ARMUPÇÃO Sobrevivente na fabricação aditiva

Mesmo quando a fabricação aditiva (AM) interrompe os processos de fabricação tradicionais, a própria indústria AM está sendo interrompida. Um número crescente de jogadores - ambas as empresas e startups estabelecidas - entrou no mercado ou expandiu seus papéis na cadeia de valor. Muitos desses players estão desafiando o modelo de negócios "Razor and Blade" do setor, no qual os provedores de equipamentos ganham margens altas vendendo impressoras e materiais em um sistema fechado. À medida que um sistema aberto toma conta, os materiais AM se tornarão uma categoria independente vendida diretamente aos usuários finais por fornecedores de materiais grandes e independentes. Os preços dos materiais cairão e a gama de materiais oferecidos aumentará, tornando o AM aplicável a mais casos de uso.

Não deve surpreender que grandes fornecedores de materiais sejam atraídos para o mercado de AM. O mercado está crescendo em tamanho e complexidade à medida que as aplicações AM evoluem da prototipagem para a produção industrializada. (Ver Prepare -se para fabricação aditiva industrializada , BCG Focus, abril de 2017.) Nossa análise constatou que o mercado de materiais AM excedeu US $ 1 bilhão em 2017, enquanto o mercado total de AM excedeu US $ 7 bilhões. Previmos que o mercado de AM continuará a crescer nos próximos anos, embora mais lentamente do que muitas partes interessadas antecipam. Apesar dos preços declinantes, esperamos que as margens dos materiais AM permaneçam altas em comparação com as dos materiais de fabricação convencionais. Todos os jogadores do ecossistema interrompido têm a oportunidade de repensar suas estratégias, a fim de competir por uma maior parte dos pools de lucro. Dominar a interação entre materiais e tecnologias de impressão é fundamental para o sucesso. Essa interação determina as propriedades das peças impressas, afetando diretamente a estabilidade do processo e a qualidade do produto. Os vencedores serão aqueles que aplicam uma profunda compreensão dessa interação à definição e execução de estratégias inovadoras que atendem às necessidades não atendidas dos usuários e garantam a alta qualidade das peças impressas. Além das impressoras de fabricação, alguns provedores de equipamentos usaram matérias -primas fornecidas por fabricantes de produtos químicos para formular materiais usados ​​nos processos AM. Eles também projetaram e simularam produtos. Em alguns casos, os provedores de equipamentos operaram como agências de serviço imprimindo produtos para usuários finais. Hoje, outros jogadores estão interrompendo o ecossistema AM, afirmando -se mais fortemente em seus papéis tradicionais e se expandindo para novos papéis - especialmente aqueles com as margens mais altas. (Consulte o Anexo 1.)

The race for leadership in the growing and profitable AM business is wide open. All players in the disrupted ecosystem have an opportunity to rethink their strategies in order to compete for a greater share of the profit pools. Mastering the interplay between materials and printing technologies is critical to success. That interplay determines the properties of printed parts, directly affecting process stability and product quality. The winners will be those that apply a deep understanding of this interplay to defining and executing innovative strategies that address users’ unmet needs and ensure the high quality of printed parts.

Players Expand Their Roles Along the Value Chain

Equipment providers have traditionally dominated most aspects of the AM value chain. In addition to manufacturing printers, some equipment providers have used raw materials supplied by chemical manufacturers to formulate materials used in AM processes. They have also designed and simulated products. In some cases, equipment providers have operated as service bureaus by printing products for end users. Today, other players are disrupting the AM ecosystem by asserting themselves more strongly in their traditional roles and expanding into new roles—especially those with the highest margins. (See Exhibit 1.)

• Large raw-material players, such as BASF and DSM Somos, sell printable materials qualified for specific technologies directly to end customers, rather than providing materials solely through equipment manufacturers. These suppliers offer a broader range of materials than equipment providers and typically have access to end users (such as production companies), which gives them a strong position in the value chain. For example, Henkel Adhesive Technologies, a chemical manufacturer and formulation specialist, has developed a variety of offerings along the entire value chain. These include producing custom-made formulations, selling printers under the Loctite brand, and reselling printing equipment manufactured by Hewlett-Packard (HP) and Carbon. Henkel also offers services for printing and postprocessing of parts.
• Specialized material formulators and distributors, such as Lehmann & Voss, likewise seek to strengthen their market position by selling material formulations outside the closed systems of equipment manufacturers.
• Design and software companies, including Dassault Systèmes and Siemens, offer new control and design software for printing equipment.
• Contract manufacturers, such as Jabil, print parts for end users, threatening the business of existing service bureaus, which depend heavily on equipment providers for both printers and materials. To reduce this dependency, some service bureaus manufacture their own printers. Service bureaus also face demand-side risks, because many end users are developing their own AM engineering capabilities and buying their own printing equipment. To maintain their relevance in the value chain, some service bureaus offer design services to help end users identify and redesign parts for printing.
• End users have integrated backwards along the value chain. For example, GE has acquired Concept Laser and Arcam, two of the four leading equipment providers for metal-based AM. Arcam includes AP&C, a leading AM powder manufacturer. End users that succeed in identifying blockbuster AM applications and the right combinations of technology and material will be able to use their enhanced buying power to demand lower material prices.

