Questo compito è ulteriormente complicato dal numero di polimeri che entrano ogni anno nel mercato della produzione additiva. Ad esempio, solo al Formnext 2022, IDTechEx ha rilevato un gran numero di aziende che hanno annunciato nuovi materiali polimerici per la stampa 3D. Inoltre, i produttori di stampanti 3D continuano a innovare nelle tecnologie di stampa (ad esempio, estrusione di termoindurenti reattivi, processo STEP (Selective Thermoplastic Electrophotography), ecc.), che di conseguenza richiedono materiali polimerici più specifici per supportare tali tecnologie.
Per analizzare il mercato nel modo più completo possibile, IDTechEx adotta un approccio multilivello. Il primo livello consiste in una segmentazione generale basata sul fattore di forma del materiale: polveri termoplastiche, filamenti termoplastici e resine fotopolimeriche. Queste tre categorie dominano in modo schiacciante il settore della stampa 3D con polimeri. Tuttavia, ciascuna di queste categorie di fattore di forma comprende un'ampia varietà di materiali, ognuno con le proprie tendenze di crescita. Ad esempio, i filamenti di PLA (acido polilattico), un materiale economico consolidato da tempo, presentano una posizione di mercato e una traiettoria molto diverse rispetto ai filamenti di PEEK (polietereterchetone), un materiale più performante e costoso. Pertanto, è molto utile segmentare ulteriormente queste tre categorie per esaminare le tendenze che si sviluppano in sottocategorie più specifiche. IDTechEx ha scelto di utilizzare un mix di categorie basate sulle proprietà dei materiali (ad esempio, ingegneristici (nylon), flessibili, rinforzati, ecc.) e categorie basate sulle applicazioni (ad esempio, uso generale, supporto, sanità, ecc.) per definire cinque segmenti diversi per le polveri termoplastiche, sei per i filamenti termoplastici e sei per le resine fotopolimeriche, ottenendo così un totale di diciassette diversi segmenti di materiali per la produzione additiva di polimeri.
Immagine di intestazione...> Segmentazione del settore della produzione additiva di polimeri secondo IDTechEx, basata su 10 tecnologie di stampa 3D e 17 categorie di materiali. Fonte: IDTechEx - "Produzione additiva di polimeri 2023-2033: prospettive tecnologiche e di mercato"
Sviluppando questi segmenti e prevedendone le prospettive a 10 anni, IDTechEx rileva che, sebbene i filamenti rappresentino la materia prima dominante in termini di fatturato nel 2022, stanno rapidamente perdendo terreno a favore di resine e polveri, utilizzate da tecnologie ad alte prestazioni con materie prime più costose. L'esempio principale è rappresentato dalle polveri termoplastiche, che beneficiano dell'impiego nella sinterizzazione laser selettiva (SLS) e nella fusione multi-getto (MJF), due tecnologie di stampa ad alte prestazioni destinate ad applicazioni ad alto volume. Inoltre, la polvere termoplastica più comune, il nylon, ha un costo compreso tra 100 e 120 dollari al chilogrammo, significativamente superiore al prezzo di partenza dei filamenti termoplastici più diffusi come il PLA, che costa tra i 15 e i 20 dollari al chilogrammo. Questi due fattori implicano che il fatturato derivante dalla vendita di polveri termoplastiche supererà quello dei filamenti termoplastici e delle resine fotopolimeriche entro il 2033.
Previsioni di fatturato per i materiali polimerici per la stampa 3D dal 2023 al 2033, tratte dal report IDTechEx "Polymer Additive Manufacturing 2023-2033: Technology and Market Outlook", che include anche previsioni a 10 anni per la domanda di materiali (in tonnellate) e previsioni segmentate per tecnologia di stampa. Fonte: IDTechEx
Fattori che influenzano lo sviluppo di materiali polimerici per la stampa 3D
Sebbene queste previsioni di IDTechEx illustrino in dettaglio l'evoluzione dei materiali polimerici per la manifattura additiva nei prossimi 10 anni, non prendono in considerazione le forze di mercato che influenzano lo sviluppo di tali materiali, elementi essenziali per una comprensione completa del settore. I due fattori più importanti possono essere riassunti in linea generale come A) la necessità di ridurre i costi dei materiali e B) la necessità di ampliare la gamma di materiali polimerici disponibili per la manifattura additiva.
