Experteninterview:Scott DeFelice von Oxford Performance Materials zur Entwicklung von Hochleistungspolymeren für den 3D-Druck 

Während allgemein verwendbare Polymere wie ABS und Nylon derzeit den Markt für 3D-Druckmaterialien dominieren, besteht eine wachsende Nachfrage nach starken, funktionellen Materialien, die rauen Umgebungen und hohen Temperaturen standhalten.

Diese Materialien, die als Hochleistungspolymere bekannt sind, werden von 3D-Druckern in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizin zunehmend nachgefragt.

Die wichtigsten Hochleistungspolymere, die derzeit für den 3D-Druck verfügbar sind, gehören zur Familie der Polyaryletherketone (PAEK) von Thermoplasten und bieten Hochtemperaturstabilität und hohe mechanische Festigkeit.

Nur wenige Unternehmen auf dem Markt entwickeln derzeit solche Materialien, darunter Oxford Performance Materials (OPM).

OPM mit Sitz in Connecticut konzentriert sich besonders auf das PEKK-Material der PAEK-Familie und hat proprietäre Technologien und Geräte rund um diesen Thermoplast entwickelt.

Um mehr über OPM und seine Angebote zu erfahren, haben wir uns mit dem CEO des Unternehmens, Scott DeFelice, getroffen. Mit Scott haben wir wichtige Anwendungen für 3D-gedrucktes PEKK sowie Trends und Herausforderungen besprochen, die den Markt für 3D-Druckmaterialien prägen.

Können Sie mir etwas über Oxford Performance Materials und Ihre Mission als Unternehmen erzählen?

Oxford Performance Materials wurde im Jahr 2000 gegründet. Wir sind ein Unternehmen für leistungsstarke thermoplastische Materialien. Wir haben unsere ganze Zeit mit einem bestimmten Polymer namens Poly Ether Ketone Ketone oder PEKK verbracht. Und seit 2000 entwickeln wir Technologien rund um dieses Material.

PEKK ist die Spitze der thermoplastischen Lebensmittelkette in der thermoplastischen Welt. Aufgrund seiner hervorragenden thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften und seiner Biokompatibilität ist es ein Super-Hochleistungspolymer.

Heute verfügen wir über ein breites Portfolio an geistigem Eigentum und Patenten, die auf die Herstellung von PEKK zu einem synthetischen zurückzuführen sind Ebene, wie man es verarbeitet, Pulver für den 3D-Druck aufbereitet, wie man mit dem Material druckt.

In Sachen 3D-Druck begannen unsere Aktivitäten vor rund 10 Jahren mit der Entwicklung eines selektiven Laserschmelzens mit PEKK zum 3D-Druck verarbeiten. Um 2006 haben wir unsere ersten kommerziellen 3D-gedruckten Geräte für den medizinischen Bereich auf den Markt gebracht. Und das war der Beginn der 3D-Druckentwicklung.

2008 hat die FDA unser erstes Gerät, ein Schädelimplantat, zugelassen, das patientenspezifisch ist und von Zimmer Biomet weltweit vertrieben wird. Wir haben eine laufende Produktion, die täglich Schädel- und Gesichtsimplantate herstellt.

Wir haben vor über drei Jahren zu Wirbelsäulenimplantaten gewechselt und diese Produkte werden in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen namens RTI Surgical verkauft. Bis heute haben wir über 70.000 Wirbelsäulenimplantate ausgeliefert.

Vor kurzem haben wir eine weitere FDA-Zulassung für einen Sportmedizin-Antrag für Nahtanker erhalten, die verwendet werden, um Weichgewebe chirurgisch wieder am Knochen zu befestigen.

Parallel dazu haben wir unsere Technologie für den Einsatz in Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen entwickelt und validiert und unter anderem von Boeing und Northrop Grumman zertifiziert. Seitdem haben wir dieses Geschäft an einen unserer strategischen Partner, Hexcel, verkauft, der es in erheblichem Umfang unterstützen kann.

OPM kommt in das 3D-Druckgeschäft, nicht aus der Sicht von Leuten, die beispielsweise im Prototyping waren und dann in Produktionsteile eingezogen sind. Wir kommen aus der Sicht eines Herstellers fortschrittlicher Materialien, der aus interessanten technischen Gründen der Meinung war, dass sein Material für die additive Fertigung sehr gut geeignet wäre. Wir sind jetzt vertikal in diese Unternehmen integriert und nutzen weiterhin unsere Material- und Technologieplattform.

