Wie sich der Hardware-Markt für den 3D-Druck im Jahr 2019 entwickelt hat

Anfang dieses Jahres veröffentlichte AMFG seinen ersten Bericht über die additive Fertigungslandschaft 2019, in dem die wichtigsten Marktakteure und die wichtigsten Trends der Branche untersucht wurden. Heute veröffentlichen wir eine Reihe von Artikeln, die sich eingehender mit den einzelnen Segmenten des Ökosystems der additiven Fertigung (AM) befassen, beginnend mit der Hardware.
 
Im Jahr 2019 machen Hardware-Hersteller mehr als die Hälfte der AM-Landschaft aus, wobei eine große Anzahl von ihnen erst in den letzten zehn Jahren der Branche beigetreten ist.
 
Mit dem Zustrom neuer Unternehmen haben sich die 3D-Drucker in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt, da sie immer schneller, zuverlässiger und produktionsfähiger werden.
 

Nachfolgend verfolgen wir einige der wichtigsten Entwicklungen und Trends, die den 3D-Druckhardwaremarkt prägen.
 

Hardware für den 3D-Metalldruck

Der Metallhardwaremarkt ist wohl eines der am schnellsten wachsenden Segmente des 3D-Drucks. Das Forschungsunternehmen CONTEXT schätzt, dass die Auslieferungen von Metall-3D-Druckern im Vergleich zum Vorjahr ein Mengenwachstum von über 49 Prozent verzeichnen wird.
 
Das Metall-AM-Hardwaresegment wird laut einem kürzlich veröffentlichten Bericht des Branchenanalysten SmarTech Analysis eine Umsatzmöglichkeit von fast 4 Milliarden US-Dollar eröffnen.
 
Im Jahr 2019 ist der Markt für Metall-3D-Druck äußerst vielfältig geworden und wird von bis zu 18 verschiedenen Technologien geprägt, wie AMPOWER mitteilt.

Unter diesen Technologien spielt die Powder Bed Fusion (PBF) -Familie die größte Rolle bei Metall-AM. Sie macht 80 Prozent aller Metall-AM-Systeminstallationen weltweit aus. Die PBF-Familie umfasst laserbasierte und elektronenstrahlbasierte Technologien.
 
Der PBF-Hardwaremarkt ist auf einige wenige etablierte Unternehmen aufgeteilt, darunter EOS, Renishaw, 3D-Systems, SLM-Solutions, Trumpf und GE.
 
Insbesondere GE zeichnet sich durch eine einzigartige Angebotsdiversifikation auf dem Metall-AM-Markt aus. GE bietet nicht nur laserbasierte Concept-Laser-3D-Drucker an, sondern ist auch eines der wenigen Unternehmen, das Elektronenstrahl-Schmelzgeräte (EBM) anbietet. Darüber hinaus entwickelt das Unternehmen Metallbindemittel für den 3D-Druck, das bereits von einigen frühen Anwendern übernommen wurde.
 
Mit dem Fokus des 3D-Metalldrucks auf Produktionsanwendungen haben viele Akteure auf diesem Gebiet ihre Systeme weiterentwickelt, um der Forderung nach höherer Geschwindigkeit und höherer Zuverlässigkeit gerecht zu werden.
 
Eines der gemeinsamen Themen in diesem Rennen ist die Einführung von Multilaser-Systemen.
 
Die Verwendung mehrerer Laser (normalerweise 2 oder 4) kann den Druckprozess beschleunigen, indem er um das Vierfache erhöht wird. Darüber hinaus sind Multilaser-Systeme produktiver, was dazu beiträgt, die Teilekosten zu senken und / oder mehr Teile in kürzerer Zeit zu produzieren. Es wird auch behauptet, dass Multilaser-Maschinen das gleichzeitige Drucken mehrerer Teile ermöglichen können.
 
Zu den 3D-Druckerherstellern, die solche Systeme anbieten, gehören EOS, Concept Laser (GE), SLM Solutions, Renishaw und Additive Industries.
 
Außerhalb der etablierten Anbieter stieg auf dem PBF-Markt die Zahl der Neueinsteiger, die jeweils eine einzigartige Sichtweise auf die Technologie hatten.
 
