Entrevista com especialista:Oxford Performance Materials ’Scott DeFelice sobre a evolução dos polímeros de alto desempenho para impressão 3D

Embora os polímeros de uso geral, como ABS e náilon, atualmente dominem o mercado de materiais de impressão 3D, há uma demanda crescente por materiais fortes e funcionais que possam suportar ambientes hostis e altas temperaturas.

Esses materiais, conhecidos como polímeros de alto desempenho, são cada vez mais procurados por usuários de impressão 3D em setores como aeroespacial e médico. Os principais polímeros de alto desempenho atualmente disponíveis para impressão 3D pertencem à família de termoplásticos Poliariletercetona (PAEK), oferecendo estabilidade em altas temperaturas e grande resistência mecânica.

Apenas algumas empresas no mercado estão desenvolvendo tais materiais, sendo uma delas a Oxford Performance Materials (OPM).

Com sede em Connecticut, a OPM está especialmente focada no material PEKK da família PAEK e desenvolveu tecnologia e dispositivos proprietários em torno desse termoplástico.

Para saber mais sobre OPM e suas ofertas, conversamos com o CEO da empresa, Scott DeFelice. Com Scott, discutimos os principais aplicativos para PEKK impresso em 3D, bem como tendências e desafios que moldam o mercado de materiais de impressão 3D.

Você pode me falar um pouco sobre a Oxford Performance Materials e sua missão como empresa?

Oxford Performance Materials foi fundada em 2000. Somos uma empresa de materiais termoplásticos de alto desempenho. Passamos todo o nosso tempo em um polímero específico chamado Poli Éter Cetona Cetona ou PEKK. E desde 2000, temos desenvolvido tecnologias em torno deste material.



PEKK é o termoplástico de topo da cadeia alimentar no mundo dos termoplásticos. É um polímero de super alto desempenho por causa de suas excelentes propriedades térmicas, químicas e mecânicas e biocompatibilidade.

Hoje, temos um amplo portfólio de propriedade intelectual e patentes que vão desde como se faz PEKK em um sintético nível de como se processa, prepara pós para impressão 3D, como se imprime com o material.

Em termos de impressão 3D, nossas atividades começaram há cerca de 10 anos com o desenvolvimento de uma fusão seletiva a laser processo para impressão 3D com PEKK. Lançamos nossos primeiros dispositivos comerciais impressos em 3D por volta de 2006 para a área médica. E esse foi o início do desenvolvimento da impressão 3D.

Em 2008, o FDA liberou nosso primeiro dispositivo, um implante craniano, que é específico para cada paciente e distribuído mundialmente pela Zimmer Biomet. Temos uma produção contínua fazendo implantes cranianos e faciais todos os dias.

Passamos daí para os implantes espinhais há mais de três anos, e esses produtos são vendidos em parceria com uma empresa chamada RTI Surgical. Já despachamos mais de 70.000 implantes espinhais até o momento.

Mais recentemente, recebemos outra autorização da FDA em um pedido de medicina esportiva para âncoras de sutura, usadas para reconectar cirurgicamente o tecido mole ao osso.

Paralelamente a isso, desenvolvemos e validamos nossa tecnologia para uso em aplicações espaciais e de defesa e recebemos a certificação da Boeing e Northrop Grumman, entre outras. Desde então, vendemos esse negócio para um de nossos parceiros estratégicos, a Hexcel, que tem uma escala substancial para apoiá-lo. O OPM está chegando ao mercado de impressão 3D, não do ponto de vista de pessoas que estavam, digamos, na criação de protótipos e depois passaram para a produção de peças. Estamos chegando lá do ponto de vista de uma empresa de materiais avançados que descobriu que seu material seria muito bom para a manufatura aditiva, devido a razões técnicas interessantes. Agora estamos verticalmente integrados a essas empresas e continuamos a explorar nossos materiais e plataforma de tecnologia.

Como você vê que o espaço dos materiais de impressão 3D se desenvolveu ao longo dos anos, e onde você vê essa trajetória em termos de custos e desenvolvimento de materiais?

A impressão 3D é um processo, e o que torna esse processo único e habilitador é o material que é usado com ele. Eu sempre digo às pessoas que você pode imprimir uma maçã, mas então você tem que comê-la. Então você tem que imprimir com materiais que tenham funcionalidade para os mercados finais e usos finais de interesse.

Vimos como, ao longo dos anos, por exemplo, o metal AM se tornou muito popular porque possui propriedades funcionais que são úteis em mercados finais específicos.

