Entrevista com especialista:Brian Alexander da Solvay sobre o desenvolvimento de polímeros de alto desempenho para impressão 3D

Com a demanda por polímeros de alto desempenho para manufatura aditiva crescendo rapidamente, grandes empresas de materiais estão procurando fazer sua parte no mercado. E à medida que a indústria avança em direção às aplicações de produção, há uma necessidade maior de materiais de grau de engenharia capazes de atender às aplicações exigentes em uma variedade de indústrias. Indicativo do aumento geral da manufatura aditiva, empresas como Solvay, BASF, SABIC e mais agora estão desenvolvendo materiais especificamente para as necessidades da AM.

A Solvay é uma empresa de 10 bilhões de euros com mais de 150 anos de experiência no desenvolvimento de materiais. Recentemente apresentada em nosso Additive Manufacturing Landscape, a empresa belga produz materiais especiais que são usados ​​em setores tão diversos como automotivo, médico e aeroespacial.

Esta semana, falamos com Brian Alexander, que fundou a Solvay Speciality Polymer's Plataforma de Incubação de Negócios para Fabricação de Aditivos. Discutimos a decisão da Solvay de expandir para a manufatura aditiva, as oportunidades que a tecnologia oferece e por que os materiais de alto desempenho são tão críticos para a manufatura.

Identificando a oportunidade de manufatura aditiva

No início de 2016, estava se tornando impossível ignorar o aumento da manufatura aditiva. Após uma série de discussões internas, uma nova unidade de negócios foi criada dentro da divisão de Polímeros Especiais da Solvay para se concentrar exclusivamente na tecnologia.

“Um fator importante foi o fato de que a manufatura aditiva se encaixa perfeitamente em nossas ofertas como empresa ”, diz Alexander. “Nossos mercados atuais e os mercados em que tendemos a entrar são tipicamente mercados de alto valor, onde a produção em pequenas séries e a customização em massa são aplicações comuns. Dois grandes exemplos são setores como aeroespacial e de saúde, onde você não está fabricando milhões de peças, mas talvez milhares de peças por ano. ”

“Em segundo lugar, podíamos ver o potencial extremo da tecnologia:o AM estava se tornando importante demais para ser ignorado. Em essência, era o caso de ver isso como uma ameaça ao nosso negócio atual ou como uma oportunidade. Escolhemos o último. ”

Com uma série de patentes para tecnologias como SLS e FFF tendo expirado em 2016, Alexander explica que isso também teve um impacto na perspectiva da Solvay do mercado em evolução.

“A abertura do mercado muito mais e novos jogadores emergentes abriram oportunidades importantes para o lado do polímero das coisas. Obviamente, junto com a oportunidade veio um monte de exageros também - por isso, foi importante para nós adotar uma abordagem pragmática. ”

Alexander observa como o setor mudou em apenas três anos.

“Em nosso primeiro ano, entrevistamos muitos de nossos principais clientes para entender suas necessidades e onde eles estavam com a AM. Surpreendentemente, quando fizemos isso em 2016, quase ninguém acreditava no AM. ‘É interessante, mas não é para produção em massa’, era o sentimento geral. Tudo mudou agora, é claro. ”

AM requer uma mudança de mentalidade

A Solvay Speciality Polymers é uma das unidades de negócios do Grupo Solvay e tem cerca de 3.500 funcionários. “Nossa proposta de valor é que temos um dos maiores portfólios de materiais de alto desempenho do mercado”, diz Alexander. “Temos cerca de 35 polímeros diferentes para oferecer, todos com propriedades únicas.”

Esses polímeros são materiais de alto valor, vendidos em volumes menores. Isso, por sua vez, complementa a manufatura aditiva, onde aplicações especializadas de alto valor podem se beneficiar das economias de escala e complexidade que a tecnologia exige.

No entanto, desenvolver materiais especificamente para o processo de manufatura aditiva exigiu uma mudança de mentalidade, observa Alexander.

“Logo percebemos que toda a mentalidade para AM é completamente diferente da manufatura tradicional. Você tem que redesenhar completamente sua cadeia de valor. Praticamente tudo precisa mudar, desde os materiais ao design - e, claro, otimizando seus equipamentos e processos.

“Sabíamos que se tentássemos vender nossas resinas padrão, algumas que existem há 30 anos, no espaço da AM, não teríamos sucesso. Portanto, nosso objetivo era nos tornarmos o fornecedor líder de soluções personalizadas prontas para AM de alto desempenho. ”

O que isso significa na prática?

