聚合物增材制造市场当今与未来

1、照片来源：FIT Additive Manufacturing Group聚合物增材制造市场:当今与未来2020年9月市场、设备和材料大型化工公司的新战场在本研究中，我们仔细研究了聚合物增材制造领域。自1987年投入商业运营以来，这一领域已引起越来越多的关注。这是我们在增材制造（AM）系列研究中的第六篇，而之前两篇是关于金属AM的讨论：将金属3D打印提高到一个新水平和在金属3D打印方面取得进步。在本文中，我们研究了聚合物增材制造价值链中发生的变化，以及机器和材料市场的最新发展（见图1）。聚合物增材制造市场随着不同技术、材料和参与者增多，正变得越来越复杂在过去的二十年中，聚合物增材制造市场在用户

2、数量、材料、系统和应用方面取得了重大进步。现在，越来越多的公司进入该市场，不仅仅提供材料和机器，还提供服务和软件的多元化产品组合。生产出的串联AM聚合物和它们的应用场合在增加，这一变化永久地改变了某些行业。例如，聚合物AM可以生产随个体定制的助听器、牙科护齿器、假肢和矫形器，从而提高患者的生活质量并改善医疗效果。同时，打印出来的消费品，如鞋、睫毛膏刷和剃刮设备，表明客户愿意为使用新技术生产的商品付 费。这种支付意愿，以及只能用这种制造方法才能形成的复杂的几何形状，是为聚合物增材制造零件高成本辩护的两个主要论据。每种应用通常都会带来些独特的要 求，并且当前市场上发现的八种聚合物AM技术都有其自己

3、的优势（见图2），这使得这八种技术在将来很可能继续共存。使用不同技术生产的零件特性不同（例如机械强度和表面质量），因此生产过程的速度和成本也不同。如下所述，还可以根据它们在聚合物材料金字塔中的位置以及原料是树脂基、粉末基还是长丝来对不同技术进行分类。图1聚合物增材制造设备和材料价值链机器直销机械零部件供应商基础化学品和原料供应商聚合物AM机器OEM聚合物增材材料生产商机器租赁模式间接销售直接销售AM零件生产商资料来源： 罗兰贝格自下而上的分析表明，构成市场核心的专业聚合物增材制造机器的单位销量从2009年到2024年预计增长13。每种技术和材料服务于一部分市场最常用于聚合物AM的材料类别是树脂

4、基、粉末基和长丝。树脂基材料由环氧基或甲基丙烯酸酯基团和光引发剂组成，它们暴露在光或激光下会一起固化。粉末是受控的球形颗粒，例如不同链长的聚酰胺（PA）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚丙烯（PP）和聚醚醚酮/聚醚酮酮（PEEK/PEKK ）在SLS和MJF工艺中烧结在一起，或者在BJ工艺中“粘合”在一起。细丝是长且不同直径的圆柱形聚合物，缠绕在线轴上。材料选择范围非常广泛，从聚丙酸（PLA）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）到聚乙烯亚胺（PEI）和碳纤维填充长丝。此外，此类材料的范围逐年增加，以满足不同客户应用程序的需求。究竟是什么推动了近年来的市场增长？机器销售增长是主要因素。自2007年以来，专业

5、机器（价格在5,000欧元或以上的机器）的销售的年增长率为13（见图3）。整个市场的规模取决于安装的基数、机器利用率、打印速度和开发以及材料。在此基础上，我们认为两位数的市场增长速度是合理的。但是，我们预计增长率不会超过30。每种技术在整个市场中的份额一直相当稳定，不过CDLP和MJF工艺的出现改变了这种格局。加快采用速度面临的主要障碍仍然是可用材料、制造速度和尺寸、以及零件和机器的成本。图2聚合物增材制造技术特性概述树脂基粉末基单纤维桶光聚合材料喷射粉末床融合粘合剂喷射挤压SLA立体光刻DLP数字光处理CDLP连续数字光处理MJ材料喷射MJF多喷射融合SLS选择性激光烧结BJ粘合剂喷射FDM

6、熔融沉积建模激光固化用投影机固化用LED和氧气固化用紫外线固化 用试剂和能量融合激光融合与粘合剂结合通过喷嘴挤出制造原理激光束固化由DLP投影机的光固化DLP投影机发出的光使光敏聚合物连续固化通过打印头+曝光使光敏聚合物分散通过打印头+加热分散熔融剂激光热能烧结粉末床的区域在聚合物粉末上沉积（有色）胶通过喷嘴沉积熔融材料制造速度慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快慢快核心材料高性能发动机标准仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯仿聚氨酯仿聚丙烯力学性能表面质量制造费用低高低高表面粗糙度低表面粗糙度高低高低高低High低高低高低高

