Inside 3D Printing Innovation:Scott DeFelice van Oxford Performance Materials over de ontwikkeling van hoogwaardige polymeren

Hoewel polymeren voor algemeen gebruik, zoals ABS en nylon, momenteel de markt voor 3D-printmaterialen domineren, is er een groeiende vraag naar sterke, functionele materialen die bestand zijn tegen zware omstandigheden en hoge temperaturen. ‍

‍

Deze materialen, bekend als hoogwaardige polymeren, worden steeds meer gewild door gebruikers van 3D-printen in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart en de medische sector. De belangrijkste hoogwaardige polymeren die momenteel beschikbaar zijn voor 3D-printen behoren tot de Polyaryletherketone (PAEK)-familie van thermoplastische kunststoffen, die stabiliteit bij hoge temperaturen en grote mechanische sterkte bieden. Slechts een paar bedrijven op de markt ontwikkelen momenteel dergelijke materialen, waaronder Oxford Performance Materials (OPM). OPM, gevestigd in Connecticut, richt zich vooral op het PEKK-materiaal van de PAEK-familie en heeft eigen technologie en apparaten rond dat thermoplastisch materiaal ontwikkeld. Voor meer informatie over OPM en zijn aanbod hebben we gesproken met de CEO van het bedrijf, Scott DeFelice. Met Scott hebben we de belangrijkste toepassingen voor 3D-geprinte PEKK besproken, evenals trends en uitdagingen die de markt voor 3D-printmaterialen vormgeven.

‍

Kunt u mij iets vertellen over Oxford Performance Materials en uw missie als bedrijf?

Oxford Performance Materials werd opgericht in 2000. Wij zijn een hoogwaardig bedrijf in thermoplastische materialen. We hebben al onze tijd besteed aan een bepaald polymeer genaamd Poly Ether Ketone Ketone of PEKK. En sinds 2000 ontwikkelen we technologieën rond dit materiaal.

‍

‍

PEKK is de top van de thermoplastische voedselketen in de thermoplastische wereld. Het is een superkrachtig polymeer vanwege zijn uitstekende thermische, chemische en mechanische eigenschappen en biocompatibiliteit.

‍

Tegenwoordig beschikken we over een brede portefeuille aan intellectuele eigendommen en patenten die gaan van hoe je PEKK op synthetisch niveau maakt, hoe je het verwerkt, poeders voorbereidt voor 3D-printen en hoe je met het materiaal print. Op het gebied van 3D-printen zijn onze activiteiten ongeveer 10 jaar geleden begonnen met de ontwikkeling van een selectief lasersmeltproces naar 3D-printen met PEKK. Rond 2006 lanceerden we onze eerste commerciële 3D-geprinte apparaten voor de medische sector. En dat was het begin van de ontwikkeling van 3D-printen. In 2008 keurde de FDA ons eerste apparaat goed, een schedelimplantaat, dat patiëntspecifiek is en wereldwijd wordt gedistribueerd door Zimmer Biomet. We hebben een voortdurende productie waarbij we elke dag schedel- en gezichtsimplantaten maken. Van daaruit zijn we ruim drie jaar geleden overgestapt op ruggenmergimplantaten, en die producten worden verkocht in samenwerking met een bedrijf genaamd RTI Surgical. We hebben tot nu toe meer dan 70.000 wervelkolomimplantaten verzonden. Recentelijk hebben we opnieuw goedkeuring van de FDA gekregen voor een sportmedische aanvraag voor hechtankers, die worden gebruikt om zacht weefsel chirurgisch aan bot te bevestigen. Parallel hieraan hebben we onze technologie ontwikkeld en gevalideerd voor gebruik in ruimte- en defensietoepassingen en zijn we gecertificeerd door onder meer Boeing en Northrop Grumman. Sindsdien hebben we dat bedrijf verkocht aan een van onze strategische partners, Hexcel, die over een aanzienlijke omvang beschikt om dit te ondersteunen. OPM komt naar de 3D-printindustrie, niet vanuit het perspectief van mensen die bijvoorbeeld bezig waren met het maken van prototypen en vervolgens overgingen naar productieonderdelen. We benaderen het vanuit het standpunt van een bedrijf in geavanceerde materialen dat om interessante technische redenen ontdekte dat hun materiaal zeer goed zou zijn voor additieve productie. We zijn nu verticaal geïntegreerd in deze bedrijven en blijven ons materialen- en technologieplatform exploiteren.

