Marché du matériel d'impression 3D 2020 : tendances, acteurs clés et évolution

Plus tôt cette année, AMFG a publié son second rapport Additive Manufacturing Landscape 2020, examinant les acteurs clés du marché et les plus grandes tendances qui façonnent l'industrie. Aujourd'hui, nous lançons une série d'articles approfondissant chaque segment de l'écosystème de la fabrication additive (FA), en commençant par le matériel.

En 2020, les fabricants de matériel représentent plus de la moitié du paysage FA, avec un grand nombre d'entre eux ayant rejoint l'industrie au cours de la dernière décennie.

Avec l'afflux de nouvelles entreprises, les dernières années ont vu une évolution rapide des imprimantes 3D, qui deviennent plus rapides, plus fiables et capables de production.

Ci-dessous, nous retraçons certains des développements et tendances les plus marquants qui façonnent le marché du matériel d'impression 3D.

Consultez les autres articles de cette série :
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Post-traitement pour l'impression 3D industrielle : tendances clés à connaître

Matériel d'impression 3D métal

Probablement, le marché du matériel métal est l'un des segments à la croissance la plus rapide de l'impression 3D. Le cabinet de recherche CONTEXT estime que les expéditions d'imprimantes 3D métal connaîtront des taux de croissance annuels en volume unitaire supérieurs à 49 %.

Le segment matériel FA métal devrait également créer une opportunité de revenus de près de 4 milliards de dollars, selon un récent rapport de la firme d'analystes SmarTech Analysis.

En 2020, le marché de l'impression 3D métal est extrêmement diversifié, avec pas moins de 18 technologies différentes le façonnant, selon AMPOWER.

Parmi ces technologies, la famille Fusion sur Lit de Poudre (PBF) joue le rôle principal en FA métal, représentant 80 % de toutes les installations de systèmes FA métal dans le monde. La famille PBF englobe les technologies laser et faisceau d'électrons.

Le marché du matériel PBF est partagé entre quelques entreprises établies, notamment EOS, Renishaw, 3D Systems, SLM Solutions, Trumpf et GE.

GE se distingue particulièrement par sa diversification unique d'offres sur le marché FA métal. En plus de fournir des imprimantes 3D laser Concept Laser, GE est l'une des très rares entreprises proposant des équipements de Fusion par Faisceau d'Électrons (EBM), fabriqués par Arcam. De plus, l'entreprise développe également l'impression 3D par liage de poudre métal (binder jetting), déjà adoptée par quelques utilisateurs précoces.

Avec le recentrage de l'impression 3D métal vers les applications de production, de nombreux acteurs de ce domaine ont fait évoluer leurs systèmes pour répondre à la demande de vitesse accrue et de fiabilité supérieure.

Un thème commun dans cette course est l'introduction de systèmes multi-lasers.

L'utilisation de plusieurs lasers (généralement 2 ou 4) peut accélérer le processus d'impression en l'augmentant jusqu'à quatre fois. De plus, les systèmes multi-lasers sont plus productifs, ce qui aide à réduire le coût de la pièce et/ou à produire plus de pièces en moins de temps. Il est également affirmé que les machines multi-lasers peuvent permettre l'impression simultanée de plusieurs pièces.

Parmi les fabricants proposant de tels systèmes : EOS, Concept Laser (GE), SLM Solutions, Renishaw et Additive Industries.

Hors des acteurs établis, le marché PBF a vu le nombre de nouveaux entrants augmenter, chacun avec sa propre approche de la technologie.

Un exemple inclut VELO3D, qui a développé un système capable d'imprimer avec presque zéro support, grâce à un mécanisme de rechargement avancé et une intégration étroite entre matériel et logiciel.

Aurora Labs est un autre potentiel game-changer, offrant un système métal capable d'imprimer plusieurs couches de poudre simultanément en un seul passage. Cela équivaut à une amélioration substantielle de la vitesse d'impression. Récemment, l'entreprise a rapporté que son imprimante 3D PMP1 peut atteindre une vitesse d'impression de 350 kg/jour.

L'essor des technologies de binder jetting métal

Une autre tendance notable est un nouveau focus sur le binder jetting métal. Bien que la technologie existe depuis un moment, ce n'est que récemment qu'elle a été reconnue comme une méthode viable pour les applications à haut volume. D'une part, les systèmes de binder jetting métal sont généralement moins chers et plus rapides que les systèmes PBF.

