"Diversos y en desarrollo" es la única manera de describir la amplitud actual de la cartera de materiales poliméricos para la fabricación aditiva. Desde materiales que varían en factor de forma (es decir, polvos, resinas, filamentos) a propiedades del material (es decir, flexible, reforzado, resistente, etc.) a aplicación (es decir, médica, industrial, dental, etc.), puede ser difícil definir categorías suficientemente adecuadas que cubran adecuadamente este mercado tan diverso.

Esta tarea se complica aún más si se tiene en cuenta el número de polímeros que se incorporan cada año al mercado de la AM. Por ejemplo, sólo en Formnext 2022, IDTechEx realizó un seguimiento de un gran número de empresas que anunciaron nuevos materiales poliméricos para la impresión 3D. Además, los fabricantes de impresoras 3D siguen innovando en tecnologías de impresión (es decir, extrusión termoestable reactiva, proceso electrofotográfico termoplástico selectivo (STEP), etc.), que posteriormente requieren materiales de polímero más adaptados para adaptarse a esas tecnologías.

Para desglosar el mercado de la forma más completa posible, IDTechEx lo aborda con un enfoque de varios niveles. El primero es una segmentación de alto nivel basada en el factor de forma de los materiales: polvos termoplásticos, filamentos termoplásticos y resinas fotopoliméricas. Estos tres dominan abrumadoramente el sector de la impresión 3D con polímeros. Sin embargo, cada una de estas categorías de factores de forma contiene una gran variación y diversidad de materiales, cada uno de los cuales tendrá diferentes tendencias de crecimiento. Por ejemplo, los filamentos de PLA (polilactida), un material de bajo coste establecido desde hace tiempo, tienen una posición en el mercado y una trayectoria muy diferentes en comparación con los filamentos de PEEK (poliéter éter cetona), un material de alto rendimiento y más caro. Así pues, resulta bastante útil segmentar aún más estas tres categorías para examinar las tendencias que se desarrollan en categorías más específicas. IDTechEx ha optado por utilizar una mezcla de categorías basadas en las propiedades de los materiales (por ejemplo, ingeniería (nailon), flexible, reforzado, etc.) y categorías basadas en las aplicaciones (por ejemplo, uso general, soporte, sanidad, etc.) para definir cinco segmentos diferentes para polvos termoplásticos, seis para filamentos termoplásticos y seis para resinas fotopolímeras, lo que supone un total de diecisiete segmentos diferentes de materiales de fabricación aditiva de polímeros.

Imagen cabecera...> Segmentación de IDTechEx del sector de la AM de polímeros por 10 tecnologías de impresión 3D y 17 categorías de materiales. Fuente: IDTechEx - "Fabricación aditiva de polímeros 2023-2033: Technology and Market Outlook"

Al desarrollar estos segmentos y luego pronosticar sus perspectivas a 10 años, IDTechEx encuentra que mientras que los filamentos son la forma de materia prima dominante por ingresos en 2022, están perdiendo terreno rápidamente a las resinas y polvos, que son utilizados por tecnologías de mayor rendimiento con materias primas más caras. El principal ejemplo sería el de los polvos termoplásticos, que se benefician de ser utilizados por el sinterizado selectivo por láser (SLS) y la fusión por chorro múltiple (MJF), dos tecnologías de impresión de alto rendimiento dirigidas a aplicaciones de gran volumen. Además, el material termoplástico en polvo más común, el nailon, cuesta entre 100 y 120 dólares el kilo, muy por encima del precio de partida de filamentos termoplásticos populares como el PLA, que cuesta entre 15 y 20 dólares el kilo. Estos dos factores hacen que los ingresos generados por las ventas de polvo termoplástico superen a los de los filamentos termoplásticos y las resinas fotopolímeras en 2033.

Previsión de ingresos para materiales poliméricos de impresión 3D de 2023 a 2033, del informe de IDTechEx "Polymer Additive Manufacturing 2023-2033: Technology and Market Outlook" de IDTechEx, que también incluye previsiones a 10 años de la demanda de materiales (en toneladas) y previsiones segmentadas por tecnología de impresión. Fuente: IDTechEx

Factores que influyen en el desarrollo de materiales poliméricos para la impresión 3D

Aunque estas previsiones de IDTechEx desglosan cómo evolucionarán los materiales poliméricos de AM en los próximos 10 años, no comentan las fuerzas del mercado que influyen en el desarrollo de los materiales poliméricos, que son esenciales para comprender plenamente el sector de los materiales poliméricos de AM. Los dos factores más importantes pueden desglosarse a grandes rasgos en A) la necesidad de reducir el coste de los materiales y B) la necesidad de aumentar la cartera de materiales poliméricos disponibles para la AM.

