専門家インタビュー：3D印刷用の高性能ポリマーの進化に関するOxford PerformanceMaterialsのScottDeFelice

現在、ABSやナイロンなどの汎用ポリマーが3D印刷材料市場を支配していますが、過酷な環境や高温に耐えることができる強力で機能的な材料に対する需要が高まっています。

高性能ポリマーとして知られるこれらの材料は、航空宇宙や医療などの業界で3D印刷ユーザーからますます求められています。

現在3D印刷で利用できる主要な高性能ポリマーは、熱可塑性プラスチックのポリアリールエーテルケトン（PAEK）ファミリーに属しており、高温安定性と優れた機械的強度を提供します。

現在、このような材料を開発している企業はわずかです。そのうちの1つはOxford Performance Materials（OPM）です。

コネチカットを拠点とするOPMは、PAEKファミリーのPEKK材料に特に焦点を当てており、その熱可塑性プラスチックを中心に独自の技術とデバイスを開発してきました。

OPMとその製品の詳細については、同社のCEOであるScottDeFeliceに問い合わせました。スコットと一緒に、3DプリントされたPEKKの主要なアプリケーション、および3Dプリント材料市場を形作るトレンドと課題について話し合いました。

オックスフォードパフォーマンスマテリアルズと会社としての使命について少し教えてください。

Oxford PerformanceMaterialsは2000年に設立されました。私たちは高性能の熱可塑性材料会社です。私たちはすべての時間を、ポリエーテルケトンケトンまたはPEKKと呼ばれる特定のポリマーに費やしてきました。そして2000年以来、私たちはこの素材を中心に技術を開発してきました。

PEKKは、熱可塑性プラスチックの世界で食物連鎖の熱可塑性プラスチックのトップです。優れた熱的、化学的、機械的特性と生体適合性により、超高性能ポリマーです。

今日、私たちは、合成でPEKKを製造する方法に由来する、知的財産と特許の幅広いポートフォリオを持っています。それを処理する方法、3D印刷用の粉末を準備する方法、材料を使用して印刷する方法のレベル。

3D印刷に関して、私たちの活動は約10年前に選択的レーザー溶融の開発から始まりました。 PEKKで3Dプリントするプロセス。 2006年頃、医療分野向けに最初の商用3Dプリントデバイスを発売しました。そしてそれが3Dプリント開発の始まりでした。

2008年、FDAは最初のデバイスである頭蓋インプラントを承認しました。これは患者固有であり、ZimmerBiometによって世界中に配布されています。私たちは毎日頭蓋骨と顔面のインプラントを製造する生産を続けています。

3年以上前にそこから脊椎インプラントに移行しました。これらの製品は、RTISurgicalという会社と提携して販売されています。これまでに70,000を超える脊椎インプラントを出荷してきました。

ごく最近、軟組織を骨に外科的に再付着させるために使用される縫合糸アンカーのスポーツ医療アプリケーションで、別のFDA認可を取得しました。

これと並行して、宇宙および防衛用途で使用するための技術を開発および検証し、ボーイングおよびノー​​スロップグラマンなどから認証を受けました。それ以来、私たちはその事業を戦略的パートナーの1つであるHexcelに売却しました。Hexcelはそれをサポートするためのかなりの規模を持っています。

OPMは、たとえばプロトタイピングを行ってから生産部品に移行した人々の観点からではなく、3D印刷ビジネスに参入しています。私たちは、興味深い技術的理由から、自社の材料が積層造形に非常に適していることを発見した先端材料会社の観点から考えています。現在、これらのビジネスに垂直統合されており、引き続き材料とテクノロジーのプラットフォームを活用しています。

3D印刷材料のスペースは何年にもわたってどのように発展してきたと思いますか？また、材料費と材料開発の観点からその軌跡はどこに向かっていると思いますか？

3D印刷はプロセスであり、そのプロセスをユニークで可能にするのは、それに使用される素材です。私はいつもリンゴを印刷できると人々に言いますが、それならあなたはそれを食べなければなりません。したがって、最終市場および関心のある最終用途向けの機能を備えた資料を使用して印刷する必要があります。

