Material- und Technologieinnovationen im 3D-Druck mit Polymeren

Das erste erfundene 3D-Druckverfahren war die Stereolithografie, eine Methode, bei der ein lichtempfindliches Polymer mithilfe eines Lasers gehärtet wird. Kunststoff war also von Anfang an ein wichtiger Bestandteil des Marktes für additive Fertigungsverfahren und heute wird der 3D-Druck mit Polymeren laut einer Studie von IDTechEx mit dem Titel „Polymer Additive Manufacturing 2023-2033: Technology and Market Outlook“ im Jahr 2033 ein Volumen von 21 Milliarden US-Dollar haben. Um dieses Wachstum zu verstehen, reicht es nicht zu sagen, dass Polymere von Anfang an entwickelt wurden, sondern man muss sich die Innovationen ansehen, die in den letzten Jahren erdacht wurden. Immer mehr Akteure bieten andere Materialformen wie Schaumstoffe, Verbundwerkstoffe oder auch viskose Duroplaste an. Dasselbe gilt für Drucktechnologien – man denke etwa an den volumetrischen 3D-Druck. Aber was treibt das Wachstum des Marktes für Druckkunststoffe an? Und welche Herausforderungen sind noch vorhanden?

Der IDTechEx-Bericht schlägt zunächst eine Segmentierung des Marktes für die additive Fertigung von Polymeren nach Technologie und Material vor – wie Sie in der Abbildung unten sehen können, gibt es zahlreiche Druckverfahren, wodurch sich das Materialangebot vervielfacht. Filament, Harz, Pulver, Granulat: Interessanterweise werden Polymerpulver im analysierten Zeitraum ein schnelles Wachstum verzeichnen. Man könnte diesen Anstieg auf die Eigenschaften zurückführen, die diese Kunststoffe bieten – es handelt sich meist um sogenannte technische Polymere, die hauptsächlich für industrielle Anwendungen eingesetzt werden. Tatsächlich weist der Bericht darauf hin, dass die Anwender mehr auf die Endproduktion ausgerichtet sind und weniger auf die schnelle Herstellung von Prototypen. Sie verfügen über bessere Kenntnisse der Technologien, was es ihnen ermöglicht, Anwendungen mit hohem Mehrwert zu entwickeln, wie die Herstellung von Teilen nach Maß in mehr oder weniger großen Mengen. Es ist jedoch zu beachten, dass die schnelle Herstellung von Prototypen weiterhin eine Schlüsselanwendung für die additive Fertigung mit Polymeren bleibt.

Bild: IDTechEx

Technologische Innovationen

Interessant an der Studie ist die Bedeutung, die Start-ups auf dem Markt einnehmen: Während etablierte Unternehmen wie 3D Systems oder Stratasys ihre Innovationsstrategie fortsetzen, entstehen neue Initiativen, die sich mit neuartigen Materialien oder schnelleren oder leistungsfähigeren Druckverfahren beschäftigen. Das Ziel dieser Startups ist es, das Potenzial der additiven Fertigung von Polymeren zu erweitern, indem sie jedes Glied der Wertschöpfungskette – Software, Maschinen, Materialien, Nachbearbeitung usw. – verbessern. Die Studie hat daher „Innovatoren“ in diesen verschiedenen Segmenten – neun, um genau zu sein – identifiziert und zeigt, wie der Markt von diesen Fortschritten profitieren und wachsen könnte. Dies sind natürlich Hochrechnungen und es wird interessant sein, in den nächsten Jahren zu sehen, wie diese Startups die additive Fertigung von Polymeren tatsächlich beeinflusst haben.

Eines dieser Startups ist Evolve Additive Solutions, das ein Verfahren namens STEP (Selective Electrophotographic Thermoplastic Process) entwickelt hat. Dieser Prozess besteht aus drei Schritten: Bildgebung, Ausrichtung und Verschmelzung. Für den ersten Schritt verwendet die Maschine eine elektrofotografische 2D-Bildgebungsmaschine. Das Startup hat einige Merkmale des Folienlaminierens, des 3D-Drucks und des Pulverbettschmelzens kombiniert, um eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit zu erreichen, die mit der des Spritzgusses konkurrieren kann. Natürlich wird eine Technologie, die schnell größere Mengen anbietet, für den Markt interessant sein. Wenn wir bei den Technologien bleiben, hebt der Bericht Startups wie Readily3D oder Xolo hervor, die sich auf eine volumetrische Druckmethode stützen. Anstatt ein Teil Schicht für Schicht zu entwerfen, wird es in einem einzigen Schritt erstellt. So werden die Herausforderungen der Druckgeschwindigkeit – vor allem bei Harzverfahren – umgangen und gleichzeitig ein hohes Maß an Detailgenauigkeit beibehalten.

Markteinnahmen nach Materialkategorie (Bild: IDTechEx)

Der Markt für 3D-Druck von Polymeren wird von Materialien angetrieben

Die Studie konzentriert sich insbesondere auf die polymeren Materialien des Marktes und behauptet, dass ihre Einnahmen die der Hardware bei weitem übertreffen werden. Tatsächlich würden die Materialien im Jahr 2033 15 Milliarden US-Dollar ausmachen. In dieser Marktnische geht es nicht nur um Leistung, sondern auch um Nachhaltigkeit: Der Umweltaspekt der entwickelten Polymere ist heute ein zentrales Thema. Es überrascht daher nicht, dass immer mehr Filamente aus recycelten und recycelbaren Materialien hergestellt werden, die häufig aus wiederverwerteten Kunststoffabfällen bestehen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Leistungsseite: Welche Eigenschaften hat ein Material, das man kombinieren kann? Welche Anforderungen haben die Industrieunternehmen heute und wie kann man diese erfüllen? Ein Beispiel aus dem Bericht ist das Startup Tiamet3D, das sich einen Verbundstoff aus PLA und Nano-Diamanten ausgedacht hat. Ziel ist es, ein widerstandsfähiges und erschwingliches Material für die Nutzer auf dem Markt bereitzustellen. Natürlich gibt es noch viele weitere Beispiele mit Herstellern, die leistungsfähigere Materialien anbieten – flammenbeständig, mit ESD-Eigenschaften etc. Eines ist sicher: Der Markt für den 3D-Polymerdruck hat noch viel vor sich! Wenn Sie mehr erfahren möchten, finden Sie die gesamte Studie HIER.

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*Titelbildnachweis: Sinterit