Additionally, manufacturers of 3D printers are seeing competition from startups (such as Desktop Metal and Carbon), as well as from 2D printer manufacturers (such as HP) that have expanded their product lines to include new 3D-printing technology.

O mercado está evoluindo para um sistema aberto

O que motivou as empresas a fazer movimentos disruptivos na cadeia de valor AM? Simplificando, a torta está ficando maior. O que foi um pequeno mercado está se expandindo rapidamente à medida que o AM é cada vez mais usado em aplicações industriais. Até agora, o mercado de AM teve margens mais altas em toda a cadeia de valor do que a fabricação tradicional. Isso é especialmente verdadeiro para as vendas de materiais, com marcas de várias centenas de por cento em alguns casos.

A expansão do mercado está tendo um efeito dramático na demanda por materiais AM. Até recentemente, os usuários finais da AM precisavam de baixos volumes de materiais. Dado o pequeno tamanho do mercado, os fornecedores de materiais forneciam oportunisticamente materiais para aplicações AM, principalmente por meio de provedores de equipamentos. De fato, a maioria dos equipamentos AM foi vendida em um sistema fechado no qual os provedores de equipamentos oferecem máquinas e materiais para os usuários finais. O provedor de equipamentos calibra a máquina para um material específico, aprimora as propriedades do material e vende o material em uma marcação significativa. Os clientes também podem alugar a capacidade AM a partir de agências de serviços, que compram máquinas e materiais de fornecedores de equipamentos. Os clientes estão dispostos a aceitar um sistema fechado no início-pequena escala-estágios de adotar um novo processo de fabricação. Como eles estão ganhando experiência com AM através de aplicações de baixo volume em P&D e prototipagem, os usuários normalmente desejam garantir que os sistemas funcionem e, portanto, estão dispostos a aceitar preços mais altos em comparação com uma aplicação industrial.

Os fornecedores de materiais responderam à maior demanda, desenvolvendo materiais especificamente destinados à AM. Eles também estão buscando uma parcela maior de margens, fornecendo diretamente usuários finais. Ao desenvolver materiais específicos de aplicativos e direcionando sua base de clientes existente, os fornecedores aumentaram a pressão sobre os fabricantes de equipamentos para abrir seus sistemas e compartilhar suas margens altas. Essas tecnologias - que incluem a fabricação aditiva de grandes áreas de Cincinnati e o Freeformer de Arburg - competem direcionadamente com a tecnologia existente que usa formulações especiais de AM. (Consulte Anexo 2.) A tendência para um sistema aberto já é evidente para equipamentos que utilizam processos AM baseados em metal. Os sistemas fechados ainda predominam em processos baseados em polímeros, onde os provedores de equipamentos são, até certo ponto, responsáveis ​​pela formulação de material. À medida que os processos de AM se tornam mais amplamente adotados para a produção industrial de maior volume, os sistemas abertos provavelmente prevalecerão em todo o setor. A mudança em direção a sistemas abertos representa uma ameaça para os provedores de equipamentos cuja lucratividade depende da venda de materiais. De fato, eles estão fazendo fortes esforços para proteger sua participação no mercado de materiais AM. Esses esforços incluem o fornecimento de cartuchos de filamentos "lascados" que exigem que os usuários utilizem filamentos vendidos apenas pelo provedor de equipamentos, além de excluir equipamentos da cobertura da garantia se o usuário não utilizar o material do provedor de equipamentos. Uma compreensão aprofundada do cenário de materiais AM fornece uma base sólida para o desenvolvimento de uma estratégia vencedora em toda a cadeia de valor. Os usuários finais precisam de uma ampla variedade de materiais imprimíveis para acomodar a diversidade de aplicativos para os quais desejam utilizar AM. Além disso, muitas tecnologias atualmente em uso requerem tipos específicos de materiais. (Veja o Anexo 3.)

Equipment providers’ high markups for materials are also threatened by emerging technologies that can print raw-material granulates directly. These technologies—which include Cincinnati’s Big Area Additive Manufacturing and Arburg’s Freeformer—directly compete with existing technology that uses special AM formulations.

