Évolution du marché des matériaux d'impression 3D :tendances et opportunités en 2019

Le marché des matériaux d'impression 3D se développe rapidement. La demande augmente, de plus en plus d'entreprises achetant du matériel de fabrication additive (AM) et augmentant leur utilisation de la FA. En 2019, le marché des matériaux AM est évalué à 1,5 milliard de dollars . Au cours des cinq prochaines années, il devrait devenir une énorme opportunité de 4,5 milliards de dollars.

Avec une telle opportunité à portée de main, les fournisseurs de matériaux, en particulier les entreprises chimiques géantes et les producteurs de métaux, s'impliquent de plus en plus dans l'industrie. Parallèlement au développement de nouveaux matériaux, ils contribuent fortement à l'industrialisation de la FA.

Dans l'article d'aujourd'hui, nous verrons comment le marché des matériaux d'impression 3D évolue en 2019, quelles entreprises le pilotent et quelles tendances façonnent son avenir.

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Les polymères sont les matériaux d'impression 3D les plus utilisés 

Les polymères restent le premier segment des matériaux d'impression 3D en termes de part de marché. De 2014 à 2018, 80,6 % des revenus mondiaux des matériaux d'impression 3D provenaient des polymères et ont atteint 3,4 milliards de dollars en 2018. Selon une récente enquête de Jabil auprès de 308 utilisateurs d'impression 3D, 74 % ont utilisé des matériaux polymères en 2018.  

La forte demande de polymères n'est pas surprenante. Les imprimantes 3D polymères ont la plus grande base installée, car elles sont plus faciles et moins chères à adopter et à utiliser.

Accent accru sur les thermoplastiques hautes performances

Alors que les plastiques relativement simples, comme le PLA et l'ABS, dominent le marché des polymères, il existe une demande croissante de matériaux solides et fonctionnels, capables de résister aux environnements difficiles et aux températures élevées. L'industrie de l'impression 3D répond à cette tendance en développant des thermoplastiques hautes performances, comme les composites renforcés de carbone, ULTEM, PEEK et PEKK.

Ces matériaux permettent aux fabricants d'imprimer en 3D des prototypes fonctionnels et même des pièces d'utilisation finale pour une gamme d'applications industrielles.

Dans l'ensemble de l'industrie, les entreprises chimiques développent de plus en plus ces matériaux avancés, spécifiquement pour une utilisation en AM, y compris Victrex, SABIC, Solvay et Evonik, pour n'en nommer que quelques-uns.

De nombreux fabricants de matériel d'impression 3D travaillent également en étroite collaboration avec ces entreprises pour adapter le matériel d'impression 3D requis pour ces matériaux. Par exemple, Roboze, un fabricant italien d'imprimantes 3D par extrusion, a collaboré avec SABIC sur un filament de polyimide thermoplastique amorphe, appelé EXTEM AMHH811F.

Le nouveau matériau offre une grande résistance aux températures élevées, grâce à une capacité de déflexion thermique allant jusqu'à 230 °C. Le matériau a également une transition vitreuse de 247 °C, que les partenaires considèrent comme la plus élevée de tout matériau imprimable en 3D. De plus, il offre d'excellentes propriétés ignifuges, une bonne résistance chimique et maintient sa résistance mécanique à haute température.

Le développement de thermoplastiques hautes performances est crucial pour l'industrialisation de la FA. Ils soutiennent la transition de la technologie du prototypage vers des applications avancées dans des secteurs critiques comme le médical et l'aérospatiale.

Par exemple, l'impression 3D PEEK est désormais utilisée pour créer des implants spécifiques au patient. Peut-être qu'une forte opportunité de croissance dans l'impression 3D médicale PEEK a récemment encouragé Evonik à investir dans Meditool, une start-up chinoise spécialisée dans les implants imprimés en 3D PEEK pour la chirurgie neurologique et rachidienne.

La montée en puissance de matériaux composites 

Les matériaux composites sont un autre domaine des polymères haute performance qui connaît une croissance significative.

Les composites sont constitués d'une matrice thermoplastique et de fibres de renfort. Actuellement, les composites pour l'impression 3D sont renforcés avec des fibres de carbone, des fibres de verre ou des fibres de Kevlar.

Ces matériaux, disponibles sous forme de poudres, de pastilles ou de filaments, comportent le plus souvent des fibres coupées, bien que l'impression composite de fibres continues soit en cours exploré de plus en plus. Par exemple, Desktop Metal a récemment annoncé l'imprimante 3D Fiber capable de renforcer les matériaux en nylon, PEEK et PEKK avec des fibres de carbone continues.

