Einblicke in Innovationen im 3D-Druck:Scott DeFelice von Oxford Performance Materials über die Weiterentwicklung von Hochleistungspolymeren

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. ‍

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Diese als Hochleistungspolymere bekannten Materialien werden von Anwendern des 3D-Drucks in Branchen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Medizintechnik zunehmend nachgefragt. Die wichtigsten Hochleistungspolymere, die derzeit für den 3D-Druck verfügbar sind, gehören zur Familie der Polyaryletherketone (PAEK) thermoplastischer Kunststoffe und bieten hohe Temperaturstabilität und große mechanische Festigkeit. Derzeit entwickeln nur wenige Unternehmen auf dem Markt solche Materialien, darunter Oxford Performance Materials (OPM). OPM mit Sitz in Connecticut konzentriert sich insbesondere 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, unterhalten. Mit Scott haben wir wichtige Anwendungen für 3D-gedrucktes PEKK sowie Trends und Herausforderungen besprochen, die den Markt für 3D-Druckmaterialien prägen.

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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 Polyetherketonketon oder PEKK verbracht. Und seit 2000 entwickeln wir Technologien rund um dieses Material.

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

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Heute verfügen wir über ein breites Portfolio an geistigem Eigentum und Patenten, das von der Herstellung von PEKK auf synthetischer Ebene über die Verarbeitung, die Vorbereitung von Pulvern für den 3D-Druck bis hin zur Art und Weise, wie man mit dem Material druckt, reicht. Im Hinblick auf den 3D-Druck begannen unsere Aktivitäten vor etwa zehn Jahren mit der Entwicklung eines selektiven Laserschmelzverfahrens für den 3D-Druck mit PEKK. Um 2006 brachten wir unsere ersten kommerziellen 3D-gedruckten Geräte für den medizinischen Bereich auf den Markt. Und das war der Beginn der Entwicklung des 3D-Drucks. Im Jahr 2008 hat die FDA unser erstes Gerät, ein Schädelimplantat, zugelassen, das patientenspezifisch ist und weltweit von Zimmer Biomet vertrieben wird. Wir produzieren täglich Schädel- und Gesichtsimplantate. Von dort sind wir vor über drei Jahren zu Wirbelsäulenimplantaten übergegangen, und diese Produkte werden in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen namens RTI Surgical verkauft. Bis heute haben wir über 70.000 Wirbelsäulenimplantate ausgeliefert. Kürzlich haben wir eine weitere FDA-Zulassung für einen Sportmedizinantrag für Nahtanker erhalten, die zur chirurgischen Wiederbefestigung von Weichgewebe am Knochen verwendet werden. 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 über eine beträchtliche Größe verfügt, die es unterstützt. OPM kommt in das 3D-Druck-Geschäft, nicht aus der Sicht von Leuten, die beispielsweise im Prototypenbau tätig waren und dann in die Produktion von Teilen übergingen. Wir betrachten die Sache aus der Sicht eines Herstellers fortschrittlicher Materialien, der herausgefunden hat, dass sich sein Material aus interessanten technischen Gründen sehr gut für die additive Fertigung eignet. Wir sind jetzt vertikal in diese Unternehmen integriert und nutzen weiterhin unsere Material- und Technologieplattform.

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Wie hat sich Ihrer Meinung nach der Bereich der 3D-Druckmaterialien im Laufe der Jahre entwickelt und wo sehen Sie diese Entwicklung im Hinblick auf Materialkosten und Materialentwicklung?

