Esta tarefa é ainda mais complicada pelo número de polímeros que entram no mercado de fabrico aditivo todos os anos. Por exemplo, só na Formnext 2022, a IDTechEx registou um grande número de empresas a anunciar novos materiais poliméricos para impressão 3D. Além disso, os fabricantes de impressoras 3D continuam a inovar nas tecnologias de impressão (como a extrusão reativa de termoendurecíveis e o processo de eletrofotografia termoplástica seletiva (STEP)), o que, consequentemente, exige materiais poliméricos mais específicos para suportar estas tecnologias.
Para analisar o mercado da forma mais abrangente possível, a IDTechEx adota uma abordagem multinível. O primeiro nível é uma segmentação geral baseada no formato do material: pós termoplásticos, filamentos termoplásticos e resinas fotopoliméricas. Estes três dominam amplamente o setor da impressão 3D de polímeros. No entanto, cada uma destas categorias de formato contém uma grande variedade de materiais, cada um com as suas próprias tendências de crescimento. Por exemplo, os filamentos de PLA (ácido polilático), um material de baixo custo já consolidado, têm um posicionamento e uma trajetória de mercado muito diferentes em comparação com os filamentos de PEEK (poliéter éter cetona), um material de alto desempenho e mais caro. Por conseguinte, é bastante útil segmentar ainda mais estas três categorias para examinar as tendências que se desenvolvem em subcategorias mais específicas. A IDTechEx optou por utilizar uma combinação de categorias baseadas nas propriedades dos materiais (por exemplo, engenharia (nylon), flexível, reforçado, etc.) e categorias baseadas em aplicações (por exemplo, utilização geral, suporte, saúde, etc.) para definir cinco segmentos diferentes para pós termoplásticos, seis para filamentos termoplásticos e seis para resinas fotopoliméricas, resultando num total de dezassete segmentos diferentes de materiais para o fabrico aditivo de polímeros.
Imagem de cabeçalho...> Segmentação do setor de fabrico aditivo de polímeros pela IDTechEx, com base em 10 tecnologias de impressão 3D e 17 categorias de materiais. Fonte: IDTechEx - "Manufatura Aditiva de Polímeros 2023-2033: Tecnologia e Perspetivas de Mercado"
Ao desenvolver estes segmentos e ao projetar as suas perspetivas para os próximos 10 anos, a IDTechEx constatou que, embora os filamentos sejam a principal fonte de matéria-prima em termos de receitas em 2022, estão a perder rapidamente terreno para as resinas e pós, utilizados em tecnologias de alto desempenho com matérias-primas mais caras. O principal exemplo são os pós termoplásticos, que beneficiam da utilização em sinterização seletiva a laser (SLS) e fusão por jato múltiplo (MJF), duas tecnologias de impressão de alto desempenho orientadas para aplicações de grande volume. Além disso, o pó termoplástico mais comum, o nylon, custa entre 100 e 120 dólares por quilograma, um valor significativamente superior ao preço inicial dos filamentos termoplásticos populares como o PLA, que custa entre 15 e 20 dólares por quilograma. Estes dois fatores indicam que a receita gerada com a venda de pós termoplásticos ultrapassará a de filamentos termoplásticos e resinas fotopoliméricas até 2033.
Previsão de receitas para a impressão 3D de materiais poliméricos de 2023 a 2033, do relatório da IDTechEx "Aditive Polymer Manufacturing 2023-2033: Technology and Market Perspectives", que inclui também previsões de procura de materiais (em toneladas) para os próximos 10 anos e previsões segmentadas por tecnologia de impressão. Fonte: IDTechEx
Factores que influenciam o desenvolvimento de materiais poliméricos para impressão 3D
Embora estas previsões da IDTechEx detalhem a forma como os materiais poliméricos para fabrico aditivo irão evoluir nos próximos 10 anos, não abordam as forças de mercado que influenciam o desenvolvimento destes materiais, as quais são essenciais para uma compreensão completa do setor. Os dois fatores mais importantes podem ser resumidos, de um modo geral, como A) a necessidade de reduzir os custos dos materiais e B) a necessidade de expandir o portefólio de materiais poliméricos disponíveis para o fabrico aditivo.