Un rapport d'analyse SmarTech prévoit que le marché mondial de l'impression 3D composite augmentera à un TCAC de 22,3 % au cours des cinq prochaines années. Cela indique une opportunité génératrice de valeur élevée, car les composites deviennent encore plus pertinents dans des segments qui s'étendent au-delà des secteurs médical et aérospatial et dans des domaines de consommation, tels que l'automobile de nouvelle génération, l'énergie et les transports en général.

Le marché de l'impression 3D composite a évolué au cours des 12 derniers mois, avec un nombre de matériaux et d'applications en forte croissance. Par exemple, l'impression 3D composite a permis le lancement d'un cadre de vélo composite imprimé en 3D.

En début d'année, Continuous Composites s'est associé à Arkema, au travers de la branche Sartomer du géant de la chimie. Le partenariat verra la technologie d'impression 3D à fibre continue (CF3D) brevetée de Continuous Composites, combinée aux solutions de résine photodurcissable d'Arkema, offrant ainsi de nouvelles options pour la FA composite à fibre continue.

Dans la même veine, Sandvik a créé le premier composite diamant au monde pour l'impression 3D. Le composite a démontré une dureté et une conductivité thermique exceptionnelles, ainsi qu'une faible densité, une résistance à la corrosion et une bonne dilatation thermique. Des matériaux comme celui-ci pourraient être particulièrement bénéfiques pour les applications spatiales.

Graphène d'impression 3D

En plus de l'ingénierie et des plastiques composites, l'industrie travaille pour permettre l'impression 3D de matériaux avancés à base de graphène.

Le graphène est l'un des matériaux les plus résistants au monde. En raison de sa conductivité électrique et thermique élevée, il est recherché par une variété d'industries, de la fabrication de batteries à l'aérospatiale.

Le mois dernier, Terrafilum, un producteur de filaments d'impression 3D, s'est associé à XG Sciences, concepteur et fabricant de nano-composites de graphène, pour développer des matériaux améliorés au graphène pour l'impression 3D par extrusion.

De plus, des chercheurs de Virginia Tech et du Lawrence Livermore National Laboratory ont développé une nouvelle façon d'imprimer en 3D des objets complexes, en utilisant du graphène, depuis 2016. 

Auparavant, les chercheurs ne pouvaient que imprimez ce matériau en feuilles 2D ou en structures de base. Ils ont maintenant développé un processus basé sur la stéréolithographie qui peut créer de petites structures 3D de graphène (jusqu'à 10 microns).

Une entreprise, cependant, a réussi à transformer le graphène imprimé en 3D dans une application réelle. La société d'ingénierie multinationale américaine AECOM a utilisé l'impression 3D à grande échelle du fournisseur britannique Scaled pour créer une arche de signalisation de 4,5 m de haut pour les réseaux de transport.

En utilisant une arche en graphène qui se trouve au-dessus des voies ferrées élimine le besoin de connecter de nouveaux équipements numériques à l'infrastructure existante.

L'arc est produit dans un nouveau polymère renforcé de graphène, qui est fourni par Versarien, le partenaire matériel d'Aecom.

Malgré cette étape importante, le graphène reste un matériau très difficile pour la 3D imprimer, et c'est aussi cher et difficile à produire. À la lumière de cela, nous en sommes encore aux tout premiers stades de l'impression 3D au graphène - cependant, les progrès jusqu'à présent semblent très prometteurs.

La croissance explosive des matériaux élastomères 

De plus en plus, les entreprises appliquent l'impression 3D dans les applications grand public, médicales et industrielles, qui nécessitent des propriétés souples et flexibles, mais néanmoins résistantes et résistantes. Cette demande alimente la croissance du marché des matériaux flexibles, comme le TPU et le silicone.

Au cours des six derniers mois seulement, il y a eu plusieurs annonces concernant les matériaux flexibles pour l'impression 3D.

En juillet, l'entreprise chimique mondiale Huntsman a présenté sa gamme de matériaux IROPRINT AM souples et flexibles pour les applications de chaussures. Les matériaux se présentent sous trois formes - résine, poudre et filament - et peuvent être utilisés pour produire des chaussures, des tuyaux et des joints, des pinces robotiques, des joints et d'autres applications similaires au caoutchouc.

Alors la société chimique allemande, Covestro, a mis en lumière une nouvelle application pour son matériau TPU :les semelles orthopédiques imprimées en 3D.

Le TPU est le matériau de choix pour cette application, grâce à sa gamme de propriétés favorable. En particulier, les produits TPU de Covestro couvrent une large gamme de dureté, qui peut être ajustée en modifiant la structure d'une conception de semelle intérieure. Cela signifie que les fabricants peuvent imprimer des semelles intérieures de chaussures qui présentent des zones de contact dures ou souples, pour une personnalisation ultime.

