Inside 3D Printing Innovation: Oxford Performance Materials' Scott DeFelice über High-Performance-Polymere

Während Allzweckpolymere wie ABS und Nylon derzeit den 3D-Druck-Materialmarkt dominieren, wächst die Nachfrage nach starken, funktionalen Materialien, die rauen Umgebungen und hohen Temperaturen standhalten.

Diese Materialien, bekannt als High-Performance-Polymere, werden zunehmend von 3D-Druck-Anwendern in Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik nachgefragt. Die wichtigsten derzeit für 3D-Druck verfügbaren High-Performance-Polymere gehören zur Polyaryletherketon-Familie (PAEK) von Thermoplasten, die hohe Temperaturstabilität und große mechanische Festigkeit bieten. Nur wenige Unternehmen entwickeln solche Materialien, eines davon ist Oxford Performance Materials (OPM). Mit Sitz in Connecticut konzentriert sich OPM insbesondere auf das PEKK-Material der PAEK-Familie und hat proprietäre Technologien und Geräte rund um diesen Thermoplasten entwickelt. Um mehr über OPM und seine Angebote zu erfahren, sprachen wir mit CEO Scott DeFelice. Wir diskutierten Schlüsselanwendungen für 3D-gedrucktes PEKK sowie Trends und Herausforderungen, die den 3D-Druck-Materialmarkt prägen.

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

Oxford Performance Materials wurde 2000 gegründet. Wir sind ein High-Performance-Thermoplast-Materialunternehmen. Wir haben unsere gesamte Zeit auf einen bestimmten Polymer namens Poly Ether Ketone Ketone (PEKK) verwendet. Seit 2000 entwickeln wir Technologien rund um dieses Material.

PEKK ist der Top-of-the-Food-Chain-Thermoplast in der Thermoplast-Welt. Es ist ein Super-High-Performance-Polymer wegen seiner hervorragenden thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität.

Heute verfügen wir über ein breites Portfolio an geistigem Eigentum und Patenten – von der Synthese von PEKK über die Verarbeitung, die Pulverherstellung für 3D-Druck bis hin zum Drucken mit dem Material. In Bezug auf 3D-Druck begannen unsere Aktivitäten vor etwa 10 Jahren mit der Entwicklung eines selektiven Laserschmelzprozesses für 3D-Druck mit PEKK. Wir brachten unsere ersten kommerziellen 3D-gedruckten Geräte um 2006 für den medizinischen Bereich auf den Markt. Das war der Beginn der 3D-Druck-Entwicklung. 2008 erhielt unsere erste Vorrichtung, ein kraniales Implantat, die FDA-Zulassung – patientenspezifisch und weltweit über Zimmer Biomet vertrieben. Wir haben laufende Produktion von kranialen und Gesichtsimplantaten jeden Tag. Wir gingen vor über drei Jahren zu Wirbelsäulenimplantaten über, die in Partnerschaft mit RTI Surgical vertrieben werden. Wir haben bisher über 70.000 Wirbelsäulenimplantate ausgeliefert. Kürzlich erhielten wir eine weitere FDA-Zulassung für eine Sportmedizin-Anwendung: Nahtanker, die zur chirurgischen Wiederbefestigung von Weichgewebe an Knochen verwendet werden. Parallel dazu entwickelten und validierten wir unsere Technologie für Weltraum- und Verteidigungsanwendungen und erhielten Zertifizierungen von Boeing und Northrop Grumman, unter anderem. Seitdem haben wir diesen Geschäftsbereich an einen strategischen Partner, Hexcel, verkauft, der über erhebliches Skalierungspotenzial verfügt. OPM nähert sich dem 3D-Druck-Geschäft nicht aus der Perspektive von Leuten, die im Prototyping waren und dann in Produktionsbauteile wechselten. Wir kommen als fortschrittliches Materialunternehmen, das feststellte, dass sein Material aus interessanten technischen Gründen sehr gut für additive Fertigung geeignet ist. Wir sind nun vertikal in diese Geschäftsbereiche integriert und nutzen weiterhin unsere Material- und Technologieplattform.