Acho que essa tendência vai continuar. Os materiais - poliméricos, metálicos e outros - continuarão a evoluir para permitir maior funcionalidade nos mercados de uso final, independentemente de quais sejam esses mercados.

O interessante sobre o custo é que sempre houve essa discussão "Oh, os materiais são muito caros". Eu defendo que, à medida que você avança para mercados finais de alto desempenho e os materiais se tornam mais capazes, os próprios custos dos materiais se tornam menos significativos.

Por exemplo, estamos vendendo implantes ortopédicos e quando vendemos um implante craniano no hospital, esse implante pode ser vendido por $ 10.000. Mas quando olhamos para o custo do que fazemos, o custo do material é, na verdade, um componente bastante pequeno do custo. O resto é toda a qualidade e a regulamentação, os sistemas de manufatura que se deve ter para vender em um mercado altamente regulamentado, seja biomédico ou espacial e de defesa ou semicondutor.

Assim, à medida que a indústria continua a evoluir da produção de protótipos para produtos de uso final, o desempenho do material é o que é crítico e o componente de custo do material torna-se menos motivador.

Você poderia expandir para outras indústrias, além da médica, que possam se beneficiar dos materiais que você desenvolve para impressão 3D?

Começamos nos lugares óbvios, biomédico e aeroespacial, porque temos um longo legado em nosso negócio de atendimento a esses mercados. Mas agora estamos levantando nossas cabeças e olhando em volta para outras áreas.

Os mercados finais são muito específicos para o desempenho de nossos materiais. Nosso material PEKK, por exemplo, adora ambientes ácidos e básicos, então é aí que vamos em termos de meio ambiente. Portanto, uma área que estamos acompanhando de perto é, por exemplo, a captura de carbono.

A captura de carbono é uma tecnologia que funciona hoje, mas o custo de capital dessas usinas é muito caro.

Então, olhamos para essa área e há muitas oportunidades para nossos materiais e impressão 3D naquele espaço. Em breve, anunciaremos uma colaboração com um dos principais laboratórios do governo dos Estados Unidos nessa área.

Também gostamos do processo farmacêutico e das áreas de bioprocessamento, onde você deseja um material com os atributos corretos do nosso polímero para melhorar a eficiência do processo e reduzir os custos de capital.

Obviamente, com a situação do COVID-19 agora, há uma necessidade de dimensionar alguns desses processos e você precisa ter uma grande estrutura complexa e a química certa de alta pureza para praticar naquele espaço. Estamos acompanhando isso de perto também.

A classe de polímeros Polyketones faz alguns trabalhos muito interessantes.

Gastamos muitos milhões de dólares para entender o desempenho de nossas peças impressas em 3D. É por isso que nossas peças são espaçonaves tripuladas voadoras, é por isso que temos milhares de partes no corpo humano. É porque fizemos o trabalho exaustivo de caracterizar o que imprimimos para o conforto das pessoas que levam muito a sério o que essas estruturas estão fazendo na prática.

Como é esse processo de desenvolvimento e teste de material para impressão 3D?

Geralmente, há duas partes. Quando desenvolvemos um material e um processo, passamos por uma avaliação interna, que geralmente vai de métodos analíticos que desenvolvemos ao longo dos anos até testes de triagem mecânicos, térmicos e elétricos bastante convencionais que são feitos em um nível de desenvolvimento.

Depois de ter a linha de base e dizer 'Sim, este é um produto reproduzível e nós o entendemos', você chegará à primeira base.

Então, para chegar em casa, você tem que ir em todos os setores, seja impressão ou moldagem ou usinagem ou qualquer que seja a sua tecnologia de processo. Cada setor conhece maneiras de entender o desempenho, seja um padrão ASTM, um padrão ISO ou um padrão específico da empresa ou um padrão governamental.

Temos um bom exemplo na indústria aeroespacial. Depois de fazer todo esse trabalho e garantir que tínhamos um processo estável e repetível, tivemos que fazer algo que era um padrão MIL 17 que resulta em uma avaliação estatística de desempenho com previsibilidade muito alta, e isso é chamado de base B.

Mas esse programa sozinho durou vários anos e exigiu milhões de dólares. Fizemos isso em colaboração com a NASA e a Northrop Grumman e, portanto, foi uma avaliação específica do setor bastante exaustiva.

Na área biomédica, se tomarmos o caso dos nossos implantes espinhais, ele primeiro passou por uma série exaustiva de testes ISO 10993 que realmente avaliam a biocompatibilidade e a pureza. Depois de marcar a caixa em "Ok, o material conforme impresso é puro e biocompatível, não tóxico", agora queremos usá-lo em um implante espinhal.