In light of these developments, we expect users to increasingly demand an open system in which they can purchase materials qualified for specific equipment directly from their preferred material suppliers. (See Exhibit 2.) The trend toward an open system is already evident for equipment that uses metal-based AM processes. Closed systems still predominate in polymer-based processes, where equipment providers are, to some extent, responsible for material formulation. As AM processes become more widely adopted for higher-volume industrial production, open systems will likely come to prevail throughout the industry. The shift toward open systems poses a threat to those equipment providers whose profitability depends on selling materials.

Equipment providers are not ready to relinquish their preeminent position in the value chain. Indeed, they are making strong efforts to protect their share of the AM materials market. These efforts include providing “chipped” filament cartridges that require users to utilize filament sold only by the equipment provider, as well as excluding equipment from warranty coverage if the user does not utilize the equipment provider’s material.

In order to successfully compete for market leadership, other players must match equipment providers’ knowledge of the interplay between materials and printing technology. An in-depth understanding of the AM materials landscape provides a solid foundation for developing a winning strategy across the value chain.

A Diverse Materials Landscape

Materials for industrialized AM include polymers, composites, and metal powders. End users need a wide variety of printable materials to accommodate the diversity of applications for which they want to utilize AM. Moreover, many technologies currently in use require specific types of materials.

Polymers

Many different types of polymers are used today, including thermoplastic filaments and powders and liquid photopolymers, and others are being developed. (See Exhibit 3.)

The spectrum ranges from basic-performance polymers such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS), a low-cost engineering plastic, to high-performance materials, such as representatives of the polyaryletherketone family. Os polímeros de alto desempenho são duráveis, oferecendo resistência à fadiga, estabilidade térmica e resistência química. O ABS e o ácido polilático (PLA) são os polímeros mais usados ​​para os processos baseados em filamentos baixos. O PLA está ganhando popularidade e pode superar o ABS como o material preferido em um futuro próximo, devido às suas propriedades estéticas superiores, capacidade de promover a precisão de peça e biodegradabilidade. As poliamidas são uma família de materiais usados ​​para componentes de alta resistência. Uma versão, PA12, é mais comumente usada para sinterização seletiva a laser. Existem quatro categorias principais de tecnologias estabelecidas: fotopolimerização do IVA, jato de material, extrusão termoplástica e fusão de leito de pó. As tecnologias emergentes incluem fusão multi-jato (MJF), uma tecnologia de sinterização de alta velocidade desenvolvida pela HP e produção contínua de interface líquida, desenvolvida pelo carbono. Segundo seus fabricantes, as tecnologias de sinterização de alta velocidade, incluindo o MJF, são 10 a 100 vezes mais rápidas que outros processos de impressão 3D. Como diferentes processos ainda estão competindo e permanecerão relevantes para diferentes aplicações, uma tecnologia "vencedora" ainda não surgiu para a AM baseada em polímeros. O MJF, por exemplo, usa dois tipos de agentes: detalhando agentes que inibem a sinterização (termicamente ou mecanicamente) para permitir um detalhamento maior nas bordas de uma peça impressa e absorventes ou agentes de fusão que permitem o processo de sinterização quando desejado. Outras tecnologias de sinterização de alta velocidade promovem a fusão usando tinta que absorve a radiação infravermelha, sem a necessidade de um agente detalhado. A maior adoção de tecnologias de sinterização de alta velocidade levará a um aumento significativo na demanda pelos agentes químicos necessários. O processo de fabricação convencional mais estabelecido que utiliza polímeros é a moldagem por injeção, que usa granulados de polímero. Como os granulados normalmente não são moldados para AM, novas formulações e etapas adicionais de processo são necessárias para transformá -las em pós de polímero imprimível, filamentos e fotopolímeros. Apesar dos desafios, as primeiras tecnologias que utilizam granulados de polímeros chegaram ao mercado, como a fabricação aditiva de grandes áreas de Cincinnati e o Freeformer de Arburg, mencionado acima. As peças feitas de compósitos são mais duráveis ​​e estáveis ​​do que as feitas de polímeros e pesam menos. São necessários compósitos de alta resistência e alta tensão para desbloquear novas aplicações e substituir, pelo menos parcialmente, aplicações metálicas. (Veja o Anexo 4.) As ligas comumente usadas são baseadas em níquel, cobalto, titânio ou alumínio. As ligas à base de níquel (como o Inconel) são resistentes à corrosão, têm alta resistência mecânica e podem ser endurecidas. As ligas à base de cobalto são fortes e duras e resistentes a altas temperaturas e corrosão. As ligas de titânio são leves, fortes por densidade, resistente à corrosão e biocompatíveis. As ligas de alumínio, usadas para fundição, têm baixa densidade de material e são leves e fáceis de processar. Pós de aço e aço inoxidável também são usados. Ambos são resistentes à corrosão e adequados ao pós-processamento de alta ductilidade. As ligas de cobre (atualmente em desenvolvimento) e metais preciosos (principalmente ouro e prata) são usados ​​apenas em pequenos volumes para aplicações de nicho. Os fabricantes preferem usar pós de titânio e alumínio. Embora os custos de produção sejam mais baixos para o alumínio, o titânio teve uma vantagem até o momento devido às suas propriedades mecânicas superiores e à resistência térmica e de corrosão. Nos próximos anos, esperamos que as ligas de alumínio padrão sejam substituídas por ligas de alumínio especializadas que superam o titânio de uma perspectiva econômica. (Consulte “Batalha dos metais: ligas de alumínio especializadas versus titânio”.) Nos próximos dez anos, a participação especializada em ligas de alumínio no mercado de materiais AM de alumínio aumentará drasticamente, representando até três quartos de 1930 em 2027.