En outre, Dow, leader mondial de la science des élastomères de silicone, a lancé deux nouveaux matériaux d'impression 3D en caoutchouc de silicone liquide. Récemment, la société s'est associée à Nexus Elastomer Systems et German RepRap, pour donner aux utilisateurs d'impression 3D la possibilité d'imprimer en 3D des pièces en caoutchouc de silicone en couleur.

La nouvelle capacité colorée dépend d'une combinaison de trois éléments clés :le matériau SILASTIC 3D 3335 LSR de Dow, l'imprimante 3D de fabrication d'additifs liquides (LAM) de German RepRap et un nouveau système de dosage de Nexus Elastomer Systems. Grâce à cette capacité, les utilisateurs peuvent ajouter une gamme de couleurs à leurs impressions, sans modifier les caractéristiques mécaniques ou les performances de la pièce.

Enfin, EOS a récemment élargi son portefeuille de matériaux polymères avec le lancement d'un nouveau Poudre souple EOS TPU 1301. Selon EOS, l'EOS TPU 1301 offre une grande résilience après déformation, une très bonne absorption des chocs et une très grande stabilité de processus. Le matériau est particulièrement adapté aux applications dans les chaussures, le style de vie et l'automobile - y compris les éléments d'amortissement, les équipements de protection et les semelles de chaussures.

De toute évidence, la disponibilité de matériaux flexibles permet aux entreprises de débloquer de nouvelles applications et de bénéficier de l'impression 3D dans bien d'autres créneaux.

Polymères aux propriétés ignifuges 

Il y a une forte poussée au sein de l'industrie vers des matériaux avec des propriétés spécifiques, dont l'ignifugation.

Cette tendance est probablement due à la demande des industries avec des exigences strictes en matière de sécurité incendie, comme les transports et l'électronique, qui commencent à utiliser de plus en plus l'impression 3D.

Parmi les développements récents, citons le matériau ignifugeant certifié UL Blue Card de DSM, Novamid AM1030 FR, pour les imprimantes 3D d'extrusion. Le matériau a été développé à partir de la technologie Novamid de DSM et est certifié V0 (la combustion s'arrête dans les 10 secondes sur un spécimen vertical) et V2 (la combustion s'arrête dans les 30 secondes sur un spécimen vertical).

DSM croit que le le niveau d'ignifugation du matériau le rend approprié pour une application dans les secteurs de l'automobile et de l'électronique.

De même, Cubicure, Markforged et CRP Technology ont lancé leurs propres matériaux ignifuges. Les matériaux de CRP Technology et Markforged sont également des composites, ce qui les rend souhaitables pour un certain nombre d'applications industrielles critiques.

Nous pensons que le développement de matériaux polymères spécialisés se poursuivra, car les entreprises trouvent de plus en plus d'utilisations pour l'impression 3D. Un autre domaine qui devrait connaître une forte croissance est celui des polymères dotés d'une plus grande résistance aux ultraviolets (UV), ce qui contribuera à propulser leurs applications dans le secteur automobile.

Matériaux céramiques 

Le marché des céramiques d'impression 3D n'est peut-être pas encore aussi important que celui des polymères, mais il est tout aussi passionnant. Ce marché devrait passer d'une opportunité de revenus de 20 millions de dollars en 2020 à plus de 450 millions de dollars d'ici 2029, selon un rapport de SmarTech Analysis.

Le rapport souligne également le fait que la valeur des pièces d'utilisation finale, fabriquées avec des matériaux céramiques techniques ou traditionnels, devrait stimuler la demande de matériel et de matériaux à moyen et long terme.

Les céramiques techniques ou hautes performances, en particulier, présentent des propriétés mécaniques avancées, notamment une très haute résistance mécanique, haute température et résistance chimique. Ce sont des matériaux légers, qui sont déjà utilisés dans plusieurs secteurs de la fabrication de pointe, de l'aérospatiale à l'électronique, dont plusieurs sont parmi les premiers à adopter les technologies de FA.

L'année dernière, XJet Ltd., la société à l'origine de la technologie NanoParticle Jetting (NPJ) pour les céramiques et les métaux, a ajouté un nouveau matériau céramique à son système AM :l'alumine. Le nouveau matériau a rejoint la zircone dans le portefeuille de céramiques techniques de XJet.

Comparée à la zircone, l'alumine partage certaines caractéristiques, telles qu'un degré de dureté et de résistance plus élevé, mais présente une résistance à l'usure plus faible, ce qui la rend plus facile à usiner et à affiner avant et après la cuisson.