Há toda uma outra série de testes mecânicos como parte do padrão ASTM F2077 que são específicos para implantes espinhais. Quando você passar por isso, poderá enviar esses dados ao FDA.

Então, você tem que primeiro fazer seus próprios testes internos para se sentir confortável, porque esses outros regimes de teste são muito caros. E você não quer fazer isso, a menos que tenha grande confiança de que vai passar nesses testes.

Isso se aplica a todos os mercados finais, especialmente em nossa classe de materiais. Para materiais técnicos, os padrões são menores porque o risco associado à adoção do uso final é menor.

Sabe-se que polímeros são usados ​​para substituir metais em certas aplicações. Você pode compartilhar exemplos de como os polímeros de alto desempenho foram capazes de substituir os materiais metálicos?

Voltando 30 anos atrás, vimos um avanço constante dos materiais poliméricos substituindo o metal. Se você estivesse comprando um carro na década de 1970, os carros pesariam o dobro do que pesa hoje e quase tudo seria de metal, ou se você comprasse um aspirador de pó, seria feito de metal.

Agora, se você pegar essas coisas, elas totalizam uma fração do peso e são principalmente de plástico. Portanto, esta tendência de polímeros substituindo metais para várias funcionalidades está muito bem estabelecida.

A impressão 3D é apenas mais um processo pelo qual você pode substituir metais e as razões para substituir metais são custo, peso e corrosão.

Estamos continuamente em busca de oportunidades de substituição de metal para reduzir custos para as pessoas, reduzir o peso e melhorar a eficiência dos dispositivos. Bons exemplos disso são as gaiolas espinhais, dispositivos de fusão que unem sua espinha se você tiver dor crônica.

Esses dispositivos eram historicamente feitos de titânio usinado e agora os estamos imprimindo com PEKK.

Outro exemplo são os implantes cranianos sendo feitos de titânio impresso em 3D. Hoje, estamos produzindo PEKK impresso em 3D.

À medida que olhamos para algumas das coisas na captura de carbono, é exatamente isso que estamos olhando agora:substituir o aço inoxidável usinado ou titânio muito caro por PEKK impresso em 3D.

Portanto, essa ideia de mudar de metais para polímeros tem sido uma megatendência na indústria há algum tempo. Tem se acelerado nos últimos anos e a impressão 3D agora faz parte dessa história maior, incluindo áreas como petróleo e gás e transporte, onde temos projetos de desenvolvimento em estágio inicial em andamento com parceiros da indústria.

Por falar em tendências, você vê alguma tendência no espaço de materiais de impressão 3D?

No lado metálico, estamos vendo pessoas tentando levar o metal AM para morfologias mais conhecidas e previsíveis.

Não quero ser muito técnico, mas o metal para impressão 3D não é moralmente equivalente a metal bruto, forjado ou fundido. É uma besta diferente.

Quando a indústria se tornou muito popular, havia muita confusão em torno disso. Com o tempo, as pessoas perceberam que é um animal diferente. E agora, eles estão trabalhando em tecnologias de materiais e processos que tornam o metal AM mais convencional de alguma forma. Eu acho que vai avançar significativamente o metal AM.

No lado do polímero, agora há uma tendência geral de atender os mercados finais com polímero AM. Os dois materiais dominantes para isso são Nylon 11 e Nylon 12. Esses são materiais técnicos e estão no meio da pirâmide de polímero.

No entanto, eles têm uso final limitado. Eles não são particularmente robustos do ponto de vista térmico ou mecânico.

Agora as pessoas estão começando a descobrir como subir na pirâmide. Estamos começando a ver empresas como a BASF lançando o Nylon 6, que compra um pouco mais de desempenho.

Acho que continuaremos a ver essa tendência de mais materiais aparecendo para preencher entre onde OPM está com PEKK e outros materiais no meio da pirâmide de desempenho.

Por outro lado, quais são alguns dos desafios que você vê que ainda enfrenta o setor de materiais de impressão 3D?

Esta é uma questão fundamental.

Quando começamos a olhar para a impressão 3D, há muitos anos, uma das coisas que vimos foi se o nosso polímero tinha os atributos básicos para ser impresso em 3D? E essa questão se resume ao reconhecimento de que a impressão 3D é um processo de consolidação de pressão zero.