7、资料来源：罗兰贝格图3聚合物增材制造设备的销售和技术份额桶光聚合数字光处理桶光聚合桶光聚合桶光聚合熔融沉积建模2009材料喷射熔融沉积建模2014数字光处理熔融沉积建模2019数字光处理连续数字光处理熔融沉积建模粘合剂喷射2024数字光处理选择性激材料喷射粘合剂喷射粘合剂喷射材料喷射选择性激光烧结连续数字光处理粘合剂喷射光烧结选择性激 多喷射融合光烧结选择性激 多喷射融合多喷射融合光烧结材料喷射聚合物增材制造设备销售额30,00020,000CAGR 20092024+13%10,00002009201420192024资料来源：罗兰贝格许多OEM厂商最近已进入市场，我们认为这一趋势将持续下去

8、。随着OEM厂商数量的增长快过机器销售的增 长，总体竞争将加剧。专业机器的销售预计将以稳健的速度增长对机器销售的分析表明，尽管机器市场总体上在增长，但是预计的细分增长率很大程度上取决于相关技术（参见图4）。因此，在CDLP挤占了DLP的市场、MJF部分蚕食 SLS市场的同时，比照MJ和MJF提供的力学强度和颜色选择，BJ由于劣势预计将变得更不重要。FDM将得益于廉价的机器和材料，可以只用便宜桌面系统而不用制造成本超过5,000欧元的专业系统，以及庞大的安装基数。尽管如此，因为可以打印出尺寸较大的零件，连续碳纤维FDM挤出成型近来引起了广泛的关注。它是一种将高强度碳纤维挤出到普通FDM细丝旁边以

9、提高碳纤维区域的力学强度的技术。从现在至将来，我们在已安装的机器基础上都会看到共存技术图4聚合物增材制造设备的销售(按技术分类)桶光聚合树脂基材料喷射粉末基粉末床融合粘合剂喷射单纤维挤压SLA桶光聚合DLP数字光处理CDLP连续数字光处理MJ材料喷射MJF多喷射融合SLS选择性激光烧结BJ粘合剂喷射FDM熔融沉积建模激光固化用投影机固化聚合物增材制造设备销量7,000用LED和氧气固化用紫外线固化用试剂和能量融合激光融合与粘合剂结合通过喷嘴挤出+1%+10%3,500+8%+10%+19%0+15%+2%-1%2014 2019 2024 2014 2019 2024 2014 2019 20

10、24 2014 2019 2024 2014 2019 2024 2014 2019 2024 2014 2019 2024 2014 2019 2024 +10% +8%SLA/DLP/CDLP 复合年均增长率（2019-2024）MJF/SLS复合年均增长率（2019-2024）资料来源：罗兰贝格现有安装基数（到2019年估计约97,000台机器）中的每台机器只能处理特定的材料类型（请参见图5）。因此，材料都是根据机器类型开发的，反之亦然。一些机器制造商最终向用户提供“开放”或“封闭”的机器系统。使用开放系统的用户可以从第三方材料供应商处获取材料；使用封闭系统时，他们只能使用OEM生产的材

11、料。 OEM还通过技术开发方面的专利来保护其市场份额，例如MJF中的光诱导烧结或提高CDLP的制造速度。总体而言，我们预计光聚合系统（SLA，DLP和CDLP）的销售额将增长10，粉末床熔融系统（MJF和SLS）的销售额将增长8。我们认为只要聚合物增材制造受到技术进步的推动，年增长率仍可维持在比10%略高。唯一彻底改变这种预测的可能，图5聚合物增材制造设备在运情况分析(按技术分类，2019)100% 100%75%50%25%0%SLA立体光刻DLP数字光处理CDLP连续数字光处理MJ材料喷射MJF多喷射融合SLS选择性激光烧结BJ粘合剂喷射FDM熔融沉积建模97,000机器系统11 估算基于

12、设备寿命为八年资料来源：罗兰贝格图6聚合物增材制造设备商数量聚合物增材制造设备商的数量CAGR 20142019建模40熔融沉积 38%3020数字光处理16%立体光刻 15%选择性激光 22%烧结10 材料喷射 11%连续数字光处理n.a.02009粘合剂喷射 15%多喷射融合 15%20142019资料来源：罗兰贝格大型化学公司正在被市场增长的前景和高利润所吸引，从而进入聚合物材料市场。新进入者需要坚实的战略方针。是主要的规模应用引导公司投资大规模的打印制造工厂，从而加速行业增长。尽管增长率平庸，但许多公司仍对机器市场感兴趣。自2014年以来，我们看到提供专业系统的OEM数量急剧增加（图6

