3D 打印材料市场的演变：2019 年的趋势和机遇

3D 打印材料市场正在快速增长。随着越来越多的公司购买增材制造 (AM) 硬件并扩大其增材制造的使用，需求正在增加。 2019年AM材料市场是 价值 15 亿美元 。在接下来的五年里，它有望发展成为一个高达 45 亿美元的机会。

有了这样的机会，材料供应商，特别是大型化工公司和金属生产商，越来越多地参与到这个行业中。除了开发新材料，他们还为 AM 的工业化做出了重大贡献。

在今天的文章中，我们将深入探讨 3D 打印材料市场在 2019 年的发展情况、哪些公司正在推动它以及哪些趋势正在塑造其未来。

看看本系列的其他文章：

2019 年 3D 打印硬件市场如何发展

3D 打印软件：实现真正的数字化生产

工业 3D 打印的后处理：您应该了解的主要趋势

聚合物是最常用的 3D 打印材料

就市场份额而言，聚合物仍然是领先的 3D 打印材料领域。从 2014 年到 2018 年，全球 80.6% 的 3D 打印材料收入来自聚合物，2018 年达到 34 亿美元。根据捷普最近对 308 名 3D 打印用户的调查，2018 年有 74% 使用聚合物材料。

对聚合物的高需求不足为奇。聚合物 3D 打印机拥有最大的安装基础，因为它们更容易、更便宜地采用和操作。

更加关注高性能热塑性塑料

虽然相对简单的塑料，如 PLA 和 ABS，在聚合物市场占据主导地位，但对能够承受恶劣环境和高温的坚固功能材料的需求不断增长。 3D 打印行业正在通过开发高性能热塑性塑料来应对这一趋势，如碳增强复合材料、ULTEM、PEEK 和 PEKK。

这些材料使制造商能够为一系列工业应用 3D 打印功能原型甚至最终用途部件。

在整个行业中，化学公司越来越多地开发这些先进的材料，专门用于使用在 AM，包括威格斯、SABIC、索尔维和赢创，仅举几例。

许多 3D 打印机硬件制造商也在与这些公司密切合作，以适应这些材料所需的 3D 打印硬件。例如，意大利挤出 3D 打印机制造商 Roboze 与 SABIC 合作开发了一种名为 EXTEM AMHH811F 的无定形热塑性聚酰亚胺长丝。

这种新材料具有高达 230°C 的热变形能力，因此具有出色的耐高温性。该材料还具有 247°C 的玻璃化转变温度，合作伙伴认为这是最高的任何 3D 可打印材料。此外，它还具有出色的阻燃性能、良好的耐化学性并在高温下保持其机械强度。

高性能热塑性塑料的开发对增材制造产业化至关重要。它们支持将技术从原型设计过渡到医疗和航空航天等关键行业的高级应用。

例如，PEEK 3D 打印现在用于创建特定于患者的植入物。也许医疗 PEEK 3D 打印的高增长机会促使赢创最近投资了 Meditool，这是一家中国初创公司，专门从事用于神经和脊柱手术的 PEEK 3D 打印植入物。

崛起复合材料

复合材料是高性能聚合物的另一个显着增长领域。

复合材料由热塑性基体和增强纤维组成。目前，用于 3D 打印的复合材料使用碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维进行增强。

这些材料以粉末、颗粒或细丝的形式提供，最常见的是短切纤维，尽管连续纤维复合打印正在探索的越来越多。例如，Desktop Metal 最近发布了纤维 3D 打印机，能够用连续碳纤维增强尼龙、PEEK 和 PEKK 材料。

一份 SmarTech 分析报告预测，未来五年全球复合材料 3D 打印市场将以 22.3% 的复合年增长率增长。这表明这是一个创造高价值的机会，因为复合材料在扩展到医疗和航空航天领域以外的消费领域，例如下一代汽车、能源和运输等领域变得更加重要。

复合材料 3D 打印市场在过去 12 个月中一直在发展，许多材料和应用在显着增长。例如，复合 3D 打印使复合 3D 打印自行车车架的推出成为可能。

今年早些时候，Continuous Composites 与阿科玛合作，通过这家化学巨头的沙多玛业务线。通过此次合作，Continuous Composites 的专利连续纤维 3D (CF3D) 打印技术与阿科玛的光固化树脂解决方案相结合，为连续纤维复合材料 AM 提供了新的选择。

