オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズCEOスコット・デフェリーチェ氏：高性能ポリマーで3Dプリントを革新

汎用ポリマー（ABS、ナイロン等）が現在の3Dプリント材料市場を支配しているが、過酷な環境や高温に耐えられる強靭な機能性材料への需要が高まっている。

これらは「高性能ポリマー」と呼ばれ、航空宇宙・医療などの業界で3Dプリントユーザーから強く求められている。現在3Dプリントで利用可能な主要な高性能ポリマーは、ポリアリルエーテルケトン（PAEK）系熱可塑性樹脂に属し、高温安定性と優れた機械的強度を備える。こうした材料を開発している企業は市場に数社しかなく、その一つがオックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズ（OPM）だ。コネチカット州拠点のOPMは、PAEKファミリーの中でもPEKK材料に特化し、その熱可塑性樹脂を中心に独自技術とデバイスを開発してきた。OPMとその提供価値について、CEOスコット・デフェリーチェ氏に、3DプリントPEKKの主要用途、材料市場を形作るトレンドと課題を聞いた。

オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズと貴社のミッションについて教えてください。

オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズは2000年に設立された。高性能熱可塑性材料の会社だ。ポリエーテルケトンケトン（PEKK）という一つのポリマーに全てを注いできた。2000年以来、この材料を中心に技術を開発し続けている。

PEKKは熱可塑性樹脂の世界における「食物連鎖の頂点」だ。優れた熱的・化学的・機械的特性と生体適合性を備えたスーパー高性能ポリマーである。

今日、PEKKの合成レベルでの製法から、加工方法、3Dプリント用粉末調製、プリント方法に至るまで、幅広い知的財産と特許ポートフォリオを持つ。3Dプリントにおける活動は約10年前、PEKKで選択的レーザー溶融プロセスを開発したことから始まった。最初の商用3Dプリントデバイスを2006年頃に医療分野で発売。それが3Dプリント開発の始まりだ。2008年、FDAが最初のデバイス（患者固有の頭蓋骨インプラント）を承認。ツィマー・バイオメット社が世界中で販売している。頭蓋骨・顔面インプラントを日々生産し続けている。3年以上前から脊椎インプラントへ展開し、RTIサージカル社とのパートナーシップで販売。累計7万個以上の脊椎インプラントを出荷済み。最近ではスポーツ医療用途の縫合アンカー（軟部組織を骨に再固定するデバイス）でさらにFDA承認を取得。並行して宇宙・防衛用途での技術開発・検証を進め、ボインング社、ノースロップ・グラマン社などから認証を取得。その後その事業を戦略的パートナーのヘクセル社へ売却した。ヘクセル社にはそれを支える十分な規模がある。OPMは「試作から量産部品へ移行したプロトタイピング屋」ではなく、「自社材料が興味深い技術的理由で積層造形に非常に適していると見出した先進材料会社」として3Dプリントビジネスにアプローチした。今ではそれらのビジネスに垂直統合し、材料・技術プラットフォームを活用し続けている。

3Dプリント材料空間がどう発展してきたか、材料コストと材料開発の軌道をどう見るか？

3Dプリントはプロセスだ。そのプロセスをユニークかつイネーブリングにしているのが、共に使われる材料だ。いつも「リンゴをプリントできるが、それを食べなきゃならない」と伝えている。エンドマーケットとエンドユースに必要な機能性を持つ材料でプリントしなければならない。金属AMが特定のエンドマーケットで有用な機能特性を持つために普及したように、この傾向は続くだろう。材料（ポリマー、金属、その他）は、エンドユース市場が何であれ、より高い機能性を実現する方向へ進化し続ける。「材料が高すぎる」という議論は常にあるが、私は反対だ。より高性能なエンドマーケットへ移行し、材料がより高性能になれば、材料コスト自体は相対的に 덜 중요해진다（重要度が下がる）。例えば我々は整形外科インプラントを販売している。病院で頭蓋骨インプラント一つが1万ドルで売れるかもしれない。しかしコスト構造を見ると、材料コストは実はかなり小さな構成要素だ。残りは品質、規制対応、高度に規制されたマーケット（生物医学、宇宙防衛、半導体等）で販売するために必要な製造システムだ。業界が試作生産からエンドユース製品生産へシフトし続ける中で、材料の性能こそがクリティカルになり、材料コストのウェイトは小さくなる。