3D-Druck ist ein Prozess, und was diesen Prozess einzigartig und leistungsfähig macht, 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 über die Funktionalität für die gewünschten Endmärkte und Endanwendungen verfügen. Wir haben beispielsweise gesehen, dass Metall-AM im Laufe der Jahre sehr beliebt geworden ist, weil es funktionale Eigenschaften aufweist, die für bestimmte Endmärkte nützlich sind. Ich denke, dieser Trend wird anhalten. Materialien – Polymere, Metalle und andere – werden sich weiterentwickeln, um eine größere Funktionalität in den Endverbrauchsmärkten 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 gibt. Ich behaupte, dass die Materialkosten selbst weniger ins Gewicht fallen, wenn man in leistungsstärkere Endmärkte vordringt und die Materialien leistungsfähiger werden. Wir verkaufen beispielsweise orthopädische Implantate, und wenn wir im Krankenhaus ein Schädelimplantat verkaufen, kostet dieses Implantat möglicherweise 10.000 US-Dollar. Aber wenn wir uns die Kosten unserer Arbeit ansehen, stellen die Materialkosten tatsächlich einen relativ kleinen Teil der Kosten dar. Der Rest ist die ganze Qualität und die Regulierung, die Produktionssysteme, die man haben muss, um auf einem stark regulierten Markt verkaufen zu können, egal ob es sich um Biomedizin, Raumfahrt, Verteidigung oder Halbleiter handelt. Da sich die Branche also immer mehr weg von der Produktion von Prototypen hin zu Endprodukten entwickelt, ist die Leistung des Materials von entscheidender Bedeutung und die Komponente der Materialkosten wird immer weniger zum entscheidenden Faktor.

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

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OXFAB® ESD Komplexe Strukturkomponente für das Luftrevitalisierungssystem des Boeing CST 100 Starliner [Bildnachweis:OPM]

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Wir haben an den offensichtlichsten Orten angefangen, der Biomedizin und der Luft- und Raumfahrt, weil wir in unserem Geschäft, diese Märkte zu bedienen, auf eine lange Tradition zurückblicken können. Aber jetzt heben wir den Kopf und schauen uns in anderen Bereichen um. Die Endmärkte legen großen Wert auf die Leistung unserer Materialien. Unser PEKK-Material zum Beispiel liebt saure und basische Umgebungen, also gehen wir in Sachen Umwelt genau dorthin. Ein Bereich, den wir sehr genau verfolgen, ist beispielsweise die Kohlenstoffabscheidung. Die Kohlenstoffabscheidung ist eine Technologie, die heute funktioniert, aber die Kapitalkosten dieser Anlagen sind zu hoch. Also haben wir uns diesen Bereich angesehen und festgestellt, dass es in diesem Bereich viele Möglichkeiten für unsere Materialien und den 3D-Druck gibt. In Kürze werden wir eine Zusammenarbeit mit einem der führenden Regierungslabors der USA auf diesem Gebiet bekannt geben. Wir mögen auch die pharmazeutischen Prozess- und Bioprozessbereiche, in denen Sie ein Material mit den richtigen Eigenschaften unseres Polymers benötigen, um die Prozesseffizienz zu verbessern und die Kapitalkosten zu senken. Offensichtlich besteht angesichts der aktuellen COVID-19-Situation die Notwendigkeit, einige dieser Prozesse zu skalieren, und Sie benötigen viele komplexe Strukturen und die richtige hochreine Chemie, um in diesem Bereich zu praktizieren. Wir verfolgen das auch ziemlich genau. Die Polymerklasse der Polyketone erfüllt einige sehr interessante Aufgaben. Wir haben viele Millionen Dollar ausgegeben, um die Leistung unserer 3D-gedruckten Teile zu untersuchen. Deshalb fliegen unsere Teile bemannte Raumschiffe, deshalb haben wir Tausende von Teilen im menschlichen Körper. Das liegt daran, dass wir die umfassende Arbeit geleistet haben, um das, was wir drucken, so zu charakterisieren, dass Menschen sich darüber im Klaren sind, was diese Strukturen in der Praxis bewirken.