En primer lugar, el coste de los materiales sigue siendo una preocupación acuciante para los usuarios de AM; según una encuesta realizada en 2021 por la multinacional proveedora de materiales Jabil, el 53% de los encuestados afirmaron que uno de los principales retos a los que se enfrentan con la impresión 3D es que los materiales de AM son demasiado caros para utilizarlos a escala. En general, el coste de los materiales de una pieza impresa en 3D representa una proporción mucho mayor del coste unitario final que el de una pieza fabricada de forma tradicional. Un estudio de la Universidad de Nottingham que analizaba más a fondo los aspectos económicos de la impresión 3D descubrió que, para una pieza SLS determinada, los costes de material representaban casi un tercio del coste unitario total. Aunque se espera que el coste por kilo de los polímeros de AM disminuya a medida que aumente la economía de AM, dada la importancia de los costes para los usuarios de AM, los proveedores de materiales de AM siguen explorando diferentes enfoques para reducir los costes inherentes a la producción de materiales de AM. Uno de ellos consiste en reducir los costes iniciales de las materias primas para reducir el coste final del material de AM; algunos buscan convertir los residuos o los materiales reciclados en filamentos para conseguirlo, mientras que la start-up polaca AlphaPowders está desarrollando un equipo que convierte el polvo termoplástico de síntesis barata en polvo de grado AM. El Instituto de Estructuras Compuestas y Sistemas Adaptativos del DLR pretende abaratar la producción de materiales compuestos de polímero de fibra continua fabricando equipos de producción más baratos. Otro enfoque se centra en el uso de técnicas de diseño aditivo, como el diseño generativo y las estructuras reticulares, para reducir el consumo de materiales en comparación con las piezas fabricadas tradicionalmente; aunque esto no cambia el coste base del material por kilo, sí ayuda a reducir el coste total de materiales por pieza.

En segundo lugar, la falta de los materiales necesarios es otro motivo de preocupación para los usuarios de AM, ya que, según la misma encuesta de Jabil de 2021, un tercio de los usuarios de AM encuestados citan como reto clave que los materiales necesarios no están disponibles para la impresión 3D. Este problema también se ve agravado por el hecho de que los polímeros de alto rendimiento más deseados para aplicaciones de uso final tienden a ser los más caros. Aun así, las empresas de impresión 3D siguen abordando este reto con sus nuevos lanzamientos de materiales, que a menudo se dirigen a sectores específicos de alto rendimiento. Por ejemplo, varias empresas como Desktop Metal y PrintFoam han desarrollado materiales de espuma "auténtica" para la impresión 3D, que pretenden mejorar la espuma "digital" habitual en la impresión 3D, que emula la espuma no utilizando material espumoso real, sino imprimiendo una estructura reticular de celdas abiertas. Otro ejemplo sería el desarrollo de materiales dieléctricos para aplicaciones de radiofrecuencia por empresas como Fortify (en colaboración con Rogers Corporation) y Nanoe. Otros materiales que están saliendo al mercado para aplicaciones exigentes son los poliuretanos curados a temperatura ambiente, como los desarrollados por Chromatic 3D Materials y PPG Industries, y las resinas fotopolímeras viscosas, como las desarrolladas por Cubicure, BCN3D (en colaboración con Arkema) y Quantica. Aun así, queda mucho por hacer para que la cartera de materiales de alto rendimiento de la impresión 3D se acerque siquiera a la del moldeo por inyección o extrusión.

En general, IDTechEx considera que estas dos preocupaciones desempeñan un papel importante en el desarrollo de cada uno de los diecisiete segmentos de materiales de polímeros de AM durante la próxima década; lo que será interesante observar es qué otros retos se alzarán como un factor de influencia importante.

Autora: Sona Dadhania, Technology Analyst at IDTechEx,