Wie hat sich Ihrer Meinung nach der 3D-Druckmaterialbereich im Laufe der Jahre entwickelt und wohin sehen Sie diesen Weg in Bezug auf Materialkosten und Materialentwicklung?

3D-Druck ist ein Prozess, und was diesen Prozess einzigartig und ermöglicht, ist das Material, das dabei verwendet wird. Ich sage den Leuten immer, dass man einen Apfel drucken kann, aber dann muss man ihn essen. Sie müssen also mit Materialien drucken, die die Funktionalität für die Endmärkte und Endanwendungen von Interesse haben.

Wir haben gesehen, dass beispielsweise Metall AM im Laufe der Jahre sehr beliebt geworden ist, weil es funktionelle Eigenschaften hat, die in bestimmten Endmärkten nützlich sind.

Ich denke, dieser Trend wird sich fortsetzen. Materialien – Polymere, Metalle und andere – werden sich weiterentwickeln, um eine größere Funktionalität auf den Endverbrauchermärkten zu ermöglichen, unabhängig davon, um welche Märkte es sich handelt.

Das Interessante an den Kosten ist, dass es schon immer diese „Oh, die Materialien sind zu teuer“-Diskussion gab. Ich argumentiere, dass die Materialkosten selbst an Bedeutung verlieren, wenn Sie in Endmärkte mit höherer Leistung vordringen und Materialien leistungsfähiger werden.

Zum Beispiel verkaufen wir orthopädische Implantate und wenn wir ein Schädelimplantat im Krankenhaus verkaufen, kann dieses Implantat für 10.000 US-Dollar verkauft werden. Aber wenn wir uns die Kosten unserer Arbeit ansehen, sind die Materialkosten eigentlich nur ein relativ kleiner Kostenbestandteil. Der Rest ist die Qualität und die Regulierung, die Fertigungssysteme, die man haben muss, um auf einem stark regulierten Markt zu verkaufen, sei es im Bereich Biomedizin, Raumfahrt und Verteidigung oder Halbleiter.

Da sich die Industrie also immer weiter weg von der Herstellung von Prototypen hin zu Endprodukten entwickelt, ist die Leistung des Materials entscheidend und die Materialkostenkomponente wird weniger treibend.

Könnten Sie neben der Medizin auf andere Branchen expandieren, die von den Materialien profitieren können, die Sie für den 3D-Druck entwickeln?

Wir haben an den offensichtlichsten Orten begonnen, in der Biomedizin und in der Luft- und Raumfahrt, weil wir in unserem Geschäft eine lange Tradition in der Betreuung dieser Märkte haben. Aber jetzt heben wir den Kopf und schauen uns in anderen Bereichen um.

Die Endmärkte sind von der Leistungsfähigkeit unserer Materialien sehr abhängig. Unser PEKK-Material zum Beispiel liebt saure und basische Umgebungen, also gehen wir in Sachen Umwelt dorthin. Ein Bereich, den wir ziemlich genau verfolgen, ist zum Beispiel die Kohlenstoffabscheidung.

Kohlenstoffabscheidung ist eine Technologie, die heute funktioniert, aber die Investitionskosten dieser Anlagen sind zu hoch.

Also haben wir uns diesen Bereich angesehen und es gibt viele Möglichkeiten für unsere Materialien und den 3D-Druck in diesem Bereich. In Kürze werden wir eine Zusammenarbeit mit einem der führenden US-Regierungslabors in diesem Bereich bekannt geben.

Wir mögen auch die pharmazeutischen Prozess- und Bioprozessbereiche, in denen Sie ein Material mit den richtigen Eigenschaften unseres Polymers wünschen, um die Prozesseffizienz zu verbessern und die Kapitalkosten zu senken.

Angesichts der aktuellen COVID-19-Situation müssen einige dieser Prozesse natürlich skaliert werden und Sie benötigen eine Menge komplexer Strukturen und die richtige hochreine Chemie, um in diesem Bereich zu praktizieren. Das verfolgen wir auch ziemlich genau.

Die Polymerklasse der Polyketone leistet einige sehr interessante Aufgaben.

Wir haben viele Millionen Dollar ausgegeben, um die Leistung unserer 3D-gedruckten Teile zu verstehen. Deshalb sind unsere Teile fliegende bemannte Raumfahrzeuge, deshalb haben wir Tausende von Teilen im menschlichen Körper. Dies liegt daran, dass wir uns die umfassende Arbeit geleistet haben, das, was wir drucken, zu charakterisieren, um es den Leuten zu erleichtern, die die Praxis dieser Strukturen sehr ernst nehmen.

