Rozsáhlý výzkum StartUs Insights pokrývá nejnovější trendy v oblasti materiálů a analyzuje poznatky od 2 453 společností v klíčových oblastech vývoje „zelených“ materiálů, nanotechnologií, 3D tisku, materiálové informatiky a dalších.
Pokračující změny v energetice, automobilovém průmyslu, logistice, výrobě a stavebnictví spolu s pokrokem Průmyslu 4.0 podporují poptávku po nových materiálech. Nové materiálové trendy zahrnují řadu řešení, včetně materiálů zaměřených na udržitelnost, odlehčení, aplikací 3D tisku a povrchového inženýrství, stejně jako vytváření chytrých materiálů, nanoformulací a pokročilých kompozitů s vynikajícími vlastnostmi. Rozšířená implementace umělé inteligence (AI), strojového učení (ML) a správy dat navíc umožňuje výzkumníkům rychle inovovat a vyvíjet nové materiály. To výrazně zkracuje dobu, kterou nové materiály potřebují k tomu, aby se dostaly na trh, z několika desetiletí na pouhých několik let. A jaké jsou tedy trendy v materiálovém průmyslu podle StartUs Insights pro letošek?
Udržitelné materiály
Značný odpad vznikající při používání a výrobě materiálů vedl vlády k implementaci ekologických předpisů. Odvětví napříč obory přehodnocují procesy z hlediska životního cyklu materiálu. Aby se snížila jejich uhlíková stopa, čím dál více přijímají udržitelné materiály s cílem snížit odpadní zátěž planety. Udržitelné materiály usnadňují zavádění oběhového hospodářství. Kupříkladu indický startup MYNUSCo má v úmyslu pomoci automobilovému průmyslu, logistice, obalovému průmyslu, pohostinství a spotřebnímu zboží tím, že vyrábí biologicky rozložitelné a recyklovatelné sloučeniny založené na zemědělském odpadu a obnovitelných zdrojích. Jeho produkty tak přispívají k ochraně přírodních ložisek a lesů a zároveň zajišťují škálovatelnost a přizpůsobivost pro stávající výrobní procesy.
Citlivé a chytré materiály
Pro splnění požadavků průmyslového použití jsou nové vyvíjené materiály šity na míru s vlastnostmi specifickými pro aplikaci. Pokroky v materiálové vědě umožňují vytvářet chytré materiály s programovatelnými vlastnostmi, které reagují na vnější podněty. Firmy pak navrhují materiály a produkty s různými kvalitami, včetně termo-, elektro- a fotochromismu, piezoelektriky, tvarové paměti, samoléčení a vlastností fázových změn. U trhu s piezoelektrickými inteligentními materiály, segmentu tohoto oboru, se odhaduje, že mezi lety 2024 a 2028 poroste o 15,63 % (CAGR), přičemž jeho velikost se podle prognózy zvýší o 39,49 miliardy USD, což zdůrazňuje rychlý pokrok a rostoucí poptávku po chytrých materiálech. V této oblasti působí např. německý startup Memetis vytvářející ultrakompaktní miniaturní aktuátory na bázi slitin s tvarovou pamětí. Jeho inovativní materiály vydrží i extrémní deformace a později se vrátí do původního tvaru. Tato vlastnost podporuje výkon pohonů i v malých nebo hustých instalačních prostorech. Nabízí tak řešení pro spotřební elektroniku, telekomunikace, optické technologie, mobilitu a Průmysl 4.0. Naproti tomu Sorex Sensors je britským startupem vyvíjejícím vysoce citlivé mikroelektromechanické systémy (MEMS), senzory na křemíkových waferech, pomocí tenkovrstvého piezoelektrického materiálu. Využívá technologii FBAR (film bulk acoustic resonator) k vytvoření piezoelektrického efektu. Ten umožňuje přesně detekovat změny teploty a hmoty na stupnici femtogramu. I malá zařízení s nízkou spotřebou energie díky nim mohou reagovat na vnější podněty. Některé případy použití tohoto řešení zahrnují metrologii tenkých vrstev a také monitorování plynů a částic.
