Entrevista con el experto:Scott DeFelice de Oxford Performance Materials sobre la evolución de los polímeros de alto rendimiento para la impresión 3D

Si bien los polímeros de uso general, como el ABS y el nailon, dominan actualmente el mercado de materiales de impresión 3D, existe una demanda creciente de materiales resistentes y funcionales que puedan soportar entornos hostiles y altas temperaturas.

Estos materiales, conocidos como polímeros de alto rendimiento, son cada vez más buscados por los usuarios de impresión 3D en industrias como la aeroespacial y médica.

Los polímeros clave de alto rendimiento actualmente disponibles para la impresión 3D pertenecen a la familia de termoplásticos de poliariletercetona (PAEK), que ofrecen estabilidad a altas temperaturas y una gran resistencia mecánica.

Solo unas pocas empresas en el mercado están desarrollando estos materiales en la actualidad, una de ellas es Oxford Performance Materials (OPM).

Con sede en Connecticut, OPM se centra particularmente en el material PEKK de la familia PAEK y ha desarrollado tecnología y dispositivos patentados en torno a ese termoplástico.

Para obtener más información sobre OPM y sus ofertas, nos hemos puesto al día con el director ejecutivo de la empresa, Scott DeFelice. Con Scott, hemos analizado las aplicaciones clave del PEKK impreso en 3D, así como las tendencias y los desafíos que dan forma al mercado de materiales de impresión 3D.

¿Puede contarme un poco sobre Oxford Performance Materials y su misión como empresa?

Oxford Performance Materials se fundó en 2000. Somos una empresa de materiales termoplásticos de alto rendimiento. Hemos dedicado todo nuestro tiempo a un polímero en particular llamado Poly Ether Ketone Ketone o PEKK. Y desde 2000, hemos estado desarrollando tecnologías en torno a este material.

PEKK es el termoplástico superior de la cadena alimentaria en el mundo de los termoplásticos. Es un polímero de súper alto rendimiento debido a sus excelentes propiedades térmicas, químicas y mecánicas y biocompatibilidad.

Hoy en día, tenemos una amplia cartera de propiedad intelectual y patentes que van desde cómo se fabrica PEKK a un nivel a cómo se procesa, se preparan los polvos para la impresión 3D, a cómo se imprime con el material.

En términos de impresión 3D, nuestras actividades comenzaron hace unos 10 años con el desarrollo de una fusión láser selectiva proceso para imprimir en 3D con PEKK. Lanzamos nuestros primeros dispositivos comerciales impresos en 3D alrededor de 2006 para el campo médico. Y ese fue el comienzo del desarrollo de la impresión 3D.

En 2008, la FDA aprobó nuestro primer dispositivo, un implante craneal, que es específico para cada paciente y que Zimmer Biomet distribuye en todo el mundo. Contamos con producción continua haciendo implantes craneales y faciales todos los días.

Pasamos de allí a los implantes de columna hace más de tres años, y esos productos se venden en sociedad con una empresa llamada RTI Surgical. Hemos enviado más de 70.000 implantes de columna hasta la fecha.

Más recientemente, hemos recibido otra autorización de la FDA en una solicitud de medicina deportiva para anclajes de sutura, que se utilizan para volver a unir quirúrgicamente el tejido blando al hueso.

Paralelamente, desarrollamos y validamos nuestra tecnología para su uso en aplicaciones espaciales y de defensa y recibimos la certificación de Boeing y Northrop Grumman, entre otros. Desde entonces, vendimos ese negocio a uno de nuestros socios estratégicos, Hexcel, que tiene una escala sustancial para respaldarlo.

OPM está llegando al negocio de la impresión 3D, no desde el punto de vista de las personas que estaban, por ejemplo, en la creación de prototipos y luego se trasladaron a las piezas de producción. Lo abordamos desde el punto de vista de una empresa de materiales avanzados que descubrió que su material sería muy bueno para la fabricación aditiva, debido a interesantes razones técnicas. Ahora estamos integrados verticalmente en esos negocios y continuamos explotando nuestra plataforma de materiales y tecnología.

¿Cómo cree que se ha desarrollado el espacio de materiales de impresión 3D a lo largo de los años y hacia dónde ve esa trayectoria en términos de costos de materiales y desarrollo de materiales?

La impresión 3D es un proceso, y lo que hace que ese proceso sea único y habilitador es el material que se utiliza con él. Siempre le digo a la gente que puedes imprimir una manzana, pero luego tienes que comértela. Por lo tanto, debe imprimir con materiales que tengan la funcionalidad para los mercados finales y los usos finales de interés.

Hemos visto cómo a lo largo de los años, por ejemplo, el metal AM se ha vuelto muy popular debido a que tiene propiedades funcionales que son útiles en mercados finales específicos.