Wie sieht dieser Prozess der Entwicklung und Prüfung von Material für den 3D-Druck aus?

Es gibt im Allgemeinen zwei Teile. Wenn wir ein Material und einen Prozess entwickeln, durchlaufen wir eine interne Bewertung, die in der Regel von analytischen Methoden, die wir über die Jahre entwickelt haben, bis hin zu eher konventionellen mechanischen, thermischen und elektrischen Screening-Tests reicht, die auf Entwicklungsebene durchgeführt werden.

Sobald Sie die Baseline haben und sagen „Ja, dies ist ein reproduzierbares Produkt und wir verstehen es“, bringt Sie das zur ersten Base.

Um dann nach Hause zu kommen, müssen Sie in jede Branche gehen, egal ob Sie drucken oder formen oder bearbeiten oder was auch immer Ihre Prozesstechnologie ist. Jede Branche kennt Möglichkeiten, die Leistung zu verstehen, egal ob es sich um einen ASTM-Standard, einen ISO-Standard oder einen unternehmensspezifischen Standard oder einen Regierungsstandard handelt.

Wir haben ein gutes Beispiel in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Nachdem wir all diese Arbeit erledigt und sichergestellt hatten, dass wir einen stabilen und wiederholbaren Prozess hatten, mussten wir dann etwas tun, das ein MIL 17-Standard war, der zu einer statistischen Bewertung der Leistung mit sehr hoher Vorhersagbarkeit führt, und das heißt B-Basis.

Aber allein dieses Programm lief mehrere Jahre und erforderte Millionen von Dollar. Wir haben das in Zusammenarbeit mit der NASA und Northrop Grumman gemacht, und es war eine ziemlich umfassende branchenspezifische Bewertung.

Wenn wir in der Biomedizin unsere Wirbelsäulenimplantate nehmen, durchlief sie zunächst eine umfassende Reihe von ISO 10993-Tests, die die Biokompatibilität und Reinheit wirklich beurteilen. Sobald Sie das Kontrollkästchen "Okay, das gedruckte Material ist rein und biokompatibel, nicht toxisch" aktiviert haben, möchten wir es jetzt in einem Wirbelsäulenimplantat verwenden.

Es gibt eine ganze Reihe anderer mechanischer Tests als Teil des ASTM F2077-Standards, die speziell für Wirbelsäulenimplantate gelten. Wenn Sie das geschafft haben, können Sie diese Daten bei der FDA einreichen.

Sie müssen also zuerst Ihre eigenen internen Tests durchführen, um sich vertraut zu machen, da diese anderen Testverfahren sehr teuer sind. Und Sie möchten das nicht tun, es sei denn, Sie haben großes Vertrauen, dass Sie diese Tests bestehen werden.

Das gilt für jeden Endmarkt, insbesondere in unserer Materialklasse. Bei technischen Materialien sind die Standards niedriger, da das mit der Endanwendung verbundene Risiko geringer ist.

Es ist bekannt, dass Polymere verwendet werden, um Metalle in bestimmten Anwendungen zu ersetzen. Können Sie Beispiele nennen, wie Hochleistungspolymere Metallmaterialien ersetzen konnten?

Vor 30 Jahren haben wir eine stetige Weiterentwicklung von Polymermaterialien beobachtet, die Metall ersetzen. Wenn Sie in den 1970er Jahren ein Auto kauften, wogen Autos das Doppelte, was ein Auto heute wiegt, und fast alles wäre aus Metall, oder wenn Sie einen Staubsauger gekauft hätten, wäre er aus Metall gewesen.

Wenn Sie diese Dinger bekommen, machen sie nur einen Bruchteil des Gewichts aus und sie bestehen hauptsächlich aus Kunststoff. Dieser Trend, dass Polymere Metalle für verschiedene Funktionen ersetzen, ist also sehr gut etabliert.

3D-Druck ist nur ein weiterer Prozess, bei dem Sie Metalle ersetzen können. Die Gründe für den Ersatz von Metallen sind Kosten, Gewicht und Korrosion.