Quando você está moldando um polímero, você transforma-o em um molde e espreme tudo junto e obtém essa consolidação. Isso resulta em um desempenho previsível e boas propriedades mecânicas.

A impressão 3D não tem essa virtude. Com a impressão 3D, você tem essa consolidação de baixa pressão ou consolidação de pressão zero como um processo FDM onde você tem um filamento que é derretido e colocado em cima do outro. Nesse processo, você acaba com até 10 por cento de vazios e, no meu mundo, os vazios são ruins, porque significam que uma parte não é robusta. É ótimo para um protótipo, mas você não vai querer se pendurar nele.

Então você tem esses processos de leito de pó como OPM, onde os lasers estão derretendo uma camada de pó em cima da outra, mas não há pressão. O que você confia para obter um desempenho repetível nesses tipos de ambiente é um polímero que gosta de se colar a si mesmo.

Se um polímero não se liga bem, você acaba com um desempenho ruim na direção Z.

PEKK é realmente único porque tem a afinidade de se prender a si mesmo. Isso é bastante incomum no mundo do polímero.

Para responder à sua pergunta, o que impediu as coisas foi o desenvolvimento de uma química fundamentalmente nova.

Se você for a uma das grandes empresas químicas de hoje e disser:'Você poderia desenvolver um polímero especificamente para essa capacidade de se prender a si mesma?' Eles vão olhar para você de forma engraçada porque você na faixa de bilhões de dólares e vários anos para desenvolver novos polímeros. É um grande negócio.

Se você perguntasse a um consultor de uma empresa de polímeros quantos produtos químicos realmente novos foram desenvolvidos nos últimos 20 anos, provavelmente colocaria de um lado, porque esses investimentos são muito substanciais. E a América corporativa simplesmente não tem apetite para essas coisas com muita frequência. Portanto, é um grande desafio e, francamente, não vejo muito disso acontecendo.

Você acha que isso vai mudar ou evoluir nos próximos meses e anos?

Novas plataformas de materiais baseadas em uma nova química inédita? Eu não acho que isso vai acontecer. Isso é muito remoto.

As tecnologias de processo irão avançar e as pessoas modificarão os conjuntos de materiais existentes com outros enchimentos e compatibilizadores exclusivos e produtos químicos de dimensionamento para melhorar as coisas. Então eu acho que é provavelmente onde as coisas ficarão mais interessantes.

O que o próximo ano reserva para o OPM?

Temos muita sorte de estar em uma parte desta indústria, onde não estamos contando com contratos de P&D ou capital de risco neste momento.

Estamos na parte da “economia de necessidades”.

Embora tenhamos visto, à medida que passamos por esta primeira fase da pandemia de COVID, a disponibilidade de hospitais caiu para serviço e longe da cirurgia eletiva, já estamos começando a ver que os negócios começam a voltar .

Tem sido doloroso para todos os negócios, mas a tecnologia principal que temos nos permitirá continuar a crescer. Acabamos de apresentar nosso produto de âncora de sutura, que é uma nova linha de produtos de custo mais baixo e, mesmo com COVID, teremos oportunidades de levá-lo ao mercado.

Também estamos de olho no novos mercados. Gostamos do mercado de captura de carbono, de outras áreas industriais e do mercado de processos biofarmacêuticos.

Acho que COVID-19, de certa forma, direciona mais capital e exige mais eficiência em relação aos mercados para os quais somos naturalmente adequados , dado o desempenho dos nossos materiais.

Alguma reflexão final?

A única coisa que eu diria é que nesta época em particular existem oportunidades substanciais.

Acho que, como uma empresa de impressão 3D, temos tentado impulsionar tecnologias que realmente agregam valor . Quando os tempos são desafiadores e difíceis, como agora, as pessoas estão começando a procurar maneiras de reduzir custos e penetrar em novos mercados. Os CEOs vão para seu CTO dizendo ‘Ei, o que você tem para mim? Precisamos de algo novo '.

Então, se você realmente tem algo substantivo, não apenas outra maneira de fazer um protótipo, se você tem algo que dobra o arco da tecnologia de forma substantiva, você vai para ouvir bem agora.

Vimos que em nosso negócio, onde algumas portas que batemos no passado, as pessoas não estavam prontas para ouvir. E estamos começando a receber retornos de chamada que dizem "Ei, conte-nos sobre aquela coisa em que podemos economizar algum dinheiro ou fazer algo com mais eficiência".

Portanto, eu encorajaria os leitores a não desanimarem se tiverem tecnologia de verdade. Isso realmente muda o jogo. Este é um momento interessante.