たとえば、金属AMは、特定の最終市場で役立つ機能特性を備えているため、長年にわたって非常に人気があります。

この傾向は今後も続くと思います。ポリマー、金属などの材料は、最終用途の市場が何であるかに関係なく、それらの市場でより優れた機能を可能にするために進化し続けます。

コストに関して興味深いのは、この「ああ、材料が高すぎる」という議論が常にあったことです。私は、あなたがより高性能の最終市場に移動し、材料がより有能になるにつれて、材料コスト自体は実際にはそれほど重要ではなくなると主張します。

たとえば、整形外科用インプラントを販売しており、病院で頭蓋用インプラントを販売する場合、そのインプラントは10,000ドルで販売される可能性があります。しかし、私たちが行うことのコストを見ると、材料費は実際にはコストのかなり小さな要素です。残りの部分は、生物医学、宇宙、防衛、半導体のいずれであっても、高度に規制された市場に販売するために必要なすべての品質と規制、製造システムです。

したがって、業界がプロトタイプの生産から最終用途の製品へと進化し続けるにつれて、材料の性能が重要になり、材料コストの構成要素がドライバーになります。

3D印刷用に開発した材料の恩恵を受けることができる、医療以外の業界を拡大できますか？

私たちは、生物医学および航空宇宙という明白な場所から始めました。これらの市場にサービスを提供するという私たちのビジネスには長い遺産があるからです。しかし今、私たちは頭を上げて他の分野を見回しています。

最終市場は、当社の材料の性能に非常に特化しています。たとえば、私たちのPEKK素材は酸性環境と塩基性環境が大好きなので、環境の観点からはそこに行きます。したがって、私たちが非常に綿密に追跡している1つの領域は、たとえば、炭素回収です。

炭素回収は今日機能する技術ですが、これらのプラントの資本コストは高すぎます。

そこで私たちはその領域を調べましたが、その空間での材料と3D印刷の機会はたくさんあります。間もなく、その地域で米国を代表する政府研究所の1つとのコラボレーションを発表する予定です。

また、プロセス効率を改善し、資本コストを削減するために、ポリマーの適切な属性を備えた材料が必要な製薬プロセスおよびバイオプロセス分野も気に入っています。

現在のCOVID-19の状況では明らかに、これらのプロセスのいくつかをスケーリングする必要があり、そのスペースで実践するには、多くの複雑な構造と適切な高純度の化学が必要です。それもかなり綿密に追跡しています。

Polyketonesクラスのポリマーは、非常に興味深い仕事をします。

3D印刷された部品の性能を理解するために、何百万ドルも費やしてきました。それが私たちの部品が有人宇宙船を飛ばしている理由です。それが私たちが人体に何千もの部品を持っている理由です。これは、これらの構造が実際に行っていることを非常に真剣に受け止めている人々の快適さのために、私たちが印刷するものを特徴づける徹底的な作業を行ったためです。

3D印刷用の素材を開発およびテストするプロセスはどのようになっていますか？

一般的に2つの部分があります。材料とプロセスを開発するとき、内部評価を行います。これは通常、長年にわたって開発した分析方法から、開発レベルで行われるかなり従来の機械的、熱的、電気的スクリーニングテストにまで及びます。

ベースラインを取得し、「はい、これは再現可能な製品であり、私たちはそれを理解しています」と言うと、一塁手になります。

それから家に帰るには、印刷、成形、機械加工、またはプロセス技術が何であれ、あらゆる業界に行かなければなりません。 ASTM規格、ISO規格、企業固有の規格、政府規格など、あらゆる業界でパフォーマンスを理解する方法がわかっています。

航空宇宙産業の良い例があります。すべての作業を行い、安定した再現可能なプロセスがあることを確認した後、非常に高い予測可能性でパフォーマンスの統計的評価をもたらすMIL 17標準である、B-Basisと呼ばれるものを実行する必要がありました。

しかし、そのプログラムだけでも数年かかり、数百万ドルが必要でした。 NASAとノースロップグラマンと共同でそれを行ったので、それはかなり徹底的な業界固有の評価でした。

生物医学では、脊椎インプラントの場合、最初に、生体適合性と純度を実際に評価する一連の徹底的なISO10993テストを実施しました。 [印刷された素材は純粋で生体適合性があり、毒性はありません]のチェックボックスをオンにしたら、脊椎インプラントに使用します。