Wir suchen ständig nach Möglichkeiten zum Metallersatz, um die Kosten für die Mitarbeiter zu senken, das Gewicht zu reduzieren und die Effizienz von Geräten zu verbessern. Gute Beispiele dafür sind Wirbelsäulenkäfige, Fusionsgeräte, die Ihre Wirbelsäule bei chronischen Schmerzen zusammenfügen.

Diese Geräte wurden in der Vergangenheit aus maschinell bearbeitetem Titan hergestellt und jetzt drucken wir sie mit PEKK.

Ein weiteres Beispiel sind Schädelimplantate aus 3D-gedrucktem Titan. Heute stellen wir sie aus 3D-gedrucktem PEKK her.

Wenn wir uns einige der Dinge bei der Kohlenstoffabscheidung ansehen, sehen wir uns genau das an:den Ersatz von sehr teurem maschinell bearbeitetem Edelstahl oder Titan durch 3D-gedrucktes PEKK.

Der Umstieg von Metallen auf Polymere ist also schon lange ein Megatrend in der Branche. Es hat sich in den letzten Jahren beschleunigt und 3D-Druck ist jetzt ein Teil dieser größeren Geschichte, einschließlich Bereichen wie Öl &Gas und Transport, wo wir mit Industriepartnern Entwicklungsprojekte in der Frühphase haben.

Apropos Trends, sehen Sie irgendwelche Trends im Bereich der 3D-Druckmaterialien?

Auf der metallischen Seite sehen wir Leute, die versuchen, Metal AM zu bekannteren und vorhersehbareren Morphologien zu führen.

Ich möchte nicht zu technisch werden, aber der 3D-Druck von Metall ist nicht das moralische Äquivalent zu rohem oder geschmiedetem oder gegossenem Metall. Es ist ein anderes Tier.

Als die Branche zum ersten Mal sehr populär wurde, gab es diesbezüglich viel Verwirrung. Im Laufe der Zeit haben die Leute erkannt, dass es ein anderes Tier ist. Und jetzt arbeiten sie an den Material- und Prozesstechnologien, die Metall AM in gewisser Weise konventioneller machen. Ich denke, es wird Metal AM deutlich voranbringen.

Auf der Polymerseite besteht nun die allgemeine Tendenz, Endmärkte mit Polymer AM zu bedienen. Die beiden dominierenden Materialien hierfür sind Nylon 11 und Nylon 12. Das sind technische Materialien, und sie befinden sich in der Mitte der Polymerpyramide.

Sie haben jedoch eine begrenzte Endverwendung. Sie sind weder thermisch noch mechanisch besonders robust.

Jetzt beginnen die Leute herauszufinden, wie man in der Pyramide nach oben kommt. Wir sehen allmählich, dass Unternehmen wie BASF Nylon 6 einführen, das etwas mehr Leistung erkauft.

Ich denke, wir werden den Trend fortsetzen, dass mehr Materialien zwischen OPM und PEKK und anderen Materialien in der Mitte der Leistungspyramide erscheinen.

Als Kehrseite davon sehen Sie einige der Herausforderungen, denen sich der Sektor der 3D-Druckmaterialien noch gegenübersieht?

Dies ist eine grundlegende Frage.

Als wir uns vor vielen Jahren mit dem 3D-Druck beschäftigten, fragten wir uns unter anderem, ob unser Polymer die grundlegenden Eigenschaften für den 3D-Druck hat? Und diese Frage beruht auf der Erkenntnis, dass der 3D-Druck ein druckloser Konsolidierungsprozess ist.

Wenn Sie ein Polymer formen, pressen Sie es in eine Form und zerquetschen alles zusammen und erhalten diese Konsolidierung. Dies führt zu einer vorhersehbaren Leistung und guten mechanischen Eigenschaften.

3D-Druck hat diese Tugend nicht. Beim 3D-Druck haben Sie diese Niederdruckkonsolidierung oder Nulldruckkonsolidierung wie bei einem FDM-Prozess, bei dem Sie ein Filament haben, das geschmolzen und übereinander gelegt wird. In diesem Prozess haben Sie bis zu 10 Prozent Hohlräume, und in meiner Welt sind Hohlräume schlecht, weil sie bedeuten, dass ein Teil nicht robust ist. Es ist großartig für einen Prototyp, aber Sie werden nicht daran hängen wollen.

Dann haben Sie diese Pulverbettprozesse wie OPMs, bei denen Laser eine Pulverschicht übereinander schmelzen, aber es gibt keinen Druck. Was Sie für eine wiederholbare Leistung in diesen Umgebungen benötigen, ist ein Polymer, das gerne an sich selbst kleben bleibt.

