Эта задача еще больше осложняется количеством полимеров, ежегодно поступающих на рынок аддитивного производства. Например, только на выставке Formnext 2022 компания IDTechEx отследила большое количество компаний, анонсировавших новые полимерные материалы для 3D-печати. Кроме того, производители 3D-принтеров продолжают внедрять инновации в технологии печати (например, реактивную термореактивную экструзию, процесс селективной термопластической электрофотографии (STEP) и т. д.), что, в свою очередь, требует более специализированных полимерных материалов для поддержки этих технологий.
Для максимально полного анализа рынка IDTechEx использует многоуровневый подход. Первый уровень — это высокоуровневая сегментация по форм-фактору материала: термопластичные порошки, термопластичные нити и фотополимерные смолы. Эти три категории доминируют в секторе полимерной 3D-печати. Однако каждая из этих категорий форм-факторов включает в себя широкий спектр материалов со своими собственными тенденциями роста. Например, нити из полимолочной кислоты (PLA), давно зарекомендовавший себя недорогой материал, имеют совершенно иное рыночное положение и траекторию развития по сравнению с нитями из полиэфирэфиркетона (PEEK), более высокоэффективным и дорогим материалом. Поэтому целесообразно провести дальнейшую сегментацию этих трех категорий для изучения тенденций, развивающихся в более конкретных подкатегориях. Компания IDTechEx решила использовать сочетание категорий, основанных на свойствах материалов (например, конструкционные (нейлон), гибкие, армированные и т. д.), и категорий, основанных на областях применения (например, общее применение, опорные конструкции, здравоохранение и т. д.), чтобы определить пять различных сегментов для термопластичных порошков, шесть для термопластичных нитей и шесть для фотополимерных смол, в результате чего получилось в общей сложности семнадцать различных сегментов материалов для аддитивного производства полимеров.
Изображение в заголовке...> Сегментация IDTechEx сектора полимерного аддитивного производства по 10 технологиям 3D-печати и 17 категориям материалов. Источник: IDTechEx - «Полимерное аддитивное производство 2023-2033: технологический и рыночный прогноз»
Анализируя эти сегменты и прогнозируя их развитие на 10 лет вперед, компания IDTechEx обнаружила, что, хотя филаменты являются доминирующей формой сырья по объему выручки в 2022 году, они быстро уступают место смолам и порошкам, которые используются в более высокопроизводительных технологиях с более дорогим сырьем. Ярким примером являются термопластичные порошки, преимущества которых заключаются в использовании в селективном лазерном спекании (SLS) и многоструйном плавлении (MJF) — двух высокопроизводительных технологиях печати, предназначенных для больших объемов производства. Кроме того, наиболее распространенный термопластичный порошок, нейлон, стоит от 100 до 120 долларов за килограмм, что значительно выше начальной цены популярных термопластичных филаментов, таких как PLA, стоимость которых составляет от 15 до 20 долларов за килограмм. Эти два фактора означают, что выручка от продаж термопластичных порошков превзойдет выручку от продаж термопластичных филаментов и фотополимерных смол к 2033 году.
Прогноз доходов от 3D-печати полимерными материалами на период с 2023 по 2033 год, согласно отчету IDTechEx «Аддитивное производство полимеров 2023-2033: технологические и рыночные перспективы», который также включает 10-летние прогнозы спроса на материалы (в тоннах) и прогнозы по сегментам технологий печати. Источник: IDTechEx
Факторы, влияющие на разработку полимерных материалов для 3D-печати
Хотя эти прогнозы от IDTechEx подробно описывают, как будут развиваться полимерные материалы для аддитивного производства в течение следующих 10 лет, они не затрагивают рыночные факторы, влияющие на развитие полимерных материалов, которые необходимы для полного понимания сектора полимерных материалов для аддитивного производства. Два наиболее важных фактора можно в общих чертах сформулировать как: А) необходимость снижения стоимости материалов и Б) необходимость расширения ассортимента полимерных материалов, доступных для аддитивного производства.
