IDTechEx über den 3D-Druck im Jahr 2021: Mikro-Trends bei wichtigen Materialien

Nach einem schwierigen Jahr 2020, in dem die gesamte Branche die Auswirkungen der COVID-19-Pandemie zu spüren bekam, hat der 3D-Druck im Jahr 2021 seinen Weg der Erholung begonnen. In diesem Jahr der Erholung hat IDTechEx die Entwicklung und/oder Fortsetzung von Mikrotrends in jedem wichtigen 3D-Druck-Subspezialgebiet festgestellt: Polymer, Keramik, Verbundwerkstoff und Metalladditive Fertigung. In diesem Artikel identifiziert und erklärt IDTechEx die Mikrotrends für jede Materialspezialität, die es wert sind, bis 2022 im Auge behalten zu werden.

Kunststoffe: Nachhaltige Polymere für den 3D-Druck kommen auf den Markt

Der 3D-Druck hat schon immer den Anspruch erhoben, nachhaltig zu sein, da er im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren wie der maschinellen Bearbeitung weniger Abfall verursacht. Die beliebtesten Materialien waren jedoch immer Polymere auf Kohlenstoffbasis, die von Natur aus nicht nachhaltig sind, da sie aus nicht erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden. Mit zunehmendem Bewusstsein für diese Tatsache bringen immer mehr Anbieter und Unternehmen von 3D-Druckmaterialien Polymere für den 3D-Druck mit umweltfreundlichen Eigenschaften wie Recyclingfähigkeit und Wiederverwendbarkeit auf den Markt; dieser Trend hat sich 2021 als ein neuer Ansatz für Nachhaltigkeit im 3D-Druck durchgesetzt.

So hat sich das Chemieunternehmen Braskem mit dem Materialrecyclingunternehmen Vartega zusammengetan, um ein Polypropylen-Filament zu entwickeln, das zu 100 % aus recycelten Kohlenstofffasern besteht. Dieses Filament ist Teil eines neuartigen Recyclingprogramms für Kohlenstofffasern, das Braskem und Vartega auf den Weg bringen, um die Nutzer dieser Filamente zu ermutigen, sie auf angemessene Weise zu recyceln. Ein weiteres Unternehmen, das ein grünes” Filament auf den Markt bringt, ist Fillamentum, das kürzlich NonOilen, ein zu 100 % biologisch abbaubares Polymerfilament, auf den Markt gebracht hat. NonOilen besteht aus Polymilchsäure (PLA) und Polyhydroxybutyrat (PHB) und wird ebenfalls aus biobasierten Polymeren hergestellt (d. h. aus Polymeren, die aus erneuerbaren Ressourcen stammen).

Die Hersteller von Filamenten sind jedoch nicht die einzige Art von Ausgangsmaterial für den 3D-Druck, die eine nachhaltige Behandlung erfährt. Im Jahr 2021 brachte Materialise Bluesint PA 12 auf den Markt, ein 3D-Druckpulver, das zu 100 % aus wiederverwendetem Pulver besteht. Das Ziel von Bluesint PA 12 ist es, die Pulververschwendung beim selektiven Lasersintern zu verringern, bei dem bis zu 50 % des Pulvers im Bett zu Abfall werden. IDTechEx wird genau beobachten, ob im Jahr 2022 weitere biologisch abbaubare oder wiederverwertbare Polymere für den 3D-Druck auf den Markt kommen, da die Unternehmen ihr Engagement für Nachhaltigkeit bekräftigen.

Keramiken: Neue Werkstoffe: Vorboten eines expandierenden Marktes?

Der übergreifende Trend für den keramischen 3D-Druck im Jahr 2021 war die Einführung einer Vielzahl von neuen Materialien durch verschiedene Technologien. Diese Materialien stammen aus drei Hauptbereichen, von denen der erste die 3D-Druckunternehmen sind, die zum ersten Mal in den keramischen 3D-Druck einsteigen. Boston Micro Fabrication zum Beispiel, das sich mit seiner Projektionsmikrostereolithografie-Technologie auf den Mikro-3D-Druck konzentriert, hat ein Hochtemperatur-Aluminiumoxidharz für Mikrokeramikkomponenten auf den Markt gebracht.