Nanotechnologie
Materiály v nanoměřítku vykazují odlišné vlastnosti než jejich objemové protějšky. Vznik nanovláken, nanotrubic, alotropů, kvantových teček a dalších nanomateriálů proto nabízí obrovský potenciál. Nanomateriály zvyšují výkony průmyslových produktů na atomové úrovni. Společnosti proto využívají nanomateriály k udržení konkurenční výhody. Např. singapurský startup Nanolumi má v oblasti materiálových technologií v úmyslu překonat slabé stránky technologie QD (kvantových teček), užívané pro elektronické displeje, svými spolehlivými a bezpečnými nanokrystaly perovskitu. Kombinuje řešení bez kadmia, pokrytí širokého světelného spektra, čistší barevný výkon a vhodnost pro velkoobjemovou výrobu. Produkt má také nahradit konvenční perovskitové nanokrystaly a QD pro prémiovou elektroniku. Americký startup BNNano vyrábí nanotrubice z nitridu boru se superhydrofobní, vysokou elektrickou izolací a s vysokou tepelnou a mechanickou stabilitou. Nanomateriál nabízený ve formě prášku, předslitiny, předsměsi i vlastní směsi najde uplatnění v leteckém, automobilovém, obranném a textilním průmyslu, stejně jako v radiační ochraně a tepelném managementu.
Aditivní výroba
Aditivní výroba překročila hranice tradičních termoplastů. Zaměřuje se na materiály s větší flexibilitou, funkčností a na snižování produkce odpadu. Pokrok technologií 3D tisku je hnacím motorem vylepšení kovů, slitin, keramiky, vláken a jejich sloučenin. 3D tisk také podporuje vývoj nových, odolných polymerových vláken se zlepšenou vodivostí, tavením a chemickou odolností. Odhaduje se, že trh s materiály pro 3D tisk bude v roce 2024 oceněn na 2,78 miliardy USD a očekává se, že do roku 2029 dosáhne 6,92 miliardy USD, přičemž během prognózovaného období poroste CAGR o 20 %. Ze zajímavých firem v této oblasti můžeme jmenovat italský startup MAT3D vyvíjející nové polymerní materiály nabízející posílené funkční atributy a nahrazují vysoce výkonné materiály pro kovový 3D tisk. Její řešení zahrnují rovněž pryskyřice se zvýšenými elektrickými, magnetickými, antibakteriálními a termomechanickými vlastnostmi pro průmyslové trhy. A startup Chromatic 3D Materials se sídlem v USA vyrábí pro 3D tisk sadu vysoce výkonných polyuretanových elastomerů, které jsou vysoce přizpůsobivé a odolné zároveň. Nabízejí velký stupeň kompatibility s přísadami a zajišťují kvalitu finálních produktů. Jsou mimo jiné určeny pro automobilový, výrobní a spotřební trh.
Odlehčení
Odvětví sahající od letectví po mobilitu hledají inovativní způsoby snižování hmotnosti a tím i zvyšování účinnosti paliva a ovladatelnosti. To vedlo k výzkumu materiálů, jako je hliník, hořčík, titan, vysokopevnostní plasty a uhlíková vlákna umožňující snížit dopady těžších dílů na životní prostředí a provoz. Zároveň inovace v oblasti odlehčování materiálů poskytují úroveň bezpečnosti a spolehlivosti než těžší alternativy. Očekává se, že velikost globálního trhu s lehkými materiály vzroste do roku 2030 na 276,4 miliardy USD při CAGR 8,3 % (během období 2023—2030). Např. startup TxV Aero z USA navrhuje a konstruuje zakázkové laminátové materiály a celé kompozitní díly pro aplikace v komerčním letectví. Pomocí pokročilé technologie vyrábí lehké termoplastické sestavy s přizpůsobenými funkcemi, včetně orientace vrstev, vycpávek, téměř síťových tvarů a dalších. TxV Aero dále pracuje na modernizaci leteckých aplikací s cílem zvýšit celkovou produktivitu. To polský startup Fibratech má v úmyslu překonat omezení hmotnosti a výkonu hliníku v sektoru silniční mobility. Vyvíjí hybridní kompozito-metalická kola doplněná uhlíkovými vlákny.