Chemical companies are developing materials for both established and emerging polymer technologies. There are four main categories of established technologies: vat photopolymerization, material jetting, thermoplastic extrusion, and powder bed fusion. Emerging technologies include Multi Jet Fusion (MJF), a high-speed sintering technology developed by HP, and continuous liquid interface production, developed by Carbon. According to their manufacturers, high-speed sintering technologies, including MJF, are 10 to 100 times faster than other 3D-printing processes. Because different processes are still competing and will remain relevant for different applications, a “winning” technology has yet to emerge for polymer-based AM.

Additionally, companies are developing chemical agents for use in polymer-based AM processes, typically for high-speed sintering technologies. MJF, for example, uses two types of agents: detailing agents that inhibit sintering (thermally or mechanically) in order to allow for greater detailing around the edges of a printed part, and absorbers or fusion agents that enable the sintering process where desired. Other high-speed sintering technologies promote fusion by using ink that absorbs infrared radiation, without the need for a detailing agent. The greater adoption of high-speed sintering technologies will lead to a significant increase in demand for the required chemical agents.

To date, fewer high-volume industrial AM applications have been developed for polymers than for metals. The most established conventional manufacturing process that utilizes polymers is injection molding, which uses polymer granulates. Because granulates typically are not shaped for AM, new formulations and additional process steps are required to transform them into printable polymer powders, filaments, and photopolymers. Despite the challenges, the first technologies that utilize polymer granulates have arrived in the market, such as Cincinnati’s Big Area Additive Manufacturing and Arburg’s Freeformer, mentioned above.

Composites

We expect composites (polymers enhanced with carbon fibers or other materials) to become increasingly important for printing large parts. Parts made from composites are more durable and stable than those made from polymers, and they weigh less. High-strength and high-tensile composites are needed to unlock new applications and replace, at least partially, metal applications.

Metal Powders

The landscape for metal powders is also diverse. (See Exhibit 4.) Commonly used alloys are based on nickel, cobalt, titanium, or aluminum. Nickel-based alloys (such as Inconel) are corrosion resistant, have high mechanical strength, and can be hardened. Cobalt-based alloys are strong and hard and resistant to high temperatures and corrosion. Titanium alloys are lightweight, strong per density, corrosion resistant, and biocompatible. Aluminum alloys, used for casting, have low material density and are lightweight and easy to process. Tool steel and stainless steel powders are also used. Both are corrosion resistant and well suited to high-ductility postprocessing. Copper alloys (currently in development) and precious metals (mainly gold and silver) are used only in small volumes for niche applications.

Given the need for lightweight structures, especially in aerospace and automotive applications, manufacturers prefer to use titanium and aluminum powders. Although production costs are lower for aluminum, titanium has enjoyed an advantage to date owing to its superior mechanical properties and thermal and corrosion resistance. In the coming years, we expect standard aluminum alloys to be replaced by specialized aluminum alloys that outperform titanium from an economic perspective. (See “Battle of the Metals: Specialized Aluminum Alloys Versus Titanium.”) Over the next ten years, specialized aluminum alloys’ share of the aluminum AM materials market will increase dramatically, representing up to three-quarters of the market by 2027. The share of standard aluminum alloys will decline from around 90% in 2017 to between 25% and 30% in 2027.

Powder bed fusion is the leading technology used for metal-based AM, with a market share of approximately 85%. This technology benefits from utilizing powder developed for traditional manufacturing processes (such as coating applications or metal injection molding). However, it is becoming more common for suppliers to develop materials especially for AM processes. Material suppliers are moving from a generalist approach for AM materials to providing alloys and materials for specific industries and applications. Aeromet International, for instance, is developing an aluminum-copper alloy specifically for high-strength, high-temperature aerospace applications. Similarly, Cooksongold has developed gold material for AM applications in the jewelry industry.