Wie sehen Sie die Entwicklung des 3D-Druck-Materialraums über die Jahre, und wohin geht die Entwicklung in Bezug auf Materialkosten und -entwicklung?

3D-Druck ist ein Prozess, und was diesen Prozess einzigartig und ermöglichend macht, ist das Material, das damit verwendet wird. Ich sage immer: Man kann einen Apfel drucken, aber dann muss man ihn essen. Man muss also mit Materialien drucken, die die Funktionalität für die Endmärkte und Endanwendungen haben. Wir haben gesehen, wie sich über die Jahre Metall-AM sehr beliebt machte, weil es funktionale Eigenschaften hat, die in bestimmten Endmärkten nützlich sind. Ich glaube, dieser Trend wird fortgesetzt. Materialien – polymer, metallisch und andere – werden sich weiterentwickeln, um größere Funktionalität in Endverbrauchermärkten zu ermöglichen, egal welche das sind. Das Interessante an Kosten: Es gab immer die Diskussion „Oh, die Materialien sind zu teuer“. Ich argumentiere, dass, wenn man in höhere Performance-Endmärkte vordringt und Materialien leistungsfähiger werden, die Materialkosten selbst tatsächlich weniger signifikant werden. Beispiel: Wir verkaufen orthopädische Implantate – wenn wir ein kraniales Implantat im Krankenhaus verkaufen, kann es für 10.000 $ verkauft werden. Aber wenn wir unsere Kosten ansehen, ist der Materialkostenanteil tatsächlich ziemlich klein. Der Rest ist Qualität, Regulatorik, Fertigungssysteme, die man braucht, um in einen stark regulierten Markt zu verkaufen – ob biomedizinisch, Raumfahrt/Verteidigung oder Halbleiter. Also, je mehr sich die Industrie von der Prototypenfertigung hin zu Endverbraucherprodukten entwickelt, desto kritischer wird die Materialleistung und desto weniger treibt der Materialkostenanteil.

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

OXFAB® ESD Komplexes Strukturbauteil für Luftrevitalisierungssystem der Boeing CST-100 Starliner [Bildnachweis: OPM]

Wir starteten an den offensichtlichen Orten – Biomedizin und Luftfahrt – weil wir in unserem Geschäft eine lange Tradition in der Bedienung dieser Märkte haben. Aber jetzt heben wir den Kopf und schauen uns andere Bereiche an. Die Endmärkte sind sehr spezifisch auf die Leistung unserer Materialien ausgerichtet. Unser PEKK-Material liebt beispielsweise saure und basische Umgebungen – da gehen wir hin. Ein Bereich, den wir genau beobachten, ist Kohlenstoffabscheidung (Carbon Capture). Kohlenstoffabscheidung funktioniert heute, aber die Kapitalkosten dieser Anlagen sind zu hoch. Wir haben uns diesen Bereich angesehen und sehen viele Chancen für unsere Materialien und 3D-Druck dort. Bald werden wir eine Zusammenarbeit mit einem der führenden US-Regierungslabore in diesem Bereich bekannt geben. Wir mögen auch die pharmazeutische Prozess- und Bioprozessbereiche, wo man ein Material mit den richtigen Attributen unseres Polymers braucht, um Prozesseffizienz zu verbessern und Kapitalkosten zu senken. Offensichtlich gibt es durch COVID-19 Bedarf, einige dieser Prozesse zu skalieren, und man braucht komplexe Strukturen und die richtige Hochreinheitschemie. Das beobachten wir ebenfalls genau. Die Polyketon-Polymerklasse erledigt einige sehr interessante Jobs. Wir haben viele Millionen Dollar investiert, um die Leistung unserer 3D-gedruckten Teile zu verstehen. Deshalb fliegen unsere Teile in bemannten Raumfahrzeugen, deshalb haben wir Tausende Teile im menschlichen Körper. Weil wir die exhaustive Arbeit der Charakterisierung dessen, was wir drucken, bis zum Komfort von Leuten geleistet haben, die sehr ernst nehmen, was diese Strukturen in der Praxis tun.

