Интервью с экспертом:Oxford Performance Materials »Скотт ДеФелис об эволюции высокоэффективных полимеров для 3D-печати

В то время как полимеры общего назначения, такие как АБС и нейлон, в настоящее время доминируют на рынке материалов для 3D-печати, растет спрос на прочные, функциональные материалы, которые могут выдерживать суровые условия окружающей среды и высокие температуры.

Эти материалы, известные как высокоэффективные полимеры, все чаще пользуются спросом у пользователей 3D-печати в таких отраслях, как аэрокосмическая и медицинская.

Ключевые высокоэффективные полимеры, доступные в настоящее время для 3D-печати, относятся к семейству термопластов полиарилэфиркетонов (PAEK), обеспечивающих высокотемпературную стабильность и высокую механическую прочность.

Лишь несколько компаний на рынке в настоящее время разрабатывают такие материалы, одна из которых - Oxford Performance Materials (OPM).

Компания OPM, базирующаяся в Коннектикуте, уделяет особое внимание материалу PEKK из семейства PAEK и разработала запатентованную технологию и устройства на основе этого термопласта.

Чтобы узнать больше об OPM и ее предложениях, мы поговорили с генеральным директором компании Скоттом ДеФелисом. Со Скоттом мы обсудили ключевые приложения для 3D-печати PEKK, а также тенденции и проблемы, формирующие рынок материалов для 3D-печати.

Не могли бы вы немного рассказать мне об Oxford Performance Materials и своей миссии как компании?

Oxford Performance Materials была основана в 2000 году. Мы являемся производителем высокоэффективных термопластов. Мы потратили все свое время на один конкретный полимер, называемый полиэфиркетон-кетон или PEKK. А с 2000 года мы разрабатываем технологии на основе этого материала.

PEKK - это термопластик на вершине пищевой цепи в мире термопластов. Это сверхвысокопроизводительный полимер благодаря его превосходным термическим, химическим и механическим свойствам, а также биосовместимости.

Сегодня у нас есть широкий портфель интеллектуальной собственности и патентов, которые основаны на том, как производить PEKK на синтетической основе. уровень того, как его обрабатывают, готовят порошки для 3D-печати, как печатать из материала.

Что касается 3D-печати, наша деятельность началась около 10 лет назад с разработки селективного лазерного плавления процесс 3D-печати с помощью PEKK. Примерно в 2006 году мы запустили наши первые коммерческие устройства для печати на 3D-принтере для медицины. И это было началом развития 3D-печати.

В 2008 году FDA одобрило наше первое устройство, черепной имплант, которое компания Zimmer Biomet распространяет по всему миру специально для каждого пациента. У нас есть постоянное производство, ежедневно производящее черепные и лицевые имплантаты.

Мы перешли от этого к спинальным имплантатам более трех лет назад, и эти продукты продаются в партнерстве с компанией RTI Surgical. На сегодняшний день мы отгрузили более 70 000 спинных имплантатов.

Совсем недавно мы получили еще одно разрешение FDA на применение в спортивной медицине фиксаторов швов, используемых для хирургического прикрепления мягких тканей к кости.

Параллельно с этим мы разработали и проверили нашу технологию для использования в космических и оборонных приложениях и получили сертификаты, в том числе от компаний Boeing и Northrop Grumman. С тех пор мы продали этот бизнес одному из наших стратегических партнеров, Hexcel, у которого есть значительные возможности для его поддержки.

OPM приходит в бизнес 3D-печати, а не с точки зрения людей, которые, скажем, занимались прототипированием, а затем перешли на производство деталей. Мы подходим к этому с точки зрения компании, занимающейся передовыми материалами, которая обнаружила, что их материал очень хорош для аддитивного производства по интересным техническим причинам. Теперь мы вертикально интегрированы в эти предприятия и продолжаем использовать нашу платформу материалов и технологий.

Каким вы видите развитие пространства материалов для 3D-печати за эти годы, и где вы видите эту траекторию с точки зрения затрат на материалы и разработки материалов?

3D-печать - это процесс, и то, что делает этот процесс уникальным и перспективным, - это материал, который в нем используется. Я всегда говорю людям, что яблоко можно напечатать, но потом его нужно съесть. Таким образом, вы должны печатать с материалами, которые имеют функциональные возможности для конечных рынков и конечных пользователей, представляющих интерес.

Мы видели, как с годами, например, металлический AM стал очень популярным по той причине, что он обладает функциональными свойствами, полезными на определенных конечных рынках.

