafeno que se asienta sobre las vías del tren. elimina la necesidad de conectar nuevos equipos digitales a la infraestructura existente.

El arco se produce en un nuevo polímero reforzado con grafeno, que es suministrado por el socio de materiales de Aecom, Versarien.

A pesar de este hito, el grafeno sigue siendo un material muy desafiante para el 3D imprimir, y también es costoso y difícil de producir. A la luz de esto, todavía estamos en las primeras etapas de la impresión 3D con grafeno; sin embargo, el progreso hasta ahora parece muy prometedor.

El crecimiento explosivo de materiales elastoméricos

Cada vez más, las empresas aplican la impresión 3D en aplicaciones de consumo, médicas e industriales, que requieren propiedades suaves y flexibles, pero resistentes y fuertes. Esta demanda impulsa el crecimiento del mercado de materiales flexibles, como TPU y silicona.

Solo en los últimos seis meses, ha habido varios anuncios sobre materiales flexibles para la impresión 3D.

En julio, la compañía química global, Huntsman, presentó su gama de materiales suaves y flexibles IROPRINT AM para aplicaciones de calzado. Los materiales vienen en tres formas (resina, polvo y filamento) y se pueden utilizar para producir calzado, mangueras y juntas, pinzas robóticas, juntas y otras aplicaciones similares al caucho.

Luego, la empresa química alemana Covestro, destacó una nueva aplicación para su material de TPU:plantillas ortopédicas impresas en 3D.

El TPU es el material de elección para esta aplicación, gracias a su favorable gama de propiedades. En particular, los productos de TPU de Covestro cubren una amplia gama de durezas, que se pueden ajustar cambiando la estructura del diseño de una plantilla. Esto significa que los fabricantes pueden imprimir plantillas de zapatos con áreas de contacto duras o blandas, logrando la máxima personalización.

Además, Dow, líder mundial en la ciencia de elastómeros de silicona, lanzó dos nuevos materiales de impresión 3D de caucho de silicona líquida. Recientemente, la compañía se asoció con Nexus Elastomer Systems y German RepRap, para brindar a los usuarios de impresión 3D la capacidad de imprimir en 3D piezas de caucho de silicona en color.

La nueva y colorida capacidad depende de una combinación de tres elementos clave:el material SILASTIC 3D 3335 LSR de Dow, la impresora 3D Liquid Additive Manufacturing (LAM) de la alemana RepRap y un nuevo sistema de dosificación de Nexus Elastomer Systems. Con esta capacidad, los usuarios pueden agregar una gama de colores a sus impresiones, sin cambiar las características mecánicas o el rendimiento de la pieza.

Finalmente, EOS ha ampliado recientemente su cartera de materiales poliméricos con el lanzamiento de un nuevo Polvo flexible EOS TPU 1301. Según EOS, el EOS TPU 1301 ofrece una gran resistencia después de la deformación, muy buena absorción de impactos y una muy alta estabilidad del proceso. El material es particularmente adecuado para aplicaciones en calzado, estilo de vida y automoción, incluidos elementos de amortiguación, equipos de protección y suelas de zapatos.

Claramente, la disponibilidad de materiales flexibles permite a las empresas desbloquear nuevas aplicaciones y beneficiarse de la impresión 3D. en muchos más nichos.

Polímeros con propiedades ignífugas

Hay un fuerte impulso dentro de la industria hacia materiales con propiedades específicas, y el retardo de llama es uno de ellos.

Esta tendencia probablemente se deba a la demanda de industrias con estrictos requisitos de seguridad contra incendios. como el transporte y la electrónica, que están empezando a utilizar la impresión 3D en mayor medida.

Entre los desarrollos recientes se encuentra el material ignífugo certificado UL Blue Card de DSM, Novamid AM1030 FR, para impresoras 3D de extrusión. El material ha sido desarrollado a partir de la tecnología Novamid de DSM y está certificado como V0 (la combustión se detiene en 10 segundos en una muestra vertical) y V2 (la combustión se detiene en 30 segundos en una muestra vertical).

DSM cree que El nivel de retardo de llama del material lo hace adecuado para su aplicación en los sectores de la automoción y la electrónica.

De forma similar, Cubicure, Markforged y CRP Technology han lanzado sus propios materiales retardadores de llama. Los materiales de CRP Technology y Markforged también son compuestos, lo que los hace deseables para una serie de aplicaciones industriales críticas.

Creemos que el desarrollo de materiales poliméricos especializados continuará, a medida que las empresas encuentren cada vez más usos para la impresión 3D. Otra área que esperamos experimente un alto crecimiento son los polímeros con mayor resistencia a los rayos ultravioleta (UV), que ayudarán a impulsar sus aplicaciones en el sector de la automoción.

Materiales cerámicos

El mercado de la cerámica de impresión 3D quizás no sea todavía tan grande como el de los polímeros, sin embargo, es igualmente emocionante. Se espera que este mercado crezca de una oportunidad de ingresos de $ 20 millones en 2020 a más de $ 450 millones para 2029, según un informe de SmarTech Analysis.

