Mercado de Hardware de Impressão 3D em 2020: Tendências, Principais Players e Evolução

No início deste ano, a AMFG publicou seu segundo Relatório Panorama da Manufatura Aditiva 2020, analisando os principais players do mercado e as maiores tendências que moldam a indústria. Hoje, lançamos uma série de artigos, mergulhando mais fundo em cada segmento do ecossistema de manufatura aditiva (MA), começando pelo hardware.
 
Em 2020, fabricantes de hardware compõem mais de metade do panorama de MA, com grande número deles tendo ingressado no setor na última década.
 
Com a influxo de novas empresas, anos recentes viram uma rápida evolução das impressoras 3D, que estão se tornando mais rápidas, confiáveis e capazes de produção.

 
Abaixo, traçamos alguns dos desenvolvimentos e tendências mais proeminentes moldando o mercado de hardware de impressão 3D.
 

Confira os outros artigos desta série:
 
A Evolução do Mercado de Materiais de Impressão 3D: Tendências e Oportunidades
 
Software de Impressão 3D: Alcançando a Produção Digital Real
 
Pós-Processamento para Impressão 3D Industrial: Tendências-Chave que Você Deve Conhecer
 

Hardware de impressão 3D em metal

Arguably, o mercado de hardware em metal é um dos segmentos de crescimento mais rápido da impressão 3D. A empresa de pesquisa CONTEXT estima que os envios de impressoras 3D de metal terão taxas de crescimento ano a ano de volume de unidades superiores a 49 por cento.
  
O segmento de hardware de MA em metal também deve criar uma oportunidade de receita de quase US$ 4 bilhões, segundo relatório recente da empresa analista do setor, SmarTech Analysis.
 
Em 2020, o mercado de impressão 3D em metal é extremamente diversificado, com até 18 tecnologias diferentes moldando-o, conforme relatado pela AMPOWER.

 
Entre estas tecnologias, a família Fusão de Leito de Pó (PBF) desempenha o maior papel na MA em metal, compreendendo 80 por cento de todas as instalações de sistemas de MA em metal no mundo. A família PBF abrange tecnologias baseadas a laser e baseadas em feixe de elétrons.
 
O mercado de hardware PBF é dividido entre algumas empresas estabelecidas, incluindo EOS, Renishaw, 3D Systems, SLM Solutions, Trumpf e GE.
 
A GE, em particular, destaca-se com sua diversificação única de ofertas no mercado de MA em metal. Além de fornecer impressoras 3D a laser Concept Laser, a GE também é uma das poucas empresas a oferecer equipamentos de Fusão por Feixe de Elétrons (EBM), fabricados pela Arcam. Além disso, a empresa também está desenvolvendo impressão 3D de metal por binder jetting, já adotada por alguns usuários iniciais.
 
Com o foco da impressão 3D em metal mudando para aplicações de produção, muitos players neste campo têm evoluído seus sistemas para atender à demanda por maior velocidade e confiabilidade.
 
Um dos temas comuns nesta corrida é a introdução de sistemas multi-laser.
 
O uso de vários lasers (geralmente 2 ou 4) pode acelerar o processo de impressão aumentando-o até quatro vezes. Além disso, sistemas multi-laser são mais produtivos, o que ajuda a reduzir o custo da peça e/ou produzir mais peças em menos tempo. Também se afirma que máquinas multi-laser podem permitir a impressão simultânea de várias peças.
 
Entre os fabricantes de impressoras 3D que oferecem tais sistemas estão EOS, Concept Laser (GE), SLM Solutions, Renishaw e Additive Industries.
 
Fora dos players estabelecidos, o mercado PBF viu o número de novatos aumentando, cada um com sua abordagem única da tecnologia.
 
Um exemplo inclui a VELO3D, que desenvolveu um sistema que pode imprimir com quase zero suportes, graças ao mecanismo avançado de recobrimento e integração apertada entre hardware e software.
 
A Aurora Labs é outra potencial game-changer, oferecendo um sistema de metal que pode imprimir múltiplas camadas de pó simultaneamente, em uma única passada. Essencialmente, isso equivale a uma melhoria substancial na velocidade de impressão. Recentemente, a empresa relatou que sua impressora 3D PMP1 pode atingir velocidade de impressão de 350 kg/dia.
 