Materiálová informatika
Velké společnosti dnes uplatňují přístup k materiálům založený na datech. Využívají tedy informatiku, výpočetní techniky a strojové učení (ML) a umělou inteligenci (AI). To jim umožňuje systematicky organizovat a modelovat materiálová data, potažmo vyvíjet inovativní materiály. Materiálová informatika optimalizuje získávání vědeckých poznatků ze složitých materiálových dat a urychluje výzkum a vývoj. Americký startup Kebotix za účelem urychlení výzkumu nových materiálů vyvíjí samořídicí laboratorní řešení. Využívá velká data, rozhodování na základě AI, specializovanou robotiku a pohodlné rozhraní pro zefektivnění cyklů. Kebotix se zvláště zajímá o řešení problémů v oblasti udržitelnosti, veřejného zdraví a nebezpečných průmyslových látek. Také kanadský startup Matelligence poskytuje expertům na materiálové vědy nástroje pro objevování materiálů založené na datech. Jeho řešení zahrnuje výpočetní techniky s patentovanými algoritmy AI pro snížení počtu požadovaných vědeckých experimentů a urychlení screeningových postupů. Platforma Matellligence se mimo jiné zaměřuje na čistou energii, elektroniku a výrobu.
Pokročilé kompozity
Pokročilé kompozity jsou technické materiály vyrobené ze dvou nebo více základních materiálů s výrazně odlišnými fyzikálními nebo chemickými vlastnostmi. Kompozitní řešení jsou známá výjimečným poměrem pevnosti k hmotnosti, odolností proti korozi a trvanlivostí. Mezi klíčové výhody patří zvýšený výkon, dlouhá životnost a nízká hmotnost vedoucí k energetické účinnosti a snížení dopadu na životní prostředí. Nacházejí široké uplatnění v různých průmyslových odvětvích, jako je letectví a kosmonautika pro součásti letadel, automobilový průmysl pro lehká a úsporná vozidla, konstrukce pro robustní a odolné konstrukce a sportovní vybavení pro lepší výkon a odolnost. Jsou klíčové také pro moderní strojírenství a design. Očekává se, že celosvětový trh s kompozity dosáhne do roku 2027 168,6 miliardy USD, přičemž v letech 2022 až 2027 poroste CAGR o 8,2 %. Startup AMP Industrial z USA vyrábí pokročilé kompozity pro bezpilotní letecké systémy (UAS). K výrobě kompozitů využívá jednosměrné kontinuální termoplasty vyztužené vlákny (CFR-TP). Vyznačují se vysokým poměrem pevnosti k hmotnosti a houževnatostí materiálu a podporují přizpůsobitelný design materiálů pro vysoce výkonné aplikace. To kompozity nizozemského startupu Arceon odolávají teplotám přesahujícím 1 000 °C, zachovávají si nízký koeficient tepelné roztažnosti, obsahují lehké materiály a také posilují mechanickou robustnost a odolnost. Hodí se tedy pro satelity, rakety a součásti motorů.