Думаю, эта тенденция сохранится. Материалы - полимерные, металлические и другие - будут продолжать развиваться, чтобы обеспечить большую функциональность на рынках конечного использования, независимо от того, что это за рынки.

Что касается стоимости, то здесь всегда было обсуждение типа «Ой, материалы слишком дорогие». Я утверждаю, что по мере того, как вы выходите на рынки с более высокими характеристиками и материалы становятся более функциональными, сами затраты на материалы фактически становятся менее значительными.

Например, мы продаем ортопедические имплантаты, а когда мы продаем черепной имплант в больнице, этот имплант может быть продан за 10 000 долларов. Но когда мы смотрим на стоимость того, что мы делаем, затраты на материалы на самом деле являются довольно небольшой составляющей стоимости. Остальное - это качество и нормативные требования, производственные системы, которые необходимо иметь для продажи на строго регулируемом рынке, будь то биомедицина, космос, оборона или полупроводник.

По мере того, как промышленность продолжает переходить от производства прототипов к продукции конечного использования, характеристики материала становятся критичными, а стоимость материала становится менее важным фактором.

Не могли бы вы расширить круг других отраслей, помимо медицины, которые могут извлечь выгоду из материалов, которые вы разрабатываете для 3D-печати?

Мы начали с очевидных областей, биомедицинской и аэрокосмической, потому что у нас есть долгая история обслуживания этих рынков. Но теперь мы поднимаем голову и оглядываемся на другие области.

Конечные рынки очень зависят от характеристик наших материалов. Например, наш материал PEKK любит кислую и щелочную среду, поэтому мы идем именно сюда с точки зрения окружающей среды. Итак, одна область, которую мы очень внимательно отслеживаем, - это, например, улавливание углерода.

Улавливание углерода - это технология, которая работает сегодня, но капитальные затраты на эти установки слишком дороги.

Итак, мы посмотрели на эту область, и там есть много возможностей для наших материалов и 3D-печати. Вскоре мы объявим о сотрудничестве с одной из ведущих государственных лабораторий США в этой области.

Нам также нравятся области фармацевтических процессов и биотехнологий, где вам нужен материал с правильными свойствами нашего полимера для повышения эффективности процесса и снижения капитальных затрат.

Очевидно, что в ситуации с COVID-19 прямо сейчас есть необходимость масштабировать некоторые из этих процессов, и вам нужно иметь много сложной структуры и правильную химию высокой чистоты, чтобы практиковаться в этом пространстве. Мы тоже очень внимательно это отслеживаем.

Класс полимеров Polyketones выполняет несколько очень интересных задач.

Мы потратили много миллионов долларов на изучение характеристик наших деталей, напечатанных на 3D-принтере. Вот почему наши части - это летающие пилотируемые космические корабли, вот почему у нас тысячи частей в человеческом теле. Это потому, что мы проделали исчерпывающую работу по характеристике того, что мы печатаем, для удобства людей, которые очень серьезно относятся к тому, что эти структуры делают на практике.

Как выглядит этот процесс разработки и тестирования материалов для 3D-печати?

Обычно состоит из двух частей. Когда мы разрабатываем материал и процесс, мы проходим внутреннюю оценку, которая обычно идет от аналитических методов, которые мы разрабатывали на протяжении многих лет, до довольно обычных механических, тепловых и электрических проверочных испытаний, которые проводятся на уровне разработки.

Когда у вас есть базовый уровень и вы говорите:«Да, это воспроизводимый продукт, и мы его понимаем», вы попадете на первую базу.

Затем, чтобы вернуться домой, вы должны изучить все отрасли, будь то печать, формование, обработка или другие технологические процессы. В каждой отрасли есть известные способы понимания производительности, будь то стандарт ASTM, стандарт ISO, стандарт компании или государственный стандарт.

У нас есть хороший пример в аэрокосмической отрасли. После того, как мы проделали всю эту работу и убедились, что у нас есть стабильный и повторяемый процесс, мы должны были сделать что-то, что было стандартом MIL 17, который приводит к статистической оценке производительности с очень высокой предсказуемостью, и это называется B-Basis.

Но одна только эта программа длилась несколько лет и потребовала миллионов долларов. Мы сделали это в сотрудничестве с НАСА и Northrop Grumman, так что это была довольно исчерпывающая отраслевая оценка.