A ascensão das tecnologias de binder jetting em metal

Outra tendência notável é um novo foco no binder jetting de metal. Embora a tecnologia exista há algum tempo, só recentemente foi reconhecida como método viável para aplicações de alto volume. Por um lado, sistemas de binder jetting de metal são tipicamente mais baratos e rápidos que sistemas PBF.
 
A ExOne, primeira fabricante de sistemas de binder jetting de metal, agora tem que competir com vários novatos como Digital Metal, Desktop Metal e HP.

 
A Desktop Metal e a HP, em particular, têm uma estratégia agressiva para tornar o binder jetting um método que possa competir com a manufatura tradicional para certas aplicações. Para isso, a Desktop Metal, por exemplo, desenvolveu um sistema bidirecional (imprime em duas direções), que permite impressão de alta resolução a até 12.000 cm³/hr. Isso se traduz em mais de 60 kg de peças metálicas por hora.
 
A HP, por outro lado, desenvolveu um agente aglutinante inovador para tornar o processo de sinterização, que ocorre quando as peças são impressas, mais rápido e barato.
 
'Com injeção de metal você tipicamente tem mais de 10% em peso de aglutinante que deve ser queimado. No nosso caso, temos menos de 1%, que é uma ordem de magnitude a menos, tornando-o mais rápido, de menor custo e muito mais simples de sinterizar', diz Tim Weber, Chefe Global de Metais da HP, em entrevista à AMFG.
 
O binder jetting de metal tem potencial para desbloquear aplicações atualmente inviáveis com outras tecnologias de impressão 3D em metal, particularmente em indústrias de alto volume como a automotiva. Isso significa que a evolução neste setor continuará, tornando-o o segmento a ser observado.
 

Impressoras 3D compactas de metal: Um novo segmento cheio de crescimento

 
Enquanto sistemas PBF e de binder jetting de metal são projetados para atender necessidades de produção, outro setor de impressoras 3D compactas de metal está surgindo para tornar a prototipagem de peças metálicas mais barata e fácil. Um relatório recente da SmarTech Analysis prevê que as vendas de impressoras industriais compactas de metal ultrapassarão US$ 1 bilhão até 2027.
 
A Markforged e a Desktop Metal são atualmente as duas maiores empresas desenvolvendo impressoras 3D compactas de metal.
 
Tanto a Metal X da Markforged quanto o Studio System da Desktop Metal são impressoras 3D baseadas em extrusão que usam pós metálicos encapsulados em plástico para criar peças verdes, que são então sinterizadas em forno. Esta abordagem torna uma opção muito mais acessível comparada a impressoras 3D de metal tradicionalmente mais caras. Isso se deve amplamente a custos operacionais mais baixos, viabilizados por materiais de injeção de metal mais baratos.
 
A acessibilidade e configuração mais fácil de sistemas compactos de MA em metal claramente ressoam com o mercado. No Q1 2019, Markforged e Desktop Metal tomaram o centro do palco em termos de envios de impressoras 3D, com a Desktop Metal enviando o maior número de impressoras 3D de metal no período.
 
Esperamos que este segmento de impressão 3D em metal continue a crescer, pois impressoras 3D compactas podem acessar um mercado totalmente novo de prototipagem e desenvolvimento de produto em metal acessível. Isso também significa que clientes industriais têm agora mais opções do que nunca para auxiliar na exploração de MA em metal.
 

Confiabilidade crescente da impressão 3D em metal

 
Para avançar ainda mais as impressoras 3D em metal, as empresas precisam introduzir um nível mais alto de repetibilidade ao processo. A solução-chave para isso reside em equipar impressoras 3D com sensores e visão computacional para permitir monitoramento em processo.
 
Sensores e câmeras, colocados dentro de uma impressora 3D, podem medir múltiplos aspectos de uma construção em tempo real, ajudando a documentar o processo de construção e garantindo que requisitos sejam atendidos. Os dados obtidos dos sensores podem então ser realimentados em software especializado, que analisará os dados e fornecerá feedback sobre como o processo pode ser melhorado.
 
Esta solução é conhecida como sistema de controle de malha fechada, e está se tornando um requisito essencial para impressoras 3D de metal.
 
Manter controle sobre o processo de construção, através do sistema de controle de malha fechada, permite que fabricantes alcancem geometrias consistentes, acabamentos superficiais e propriedades de material que sustentam a qualidade.
 
