3D プリンティング イノベーションの内部:オックスフォード パフォーマンス マテリアルズの Scott DeFelice が高性能ポリマーの進歩について語る

現在 3D プリント材料市場はABS やナイロンなどの汎用ポリマーが主流ですが、過酷な環境や高温に耐えられる強力な機能性材料の需要が高まっています。 ‍

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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の 3D プリンティング ユーザーの間でますます求められています。現在 3D プリントに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備えています。現在このような材料を開発しているのは市場で数社だけであり、その 1 社がオックスフォード パフォーマンス マテリアルズ (OPM) です。コネチカット州に本拠を置く 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とした独自の技術とデバイスを開発しました。 OPM とそのサービスについて詳しく知るために、同社の CEO である Scott DeFelice に話を聞きました。 Scott とは、3D プリント PEKK の主要な用途、および 3D プリント材料市場を形成するトレンドと課題について話し合いました。

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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いただけますか?

オックスフォード パフォーマンス マテリアルズは 2000 年に設立されました。当社は高性能熱可塑性材料会社です。私たちは、ポリ エーテル ケトン ケトン (PEKK) と呼ばれる特定のポリマーにすべての時間を費やしてきました。そして 2000 年以来、私たちはこの素材を中心としたテクノロジーを開発してきました。

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PEKK は、熱可塑性プラスチックの世界で食物連鎖の頂点に位置する熱可塑性プラスチックです。これは、優れた熱的、化学的、機械的特性と生体適合性を備えた超高性能ポリマーです。

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現在、当社は、合成レベルでの PEKK の製造方法から、それを加工する方法、3D プリンティング用の粉末を準備する方法、その材料を使ってプリンティングする方法に至るまで、幅広い知的財産と特許のポートフォリオを保有しています。3D プリンティングに関しては、私たちの活動は約 10 年前に、PEKK を使用して 3D プリンティングするための選択的レーザー溶融プロセスの開発から始まりました。当社は、2006 年頃に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。それが 3D プリンティング開発の始まりでした。 2008 年に FDA は当社の最初のデバイスである頭蓋インプラントの認可を取得しました。これは患者固有のものであり、Zimmer Biomet によって世界中に配布されています。私たちは頭蓋骨と顔面のインプラントを毎日製造し続けています。私たちは 3 年以上前にそこから脊椎インプラントに移行し、それらの製品は RTI Surgical という会社と提携して販売されています。当社はこれまでに 70,000 本以上の脊椎インプラントを出荷してきました。つい最近、当社は外科的に軟組織を骨に再接着するために使用される縫合糸アンカーのスポーツ医学用途で別の FDA 認可を取得しました。これと並行して、当社は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、ボーイング社やノースロップ・グラマン社などから認証を取得しました。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 はそれを支える相当な規模を持っています。 OPM は 3D プリンティング ビジネスに登場しており、たとえばプロトタイプを作成し、その後生産部品に移行した人々の観点からではありません。私たちは、興味深い技術的理由により、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この問題に取り組んでいます。私たちは現在、これらのビジネスに垂直統合されており、素材とテクノロジーのプラットフォームを活用し続けています。

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3D プリントの材料分野は長年にわたってどのように発展してきたと思いますか?また、材料コストと材料開発の点でその軌跡はどのように進むと見ていますか?

3D プリントはプロセスであり、そのプロセスをユニークかつ可能にするのは、それに使用される素材です。私はいつも、リンゴを印刷することはできますが、その後は食べなければならないと人々に言います。したがって、最終市場や関心のある最終用途向けの機能を備えた素材を使用して印刷する必要があります。たとえば、特定の最終市場で役立つ機能的特性を備えているという理由で、金属 AM が非常に人気があることを長年にわたって見てきました。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、市場がどのようなものであるかに関係なく、最終用途市場での機能性を高めるために進化し続けます。コストについて興味深いのは、「ああ、材料が高すぎる」という議論が常に存在することです。より高性能の最終市場に移行し、材料の性能が向上するにつれて、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私は主張します。たとえば、私たちは整形外科用インプラントを販売していますが、病院で頭蓋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、私たちが行っている活動のコストを見ると、材料費は実際にはコストに占める割合はかなり小さいです。残りは品質と規制、生物医学、宇宙、防衛、半導体など、高度に規制された市場に販売するために整備しなければならない製造システムです。したがって、業界がプロトタイプの製造から最終用途の製品に向けて進化し続けるにつれて、重要なのは材料の性能であり、材料コストの構成要素はそれほど重要ではなくなります。

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医療に加えて、3D プリント用に開発した材料から恩恵を受けることができる他の業界にも拡大していただけますか?