Wenn ein Polymer nicht gut bindet, haben Sie am Ende eine schlechte Leistung in Z-Richtung.

PEKK ist darin wirklich einzigartig, weil es die Affinität hat, bei sich selbst zu bleiben. Das ist in der Polymerwelt ziemlich ungewöhnlich.

Um Ihre Frage zu beantworten:Was die Dinge aufgehalten hat, war die Entwicklung einer grundlegend neuen Chemie.

Wenn Sie heute zu einem der großen Chemieunternehmen gehen und sagen:„Könnten Sie ein Polymer speziell für diese Fähigkeit entwickeln, an sich selbst zu kleben?“ Die werden Sie komisch ansehen, weil Sie im Milliardenbereich und eine Reihe von Jahren, um neue Polymere zu entwickeln. Es ist ein großes Geschäft.

Wenn Sie einen Berater eines Polymerunternehmens fragten, wie viele wirklich neue Chemien in den letzten 20 Jahren entwickelt wurden, würden Sie es wahrscheinlich auf eine Hand legen, weil diese Investitionen so hoch sind. Und Corporate America hat einfach nicht allzu oft Appetit auf dieses Zeug. Es ist also eine große Herausforderung und ich sehe nicht viel davon, ehrlich gesagt.

Glauben Sie, dass sich das in den kommenden Monaten und Jahren ändern oder weiterentwickeln wird?

Neue Materialplattformen basierend auf einer neuartigen neuen Chemie? Ich glaube nicht, dass das passieren wird. Das ist sehr abgelegen.

Prozesstechnologien werden weiterentwickelt und die Leute werden diese bestehenden Materialsätze mit anderen einzigartigen Füllstoffen und Kompatibilisierungsmitteln und Größenchemien modifizieren, um die Dinge zu verbessern. Ich denke, da wird es wahrscheinlich interessanter.

Was hält das kommende Jahr für OPM bereit?

Wir haben das große Glück, dass wir uns in einem Teil dieser Branche befinden, in der wir derzeit weder auf F&E-Verträge noch auf Risikokapital angewiesen sind.

Wir befinden uns im Teil der „Need Economy“. | .

Es war für jedes Unternehmen schmerzhaft, aber die Kerntechnologie, die wir haben, wird es uns ermöglichen, weiter zu wachsen. Wir führen gerade unser Nahtankerprodukt ein, bei dem es sich um eine neue kostengünstigere Produktlinie handelt, und selbst angesichts von COVID haben wir die Möglichkeit, dies auf den Markt zu bringen.

Wir haben auch unseren Kopf hoch neue Märkte. Wir mögen den CO2-Abscheidungsmarkt, andere Industriebereiche und den Biopharma-Prozessmarkt.

Ich denke, COVID-19 treibt in gewisser Weise mehr Kapital und verlangt mehr Effizienz in die Märkte, für die wir natürlich geeignet sind , angesichts der Leistungsfähigkeit unserer Materialien.

Irgendwelche letzten Gedanken?

Ich würde nur sagen, dass diese besondere Zeit erhebliche Chancen bietet.

Ich denke, als Unternehmen im 3D-Druck haben wir versucht, Technologien voranzutreiben, die einen echten Mehrwert schaffen . In herausfordernden und engen Zeiten wie jetzt suchen die Menschen nach Wegen, um Kosten zu senken und neue Märkte zu erschließen. CEOs gehen zu ihrem CTO und sagen:„Hey, was hast du für mich? Wir brauchen etwas Neues.

Wenn Sie also wirklich etwas Wesentliches haben, nicht nur eine andere Möglichkeit, einen Prototyp zu erstellen, wenn Sie etwas haben, das den Bogen der Technologie auf wesentliche Weise biegt, gehen Sie jetzt gut anzuhören.

Wir haben gesehen, dass in unserem Geschäft, wo einige Türen, an die wir in der Vergangenheit geklopft haben, die Leute nicht bereit waren, es zu hören. Und wir fangen jetzt an, diese Rückrufe zu bekommen, die sagen:„Hey, erzähl uns von der Sache, bei der wir etwas Geld sparen oder etwas effizienter machen können“.

Deshalb möchte ich die Leser ermutigen, nicht mutlos zu sein, wenn sie über echte Technologie verfügen. Es verändert das Spiel wirklich. Dies ist eine interessante Zeit.