‍

Hoe ziet u dat de materiaalruimte voor 3D-printen zich in de loop der jaren heeft ontwikkeld, en waar ziet u dat traject verlopen in termen van materiaalkosten en materiaalontwikkeling?

3D-printen is een proces, en wat dat proces uniek en mogelijk maakt, is het materiaal dat ermee wordt gebruikt. Ik zeg altijd tegen mensen dat je een appel kunt printen, maar dat je hem dan moet opeten. Je moet dus printen met materialen die de functionaliteit hebben voor de beoogde eindmarkten en eindgebruiken. We hebben gezien hoe metaal AM door de jaren heen bijvoorbeeld erg populair is geworden, omdat het functionele eigenschappen heeft die bruikbaar zijn in specifieke eindmarkten. Ik denk dat deze trend zich zal voortzetten. Materialen – polymeren, metalen en andere – zullen blijven evolueren om een ​​grotere functionaliteit op de eindgebruikmarkten mogelijk te maken, ongeacht wat die markten zijn. Het interessante aan de kosten is dat er altijd een discussie is geweest over ‘Oh, de materialen zijn te duur’. Ik betoog dat naarmate je meer presterende eindmarkten betreedt en materialen capabeler worden, de materiaalkosten zelf feitelijk minder belangrijk worden. We verkopen bijvoorbeeld orthopedische implantaten en als we een schedelimplantaat in het ziekenhuis verkopen, kan dat implantaat voor $ 10.000 worden verkocht. Maar als we kijken naar de kosten van wat we doen, vormen de materiaalkosten eigenlijk een vrij klein onderdeel van de kosten. De rest bestaat uit de kwaliteit en de regelgeving, de productiesystemen die je moet hebben om te kunnen verkopen op een sterk gereguleerde markt, of het nu gaat om de biomedische sector, de ruimtevaart, de defensie of de halfgeleiderindustrie. Terwijl de industrie zich blijft ontwikkelen van de productie van prototypes naar producten voor eindgebruik, zijn de prestaties van het materiaal van cruciaal belang en wordt de component van de materiaalkosten steeds minder een bepalende factor.

‍

Kun je, naast de medische sector, uitbreiden naar andere industrieën die kunnen profiteren van de materialen die je ontwikkelt voor 3D-printen?

‍

OXFAB® ESD complexe structurele component voor luchtrevitalisatiesysteem van Boeing CST 100 Starliner [Afbeelding:OPM]

‍

We zijn begonnen op de voor de hand liggende plaatsen, de biomedische sector en de lucht- en ruimtevaartsector, omdat we een lange geschiedenis hebben in onze activiteiten op het gebied van het bedienen van die markten. Maar nu steken we ons hoofd omhoog en kijken we rond naar andere gebieden. De eindmarkten zijn zeer specifiek voor de prestaties van onze materialen. Ons PEKK-materiaal houdt bijvoorbeeld van zure en basische omgevingen, dus daar gaan we naartoe als het om het milieu gaat. Eén gebied dat we dus vrij nauwlettend in de gaten houden, is bijvoorbeeld de koolstofafvang. Koolstofafvang is een technologie die vandaag de dag werkt, maar de kapitaalkosten van deze centrales zijn te duur. Dus we hebben naar dat gebied gekeken en er zijn veel kansen voor onze materialen en 3D-printen in die ruimte. Binnenkort zullen we een samenwerking aankondigen met een van de toonaangevende overheidslaboratoria in de VS op dat gebied. We houden ook van de farmaceutische proces- en bioprocesgebieden waar u een materiaal wilt met de juiste eigenschappen van ons polymeer om de procesefficiëntie te verbeteren en de kapitaalkosten te verlagen. Het is duidelijk dat met de huidige COVID-19-situatie het nodig is om sommige van deze processen op te schalen en je hebt veel complexe structuren en de juiste hoogzuivere chemie nodig om in die ruimte te oefenen. Ook dat houden we nauwlettend in de gaten. De polyketonenklasse van polymeren doet een aantal zeer interessante taken. We hebben vele miljoenen dollars uitgegeven om de prestaties van onze 3D-geprinte onderdelen te begrijpen. Dat is de reden waarom onze onderdelen in bemande ruimtevaartuigen vliegen, en daarom hebben we duizenden onderdelen in het menselijk lichaam. Dat komt omdat we het uitputtende werk hebben gedaan om te karakteriseren wat we printen, voor het gemak van mensen die heel serieus nemen wat deze structuren in de praktijk doen.