Creo que esta tendencia va a continuar. Los materiales (poliméricos, metálicos y otros) seguirán evolucionando para permitir una mayor funcionalidad en los mercados de uso final, independientemente de cuáles sean esos mercados.

Lo interesante sobre el costo es que siempre ha habido esta discusión de "Oh, los materiales son demasiado caros". Yo sostengo que a medida que se avanza hacia mercados finales de mayor rendimiento y los materiales se vuelven más capaces, los costos de los materiales en sí mismos se vuelven menos significativos.

Por ejemplo, vendemos implantes ortopédicos y cuando vendemos un implante craneal en el hospital, ese implante puede venderse por $ 10,000. Pero cuando miramos el costo de lo que hacemos, el costo del material es en realidad un componente bastante pequeño del costo. El resto es todo la calidad y la regulación, los sistemas de fabricación que uno debe tener para vender en un mercado altamente regulado, ya sea biomédico, espacial y de defensa o semiconductor.

Entonces, a medida que la industria continúa evolucionando desde la producción de prototipos hacia productos de uso final, el rendimiento del material es lo que es crítico y el componente del costo del material se vuelve menos importante.

¿Podría expandirse a otras industrias, además de la médica, que puedan beneficiarse de los materiales que desarrolla para la impresión 3D?

Comenzamos en los lugares obvios, biomédicos y aeroespaciales, porque tenemos un largo legado en nuestro negocio de servicio a esos mercados. Pero ahora estamos levantando la cabeza y mirando otras áreas.

Los mercados finales son muy particulares para el desempeño de nuestros materiales. Nuestro material PEKK, por ejemplo, ama los ambientes ácidos y básicos, así que ahí es donde vamos en términos de medio ambiente. Entonces, un área que estamos siguiendo de cerca es, por ejemplo, la captura de carbono.

La captura de carbono es una tecnología que funciona hoy en día, pero el costo de capital de esas plantas es demasiado caro.

Así que analizamos esa área y hay muchas oportunidades para nuestros materiales y la impresión 3D en ese espacio. En breve anunciaremos una colaboración con uno de los laboratorios gubernamentales líderes de EE. UU. En esa área.

También nos gustan los procesos farmacéuticos y las áreas de bioprocesos donde desea un material con los atributos correctos de nuestro polímero para mejorar la eficiencia del proceso y reducir los costos de capital.

Obviamente, con la situación de COVID-19 en este momento, existe la necesidad de escalar algunos de estos procesos y debe tener mucha estructura compleja y la química de alta pureza adecuada para practicar en ese espacio. También lo estamos siguiendo de cerca.

La clase de polímeros Polyketones hace algunos trabajos muy interesantes.

Hemos gastado muchos millones de dólares en comprender el rendimiento de nuestras piezas impresas en 3D. Es por eso que nuestras partes son naves espaciales tripuladas, es por eso que tenemos miles de partes en el cuerpo humano. Es porque hicimos el trabajo exhaustivo de caracterizar lo que imprimimos para comodidad de las personas que se toman muy en serio lo que estas estructuras están haciendo en la práctica.

¿Cómo es ese proceso de desarrollo y prueba de material para impresión 3D?

Generalmente hay dos partes. Cuando desarrollamos un material y un proceso, pasamos por una evaluación interna, que generalmente va desde métodos analíticos que hemos desarrollado a lo largo de los años hasta pruebas de detección mecánicas, térmicas y eléctricas bastante convencionales que se realizan a nivel de desarrollo.

Una vez que tenga la línea de base y diga "Sí, este es un producto reproducible y lo entendemos", lo lleva a la primera base.

Luego, para llegar a casa, debe ir a todas las industrias, ya sea que esté imprimiendo, moldeando o mecanizando o cualquiera que sea su tecnología de proceso. Cada industria ha conocido formas para comprender el desempeño, ya sea una norma ASTM, una norma ISO o una norma específica de la empresa, o una norma gubernamental.

Tenemos un buen ejemplo en la industria aeroespacial. Después de hacer todo ese trabajo y asegurarnos de que tuviéramos un proceso estable y repetible, tuvimos que hacer algo que fuera un estándar MIL 17 que resulte en una evaluación estadística del rendimiento con una previsibilidad muy alta, y eso se llama B-Basis.

Pero ese programa por sí solo duró varios años y requirió millones de dólares. Lo hicimos en colaboración con la NASA y Northrop Grumman, por lo que fue una evaluación específica de la industria bastante exhaustiva.

En biomedicina, si tomamos el caso de nuestros implantes de columna, primero pasaron por una serie exhaustiva de pruebas ISO 10993 que realmente evalúan la biocompatibilidad y la pureza. Una vez que marque esa casilla en "Está bien, el material tal como está impreso es puro y biocompatible, no tóxico", entonces ahora queremos usarlo en un implante espinal.