В биомедицине, если мы возьмем наши спинальные имплантаты, сначала они прошли исчерпывающую серию тестов ISO 10993, которые действительно оценивают биосовместимость и чистоту. Как только вы установите этот флажок в поле «Хорошо, напечатанный материал является чистым, биосовместимым, не токсичным», теперь мы хотим использовать его в спинномозговой имплантате.

В рамках стандарта ASTM F2077 существует целая серия механических испытаний, специфичных для спинных имплантатов. Когда вы пройдете через это, вы можете подать заявку в FDA с этими данными.

Итак, вы должны сначала провести собственное внутреннее тестирование, чтобы освоиться, потому что эти другие режимы тестирования очень дороги. И вы не захотите этого делать, если не уверены, что пройдете эти испытания.

Это касается любого конечного рынка, особенно в нашем классе материалов. Для технических материалов стандарты ниже, потому что ниже риск, связанный с их конечным использованием.

Известно, что полимеры используются для замены металлов в определенных областях применения. Не могли бы вы поделиться примерами того, как высокоэффективные полимеры смогли заменить металлические материалы?

30 лет назад мы наблюдали неуклонное развитие полимерных материалов, заменяющих металл. Если бы вы покупали автомобиль в 1970-х годах, автомобили весили вдвое больше, чем автомобиль сегодня, и почти все было бы из металла, или если бы вы купили пылесос, он был бы сделан из металла.

Теперь, если у вас есть эти вещи, они составляют небольшую часть веса, и в основном они пластиковые. Так что эта тенденция замены металлов полимерами для различных функций очень хорошо известна.

3D-печать - это просто еще один процесс, с помощью которого вы можете заменять металлы, а причинами замены металлов являются стоимость, вес и коррозия.

Мы постоянно ищем возможности замены металла, чтобы сократить расходы для людей, уменьшить вес и повысить эффективность устройств. Хорошими примерами этого являются спинномозговые клетки, устройства для сращивания, которые соединяют ваш позвоночник вместе, если у вас хроническая боль.

Эти устройства исторически изготавливались из обработанного титана, а теперь мы печатаем их с помощью PEKK.

Другой пример - черепные имплантаты, изготовленные из титана, напечатанного на 3D-принтере. Сегодня мы делаем их из ПЭКК, напечатанного на 3D-принтере.

Когда мы смотрим на некоторые аспекты улавливания углерода, это именно то, на что мы сейчас смотрим:замена очень дорогой обработанной нержавеющей стали или титана на 3D-печатный PEKK.

Идея перехода с металлов на полимеры уже давно является главной тенденцией в отрасли. В последние годы он набирает обороты, и теперь 3D-печать стала частью этой более широкой истории, в том числе в таких областях, как нефть, газ и транспорт, где мы вместе с партнерами из отрасли уже работаем над проектами разработки на ранней стадии.

Говоря о тенденциях, видите ли вы какие-либо тенденции в области материалов для 3D-печати?

Что касается металла, мы видим, что люди пытаются довести металлический AM до более известной и предсказуемой морфологии.

Не хочу вдаваться в подробности, но металл для 3D-печати не является моральным эквивалентом необработанного, кованого или литого металла. Это другой зверь.

Когда индустрия впервые стала очень популярной, вокруг этого было много неразберихи. Со временем люди поняли, что это другое животное. И теперь они работают над материалами и технологическими процессами, которые в некотором роде делают металлические AM более традиционными. Я думаю, что это значительно продвинет вперед металлический AM.

Что касается полимеров, то сейчас наблюдается общая тенденция обслуживать конечные рынки с помощью полимерных АМ. Два основных материала для этого - нейлон 11 и нейлон 12. Это технические материалы, которые находятся в середине полимерной пирамиды.

Однако конечное использование у них ограничено. Они не обладают особой термической или механической прочностью.

Сейчас люди начинают думать, как подняться по пирамиде. Мы начинаем видеть, как такие компании, как BASF, представляют Nylon 6, который дает немного больше производительности.

Я думаю, что мы продолжим видеть эту тенденцию к появлению большего количества материалов, которые будут заполнять место между OPM с PEKK и другими материалами в середине пирамиды производительности.

С другой стороны, какие проблемы, по вашему мнению, по-прежнему стоят перед сектором материалов для 3D-печати?

Это принципиальный вопрос.

Когда мы начали заниматься 3D-печатью много лет назад, одна из вещей, на которые мы обращали внимание, заключалась в том, есть ли у нашего полимера основные атрибуты для 3D-печати? И этот вопрос сводится к признанию того, что 3D-печать - это процесс консолидации без давления.