同样，山特维克创造了世界上第一个用于 3D 打印的金刚石复合材料。该复合材料表现出优异的硬度和导热性，以及低密度、耐腐蚀性和良好的热膨胀性。像这样的材料可能对太空应用特别有益。

3D 打印石墨烯

除了工程塑料和复合塑料外，该行业还致力于实现基于石墨烯的先进材料的 3D 打印。

石墨烯是地球上最坚固的材料之一。由于其高导电性和导热性，它受到从电池制造到航空航天的各个行业的追捧。

上个月，3D 打印线材生产商 Terrafilum 与石墨烯纳米复合材料的设计者和制造商 XG Sciences 合作，开发用于挤压 3D 打印的石墨烯增强材料。

此外，自 2016 年以来，弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员一直在开发一种使用石墨烯 3D 打印复杂物体的新方法。

以前，研究人员只能在 2D 图纸或基本结构中打印这种材料。现在，他们开发了一种基于立体光刻的工艺，可以创建小的（低至 10 微米）石墨烯 3D 结构。

然而，有一家公司能够将 3D 打印的石墨烯应用到实际应用中。美国跨国工程公司 AECOM 使用来自英国供应商 Scaled 的大型 3D 打印技术为交通网络创建了一个 4.5 m 高的信号拱。

使用位于铁轨上方的石墨烯拱无需将新的数字设备连接到现有的基础设施。

拱门由一种新的石墨烯增强聚合物制成，由 Aecom 的材料合作伙伴 Versarien 提供。

尽管有这个里程碑，石墨烯仍然是一种对 3D 极具挑战性的材料印刷，而且价格昂贵且难以生产。有鉴于此，我们仍处于石墨烯 3D 打印的早期阶段——然而，迄今为止的进展看起来非常有希望。

弹性材料的爆炸式增长

越来越多的公司在消费、医疗和工业应用中应用 3D 打印，这些应用需要柔软和灵活，但又坚韧和坚固。这种需求推动了 TPU 和硅胶等柔性材料市场的增长。

仅在过去的六个月中，就发布了几项有关用于 3D 打印的柔性材料的公告。

7 月，全球化工公司 Huntsman 推出了其用于鞋类应用的柔软、灵活的 IROPRINT AM 材料系列。材料有树脂、粉末和长丝三种形式，可用于生产鞋类、软管和垫圈、机器人抓手、密封件和其他类似橡胶的应用。

然后是德国化学公司科思创，聚焦其 TPU 材料的新应用：3D 打印矫形鞋垫。

TPU 是此应用的首选材料，这要归功于其良好的性能范围。尤其是科思创的TPU产品硬度范围很广，可以通过改变鞋垫设计的结构进行调整。这意味着制造商可以打印具有硬或软接触区域的鞋垫，从而实现最终的定制。

此外，硅弹性体科学的全球领导者陶氏化学公司推出了两种新型液态硅橡胶 3D 打印材料。最近，该公司与 Nexus Elastomer Systems 和德国 RepRap 合作，为 3D 打印用户提供彩色 3D 打印硅橡胶部件的能力。

新的多彩功能取决于三个关键要素的组合：陶氏的 SILASTIC 3D 3335 LSR 材料、德国 RepRap 的液体增材制造 (LAM) 3D 打印机和 Nexus Elastomer Systems 的新配料系统。借助此功能，用户可以在其打印件中添加一系列颜色，而不会改变零件的机械特性或性能。

最后，EOS 最近推出了一种新的聚合物材料组合，扩展了其聚合物材料组合。柔性 EOS TPU 1301 粉末。据EOS称，EOS TPU 1301在变形后具有很好的回弹力、非常好的减震性和非常高的工艺稳定性。该材料特别适用于鞋类、生活方式和汽车领域的应用——包括缓冲元件、防护装备和鞋底。