Hay toda otra serie de pruebas mecánicas como parte de la norma ASTM F2077 que son específicas para los implantes de columna. Cuando supere eso, puede enviar una solicitud a la FDA con esos datos.

Por lo tanto, primero debe hacer sus propias pruebas internas para sentirse cómodo, porque estos otros regímenes de prueba son muy costosos. Y no querrá hacer eso a menos que tenga una gran confianza en que va a aprobar esas pruebas.

Eso se aplica a todos los mercados finales, especialmente en nuestra clase de materiales. Para los materiales técnicos, los estándares son más bajos porque el riesgo asociado con la adopción del uso final es menor.

Se sabe que los polímeros se utilizan para reemplazar los metales en determinadas aplicaciones. ¿Puede compartir ejemplos de cómo los polímeros de alto rendimiento han podido reemplazar los materiales metálicos?

Volviendo a hace 30 años, hemos visto un avance constante de los materiales poliméricos que reemplazan al metal. Si estuviera comprando un automóvil en la década de 1970, los automóviles pesaban el doble de lo que pesa un automóvil hoy y casi todo sería de metal, o si hubiera comprado una aspiradora, habría sido de metal.

Ahora, si obtienes esas cosas, suman una fracción del peso y son en su mayoría de plástico. Por lo tanto, esta tendencia de que los polímeros reemplacen los metales para diversas funciones está muy bien establecida.

La impresión 3D es solo otro proceso mediante el cual puede reemplazar los metales y las razones para reemplazar los metales son el costo, el peso y la corrosión.

Buscamos continuamente oportunidades de reemplazo de metales para reducir los costos para las personas, reducir el peso y mejorar la eficiencia de los dispositivos. Buenos ejemplos de eso son las cajas espinales, dispositivos de fusión que fusionan la columna si tiene dolor crónico.

Estos dispositivos se habían fabricado históricamente con titanio mecanizado y ahora los imprimimos con PEKK.

Otro ejemplo son los implantes craneales que se fabrican con titanio impreso en 3D. Hoy, los estamos haciendo con PEKK impreso en 3D.

Mientras miramos algunas de las cosas en la captura de carbono, eso es exactamente lo que estamos viendo ahora:reemplazar acero inoxidable o titanio mecanizado muy caro con PEKK impreso en 3D.

Entonces, esta idea de cambiar de metales a polímeros ha sido una megatendencia en la industria durante bastante tiempo. Se ha acelerado en los últimos años y la impresión 3D es ahora parte de esa historia más amplia, que incluye áreas como el petróleo y el gas y el transporte, donde tenemos proyectos de desarrollo en etapa inicial en curso con socios de la industria.

Hablando de tendencias, ¿ve alguna tendencia en el espacio de materiales de impresión 3D?

En el lado metálico, estamos viendo personas que intentan llevar la AM de metal a morfologías más conocidas y predecibles.

No quiero ser demasiado técnico, pero la impresión 3D de metal no es el equivalente moral al metal en bruto, forjado o fundido. Es una bestia diferente.

Cuando la industria se hizo muy popular por primera vez, hubo mucha confusión en torno a eso. Con el tiempo, la gente se ha dado cuenta de que es un animal diferente. Y ahora, están trabajando hacia las tecnologías de materiales y procesos que hacen que el metal AM sea más convencional de alguna manera. Creo que avanzará significativamente en el metal AM.

Por el lado de los polímeros, ahora existe la tendencia general a prestar servicios a los mercados finales con polímero AM. Los dos materiales dominantes para esto son el nailon 11 y el nailon 12. Estos son materiales técnicos y se encuentran en el medio de la pirámide de polímeros.

Sin embargo, tienen un uso final limitado. No son particularmente resistentes térmica o mecánicamente.

Ahora la gente está empezando a descubrir cómo ascender en la pirámide. Estamos empezando a ver empresas como BASF introduciendo Nylon 6, que compra un poco más de rendimiento.

Creo que seguiremos viendo esa tendencia de que aparezcan más materiales para ocupar el lugar entre el OPM con PEKK y otros materiales en el medio de la pirámide de rendimiento.

Como otra cara de la moneda, ¿cuáles son algunos de los desafíos que ve que aún enfrenta el sector de materiales de impresión 3D?

Esta es una pregunta fundamental.

Cuando empezamos a considerar la impresión 3D hace muchos años, una de las cosas que analizamos fue ¿nuestro polímero tiene los atributos básicos para ser impreso en 3D? Y esa pregunta se reduce al reconocimiento de que la impresión 3D es un proceso de consolidación de presión cero.