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

Im Allgemeinen gibt es zwei Teile. Wenn wir ein Material und einen Prozess entwickeln, durchlaufen wir eine interne Bewertung, die im Allgemeinen von analytischen Methoden, die wir im Laufe der Jahre entwickelt haben, bis hin zu eher konventionellen mechanischen, thermischen und elektrischen Screening-Tests reicht, die auf Entwicklungsebene durchgeführt werden. Sobald Sie die Basis haben und sagen:„Ja, das ist ein reproduzierbares Produkt und wir verstehen es“, gelangen Sie zur ersten Basis. Um dann nach Hause zu kommen, müssen Sie in jede Branche gehen, egal, ob Sie drucken, formen, bearbeiten oder was auch immer Ihre Prozesstechnologie ist. In jeder Branche gibt es bekannte Möglichkeiten, die Leistung zu verstehen, sei es ein ASTM-Standard, ein ISO-Standard, ein unternehmensspezifischer Standard oder ein staatlicher Standard. Ein gutes Beispiel haben wir in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Nachdem wir all diese Arbeit geleistet und sichergestellt hatten, dass wir einen stabilen und wiederholbaren Prozess hatten, mussten wir etwas tun, nämlich einen MIL 17-Standard, der zu einer statistischen Leistungsbewertung mit sehr hoher Vorhersagbarkeit führt, und das heißt B-Basis. Aber allein dieses Programm lief über mehrere Jahre und erforderte Millionen von Dollar. Wir haben das in Zusammenarbeit mit der NASA und Northrop Grumman gemacht und es war daher eine ziemlich umfassende branchenspezifische Bewertung. Im biomedizinischen Bereich haben wir zum Beispiel unsere Wirbelsäulenimplantate zunächst einer umfassenden Reihe von ISO 10993-Tests unterzogen, die die Biokompatibilität und Reinheit wirklich bewerten. Wenn Sie das Kästchen „Okay, das gedruckte Material ist rein und biokompatibel, nicht giftig“ ankreuzen, dann wollen wir es jetzt in einem Wirbelsäulenimplantat verwenden. Im Rahmen des ASTM F2077-Standards gibt es eine ganze Reihe weiterer mechanischer Tests, die speziell für Wirbelsäulenimplantate gelten. Wenn Sie damit fertig sind, können Sie diese Daten bei der FDA einreichen. Sie müssen also zunächst Ihre eigenen internen Tests durchführen, um sich daran zu gewöhnen, da diese anderen Testverfahren sehr teuer sind. Und das möchten Sie nicht tun, es sei denn, Sie haben großes Vertrauen, dass Sie diese Tests bestehen werden. Das gilt für jeden Endmarkt, insbesondere in unserer Materialklasse. Für technische Materialien sind die Standards niedriger, da das mit der Endverwendung verbundene Risiko geringer ist.

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

Vor 30 Jahren konnten wir eine stetige Weiterentwicklung von Polymermaterialien als Ersatz für Metall beobachten.  Wenn Sie in den 1970er Jahren ein Auto kauften, wogen die Autos doppelt so viel wie ein Auto heute, und fast alles wäre aus Metall, oder wenn Sie einen Staubsauger gekauft hätten, wäre er aus Metall hergestellt worden. Wenn Sie diese Dinger kaufen, machen sie nur einen Bruchteil des Gewichts aus und bestehen größtenteils aus Kunststoff. Dieser Trend, dass Polymere Metalle für verschiedene Funktionen ersetzen, ist also sehr gut etabliert. Der 3D-Druck ist nur ein weiterer Prozess, bei dem Sie Metalle ersetzen können, und die Gründe für den Ersatz von Metallen sind Kosten, Gewicht und Korrosion. Wir sind ständig auf der Suche nach Möglichkeiten für den Metallersatz, um die Kosten für die Menschen zu senken, das Gewicht zu reduzieren und die Effizienz der Geräte zu verbessern. Gute Beispiele hierfür sind Wirbelsäulenkäfige, Fusionsgeräte, die Ihre Wirbelsäule bei chronischen Schmerzen zusammenschweißen. Früher wurden diese Geräte aus bearbeitetem Titan hergestellt und jetzt drucken wir sie mit PEKK.