No entanto, o controle de qualidade em processo, habilitado por sistema de malha fechada, ainda é relativamente novo para tecnologias de MA e apresenta barreira para fabricantes implementarem. Em 2019, apenas uma pequena porcentagem de impressoras 3D disponíveis no mercado estão equipadas com unidades de controle de malha fechada.
 
No futuro, antecipamos que todas as impressoras 3D de metal serão equipadas com sistema de controle de malha fechada, o que aumentará significativamente a repetibilidade do processo, reduzindo o risco de falhas na construção.
 

Impressoras 3D de polímero

Embora o hardware de impressão 3D em metal esteja crescendo rapidamente, o hardware de polímero permanece o maior segmento em termos de sistemas em uso. 72 por cento das empresas, pesquisadas para o Relatório Global de Impressão 3D 2019 da EY, usam sistemas de MA em polímero, comparado a 49 por cento que usam os de metal.
 
Fluxo de trabalho menos complexo e maior acessibilidade são os dois fatores-chave para escolher impressoras 3D de polímero em vez de metal.

 
Similar ao mercado de impressão 3D em metal, o mercado de polímero é dividido por várias tecnologias, incluindo Fabricação por Filamento Fundido (FFF), Estereolitografia (SLA)/Processamento Digital de Luz (DLP), Sinterização Seletiva a Laser (SLS) e Multi Jet Fusion (MJF), com muitas novas tecnologias aguardando comercialização nos próximos anos.
 
Cada uma destas tecnologias está passando por evolução, à medida que empresas visam desenvolver soluções profissionais confiáveis, tanto para produção quanto prototipagem.
 
Talvez os desenvolvimentos mais impressionantes estejam ocorrendo no segmento de hardware SLA/DLP. Estas tecnologias estão se tornando verdadeiras soluções de produção, especialmente para indústrias como odontológica e bens de consumo. Por exemplo, impressoras 3D SLA são usadas para produzir a maioria dos moldes para alinhadores dentais transparentes, produzindo centenas de milhares de dispositivos por ano.
 
No entanto, a tecnologia ainda precisa amadurecer para ir além apenas de moldes e permitir a produção direta de tais dispositivos.
 
Quando se trata do hardware com maior base instalada, impressoras 3D FFF permanecem no topo. Isso pode ser explicado pela popularidade de impressoras 3D FDM desktop acessíveis de empresas como Ultimaker e Makerbot.
 

Desenvolvimentos empolgantes em impressoras 3D SLS

 
Passando para impressoras 3D SLS, este setor também viu desenvolvimentos notáveis. Um exemplo envolve a Aerosint, empresa belga, que está trabalhando em um sistema SLS capaz de imprimir com dois pós diferentes. Isso permitirá que a máquina use um pó como material de suporte barato.
 
Normalmente, o pó de suporte não fundido em uma máquina SLS é o mesmo material usado para imprimir a peça, e tende a ser caro. Introduzir uma máquina que possa usar material de suporte barato e um segundo material para impressão da peça, poderia economizar quantia significativa para quem usa processos SLS.
 
Outro desenvolvimento que pode reimaginar a impressão 3D SLS vem da EOS. Na Formnext 2018, a EOS estreou um sistema LaserProFusion vindouro que promete tornar a produção de polímeros 3D 10 vezes mais rápida. Para alcançar este feito, a empresa gastou mais de 8 anos reimaginando a tecnologia a laser usada no processo.

 
Enquanto máquinas SLS atuais usam um, ou alguns, lasers CO₂, o sistema LaserProFusion será capaz de usar até um milhão de lasers de diodo. Isso permitirá criar peças, não apenas com alta resolução, mas também em velocidade de impressão muito maior, potencialmente rivalizando com injeção de moldagem.
 
A tecnologia está prevista para lançamento comercial nos próximos anos.
 

O rápido crescimento do HP Multi Jet Fusion

 
O MJF entrou no mercado em 2016, quando a HP revelou publicamente sua entrada na impressão 3D e lançou sua primeira impressora 3D de polímero. Desde então, o MJF tornou-se um dos processos de impressão 3D de polímero de crescimento mais rápido. Mais de 10 milhões de peças teriam sido produzidas usando impressoras 3D MJF da HP em 2018.
 