El informe también destaca el hecho de que se espera que el valor de las piezas de uso final, fabricadas con materiales cerámicos técnicos o tradicionales, impulse la demanda de hardware y materiales en el futuro a medio y largo plazo.

Las cerámicas técnicas o de alto rendimiento, en particular, presentan propiedades mecánicas avanzadas, que incluyen resistencia muy alta, alta temperatura y resistencia química. Son materiales ligeros, que ya se utilizan en varios sectores de la fabricación avanzada, desde el aeroespacial hasta la electrónica, muchos de los cuales se encuentran entre los primeros en adoptar las tecnologías AM.

El año pasado, XJet Ltd., la compañía detrás de la tecnología NanoParticle Jetting (NPJ) para cerámica y metales, agregó un nuevo material cerámico a su sistema AM:alúmina. El nuevo material se unió a la zirconia en la cartera de cerámicas técnicas de XJet.

En comparación con la zirconia, la alúmina comparte ciertas características, como un mayor grado de dureza y resistencia, pero demuestra una menor resistencia al desgaste, lo que facilita el mecanizado y el refinado antes y después de la cocción.

Aunque la impresión 3D de cerámica se está quedando atrás de la impresión 3D de polímeros y metales, existe un gran potencial para que esta tecnología y los materiales que la acompañan evolucionen en los próximos cinco a diez años.

Materiales metálicos

Los materiales metálicos AM es un sector en pleno crecimiento. En 2018, los ingresos por metales alcanzaron los 390 millones de euros, según lo informado por Ampower, y crecieron un 41,9% estimado, continuando una racha de crecimiento de más del 40% durante los últimos cinco años (Informe Wohlers 2018).

El número de empresas que adoptan la impresión 3D en metal también aumenta constantemente, lo que aumenta la demanda de una mayor diversidad y calidad de materiales.

La producción de polvo metálico está aumentando

Como resultado de esta demanda, cada vez más proveedores de materiales se están uniendo a la industria, y aquellos que ya se han unido, están aumentando sus capacidades de producción de metales.

Esto es especialmente común para los productores de polvo metálico, que buscan suministrar materiales para procesos basados ​​en polvo, como fusión selectiva por láser (SLM), fusión por haz de electrones (EBM), inyección de aglutinante y deposición directa de energía en polvo ( DED), que actualmente se encuentran en una sólida trayectoria de crecimiento.

Uno de los principales fabricantes mundiales de polvos metálicos, Höganäs AB, ha comenzado la construcción de su nueva planta de atomización para la producción de polvos metálicos de alta pureza para la industria de la FA.

La nueva planta ubicada en Alemania ayudará a Höganäs a aumentar su participación de mercado en el creciente segmento de la impresión 3D. Los polvos producidos en la planta se venderán a nivel mundial, bajo la marca registrada Amperprint®. La marca Amperprint incluye actualmente aleaciones de níquel, cobalto y hierro.

Del mismo modo, Liberty House Group, la empresa matriz de Liberty Powder Metals del Reino Unido, está construyendo una instalación de desarrollo de metales en polvo en el Reino Unido.

La compañía espera que la instalación le permita expandir su alcance en metales y materiales especializados para AM. La planta incluirá capacidades como el atomizador de gas inerte por inducción al vacío (VIGA) y una gama de equipos de tamizado, mezcla, envasado y análisis.

Además, Sandvik, desarrollador y productor de materiales avanzados, ha abierto su nueva planta para la producción de polvos de titanio AM mediante atomización, en la que invirtió alrededor de 200 millones de coronas suecas.

El lanzamiento de Sandvik de una instalación de polvo de titanio respalda una tendencia creciente hacia la impresión 3D de titanio. El titanio puede ser un metal difícil de trabajar, especialmente cuando se trata de mecanizado. La AM se está convirtiendo en una alternativa viable que ayuda a las empresas a reducir el desperdicio de titanio y proporciona una mayor flexibilidad de diseño.

Los productores de material metálico se expanden a lo largo de la cadena de valor de AM

Junto con el aumento de la producción de polvo metálico, muchas empresas que fabrican materiales para la impresión 3D de metales están ampliando sus funciones a lo largo de la cadena de valor de AM. Algunos están adquiriendo estratégicamente otras empresas, mientras que otros están reestructurando sus negocios.

Un gran ejemplo de esto es la corporación británica aeroespacial y automotriz, GKN. A principios de este año, su subsidiaria, GKN Additive, anunció una nueva submarca, GKN Additive Materials, formada como resultado de una fusión con GKN Hoeganaes, el fabricante de polvo metálico de la empresa matriz.



Esto hace que GKN Additive, que también tiene una submarca, GKN Additive Componentes, un proveedor completo de soluciones de polvo a pieza. Esto permite a la empresa combinar el conocimiento de los procesos y materiales de AM bajo un mismo techo, lo que resulta en una mejor comprensión de ambos aspectos de la tecnología de AM.