ExOne, le premier fabricant de systèmes de binder jetting métal, doit maintenant faire face à plusieurs nouveaux entrants comme Digital Metal, Desktop Metal et HP.

Desktop Metal et HP, en particulier, ont une stratégie agressive pour faire du binder jetting une méthode capable de concurrencer la fabrication traditionnelle pour certaines applications. Pour y parvenir, Desktop Metal a par exemple développé un système bidirectionnel (imprime dans deux directions), permettant une impression haute résolution jusqu'à 12 000 cm³/h. Cela se traduit par plus de 60 kg de pièces métal par heure.

HP, de son côté, a développé un agent liant innovant pour rendre le processus de frittage, qui a lieu lors de l'impression des pièces, plus rapide et moins cher.

« Avec le moulage par injection de métal, vous avez typiquement plus de 10 % en poids de liant qui doit être brûlé. Dans notre cas, nous avons moins de 1 %, ce qui est un ordre de grandeur de moins, le rendant plus rapide, moins coûteux et beaucoup plus simple à fritter », explique Tim Weber, Responsable mondial des métaux chez HP, dans une interview avec AMFG.

Le binder jetting métal a le potentiel de débloquer des applications actuellement infaisables avec d'autres technologies d'impression 3D métal, particulièrement dans les industries à haut volume comme l'automobile. Cela signifie que l'évolution dans ce secteur se poursuivra, en faisant le segment à surveiller de près.

Imprimantes 3D métal compactes : un nouveau segment plein de croissance

Alors que les systèmes PBF et binder jetting métal sont conçus pour répondre aux besoins de production, un autre secteur d'imprimantes 3D métal compactes émerge pour rendre le prototypage de pièces métal moins cher et plus facile. Un récent rapport de SmarTech Analysis prédit que les ventes d'imprimantes métal industrielles compactes dépasseront 1 milliard de dollars d'ici 2027.

Markforged et Desktop Metal sont actuellement les deux plus grandes entreprises développant des imprimantes 3D métal compactes.

Le Metal X de Markforged et le Studio System de Desktop Metal sont tous deux des imprimantes 3D par extrusion qui utilisent des poudres métal encapsulées dans du plastique pour créer des pièces « vertes », qui sont ensuite frittées dans un four. Cette approche en fait une option bien plus abordable comparée aux imprimantes 3D métal traditionnellement plus chères. Cela est largement dû à des coûts d'exploitation plus bas, permis par des matériaux de MIM (moulage par injection de métal) moins chers.

L'abordabilité et la facilité de mise en place des systèmes FA métal compacts résonnent clairement avec le marché. Au T1 2019, Markforged et Desktop Metal ont pris le devant de la scène en termes d'expéditions d'imprimantes 3D, Desktop Metal expédiant le plus grand nombre d'imprimantes métal sur la période.

Nous nous attendons à ce que ce segment de l'impression 3D métal continue de croître, les imprimantes compactes pouvant toucher un marché entièrement nouveau de prototypage métal abordable et de développement produit. Cela signifie aussi que les clients industriels ont désormais plus d'options que jamais pour explorer la FA métal.

Fiabilité croissante de l'impression 3D métal

Pour faire progresser davantage les imprimantes 3D métal, les entreprises doivent introduire un niveau plus élevé de répétabilité dans le processus. La clé réside dans l'équipement des imprimantes 3D de capteurs et de vision machine pour permettre la surveillance en cours de processus.

Des capteurs et caméras placés à l'intérieur d'une imprimante 3D peuvent mesurer de multiples aspects d'une construction en temps réel, aidant à documenter le processus de construction et à s'assurer que les exigences sont respectées. Les données obtenues des capteurs peuvent ensuite être réinjectées dans un logiciel spécialisé, qui les analysera et fournira un retour sur la façon d'améliorer le processus.

Cette solution est connue sous le nom de système de contrôle en boucle fermée, et elle devient une exigence essentielle pour les imprimantes 3D métal.

Maintenir le contrôle sur le processus de construction, via le système en boucle fermée, permet aux fabricants d'atteindre des géométries cohérentes, des finitions de surface et des propriétés matériaux qui sous-tendent la qualité.