ASTM F2077規格の一部として、脊椎インプラントに固有の一連の他の機械的テストがあります。あなたがそれを通り抜けるとき、あなたはそのデータでFDAに提出をすることができます。

したがって、これらの他のテストレジームは非常に高価であるため、快適にするには、最初に独自の内部テストを実行する必要があります。そして、あなたがそれらのテストに合格することに大きな自信がない限り、あなたはそれをしたくありません。

これは、すべてのエンドマーケット、特に私たちのクラスの材料に当てはまります。技術資料の場合、最終用途の採用に伴うリスクが低いため、基準は低くなります。

特定の用途では、金属の代わりにポリマーが使用されることが知られています。高性能ポリマーが金属材料に取って代わることができた例を教えてください。

30年前にさかのぼると、金属に取って代わる高分子材料の着実な進歩が見られました。 1970年代に車を購入した場合、車の重量は現在の車の2倍になり、ほとんどすべてが金属製になります。掃除機を購入した場合は、金属製になります。

さて、これらのものを手に入れれば、それらは総重量のほんの一部であり、ほとんどがプラスチックです。したがって、さまざまな機能のために金属を置き換えるポリマーのこの傾向は非常に確立されています。

3D印刷は、金属を置き換えることができるもう1つのプロセスであり、金属を置き換える理由は、コスト、重量、腐食です。

私たちは、人件費を削減し、重量を減らし、デバイスの効率を向上させるための金属交換の機会を継続的に探しています。その良い例は、脊椎ケージ、慢性的な痛みがある場合に脊椎を融合させる融合装置です。

これらのデバイスは、歴史的に機械加工されたチタンで作られていましたが、現在はPEKKで印刷しています。

もう1つの例は、3Dプリントされたチタンで作られた頭蓋インプラントです。今日、私たちは3DプリントされたPEKKでそれらを作っています。

炭素回収の一部を見ると、まさに今見ているものです。非常に高価な機械加工されたステンレス鋼またはチタンを3DプリントされたPEKKに置き換えます。

したがって、金属からポリマーに切り替えるというこのアイデアは、かなり長い間、業界で大きなトレンドとなっています。過去数年間で加速しており、3D印刷は現在、業界パートナーとの初期段階の開発プロジェクトが進行中の石油・ガスや輸送などの分野を含む、より大きなストーリーの一部になっています。

トレンドと言えば、3Dプリント素材の分野でトレンドはありますか？

金属の側面では、金属AMをより既知の予測可能な形態に駆動しようとしている人々がいます。

私はあまり技術的になりたくありませんが、3D印​​刷金属は、生の、鍛造された、または鋳造された金属と道徳的に同等ではありません。それは別の獣です。

業界が最初に非常に人気になったとき、それについて多くの混乱がありました。時間が経つにつれて、人々はそれが別の動物であることに気づきました。そして今、彼らは金属AMを何らかの方法でより従来型にする材料およびプロセス技術に向けて取り組んでいます。メタルAMを大きく前進させると思います。

ポリマー側では、現在、ポリマーAMでエンドマーケットにサービスを提供する一般的な傾向があります。このための2つの主要な材料は、ナイロン11とナイロン12です。これらは技術的な材料であり、ポリマーピラミッドの中央にあります。

ただし、最終用途は限られています。それらは特に熱的または機械的に堅牢ではありません。

今、人々はピラミッドを上に移動する方法を理解し始めています。 BASFのような企業がナイロン6を導入し始めています。これは、もう少しパフォーマンスを向上させます。

パフォーマンスピラミッドの真ん中で、OPMがPEKKと他の素材を使用している場所の間で、より多くの素材が埋められる傾向が見られると思います。

その反面として、3D印刷材料セクターがまだ直面している課題にはどのようなものがありますか？

これは基本的な質問です。

何年も前に3D印刷を検討し始めたとき、私たちが検討したことの1つは、ポリマーに3D印刷の基本的な属性があるかどうかということでした。そして、その疑問は、3D印刷がゼロ圧力統合プロセスであるという認識に帰着します。