“Bem, precisamos saber exatamente o que está acontecendo na máquina”, diz Alexander. “Se poluirmos a cadeia de valor com todos os tipos de etapas diferentes e não tivermos ideia do que está acontecendo na máquina, não teremos controle sobre o processo. E isso é crucial se você está tentando qualificar materiais para nichos de mercado de valor muito alto, como médico ou aeroespacial. ”

O caminho para o desenvolvimento de polímeros de alto desempenho para aditivos

“A fabricação aditiva começou com materiais de baixo desempenho, como PLA e ABS”, diz Alexander. “Eles são ótimos para fazer coisas como brinquedos e gadgets. Mas para obter todos os benefícios da tecnologia, você precisará de mais materiais de nível industrial, como PEEK, por exemplo. ”

A crescente necessidade de materiais de nível industrial pode ser associada à mudança em toda a indústria do uso de impressão 3D para produção em série, e não apenas prototipagem.

Como Alexander coloca :“Se você está apenas focando na prototipagem, você realmente não está obtendo nenhum dos benefícios da manufatura aditiva porque essas peças não foram projetadas para AM. Portanto, você nunca obterá as mesmas propriedades.

“Com a produção em série, se você quiser fazer uma peça no material de sua escolha, precisa ter uma ampla gama de temperaturas, desempenho mecânico, qualificações, aprovações e assim por diante. Só então você pode reunir todos esses elementos para obter o design que realmente deseja obter. Portanto, estávamos trabalhando para fornecer mais materiais de alto desempenho do que os disponíveis no mercado. ”

Desenvolver polímeros de alto desempenho especificamente para a manufatura aditiva não seria uma tarefa fácil, principalmente por causa da variedade de tecnologias de impressão 3D no mercado e amplo portfólio de materiais da Solvay.

No final, a empresa optou por começar pela Fused Filament Fabrication (FFF) - a tecnologia de impressão 3D mais acessível.

A Solvay também tinha dois mercados-alvo principais em mente ao testar esses materiais iniciais:saúde, para suas aplicações de customização em massa, e aeroespacial para produção em pequenas séries.

“As questões-chave que estávamos a colocar eram:como os nossos materiais estão a ser usados ​​nestes mercados atualmente e como podemos permitir que sejam impressos em 3D? Isso daria aos nossos clientes a oportunidade de usar nossos materiais ainda mais, como complementares à sua fabricação tradicional. ”

PEEK (poliéter éter cetona) e PPSU (polifenilsulfona) foram escolhidos como os dois polímeros para começar com. PEEK é bem conhecido por sua excepcional estabilidade, resistência química e à temperatura, bem como sua excelente relação resistência-peso. É usado em ambientes exigentes para aplicações que incluem componentes de aeronaves, rolamentos automotivos, óleo e gás e componentes eletrônicos.

Da mesma forma, o PPSU possui alta resistência ao calor e excepcional resistência química e ao impacto e alongamento na ruptura. Ele pode ser usado para aplicativos como dispositivos médicos, aplicativos de serviços de encanamento e alimentação, apenas para citar alguns.

“Quando se trata de AM, você tem que entender seus materiais em termos de encolhimento, empenamento e coesão”, diz Alexander “Todas essas propriedades estão relacionadas ao próprio material e podem ser previstas se você conheça bem o seu material. ”

A Solvay também lançou sua Copa de Fabricação de Aditivos em outubro de 2017. A competição convidou estudantes universitários de todo o mundo a demonstrar sua 'aptidão para a fabricação de aditivos' usando seu filamento PEEK para produzir partes complexas. Os resultados, diz Alexander, foram fenomenais.

“Ficamos maravilhados com os resultados que obtivemos. Os alunos puderam inovar muito rapidamente. Ele mostrou que os recursos para fazer uma mudança estavam lá se alguém pudesse ajudar a habilitar a mudança. Isso nos deu confiança para tentar algo diferente. ”

Surge um novo modelo de negócios

Os resultados de seu Additive Manufacturing Cup levaram a Solvay a desenvolver uma nova forma de engajar os clientes:por meio de uma nova plataforma de e-commerce.

“Em vez de seguir pelo caminho tradicional, operando em um modelo fechado, decidimos para disponibilizar nossos materiais a um preço justo para qualquer pessoa com cartão de crédito ”, diz Alexander.

“Torna mais rápido, transparente e fácil comprar materiais poliméricos - e é o primeiro desse tipo no mercado de uma grande empresa química. Nosso objetivo final é inspirar a próxima geração a usar nossos materiais. ”

Quando se trata de atender seus clientes industriais, para a Solvay, os dados são fundamentais. “Quando você olhava as folhas de dados de outras empresas químicas, elas eram simplesmente folhas de dados de peças moldadas por injeção”, explica Alexander. “É por isso que decidimos disponibilizar todos os nossos dados sobre peças manufaturadas aditivamente. É uma questão de dar aos nossos clientes industriais confiança em nossos materiais. ”

Por que o controle do processo é importante

Alexander coloca claramente a importância do controle do processo. “Sem um bom processo ou bom equipamento, você vai acabar com uma parte terrível. É por isso que estamos trabalhando muito no desenvolvimento de parcerias. Por exemplo, estamos tentando trabalhar com fabricantes de impressoras 3D para ajudá-los a entender como processar nossos polímeros e o perfil de impressão que exigimos das máquinas.