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

Es gibt im Allgemeinen zwei Teile. Wenn wir Material und Prozess entwickeln, durchlaufen wir eine interne Bewertung, die generell von analytischen Methoden, die wir über Jahre entwickelt haben, bis zu ziemlich konventionellen mechanischen, thermischen, elektrischen Screening-Tests auf Entwicklungsniveau geht. Sobald man die Baseline hat und sagt: „Ja, das ist ein reproduzierbares Produkt und wir verstehen es“, kommt man zur ersten Base. Um „nach Hause“ zu kommen, muss man in jeder Branche – ob Drucken, Formen, Zerspanen oder was auch immer der Prozesstechnologie ist – die bekannten Wege gehen, wie sie Performance verstehen, sei es ein ASTM-Standard, ISO-Standard, firmeninterner Standard oder Regierungsstandard. Ein gutes Beispiel in der Luftfahrt: Nachdem wir all diese Arbeit getan hatten und sicherstellten, dass wir einen stabilen, reproduzierbaren Prozess hatten, mussten wir etwas tun, das ein MIL-17-Standard war, der in eine statistische Bewertung der Performance bei sehr hoher Vorhersagbarkeit mündet – das nennt man B-Basis. Aber dieses Programm allein lief mehrere Jahre und kostete Millionen Dollar. Wir taten das in Zusammenarbeit mit NASA und Northrop Grumman – eine ziemlich exhaustive branchenspezifische Bewertung. In der Biomedizin: Nehmen wir den Fall unserer Wirbelsäulenimplantate – es ging zuerst durch eine exhaustive Reihe von ISO-10993-Tests, die Biokompatibilität und Reinheit bewerten. Wenn man das Häkchen bei „Das Material als gedruckt ist rein und biokompatibel, nicht toxisch“ gesetzt hat, dann wollen wir es in einem Wirbelsäulenimplantat nutzen. Da gibt es eine ganz andere Reihe mechanischer Tests als Teil des ASTM-F2077-Standards, die spezifisch für Wirbelsäulenimplantate sind. Wenn man das durchläuft, kann man einen FDA-Antrag mit diesen Daten stellen. Also muss man zuerst interne Tests machen, um sich wohlzufühlen, weil diese anderen Testregime sehr teuer sind. Und man will sie nicht machen, es sei denn, man hat großes Vertrauen, sie zu bestehen. Das gilt für jeden Endmarkt, besonders in unserer Materialklasse. Für technische Materialien sind die Standards niedriger, weil das Risiko der Endverwendung niedriger ist.

Es ist bekannt, dass Polymere in bestimmten Anwendungen Metalle ersetzen. Können Sie Beispiele teilen, wie High-Performance-Polymere Metallmaterialien ersetzen konnten?

Vor 30 Jahren haben wir einen stetigen Fortschritt gesehen, bei dem polymere Materialien Metall ersetzten. Wenn man in den 1970ern ein Auto kaufte, wog es doppelt so viel wie heute und fast alles war Metall – oder ein Staubsauger war aus Metall. Heute wiegen diese Dinge einen Bruchteil und bestehenmostly aus Kunststoff. Dieser Trend, Polymere Metalle für verschiedene Funktionalitäten zu ersetzen, ist bestens etabliert. 3D-Druck ist nur ein weiterer Prozess, wodurch man Metalle ersetzen kann – die Gründe sind Kosten, Gewicht und Korrosion. Wir suchen kontinuierlich nach Metallersatzmöglichkeiten, um Kosten zu senken, Gewicht zu reduzieren und Geräteeffizienz zu verbessern. Gute Beispiele sind Wirbelsäulen-Cages, Fusionsvorrichtungen, die Ihre Wirbelsäule bei chronischen Schmerzen versteifen. Diese wurden historisch aus gedrehtem Titan hergestellt – jetzt drucken wir sie mit PEKK.