‍

Hoe ziet dat proces van het ontwikkelen en testen van materiaal voor 3D-printen eruit?

Er zijn over het algemeen twee delen. Wanneer we materiaal en een proces ontwikkelen, ondergaan we een interne beoordeling, die doorgaans gaat van analytische methoden die we in de loop der jaren hebben ontwikkeld tot redelijk conventionele mechanische, thermische en elektrische screeningtests die op ontwikkelingsniveau worden uitgevoerd. Zodra je de basislijn hebt en zegt:‘Ja, dit is een reproduceerbaar product en we begrijpen het’, kom je op het eerste honk. Om dan thuis te komen, moet je in elke branche terechtkomen, of je nu drukwerk, vormgieten of machinaal bewerken bent of wat je procestechnologie ook is. Elke branche kent manieren om de prestaties te begrijpen, of dat nu een ASTM-standaard, een ISO-standaard, een bedrijfsspecifieke standaard of een overheidsstandaard is. We hebben een goed voorbeeld in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Nadat we al dat werk hadden gedaan en ervoor hadden gezorgd dat we een stabiel en herhaalbaar proces hadden, moesten we iets doen dat een MIL 17-standaard was en dat resulteert in een statistische beoordeling van de prestaties met een zeer hoge voorspelbaarheid, en dat wordt de B-Basis genoemd. Maar dat programma alleen al liep meerdere jaren en vergde miljoenen dollars. We deden dat in samenwerking met NASA en Northrop Grumman, en het was dus een vrij uitgebreide, sectorspecifieke beoordeling. In de biomedische sector, als we het geval van onze ruggengraatimplantaten nemen, ondergingen deze eerst een uitgebreide reeks ISO 10993-tests die de biocompatibiliteit en zuiverheid echt beoordelen. Zodra je dat vakje aanvinkt bij 'Oké, het materiaal zoals afgedrukt is puur en biocompatibel, niet giftig', willen we het nu gebruiken in een ruggengraatimplantaat. Er is een hele reeks andere mechanische tests als onderdeel van de ASTM F2077-standaard die specifiek zijn voor wervelkolomimplantaten. Als u daar doorheen bent gekomen, kunt u met die gegevens een indiening indienen bij de FDA. Je moet dus eerst je eigen interne tests doen om je op je gemak te voelen, omdat deze andere testregimes erg duur zijn. En dat wil je niet doen, tenzij je er groot vertrouwen in hebt dat je die tests gaat halen. Dat geldt voor elke eindmarkt, vooral in onze materiaalklasse. Voor technische materialen zijn de normen lager omdat het risico dat gepaard gaat met de acceptatie van eindgebruik lager is.

‍

Het is bekend dat polymeren in bepaalde toepassingen worden gebruikt om metalen te vervangen. Kunt u voorbeelden geven van hoe hoogwaardige polymeren metalen materialen hebben kunnen vervangen?

Als we 30 jaar geleden teruggaan, hebben we een gestage vooruitgang gezien van polymere materialen die metaal vervangen.  Als je in de jaren zeventig een auto zou kopen, wogen auto’s twee keer zoveel als een auto nu weegt en bijna alles zou van metaal zijn, of als je een stofzuiger had gekocht, zou deze van metaal zijn gemaakt. Als je die dingen krijgt, wegen ze in totaal maar een fractie van het gewicht en zijn ze meestal van plastic. Deze trend waarbij polymeren metalen vervangen vanwege verschillende functionaliteiten is dus zeer goed ingeburgerd. 3D-printen is gewoon een ander proces waarbij je metalen kunt vervangen en de redenen voor het vervangen van metalen zijn kosten, gewicht en corrosie. We zijn voortdurend op zoek naar mogelijkheden voor metaalvervanging om de kosten voor mensen te verlagen, het gewicht te verminderen en de efficiëntie van apparaten te verbeteren. Goede voorbeelden daarvan zijn ruggengraatkooien, fusie-apparaten die je wervelkolom samensmelten als je chronische pijn hebt. Deze apparaten werden vroeger gemaakt van machinaal bewerkt titanium en nu printen we ze met PEKK.