Cependant, le contrôle qualité en cours de processus, permis par un système en boucle fermée, est encore relativement nouveau pour les technologies FA et présente une barrière pour les fabricants à implémenter. En 2019, seulement un petit pourcentage des imprimantes 3D disponibles sur le marché sont équipées d'unités de contrôle en boucle fermée.

À l'avenir, nous anticipons que toutes les imprimantes 3D métal seront équipées du système de contrôle en boucle fermée, ce qui augmentera significativement la répétabilité du processus, en réduisant le risque d'échecs de construction.

Imprimantes 3D polymère

Si le matériel d'impression 3D métal croît rapidement, le matériel polymère reste le plus grand segment en termes de systèmes en usage. 72 % des entreprises interrogées pour le Global 3D Printing Report 2019 d'EY utilisent des systèmes FA polymère, contre 49 % pour le métal.

Flux de travail moins complexe et plus grande abordabilité sont les deux facteurs clés pour choisir des imprimantes 3D polymère plutôt que métal.

Similaire au marché de l'impression 3D métal, le marché polymère est divisé par plusieurs technologies, dont la Fabrication par Filament Fondu (FFF), la Stéréolithographie (SLA)/Traitement Numérique de Lumière (DLP), le Frittage Laser Sélectif (SLS) et le Multi Jet Fusion (MJF), avec de nombreuses nouvelles technologies attendant leur commercialisation dans les prochaines années.

Chacune de ces technologies évolue, les entreprises visant à développer des solutions professionnelles fiables, tant pour la production que le prototypage.

Peut-être les développements les plus impressionnants ont lieu dans le segment matériel SLA/DLP. Ces technologies deviennent de vraies solutions de production, surtout pour des industries comme le dentaire et les biens de consommation. Par exemple, les imprimantes 3D SLA sont utilisées pour produire la majorité des moules pour aligneurs dentaires transparents, produisant des centaines de milliers de dispositifs par an.

Cependant, la technologie doit encore mûrir pour aller au-delà des moules et permettre la production directe de tels dispositifs.

En ce qui concerne le matériel avec la plus grande base installée, les imprimantes 3D FFF restent en tête. Cela s'explique par la popularité des imprimantes 3D FDM de bureau accessibles d'entreprises comme Ultimaker et Makerbot.

Développements passionnants dans les imprimantes 3D SLS

Passant aux imprimantes 3D SLS, ce secteur a également vu des développements notables. Un exemple implique Aerosint, une entreprise belge, qui travaille sur un système SLS capable d'imprimer avec deux poudres différentes. Cela permettra à la machine d'utiliser une poudre comme matériau de support peu coûteux.

Normalement, la poudre de support non fondue dans une machine SLS est le même matériau utilisé pour imprimer une pièce, et il tend à être cher. L'introduction d'une machine capable d'utiliser un matériau de support bon marché et un second matériau pour l'impression de pièces pourrait faire économiser une somme significative à ceux utilisant des procédés SLS.

Un autre développement qui pourrait réimaginer l'impression 3D SLS vient d'EOS. Au Formnext 2018, EOS a présenté un système LaserProFusion à venir qui promet de rendre la production polymère 3D 10 fois plus rapide. Pour y parvenir, l'entreprise a passé plus de 8 ans à réimaginer la technologie laser utilisée dans le processus.

Alors que les machines SLS actuelles utilisent un ou quelques lasers CO₂, le système LaserProFusion pourra utiliser jusqu'à un million de lasers diodes. Cela lui permettra de créer des pièces non seulement avec une haute résolution, mais aussi à une vitesse d'impression bien plus grande, potentiellement rivalisant avec le moulage par injection.

La technologie est prévue pour une sortie commerciale dans les prochaines années.

La croissance rapide de HP Multi Jet Fusion

Le MJF est entré sur le marché en 2016, lorsque HP a publiquement dévoilé son entrée dans l'impression 3D et lancé sa première imprimante 3D polymère. Depuis, le MJF est devenu l'un des procédés d'impression 3D polymère à la croissance la plus rapide. Plus de 10 millions de pièces auraient été produites باستخدام les imprimantes 3D MJF de HP en 2018.

Le MJF, qui appartient à la famille de la fusion sur lit de poudre comme le SLS, présente des avantages en termes de précision dimensionnelle et de propriétés matériaux, permettant d'imprimer des pièces à haute tolérance supérieures en résistance et flexibilité.

