Innovación en impresión 3D: Scott DeFelice de Oxford Performance Materials sobre polímeros de alto rendimiento

Mientras polímeros de uso general como ABS y nailon dominan el mercado de materiales para impresión 3D, crece la demanda de materiales fuertes y funcionales que aguanten entornos duros y altas temperaturas.

Estos materiales, polímeros de alto rendimiento, son cada vez más buscados por usuarios de impresión 3D en industrias como aeroespacial y médica. Los principales polímeros de alto rendimiento actuales para impresión 3D pertenecen a la familia de termoplásticos Poliariletercetona (PAEK), ofreciendo estabilidad térmica y gran resistencia mecánica. Solo unas pocas empresas desarrollan tales materiales, una es Oxford Performance Materials (OPM). Con sede en Connecticut, OPM se centra especialmente en el material PEKK de la familia PAEK y ha desarrollado tecnología y dispositivos propietarios alrededor de ese termoplástico. Para saber más de OPM y su oferta, hablamos con su CEO, Scott DeFelice. Hemos discutido aplicaciones clave del PEKK impreso en 3D, y tendencias y retos que moldean el mercado de materiales para impresión 3D.

¿Puedes contarnos algo sobre Oxford Performance Materials y vuestra misión?

Oxford Performance Materials se fundó en 2000. Somos una empresa de materiales termoplásticos de alto rendimiento. Hemos dedicado todo nuestro tiempo a un polímero llamado Poli Éter Cetona Cetona o PEKK. Desde 2000, desarrollamos tecnologías alrededor de este material.

PEKK es el termoplástico tope de la cadena alimentaria en el mundo de termoplásticos. Es un polímero de super alto rendimiento por sus excelentes propiedades térmicas, químicas, mecánicas y biocompatibilidad.

Hoy tenemos una amplia cartera de propiedad intelectual y patentes que van desde cómo se sintetiza PEKK, cómo se procesa, prepara polvos para impresión 3D, hasta cómo se imprime con el material. En impresión 3D, nuestras actividades empezaron hace unos 10 años con el desarrollo de un proceso de fusión láser selectiva para imprimir en 3D con PEKK. Lanzamos nuestros primeros dispositivos comerciales impresos en 3D alrededor de 2006 para el campo médico. Ese fue el inicio del desarrollo de impresión 3D. En 2008, la FDA aprobó nuestro primer dispositivo, un implante craneal, específico para cada paciente y distribuido mundialmente por Zimmer Biomet. Tenemos producción continua haciendo implantes craneales y faciales cada día. Pasamos a implantes espinales hace más de tres años, vendidos en colaboración con RTI Surgical. Hemos enviado más de 70.000 implantes espinales. Recientemente, otra aprobación FDA en aplicación de medicina deportiva para anclajes de sutura, usados para reanudar quirúrgicamente tejido blando a hueso. En paralelo, desarrollamos y validamos nuestra tecnología para uso en espacio y defensa y recibimos certificación de Boeing y Northrop Grumman, entre otros. Desde entonces, vendimos ese negocio a uno de nuestros socios estratégicos, Hexcel, que tiene escala sustancial para apoyarlo. OPM aborda el negocio de impresión 3D no desde gente de prototipado que pasó a piezas de producción, sino desde una empresa de materiales avanzados que halló que su material sería muy bueno para fabricación aditiva por razones técnicas interesantes. Ahora estamos verticalmente integrados en esos negocios y seguimos explotando nuestra plataforma de materiales y tecnología.

¿Cómo ves que ha evolucionado el espacio de materiales para impresión 3D y hacia dónde va en costes y desarrollo de materiales?