During the past two years, several companies have entered the market to supply AM metal powder. For example, Arconic (formerly part of Alcoa) announced that it was investing in a new facility to produce metal for AM applications. PyroGenesis Canada spun off a business unit that focuses on powder production for AM. Carpenter Technology, a producer of specialty alloys, has expanded into metal AM powder production by acquiring Puris, a producer of titanium powder, and LPW Technology, a supplier of AM metal powders and powder management solutions.

Suppliers with a broad portfolio of metal powders that cater to a wide array of customer needs are especially well positioned to grow their businesses as suppliers of AM material. The process for powder production inevitably creates particles of varying sizes that are suited for different manufacturing processes. It is not possible to solely produce powder that is suitable for AM. For example, AM powder production typically requires the use of a gas atomization process, but only a fraction of the powder produced through this process is suitable for AM.

To produce metal powder for AM, companies must overcome constraints that affect the economic and technical viability of running a production facility. First, different processes and equipment are used depending on the type of metal produced. For example, to reduce the risk of oxidation and explosion, a different type of gas atomizer is required in the production of aluminum powder than in the production of other metal powders. Second, because many industries and applications have requirements regarding powder purity, companies often cannot produce different materials within the same machine chamber.

Em teoria, as empresas que atualmente produzem pó de metal para usos não-AM podem começar a produzir pós específicos para AM. No entanto, na prática, apenas um número limitado de empresas é capaz de produzir metais AM da qualidade necessária. Consequentemente, muitos fornecedores de materiais terceirizam a produção de pó AM e se concentram na formulação e distribuição de novas ligas.

Identificando a estratégia certa para o sucesso

Cada tipo de jogador ao longo da cadeia de valor AM precisa redefinir sua estratégia para ter sucesso no ecossistema interrompido. Uma empresa deve primeiro identificar qual o mercado não atendido precisa servir. Isso inclui identificar quais setor e aplicações para segmentar, bem como a posição correta da cadeia de valor e as ofertas de produtos. As oportunidades devem ser definidas com precisão, como “desenvolver um polímero PA de alta resistência para uma aplicação de extrusão de material no mercado odontológico” ou “Oferecendo software de design e simulação para apoiar o desenvolvimento de novas partes aeroespaciais estruturais”.

O objetivo inicial deve ser identificar uma lista de aproximadamente 50 a 100 oportunidades específicas. Por exemplo, com base na lista da BCG de mais de 150 oportunidades da AM em várias verticais do setor, uma empresa conseguiu identificar cerca de 80 oportunidades que poderia potencialmente buscar. Para criar uma lista priorizada de aproximadamente dez oportunidades, as empresas devem avaliar cada oportunidade com base em sua atratividade e a viabilidade de competir na área. A revisão de viabilidade leva em consideração se a empresa possui ou pode desenvolver ou acessar prontamente os recursos necessários para ter sucesso. A decisão dependerá da posição inicial da empresa ao longo da cadeia de valor, de suas capacidades e pontos fortes atuais e sua ambição. A maioria das empresas não possui toda a gama de capacidades e conhecimentos necessários para participar de várias partes da cadeia de valor. Para ter sucesso, as empresas devem encontrar maneiras de obter esse conhecimento. Uma opção é formar parcerias em toda a cadeia de valor. (Consulte “O poder das parcerias.”)

A critical issue to assess in this context is whether the company should be active in only one part of the value chain or should tap into adjacent profit pools, such as by offering equipment as well as materials. The decision will depend on the company’s starting position along the value chain, its current capabilities and strengths, and its ambition. Most companies do not possess the full range of capabilities and expertise required to participate in multiple parts of the value chain. To succeed, companies must find ways to obtain this knowledge. One option is to form partnerships across the value chain. (See “The Power of Partnerships.”)

In exploring opportunities and defining strategies, the key players in the value chain should pursue different objectives.

Material or Formulation Suppliers

Suppliers of materials or formulations must determine how to enter the market or expand their roles within it. Strategic objectives range from expanding the offering to enhancing the supply chain.