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Ein weiteres Beispiel sind Schädelimplantate aus 3D-gedrucktem Titan. Heute stellen wir sie aus 3D-gedrucktem PEKK her. Wenn wir uns einige Dinge bei der Kohlenstoffabscheidung ansehen, ist es genau das, worauf wir jetzt blicken:den Ersatz von sehr teurem maschinell bearbeitetem Edelstahl oder Titan durch 3D-gedrucktes PEKK. Daher ist die Idee, von Metallen auf Polymere umzusteigen, seit geraumer Zeit ein Megatrend in der Branche. In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung beschleunigt, und der 3D-Druck ist nun ein Teil dieser größeren Geschichte, einschließlich Bereichen wie Öl und Gas sowie Transport, wo wir mit Industriepartnern Entwicklungsprojekte im Frühstadium im Gange sind.

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Apropos Trends:Sehen Sie Trends im Bereich der 3D-Druckmaterialien?

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[Bildnachweis:OPM] [/caption]Auf der metallischen Seite sehen wir, wie Menschen versuchen, Metall-AM in bekanntere und vorhersehbarere Morphologien zu bringen. Ich möchte nicht zu technisch werden, aber der 3D-Druck von Metall ist nicht das moralische Äquivalent zu rohem, geschmiedetem oder gegossenem Metall. Es ist ein anderes Biest. Als die Branche zum ersten Mal sehr populär wurde, herrschte darüber große Verwirrung. Mit der Zeit haben die Menschen erkannt, dass es sich um ein anderes Tier handelt. Und jetzt arbeiten sie an den Material- und Prozesstechnologien, die Metall-AM in gewisser Weise konventioneller machen. Ich denke, dass es die Metall-AM erheblich voranbringen wird. Auf der Polymerseite gibt es mittlerweile eine allgemeine Tendenz, Endmärkte mit Polymer-AM zu bedienen. Die beiden vorherrschenden Materialien hierfür sind Nylon 11 und Nylon 12. Dabei handelt es sich um technische Materialien, die sich in der Mitte der Polymerpyramide befinden. Ihre Endverwendung ist jedoch begrenzt. Sie sind weder thermisch noch mechanisch besonders robust. Jetzt beginnen die Leute herauszufinden, wie sie in der Pyramide nach oben gelangen können. Wir fangen an zu sehen, dass Unternehmen wie BASF Nylon 6 einführen, was etwas mehr Leistung bringt. Ich denke, wir werden weiterhin den Trend beobachten, dass immer mehr Materialien die Lücke zwischen OPM und PEKK und anderen Materialien in der Mitte der Leistungspyramide füllen.

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Was sind Ihrer Meinung nach einige der Herausforderungen, vor denen der Bereich der 3D-Druckmaterialien immer noch steht?

Das ist eine grundsätzliche Frage. Als wir uns vor vielen Jahren mit dem 3D-Druck beschäftigten, haben wir uns unter anderem mit der Frage beschäftigt, ob unser Polymer die grundlegenden Eigenschaften für den 3D-Druck aufweist. 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 drücken alles zusammen, um diese Verfestigung zu erreichen. Dies führt zu einer vorhersehbaren Leistung und guten mechanischen Eigenschaften. Der 3D-Druck hat diesen Vorteil nicht. Beim 3D-Druck gibt es diese Niederdruck- oder Nulldruck-Konsolidierung wie bei einem FDM-Prozess, bei dem ein Filament geschmolzen und übereinander gelegt wird. Bei diesem Prozess kommt es zu Fehlstellen von bis zu 10 Prozent, und in meiner Welt sind Fehlstellen schlecht, weil sie bedeuten, dass ein Teil nicht robust ist. Es eignet sich hervorragend für einen Prototyp, aber Sie werden sich nicht daran hängen lassen wollen. Dann gibt es diese Pulverbettverfahren wie OPMs, bei denen Laser eine Pulverschicht über einer anderen schmelzen, aber kein Druck ausgeübt wird. Um in solchen Umgebungen eine wiederholbare Leistung zu erzielen, ist ein Polymer wichtig, das gerne an sich selbst haftet. Wenn sich ein Polymer nicht gut verbindet, ist die Leistung in Z-Richtung schlechter. PEKK ist darin 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 die Dinge gebremst 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 haften?“ Sie werden Sie komisch ansehen, weil Sie im Milliarden-Dollar-Bereich tätig sind und mehrere Jahre Zeit haben, um neue Polymere zu entwickeln. Es ist eine große Sache. Wenn Sie einen Berater eines Polymerunternehmens gefragt haben, wie viele wirklich neue Chemikalien in den letzten 20 Jahren entwickelt wurden, sagen Sie das wahrscheinlich auf eine Seite, weil diese Investitionen so erheblich sind. Und die amerikanischen Konzerne haben einfach nicht allzu oft Lust darauf. Es ist also eine große Herausforderung, und ehrlich gesagt glaube ich nicht, dass davon viel passieren wird.