Ein Beispiel ist VELO3D, das ein System entwickelt hat, das dank des fortschrittlichen Wiederbeschichtungsmechanismus und der engen Integration zwischen Hardware und Software nahezu ohne Unterstützung drucken kann.
 
Aurora Labs ist ein weiterer potenzieller Game Changer und bietet ein Metallsystem an, mit dem mehrere Pulverschichten gleichzeitig in einem Durchgang gedruckt werden können. Dies entspricht im Wesentlichen einer wesentlichen Verbesserung der Druckgeschwindigkeit. Kürzlich hat das Unternehmen berichtet, dass sein PMP1-3D-Drucker eine Druckgeschwindigkeit von 350 kg pro Tag erreichen kann.
 

Der Aufstieg der Spritztechnologien für Metallbinder

Ein weiterer auffälliger Trend ist ein neuer Fokus auf das Spritzen von Metallbindemitteln. Während die Technologie schon eine Weile besteht, wurde sie erst vor kurzem als praktikable Methode für Anwendungen mit hohen Stückzahlen anerkannt. Zum einen sind Metallbindemittel-Sprühsysteme typischerweise billiger und schneller als PBF-Systeme.
 
ExOne, der erste Hersteller von Metallbindemittelsystemen, muss sich nun mit einer Reihe von Newcomern wie Digital Metal, Desktop Metal und HP messen.
 

Insbesondere Desktop Metal und HP verfolgen eine aggressive Strategie, um das Ausstoßen von Bindemitteln zu einer Methode zu machen, die bei bestimmten Anwendungen mit der herkömmlichen Herstellung konkurrieren kann. Um dies zu erreichen, hat Desktop Metal beispielsweise ein bidirektionales System (Druck in zwei Richtungen) entwickelt, das hochauflösendes Drucken mit bis zu 12.000 cm3 / h ermöglicht. Dies entspricht über 60 kg Metallteilen pro Stunde
 
HP hingegen hat ein innovatives Bindemittel entwickelt, um den Sinterprozess, der beim Bedrucken von Teilen stattfindet, schneller und kostengünstiger zu gestalten.
 
„Beim Metallspritzgießen müssen in der Regel mehr als 10% des Bindemittelgewichts ausgebrannt werden. In unserem Fall haben wir weniger als 1%, was eine Größenordnung kleiner ist, was das Sintern schneller, kostengünstiger und einfacher macht “, sagt Tim Weber, HPs Global Head of Metals, in einem Interview mit AMFG.
 
Das Spritzen von Metallbindemitteln hat das Potenzial, die Anwendungen freizuschalten, die derzeit mit anderen Metall-3D-Drucktechnologien nicht möglich sind, insbesondere in Massenindustrien wie der Automobilindustrie. Dies bedeutet, dass sich die Entwicklung in diesem Sektor fortsetzen wird, so dass es diejenige sein wird, die im Auge behalten werden muss.
 

Kompakte Metall-3D-Drucker: Ein neues Segment voller Wachstum

Während PBF- und Metallbindemittel-Sprühsysteme auf die Produktionsanforderungen zugeschnitten sind, wächst ein weiterer Sektor kompakter Metall-3D-Drucker schnell heran, um das Prototyping von Metallteilen billiger und einfacher zu machen. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht von SmarTech Analysis prognostiziert, dass der Umsatz mit kompakten industriellen Metalldruckern bis 2027 bei über 1 Milliarde US-Dollar liegen wird.
 
Markforged und Desktop Metal sind derzeit die beiden größten Unternehmen, die kompakte Metall-3D-Drucker entwickeln.
 
Sowohl der Metal X von Markforged als auch das Studio System von Desktop Metal sind extrusionsbasierte 3D-Drucker, die mit kunststoffgekapselten Metallpulvern unbehandelte Teile herstellen, die dann in einem Ofen gesintert werden. Dieser Ansatz ist eine im Vergleich zu traditionell teureren Metall-3D-Druckern viel günstigere Option. Dies ist hauptsächlich auf niedrigere Betriebskosten zurückzuführen, die durch billigere Metallspritzgussmaterialien ermöglicht werden.
 