医療以外で、貴社が開発する3Dプリント材料の恩恵を受けられる業界は？

まず明確なところ、生物医学と航空宇宙から始めた。これらの市場への長い実績があるからだ。だが今、頭を上げて他の領域を見渡している。エンドマーケットは我々の材料性能に非常に特化している。例えばPEKK材料は酸性・アルカリ性環境を「好む」。だからその環境へ向かう。注目している分野の一つが「カーボンキャプチャー（二酸化炭素回収）」だ。カーボンキャプチャー技術は既に機能するが、プラントの資本コストが高すぎる。この分野を調べると、我々の材料と3Dプリントに多くの機会がある。まもなく米国の主要国立研究機関の一つとの協業を発表予定だ。医薬品プロセス・バイオプロセス分野も好ましい。プロセス効率向上と資本コスト削減に、我々のポリマーの適切な特性が貢献できる。コロナ禍でこれらプロセスのスケールアップ需要があり、複雑な構造と適切な高純度化学が求められる。ここも注視している。ポリケトン系ポリマーは非常に興味深い仕事をする。我々は3Dプリント部品の性能理解に数百万ドルを費やしてきた。だからこそ我々の部品は有人宇宙船で飛び、数千個が人体内にある。実践でこれら構造が何をするかを真剣に受け止める人々を納得させる、徹底的な特性評価の仕事をやり切ったからだ。

3Dプリント用材料の開発・テストプロセスはどのようなものか？

大まかに二段階ある。材料とプロセスを開発する際、まず社内評価を行う。長年開発してきた分析手法から、比較的従来型の機械的・熱的・電気的スクリーニング試験まで、開発レベルで実施する。ベースラインが得られ「はい、これは再現性のある製品で、我々は理解している」となれば一塁に到達だ。本塁へ戻るには、各業界でそれぞれのやり方で性能を理解するプロセスを経なければならない。プリントでも成形でも切削でも。ASTM規格、ISO規格、社内規格、政府規格など、業界ごとに知られた方法がある。航空宇宙業界の好例だ。全ての作業を終え、安定した再現可能なプロセスを確保した後、MIL-17規格に基づく統計的性能評価（非常に高い予測性を持つ、いわゆるB-ベイシス）を実施しなければならなかった。それだけで複数年、数百万ドルを要した。NASAとノースロップ・グラマンとの協業で実施した、かなり徹底した業界特有の評価だ。生物医学では脊椎インプラントのケースで、まずISO 10993シリーズの徹底的な試験（生体適合性と純度評価）をパスする。「プリントされた材料が純粋で生体適合性があり、毒性がない」のチェックが済めば、次は脊椎インプラントとして使うためのASTM F2077規格に基づく一連の機械試験がある。それをクリアすれば、そのデータでFDA申請が可能になる。まず自社内テストで自信をつける必要がある。それ以外の試験体制は非常に高コストだからだ。自信なく臨んではいけない。これは全エンドマーケットで共通し、特に我々の材料クラスでは顕著だ。技術材料なら基準は低い。エンドユース採用リスクが低いからだ。

ポリマーが特定用途で金属を置き換えることは知られている。高性能ポリマーが金属材料を置き換えた例を教えてほしい。

30年前に遡れば、ポリマー材料が金属を着実に置き換えてきた流れがある。1970年代に車を買えば、今の2倍の重量でほぼ全て金属だった。掃除機も金属製だった。今それらを買えば、重量は一部で、ほぼプラスチックだ。ポリマーが様々な機能で金属を置き換えてきたメガトレンドは確立されている。3Dプリントは、金属を置き換えられる「また一つのプロセス」だ。置き換え理由はコスト、重量、耐食性だ。人々のコスト削減、軽量化、デバイス効率向上のため、金属置き換え機会を常に探っている。好例が脊椎ケージ、脊椎固定デバイスだ。慢性痛で脊椎を固定する際、歴史的には機械加工チタン製だったが、今はPEKKでプリントしている。

もう一つは頭蓋骨インプラント。従来は3Dプリントチタン製だったが、今は3DプリントPEKKで作っている。カーボンキャプチャー分野で見ているのもまさにこれだ：高価な機械加工ステンレスやチタンを、3DプリントPEKKで置き換える。金属からポリマーへのシフトというアイデアは長年の業界メガトレンドだ。近年加速し、3Dプリントはその大きな物語の一部になった。石油・ガス、輸送などの分野でも、業界パートナーと初期段階の開発プロジェクトを進めている。