Innanzitutto, il costo dei materiali rimane una preoccupazione pressante per gli utilizzatori della manifattura additiva (AM). Secondo un sondaggio del 2021 condotto dal fornitore multinazionale di materiali Jabil, il 53% degli intervistati ha affermato che una delle principali difficoltà riscontrate con la stampa 3D è rappresentata dall'eccessivo costo dei materiali AM per un utilizzo su larga scala. In generale, il costo dei materiali per un componente stampato in 3D rappresenta una percentuale molto maggiore del costo unitario finale rispetto a un componente prodotto con metodi tradizionali. Uno studio dell'Università di Nottingham, che ha ulteriormente esaminato l'aspetto economico della stampa 3D, ha rilevato che, per un dato componente realizzato con la tecnologia SLS, i costi dei materiali rappresentano quasi un terzo del costo unitario totale. Sebbene si preveda che il costo per chilogrammo dei polimeri AM diminuirà con la crescita dell'economia della manifattura additiva, data l'importanza dei costi per gli utilizzatori, i fornitori di materiali AM continuano a esplorare diversi approcci per ridurre i costi intrinseci alla produzione di materiali AM. Un approccio consiste nel ridurre i costi iniziali delle materie prime per abbassare il costo finale del materiale AM. Alcuni stanno esplorando la possibilità di convertire materiali di scarto o riciclati in filamenti per raggiungere questo obiettivo, mentre la startup polacca AlphaPowders sta sviluppando apparecchiature che convertono polveri termoplastiche sintetiche a basso costo in polveri adatte alla produzione additiva. L'Istituto per le strutture composite e i sistemi adattivi del DLR mira a ridurre il costo dei compositi polimerici a fibra continua producendo apparecchiature di produzione più economiche. Un altro approccio si concentra sull'utilizzo di tecniche di progettazione additiva, come la progettazione generativa e le strutture reticolari, per ridurre il consumo di materiale rispetto ai componenti prodotti tradizionalmente. Sebbene ciò non modifichi il costo base del materiale per chilogrammo, contribuisce a ridurre il costo complessivo del materiale per componente.
In secondo luogo, la mancanza dei materiali necessari rappresenta un'ulteriore preoccupazione per gli utenti della manifattura additiva (AM), poiché, secondo lo stesso sondaggio Jabil del 2021, un terzo degli utenti ha indicato l'indisponibilità dei materiali necessari per la stampa 3D come una sfida fondamentale. Questo problema è ulteriormente aggravato dal fatto che i polimeri ad alte prestazioni più ricercati per le applicazioni finali tendono ad essere i più costosi. Ciononostante, le aziende di stampa 3D continuano ad affrontare questa sfida con il lancio di nuovi materiali, spesso destinati a settori specifici ad alte prestazioni. Ad esempio, diverse aziende, come Desktop Metal e PrintFoam, hanno sviluppato materiali in schiuma "autentici" per la stampa 3D, con l'obiettivo di migliorare la schiuma "digitale" comunemente utilizzata nella stampa 3D. La schiuma digitale emula la schiuma non utilizzando materiale in schiuma reale, ma stampando una struttura reticolare a celle aperte. Un altro esempio è lo sviluppo di materiali dielettrici per applicazioni a radiofrequenza da parte di aziende come Fortify (in collaborazione con Rogers Corporation) e Nanoe. Tra gli altri materiali che stanno entrando nel mercato per applicazioni esigenti figurano i poliuretani a polimerizzazione a temperatura ambiente, come quelli sviluppati da Chromatic 3D Materials e PPG Industries, e le resine fotopolimeriche viscose, come quelle sviluppate da Cubicure, BCN3D (in collaborazione con Arkema) e Quantica. Ciononostante, molto resta ancora da fare prima che il portafoglio di materiali ad alte prestazioni per la stampa 3D si avvicini anche solo lontanamente a quello dello stampaggio a iniezione o dell'estrusione.
Nel complesso, IDTechEx ritiene che queste due problematiche avranno un ruolo significativo nello sviluppo di ciascuno dei diciassette segmenti dei materiali polimerici per la manifattura additiva nel prossimo decennio; sarà interessante osservare quali altre sfide emergeranno come fattori di influenza principali.
Autore: Sona Dadhania, analista tecnologico presso IDTechEx,