Die Erschwinglichkeit und der einfachere Aufbau von kompakten Metall-AM-Systemen finden eindeutig Resonanz auf dem Markt. Im ersten Quartal 2019 standen Markforged und Desktop Metal im Mittelpunkt der Auslieferung von 3D-Druckern, wobei Desktop Metal im Berichtszeitraum die größte Anzahl von 3D-Metalldruckern auslieferte.
 
Wir gehen davon aus, dass dieses Segment des Metall-3D-Drucks weiter wachsen wird, da kompakte 3D-Drucker einen völlig neuen Markt für erschwingliches Metall-Prototyping und Produktentwicklung erschließen können. Dies bedeutet auch, dass Industriekunden mehr denn je die Möglichkeit haben, Metall-AM zu erkunden.
 

Erhöhung der Zuverlässigkeit des 3D-Metalldrucks

Um 3D-Metalldrucker weiter voranzutreiben, müssen Unternehmen eine höhere Wiederholgenauigkeit in den Prozess einführen. Die Hauptlösung hierfür ist die Versorgung von 3D-Druckern mit Sensoren und Bildverarbeitung, um die Überwachung in den Prozessen zu ermöglichen.
 
Sensoren und Kameras, die sich in einem 3D-Drucker befinden, können verwendet werden, um mehrere Aspekte eines Builds in Echtzeit zu messen, um den Build-Prozess zu dokumentieren und sicherzustellen, dass die Anforderungen erfüllt werden. Die von den Sensoren erhaltenen Daten können dann in eine spezielle Software zurückgespeist werden, die die Daten analysiert und dann Rückmeldung darüber gibt, wie der Prozess verbessert werden kann.
 
Diese Lösung ist als geschlossenes Regelungssystem bekannt und wird für Metall-3D-Drucker zu einer wesentlichen Anforderung.
 
Durch die Beibehaltung der Kontrolle über den Bauprozess über das geschlossene Regelsystem können Hersteller gleichbleibende Geometrien und Oberflächen und Materialeigenschaften erzielen, die die Qualität untermauern.
 
Die “Im-Prozess” Qualitätskontrolle, die durch ein System mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht wird, ist für AM-Technologien jedoch noch relativ neu und stellt für die Hersteller ein Hindernis in der Implementierung dar. Ab 2019 ist nur ein geringer Prozentsatz der auf dem Markt befindlichen 3D-Drucker mit Regelgeräten ausgestattet.
 
Wir gehen davon aus, dass in Zukunft alle Metall-3D-Drucker mit einem geschlossenen Regelkreis ausgestattet werden, der die Prozesswiederholbarkeit erheblich verbessert in dem das Risiko von Build-Fehlern verringert wird.
 

Polymer 3D-Drucker

Während die Hardware für den 3D-Metalldruck rasant wächst, bleibt Polymerhardware das größte Segment im Hinblick auf die verwendeten Systeme. 72 Prozent der Unternehmen, die für den Global 3D Printing Report 2019 von EY befragt wurden, verwenden Polymer-AM-Systeme, verglichen mit 49 Prozent, die Metallsysteme verwenden.
 
Weniger komplexe Arbeitsabläufe und eine bessere Erschwinglichkeit sind die beiden Schlüsselfaktoren für die Wahl von Polymer-3D-Druckern gegenüber Metall-3D-Druckern.
 

Ähnlich wie beim 3D-Metalldruck wird der Polymermarkt durch eine Reihe von Technologien unterteilt, darunter Fused Filament Fabrication (FFF), Stereolithographie (SLA) / Digitale Lichtverarbeitung (DLP), Selektives Lasersintern (SLS) und Multi Jet Fusion (SLS). MJF), sowie viele neue Technologien, die in den nächsten Jahren auf die Vermarktung warten.
 
Jede dieser Technologien befindet sich in einer konstanten Weiterentwicklung, da Unternehmen zuverlässige, professionelle Lösungen, sowohl für die Produktion als auch für das Prototyping entwickeln möchten.
 
Die vielleicht eindrucksvollsten Entwicklungen finden im SLA / DLP-Hardwaresegment statt. Diese Technologien werden zu echten Produktionslösungen, insbesondere für Branchen wie Zahnmedizin und Konsumgüter. Zum Beispiel werden mit SLA-3D-Druckern die meisten Formen für klare Zahnspangen hergestellt, mit denen hunderttausende von Spangen pro Jahr hergestellt werden.
 