La impresión 3D es un proceso, y lo que lo hace único y habilitador es el material usado con él. Siempre digo que puedes imprimir una manzana, pero luego te la tienes que comer. Así que tienes que imprimir con materiales que tengan la funcionalidad para los mercados y usos finales de interés. Hemos visto cómo, por ejemplo, AM metálica se volvió muy popular porque tiene propiedades funcionales útiles en mercados finales específicos. Creo que esta tendencia continuará. Materiales —poliméricos, metálicos y otros— seguirán evolucionando para permitir mayor funcionalidad en mercados de uso final, sean cuales sean. Lo interesante del coste es que siempre ha habido el debate «los materiales son muy caros». Argumento que al moverte a mercados finales de mayor rendimiento y los materiales se vuelven más capaces, los costes de material en sí se vuelven menos significativos. Ejemplo: vendemos implantes ortopédicos y cuando vendemos un implante craneal en el hospital, ese implante puede venderse por 10.000 $. Pero al mirar el coste de lo que hacemos, el coste de material es en realidad un componente bastante pequeño. El resto es toda la calidad, lo regulatorio, los sistemas de fabricación que hay que tener para vender en un mercado altamente regulado, sea biomédico, espacio y defensa o semiconductores. Así, conforme la industria evoluciona de producir prototipos a productos de uso final, el rendimiento del material es lo crítico y el componente de coste de material deja de ser un driver.

¿Podrías ampliar sobre otras industrias, además de médica, que pueden beneficiarse de los materiales que desarrolláis para impresión 3D?

Componente estructural complejo OXFAB® ESD para Sistema de Revitalización de Aire del Boeing CST 100 Starliner [Crédito imagen: OPM]

Empezamos en los sitios obvios, biomédico y aeroespacial, porque tenemos un largo legado en nuestro negocio sirviendo esos mercados. Pero ahora levantamos la vista y miramos otras áreas. Los mercados finales son muy particulares al rendimiento de nuestros materiales. Nuestro material PEKK, por ejemplo, adora entornos ácidos y básicos, así que ahí vamos en términos de entorno. Un área que seguimos de cerca es, por ejemplo, captura de carbono. La captura de carbono es tecnología que funciona hoy, pero el coste capital de esas plantas es demasiado caro. Miramos esa área y hay muchas oportunidades para nuestros materiales e impresión 3D en ese espacio. Pronto anunciaremos una colaboración con uno de los principales laboratorios gubernamentales de EE. UU. en esa área. También nos gusta el área de procesos farmacéuticos y bioprocesos donde quieres un material con los atributos correctos de nuestro polímero para mejorar eficiencias de proceso y reducir costes capital. Obviamente con la situación COVID-19 ahora, hay necesidad de escalar algunos de estos procesos y necesitas mucha estructura compleja y la química de alta pureza correcta para operar en ese espacio. También lo seguimos de cerca. La clase de polímeros policetonas hace trabajos muy interesantes. Hemos gastado muchos millones de dólares entendiendo el rendimiento de nuestras piezas impresas en 3D. Por eso nuestras piezas vuelan en naves tripuladas, por eso tenemos miles de piezas en cuerpos humanos. Porque hicimos el trabajo exhaustivo de caracterizar lo que imprimimos al confort de gente que se toma muy en serio lo que estas estructuras hacen en la práctica.

¿Cómo es ese proceso de desarrollar y testar material para impresión 3D?

Generalmente dos partes. Cuando desarrollamos material y proceso, pasamos por una evaluación interna, que va desde métodos analíticos que hemos desarrollado a lo largo de años a tests mecánicos, térmicos, eléctricos de cribado bastante convencionales a nivel de desarrollo. Una vez tienes la base y dices «Sí, este es un producto reproducible y lo entendemos», llegas a primera base. Para llegar a home, tienes que ir en cada industria, ya sea imprimiendo, moldeando, mecanizando o sea tu tecnología de proceso. Cada industria tiene formas conocidas de entender rendimiento, ya sea estándar ASTM, ISO, estándar de empresa o gubernamental. Buen ejemplo en aeroespacial. Tras hacer todo ese trabajo y asegurar proceso estable y repetible, tuvimos que hacer algo que era estándar MIL 17 que resulta en evaluación estadística de rendimiento con altísima predecibilidad, llamado B-Basis. Solo ese programa duró años y costó millones. Lo hicimos en colaboración con NASA y Northrop Grumman, evaluación industrial bastante exhaustiva. En biomédico, tomemos el caso de nuestros implantes espinales: primero pasó por una serie exhaustiva de tests ISO 10993 que evalúan biocompatibilidad y pureza. Marca la casilla «OK el material impreso es puro y biocompatible, no tóxico», ahora queremos usarlo en implante espinal. Hay otra serie completa de tests mecánicos como parte de estándar ASTM F2077 específico para implantes espinales. Pasas eso, puedes hacer presentación a FDA con esos datos. Así que primero haces tus tests internos para estar cómodo, porque esos otros regímenes de test son muy caros. Y no quieres hacerlos salvo que tengas gran confianza en pasar. Eso vale para cada mercado final, especialmente en nuestra clase de materiales. Para materiales técnicos, los estándares son menores porque el riesgo asociado a adopción de uso final es menor.