Cuando está moldeando un polímero, lo aplasta en un molde y lo aplasta todo junto y obtiene esta consolidación. Esto da como resultado un rendimiento predecible y buenas propiedades mecánicas.

La impresión 3D no tiene esa virtud. Con la impresión 3D, tiene esta consolidación de baja presión o consolidación de presión cero como un proceso FDM en el que tiene un filamento que se funde y se coloca uno encima del otro. En ese proceso, terminas con hasta un 10 por ciento de vacíos y, en mi mundo, los vacíos son malos, porque significan que una pieza no es robusta. Es genial para un prototipo, pero no querrás colgarte de él.

Luego tiene estos procesos de lecho de polvo como los de OPM, donde los láseres derriten una capa de polvo sobre otra, pero no hay presión. En lo que confía para obtener un rendimiento repetible en este tipo de entornos es en un polímero que le gusta pegarse a sí mismo.

Si un polímero no se adhiere bien, terminará con un rendimiento deficiente en la dirección Z.

PEKK es realmente único porque tiene la afinidad de pegarse a sí mismo. Eso es bastante inusual en el mundo de los polímeros.

Para responder a su pregunta, lo que ha frenado las cosas ha sido el desarrollo de una química fundamentalmente nueva.

Si vas a una de las grandes empresas químicas de hoy y dices:'¿Podrías desarrollar un polímero específicamente para esta capacidad de adherirse a sí mismo?' Te mirarán raro porque estás en el rango de miles de millones de dólares y varios años para desarrollar nuevos polímeros. Tiene mucha importancia.

Si fue y le preguntó a un consultor de una compañía de polímeros cuántas químicas realmente nuevas se han desarrollado en los últimos 20 años, probablemente lo ponga por un lado, porque esas inversiones son muy sustanciales. Y las empresas estadounidenses simplemente no tienen el apetito por esas cosas con demasiada frecuencia. Así que es un gran desafío y, francamente, no veo que suceda mucho de eso.

¿Cree que eso cambiará o evolucionará en los meses y años venideros?

¿Nuevas plataformas de materiales basadas en una nueva química novedosa? No creo que eso vaya a suceder. Eso es muy remoto.

Las tecnologías de proceso avanzarán y la gente modificará esos conjuntos de materiales existentes con otros rellenos y compatibilizadores únicos y químicas de dimensionamiento para mejorar las cosas. Así que creo que es ahí donde probablemente las cosas se pondrán más interesantes.

¿Qué le depara el próximo año a OPM?

Somos bastante afortunados de estar en una parte de esta industria, donde no dependemos de contratos de I + D o capital de riesgo en este momento.

Estamos en la parte de la "economía de necesidad".

Aunque hemos visto que, a medida que atravesamos esta primera fase de la pandemia de COVID, la disponibilidad hospitalaria se redujo al servicio y se alejó de la cirugía electiva, ya estamos comenzando a ver que el negocio comienza a regresar. .

Ha sido doloroso para todas las empresas, pero la tecnología central que tenemos nos permitirá seguir creciendo. Acabamos de presentar nuestro producto de anclaje de sutura, que es una nueva línea de productos de menor costo, e incluso con COVID tendremos oportunidades de llevarlo al mercado.

También tenemos la cabeza bien puesta nuevos mercados. Nos gusta el mercado de captura de carbono, otras áreas industriales y el mercado de procesos biofarmacéuticos.

Creo que COVID-19 de alguna manera impulsa más capital y exige más eficiencia hacia los mercados para los que somos naturalmente adecuados. , dado el rendimiento de nuestros materiales.

¿Alguna idea final?

Lo único que diría es que este momento en particular tiene oportunidades sustanciales.

Creo que, como empresa de impresión 3D, hemos estado tratando de impulsar tecnologías que realmente agreguen valor. . Cuando los tiempos son desafiantes y apretados, como lo son ahora, la gente está comenzando a buscar formas de reducir costos y penetrar en nuevos mercados. Los directores ejecutivos se dirigen a su director de tecnología y le dicen "Oye, ¿qué tienes para mí? Necesitamos algo nuevo '.

Entonces, si realmente tienes algo sustantivo, no solo otra forma de hacer un prototipo, si tienes algo que dobla el arco de la tecnología de una manera sustantiva, vas para conseguir una buena escucha ahora.

Hemos visto que en nuestro negocio, donde tocamos algunas puertas en el pasado, la gente no estaba preparada para escucharlo. Y ahora estamos comenzando a recibir esas devoluciones de llamada que dicen "Oye, cuéntanos sobre eso en el que podemos ahorrar algo de dinero o hacer algo de manera más eficiente".

Así que animo a los lectores a que no se desanimen si tienen tecnología real. Realmente cambia el juego. Este es un momento interesante.