Binnenkijken bij 3D-printinnovatie: Oxford Performance Materials' Scott DeFelice over high-performance polymeren

Terwijl algemeen bruikbare polymeren, zoals ABS en nylon, momenteel de 3D-printmaterialenmarkt domineren, is er een groeiende vraag naar sterke, functionele materialen die harde omstandigheden en hoge temperaturen kunnen weerstaan.

Deze materialen, bekend als high-performance polymeren, zijn steeds meer gezocht door 3D-printgebruikers in industrieën zoals luchtvaart en medisch. De belangrijkste high-performance polymeren die momenteel beschikbaar zijn voor 3D-printen behoren tot de Polyaryletherketone (PAEK)-familie van thermoplasten, die hoge-temperatuurstabiliteit en grote mechanische sterkte bieden. Alleen een paar bedrijven op de markt ontwikkelen dergelijke materialen, ervan een is Oxford Performance Materials (OPM). Gevestigd in Connecticut, is OPM met name gericht op het PEKK-materiaal van de PAEK-familie en heeft eigen technologieën en apparaten rond dat thermoplast ontwikkeld. Om meer te leren over OPM en haar aanbod, spraken we met de CEO van het bedrijf, Scott DeFelice. Met Scott bespraken we sleuteltoepassingen voor 3D-geprint PEKK, alsook trends en uitdagingen die de 3D-printmaterialenmarkt vormgeven.

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

Oxford Performance Materials werd in 2000 opgericht. We zijn een high-performance thermoplastische materialenbedrijf. We hebben al onze tijd besteed aan één specifiek polymeer genaamd Poly Ether Ketone Ketone of PEKK. En sinds 2000 ontwikkelen we technologieën rond dit materiaal.

PEKK is de top van de voedselketen thermoplast in de thermoplastische wereld. Het is een super high-performance polymeer vanwege zijn uitstekende thermische, chemische en mechanische eigenschappen en bio-compatibiliteit.

Vandaag de dag hebben we een breed portfolio aan intellectueel eigendom en patenten die lopen van hoe men PEKK op synthetisch niveau maakt tot hoe men het verwerkt, poeders voorbereidt voor 3D-printen, tot hoe men met het materiaal print. Wat 3D-printen betreft, begonnen onze activiteiten ongeveer 10 jaar geleden met de ontwikkeling van een selectieve lasersmeltproces om met PEKK te 3D-printen. We lanceerden onze eerste commerciële 3D-geprinte apparaten rond 2006 voor het medische veld. En dat was het begin van 3D-printontwikkeling. In 2008 keurde de FDA ons eerste apparaat goed, een craniaal implantaat, dat patiënt-specifiek is en wereldwijd wordt gedistribueerd door Zimmer Biomet. We hebben lopende productie die elke dag craniale en faciale implantaten maakt. We gingen ervandoor naar ruggengraatimplantaten meer dan drie jaar geleden, en die producten worden verkocht in samenwerking met een bedrijf genaamd RTI Surgical. We hebben tot nu toe meer dan 70.000 ruggengraatimplantaten verstuurd. Meest recent hebben we nog een FDA-goedkeuring gekregen in een sportmedische toepassing voor suture anchors, gebruikt om weefsel chirurgisch aan bot te hechten. Parallel hieraan hebben we onze technologie ontwikkeld en gevalideerd voor gebruik in ruimtevaart- en defensietoepassingen en certificering ontvangen van Boeing en Northrop Grumman, onder anderen. Sindsdien hebben we dat bedrijf verkocht aan een van onze strategische partners, Hexcel, die een substantiële schaal heeft om het te ondersteunen. OPM benadert het 3D-printbusiness niet vanuit het perspectief van mensen die, zeg, in prototypen zaten en dan naar productieonderdelen gingen. We benaderen het vanuit het perspectief van een geavanceerd materialenbedrijf dat ontdekte dat hun materiaal heel goed zou zijn voor additieve productie, om interessante technische redenen. We zijn nu verticaal geïntegreerd in die bedrijven en blijven ons materiaal en technologieplatform exploiteren.

Hoe ziet u de 3D-printmaterialenruimte zich ontwikkeld hebben over de jaren, en waar ziet u die traject in termen van materialenkosten en materiaalontwikkeling heen gaan?