トレンドの話が出たが、3Dプリント材料空間で見られるトレンドは？

金属側では、金属AMをより既知・予測可能な組織へ導こうとする動きがある。技術的に深入りは避けるが、3Dプリント金属は、生材、鍛造、鋳造金属とは「道徳的同等物」ではない。別の生き物だ。業界が最初に盛り上がった時、そこにかなりの混乱があった。時間を経て「これは別物だ」と気づかれ、今、金属AMをより「従来型に近づける」材料・プロセス技術へ取り組まれている。これは金属AMを大きく前進させると思う。ポリマー側では、ポリマーAMでエンドマーケットをサービスする傾向が強まっている。この二大主力材料はナイロン11とナイロン12だ。これらは技術材料で、ポリマーピラミッドの真ん中辺りに位置する。しかしエンドユース用途は限定的。特に熱的・機械的にそれほどロバストではない。今、ピラミッドの上層へどう登るかを模索し始めている。BASFがナイロン6を導入し、少し性能を上げた。OPMのPEKKや他の材料がいるピラミッド頂上と、中間層の材料の間を埋める、より多くの材料が登場し続けると思う。

裏返せば、3Dプリント材料セクターがまだ抱える課題は？

根本的な質問だ。何年も前、3Dプリントを検討し始めた時、我々が見たことの一つは「我々のポリマーは3Dプリントされるための基本属性を持っているか？」だ。この問いは「3Dプリントはゼロ圧力凝集プロセスである」という認識に帰着する。ポリマーを成形する時、金型に押し込み、全てを押し固めて凝集させる。これで予測可能な性能と良好な機械的特性が得られる。3Dプリントにはその美徳がない。FDMプロセスのようなゼロ圧力凝集、あるいは低圧力凝集だ。フィラメントが溶けて層ごとに積層される。このプロセスでは最大10%のボイド（空隙）が生じる。私の世界ではボイドは悪だ。部品がロバストでないことを意味する。試作には良いが、それにぶら下がるのは御免だ。次にOPMのような粉末床プロセスでは、レーザーが粉末層を次々と溶融するが、圧力はゼロだ。こうした環境で再現性のある性能を得るには、「自分自身にくっつきたがるポリマー」が必要だ。ポリマーがよく結合しないと、Z方向で性能が悪化する。PEKKはこの点で実にユニークで、自己凝集親和性を持つ。ポリマーの世界では珍しい。質問への答え：足かせとなってきたのは「根本的に新しい化学の開発」だ。今、大手化学メーカーに「この自己凝集能力のために特化したポリマーを開発できますか？」と持ちかければ、怪訝な顔をされるだろう。数十億ドル規模、数年単位の投資が必要だからだ。大変なことだ。ポリマー企業コンサルタントに「過去20年で真に新しいケミストリーはいくつ開発されたか？」と聞けば、おそらく片手で数えられる程度だ。それほど投資が莫大だからだ。企業アメリカにはその食指が動かないことが多い。これが大きな課題であり、正直、そうしたことはあまり起きないと見ている。

それは今後数ヶ月・数年で変わると思うか？

全く新しい化学に基づく新材料プラットフォーム？ それは起きないと思う。極めて遠い。プロセス技術は進歩し、既存材料セットをユニークなフィラー、相溶化剤、サイジングケミストリーで改質し、性能を高める方向で面白くなっていくだろう。そこが今後の面白みだと思う。

OPMにとって来年はどうなるか？

我々は幸運だ。この業界の一角で、R&D契約やベンチャーキャピタルに依存せず、「必要とされる経済（need economy）」の側にいる。コロナ禍の第一波で病院が選択的手術から離れ対応に追われた時期があったが、すでにそのビジネスは戻りつつある。全ビジネスにとって痛みを伴ったが、コア技術があれば成長を続けられる。縫合アンカー製品をまさに今導入中で、より低コストな製品ラインだ。コロナ禍でも市場投入の機会がある。

新市場にもアンテナを張っている。カーボンキャプチャー市場、その他産業分野、バイオファーマプロセス市場が好ましい。

コロナ禍が、ある意味で我々の材料性能が自然に適合する市場へ、より多くの資本と効率化要求を向かわせていると感じる。

最後に一言。

言いたいのは、この特定の時期には実質的な機会があるということだ。

3Dプリント企業として、真に価値を加える技術を推進しようとしてきた。今のように厳しく厳しい時代になると、人々はコスト削減と新市場開拓の方法を探し始める。CEOがCTOに「おい、何持ってる？ 新しいものが必要だ」と言う。

もし本当に実質的な技術、単なる「試作の別の作り方」ではない、「技術の軌道を実質的に曲げる」何かを持っていれば、今なら真剣に聞いてもらえる。我々のビジネスでも、過去にノックしても聞く耳を持たなかったドアから、「おい、コスト削減や効率化できるあの話、詳しく聞かせてくれ」とコールバックが来始めている。実質的な技術を持つ読者の皆さん、落胆しないでほしい。ゲームは変わる。これは面白い時代だ。