Ein weiteres Beispiel: Kraniale Implantate aus 3D-gedrucktem Titan. Heute fertigen wir sie aus 3D-gedrucktem PEKK. Wenn wir uns einige Sachen im Carbon Capture ansehen – genau das betrachten wir jetzt: Ersetzen von sehr teurem, gedrehtem Edelstahl oder Titan durch 3D-gedrucktes PEKK. Diese Idee, von Metallen zu Polymeren zu wechseln, ist seit geraumer Zeit ein Megatrend in der Industrie. Er hat sich in den letzten Jahren beschleunigt, und 3D-Druck ist nun Teil dieser größeren Geschichte, einschließlich Bereichen wie Öl & Gas und Transport, wo wir frühe Entwicklungsprojekte mit Industriepartnern haben.

Was Trends betrifft – sehen Sie Trends im 3D-Druck-Materialbereich?

[Bildnachweis: OPM]

Auf der Metallseite sehen wir, dass Leute versuchen, Metall-AM zu bekannteren und vorhersehbareren Morphologien zu treiben. Ich will nicht zu technisch werden, aber 3D-Druck von Metall ist nicht das moralische Äquivalent zu Roh-, geschmiedetem oder gegossenem Metall. Es ist ein anderes Tier. Als die Industrie sehr populär wurde, gab es viel Verwirrung darum. Über die Zeit haben Leute realisiert, dass es ein anderes Tier ist. Und jetzt arbeiten sie an Material- und Prozesstechnologien, die Metall-AM in gewisser Weise konventioneller machen. Ich glaube, das wird Metall-AM signifikant voranbringen. Auf der Polymerseite gibt es jetzt die generelle Tendenz, Endmärkte mit Polymer-AM zu bedienen. Die zwei dominierenden Materialien dafür sind Nylon 11 und Nylon 12. Das sind technische Materialien, sie stehen in der Mitte der Polymerpyramide. Aber sie haben begrenzten Endnutzen – sie sind nicht besonders thermisch oder mechanisch robust. Jetzt fangen Leute an herauszufinden, wie man die Pyramide hinaufkommt. Wir sehen Unternehmen wie BASF, die Nylon 6 einführen, was etwas mehr Performance bringt. Ich denke, wir werden diesen Trend weitersehen – mehr Materialien, die auftauchen, um die Lücke zwischen OPM mit PEKK und anderen Materialien in der Mitte der Performance-Pyramide zu füllen.

Als Kehrseite: Welche Herausforderungen sehen Sie noch im 3D-Druck-Materialsektor?

Das ist eine fundamentale Frage. Als wir vor vielen Jahren anfingen, 3D-Druck zu betrachten, war eine der Fragen: Hat unser Polymer die grundlegenden Attribute, um 3D-gedruckt zu werden? Und diese Frage kommt auf die Erkenntnis zurück, dass 3D-Druck ein Null-Druck-Konsolidierungsprozess ist. Wenn man ein Polymer spritzt, drückt man es in eine Form und quetscht es zusammen – man bekommt diese Konsolidierung. Das resultiert in vorhersehbarer Performance und guten mechanischen Eigenschaften. 3D-Druck hat diese Tugend nicht. Beim 3D-Druck hat man diese Niedrigdruck- oder Null-Druck-Konsolidierung wie bei FDM, wo ein Filament geschmolzen und Schicht für Schicht aufgelegt wird. In diesem Prozess erhält man bis zu 10 % Poren, und in meiner Welt sind Poren schlecht, weil sie bedeuten, dass ein Teil nicht robust ist. Super für einen Prototyp, aber man will nicht daran hängen. Dann gibt es Pulverbettprozesse wie OPMs, wo Laser eine Pulverschicht auf die nächste schmelzen, aber es gibt keinen Druck. Worauf man sich verlässt, um reproduzierbare Performance in solchen Umgebungen zu bekommen, ist ein Polymer, das gerne an sich selbst haftet. Wenn ein Polymer nicht gut haftet, erhält man schlechte Performance in Z-Richtung. PEKK ist da wirklich einzigartig, weil es die Affinität hat, an sich selbst zu haften. Das ist in der Polymerwelt ziemlich ungewöhnlich. Um Ihre Frage zu beantworten: Was Dinge zurückgehalten hat, war die Entwicklung fundamental neuer Chemie. Wenn Sie heute zu einem der großen Chemieunternehmen gehen und sagen: „Könnten Sie ein Polymer speziell für diese Fähigkeit, an sich selbst zu haften, entwickeln?“ – Die werden Sie komisch anschauen, weil Sie im Milliarden-Dollar-Bereich sind und eine Reihe von Jahren für die Entwicklung neuer Polymere brauchen. Das ist ein großes Ding. Wenn Sie einen Polymerberater fragen, wie viele wirklich neue Chemien in den letzten 20 Jahren entwickelt wurden – Sie können es wahrscheinlich an einer Hand abzählen, weil diese Investitionen so substanziel sind. Und Corporate America hat einfach nicht oft den Appetit dafür. Also ist es eine große Herausforderung, und ich sehe nicht viel davon passieren, ehrlich gesagt.