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ボーイング CST 100 スターライナーの空気再生システム用 OXFAB® ESD 複合構造コンポーネント [画像クレジット:OPM]

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当社は、生物医学や航空宇宙などの明らかな分野からスタートしました。なぜなら、当社にはこれらの市場にサービスを提供するというビジネスにおける長い伝統があるからです。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こだわるものです。たとえば、当社の PEKK 素材は酸性環境や塩基性環境を好むため、環境に関してはそこに重点を置いています。したがって、私たちがかなり綿密に追跡している分野の 1 つは、たとえば、炭素回収です。二酸化炭素回収は今日でも機能する技術ですが、そ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分野に注目し、その分野には私たちの材料と 3D プリンティングの機会がたくさんあることがわかりました。間もなく、この分野における米国有数の政府研究所との提携を発表する予定です。また、プロセス効率を向上させ、資本コストを削減するために、当社のポリマーの適切な特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。現在の新型コロナウイルス感染症の状況では、明らかにこれらのプロセスの一部をスケールする必要があり、その分野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。私たちもそれをかなり綿密に追跡しています。ポリケトン類のポリマーは、非常に興味深い働きをします。私たちは 3D プリント部品のパフォーマンス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んでいる理由であり、人体に何千もの部品があるのはそのためです。それは、これらの構造が実際に何をしているのかを非常に真剣に受け止めている人々を安心させるために、私たちが印刷するものを特徴付ける徹底的な作業を行ったからです。

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3D プリント用の材料の開発とテストのプロセスはどのようなものですか?

一般に 2 つの部分があります。材料とプロセスを開発するとき、私たちは内部評価を経ます。この評価は通常、私たちが長年にわたって開発してきた分析方法から、開発レベルで行われるかなり従来型の機械的、熱的、電気的スクリーニング試験まで行われます。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」と言えば、最初のベースに到達します。そして家に帰るには、印刷、成形、機械加工など、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、どの業界にもパフォーマンスを理解するための方法が知られています。航空宇宙産業には良い例があります。これらの作業をすべて実行し、安定した再現可能なプロセスを確保した後は、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行う MIL 17 規格 (B ベースと呼ばれる) 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複数年にわたって実施され、数百万ドルが必要でした。私たちは NASA およびノー​​スロップ グラマンと協力してこの評価を行ったので、業界固有のかなり徹底的な評価となりました。生物医学分野では、当社の脊椎インプラントの場合、生体適合性と純度を実際に評価する一連の徹底的な ISO 10993 テストが最初に行われました。 「印刷された材料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、今度はそれを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特有の一連の機械的試験が他にもあります。それを乗り越えたら、そのデータを使って FDA に提出することができます。したがって、これらの他のテスト体制は非常に高価であるため、安心するにはまず独自の内部テストを行う必要があります。そして、これらのテストに合格するという強い自信がない限り、そんなことはしたくないでしょう。これはあらゆる最終市場、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、最終用途での採用に伴うリスクが低いため、基準は低くなります。

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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。高性能ポリマーがどのようにして金属材料を置き換えることができたのか、例を教えていただけますか?

30 年前に遡ると、金属に代わるポリマー材料の着実な進歩が見られました。  1970 年代に車を購入する場合、車の重量は現在の車の 2 倍で、ほとんどすべてが金属製で、掃除機を購入する場合は金属製だったでしょう。さて、これらのものを手に入れると、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ポリマーに置き換えるこの傾向は非常によく確立されています。3D プリントは金属を置き換えることができるプロセスの 1 つであり、金属を置き換える理由はコスト、重量、腐食です。私たちは、人々のコストを削減し、重量を軽減し、デバイスの効率を向上させるために、金属の代替の機会を継続的に探しています。その良い例は、慢性的な痛みがある場合に脊椎を固定する固定装置である脊椎ケージです。これらのデバイスは歴史的には機械加工されたチタンで作られていましたが、現在では PEKK で印刷されています。

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別の例は、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。現在、私たちは 3D プリントした PEKK からそれらを作成しています。私たちが炭素回収の分野のいくつかに目を向けると、まさにそれが私たちが今検討していることです。非常に高価な機械加工されたステンレス鋼やチタンを 3D プリントされた PEKK に置き換えることです。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、業界のメガトレンドでした。ここ数年でその傾向は加速しており、3D プリントは現在、石油と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となっており、業界パートナーと初期段階の開発プロジェクトが進行中です。

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トレンドと言えば、3D プリント素材の分野で何かトレンドがあると思いますか?