Die andere Quelle für neue keramische Materialien für den 3D-Druck stammt von Chemie- oder Materialunternehmen, die vor der Veröffentlichung dieser Materialien kaum am 3D-Druck beteiligt waren. So brachte beispielsweise die Abteilung für grüne Polymeradditive des amerikanischen Unternehmens Emery Oleochemical ein Polymerbindemittelsystem auf den Markt, das für die Extrusion von Metall- oder Keramikfilamenten verwendet werden kann. Darüber hinaus hat das in Hongkong ansässige Unternehmen GC Advanced Materials Solutions qualifizierte Silika- und Mullitpulver entwickelt, die zusammen mit einem Polymerbindemittel (wie dem von Emery entwickelten) zur Herstellung von Keramikfilamenten für den Extrusionsdruck verwendet werden können.

Die letzte Quelle für neue Materialien waren strategische Partnerschaften. Die erste bestand zwischen AGC Chemicals und dem Binder-Jetting-Druckerhersteller voxeljet. AGC hatte bereits zuvor ein Siliziumdioxid-Additiv für den 3D-Druck hergestellt, aber dies war ihre erste technische Keramik, die für den 3D-Druck entwickelt wurde. Die beiden Unternehmen arbeiteten zusammen, um Brightorb zu entwickeln, ein Hochleistungskeramikpulver speziell für Feingussformen und -schalen.

Die zweite Partnerschaft bestand zwischen dem Verbundwerkstoff-Start-up-Unternehmen Fortify und Tethon 3D, einem auf keramische 3D-Druckmaterialien spezialisierten Unternehmen. Sie entwickelten hochreine Aluminiumoxid- und Aluminiumsilikatharze für die FLUX CORE-Drucker von Fortify, die für gefüllte Photopolymerharze ausgelegt sind. Die beiden Unternehmen beabsichtigen, in Zukunft weitere technische Keramikharze zu entwickeln.

Besonders bemerkenswert an diesen Materialveröffentlichungen sind die Unternehmen, die sie herausgeben. Abgesehen von voxeljet und Tethon 3D hat sich keines der genannten Unternehmen zuvor mit dem keramischen 3D-Druck beschäftigt. Dies könnte ein Vorbote für eine Ausweitung des Bereichs des keramischen 3D-Drucks in naher Zukunft sein, etwas, auf das IDTechEx im Jahr 2022 ein Auge haben wird.

Verbundwerkstoffe: Bemerkenswerte Partnerschaften treiben den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen voran

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Partnerschaften geschlossen, um die Technologie- und Materialentwicklung sowie die Einführung des 3D-Drucks von Verbundwerkstoffen voranzutreiben. Die Bildung von Partnerschaften wurde 2021 unvermindert fortgesetzt, wobei der Schwerpunkt auf der Zusammenarbeit bei der Materialentwicklung lag.

Wie bereits erwähnt, ist die Partnerschaft zwischen Braskem und Vartega nur eine dieser großen Partnerschaften im Bereich des 3D-Drucks von Verbundwerkstoffen für die Materialentwicklung.

Erstens ist der Werkstoffhersteller Solvay eine Partnerschaft mit dem Schweizer Start-up-Unternehmen 9T Labs eingegangen. 9T Labs hat ein hybrides Verbundwerkstoff-Drucksystem entwickelt, das 3D-Druck und Formgebung kombiniert. Ziel der Partnerschaft mit Solvay ist es, das Materialportfolio von Solvay wie CF-PEEK, CF-verstärktes PA und CF-PPS für die Drucker von 9T Labs zu entwickeln.

Die zweite Partnerschaft besteht zwischen dem japanischen multinationalen Unternehmen Ricoh und Impossible Objects, einem Start-up-Unternehmen, das Verbundwerkstoffe durch Blechlaminierung herstellt. Die Blechlaminierung ist eine Nischentechnologie, in der nur sehr wenige Unternehmen tätig sind. Einige der Unternehmen, die früher in diesem Bereich tätig waren, haben ihre Produkte für die Blechlaminierung inzwischen eingestellt, wie EnvisionTEC, oder sie wurden geschlossen, wie Solido.