13、）。价格更便宜的系统（FDM和DLP）和已过专利保护期的技术增长尤其强劲。展望未来，我们预计OEM的数量增长快于机器销售，从而导致竞争加剧。我们预测OEM的市场竞争会更加激烈基于已知信息和我们的市场预测，我们可以为聚合物AM市场制定相对应的竞争矩阵（参见图7）。我们认为CDLP和MJF因为它们的技术受到专利保护，面对的竞争可能很弱。BJ是一种小众利基技术，制造商较少且销售下降。而所有其他技术，我们预测都会出现竞争加剧的情况。作为回应，OEM厂商已将其业务模式更改为打印制造服务、维护业务、咨询、按件收费和硬件即服务（Hardware-as-a-service）。材料和机器在聚合物AM中紧密相关，

14、这意味更加容易保护封闭系统。而且我们很可能会看到此类系统的OEM增添了材料销售来保护业务。所以与金属增材制造系统不同，树脂基材料的市场将继续由封闭系统主导。某些用户环境也会让其倾向于使用封闭系统以确保质量、可用性和故障安全性，例如牙科诊所。对于开放系统，长丝和粉末材料已经面临激烈竞争。随着越来越多的OEM提供材料和开放系统，可用材料的范围大大增加，对材料的价格形成了向下压力。与机器制造商市场一样，近年来聚合物材料市场也发生了重大变化。值得注意的 是，越来越多的大型化学公司已经开发了自己的3D打印材料，这可由目前市场上此类公司的数量来说明（图8）。为了追求高利润和高增长率，一些公司已经在收购、材

15、料研发和营销方面进行了重大投资。例如，帝斯曼和赢创是材料市场的早期采用 者。亨斯迈和陶氏/杜邦公司除了提供材料外，甚至还生产增材制造机器，尽管其几图7聚合物增材制造设备在运市场竞争格局高CDLP连续数字光处理MJF多喷射融合聚合物AM机器销售增长率DLP数字光处理MJ材料喷射SLS选择性激光烧结SLA立体光刻BJ粘合剂喷射FDM熔融沉积建模低少低竞争市场高竞争市场利基市场进入聚合物AM市场的多OEM数资料来源：罗兰贝格年前曾经退出了机器行业。化工公司已经进入聚合物增材制造材料行业，以抢占市场份额随着许多新的参与者希望获取聚合物增材制造材料市场的份额，了解供应商的关键成功因素变得越来越重要。经我

16、们分析，有三个主要的战略因素：图8拥有3D打印技术的大型化学公司数量15105020152016201720182019资料来源：罗兰贝格独特的价值主张进入聚合物增材制造材料市场的公司必须根据其特定的聚合物印刷业务为客户提供相应的产品。诸如有PA12的赢创，具有Ultem的Sabic和具有Somos的DSM，这些公司表明了化工公司可以在市场上建立起具有较高知名度的品牌。市场上可 用的材料范围正在不断扩大，关键的是最终客户必须知道什么材料对于他们的应 用场景最适合。公司应该通过灯塔项目和合作在早期开发阶段就建立客户忠诚度。这对于封闭系统尤其具有挑战性，因为这需要同时与最终客户和机器制造商密切 合

17、作。价值链中的明确定位聚合物增材制造市场十分复杂，有八种基于聚合物的增材制造技术以及大约100个 OEM。试图覆盖AM价值链的多个部分会带来额外的复杂性。如果公司希望成功进入市场，建立主导地位并对抗竞争对手捍卫自己的市场份额，那么就要选择价值链的合适部分开展业务。一个清晰的战略路线很关键，它不仅是与客户沟通和确定材料产品组合范围的基础，而且是有机或无机增长决策的基础。3与机器OEM的稳固合作关系厂家需要与机器OEM建立牢固的伙伴关系，才能成功的进入市场，并捍卫自己的市场地位。这对于封闭系统尤其重要。对于开放系统（例如FDM和SLS），竞争也日益加剧，对于赢创和阿科玛这样的老牌企业而言，捍卫其市

18、场地位、价格水平和由此产生的息税前利润率将非常困难。与机器制造商和终端客户紧密合作，指导从实验室到批量生产的应用，可以引导成功并防止廉价的材料涌入市场。更多阅读https:/ HYPERLINK /en/Point-of-View/De-risking-your-supply- /www.rolandberger. HYPERLINK /en/Point-of-View/De-risking-your-supply- com/en/Point-of-View/De-risking-your-supply- chain-in-times-of-the-Coronavirus.htmlhttps:/ HYPERLINK /en/Publications/Additive-manufacturing- /www.rolandberger. HYPERLINK /en/Publications/Additive-manufacturing- com/en/Publ