Para fortalecer aún más su posición en el mercado AM, GKN también adquirió recientemente el proveedor de servicios de impresión 3D con sede en EE. UU., Forecast 3D. Si bien Forecast 3D se especializa en la impresión 3D de polímeros, este movimiento permitirá a GKN promover la AM ahora, tanto en metal como en plástico.

Con esta adquisición, GKN, con sede en el Reino Unido, puede tener un mayor alcance en el mercado estadounidense y podrá acceder a una línea de negocio completamente nueva, que es polímero AM.

Y GKN no es el único ejemplo de expansión a otras áreas de AM.

La sueca Sandvik también ha realizado recientemente un movimiento sorprendente al adquirir una participación del 30% en el proveedor italiano de servicios de impresión 3D de metales, Beam IT. Según la compañía, este movimiento está en línea con su ambición estratégica de aumentar su presencia en la industria manufacturera en general, una presencia que espera lograr invirtiendo en aditivos.

Nuevos materiales metálicos para AM

Con todas estas actividades apuntando al estado saludable de la industria AM de metales, el indicador final de su crecimiento es el desarrollo material continuo.

Los polvos metálicos son muy difíciles de desarrollar, y mucho menos de certificar. Sin embargo, el progreso en esta área es continuo.

Por ejemplo, H.C. Starck Tantalum y Niobium GmbH, una subsidiaria de JX Nippon Mining &Metals, ha introducido una gama de polvos atomizados de tantalio y niobio (Ta / Nb) AM, bajo la marca AMtrinsic.

Gracias a su alta puntos de fusión, alta resistencia a la corrosión y alta conductividad térmica y eléctrica, estos materiales permitirían a los usuarios de AM aplicar la tecnología en el procesamiento químico, el sector energético y una variedad de entornos de alta temperatura.

Los polvos AMtrinsic prometen una fluidez excelente, una alta densidad de grifo, una forma esférica "perfecta" y una distribución del tamaño de partícula estrecha, características clave de los materiales utilizados en los procesos de fusión de lecho de polvo.

Además, OxMet Technologies, una empresa de desarrollo de aleaciones ubicada en el Reino Unido, ha desarrollado una gama de aleaciones de níquel de alta resistencia y alta temperatura, diseñadas específicamente para el proceso de AM.

Se dice que las nuevas aleaciones exhiben una alta resistencia hasta 900 ° C.Se informa que esto es una mejora significativa del rendimiento, ya que la aleación de níquel más fuerte (Aleación 718) actualmente disponible para AM se vuelve inestable por encima de 650 ° C, lo que la hace inadecuada para su uso en los componentes de turbomaquinaria más críticos.

En otro ejemplo, Aeromet International, un especialista en fundición con sede en el Reino Unido, mejoró su polvo de aluminio A20X patentado, de modo que superó la marca de resistencia máxima a la tracción (UTS) de 500 MPa. Según la compañía, este logro convierte al material en uno de los polvos AM de aluminio más resistentes disponibles comercialmente.

Para contribuir a la idea de la economía circular, que tiene como objetivo el uso continuo de recursos, un microondas El especialista en tecnología de plasma, 6K, ha lanzado polvos AM derivados de fuentes sostenibles.

Los polvos se producen utilizando la tecnología UniMelt única de 6K, que es capaz de transformar fresados ​​mecanizados, torneados y otras fuentes de materia prima reciclada en polvo de primera calidad. para AM.

En el futuro, 6K planea crear polvos a partir de estructuras de soporte AM e impresiones AM fallidas. El objetivo es utilizar el 100% de los materiales que ingresan a la cadena de suministro, brindando a los usuarios finales de AM una nueva forma de administrar los costos del proyecto y controlar la cadena de suministro, al tiempo que se introduce una mayor sostenibilidad en la AM de metales.

Materiales:una pieza fundamental del rompecabezas de la fabricación aditiva

Los materiales juegan un papel fundamental para hacer de la AM una verdadera tecnología de producción. Según una encuesta reciente de Jabil, el 41% de los usuarios de AM encuestados creen que la introducción de mejores materiales tendría el mayor impacto en el fomento de la adopción masiva de la impresión 3D para la producción.

Y la industria está respondiendo activamente a la demanda. Se están desarrollando polímeros avanzados, así como metales especializados. Los proveedores de materiales ahora comprenden mucho más sobre cómo identificar, optimizar, fabricar y reciclar materiales para AM.

Al mismo tiempo, vemos que más jugadores se ramifican en nuevas áreas de desarrollo de materiales, ya sean composites, siliconas o cerámicas.

Dicho esto, los altos costos de los materiales siguen siendo uno de los cuellos de botella clave para escalar las aplicaciones tecnológicas. Quizás veamos que los precios de los materiales caen pronto, a medida que aumenta la demanda. Sin embargo, esto no sucederá de la noche a la mañana.

En última instancia, la industria de los materiales de impresión 3D parece estar floreciendo, impulsada tanto por las grandes empresas como por las nuevas empresas de nicho. Estamos seguros de que esta tendencia al alza continuará dando forma a la industria de AM en los próximos años.