Когда вы формуете полимер, вы смешиваете его в форму, сжимаете все вместе и получаете это уплотнение. Это приводит к предсказуемым характеристикам и хорошим механическим свойствам.

У 3D-печати нет такого достоинства. С 3D-печатью у вас есть такое уплотнение при низком давлении или уплотнение при нулевом давлении, как в процессе FDM, когда у вас есть нить, которая плавится и накладывается друг на друга. В этом процессе вы получаете до 10 процентов пустот, а в моем мире пустоты - это плохо, потому что они означают, что часть не является прочной. Он отлично подходит для прототипа, но вам не захочется на нем висеть.

Кроме того, у вас есть процессы порошкового слоя, такие как OPM, когда лазеры плавят один слой порошка поверх другого, но без давления. Чтобы добиться стабильной производительности в таких средах, вы полагаетесь на полимер, который любит прилипать к себе.

Если полимер плохо склеивается, у вас плохие характеристики в направлении оси Z.

PEKK действительно уникален тем, что имеет свойство прилипать к самому себе. Это довольно необычно в мире полимеров.

Отвечая на ваш вопрос, сдерживало развитие принципиально новой химии.

Если вы сегодня пойдете в одну из крупных химических компаний и спросите:«Не могли бы вы разработать полимер специально для этой способности прилипать к себе?» Они будут смотреть на вас смешно, потому что вы в диапазоне миллиардов долларов и несколько лет для разработки новых полимеров. Это большая сделка.

Если вы пошли и спросили консультанта полимерной компании, сколько действительно новых химических продуктов было разработано за последние 20 лет, вы, вероятно, положите это на одну руку, потому что эти инвестиции очень значительны. А корпоративная Америка просто не слишком часто испытывает аппетит к этим вещам. Так что это большая проблема, и, честно говоря, я не вижу, чтобы этого часто происходило.

Как вы думаете, это изменится или изменится в ближайшие месяцы и годы?

Новые материальные платформы, основанные на новой химии? Я не думаю, что это произойдет. Это очень далеко.

Технологические процессы будут развиваться, и люди будут модифицировать существующие наборы материалов с помощью других уникальных наполнителей и добавок, улучшающих совместимость, а также химического состава для определения размеров. Думаю, именно здесь все станет еще интереснее.

Что ожидает OPM в предстоящем году?

Нам очень повезло, что мы находимся в той части отрасли, где на данный момент мы не полагаемся на контракты на НИОКР или венчурный капитал.

Мы находимся в зоне «экономии потребностей».

Хотя мы видели, что, пройдя этот первый этап пандемии COVID, доступность больниц упала до обслуживания и отказа от плановых операций, мы уже начинаем видеть, что этот бизнес возвращается .

Это было болезненно для любого бизнеса, но наша основная технология позволит нам продолжать расти. Мы только сейчас представляем наш продукт для фиксации шовного материала, который представляет собой новую линейку недорогих продуктов, и даже с учетом COVID у нас будут возможности вывести его на рынок.

новые рынки. Нам нравится рынок улавливания углерода, другие промышленные районы и рынок биофармацевтических процессов.

Я думаю, что COVID-19 в некотором роде привлекает больше капитала и требует большей эффективности на рынках, для которых мы, естественно, пригодны , учитывая эффективность наших материалов.

Что-нибудь напоследок?

Единственное, что я могу сказать, так это то, что именно сейчас у нас есть существенные возможности.

Я думаю, как компания, занимающаяся 3D-печатью, мы пытаемся продвигать технологии, которые действительно повышают ценность . В трудные и трудные времена, как сейчас, люди начинают искать способы снизить затраты и выйти на новые рынки. Генеральные директора идут к своему техническому директору и говорят:«Эй, что у вас есть для меня? Нам нужно что-то новое ».

Так что, если у вас действительно есть что-то существенное, а не просто другой способ создания прототипа, если у вас есть что-то, что существенно изменяет дугу технологий, вы собираетесь чтобы теперь хорошо послушать.

Мы видели, что в нашем бизнесе, когда в некоторые двери мы стучались раньше, люди не были готовы это услышать. И сейчас мы начинаем получать те обратные вызовы, которые говорят:«Эй, расскажите нам о том, что можно сэкономить или сделать что-то более эффективно».

Поэтому я бы посоветовал читателям не унывать, если у них есть настоящие технологии. Это действительно меняет игру. Сейчас интересное время.