聚合物增材制造市场：当今与未来

1市场、设备和材料–大型化工公司的新战场 在本研究中，我们仔细研究了聚合物增材制造领域。自1987年投入商业运营以来，这一领域已引起越来越多的关注。这是我们在增材制造（AM）系列研究中的第六篇，而之前两篇是关于金属AM的讨论：《将金属3D打印提高到一个新水平》和《在金属3D打印方面取得进步》 。在本文中，我们研究了聚合物增材制造价值链中发生的变化，以及机器和材料市场的最新发展（见图1）。聚合物增材制造市场随着不同技术、材料和参与者增多，正变得越来越复杂在过去的二十年中，聚合物增材制造市场在用户数量、材料、系统和应用方面取得了重大进步。现在，越来越多的公司进入该市场，不仅仅提供材料和机器，还提供服务和软件的多元化产品组合。生产出的串联AM聚合物和它们的应用场合在增加，这一变化永久地改变了某些行业。例如，聚合物AM可以生产随个体定制的助听器、牙科护齿器、假肢和矫形器，从而提高患者的生活质量并改善医疗效果。同时，打印出来的消费品，如鞋、睫毛膏刷和剃刮设备，表明客户愿意为使用新技术生产的商品付费。这种支付意愿，以及只能用这种制造方法才能形成的复杂的几何形状，是为聚合物增材制造零件高成本辩护的两个主要论据。每种应用通常都会带来些独特的要求，并且当前市场上发现的八种聚合物AM技术都有其自己的优势（见图2），这使得这八种技术在将来很可能继续共存。使用不同技术生产的零件特性不同（例如机械强度和表面质量），因此生产过程的速度和成本也不同。如下所述，还可以根据它们在聚合物材料金字塔中的位置以及原料是树脂基、粉末基还是长丝来对不同技术进行分类。2020年9月聚合物增材制造市场:当今与未来照片来源： FIT Additive Manufacturing Group2 每种技术和材料服务于一部分市场最常用于聚合物AM的材料类别是树脂基、粉末基和长丝。树脂基材料由环氧基或甲基丙烯酸酯基团和光引发剂组成，它们暴露在光或激光下会一起固化。粉末是受控的球形颗粒，例如不同链长的聚酰胺（PA）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚丙烯（PP）和聚醚醚酮/聚醚酮酮（PEEK/PEKK ）在SLS和MJF工艺中烧结在一起，或者在BJ工艺中“粘合”在一起。细丝是长且不同直径的圆柱形聚合物，缠绕在线轴上。材料选择范围非常广泛，从聚丙酸（PLA）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）到聚乙烯亚胺（PEI）和碳纤维填充长丝。此外，此类材料的范围逐年增加，以满足不同客户应用程序的需求。究竟是什么推动了近年来的市场增长？机器销售增长是主要因素。自2007年以来，专业机器（价格在5,000欧元或以上的机器）的销售的年增长率为13％（见图3）。整个市场的规模取决于安装的基数、机器利用率、打印速度和开发以及材料。在此基础上，我们认为两位数的市场增长速度是合理的。但是，我们预计增长率不会超过30％。每种技术在整个市场中的份额一直相当稳定，不过CDLP和MJF工艺的出现改变了这种格局。加快采用速度面临的主要障碍仍然是可用材料、制造速度和尺寸、以及零件和机器的成本。聚合物增材制造设备和材料价值链资料来源： 罗兰贝格机械零部件供应商基础化学品和原料供应商聚合物AM机器OEM聚合物增材材料生产商机器直销机器租赁模式间接销售直接销售AM零件生产商聚合物增材制造机器价值链聚合物增材制造材料价值链图1自下而上的分析表明，构成市场核心的专业聚合物增材制造机器的单位销量从2009年到2024年预计增长13％。3慢高性能发动机标准快慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快聚合物增材制造技术特性概述资料来源： 罗兰贝格制造原理桶光聚合 树脂基 粉末基 单纤维材料喷射 粉末床融合 粘合剂喷射 挤压制造速度核心材料力学性能表面质量制造费用SLA立体光刻 激光固化 激光束固化由DLP投影机的光固化 DLP投影机发出的光使光敏聚合物连续固化 通过打印头+曝光使光敏聚合物分散通过打印头+加热分散熔融剂激光热能烧结粉末床的区域在聚合物粉末上沉积（有色）胶通过喷嘴沉积熔融材料用投影机固化 用LED和氧气固化 用紫外线固化 用试剂和能量融合 激光融合 与粘合剂结合 通过喷嘴挤出DLP数字光处理 CDLP连续数字光处理 MJ材料喷射 MJF多喷射融合 SLS选择性激光烧结 BJ粘合剂喷射 FDM熔融沉积建模仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯低高低高低高低高低High低高低高低高高表面粗糙度低表面粗糙度图2聚合物增材制造设备的销售和技术份额资料来源： 罗兰贝格0 10,000 20,000 30,0002009201420192024+13%桶光聚合数字光处理数字光处理数字光处理数字光处理材料喷射材料喷射材料喷射材料喷射粘合剂喷射粘合剂喷射粘合剂喷射粘合剂喷射2009选择性激光烧结选择性激光烧结选择性激光烧结选择性激光烧结桶光聚合2014连续数字光处理连续数字光处理多喷射融合多喷射融合多喷射融合桶光聚合桶光聚合2019熔融沉积建模熔融沉积建模熔融沉积建模熔融沉积建模2024聚合物增材制造设备销售额CAGR 2009–2024图34专业机器的销售预计将以稳健的速度增长对机器销售的分析表明，尽管机器市场总体上在增长，但是预计的细分增长率很大程度上取决于相关技术（参见图4）。 因此，在CDLP挤占了DLP的市场、MJF部分蚕食SLS市场的同时，比照MJ和MJF提供的力学强度和颜色选择，BJ由于劣势预计将变得更不重要。 FDM将得益于廉价的机器和材料，可以只用便宜桌面系统而不用制造成本超过5,000欧元的专业系统，以及庞大的安装基数。 尽管如此，因为可以打印出尺寸较大的零件，连续碳纤维FDM挤出成型近来引起了广泛的关注。它是一种将高强度碳纤维挤出到普通FDM细丝旁边以提高碳纤维区域的力学强度的技术。从现在至将来，我们在已安装的机器基础上都会看到共存技术现有安装基数（到2019年估计约97,000台机器）中的每台机器只能处理特定的材料类型（请参见图5）。 因此，材料都是根据机器类型开发的，反之亦然。 一些机器制造商最终向用户提供“开放”或“封闭”的机器系统。 使用开放系统的用户可以从第三方材料供应商处获取材料； 使用封闭系统时，他们只能使用OEM生产的材料。 OEM还通过技术开发方面的专利来保护其市场份额，例如MJF中的光诱导烧结或提高CDLP的制造速度。总体而言，我们预计光聚合系统（SLA，DLP和CDLP）的销售额将增长10％，粉末床熔融系统（MJF和SLS）的销售额将增长8％。 我们认为只要聚合物增材制造受到技术进步的推动，年增长率仍可维持在比10%略高。唯一彻底改变这种预测的可能，聚合物增材制造设备的销售(按技术分类)资料来源： 罗兰贝格桶光聚合 树脂基