3D-printen is een proces, en wat dat proces uniek en enabelend maakt, is het materiaal dat ermee gebruikt wordt. Ik vertel mensen altijd dat u een appel kunt printen, maar dan moet u hem opeten. Dus u moet printen met materialen die de functionaliteit hebben voor de eindmarkten en eindgebruiken van belang. We hebben gezien hoe over de jaren, bijvoorbeeld, metaal AM erg populair is geworden om de reden dat het functionele eigenschappen heeft die nuttig zijn in specifieke eindmarkten. Ik denk dat deze trend zal voortduren. Materialen – polymer, metalen en anderen - zullen blijven evolueren om grotere functionaliteit in de eindgebruiksmarkten toe te laten, ongeacht wat die markten zijn. Het interessante aan kosten is dat er altijd deze 'Oh, de materialen zijn te duur' discussie is. Ik betoog dat naarmate u in hogere prestatie-eindmarkten gaat en materialen capaciteitsrijker worden, de materialenkosten zelf eigenlijk minder significant worden. Bijvoorbeeld, we verkopen orthopedische implantaten en als we een craniaal implantaat in het ziekenhuis verkopen, kan dat implantaat voor $10.000 verkocht worden. Maar als we kijken naar de kosten van wat we doen, is de materialenkost eigenlijk een redelijk klein onderdeel van de kosten. De rest is allemaal de kwaliteit en de regulatorische, de productiesystemen die men moet hebben om te verkopen in een streng geregelde marktplaats, of het nu biomedisch is of ruimtevaart en defensie of halfgeleider. Dus, naarmate de industrie zich verder ontwikkelt weg van de productie van prototypes naar eindgebruiksproducten, is de prestatie van het materiaal wat cruciaal is en wordt het component van materialenkosten minder van een drijfveer.

Kunt u uitleggen over andere industrieën, naast medisch, die kunnen profiteren van de materialen die u voor 3D-printen ontwikkelt?

OXFAB® ESD Complex Structural Component voor Air Revitalisation System van Boeing CST 100 Starliner [Afbeeldingscredit: OPM]

We begonnen in de voor de hand liggende plekken, biomedisch en luchtvaart, omdat we een lange legacy in ons bedrijf hebben van die markten te bedienen. Maar nu halen we onze kop omhoog en kijken we rond naar andere gebieden. De eindmarkten zijn heel specifiek voor de prestaties van onze materialen. Ons PEKK-materiaal, bijvoorbeeld, houdt van zuur en basische omgevingen, dus dat is waar we naartoe gaan in termen van de omgeving. Dus een gebied dat we redelijk nauw volgen is, bijvoorbeeld, koolstofopvang. Koolstofopvang is een technologie die vandaag werkt, maar de kapitaalkosten van die installaties zijn te duur. Dus we keken naar dat gebied en er zit veel kans voor onze materialen en 3D-printen in die ruimte. Binnenkort zullen we een samenwerking aankondigen met een van de toonaangevende Amerikaanse overheidslabs in dat gebied. We vinden ook de farmaceutische proces- en bioprocesthema's interessant waar u een materiaal wilt met de juiste attributen van ons polymer om proces-efficiëntie te verbeteren en kapitaalkosten te verlagen. Natuurlijk met de COVID-19-situatie nu, is er een behoefte om een aantal van deze processen te schalen en u moet veel complexe structuur en de juiste hoge-zuiverheid scheikunde hebben om in die ruimte te praktiseren. We volgen dat ook redelijk nauw. De Polyketonen-klasse polymeren doet heel interessante dingen. We hebben vele miljoenen dollars uitgegeven aan het begrijpen van de prestaties van onze 3D-geprinte onderdelen. Daarom vliegen onze onderdelen bemande ruimteschepen, daarom hebben we duizenden onderdelen in het menselijk lichaam. Het is omdat we het uitputtende werk deden van het karakteriseren van wat we printen tot het comfortniveau van mensen die heel serieus nemen wat die structuren in de praktijk doen.

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

Er zijn over het algemeen twee delen. Wanneer we materiaal en een proces ontwikkelen, gaan we door een interne beoordeling, die over het algemeen gaat van analytische methoden die we over de jaren hebben ontwikkeld tot redelijk conventionele mechanische, thermische, elektrische screeningtests die op ontwikkelingsniveau worden gedaan. Eenmaal dat u de baseline heeft en zegt 'Ja, dit is een reproduceerbaar product en we begrijpen het', brengt dat u naar eerste base. Dan om thuis te komen, moet u in elke industrie, of u nu print of giet of freest of wat uw proces ook is. Elke industrie heeft bekende manieren voor hen om prestaties te begrijpen, of dat nu een ASTM-standaard is, een ISO-standaard of een bedrijfsspecifieke standaard, of een overheidsstandaard. We hebben een goed voorbeeld in de luchtvaartindustrie. Na al dat werk gedaan te hebben en ervoor gezorgd dat we een stabiel en reproduceerbaar proces hadden, moesten we dan iets doen dat een MIL 17-standaard was die resulteert in een statistische beoordeling van prestaties bij zeer hoge voorspelbaarheid, en dat heet de B-Basis. Maar dat programma alleen liep meerdere jaren en vereiste miljoenen dollars. We deden dat in samenwerking met NASA en Northrop Grumman, en dus was het een tamelijk uitgebreide industrie-specifieke beoordeling. In biomedisch, als we het geval van onze ruggengraatimplantaten nemen, ging het eerst door een uitputtende reeks ISO 10993-tests die bio-compatibiliteit en zuiverheid echt beoordelen. Eenmaal dat u dat vakje aanvangt in 'OK het materiaal als geprint is zuiver en bio-compatibel, niet toxisch' dan nu willen we het in een ruggengraatimplantaat gebruiken. Er is een heel andere reeks mechanische tests als onderdeel van de ASTM F2077-standaard die specifiek is voor ruggengraatimplantaten. Als u door dat heen komt, kunt u een indienen bij de FDA met die data. Dus, u moet eerst uw eigen interne testen doen om comfortabel te worden, omdat die andere testregimes heel duur zijn. En u wilt dat niet doen tenzij u groot vertrouwen heeft dat u die tests gaat halen. Dat geldt voor elke eindmarkt, zeker in onze klasse materialen. Voor technische materialen zijn de standaarden lager omdat het risico geassocieerd met de eindgebruiksadoptie lager is.