Expandindo a gama de materiais oferecidos. Esses materiais precisam não apenas corresponder aos requisitos de indústrias -alvo específicas, mas também ser adaptadas às necessidades específicas de aplicativos e clientes. De fato, usuários experientes estão exigindo formulações desenvolvidas e produzidas individualmente para suas aplicações específicas. Também é essencial fornecer uma entrega de materiais necessários e de alta qualidade e de alta qualidade no volume necessário. Uma maneira de obter esse conhecimento é formar parcerias com fornecedores de equipamentos. Por exemplo, a Henkel usou essas colaborações para obter informações sobre as capacidades das impressoras e as ofertas de ajuste iterativamente fino para o benefício dos usuários finais. A empresa foi um dos primeiros a ingressar na plataforma de materiais abertos da HP. Em 2018, tornou -se o primeiro revendedor global das impressoras de fusão de jato multi -jato da HP. Além disso, a Henkel está colaborando com carbono para desenvolver materiais e equipamentos de distribuição especializados para impressoras de fotopolímeros. Também está fornecendo independentemente resinas fotográficas personalizadas para várias aplicações de alto desempenho. Os materiais utilizados para AM industrializados devem atender às especificações exatas da composição química. Para ativar o fluxo e o processamento, por exemplo, os participantes da parceria devem definir e atender às especificações do tamanho de partículas e filamentos. As partículas devem ser esféricas para promover o fluxo, a densidade de embalagem e a distribuição consistente na plataforma de construção. A porosidade do pó de partícula também deve ser especificada com precisão, pois influencia a estabilidade do processo AM e determina a porosidade do componente acabado. Além disso, os materiais AM devem ser certificados como atendendo aos padrões regulatórios para indústrias específicas, como os requisitos da Administração Federal de Aviação dos EUA para aplicações aeroespaciais e os requisitos de administração de alimentos e medicamentos dos EUA para aplicações médicas. To enable end users to utilize AM on an industrialized basis, suppliers must offer a wider range of printable polymers and metal alloys. These materials need to not only match the requirements of specific target industries but also be tailored to the specific needs of applications and customers. Indeed, experienced users are demanding formulations that are individually developed and produced for their specific applications. It is also essential to provide consistently high quality and reliable delivery of materials at the required volume.

Optimizing Materials for AM Processes. Suppliers must gain comprehensive process knowledge in order to develop and optimize AM materials that meet the high-quality requirements of series production. One way to gain this knowledge is to form partnerships with equipment providers. For example, Henkel has used such collaborations to gain insight into printers’ capabilities and iteratively fine-tune offerings for the benefit of end users. The company was among the first to join HP’s open materials platform. In 2018, it became the first global reseller of HP’s Multi Jet Fusion printers. Additionally, Henkel is collaborating with Carbon to develop materials and specialized dispensing equipment for photopolymer printers. It is also independently supplying tailor-made photo resins for various high-performance applications.

Suppliers can collaborate with equipment manufacturers to find ways to overcome limitations of materials that affect the surface quality and properties (thermal, mechanical, and chemical) of final parts. Materials used for industrialized AM must meet exact specifications for chemical composition. In order to enable flow and processing, for instance, partnership participants must define and meet specifications for particle and filament size. Particles must be spherical to promote flow, packing density, and consistent distribution on the build platform. The porosity of particle powder must also be precisely specified, as it influences the stability of the AM process and determines the porosity of the finished component. Additionally, AM materials must be certified as meeting regulatory standards for specific industries, such as US Federal Aviation Administration requirements for aerospace applications and US Food and Drug Administration requirements for medical applications.

Reduzindo os custos.  Hoje, os materiais AM são muito mais caros - com um fator de 10 a 15 - do que os materiais usados ​​nos processos de fabricação convencionais. As colaborações entre fornecedores e instituições de pesquisa acadêmica são essenciais para reduzir o custo da geração de polímeros e metais para aplicações de AM. Embora essa disparidade possa ser aceitável em um contexto de prototipagem, os materiais AM usados ​​para industrialização ampla deve se tornar mais competitiva em custo. Atomizar o metal para produzir pó especificamente para AM é caro. As tecnologias de produção totalmente novas são necessárias para produzir pó em um processo econômico. O processo padrão usado para criar metais para aplicações AM é a atomização de gás. No entanto, estudos de instituições de pesquisa acadêmica e GKN descobriram que a atomização da água é um processo viável de menor custo. Além disso, estão em andamento estudos para avaliar se as abordagens baseadas em não atomização-como eletrólise e hidreto de metal-são alternativas viáveis ​​e de menor custo. Novos métodos, como hidrogenação e desidrogenação, estão atualmente em desenvolvimento e não estarão prontos para aplicações industriais por pelo menos cinco anos. Ao unir forças com a academia para adicionar seus conhecimentos a esses estudos, os fornecedores de materiais podem ajudar a acelerar a inovação.

The cost of polymers for AM applications currently exceeds that of conventional manufacturing materials because the production of printable thermoplastic materials requires a secondary production step (either filament making or powder grinding). Although this disparity may be acceptable in a prototyping context, AM materials used for broad-based industrialization must become more cost competitive.

The metal powder used in AM today is a side product of the process utilized to create powder for conventional manufacturing. Atomizing metal to produce powder specifically for AM is expensive. Entirely new production technologies are required to produce powder in a cost-effective process. The standard process used to create metals for AM applications is gas atomization. However, studies by GKN and academic research institutions have found that water atomization is a viable, lower-cost process. Additionally, studies are underway to assess whether nonatomization-based approaches—such as electrolysis and metal hydride—are viable, lower-cost alternatives. New methods, such as hydrogenation and dehydrogenation, are currently under development and will not be ready for industrial applications for at least five years. By joining forces with academia to add their expertise to such studies, material suppliers can help accelerate innovation.