Bien que l'impression 3D céramique soit à la traîne par rapport à l'impression 3D de polymères et de métaux, il existe un grand potentiel pour cette technologie et les matériaux qui l'accompagnent d'évoluer dans les cinq à dix prochaines années.

Matériaux métalliques 

Les matériaux de FA métal sont un secteur en pleine croissance. En 2018, les revenus des métaux ont atteint 390 millions d'euros, comme indiqué par Ampower, et ont augmenté d'environ 41,9%, poursuivant une séquence de croissance de plus de 40% au cours des cinq dernières années (rapport Wohlers 2018).

Le nombre d'entreprises adoptant l'impression 3D métal est également en constante augmentation, augmentant la demande pour une plus grande diversité et qualité des matériaux.

La production de poudre métallique augmente 

En raison de cette demande, de plus en plus de fournisseurs de matériaux rejoignent l'industrie, et ceux qui l'ont déjà rejoint augmentent leurs capacités de production de métal.

Ceci est particulièrement courant pour les producteurs de poudre métallique, qui cherchent à fournir des matériaux pour des procédés à base de poudre, comme la fusion sélective au laser (SLM), la fusion par faisceau d'électrons (EBM), le jet de liant et le dépôt d'énergie direct en poudre ( DED) – qui sont actuellement sur une trajectoire de forte croissance.

L'un des principaux fabricants mondiaux de poudres métalliques, Höganäs AB, a commencé la construction de sa nouvelle usine d'atomisation pour la production de poudres métalliques de haute pureté pour l'industrie AM.

La nouvelle usine située en Allemagne aidera Höganäs à augmenter sa part de marché dans le segment en croissance de l'impression 3D. Les poudres produites dans l'usine seront commercialisées dans le monde entier, sous la marque Amperprint®. La marque Amperprint comprend actuellement des alliages de nickel, de cobalt et de fer.

De même, Liberty House Group, la société mère de Liberty Powder Metals au Royaume-Uni, construit une installation de développement de métaux en poudre au Royaume-Uni.

La société espère que l'installation lui permettra d'étendre sa portée dans les métaux et matériaux spécialisés pour la FA. L'usine comprendra des capacités telles qu'un atomiseur à gaz inerte à induction sous vide (VIGA) et une gamme d'équipements de tamisage, de mélange, d'emballage et d'analyse.

En outre, Sandvik, développeur et producteur de matériaux avancés, a ouvert sa nouvelle usine de production de poudres de titane AM par atomisation, dans laquelle il a investi environ 200 millions de couronnes suédoises.

Le lancement par Sandvik d'une usine de poudre de titane soutient une tendance croissante vers l'impression 3D de titane. Le titane peut être un métal difficile à travailler, en particulier lorsqu'il s'agit d'usinage. La FA devient une alternative viable, aidant les entreprises à réduire les déchets de titane et à offrir une plus grande flexibilité de conception.

Les producteurs de matériaux métalliques se développent dans toute la chaîne de valeur AM

Parallèlement à l'augmentation de la production de poudre métallique, de nombreuses entreprises fabriquant des matériaux pour l'impression 3D métal étendent leurs rôles le long de la chaîne de valeur de la FA. Certains acquièrent stratégiquement d'autres entreprises, tandis que d'autres restructurent leurs activités.

Un excellent exemple en est la société britannique de l'aérospatiale et de l'automobile, GKN. Au début de cette année, sa filiale, GKN Additive, a annoncé une nouvelle sous-marque, GKN Additive Materials, issue d'une fusion avec GKN Hoeganaes, le fabricant de poudre métallique de la société mère.



Cela fait de GKN Additive, qui a également une sous-marque, GKN Additive Components, un fournisseur de solutions complètes poudre-pièce. Cela permet à l'entreprise de combiner la connaissance des processus et des matériaux de FA sous un même toit, ce qui se traduit par une meilleure compréhension des deux aspects de la technologie de FA.

Afin de renforcer davantage sa position sur le marché de la FA, GKN a également récemment acquis le fournisseur de services d'impression 3D basé aux États-Unis, Forecast 3D. Alors que Forecast 3D se spécialise dans l'impression 3D polymère, cette décision permettra à GKN de faire désormais la promotion croisée de la FA, à la fois en métal et en plastique.

Avec cette acquisition, GKN, basé au Royaume-Uni, peut avoir une plus grande portée sur le marché américain et sera en mesure d'exploiter un tout nouveau secteur d'activité, à savoir la fabrication de polymères AM.

Et GKN n'est pas le seul exemple d'extension à d'autres domaines de la FA.