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[画像クレジット:OPM] [/caption]金属の側面では、金属 AM をより既知で予測可能な形態に推進しようとしている人々が見られます。あまり専門的な話はしたくないが、3D プリント金属は未加工の金属、鍛造金属、または鋳造金属と道徳的に同等ではありません。それは別の獣です。この業界が最初に非常に人気になったとき、それに関し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。そして現在、彼らは金属 AM を何らかの形でより従来のものにする材料およびプロセス技術に取り組んでいます。メタルAMが大きく進化すると思います。ポリマー側では、現在、ポリマー AM を使用して最終市場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 つの主な材料は、ナイロン 11 とナイロン 12 です。これらは工業用材料であり、ポリマー ピラミッドの真ん中に位置します。ただし、最終用途は限られています。熱的または機械的に特に堅牢ではありません。今、人々はピラミッドを上に登る方法を考え始めています。 BASF のような企業が、もう少しパフォーマンスを高めるナイロン 6 を導入しているのを目にし始めています。 OPM と PEKK および性能ピラミッドの真ん中にある他の素材の間を埋める素材が増える傾向は今後も続くと思います。

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逆に、3D プリント材料分野が依然として直面している課題は何だと思いますか?

これは基本的な質問です。何年も前に 3D プリンティングを検討し始めたとき、私たちが検討したことの 1 つは、ポリマーが 3D プリンティングに適した基本的な特性を備えているかどうかでした。そしてその疑問は、3D プリンティングが圧力ゼロの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、それを型の中に押し込み、すべてを押しつぶしてこの強化を行います。これにより、予測可能な性能と良好な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 プリントでは、フィラメントを溶かして重ね合わせる FDM プロセスのような低圧固化またはゼロ圧力固化が行われます。そのプロセスでは、最終的に最大 10% のボイドが発生します。私の世界では、ボイドは部品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、そこにぶら下がりたくないでしょう。次に、OPM のような粉末床プロセスがあり、レーザーで粉末の層を別の層の上に溶かしますが、圧力はかかりません。このような種類の環境で再現性のあるパフォーマンスを得るために頼りになるのは、それ自身に粘着することを好むポリマーです。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、それ自身にくっつく親和性を持っているため、その点で非常にユニークです。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と、物事を妨げているのは、根本的に新しい化学の開発です。もしあなたが今日大手化学会社に行って、「この粘着力に特化したポリマーを開発してもらえませんか？」と言うと、面白い目で見られるでしょう。なぜなら、新しいポリマーの開発には数十億ドルのお金がかかり、何年もかかるからです。それは大変なことです。もしあなたがポリマー会社のコンサルタントに、過去 20 年間で本当に新しい化学がいくつ開発されたのか尋ねたら、おそらくそれは片手落ちだと思うでしょう。なぜなら、それらの投資は非常に多額だからです。そして、アメリカの企業は、そのようなものにあまり興味を持ちません。したがって、こ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るとは思えません。

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今後数か月、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いた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。それはとても遠いことだ。プロセス技術は進歩し、人々は状況を改善するために、他の独自の充填剤や相溶化剤、サイジング化学物質を使用して既存の材料セットを変更するでしょう。したがって、おそらくそこから物事がさらに面白くなると思います。

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OPM にとって今後 1 年はどうなるでしょうか?

私たちがこの業界に所属していることは非常に幸運であり、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ません。私たちは「ニーズ経済」に属しています。新型コロナウイルスのパンデミックの第一段階を乗り越えるにつれて、病院の稼働率が低下し、待機手術から遠ざかっているのを私たちは見てきましたが、すでにビジネスが戻り始めているのが見え始めています。どのビジネスにとっても苦痛ではありますが、私たちが持っているコアテクノロジーのおかげで、私たちは成長し続けることができます。当社は現在、新しい低コスト製品ラインである縫合糸アンカー製品を導入したところですが、新型コロナウイルス感染症の影響下でも、これを市場に投入する機会はあるでしょう。

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私たちは新たな市場にも注力しています。私たちは炭素回収市場、その他の産業分野、バイオ医薬品プロセス市場が好きです。

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新型コロナウイルス感染症は、ある意味、より多くの資本をもたらし、当社の材料の性能を考慮すると、当社が本来適している市場に向けてより高い効率を要求していると思います。

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最後に何か考えはありますか?

ただ一つ言えるのは、この時期には大きなチャンスがあるということです。

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3D プリンティングの企業として、私たちは真に価値を付加するテクノロジーを推進しようとしてきたと思います。現在のように困難で逼迫した状況では、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「何か用事はありますか?」と言いに行きます。何か新しいものが必要です。」

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したがって、プロトタイプを作成するための単なる別の方法ではなく、本当に実質的なものを持っている場合、実質的な方法でテクノロジーの方向性を変える何かを持っている場合は、今すぐに良い聴取を受けるでしょう。私たちのビジネスでは、過去にドアをノックしたこともありましたが、人々はそれを聞く準備ができていませんでした。そして今では、「お金を節約できる方法や、もっと効率的に何かできる方法について教えてください」というコールバックが届き始めています。したがって、読者の皆様には、本物のテクノロジーを持っているとしても落胆しないことをお勧めします。それは本当にゲームを変えます。今は興味深い時期です。