Curiosamente, nossa análise de mercado indica que a elasticidade dos preços é alta: reduzir os preços dos materiais não leva a um tamanho de mercado significativamente maior em termos de valor monetário. No entanto, a redução dos preços leva a um aumento no tamanho do mercado em termos de tonelagem e volume de material adquirido e, assim, promove a industrialização adicional da AM. Todo o processo de produção para pó (desde o processamento de mineração e matéria-prima até atomização e validação) deve ser visível e rastreável, para que os usuários finais possam ter certeza de que estão usando materiais de alta qualidade para construir peças críticas. Nos processos AM à base de pó, uma quantidade substancial de material permanece no leito de pó após a camada. Os fornecedores devem desenvolver ainda mais processos que testem, reutilizem e reciclem esse pó não usado. A capacidade de reutilizar os materiais reciclados ajudará a reduzir os custos gerais de fabricação, promovendo a adoção da AM. para se destacar em suas principais competências. Por exemplo, eles precisam defender sua posição como a “aranha na web” da engenharia de processos de ponta a ponta. Esse papel implica otimizar a interconexão entre os elementos da máquina e outras partes da cadeia de valor, como design de peça, produção de pó e pós -processamento. Para orquestrar o processo de ponta a ponta, os provedores de equipamentos precisam manter um bom relacionamento com fornecedores de materiais e usuários finais. Além disso, eles devem defender sua experiência em inteligência de máquinas. Isso isso requer novas tecnologias, como inteligência artificial, para otimizar as configurações de máquinas, o software para controlar o processo de construção e o software de monitoramento (como para analisar as características do pool de fusão). Um exemplo é usar chips RFID nas impressoras para permitir a comunicação entre o material e a impressora. A tag RFID pode, por exemplo, transmitir as configurações corretas para um material específico diretamente para a impressora, promovendo a facilidade de uso.

Enhancing the Supply Chain End to End. Suppliers must create an end-to-end supply chain solution for materials that includes ensuring full traceability back to the source and offering to recycle used powder, especially for polymers. The entire production process for powder (from mining and raw material processing to atomization and validation) must be visible and traceable, so that end users can be assured that they are using high-quality materials to build critical parts. In powder-based AM processes, a substantial amount of material remains in the powder bed after layering. Suppliers must further develop processes that test, reuse, and recycle this unfused powder. The ability to reuse recycled materials will help lower overall manufacturing costs, thereby promoting AM adoption.

Equipment Providers

Equipment providers must defend their core offerings and expertise, while pursuing new ways to create value for end users.

Defending a Preeminent Role in Process Engineering and Machine Intelligence. Equipment providers must continue to excel in their core competencies. For example, they need to defend their position as the “spider in the web” of end-to-end process engineering. This role entails optimizing the interconnection between machine elements and other parts of the value chain, such as part design, powder production, and postprocessing. To orchestrate the end-to-end process, equipment providers need to maintain good relationships with material suppliers and end users. Moreover, they must defend their expertise in machine intelligence. This requires new technologies such as artificial intelligence to optimize machine settings, software for controlling the build process, and monitoring software (such as for analyzing the characteristics of the melt pool).

Adding Value to Material Sales. To protect their material sales, equipment providers should explore offering value-adding services to customers that use their branded material. An example is using RFID chips in printers to enable communication between the material and the printer. The RFID tag could, for instance, transmit the right settings for a specific material directly to the printer, promoting ease of use.

Melhorando e estabilizando processos AM. Apesar de muitos avanços recentes, a maioria dos processos AM ainda não é compatível com os métodos de fabricação tradicionais. Uma comparação individual aponta para desvantagens importantes para a AM-refere-se à resistência à tração, durabilidade e acabamento da superfície, por exemplo. A confiabilidade e reprodutibilidade dos processos AM também devem ser aprimoradas. Os esforços estão em andamento para atualizar máquinas existentes ou otimizar o software para que o controle da impressora possa ser ajustado com base no ambiente do equipamento. A Stratasys Direct Manufacturing, por exemplo, otimizou suas impressoras Fortus 900 FDM para imprimir peças para interiores de aeronaves. Os fabricantes de aeronaves aprovaram as impressoras modificadas. As impressoras fortus padrão não receberam essa aprovação, devido a resultados de impressão não confiáveis. Equipment manufacturers can apply their expertise to improve and stabilize AM processes. Despite many recent advances, most AM processes are not yet compatible with traditional manufacturing methods. A one-to-one comparison points to important disadvantages for AM—relating to tensile strength, durability, and surface finish, for example. The reliability and reproducibility of AM processes also must be improved. Efforts are underway to upgrade existing machines or optimize software so that printer control can be adjusted on the basis of the equipment’s environment. Stratasys Direct Manufacturing, for example, has optimized its Fortus 900 FDM printers to print parts for aircraft interiors. Aircraft manufacturers have approved the modified printers. The standard Fortus printers had not received such approval, because of unreliable printing results.