“A maioria dos nossos usuários industriais deseja uma solução plug and play:um material que eles possam colocar na máquina e que a peça saia da mesma forma todas as vezes. Na Solvay, entendemos que é eventualmente para onde queremos ir. ”

Alexander explica ainda por que ser capaz de controlar o processo de fabricação de aditivos é tão importante. “O que aprendemos entre 2017 e 2018 é que a forma como você imprime a peça é crucial. Se você obtiver alta porosidade e micro e macro vazios no material, sua resistência e deformação na ruptura não serão consistentes de forma alguma. A única maneira de fazer isso é aprender a processar seus materiais e adaptar o processo para obter uma peça totalmente homogênea.

“Se você deseja obter todos os benefícios do AM - treliças, peso leve, consolidação de peças e assim por diante - você precisa entender como processar seu material e ver como seu material funcionará com uma estrutura de treliça, borda de perímetro e como você pode otimizar um design existente para torná-lo adequado para AM. ”

O papel da simulação de materiais

A Solvay continua com seu objetivo de expandir suas capacidades de materiais AM.

No ano passado, a empresa anunciou sua parceria com a e-Xstream engineering, fornecedora de software de simulação. A parceria vê os polímeros de alto desempenho da Solvay sendo adicionados à plataforma Digimat-AM da empresa para simulação de materiais.

A simulação de impressão 3D está em alta, pois se torna cada vez mais importante ser capaz de prever como uma peça se comportará antes que um desenho seja enviado para impressão.

O Digimat-AM permite aos usuários simular o processo de impressão 3D. A parceria com a Solvay significa que os usuários agora serão capazes de prever o comportamento termomecânico dos polímeros da Solvay durante a fase de design. Ao recriar digitalmente as condições físicas e o comportamento da peça, grande parte da tentativa e erro comum ao processo de AM pode ser eliminada.

Alexander explica o objetivo da parceria.

“O objetivo era permitir aos usuários obter um gêmeo digital de seu material. Com a Digimat-AM, agora você pode projetar e simular com todos os materiais prontos Solvay AM no mercado.

“Quando os designers querem testar um conceito, eles podem gastar até 24 horas imprimindo uma peça que pode não funcionar e pode até ter o design errado. Mas se você puder eliminar as suposições da equação e prever como uma peça se comportará antes de imprimir, você estará agregando um valor significativo para o cliente, além de acelerar a velocidade de lançamento no mercado ”.

O futuro dos polímeros AM

No que diz respeito ao futuro da manufatura aditiva, Alexander tem uma visão bastante filosófica.

“Honestamente, estou muito animado com a promessa da AM. As empresas maiores estão mais motivadas a cumprir essa promessa, afastando-se de uma abordagem de aplicação ou qualificação para reconhecer a necessidade de qualificação de processo. Essa é a tendência mais emocionante. Se você não tem um processo que funciona, você não tem uma parte bem-sucedida. É simples assim. Além disso, não acho que a AM jamais substituirá totalmente os métodos de fabricação tradicionais, mas certamente pode ser complementar e criar novas ideias e oportunidades. ”

Quanto ao custo dos materiais, Alexandre é positivo. “Certamente, economias de escala são um desafio atual e os preços ainda permanecem bastante elevados. É assim que está no momento. Temos que criar o mercado. Portanto, estou confiante de que, à medida que os volumes aumentam e as aplicações se ampliam, os preços cairão. ”

2019 deve ser um ano agitado para a Solvay, que continua a trabalhar na qualificação do processo de aditivos. “Estamos tentando aplicar nossos aplicativos de perfil de impressão a vários fornecedores de impressão”, explica Alexander. “Nosso objetivo é ter de 10 a 15 impressoras comerciais capazes de imprimir nossos polímeros de forma consistente.

“Também estamos buscando mais parcerias, particularmente no lado dos Materiais Avançados e mudando para outras tecnologias e outros materiais. Isso incluirá tecnologias baseadas em pó, como SLS e Multi Jet Fusion. Finalmente, estamos trabalhando com nossos principais OEMs que têm a mentalidade e capacidade de investir em algo que será muito disruptivo. ”

Para saber mais sobre a Solvay, visite:https://www.solvay .com / en

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Entrevistas com especialistas

A série de Entrevistas com Especialistas da AMFG mostra empresas e indivíduos inovadores ajudando a moldar o futuro da manufatura aditiva. Para obter mais informações sobre a participação na série, entre em contato com [email protected].

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