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

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. ‍

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Estos materiales, conocidos como polímeros de alto rendimiento, son cada vez más buscados por los usuarios de la impresión 3D en industrias como la aeroespacial y la médica. Los polímeros clave de alto rendimiento disponibles actualmente para la impresión 3D pertenecen a la familia de termoplásticos poliariletercetona (PAEK), y ofrecen estabilidad a altas temperaturas y gran resistencia mecánica. Actualmente, sólo unas pocas empresas en el mercado están desarrollando este tipo de materiales, 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 reunimos con el director ejecutivo de la empresa, Scott DeFelice. Con Scott, hemos discutido aplicaciones clave para PEKK impreso en 3D, así como tendencias y desafíos que dan forma al mercado de materiales de impresión 3D.

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¿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 poliétercetonacetona o PEKK. Y desde el año 2000, hemos estado desarrollando tecnologías en torno a este material.

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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 a su biocompatibilidad.

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Hoy en día, contamos con una amplia cartera de propiedad intelectual y patentes que van desde cómo se fabrica PEKK a nivel sintético hasta cómo se procesa, cómo se preparan los polvos para la impresión 3D y cómo se imprime con el material. En términos de impresión 3D, nuestras actividades comenzaron hace unos 10 años con el desarrollo de un proceso de fusión selectiva por láser 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 distribuido en todo el mundo por Zimmer Biomet. Contamos con producción continua fabricando implantes craneales y faciales todos los días. De allí pasamos a los implantes de columna hace más de tres años, y esos productos se venden en asociación con una empresa llamada RTI Surgical. Hemos enviado más de 70.000 implantes de columna hasta la fecha. Más recientemente, recibimos otra autorización de la FDA en una solicitud de medicina deportiva para anclajes de sutura, utilizados para volver a unir quirúrgicamente 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 personas que estaban, por ejemplo, en la creación de prototipos y luego pasaron a la producción de piezas. 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.

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

La impresión 3D es un proceso, y lo que hace que ese proceso sea único y habilitante 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, hay que 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, la fabricación aditiva de metal 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 del costo es que siempre ha habido esta discusión de "Oh, los materiales son demasiado caros". 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 dólares. Pero cuando analizamos el costo de lo que hacemos, el costo del material es en realidad un componente bastante pequeño del costo. El resto es toda la calidad y la regulación, los sistemas de fabricación que uno debe tener para vender en un mercado altamente regulado, ya sea biomédico, espacial, de defensa o de semiconductores. Entonces, a medida que la industria continúa evolucionando desde la producción de prototipos hacia productos de uso final, el rendimiento del material es lo crítico y el componente del costo del material se vuelve menos determinante.

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

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Componente estructural complejo ESD OXFAB® para el sistema de revitalización del aire del Boeing CST 100 Starliner [Crédito de la imagen:OPM]

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Comenzamos en los lugares obvios, biomédico y aeroespacial, porque tenemos un largo legado en nuestro negocio de prestar servicios a esos mercados. Pero ahora estamos levantando la cabeza y mirando a otras áreas. Los mercados finales son muy particulares en cuanto al rendimiento 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 muy 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 elevado. 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 principales laboratorios gubernamentales de EE. UU. en esa área. También nos gustan las áreas de procesos farmacéuticos y bioprocesos donde se 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 actual de COVID-19, es necesario ampliar algunos de estos procesos y es necesario tener una estructura muy compleja y la química de alta pureza adecuada para practicar en ese espacio. También lo estamos siguiendo muy de cerca. La clase de polímeros policetonas realiza algunos trabajos muy interesantes. Hemos gastado muchos millones de dólares en comprender el rendimiento de nuestras piezas impresas en 3D. Por eso nuestras partes vuelan en naves espaciales tripuladas, por eso 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.