ポリマーを成形するときは、それを型に押し込み、すべて一緒に押しつぶして、この固化を実現します。これにより、予測可能な性能と優れた機械的特性が得られます。

3Dプリントにはそのような利点はありません。 3D印刷では、フィラメントが溶けて互いに重なり合うFDMプロセスのように、この低圧圧密またはゼロ圧圧密が可能です。その過程で、最大10％のボイドが発生します。私の世界では、ボイドは、パーツが堅牢ではないことを意味するため、悪いものです。プロトタイプには最適ですが、ぶら下がる必要はありません。

次に、OPMのようなこれらの粉末床プロセスがあります。このプロセスでは、レーザーが粉末のある層を別の層の上に溶かしますが、圧力はありません。これらのタイプの環境で再現性のあるパフォーマンスを得るために信頼しているのは、それ自体に固執するのが好きなポリマーです。

ポリマーがうまく結合しないと、Z方向のパフォーマンスが低下します。

PEKKは、それ自体に固執する親和性があるという点で本当にユニークです。これは、ポリマーの世界ではかなり珍しいことです。

あなたの質問に答えるために、物事を妨げてきたのは根本的に新しい化学の開発でした。

今日、大手化学会社の1つに行って、「この粘着性のあるポリマーを特別に開発できますか？」と言うと、彼らはあなたが面白いのであなたを面白く見るでしょう。数十億ドルの範囲で、新しいポリマーを開発するために何年もかかります。それは大したことです。

過去20年間に開発された真に新しい化学物質の数をポリマー会社のコンサルタントに尋ねた場合、それらの投資は非常に多額であるため、おそらく一方ではそれを置くでしょう。そして、企業のアメリカは、そのようなものに対する欲求をあまり頻繁に持っていません。ですから、それは大きな挑戦であり、率直に言って、それほど多くのことが起こっているとは思いません。

これから数か月、数年で変化または進化すると思いますか？

新しい新しい化学に基づく新しい材料プラットフォーム？そんなことは起こらないと思います。それは非常に遠いです。

プロセス技術は進歩し、人々はそれらの既存の材料セットを他のユニークなフィラーや相溶化剤、サイジングケミストリーで修正して物事を改善します。ですから、おそらくそれがもっと面白くなるところだと思います。

OPMの1年先はどうなりますか？

私たちはこの業界の一部であり、現時点では研究開発契約やベンチャーキャピタルに依存していないことを非常に幸運に思っています。

私たちは「必要な経済」の一部にいます。

COVIDパンデミック病院の利用可能性のこの最初のフェーズを経て、サービスが停止し、待期的手術から離れることを見てきましたが、すでにビジネスが復活し始めています。 。

すべてのビジネスにとって苦痛でしたが、私たちが持っているコアテクノロジーによって私たちは成長し続けることができます。ちょうど今、新しい低コストの製品ラインである縫合糸アンカー製品を紹介しています。COVIDが与えられたとしても、それを市場に出す機会があります。

また、私たちは頭を上げています新しい市場。私たちは、炭素回収市場、他の工業地域、およびバイオファーマプロセス市場が好きです。

COVID-19は、ある意味でより多くの資本を推進し、私たちが自然に適している市場に向けてより高い効率を要求すると思います。 、私たちの材料の性能を考えると。

最終的な考えはありますか？

私が言えるのは、この特定の時期にはかなりの機会があるということだけです。

3D印刷の企業として、私たちは真に付加価値のあるテクノロジーを推進しようとしてきたと思います。 。今のように困難で厳しい時代になると、人々はコストを削減し、新しい市場に参入する方法を模索し始めています。 CEOはCTOに行き、「ねえ、あなたは私のために何を持っていますか？何か新しいものが必要です」。

つまり、プロトタイプを作成するための別の方法だけでなく、実際に何か実質的なものがある場合、テクノロジーの弧を実質的に曲げる何かがある場合は、よく聞くために-今。

過去にドアをノックしたことがある私たちのビジネスでは、人々はそれを聞く準備ができていませんでした。そして今、「ねえ、お金を節約したり、もっと効率的に何かをしたりできることについて教えてください」というコールバックを受け取り始めています。

ですから、読者が実際の技術を持っていても、落胆しないように勧めたいと思います。それは本当にゲームを変えます。これは興味深い時期です。