O MJF, que pertence à família de fusão de leito de pó como o SLS, tem vantagens em precisão dimensional e propriedades de material, tornando possível imprimir peças de alta tolerância que são superiores tanto em resistência quanto flexibilidade.
 
A HP está comprometida em avançar a tecnologia MJF. No ano passado, lançou a série Jet Fusion 5200. Esta nova série expande o portfólio MJF existente da HP, que também inclui as séries Jet Fusion 300/500 para prototipagem funcional e Jet Fusion 4200 para pequenas séries e produção. A nova série de impressoras 3D adiciona ao portfólio, oferecendo solução para produção em volume.

 
Entre as características mais notáveis da Série 5200 está a potência aprimorada das lâmpadas dentro das impressoras 5200. Isso permite que o novo sistema funda o pó em uma única passada, ao contrário do modo de duas passadas nos sistemas anteriores. Como resultado, o sistema tem 40 por cento de melhoria na produtividade e abre possibilidades para impressão 3D de materiais de alta temperatura.
 

Impressoras 3D desktop profissionais

O mercado de impressão 3D desktop é um dos mais jovens dentro do setor de hardware. Seu surgimento remonta ao início do 'movimento maker', no final dos anos 2000. O movimento trouxe a revolução da impressão 3D de consumo, que, no entanto, colapsou rapidamente devido à falta de demanda no mercado de consumo.
 
O estouro do hype em torno da impressão 3D de consumo forçou muitas empresas de impressoras 3D desktop a fechar. No entanto, algumas sobreviveram ao transicionar do consumidor para o mercado profissional e empresarial.
 
Isso permitiu que fornecedores como Ultimaker, MakerBot e Formlabs entrassem, crescessem e prosperassem.
 
Esta mudança também revelou uma necessidade crescente de sistemas industriais que sejam menores e uma fração do custo de suas contrapartes maiores.
 
Mudar o foco para usuários profissionais exigiu que fornecedores de impressoras 3D desktop reformulassem suas soluções. Isso resultou na introdução de recursos industriais que antes eram encontrados apenas em impressoras 3D de ponta. Por exemplo, mesa aquecida, gabinete e extrusora dupla tornaram-se elementos necessários de impressoras 3D FFF desktop visando aplicação profissional. Geralmente, empresas têm tentado tornar sistemas mais produtivos e confiáveis mantendo formato compacto.
 
Considerando SLA desktop, a Formlabs continua uma das empresas líderes neste setor. Afirma ser a maior vendedora mundial de impressoras 3D SLA desktop, com mais de 40.000 sistemas vendidos.

 
Em 2019, a Formlabs introduziu uma nova tecnologia, chamada Estereolitografia de Baixa Força (LFS). O processo LFS oferece detalhe e acabamento superficial aprimorados, graças ao seu tanque flexível que diz reduzir forças nas peças durante a impressão.
 
Construída sobre a avançada tecnologia LFS, as novas impressoras 3D Form 3 e Form 3L da Formlabs estão ajudando a preencher a lacuna entre impressão 3D desktop e de grau industrial.
 

Impressoras 3D cerâmicas

Em 2020, a impressão 3D cerâmica não é tão bem estabelecida quanto tecnologias de polímero e metal. A tecnologia ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento, embora prevista para atingir maturidade nos próximos 5 a 6 anos.
 
Devido à novidade da tecnologia, há um punhado de fornecedores oferecendo sistemas para impressão 3D de cerâmicas. Entre eles estão 3D Systems, ExOne, Prodways, Lithoz, 3DCeram e XJet.
 
Um desenvolvimento que poderia ser particularmente transformador para a impressão 3D cerâmica é a introdução da Tecnologia de Jateamento de Nanopartículas (NPJ) da XJet.

 
Estreada em 2016, a NPJ é um tipo de inkjeting onde nanopartículas de material (podem ser cerâmicas ou metálicas) são suspensas em formulação líquida. Então milhares de bicos no sistema XJet jateiam milhões de gotas ultrafinas destas suspensões líquidas, tanto o material de construção quanto o de suporte.
 
Uma impressora XJet mantém alta temperatura interna (até 300°C) durante o processo de impressão. Isso ajuda a queimar o líquido conforme é depositado, resultando em peça sólida. A peça saindo da impressora, no entanto, permanece em estado verde e precisa de sinterização subsequente para completar a solidificação.
 