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¿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", llegará a la primera base. Luego, para llegar a casa, hay que ir a todas las industrias, ya sea impresión, moldeo, mecanizado o cualquiera que sea su tecnología de proceso. Cada industria conoce formas de entender el desempeño, ya sea una norma ASTM, una norma ISO o una norma específica de una empresa o una norma gubernamental. Un buen ejemplo lo tenemos en la industria aeroespacial. Después de hacer todo ese trabajo y asegurarnos de que teníamos un proceso estable y repetible, tuvimos que hacer algo que era un estándar MIL 17 que da como resultado 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 bastante exhaustiva de cada industria. En biomedicina, si tomamos el caso de nuestros implantes espinales, 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 impreso es puro y biocompatible, no tóxico", ahora queremos usarlo en un implante espinal. Existe toda una serie de pruebas mecánicas como parte de la norma ASTM F2077 que son específicas para los implantes espinales. Cuando haya superado eso, podrá presentar una presentación a la FDA con esos datos. Por lo tanto, primero debe realizar sus propias pruebas internas para sentirse cómodo, porque estos otros regímenes de prueba son muy costosos. Y no querrás hacer eso a menos que tengas gran confianza en que vas a pasar esas pruebas. Esto 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.

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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?

Hace 30 años, hemos visto un avance constante de los materiales poliméricos que reemplazan al metal.  Si estuvieras comprando un automóvil en la década de 1970, los automóviles pesaban el doble de lo que pesa hoy y casi todo sería de metal, o si compraras una aspiradora, habría sido hecha de metal. Ahora bien, 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 se pueden reemplazar los metales y las razones para reemplazarlos son el costo, el peso y la corrosión. Buscamos continuamente oportunidades de reemplazo de metales para reducir costos para las personas, reducir el peso y mejorar la eficiencia de los dispositivos. Buenos ejemplos de ello son las jaulas espinales, dispositivos de fusión que fusionan la columna si tiene dolor crónico. Históricamente, estos dispositivos se fabricaban con titanio mecanizado y ahora los estamos imprimiendo con PEKK.

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Otro ejemplo son los implantes craneales fabricados con titanio impreso en 3D. Hoy los estamos fabricando con PEKK impreso en 3D. Al analizar algunas de las cosas relacionadas con la captura de carbono, eso es exactamente lo que estamos viendo ahora:reemplazar el muy costoso acero inoxidable mecanizado o titanio con PEKK impreso en 3D. Así que esta idea de cambiar de metales a polímeros ha sido una megatendencia en la industria desde hace bastante tiempo. Se ha ido acelerando 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 marcha con socios de la industria.

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

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[Crédito de la imagen:OPM] [/caption]En el lado metálico, estamos viendo personas que intentan llevar la AM metálica a morfologías más conocidas y predecibles. No quiero ser demasiado técnico, pero la impresión 3D de metal no es el equivalente moral del metal en bruto, forjado o fundido. Es una bestia diferente. Cuando la industria se hizo muy popular por primera vez, hubo mucha confusión al respecto. Con el tiempo la gente se ha dado cuenta de que es un animal diferente. Y ahora, están trabajando en tecnologías de materiales y procesos que hagan que la fabricación aditiva de metales sea más convencional de alguna manera. Creo que esto hará avanzar significativamente la fabricación aditiva de metales. En el lado de los polímeros, ahora existe una tendencia general a atender a los mercados finales con polímeros AM. Los dos materiales dominantes para esto son el Nylon 11 y el Nylon 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 robustos ni térmica ni 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 continuaremos viendo esa tendencia de que aparezcan más materiales para ocupar el lugar entre el OPM y el PEKK y otros materiales en el medio de la pirámide de rendimiento.

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Por otra parte, ¿cuáles son algunos de los desafíos que todavía enfrenta el sector de materiales de impresión 3D?