Het is bekend dat polymeren gebruikt worden om metalen in bepaalde toepassingen te vervangen. Kunt u voorbeelden delen van hoe high-performance polymeren in staat zijn geweest metalen materialen te vervangen?

Teruggaan 30 jaar geleden, we hebben een constante vooruitgang gezien van polymere materialen die metalen vervangen. Als u in de jaren '70 een auto kocht, woogen auto's tweemaal wat een auto vandaag weegt en bijna alles was metaal, of als u een stofzuiger kocht, was die van metaal gemaakt. Nu als u die dingen krijgt, wegen ze een fractie van het gewicht en zijn ze meestal kunststof. Dus deze trend van polymeren die metalen vervangen voor verschillende functionaliteit is heel goed gevestigd. 3D-printen is gewoon nog een proces waarbij u in staat bent metalen te vervangen en de redenen voor het vervangen van metalen zijn kosten, gewicht en corrosie. We kijken continu naar metaalvervangingskansen om kosten voor mensen te verlagen, gewicht te verminderen en de efficiëntie van apparaten te verbeteren. Goede voorbeelden daarvan zijn ruggengraatcages, fusie-apparaten die uw ruggengraat samenvoegen als u chronische pijn heeft. Deze apparaten zijn historisch gemaakt van gefreesd titanium en nu printen we ze met PEKK.

Een ander voorbeeld is craniale implantaten die gemaakt worden van 3D-geprint titanium. Vandaag de dag maken we ze van 3D-geprint PEKK. Als we kijken naar een aantal dingen in koolstofopvang, dat is precies waar we nu naar kijken: het vervangen van heel duur gefreesd roestvrij staal of titanium met 3D-geprint PEKK. Dus dit idee van overstappen van metalen naar polymeren is al enige tijd een megatrend in de industrie. Het versnelt de afgelopen jaren en 3D-printen is nu onderdeel van dat grotere verhaal, inclusief gebieden als olie & gas en transport, waar we vroege ontwikkelingsprojecten gaande hebben met industriepartners.

Over trends sprekend, ziet u trends in de 3D-printmaterialenruimte?

[Afbeeldingscredit: OPM] [/caption]Aan de metaalkant zien we mensen die proberen metaal AM naar meer bekende en voorspelbare morphologieën te drijven. Ik wil niet te technisch worden, maar 3D-printen van metaal is niet het morele equivalent van rauwe, of gesmede, of gegoten metaal. Het is een ander beest. Toen de industrie eerst erg populair werd, was er veel verwarring daaromheen. Over de tijd hebben mensen gerealiseerd dat het een ander dier is. En nu werken ze naar materiaal- en processtechnologieën die metaal AM meer conventioneel maken op een of andere manier. Ik denk dat het metaal AM significant zal laten vorderen. Aan de polymere kant, nu is er de algemene neiging om eindmarkten te bedienen met polymere AM. De twee dominante materialen hiervoor zijn Nylon 11 en Nylon 12. Dit zijn technische materialen, en ze zitten in het midden van de polymere piramide. Echter, ze hebben beperkt eindgebruik. Ze zijn niet bijzonder thermisch of mechanisch robuust. Nu beginnen mensen uit te zoeken hoe ze de piramide op kunnen. We beginnen bedrijven als BASF te zien die Nylon 6 introduceren, wat een beetje meer prestatie koopt. Ik denk dat we die trend zullen blijven zien van meer materialen die verschijnen om op te vullen tussen waar OPM zit met PEKK en andere materialen in het midden van de prestatiepiramide.

Als tegenhanger, wat zijn enkele van de uitdagingen die u nog steeds ziet voor de 3D-printmaterialensector?