Se sabe que polímeros reemplazan metales en ciertas aplicaciones. ¿Ejemplos de cómo polímeros de alto rendimiento han reemplazado metales?

Hace 30 años, vimos avance constante de materiales poliméricos reemplazando metal. Si comprabas coche en los 70, pesaban el doble que hoy y casi todo era metal; si comprabas aspiradora, era de metal. Ahora pesan una fracción y sonmostly plástico. Esta tendencia de polímeros reemplazando metales por funcionalidad está muy establecida. La impresión 3D es solo otro proceso para reemplazar metales y las razones son coste, peso y corrosión. Buscamos continuamente oportunidades de reemplazo de metal para reducir costes, peso y mejorar eficiencia de dispositivos. Buenos ejemplos: jaulas espinales, dispositivos de fusión que fusionan tu columna si tienes dolor crónico. Históricamente eran de titanio mecanizado y ahora los imprimimos con PEKK.

Otro ejemplo: implantes craneales de titanio impreso en 3D. Hoy los hacemos de PEKK impreso en 3D. Mirando cosas en captura de carbono, es exactamente lo que buscamos ahora: reemplazar acero inoxidable o titanio mecanizado muy caro con PEKK impreso en 3D. Esta idea de cambiar de metales a polímeros es megatendencia industrial desde hace tiempo. Se ha acelerado en años recientes y la impresión 3D es ahora parte de esa historia mayor, incluyendo áreas como oil & gas y transporte, donde tenemos proyectos de desarrollo en fase temprana con socios industriales.

Hablando de tendencias, ¿ves alguna en el espacio de materiales para impresión 3D?

[Crédito imagen: OPM]

En el lado metálico, vemos gente intentando llevar AM metálica a morfologías más conocidas y predecibles. No quiero ponerme muy técnico, pero imprimir metal en 3D no es el equivalente moral a metal crudo, forjado o fundido. Es un animal distinto. Cuando la industria se volvió popular, hubo mucha confusión. Con el tiempo se dieron cuenta de que es otro animal. Ahora trabajan hacia tecnologías de material y proceso que hagan AM metálica más convencional. Creo que avanzará significativamente AM metálica. En el lado polimérico, ahora hay tendencia general a servir mercados finales con AM polimérica. Los dos materiales dominantes son Nylon 11 y Nylon 12. Son materiales técnicos, en medio de la pirámide de polímeros. Pero tienen uso final limitado. No son particularmente robustos térmica o mecánicamente. Ahora la gente empieza a averiguar cómo subir en la pirámide. Empezamos a ver empresas como BASF introduciendo Nylon 6, que compra algo más de rendimiento. Creo que seguiremos viendo esa tendencia de más materiales apareciendo para rellenar entre donde OPM está con PEKK y otros materiales en medio de la pirámide de rendimiento.

Como contrapunto, ¿qué retos ves aún en el sector de materiales para impresión 3D?