显然，柔性材料的可用性使公司能够解锁新的应用并从 3D 打印中受益在更多的利基市场。

具有阻燃特性的聚合物

行业内大力推动具有特定性能的材料，其中阻燃性就是其中之一。

这种趋势很可能是由具有严格防火安全要求的行业的需求推动的，比如交通运输和电子产品，它们开始更多地使用 3D 打印。

最近的发展包括帝斯曼的 UL 蓝卡认证阻燃材料 Novamid AM1030 FR，用于挤出 3D 打印机。该材料由帝斯曼的 Novamid 技术开发而成，并获得 V0（垂直试样上 10 秒内停止燃烧）和 V2（垂直试样上 30 秒内停止燃烧）认证。

帝斯曼认为材料的阻燃水平使其适用于汽车和电子行业。

同样，Cubicure、Markforged 和 CRP Technology 也发布了自己的阻燃材料。 CRP Technology 和 Markforged 的​​材料也是复合材料，这使它们成为许多关键工业应用的理想选择。

我们相信，随着公司发现越来越多的 3D 打印用途，专用聚合物材料的发展将继续下去。我们预计将出现高速增长的另一个领域是具有更强抗紫外线 (UV) 能力的聚合物，这将有助于推动它们在汽车领域的应用。

陶瓷材料

3D 打印陶瓷市场可能还没有聚合物市场那么大，但同样令人兴奋。根据 SmarTech Analysis 的一份报告，该市场预计将从 2020 年的 2000 万美元收入增长到 2029 年的超过 4.5 亿美元。

该报告还强调了这样一个事实，即使用技术或传统陶瓷材料制造的最终用途零件的价值预计将推动中长期未来对硬件和材料的需求。

技术陶瓷或高性能陶瓷尤其具有先进的机械性能，包括非常高的强度、耐高温和耐化学性。它们是轻质材料，已经用于先进制造的多个领域，从航空航天到电子，其中许多是 AM 技术的首批采用者。

去年，陶瓷和金属纳米粒子喷射 (NPJ) 技术背后的公司 XJet Ltd. 在其 AM 系统中添加了一种新的陶瓷材料：氧化铝。新材料加入了 XJet 技术陶瓷产品组合中的氧化锆。

与氧化锆相比，氧化铝具有较高的硬度和强度等特点，但耐磨性较低，更容易在烧成前后进行加工和细化。

尽管陶瓷 3D 打印落后于聚合物和金属的 3D 打印，但该技术及其相关材料在未来五到十年内仍有很大的发展潜力。

金属材料

金属增材制造是一个充满增长的行业。据 Ampower 报道，2018 年，金属收入达到 3.9 亿欧元，预计增长 41.9%，延续了过去五年超过 40% 的连续增长（Wohlers 报告 2018）。

采用金属3D打印的公司数量也在稳步增加，推动了对材料多样性和质量的需求。

金属粉末产量正在上升

由于这种需求，越来越多的材料供应商加入了这个行业，而那些已经加入的供应商正在提高他们的金属生产能力。

这对于金属粉末生产商来说尤其常见，他们希望为粉末工艺提供材料，例如选择性激光熔化 (SLM)、电子束熔化 (EBM)、粘合剂喷射和粉末直接能量沉积 ( DED）——目前正处于强劲的增长轨道上。

世界领先的金属粉末制造商之一 Höganäs AB 已开始建造其新的雾化工厂，用于为 AM 行业生产高纯度金属粉末。

位于德国的新工厂将帮助 Höganäs 在不断增长的 3D 打印领域增加其市场份额。该工厂生产的粉末将以 Amperprint® 商标在全球销售。 Amperprint 品牌目前包括镍、钴和铁合金。

同样，英国 Liberty Powder Metals 的母公司 Liberty House Group 正在英国建设粉末金属开发设施。

该公司希望该设施能够扩大其在增材制造专业金属和材料方面的影响力。该工厂将包括真空感应惰性气体雾化器 (VIGA) 和一系列筛分、混合、包装和分析设备等功能。

此外，先进材料的开发商和生产商山特维克已经开设了通过雾化生产增材制造钛粉的新工厂，该工厂投资了约 2 亿瑞典克朗。

山特维克推出的钛粉工厂支持了钛3D打印的增长趋势。钛可能是一种难以加工的金属，尤其是在加工方面。 AM 正在成为一种可行的替代方案，可帮助公司减少钛浪费并提供更大的设计灵活性。