Le suédois Sandvik a également récemment pris une décision surprenante en acquérant une participation de 30 % dans le fournisseur italien de services d'impression 3D métal, Beam IT. Selon l'entreprise, cette décision est conforme à son ambition stratégique d'accroître sa présence dans l'industrie manufacturière au sens large, une présence qu'elle espère atteindre en investissant dans les additifs.

Nouveaux matériaux métalliques pour la FA

Avec toutes ces activités indiquant la bonne santé de l'industrie de la FA métallique, l'indicateur ultime de sa croissance est le développement continu des matériaux.

Les poudres métalliques sont notoirement difficiles à développer, et encore moins à certifier. Cependant, les progrès dans ce domaine sont continus.

Par exemple, H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, filiale de JX Nippon Mining &Metals, a introduit une gamme de poudres AM atomisées de tantale et de niobium (Ta/Nb), sous la marque AMtrinsic.

Grâce à sa haute points de fusion, résistance élevée à la corrosion et conductivité thermique et électrique élevée, ces matériaux permettraient aux utilisateurs de FA d'appliquer la technologie au traitement chimique, au secteur de l'énergie et à une gamme d'environnements à haute température.

Les poudres AMtrinsic promettent une excellente fluidité, une densité de tassement élevée, une forme sphérique «parfaitement» et une distribution granulométrique étroite - caractéristiques clés pour les matériaux utilisés dans les procédés de fusion sur lit de poudre.

En outre, OxMet Technologies, une société de développement d'alliages située au Royaume-Uni, a développé une gamme d'alliages de nickel à haute résistance et haute température, spécialement conçus pour le procédé AM.

On dit que les nouveaux alliages présentent une résistance élevée jusqu'à 900 °C. Il s'agirait d'une amélioration significative des performances, car l'alliage de nickel le plus résistant (alliage 718) actuellement disponible pour la fabrication additive devient instable au-dessus de 650 °C, ce qui le rend impropre à l'utilisation dans les composants de turbomachines les plus critiques.

Dans un autre exemple, Aeromet International, un spécialiste de la fonderie basé au Royaume-Uni, a amélioré sa poudre d'aluminium A20X brevetée, de sorte qu'elle a dépassé la marque de résistance à la traction ultime (UTS) de 500 MPa. Selon l'entreprise, cette réalisation fait de ce matériau l'une des poudres AM d'aluminium les plus résistantes disponibles dans le commerce.

Pour contribuer à l'idée de l'économie circulaire, qui vise l'utilisation continue des ressources, un four à micro-ondes Le spécialiste de la technologie plasma, 6K, a lancé des poudres AM dérivées de sources durables.

Les poudres sont produites à l'aide de la technologie unique UniMelt de 6K, qui est capable de transformer les fraisages, tournages et autres sources de matières premières recyclées en poudre de qualité supérieure pour AM.

À l'avenir, 6K prévoit de créer des poudres à partir de structures de support AM et d'impressions AM ratées. L'objectif est d'utiliser 100 % des matériaux qui entrent dans la chaîne d'approvisionnement, offrant aux utilisateurs finaux de FA une nouvelle façon de gérer les coûts des projets et de contrôler la chaîne d'approvisionnement, tout en introduisant une plus grande durabilité dans la FA métallique.

Matériaux :une pièce cruciale du puzzle de la fabrication additive

Les matériaux jouent un rôle essentiel pour faire de la FA une véritable technologie de production. Selon un récent sondage de Jabil, 41 % des utilisateurs de FA interrogés pensent que l'introduction de meilleurs matériaux aurait le plus grand impact pour encourager l'adoption massive de l'impression 3D pour la production.

Et l'industrie répond activement à la demande. Des polymères avancés sont en cours de développement, ainsi que des métaux spécialisés. Les fournisseurs de matériaux comprennent désormais bien mieux comment identifier, optimiser, fabriquer et recycler les matériaux pour la FA.

Dans le même temps, nous voyons de plus en plus d'acteurs se diversifier dans de nouveaux domaines de développement de matériaux, que ce soit les composites, les silicones ou les céramiques.

Cela dit, les coûts élevés des matériaux restent l'un des principaux goulots d'étranglement pour faire évoluer les applications technologiques. Peut-être verrons-nous bientôt les prix des matériaux baisser, à mesure que la demande augmente. Cependant, cela ne se fera pas du jour au lendemain.

En fin de compte, l'industrie des matériaux d'impression 3D semble florissante, portée à la fois par les grandes entreprises et les start-up de niche. Nous sommes assurés que cette tendance à la hausse continuera de façonner l'industrie de la FA dans les années à venir.