Die Technologie muss jedoch noch ausgereift werden, um über die Gussformen hinaus eine direkte Produktion solcher Einheiten zu ermöglichen.
 
Bei der Hardware mit der größten Installationsbasis bleiben die 3D-Drucker von FFF an der Spitze. Dies ist auf die Beliebtheit von barrierefreien FDM-3D-Desktopdruckern von Unternehmen wie Ultimaker und Makerbot zurückzuführen.
 

Spannende Entwicklungen bei SLS 3D-Druckern

Bei der Umstellung auf SLS-3D-Drucker sind auch in diesem Sektor einige bemerkenswerte Entwicklungen zu verzeichnen. Ein Beispiel ist Aerosint, ein belgisches Unternehmen, das an einem SLS-System arbeitet, das mit zwei verschiedenen Pulvern drucken kann. Dadurch kann die Maschine ein Pulver als kostengünstiges Trägermaterial verwenden.
 
Normalerweise ist das ungeschmolzene Trägerpulver in einer SLS-Maschine dasselbe Material, das zum Bedrucken eines Teils verwendet wird, und es ist tendenziell teuer. Die Einführung einer Maschine, die billiges Trägermaterial und ein zweites Material für den Teiledruck verwenden kann, könnte für Benutzer von SLS-Prozessen eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten.
 
Eine weitere Entwicklung, die den SLS-3D-Druck neu interpretieren kann, stammt von EOS. Auf der Formnext 2018 stellte EOS ein neues LaserProFusion-System vor, das verspricht, die Polymer-3D-Produktion um das Zehnfache zu beschleunigen. Um dieses Kunststück zu erreichen, hat das Unternehmen mehr als 8 Jahre lang die Lasertechnologie überarbeitet.
 

Während derzeitige SLS-Maschinen einen oder mehrere CO₂ Laser verwenden, kann das LaserProFusion-System bis zu eine Million Diodenlaser verwenden. Auf diese Weise können Teile nicht nur mit hoher Auflösung, sondern auch mit einer viel höheren Druckgeschwindigkeit erstellt werden, was möglicherweise mit dem Spritzguss konkurrieren kann.
 
Die Technologie soll in den nächsten Jahren auf den Markt kommen.
 

Das schnelle Wachstum von HP Multi Jet Fusion

MJF trat 2016 in den Markt ein, als HP seinen Auftritt in den 3D-Druck öffentlich machte und seinen ersten polymeren 3D-Drucker auf den Markt brachte. Seitdem hat sich MJF zu einem der am schnellsten wachsenden Polymer-3D-Druckverfahren entwickelt. Mehr als 10 Millionen Teile sollen 2018 mit HP MJF-3D-Druckern hergestellt worden sein.
 
MJF, das zu einer Pulverbettfusionsfamilie wie SLS gehört, hat Vorteile in Bezug auf Maßgenauigkeit und Materialeigenschaften, sodass Teile mit hoher Toleranz gedruckt werden können, die sowohl hinsichtlich ihrer Festigkeit als auch Flexibilität überlegen sind.
 
HP engagiert sich für die Weiterentwicklung der MJF-Technologie. Anfang dieses Jahres wurde eine Jet Fusion 5200-Serie auf den Markt gebracht. Diese neue Serie erweitert das bestehende MJF-Portfolio von HP, zu dem auch die Jet Fusion 300/500-Serie für funktionales Prototyping und die Jet Fusion 4200-Serie für kleine Auflagen und Produktion gehören. Die neue 3D-Druckerserie erweitert das Portfolio und bietet eine Lösung für die Massenproduktion.
 

Zu den bemerkenswertesten Merkmalen der 5200-Serie gehört die verbesserte Leistung der Lampen in 5200-3D-Druckern. Dies ermöglicht es dem neuen System, Pulver in einem Durchgang zu verschmelzen, im Gegensatz zu dem doppelt Durchgangsmodus in den vorherigen Systemen. Infolgedessen verbessert das System die Produktivität um 40 Prozent und eröffnet Möglichkeiten für den 3D-Druck von hochtemperaturtauglichen Materialien.
 