Impossible Objects hofft, die Technologie durch ihre Composite-Based AM (CBAM)-Technologie wiederzubeleben, die sie in Europa durch das AM-Servicebüro von Ricoh Europe ausbauen, das nun die Technologie einschließt. Die Partnerschaft zwischen Ricoh und Impossible Objects war nicht die einzige, die im Jahr 2021 für das CBAM-Startup geschlossen wurde. Im Mai 2021 kündigte Impossible Objects eine Zusammenarbeit mit Owens Corning an, um Glasfaserverbundstoffe für den 3D-Druck zu entwickeln. Ziel der Partnerschaft ist die Skalierung der CBAM-Technologie für hochfeste, großvolumige Anwendungen.

Eine bemerkenswerte Gemeinsamkeit ist, dass es sich bei allen genannten Partnerschaften um etablierte Material- oder Technologieunternehmen wie Solvay, Ricoh und Owens Corning handelt, die mit aufstrebenden Start-ups zusammenarbeiten. Da immer mehr große Unternehmen das Potenzial für eine Expansion in den 3D-Druck ausloten, ist es wahrscheinlich, dass mehr solcher Partnerschaften entstehen, die IDTechEx im Jahr 2022 verfolgen wird.

Metalle: Zunehmende Dynamik beim Strangpressen gebundener Metalle?

Die gebundene Metallextrusion(BME) (auch bekannt als Metall-Polymer-Filament-Extrusion oder MPFE) hat in den letzten Jahren viel Presse für den 3D-Druck erhalten, da die Marktführer Desktop Metal und Markforged ihre Expansion mit SPAC-Fusionen und Übernahmen beschleunigen. BME bezieht sich auf die Extrusion von Polymerfilamenten, die mit Metallpulvern beladen sind; nach dem Druck werden BME-Teile entbindert (um das Polymer zu entfernen, das das Metallpulver zu einem Filament bindet) und gesintert (um das Metallteil vollständig zu verdichten). Aus technologischer Sicht wurde 2021 nicht nur die Unterstützung und Entwicklung von BME-Systemen durch die Hauptakteure fortgesetzt, sondern es traten auch neuere Unternehmen mit ihren eigenen BME-Systemen in den Markt ein.

Anfang 2021 brachte Desktop Metal das Studio System 2 auf den Markt, eine verbesserte Version seines ursprünglichen BME-Druckers für den Desktop-Bereich, dem Studio System. Durch die Entwicklung neuer Materialrezepturen für das Studio System 2 entfällt beim Studio System 2 insbesondere der normalerweise für BME erforderliche Schritt des Entbindens mit Lösungsmitteln. Dadurch wird die für BME-Teile erforderliche Nachbearbeitungszeit erheblich reduziert, was die potenzielle Effizienz der Technologie erhöht. Markforged kündigte auch die Veröffentlichung seines BME-Systems der nächsten Generation, des Metal X Gen 2, an, wobei die wichtigste Innovation bei dieser Version die Software betrifft.

Während die Marktführer bemerkenswerte Schritte unternommen haben, ist für die Technologie vor allem die Anzahl der Unternehmen interessant, die 2021 BME-Drucker auf den Markt bringen, wobei die meisten von ihnen diese auf der Formnext 2021 vorstellen werden. So kündigte der spanische Druckerhersteller BCN3D ein “Metal Pack” an, das an seine Epison-Drucker angeschlossen werden kann, um die Extrusion von Ultrafuse-Metallfilament von BASF zu ermöglichen. Darüber hinaus kündigte 3DGence seine BME-Drucker der ELEMENT-Reihe an, die nicht das Ultrafuse-Filament von BASF, sondern eigene Metallfilamente verwenden werden. Das belgische Start-up-Unternehmen FuseLab stellte seinen eigenen BME-Drucker vor, der sowohl Metalle als auch Polymere drucken kann und mit zwei Extrudern, einem offenen Filamentsystem und einer beheizten Kammer ausgestattet ist. Angesichts all dieser neuen Marktteilnehmer im Bereich BME im Jahr 2021 wird IDTechEx beobachten, ob der Bereich im Jahr 2022 noch mehr an Fahrt gewinnt.

Der Artikel basiert auf einer Pressemeldung von IDTechEx.