‍

Een ander voorbeeld zijn schedelimplantaten die worden gemaakt van 3D-geprint titanium. Vandaag maken we ze van 3D-geprint PEKK. Als we kijken naar een aantal zaken op het gebied van koolstofafvang, is dat precies waar we nu naar kijken:het vervangen van zeer duur machinaal bewerkt roestvrij staal of titanium door 3D-geprint PEKK. Dit idee om over te schakelen van metalen naar polymeren is dus al geruime tijd een megatrend in de industrie. De laatste jaren is dit steeds sneller gegaan en 3D-printen maakt nu deel uit van dat grotere verhaal, ook op het gebied van de olie- en gassector en transport, waar we samen met industriële partners ontwikkelingsprojecten in een vroeg stadium aan de gang hebben.

‍

Over trends gesproken:zie jij trends op het gebied van 3D-printmaterialen?

‍

[Afbeelding tegoed:OPM] [/caption]Aan de metallic kant zien we mensen proberen metal AM naar meer bekende en voorspelbare morfologieën te brengen. Ik wil niet te technisch worden, maar 3D-printen van metaal is niet het morele equivalent van ruw, gesmeed of gegoten metaal. Het is een ander beest. Toen de industrie voor het eerst erg populair werd, bestond daar veel verwarring over. In de loop van de tijd hebben mensen zich gerealiseerd dat het een ander dier is. En nu werken ze aan de materiaal- en procestechnologieën die metaal AM op de een of andere manier conventioneler maken. Ik denk dat het metal AM aanzienlijk zal bevorderen. Aan de polymeerkant is er nu een algemene tendens om eindmarkten te bedienen met polymeer AM. De twee dominante materialen hiervoor zijn Nylon 11 en Nylon 12. Dit zijn technische materialen en bevinden zich in het midden van de polymeerpiramide. Ze hebben echter een beperkt eindgebruik. Ze zijn niet bijzonder thermisch of mechanisch robuust. Nu beginnen mensen erachter te komen hoe ze hogerop in de piramide kunnen komen. We beginnen te zien dat bedrijven als BASF Nylon 6 introduceren, waarmee iets meer prestaties worden gekocht. Ik denk dat we die trend zullen blijven zien van meer materialen die lijken te vullen tussen waar OPM is met PEKK en andere materialen in het midden van de prestatiepiramide.

‍

Wat zijn, als keerzijde hiervan, enkele van de uitdagingen waarmee u nog steeds te maken heeft in de sector van 3D-printmaterialen?

Dit is een fundamentele vraag. Toen we vele jaren geleden naar 3D-printen begonnen te kijken, was een van de dingen waar we naar keken:heeft ons polymeer de basiseigenschappen om 3D-geprint te worden? En die vraag komt neer op de erkenning dat 3D-printen een consolidatieproces zonder druk is. Wanneer je een polymeer vormgeeft, stamp je het in een mal en druk je het allemaal samen, waardoor je een consolidatie krijgt. Dit resulteert in voorspelbare prestaties en goede mechanische eigenschappen. 3D-printen heeft die deugd niet. Met 3D-printen heb je deze lagedrukconsolidatie of nuldrukconsolidatie zoals een FDM-proces waarbij je een filament hebt dat wordt gesmolten en op elkaar wordt gelegd. In dat proces eindig je met maximaal 10 procent lege ruimtes, en in mijn wereld zijn lege ruimtes slecht, omdat ze betekenen dat een onderdeel niet robuust is. Het is geweldig voor een prototype, maar je wilt er niet aan blijven hangen. Dan heb je deze poederbedprocessen zoals die van OPM, waarbij lasers de ene laag poeder op de andere smelten, maar er is geen druk. Waar u op vertrouwt om herhaalbare prestaties te krijgen in dit soort omgevingen, is een polymeer dat graag aan zichzelf blijft plakken. Als een polymeer niet goed hecht, krijg je slechte prestaties in de Z-richting. PEKK is daarin echt uniek omdat het de affiniteit heeft om aan zichzelf te blijven plakken. Dat is vrij ongebruikelijk in de polymeerwereld. Om uw vraag te beantwoorden:wat de zaken heeft tegengehouden, is de ontwikkeling van een fundamenteel nieuwe chemie. Als je vandaag de dag naar een van de grote chemische bedrijven gaat en zegt:‘Kun je een polymeer ontwikkelen dat specifiek geschikt is voor dit vermogen om aan zichzelf te blijven plakken?’ Ze zullen je raar aankijken omdat je in de miljardenklasse zit en nog een aantal jaren de tijd hebt om nieuwe polymeren te ontwikkelen. Het is een groot probleem. Als je aan een adviseur van een polymeerbedrijf zou vragen hoeveel werkelijk nieuwe chemie er de afgelopen twintig jaar is ontwikkeld, dan zet je dat waarschijnlijk aan de ene kant, omdat die investeringen zo substantieel zijn. En het Amerikaanse bedrijfsleven heeft daar niet zo vaak zin in. Het is dus een grote uitdaging en ik zie daar eerlijk gezegd niet veel van gebeuren.