Dit is een fundamentele vraag. Toen we jaren geleden naar 3D-printen keken, was een van de dingen waar we naar keken of ons polymeer de basisattributen had om 3D-geprint te worden? En die vraag komt neer op de erkenning dat 3D-printen een nul-druk consolidatieproces is. Wanneer u een polymeer giet, knedt u het in een vorm en knedt u het allemaal samen en krijgt u deze consolidatie. Dit resulteert in voorspelbare prestaties en goede mechanische eigenschappen. 3D-printen heeft die deugd niet. Met 3D-printen heeft u deze lage-druk consolidatie of nul-druk consolidatie als een FDM-proces waar u een filament hebt dat gesmolten wordt en laag voor laag op elkaar wordt gelegd. In dat proces eindigt u met tot 10 procent gaten, en in mijn wereld zijn gaten slecht, omdat ze betekenen dat een onderdeel niet robuust is. Het is geweldig voor een prototype maar u gaat er niet aan willen hangen. Dan heb je deze poederbedprocessen als die van OPM, waar lasers de ene laag poeder op de andere smelten, maar er is geen druk. Waar u op vertrouwt om reproduceerbare prestaties in deze typen omgevingen te krijgen, is een polymeer dat ergens naar toe plakt. Als een polymeer niet goed bondt, eindigt u met slechte prestaties in de Z-richting. PEKK is echt uniek in dat opzicht omdat het de affiniteit heeft om aan zichzelf te plakken. Dat is tamelijk ongebruikelijk in de polymere wereld. Om uw vraag te beantwoorden, wat dingen heeft tegengehouden is de ontwikkeling van fundamenteel nieuwe chemie. Als u naar een van de grote chemische bedrijven vandaag gaat en zegt, 'Kunt u een polymeer specifiek ontwikkelen voor deze capaciteit om aan zichzelf te plakken?' Ze gaan u raar aan kijken want u zit in het miljardenbereik en een aantal jaren om nieuwe polymeren te ontwikkelen. Het is een groot ding. Als u ging en een polymerenbedrijfsconsultant vraagt hoeveel werkelijk nieuwe chemistrieën in de afgelopen 20 jaar zijn ontwikkeld, zet u het waarschijnlijk op één hand, omdat die investeringen zo substantieel zijn. En corporate America heeft gewoon niet zo vaak de honger voor die dingen. Dus het is een grote uitdaging en ik zie er niet veel gebeuren, eerlijk gezegd.

Denkt u dat dat zal veranderen of evolueren in de komende maanden en jaren?

Nieuwe materialenplatforms gebaseerd op volledig nieuwe chemie? Ik denk niet dat dat gaat gebeuren. Dat is heel ver weg. Processtechnologieën zullen vorderen en mensen zullen die bestaande materialensets aanpassen met andere unieke vullers en compatibilizers en vergelijkbare chemieën om dingen te verbeteren. Dus ik denk dat dat waarschijnlijk waar dingen interessanter worden.

Wat houdt het komende jaar in voor OPM?

We hebben geluk dat we in een deel van deze industrie zitten, waar we niet afhankelijk zijn van R&D-contracten of venture capital op dit moment. We zitten in het deel van de "behoefte-economie". Hoewel we hebben gezien dat we door deze eerste fase van de COVID-pandemie de beschikbaarheid van ziekenhuizen daalde voor service en weg van electieve chirurgie, zien we al dat dat bedrijf begint terug te keren. Het is pijnlijk geweest voor elk bedrijf, maar de kerntechnologie die we hebben zal ons toestaan om door te groeien. We introduceren nu net ons suture anchor-product, wat een nieuwe lagere kosten productlijn is, en zelfs gegeven COVID zullen we kansen hebben om dat op de markt te brengen.

We hebben ook onze koppen omhoog naar nieuwe markten. We vinden de koolstofopvangmarkt leuk, andere industriële gebieden, en de biopharma-procesmarkt.

Ik denk dat COVID-19 op sommige manieren meer kapitaal en efficiëntie vraagt naar de markten waar we van nature geschikt voor zijn, gegeven de prestaties van onze materialen.

Enige laatste gedachten?

Het enige wat ik zou zeggen is dat deze specifieke tijd substantiële kansen heeft.

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

Dus als u echt iets substantiëls heeft, niet gewoon nog een manier om een prototype te maken, als u iets heeft dat de boog van de technologie in een substantiële manier buigt, gaat u nu een goede luisteraar krijgen. We hebben dat in ons bedrijf gezien waar sommige deuren waar we in het verleden op kloppen, mensen niet klaar waren om te horen. En we beginnen nu die callbacks te krijgen die zeggen 'Hey, vertel ons over dat ding waar we geld kunnen besparen of efficiënter iets kunnen doen'. Dus ik zou lezers aanmoedigen om niet neerslachtig te zijn als ze echte technologie hebben. Het verandert echt het spel. Dit is een interessante tijd.