Integração de máquinas no ambiente de produção. A integração requer controles de máquina que possam ser incluídos perfeitamente no sistema de execução de fabricação da fábrica e no software de planejamento de recursos corporativos. Também requer níveis mais altos de automação para reduzir o trabalho manual e os serviços de manutenção abrangente, semelhantes aos de outras máquinas de produção, para reduzir o número de paradas de produção dispendiosas. Because most AM machines are designed for prototyping and single-part production, they cannot be easily integrated into the shop floor. Integration requires machine controls that can be included seamlessly in the factory’s manufacturing execution system and enterprise resource planning software. It also requires higher levels of automation to reduce manual work and comprehensive maintenance services, similar to those for other production machinery, to reduce the number of costly production stops.

Bureaus de serviço

Para manter uma função na cadeia de valor, as agências de serviços devem oferecer para executar atividades distintas de valor agregado que os usuários finais não podem executar.

Expanding Design Services. Hoje, as agências de serviço criam um arquivo imprimível com base em desenhos de design auxiliado por computador. Eles podem expandir sua oferta para apoiar os estágios anteriores do processo de design e a simulação das propriedades físicas de uma parte impressa. Eles também podem fornecer um serviço de consultoria que suporta usuários AM, desde o estágio de design até o processo de impressão. Esse serviço ajudaria a abordar a lacuna na experiência em design no ecossistema AM. Poucos engenheiros de design e desenvolvimento industrial entendem a ampla aplicabilidade da AM na produção. Como resultado, eles geralmente projetam novas peças que devem ser produzidas usando processos de fabricação tradicionais.

Identificando oportunidades de otimização. Por exemplo, a EOS oferece esse serviço por meio de sua filial de consultoria, Additive Minds. Para apoiar os clientes de maneira eficaz, as agências de serviços precisarão criar seus conhecimentos sobre aplicações específicas do setor, tanto as usadas atualmente quanto as novas que podem ser desenvolvidas. Service bureaus can support their customers in identifying which products or spare parts can be optimized using AM. For example, EOS offers such a service through its consultancy branch, Additive Minds. To support customers effectively, service bureaus will need to build their expertise regarding industry-specific applications, both those currently used and new ones that could be developed.

Educando os engenheiros da AM. Eles podem aplicar seus conhecimentos de longa data para treinar engenheiros em empresas maiores que precisam imprimir suas peças internamente. Os departamentos de serviço também podem desenvolver uma oferta que permita que seu pessoal opere máquinas AM localizadas nas instalações de um fabricante, assim como a obtenção da força de trabalho no local do fabricante. Quais jogadores vencem a corrida dependerão amplamente das decisões e ações de cada empresa. A inovação é necessária não apenas para produtos e serviços, mas também com relação à forma como as empresas competem. Os provedores de equipamentos precisam reorientar ou até redefinir sua estratégia para manter suas posições fortes na cadeia de valor. Outros participantes devem fazer um rápido progresso ao longo da curva de aprendizado AM, a fim de alcançar a ampla variedade de objetivos necessários para a liderança do mercado. Para explorar completamente as vantagens da tecnologia e embarcar em um caminho de crescimento sustentável, todos os jogadores devem colaborar para educar os usuários e ajudar a identificar novos aplicativos, especialmente para peças explicitamente projetadas para AM. As empresas que terem sucesso capturarão os benefícios da interrupção, evitando seus riscos. Daniel Küpper Service bureaus have a unique opportunity to help manufacturers close existing talent gaps relating to the design of AM parts and the integration of AM equipment into a production environment. They can apply their longstanding expertise to train engineers at larger companies that need to print their parts in-house. Service bureaus can also develop an offering that allows their personnel to operate AM machines located in a manufacturer’s facility, thus upskilling the workforce at the manufacturer’s site.

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The entire AM ecosystem is being disrupted, requiring each player to rethink its strategy for gaining a competitive advantage. Which players win the race will largely depend on each company’s decisions and actions. Innovation is required not only for products and services but also with respect to how companies compete. Equipment providers need to refocus or even redefine their strategy in order to maintain their strong positions in the value chain. Other players must make rapid progress along the AM learning curve in order to achieve the wide variety of objectives required for market leadership. To fully exploit the advantages of the technology and embark on a sustainable growth path, all players must collaborate to educate users and help to identify new applications, especially for parts explicitly designed for AM. Companies that succeed will capture the benefits of disruption while avoiding its hazards.