HP s'engage à faire progresser la technologie MJF. L'an dernier, elle a lancé la série Jet Fusion 5200. Cette nouvelle série s'appuie sur le portefeuille MJF existant de HP, qui inclut aussi les séries Jet Fusion 300/500 pour le prototypage fonctionnel et Jet Fusion 4200 pour les petites séries et la production. La nouvelle série d'imprimantes 3D ajoute au portefeuille, offrant une solution pour la production de volume.

Parmi les caractéristiques les plus notables de la série 5200 figure la puissance accrue des lampes à l'intérieur des imprimantes 5200. Cela permet au nouveau système de fusionner la poudre en un seul passage, par opposition au mode deux passages des systèmes précédents. En résultat, le système affiche 40 % d'amélioration de la productivité et ouvre des possibilités pour l'impression 3D de matériaux haute température.

Imprimantes 3D de bureau professionnelles

Le marché de l'impression 3D de bureau est l'un des plus jeunes au sein du secteur matériel. Son émergence remonte au début du « mouvement maker », à la fin des années 2000. Ce mouvement a apporté la révolution de l'impression 3D grand public, qui s'est toutefois rapidement effondrée faute de demande sur le marché consommateur.

L'éclatement du battage médiatique autour de l'impression 3D grand public a forcé de nombreuses entreprises d'imprimantes 3D de bureau à fermer. Cependant, quelques-unes ont survécu en passant du consommateur au marché professionnel et entreprise.

Cela a permis à des vendeurs comme Ultimaker, MakerBot et Formlabs de s'installer, croître et prospérer.

Ce changement a aussi révélé un besoin croissant de systèmes industriels plus petits et à une fraction du coût de leurs homologues plus grands.

Le recentrage vers les utilisateurs professionnels a exigé des vendeurs d'imprimantes 3D de bureau de réviser leurs solutions. Cela a résulté en l'introduction de fonctionnalités industrielles auparavant réservées aux imprimantes 3D haut de gamme. Par exemple, un plateau chauffant, une enceinte et un double extrudeur sont devenus des éléments nécessaires des imprimantes 3D FFF de bureau ciblant les applications professionnelles. Généralement, les entreprises ont cherché à rendre les systèmes plus productifs et fiables tout en conservant un format compact.

Concernant la SLA de bureau, Formlabs reste l'une des entreprises leaders dans ce secteur. Elle revendique être le plus grand vendeur mondial d'imprimantes 3D SLA de bureau, avec plus de 40 000 systèmes vendus.

En 2019, Formlabs a introduit une nouvelle technologie, appelée Stéréolithographie à Faible Force (LFS). Le procédé LFS offre un détail et une finition de surface améliorés, grâce à sa cuve flexible qui réduirait les forces sur les pièces pendant l'impression.

Basées sur la technologie LFS avancée, les nouvelles imprimantes 3D Form 3 et Form 3L de Formlabs aident à combler l'écart entre l'impression 3D de bureau et de grade industriel.

Imprimantes 3D céramique

En 2020, l'impression 3D céramique n'est pas aussi bien établie que les technologies d'impression 3D polymère et métal. La technologie est encore aux premiers stades de développement, bien qu'elle soit prévue pour atteindre la maturité dans les 5 à 6 prochaines années.

En raison de la nouveauté de la technologie, il y a une poignée de vendeurs offrant des systèmes pour l'impression 3D de céramiques. Parmi eux : 3D Systems, ExOne, Prodways, Lithoz, 3DCeram et XJet.

Un développement qui pourrait être particulièrement transformateur pour l'impression 3D céramique est l'introduction de la technologie Nanoparticle Jetting (NPJ) de XJet.

Lancée en 2016, la NPJ est un type d'impression par jet d'encre où des nanoparticules de matériau (céramique ou métal) sont en suspension dans une formulation liquide. Ensuite, des milliers de buses dans le système XJet projettent des millions de gouttelettes ultrafines de ces suspensions liquides, tant pour le matériau de construction que de support.

Une imprimante XJet maintient une haute température à l'intérieur (jusqu'à 300 °C) pendant le processus d'impression. Cela aide à brûler le liquide au fur et à mesure de son dépôt, résultant en une pièce solide. La pièce sortie de l'imprimante reste toutefois dans un état « vert » et nécessite un frittage ultérieur pour compléter la solidification.