Pregunta fundamental. Cuando miramos impresión 3D hace años, una cosa que miramos era: ¿nuestro polímero tiene atributos básicos para ser impreso en 3D? Eso se reduce a reconocer que la impresión 3D es un proceso de consolidación a presión cero. Cuando moldeas un polímero, lo metes en molde y lo aprietas todo junto y consigues consolidación. Eso da rendimiento predecible y buenas propiedades mecánicas. La impresión 3D no tiene esa virtud. Tienes consolidación a baja presión o presión cero como en FDM donde filamento se funde y se deposita capa sobre capa. En ese proceso, acabas con hasta 10% de vacíos, y en mi mundo vacíos son malos, porque significan que la pieza no es robusta. Vale para prototipo pero no querrás colgarte de ella. Luego tienes procesos de lecho de polvo como el de OPM, donde láseres funden capa de polvo sobre otra, pero sin presión. En qué confías para rendimiento repetible en esos entornos es en un polímero que le guste pegarse a sí mismo. Si un polímero no une bien, acabas con mal rendimiento en dirección Z. PEKK es realmente único en eso porque tiene afinidad por pegarse a sí mismo. Eso es bastante inusual en mundo de polímeros. Para responder: lo que ha frenado ha sido el desarrollo de química fundamentalmente nueva. Si vas a una gran química hoy y dices «¿Podéis desarrollar un polímero específicamente para esta capacidad de autopegarse?» Te mirarán raro porque estás en rango de miles de millones de dólares y años para desarrollar nuevos polímeros. Es un gran tema. Si preguntas a consultor de polímeros cuántas químicas verdaderamente nuevas se han desarrollado en últimos 20 años, probablemente quepan en una mano, porque esas inversiones son tan sustanciales. Y la América corporativa no tiene mucho apetito para eso a menudo. Así que es un gran reto y no veo mucho de eso, francamente.

¿Crees que cambiará o evolucionará en meses y años venideros?

Nuevas plataformas de materiales basadas en química novedosa? No creo que pase. Es muy remoto. Las tecnologías de proceso avanzarán y la gente modificará esos sets de materiales existentes con otros rellenos únicos, compatibilizadores y químicas de tamaño para mejorar cosas. Así que creo que ahí es donde se pondrá más interesante.

¿Qué depara el próximo año para OPM?

Tenemos suerte de estar en parte de esta industria donde no dependemos de contratos I+D ni capital riesgo. Estamos en la parte de la «economía de necesidad». Aunque vimos que en esta primera fase de pandemia la disponibilidad hospitalaria cayó para atender cirugía electiva, ya vemos que ese negocio empieza a volver. Ha sido doloroso para cada negocio, pero la tecnología central que tenemos nos permitirá seguir creciendo. Acabamos de introducir nuestro producto de anclaje de sutura, nueva línea de producto de menor coste, y aun con COVID tendremos oportunidades para llevarlo al mercado.

También tenemos la vista puesta en nuevos mercados. Nos gusta el mercado de captura de carbono, otras áreas industriales y bioprocesos farmacéuticos.

Creo que COVID-19 en cierto modo impulsa más capital y exige más eficiencia hacia mercados para los que somos naturalmente aptos, dado el rendimiento de nuestros materiales.

¿Reflexiones finales?

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

Creo que como empresa en impresión 3D, hemos intentado empujar tecnologías que realmente añaden valor. Cuando los tiempos son difíciles y ajustados, como ahora, la gente empieza a buscar formas de reducir costes y penetrar nuevos mercados. CEOs van a sus CTO diciendo «Oye, ¿qué tienes? Necesitamos algo nuevo».

Así que si realmente tienes algo sustantivo, no solo otra forma de hacer prototipo, si tienes algo que doblega el arco de tecnología de forma sustantiva, vas a conseguir buena escucha ahora. Lo hemos visto en nuestro negocio donde algunas puertas a las que llamamos en el pasado, la gente no estaba lista para oír. Y empezamos a recibir esas devoluciones de llamada que dicen «Oye, cuéntanos esa cosa donde podemos ahorrar dinero o hacer algo más eficiente». Así que animaría a lectores a no desanimarse si tienen tecnología real. Realmente cambia el juego. Es un momento interesante.