Professionelle Desktop-3D-Drucker

Der Markt für Desktop-3D-Druck ist einer der jüngsten im Hardwarebereich. Ihre Entstehung lässt sich bis zum Beginn der „Maker-Bewegung“ Ende der 2000er Jahre zurückverfolgen. Die Bewegung brachte die Revolution des 3D-Drucks für Verbraucher hervor, die jedoch aufgrund der mangelnden Nachfrage schnell zusammenbrach.
 
Der Hype um den 3D-Druck für den Endverbraucher hat viele 3D-Desktop-Druckerunternehmen aus dem Geschäft gedrängt. Einige haben jedoch überlebt, indem sie vom Verbrauchermarkt in den Unternehmensmarkt gewechselt sind.
 
Dies ermöglichte Anbietern wie Ultimaker, MakerBot und Formlabs Einzug, Wachstum und Erfolg.
 
Diese Verschiebung hat auch einen wachsenden Bedarf an industriellen Systemen gezeigt, die kleiner sind und einen Bruchteil der Kosten ihrer größeren Gegenstücke ausmachen.
 
Um den Fokus auf professionelle Benutzer zu lenken, mussten Anbieter von Desktop-3D-Druckern ihre Lösungen überarbeiten. Dies führte zur Einführung industrieller Funktionen, die bisher nur bei High-End-3D-Druckern zu finden waren. Beispielsweise sind ein beheiztes Bett, ein Gehäuse und ein Doppelextruder zu den notwendigen Elementen von FFF-Desktop-3D-Druckern geworden, die auf die professionelle Anwendung abzielen. Im Allgemeinen haben Unternehmen versucht, Systeme produktiver und zuverlässiger zu gestalten und dabei ein kompaktes Format beizubehalten.
 
In Bezug auf Desktop-SLA bleibt Formlabs eines der führenden Unternehmen in diesem Sektor. Mit mehr als 40.000 verkauften Systemen ist das Unternehmen der weltweit größte Anbieter von SLA-3D-Desktopdruckern.
 

Anfang dieses Jahres führte Formlabs eine neue Technologie ein, die sogenannte Low Force Stereolithography (LFS). Das LFS-Verfahren bietet dank seines flexiblen Behälters, der die beim Drucken auftretenden Kräfte auf die Teile reduzieren soll, eine verbesserte Detail- und Oberflächengüte.
 
Die neuen Formlabs-3D-Drucker Form 3 und Form 3L basieren auf der fortschrittlichen LFS-Technologie und helfen, die Lücke zwischen Desktop- und 3D-Druck in Industriequalität zu schließen
 

Keramische 3D-Drucker

Im Jahr 2019 hat sich der keramische 3D-Druck nicht so gut etabliert wie die 3D-Drucktechnologien für Polymere und Metalle. Die Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, obwohl davon ausgegangen wird, dass sie innerhalb der nächsten 5 bis 6 Jahre ausgereift sein wird.
 
Aufgrund der Anfänge der Technologie gibt es eine Handvoll Anbieter, die Systeme für den 3D-Druck von Keramik anbieten. Darunter befinden sich 3D-Systeme, ExOne, Prodways, Lithoz, 3DCeram und XJet.
 
Eine Entwicklung, die für den keramischen 3D-Druck besonders transformativ sein könnte, ist die Einführung der Nanoparticle Jetting-Technologie (NPJ) von XJet.
 

NPJ wurde 2016 eingeführt und ist eine Art Tintenstrahl, bei dem Nanopartikel aus Material (Keramik oder Metall) in einer flüssigen Formulierung suspendiert werden. Dann spritzen Tausende von Düsen im XJet-System Millionen von ultrafeinen Tropfen dieser flüssigen Suspensionen, sowohl des Aufbaus als auch des Trägermaterials.
 
Ein Xjet-Drucker hält die hohe Innentemperatur (bis zu 300 ° C) während des Druckvorgangs aufrecht. Dies hilft dabei, die abgelagerte Flüssigkeit auszubrennen, was zu einem festen Teil führt. Das Teil aus dem Drucker bleibt jedoch in einem Rohzustand und muss anschließend gesintert werden, um die Verfestigung abzuschließen.
 