金属材料生产商在 AM 价值链中扩张

随着金属粉末产量的增加，许多制造金属 3D 打印材料的公司正在扩大其在 AM 价值链中的作用。一些正在战略性地收购其他公司，而另一些正在重组他们的业务。

这方面的一个很好的例子是英国航空航天和汽车公司 GKN。今年年初，其子公司 GKN Additive 宣布了一个新的子品牌 GKN Additive Materials，这是与母公司的金属粉末制造商 GKN Hoeganaes 合并的结果。



这使得GKN Additive，它也有一个子品牌GKN Additive Components，一个完整的粉末到零件解决方案供应商。这使公司能够将增材制造工艺和材料的知识整合到一个屋檐下，从而更好地了解增材制造技术的两个方面。

为了进一步巩固其在增材制造市场的地位，GKN 最近还收购了美国 3D 打印服务提供商 Forecast 3D。虽然 Forecast 3D 专注于聚合物 3D 打印，但这一举措将使 GKN 现在能够交叉推广金属和塑料的 AM。

通过此次收购，总部位于英国的 GKN 可以在美国市场获得更大的影响力，并将能够开发全新的业务线，即聚合物增材制造。

而且 GKN 并不是向 AM 其他领域扩展的唯一例子。

瑞典山特维克最近也出人意料地收购了意大利金属 3D 打印服务提供商 Beam IT 30% 的股份。据该公司称，此举符合其在更广泛的制造业中扩大影响力的战略目标，希望通过投资增材制造实现这一目标。

增材制造新金属材料

所有这些活动都表明金属增材制造行业处于健康状态，其增长的最终指标是持续的材料开发。

众所周知，金属粉末很难开发，更不用说认证了。然而，该领域的进展是持续的。

例如，H.C. JX Nippon Mining &Metals 的子公司 Starck Tantalum and Niobium GmbH 以 AMtrinsic 品牌推出了一系列雾化钽和铌 (Ta/Nb) AM 粉末。

由于其高熔点、高耐腐蚀性和高导热性和导电性，这些材料将使 AM 用户能够将该技术应用于化学加工、能源部门和一系列高温环境。

AMtrinsic 粉末具有出色的流动性、高振实密度、“完美”的球形和窄粒度分布——这是粉末床熔融工艺中使用的材料的关键特性。

此外，位于英国的合金开发公司 OxMet Technologies 开发了一系列专为 AM 工艺设计的高强度和高温镍合金。

据说这种新合金在高达 900°C 时具有高强度。据报道，这是一项重大的性能改进，因为目前可用于 AM 的最强镍合金（合金 718）在 650°C 以上变得不稳定，使其不适合使用在最关键的涡轮机械部件中。

在另一个例子中，英国铸造专家 Aeromet International 增强了其获得专利的 A20X 铝粉，使其超过了 500 的极限拉伸强度 (UTS) 标记兆帕。据该公司称，这一成就使该材料成为市售最强的铝增材制造粉末之一。

为了促进循环经济的理念，旨在持续利用资源，微波炉等离子技术专家 6K 推出了源自可持续来源的 AM 粉末。

这些粉末采用 6K 独特的 UniMelt 技术生产，该技术能够将机加工的铣削、车削和其他回收原料转化为优质粉末用于增材制造。

未来，6K 计划利用增材制造支撑结构和失败的增材制造打印来制造粉末。目标是 100% 使用进入供应链的材料，为 AM 最终用户提供一种管理项目成本和控制供应链的新方法，同时在金属 AM 中引入更大的可持续性。

材料：增材制造难题的关键部分

材料在使增材制造成为真正的生产技术方面发挥着关键作用。根据 Jabil 最近的一项调查，41% 的受访 AM 用户认为，引入更好的材料将对鼓励大规模采用 3D 打印进行生产产生最大的影响。

行业正在积极响应需求。正在开发高级聚合物以及专用金属。材料供应商现在更了解如何为增材制造识别、优化、制造和回收材料。

与此同时，我们看到越来越多的参与者涉足材料开发的新领域，无论是复合材料、有机硅还是陶瓷。

也就是说，高材料成本仍然是扩展技术应用的关键瓶颈之一。随着需求的增加，也许我们会看到材料价格很快下降。然而，这不会在一夜之间发生。

最终，在大公司和小众初创企业的推动下，3D 打印材料行业似乎正在蓬勃发展。我们确信，这种上升趋势将在未来几年继续影响 AM 行业。