Esta es una pregunta fundamental. Cuando empezamos a analizar la impresión 3D hace muchos años, una de las cosas que analizamos fue:¿nuestro polímero tiene los atributos básicos para imprimirse en 3D? Y esa pregunta se reduce al reconocimiento de que la impresión 3D es un proceso de consolidación sin presión. Cuando estás moldeando un polímero, lo aplastas en un molde y lo aplastas todo junto y obtienes esta consolidación. Esto da como resultado un rendimiento predecible y buenas propiedades mecánicas. La impresión 3D no tiene esa virtud. Con la impresión 3D, tienes esta consolidación a baja presión o consolidación a presión cero, como un proceso FDM en el que tienes 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 fantástico para un prototipo, pero no querrás colgarte de él. Luego están estos procesos de lecho de polvo como los OPM, donde los láseres derriten una capa de polvo sobre otra, pero no hay presión. En lo que usted confía para obtener un rendimiento repetible en este tipo de entornos es en un polímero al que le gusta adherirse a sí mismo. Si un polímero no se adhiere bien, el resultado será un rendimiento deficiente en la dirección Z. PEKK es realmente único porque tiene la afinidad de adherirse a sí mismo. Esto 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 hoy vas a una de las grandes compañías químicas y dices:"¿Podrías desarrollar un polímero específicamente con esta capacidad de adherirse a sí mismo?" Te mirarán raro porque estás en el rango de los mil millones de dólares y varios años para desarrollar nuevos polímeros. Es un gran problema. Si usted fuera y le preguntara a un consultor de una empresa de polímeros cuántas sustancias químicas realmente nuevas se han desarrollado en los últimos 20 años, probablemente lo dejaría de lado, porque esas inversiones son muy sustanciales. Y las empresas estadounidenses simplemente no tienen apetito por esas cosas con demasiada frecuencia. Así que es un gran desafío y, francamente, no veo que eso suceda mucho.

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¿Crees que eso cambiará o evolucionará en los próximos meses y años?

¿Nuevas plataformas materiales basadas en una nueva química novedosa? No creo que eso vaya a suceder. Eso es muy remoto. Las tecnologías de procesos 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 probablemente ahí es donde las cosas se pondrán más interesantes.

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¿Qué le depara el próximo año a OPM?

Somos muy afortunados de estar en una parte de esta industria, donde no dependemos de contratos de I+D ni de capital de riesgo en este momento. Estamos en la parte de la “economía de necesidad”. Aunque hemos visto a medida que atravesábamos esta primera fase de la pandemia de COVID que la disponibilidad hospitalaria disminuyó 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. Recién estamos presentando nuestro producto de anclaje de sutura, que es una nueva línea de productos de menor costo e incluso teniendo en cuenta la COVID tendremos oportunidades de llevarlo al mercado.

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También estamos atentos a nuevos mercados. Nos gusta el mercado de captura de carbono, otras áreas industriales y el mercado de procesos biofarmacéuticos.

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

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¿Alguna idea final?

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

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Creo que, como empresa de impresión 3D, hemos intentado impulsar tecnologías que realmente agreguen valor. Cuando los tiempos son desafiantes y difíciles, como los actuales, la gente comienza a buscar formas de reducir costos y penetrar en nuevos mercados. Los directores ejecutivos van a ver a su CTO y le dicen:'Oye, ¿qué tienes para mí? Necesitamos algo nuevo."

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Entonces, si realmente tienes algo sustancial, no simplemente otra forma de hacer un prototipo, si tienes algo que dobla el arco de la tecnología de manera sustancial, vas a recibir una buena escucha ahora. Hemos visto que en nuestro negocio, en algunas puertas que tocamos en el pasado, la gente no estaba preparada para escucharlo. Y ahora estamos empezando a recibir esas devoluciones de llamadas que dicen:"Oye, cuéntanos algo sobre lo que podemos ahorrar algo de dinero o hacer algo más eficiente". Por eso, animo a los lectores a que no se desanimen si disponen de tecnología real. Realmente cambia el juego. Este es un momento interesante.