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

Neue Materialplattformen basierend auf neuartiger neuer Chemie? Ich glaube nicht, dass das passieren wird. Das ist sehr unwahrscheinlich. Prozesstechnologien werden voranschreiten und Leute werden bestehende Materialsätze mit anderen einzigartigen Füllstoffen, Kompatibilisierern und Sizing-Chemistrien modifizieren, um Dinge zu verbessern. Also glaube ich, da wird es interessanter werden.

Was hält das kommende Jahr für OPM bereit?

Wir sind ziemlich glücklich, dass wir in einem Teil dieser Industrie sind, wo wir nicht auf F&E-Verträge oder Venture Capital angewiesen sind. Wir sind im Teil der „Need Economy“. Obwohl wir gesehen haben, dass in der ersten Phase der COVID-Pandemie die Krankenhausverfügbarkeit für elektive Operationen wegfiel, sehen wir bereits, dass dieses Geschäft zurückkommt. Es war schmerzhaft für jedes Geschäft, aber die Kerntechnologie, die wir haben, wird es uns erlauben, weiter zu wachsen. Wir führen gerade unser Nahtanker-Produkt ein, eine neue, kostengünstigere Produktlinie, und selbst unter COVID werden wir Gelegenheiten haben, das auf den Markt zu bringen.

Wir haben auch den Kopf oben bei neuen Märkten. Wir mögen den Carbon-Capture-Markt, andere Industriezweige und den Biopharma-Prozessmarkt.

Ich denke, COVID-19 treibt in gewisser Weise mehr Kapital und fordert mehr Effizienz in den Märkten, für die wir aufgrund der Leistung unserer Materialien natürlich geeignet sind.

Abschließende Gedanken?

Das Einzige, was ich sagen würde: Diese besondere Zeit hat substanzielle Chancen.

Ich denke, als Unternehmen im 3D-Druck haben wir versucht, Technologien voranzutreiben, die wirklich Wert schaffen. Wenn Zeiten herausfordernd und eng sind, wie jetzt, fangen Leute an, nach Wegen zu suchen, Kosten zu senken und neue Märkte zu erschließen. CEOs gehen zu ihren CTOs: „Hey, was hast du für mich? Wir brauchen was Neues.“

Also, wenn man wirklich etwas Substanzielles hat – nicht nur eine weitere Art, einen Prototyp zu machen –, wenn man etwas hat, das den Technologiebogen substanziell biegt, bekommt man jetzt ein gutes Zuhören. Wir haben das in unserem Geschäft gesehen, wo Türen, an die wir in der Vergangenheit geklopft haben, Leute nicht bereit waren, es zu hören. Und jetzt fangen wir an, diese Rückrufe zu bekommen: „Hey, erzähl uns von dem Ding, wo wir Geld sparen oder effizienter was machen können.“ Also würde ich Leser ermutigen, nicht niedergeschlagen zu sein, wenn sie echte Technologie haben. Es ändert wirklich das Spiel. Das ist eine interessante Zeit.