Em primeiro lugar, o custo dos materiais continua a ser uma preocupação premente para os utilizadores de Manufatura Aditiva (MA). De acordo com um inquérito de 2021 da multinacional fornecedora de materiais Jabil, 53% dos inquiridos afirmaram que um dos principais desafios que enfrentam com a impressão 3D é o elevado custo dos materiais para MA, o que inviabiliza a sua utilização em larga escala. Em geral, o custo dos materiais para uma peça impressa em 3D representa uma proporção muito maior do custo unitário final do que para uma peça fabricada tradicionalmente. Um estudo da Universidade de Nottingham, que analisou mais aprofundadamente a economia da impressão 3D, constatou que, para uma determinada peça produzida por SLS (Sinterização Seletiva a Laser), os custos com materiais representavam quase um terço do custo unitário total. Embora se espere que o custo por quilograma de polímeros para MA diminua com o crescimento do mercado de MA, dada a importância dos custos para os utilizadores de MA, os fornecedores de materiais para MA continuam a explorar diferentes abordagens para reduzir os custos inerentes à produção de materiais para MA. Uma dessas abordagens passa pela redução dos custos iniciais das matérias-primas para diminuir o custo final do material para a MA. Algumas empresas estão a explorar a conversão de resíduos ou materiais reciclados em filamentos para atingir este objetivo, enquanto a startup polaca AlphaPowders está a desenvolver equipamentos que convertem pó termoplástico sintético de baixo custo em pó de grau aeroespacial. O Instituto de Estruturas Compósitas e Sistemas Adaptativos do DLR (Departamento de Investigação Científica e Industrial) tem como objetivo reduzir o custo dos compósitos poliméricos de fibra contínua através do fabrico de equipamentos de produção mais baratos. Outra abordagem centra-se na utilização de técnicas de design aditivo, como o design generativo e as estruturas de treliça, para reduzir o consumo de material em comparação com as peças fabricadas tradicionalmente. Embora isto não altere o custo base do material por quilograma, ajuda a reduzir o custo total do material por peça.
Em segundo lugar, a falta de materiais necessários é outra preocupação para os utilizadores de fabrico aditivo, uma vez que, de acordo com o mesmo inquérito da Jabil de 2021, um terço dos utilizadores de fabrico aditivo citou a indisponibilidade de materiais necessários para a impressão 3D como um desafio crucial. Este problema é ainda agravado pelo facto de os polímeros de alto desempenho mais procurados para aplicações finais tenderem a ser os mais dispendiosos. Ainda assim, as empresas de impressão 3D continuam a enfrentar este desafio com o lançamento de novos materiais, que geralmente visam setores específicos de alto desempenho. Por exemplo, várias empresas, como a Desktop Metal e a PrintFoam, desenvolveram materiais de espuma "autênticos" para impressão 3D, que visam melhorar a espuma "digital" normalmente utilizada na impressão 3D. A espuma digital emula a espuma não utilizando material de espuma real, mas imprimindo uma estrutura de treliça de células abertas. Outro exemplo é o desenvolvimento de materiais dielétricos para aplicações de radiofrequência por empresas como a Fortify (em colaboração com a Rogers Corporation) e a Nanoe. Outros materiais que estão a entrar no mercado para aplicações exigentes incluem os poliuretanos curados à temperatura ambiente, como os desenvolvidos pela Chromatic 3D Materials e pela PPG Industries, e as resinas fotopoliméricas viscosas, como as desenvolvidas pela Cubicure, BCN3D (em colaboração com a Arkema) e Quantica. Mesmo assim, ainda há muito a ser feito antes que o portefólio de materiais de alto desempenho para impressão 3D se aproxime do da moldagem por injeção ou extrusão.
De um modo geral, a IDTechEx acredita que estas duas preocupações desempenham um papel significativo no desenvolvimento de cada um dos dezassete segmentos de materiais poliméricos para fabrico aditivo na próxima década; o que será interessante observar é que outros desafios surgirão como um importante factor de influência.
Autor: Sona Dadhania, analista de tecnologia da IDTechEx,