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

Neue Materialplattformen basierend auf neuartiger neuer Chemie? Ich glaube nicht, dass das passieren wird. Das ist sehr abgelegen. Die Prozesstechnologien werden sich weiterentwickeln und die Menschen werden diese vorhandenen Materialsätze mit anderen einzigartigen Füllstoffen und Verträglichkeitsmitteln sowie Schlichtechemikalien modifizieren, um die Dinge zu verbessern. Ich denke also, dass die Dinge dort wahrscheinlich interessanter werden.

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Was hält das kommende Jahr für OPM bereit?

Wir haben großes Glück, dass wir in einem Teil dieser Branche tätig sind, in dem wir derzeit nicht auf F&E-Verträge oder Risikokapital angewiesen sind. Wir befinden uns im Teil der „Need Economy“. Obwohl wir in dieser ersten Phase der COVID-Pandemie gesehen haben, dass die Krankenhausverfügbarkeit im Betrieb zurückgegangen ist und keine elektiven Operationen mehr möglich sind, sehen wir bereits, dass das Geschäft wieder zunimmt. Es war für jedes Unternehmen schmerzhaft, aber die Kerntechnologie, über die wir verfügen, wird es uns ermöglichen, weiter zu wachsen. Wir stellen gerade unser Nahtankerprodukt vor, eine neue, kostengünstigere Produktlinie, und selbst angesichts von COVID werden wir Möglichkeiten haben, es auf den Markt zu bringen.

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Wir sind auch auf neue Märkte vorbereitet. Wir mögen den Markt für Kohlenstoffabscheidung, andere Industriebereiche und den Markt für biopharmazeutische Prozesse.

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Ich denke, dass COVID-19 in gewisser Weise mehr Kapital antreibt und mehr Effizienz in den Märkten erfordert, für die wir aufgrund der Leistung unserer Materialien von Natur aus geeignet sind.

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Irgendwelche abschließenden Gedanken?

Das Einzige, was ich sagen würde, ist, dass diese besondere Zeit erhebliche Chancen bietet.

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Ich denke, als Unternehmen im 3D-Druck haben wir versucht, Technologien voranzutreiben, die wirklich einen Mehrwert bieten. Wenn die Zeiten wie jetzt herausfordernd und angespannt sind, beginnen die Menschen, nach Möglichkeiten zu suchen, 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.“

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Wenn Sie also wirklich etwas Wesentliches haben und nicht nur eine andere Möglichkeit, einen Prototyp zu erstellen, wenn Sie etwas haben, das den Bogen der Technologie auf substanzielle Weise verändert, werden Sie jetzt eine gute Anhörung bekommen. Wir haben gesehen, dass in unserem Unternehmen, wo wir in der Vergangenheit an einige Türen geklopft haben, die Leute nicht bereit waren, es zu hören. Und wir fangen jetzt an, Rückrufe zu bekommen, die sagen:„Hey, erzählen Sie uns etwas über die Sache, bei der wir etwas Geld sparen oder etwas effizienter machen können.“ Daher möchte ich die Leser dazu ermutigen, nicht entmutigt zu sein, wenn sie über echte Technologie verfügen. Es verändert das Spiel wirklich. Dies ist eine interessante Zeit.