A impressão 3D inkjet é conhecida por sua precisão e capacidade de alcançar alto nível de detalhe. Isso significa que sistemas XJet são potencialmente capazes de criar peças acabadas de quase qualquer geometria, incluindo aquelas com furos minúsculos, paredes finas, arcos desafiadores e arestas vivas.
 
Aplicações como componentes para novo tratamento de câncer de mama e antenas impressas em 3D já mostraram a adequação das impressoras 3D da XJet para aplicações industriais.
 
Apesar do progresso recente, ainda há um longo caminho pela frente para a impressão 3D cerâmica. No entanto, à medida que a demanda por peças cerâmicas impressas em 3D cresce, a impressão 3D de cerâmica se tornará, em última análise, uma seção importante e lucrativa da indústria manufatureira.
 

Impressoras 3D eletrônicas

Como o mercado cerâmico, o mercado de impressão 3D para eletrônicos ainda é relativamente jovem, mas guarda grande promessa. Atualmente, apenas algumas empresas fornecem hardware para impressão 3D de eletrônicos, com nomes como Nano Dimension e Optomec liderando.
 
As tecnologias por trás dos sistemas da Nano Dimension e Optomec são vastamente diferentes, mas oferecem oportunidade igualmente empolgante para prototipagem e produção direta de componentes eletrônicos, como antenas, Placas de Circuito Impresso (PCBs), capacitores e sensores.
 
Um desenvolvimento que gerou muita atenção recentemente envolve a introdução da Manufatura Digital Lights-Out (LDM) DragonFly.

 
O sistema baseia-se no sistema DragonFly Pro da Nano Dimension, lançado em 2017, para permitir que engenheiros e designers prototipem rapidamente componentes eletrônicos. Diz-se que o LDM leva estas capacidades além da prototipagem, para entregar manufatura interna, 24/7, para pequenas séries de pequenas quantidades de peças.
 
Como versões anteriores dos sistemas de impressão 3D da Nano Dimension, este sistema funciona por co-deposição de materiais condutivos e isolantes em um substrato de PCB. O que é diferente, no entanto, é a produtividade da máquina, que aumentou mais de 40 por cento, comparada à DragonFly Pro.
 
Avanços como este são encorajadores, pois ajudam a expandir os limites da impressão 3D eletrônica, além da prototipagem. Embora ainda haja muito a fazer, não apenas em hardware mas também materiais e software, definitivamente estabelece a base para a impressão 3D eletrônica atingir maturidade.
 

Hardware de impressão 3D: Alcançando a confiabilidade definitiva

O setor de hardware de impressão 3D está evoluindo rapidamente, à medida que empresas constantemente melhoram sistemas disponíveis e desenvolvem soluções de hardware totalmente novas.
 
Dito isso, o custo do equipamento permanece um dos maiores impedimentos para investir em MA. Segundo o Relatório Global de Impressão 3D 2019 da EY, 87 por cento das empresas veem preços altos dos sistemas como barreira crítica à adoção de impressão 3D. Isso significa que reduzir o custo de equipamentos de MA será chave para expandir o uso da tecnologia.
 
A indústria de impressão 3D está resolvendo esta questão introduzindo impressoras 3D desktop mais acessíveis e máquinas compactas de MA em metal.
 
Enquanto isso, está claro que a indústria de hardware de impressão 3D foi afetada pelo surto da pandemia, com envios vendo queda não surpreendente. A empresa de pesquisa de mercado CONTEXT indica que receitas de hardware no mercado geral de impressoras 3D caíram -27 por cento em relação aos números do ano anterior. Quase todas as 20 principais empresas de impressoras industriais ocidentais viram declínios consideráveis ano a ano no número de impressoras 3D enviadas.
 
Dito isso, fornecedores de impressão 3D têm relatado interesse renovado na tecnologia ao longo do Q3 — de novos setores assim como mercados conhecidos. Segundo a CONTEXT, eles esperam que este interesse se converta em pedidos no Q4.
 
Em suma, a demanda por sistemas industriais mais sofisticados continuará a alimentar a evolução do hardware de MA. Nos próximos cinco anos, esperamos que o hardware de impressão 3D atinja confiabilidade muito maior, graças a soluções de monitoramento em processo e integração mais apertada com software.