Grafen a 2D materiály
Pokrok v nanotechnologiích umožnil vývoj tzv. dvourozměrných (2D) materiálů poskytujících především vynikající tepelnou vodivost a mechanickou pevnost. Zatímco většina 2D materiálů jako germanen, silicen, stanen a fosforen je stále ve fázi výzkumu, grafen už se i úspěšně uplatňuje v řadě oblastí. Nabízí zlepšenou pevnost v tahu, lepení uvnitř listu, odolnost povrchu, mobilitu elektronů, flexibilitu a tepelnou odolnost. Uplatnění nachází např. v konstrukci elektronických displejů, superkondenzátorů, v automobilovém průmyslu, při výrobě stavebních barev a ve výrobě plastů. Australský startup Ionic Industries se snaží překlenout propast mezi výzkumem grafenu a vývojem jeho komerčních aplikací. Startup zahrnuje odborné znalosti a patentované procesy výroby grafenu a oxidu grafenu. Specializuje se na grafenové přísady pro úpravu vody a nanofiltraci a také pro skladování energie. Francouzský Carbon Waters se zaměřuje na aplikace kapalného grafenu. Grafenové disperze startupu poskytují bariérové povlaky, lubrikaci a antikorozní vlastnosti pro průmyslové povrchy a mechanismy. Řešení navíc zlepšuje tepelný management pro elektroniku a polovodiče a také elektrickou vodivost pro výrobní a spotřebitelská zařízení.
Povrchové inženýrství
Průmyslové povrchy, které jsou neustále vystaveny opotřebení, korozi, UV záření a dalším škodlivým prvkům, kladou důraz na zvýšenou odolnost. Jsou klíčové pro ochranu v automobilovém, průmyslovém, zemědělském, námořním a výrobním sektoru a hrají klíčovou roli při zvyšování produktivity. Pokrok ve strojírenství navíc umožnil vývoj povrchů s hydrofobními, omnifobními, samočisticími a vyhlazovacími vlastnostmi. V návaznosti na pandemii covidu-19 zintenzivňují povrchoví inženýři své úsilí o zdokonalení antimikrobiálních povlaků s cílem poskytnout robustnější ochranu v průmyslovém i neprůmyslovém prostředí. Izraelský SolCold vyvíjí řešení pro úpravu povrchu založené na nanofiltru a aktivní chladicí barvě. Pomocí anti-stokes fluorescenční technologie přeměňuje teplo a záření ze slunce na levný chladicí systém. Technologie totiž vytváří obrácený vztah mezi sluneční aktivitou a přenosem tepla. Vhodná je pro dopravu, stavebnictví, zemědělství a textilní průmysl. Startup OPUS Materials se sídlem ve Spojeném království navrhuje inovativní anti-špinifikační a samočisticí nátěry pro letecký průmysl, mobilitu, námořní průmysl a průmysl obnovitelných zdrojů energie. Řešení zlepšuje spotřebu paliva a proudění vzduchu, snižuje korozi a optimalizuje efektivitu materiálu. Firma dále vytváří nátěrové hmoty podle návrhu.
Správa materiálů 4.0
Průmysl 4.0 je hnacím motorem přijetí jeho metodologií v řízení, manipulaci a zpracování materiálů. To zahrnuje vše od autonomní těžby a sofistikované automatizované výroby až po robotickou manipulaci a cloud computing, což vede k rychlé digitalizaci a propojení v sektoru materiálů. V důsledku toho dochází k vytváření nových materiálů spolu s jejich integrací do nejnovějších průmyslových technologií. Current SCM je kanadský startup, který pro správu materiálů vyvíjí software. Umožňuje tak podnikům vytvářet virtuální sklady pro snadné ukládání a sledování materiálů a také využívat data o zásobách v reálném čase. To dovoluje týmům nákupu identifikovat přebytečné a nedostatečné scénáře a rozdělit zakázky na základě aktuální poptávky. Software dále centralizuje správu materiálů kombinací přidělování materiálů, sledování zásob, uvolňování a příjmu materiálu a seskupování. To šetří čas a zvyšuje efektivitu v průmyslových odvětvích, jako je stavebnictví, energetika a zemědělství. Platforma startupu Multiscale Technologies kombinuje generativní umělou inteligenci a proprietární znalostní systém pro návrh inverzních materiálů. Tímto způsobem umožňuje vysoce výkonná měření s malými vzorky. Výrobcům materiálů a výzkumníkům dovoluje zkrátit dobu uvedení na trh, maximalizovat úspory nákladů, zvýšit kontrolu kvality a zlepšit zajištění kvality. Urychluje totiž návrh materiálu a optimalizuje výrobu. /Hana Kovářová/