L'impression 3D par jet d'encre est bien connue pour sa précision et sa capacité à atteindre un niveau de détail élevé. Cela signifie que les systèmes XJet sont potentiellement capables de créer des pièces finies de presque n'importe quelle géométrie, y compris celles avec de minuscules trous, parois fines, arches difficiles et arêtes vives.

Des applications comme des composants pour un nouveau traitement du cancer du sein et des antennes imprimées en 3D ont déjà démontré l'adéquation des imprimantes 3D XJet pour des applications industrielles.

Malgré les progrès récents, il reste un long chemin pour l'impression 3D céramique. Cependant, à mesure que la demande pour des pièces céramiques imprimées en 3D grandit, l'impression 3D de céramique deviendra finalement une section importante et rentable de l'industrie manufacturière.

Imprimantes 3D pour l'électronique

Comme le marché céramique, le marché de l'impression 3D pour l'électronique est encore relativement jeune mais porte de grandes promesses. Actuellement, seules quelques entreprises fournissent du matériel pour l'impression 3D électronique, avec Nano Dimension et Optomec en tête.

Les technologies derrière les systèmes de Nano Dimension et Optomec sont très différentes mais offrent une opportunité tout aussi excitante pour le prototypage et la production directe de composants électroniques, comme antennes, circuits imprimés (PCB), condensateurs et capteurs.

Un développement qui a généré beaucoup d'attention récemment concerne l'introduction de la fabrication numérique « Lights-Out » (LDM) DragonFly de Nano Dimension.

Le système s'appuie sur le DragonFly Pro de Nano Dimension, lancé en 2017, pour permettre aux ingénieurs et designers de prototyper rapidement des composants électroniques. Le LDM est censé pousser ces capacités au-delà du prototypage, pour livrer de la fabrication interne, 24/7, pour de courts runs de petits lots de pièces.

Comme les versions antérieures des systèmes d'impression 3D de Nano Dimension, ce système fonctionne par co-dépôt de matériaux conducteurs et isolants sur un substrat PCB. Ce qui diffère, cependant, c'est la productivité de la machine, augmentée de plus de 40 % par rapport au DragonFly Pro.

De telles avancées sont encourageantes, car elles aident à repousser les limites de l'impression 3D électronique au-delà du prototypage. S'il reste encore beaucoup à faire, non seulement en matériel mais aussi en matériaux et logiciels, cela pose définitivement les fondations pour que l'impression 3D électronique atteigne la maturité.

Matériel d'impression 3D : atteindre une fiabilité ultime

Le secteur du matériel d'impression 3D évolue rapidement, les entreprises améliorant constamment les systèmes disponibles et développant des solutions matérielles entièrement nouvelles.

Cela dit, le coût de l'équipement reste l'un des plus grands freins à l'investissement dans la FA. Selon le Global 3D Printing Report 2019 d'EY, 87 % des entreprises considèrent les prix élevés des systèmes comme une barrière critique à l'adoption de l'impression 3D. Cela signifie que la réduction du coût de l'équipement FA sera clé pour étendre l'usage de la technologie.

L'industrie de l'impression 3D résout ce problème en introduisant plus d'imprimantes 3D de bureau accessibles et de machines FA métal compactes.

Entre-temps, il est clair que l'industrie du matériel d'impression 3D a été affectée par l'épidémie de pandémie, avec une baisse prévisible des expéditions. Le cabinet d'études CONTEXT indique que les revenus matériels sur l'ensemble du marché des imprimantes 3D sont en baisse de -27 % par rapport aux chiffres de l'an dernier. Presque toutes les 20 premières entreprises industrielles occidentales ont vu des baisses annuelles significatives du nombre d'imprimantes 3D expédiées.

Cela dit, les vendeurs d'impression 3D ont rapporté un regain d'intérêt pour la technologie tout au long du T3 — de nouveaux secteurs ainsi que des marchés connus. Selon CONTEXT, ils espèrent que cet intérêt se transformera en commandes au T4.

En somme, la demande de systèmes industriels plus sophistiqués continuera d'alimenter l'évolution du matériel FA. Dans les cinq prochaines années, nous nous attendons à ce que le matériel d'impression 3D atteigne une fiabilité bien plus grande, grâce aux solutions de surveillance en cours de processus et à une intégration plus étroite avec le logiciel.