‍

Denk je dat dit de komende maanden en jaren zal veranderen of evolueren?

Nieuwe materiaalplatforms gebaseerd op nieuwe nieuwe chemie? Ik denk niet dat dat gaat gebeuren. Dat is heel afgelegen. Procestechnologieën zullen vooruitgaan en mensen zullen die bestaande materiaalsets aanpassen met andere unieke vulstoffen en compatibilisatoren en dimensioneringschemie om dingen te verbeteren. Dus ik denk dat het daar waarschijnlijk interessanter zal worden.

‍

Wat brengt het komende jaar voor OPM?

We hebben het geluk dat we ons in deze sector bevinden, waar we op dit moment niet afhankelijk zijn van R&D-contracten of durfkapitaal. We bevinden ons in het deel van de “behoefteeconomie”. Hoewel we hebben gezien dat we deze eerste fase van de COVID-pandemie hebben doorgemaakt, is de beschikbaarheid van ziekenhuizen gedaald naar service en weg van electieve operaties, we beginnen nu al te zien dat de zaken terug beginnen te komen. Het is pijnlijk geweest voor elk bedrijf, maar de kerntechnologie die we hebben zal ons in staat stellen te blijven groeien. We introduceren nu pas ons hechtankerproduct, een nieuwe, goedkopere productlijn, en zelfs gezien de COVID-19-crisis zullen we de kans krijgen om dat op de markt te brengen.

‍

We hebben ook onze aandacht voor nieuwe markten. Wij houden van de markt voor koolstofafvang, andere industriële gebieden en de markt voor biofarmaceutische processen.

‍

Ik denk dat COVID-19 in sommige opzichten meer kapitaal aanjaagt en meer efficiëntie eist ten aanzien van de markten waarvoor we van nature geschikt zijn, gezien de prestaties van onze materialen.

‍

Nog een laatste gedachte?

Het enige wat ik wil zeggen is dat deze specifieke tijd aanzienlijke kansen biedt.

‍

Ik denk dat we als bedrijf in 3D-printen technologieën hebben geprobeerd te stimuleren die echt waarde toevoegen. Wanneer de tijden uitdagend en krap zijn, zoals nu, beginnen mensen te zoeken naar manieren om de kosten te verlagen en nieuwe markten te penetreren. CEO's gaan naar hun CTO en zeggen:'Hé, wat heb je voor mij? We hebben iets nieuws nodig."

‍

Dus als je echt iets inhoudelijks hebt, en niet zomaar een andere manier om een prototype te maken, als je iets hebt dat de boog van de technologie op een inhoudelijke manier buigt, dan zul je nu goed naar je luisteren. We hebben gezien dat in ons bedrijf, waar we in het verleden op sommige deuren hebben geklopt, mensen niet klaar waren om het te horen. En we beginnen nu die telefoontjes te krijgen die zeggen:'Hé, vertel ons eens over dat ding waar we wat geld kunnen besparen of iets efficiënter kunnen doen'. Ik zou lezers dus willen aanmoedigen niet moedeloos te worden als ze over echte technologie beschikken. Het verandert het spel echt. Dit is een interessante tijd.