Der Inkjet-3D-Druck ist bekannt für seine Genauigkeit und Detailgenauigkeit. Dies bedeutet, dass XJet-Systeme in der Lage sind, Fertigteile mit nahezu jeder Geometrie herzustellen, einschließlich solcher mit kleinen Löchern, dünnen Wänden, anspruchsvollen Bögen und scharfen Kanten.
 
Anwendungen, wie Komponenten für eine neue Brustkrebsbehandlung und 3D-gedruckte Antennen haben bereits die Eignung von XJets 3D-Druckern in der industriellen Anwendung gezeigt.
 
Trotz der jüngsten Fortschritte ist der keramische 3D-Druck noch weit fortgeschritten. Da die Nachfrage nach 3D-gedruckten Keramikteilen jedoch steigt, wird der 3D-Druck von Keramik letztendlich zu einem wichtigen und profitablen Teil der Fertigungsindustrie.
 

Elektronische 3D Drucker

Der 3D-Druckmarkt für Elektronik ist wie der Keramikmarkt noch relativ jung, jedoch vielversprechend. Gegenwärtig bieten nur wenige Unternehmen Hardware für den 3D-Druck im Elektronikbereich an, wobei Nano Dimension und Optomec die Spitzenposition einnehmen.
 
Die Technologien, die hinter den Systemen von Nano Dimension und Optomec stehen, sind sehr unterschiedlich, bieten jedoch eine ebenso aufregende Möglichkeit für das Prototyping und die direkte Produktion elektronischer Komponenten wie Antennen, Leiterplatten, Kondensatoren und Sensoren.
 
Eine Entwicklung, die in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt hat, ist die Einführung von DragonFly Lights-Out Digital Manufacturing (LDM).
 

Das System baut auf dem bereits 2017 eingeführten DragonFly Pro-System von Nano Dimension auf, mit dem Ingenieure und Designer elektronische Komponenten schnell prototypisieren können. Das LDM soll diese Fähigkeiten über das Prototyping hinaus erweitern und eine eigene Fertigung rund um die Uhr für kleine Stückzahlen ermöglichen.
 
Wie bei früheren Versionen der 3D-Drucksysteme von Nano Dimension werden bei diesem System leitende und isolierende Materialien gleichzeitig auf einem PCB-Substrat abgeschieden. Was sich jedoch unterscheidet, ist die Produktivität der Maschine, die im Vergleich zum DragonFly Pro um mehr als 40 Prozent gesteigert wurde.
 
Fortschritte wie dieser sind ermutigend, da sie dazu beitragen, die Popularität für den elektronischen 3D-Druck über das Prototyping hinaus voranzutreiben. Es gibt zwar noch viel zu tun, nicht nur in Bezug auf Hardware, sondern auch auf Material und Software, aber es legt definitiv die Grundlage dafür, dass der elektronische 3D-Druck zur Reife gelangt.
 

Hardware für den 3D-Druck: Höchste Zuverlässigkeit erstreben

Der Bereich 3D-Druckhardware entwickelt sich rasant weiter, da Unternehmen die verfügbaren Systeme ständig verbessern und völlig neue Hardwarelösungen entwickeln.
 
Die Ausrüstungskosten sind jedoch nach wie vor eines der größten Hindernisse für Investitionen in AM. Laut dem EY Global 3D Printing Report 2019 sehen 87 Prozent der Unternehmen die hohen Systempreise als ein kritisches Hindernis für die Einführung des 3D-Drucks. Dies bedeutet, dass die Senkung der Kosten für AM-Geräte der Schlüssel zur Ausweitung der Nutzung der Technologie ist.
 
Die 3D-Druckindustrie löst dieses Problem, indem sie besser zugängliche Desktop-3D-Drucker und kompakte Metall-AM-Maschinen einführt.
 
Alles in allem wird die Nachfrage nach technisch anspruchsvolleren Systemen die Weiterentwicklung der AM-Hardware weiter befeuern. In den nächsten fünf Jahren erwarten wir, dass die 3D-Druckhardware dank der In-Process-Monitoring-Lösungen und einer engeren Integration in die Software eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit erreicht.