Во-первых, стоимость материалов остается актуальной проблемой для пользователей аддитивного производства (АМ). Согласно опросу, проведенному в 2021 году многонациональным поставщиком материалов Jabil, 53% респондентов заявили, что одной из главных проблем, с которыми они сталкиваются при 3D-печати, является слишком высокая стоимость материалов для АМ-производства в больших масштабах. В целом, стоимость материалов для детали, напечатанной на 3D-принтере, составляет гораздо большую долю от конечной стоимости единицы продукции, чем для детали, изготовленной традиционным способом. Исследование Университета Ноттингема, дополнительно изучающее экономику 3D-печати, показало, что для данной детали, изготовленной методом селективного лазерного спекания (SLS), стоимость материалов составляет почти треть от общей стоимости единицы продукции. Хотя ожидается, что стоимость килограмма полимеров для АМ-производства будет снижаться по мере роста экономики АМ-производства, учитывая важность стоимости для пользователей АМ-производства, поставщики материалов для АМ-производства продолжают изучать различные подходы к снижению затрат, присущих производству материалов для АМ-производства. Один из подходов заключается в снижении первоначальных затрат на сырье для уменьшения конечной стоимости материала для АМ-производства. Некоторые компании изучают возможность преобразования отходов или переработанных материалов в волокна для достижения этой цели, в то время как польский стартап AlphaPowders разрабатывает оборудование, которое преобразует недорогой синтетический термопластичный порошок в порошок, пригодный для аддитивного производства. Институт композитных конструкций и адаптивных систем DLR стремится снизить стоимость полимерных композитов с непрерывными волокнами за счет производства более дешевого производственного оборудования. Другой подход фокусируется на использовании аддитивных методов проектирования, таких как генеративное проектирование и решетчатые структуры, для снижения расхода материала по сравнению с деталями, изготовленными традиционными методами. Хотя это не меняет базовую стоимость материала за килограмм, это помогает снизить общую стоимость материала на деталь.
Во-вторых, еще одной проблемой для пользователей аддитивного производства является нехватка необходимых материалов, поскольку, согласно тому же опросу Jabil 2021 года, треть пользователей аддитивного производства назвали отсутствие необходимых материалов для 3D-печати ключевой проблемой. Эта проблема усугубляется тем, что наиболее востребованные высокоэффективные полимеры для конечного применения, как правило, являются самыми дорогими. Тем не менее, компании, занимающиеся 3D-печатью, продолжают решать эту проблему, выпуская новые материалы, которые часто ориентированы на конкретные высокоэффективные отрасли. Например, несколько компаний, таких как Desktop Metal и PrintFoam, разработали «аутентичные» пеноматериалы для 3D-печати, которые призваны улучшить «цифровую» пену, обычно используемую в 3D-печати. Цифровая пена имитирует пену не за счет использования реального пеноматериала, а за счет печати открытоячеистой решетчатой структуры. Другим примером является разработка диэлектрических материалов для радиочастотных приложений такими компаниями, как Fortify (в сотрудничестве с Rogers Corporation) и Nanoe. Среди других материалов, выходящих на рынок для сложных применений, можно отметить полиуретаны, отверждаемые при комнатной температуре, такие как разработанные компаниями Chromatic 3D Materials и PPG Industries, а также вязкие фотополимерные смолы, разработанные компаниями Cubicure, BCN3D (в сотрудничестве с Arkema) и Quantica. Тем не менее, многое еще предстоит сделать, прежде чем ассортимент высокоэффективных материалов для 3D-печати приблизится к ассортименту материалов для литья под давлением или экструзии.
В целом, IDTechEx считает, что эти две проблемы играют значительную роль в развитии каждого из семнадцати сегментов полимерных материалов, получаемых методом аддитивного производства, в течение следующего десятилетия; интересно будет понаблюдать, какие еще проблемы станут важным фактором влияния.
Автор: Сона Дадхания, технологический аналитик IDTechEx,
