Por dentro da inovação em impressão 3D:Scott DeFelice, da Oxford Performance Materials, fala sobre o avanço dos polímeros de alto desempenho

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

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Esses materiais, conhecidos como polímeros de alto desempenho, são cada vez mais procurados por usuários de impressão 3D em indústrias como aeroespacial e médica. 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 atualmente desenvolvendo tais materiais, sendo uma delas a Oxford Performance Materials (OPM). Com sede em Connecticut, a OPM está particularmente focada no material PEKK da família PAEK e desenvolveu tecnologia e dispositivos proprietários em torno desse termoplástico. Para saber mais sobre o OPM e suas ofertas, conversamos com o CEO da empresa, Scott DeFelice. Com Scott, discutimos as principais aplicações para PEKK impresso em 3D, bem como tendências e desafios que moldam o mercado de materiais de impressão 3D.

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

A 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, desenvolvemos tecnologias em torno deste material.

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PEKK é o termoplástico do topo da cadeia alimentar no mundo termoplástico. É um polímero de altíssimo desempenho devido às suas excelentes propriedades térmicas, químicas e mecânicas e biocompatibilidade.

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Hoje, temos um amplo portfólio de propriedade intelectual e patentes que vão desde como se faz PEKK em nível sintético até como se processa, prepara pós para impressão 3D, até como se imprime com o material. Em termos de impressão 3D, nossas atividades começaram há cerca de 10 anos com o desenvolvimento de um processo seletivo de fusão a laser 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, a FDA autorizou o nosso primeiro dispositivo, um implante craniano, que é específico do paciente e distribuído mundialmente pela Zimmer Biomet. Temos produção contínua fazendo implantes cranianos e faciais todos os dias. Passamos daí para implantes espinhais há mais de três anos, e esses produtos são vendidos em parceria com uma empresa chamada RTI Surgical. Já enviamos mais de 70.000 implantes espinhais até o momento. Mais recentemente, recebemos outra autorização da FDA em uma aplicação médica esportiva para âncoras de sutura, usadas para reconectar cirurgicamente tecidos moles ao osso. Paralelamente, desenvolvemos e validamos nossa tecnologia para uso em aplicações espaciais e de defesa e recebemos certificação da Boeing e da Northrop Grumman, entre outras. Desde então, vendemos esse negócio para um dos nossos parceiros estratégicos, a Hexcel, que possui uma escala substancial para apoiá-lo. O OPM está chegando ao negócio de impressão 3D, não do ponto de vista de pessoas que estavam, digamos, na prototipagem e depois passaram para a produção de peças. Estamos abordando isso do ponto de vista de uma empresa de materiais avançados que descobriu que seu material seria muito bom para fabricação aditiva, devido a razões técnicas interessantes. Agora estamos integrados verticalmente nesses negócios e continuamos a explorar nossos materiais e plataforma tecnológica.

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Como você vê o desenvolvimento do espaço de materiais de impressão 3D 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 facilitador é o material usado com ele. Sempre digo às pessoas que você pode imprimir uma maçã, mas depois tem que comê-la. Portanto, você deve imprimir com materiais que tenham funcionalidade para os mercados finais e usos finais de interesse. Vimos como, ao longo dos anos, por exemplo, a AM de metal 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 uma maior funcionalidade nos mercados de utilização final, independentemente de quais sejam esses mercados. O interessante sobre o custo é que sempre houve essa discussão do tipo “Ah, os materiais são muito caros”. Argumento que à medida que se avança para mercados finais de maior desempenho e os materiais se tornam mais capazes, os próprios custos dos materiais tornam-se, na verdade, menos significativos. Por exemplo, estamos vendendo implantes ortopédicos e quando vendemos um implante craniano no hospital, esse implante pode ser vendido por US$ 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 produção que é preciso ter em funcionamento para vender num mercado altamente regulamentado, seja ele biomédico, espacial e de defesa ou semicondutores. Assim, à medida que a indústria continua a evoluir da produção de protótipos para produtos de utilização final, o desempenho do material é o que é crítico e a componente do custo do material torna-se menos determinante.

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

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Componente estrutural do complexo OXFAB® ESD para sistema de revitalização de ar do Boeing CST 100 Starliner [Crédito da imagem:OPM]

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Começamos nos lugares óbvios, biomédico e aeroespacial, porque temos um longo legado em nosso negócio de atendimento a esses mercados. Mas agora estamos levantando a cabeça e olhando para outras áreas. Os mercados finais são muito específicos para o desempenho dos 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 centrais é demasiado elevado. Então olhamos para essa área e há muitas oportunidades para nossos materiais e impressão 3D nesse espaço. Em breve anunciaremos uma colaboração com um dos principais laboratórios governamentais dos EUA nessa área. Também gostamos das áreas de processos farmacêuticos e bioprocessos, onde você deseja um material com os atributos certos do nosso polímero para melhorar a eficiência do processo e reduzir custos de capital. Obviamente, com a situação atual do COVID-19, há uma necessidade de dimensionar alguns desses processos e é preciso ter muita estrutura complexa e a química certa de alta pureza para praticar nesse espaço. Também estamos acompanhando isso de perto. A classe de polímeros Policetonas realiza alguns trabalhos muito interessantes. Gastamos muitos milhões de dólares para entender o desempenho de nossas peças impressas em 3D. É por isso que nossas partes voam em espaçonaves tripuladas, é por isso que temos milhares de partes no corpo humano. É porque fizemos o trabalho exaustivo de caracterizar o que imprimimos para conforto de pessoas que levam muito a sério o que essas estruturas estão fazendo na prática.

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

Geralmente existem duas partes. Quando desenvolvemos um material e um processo, passamos por uma avaliação interna, que geralmente vai desde métodos analíticos que desenvolvemos ao longo dos anos até testes de triagem mecânica, térmica e elétrica bastante convencionais, feitos em 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 precisa ir a todos os setores, seja impressão, moldagem, 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 fazermos todo esse trabalho e garantirmos 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 B-Basis. Mas só esse programa durou vários anos e exigiu milhões de dólares. Fizemos isso em colaboração com a NASA e a Northrop Grumman e, portanto, foi uma avaliação bastante exaustiva específica do setor. Na área biomédica, se tomarmos o caso dos nossos implantes espinhais, primeiro passou por uma série exaustiva de testes ISO 10993 que realmente avaliam a biocompatibilidade e a pureza. Depois de marcar a caixa ‘Ok, o material 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 da norma ASTM F2077 que são específicos para implantes espinhais. Depois de passar por isso, você poderá fazer um envio ao FDA com esses dados. Então, primeiro você precisa fazer seus próprios testes internos para se sentir confortável, porque esses outros regimes de testes são muito caros. E você não quer fazer isso a menos que tenha grande confiança de que passará nesses testes. Isso vale para todos os mercados finais, especialmente em nossa classe de materiais. Para materiais técnicos, os padrões são mais baixos porque o risco associado à adoção do uso final é menor.

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Sabe-se que polímeros são usados para substituir metais em determinadas aplicações. Você pode compartilhar exemplos de como polímeros de alto desempenho conseguiram substituir materiais metálicos?

Há 30 anos, vimos um avanço constante de materiais poliméricos substituindo o metal.  Se você comprasse um carro na década de 1970, os carros pesavam o dobro do que pesa hoje e quase tudo seria de metal, ou se você comprasse um aspirador de pó, ele seria feito de metal. Agora, se você conseguir essas coisas, elas totalizam uma fração do peso e são em sua maioria de plástico. Portanto, essa tendência de polímeros substituindo metais para diversas 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. Procuramos continuamente oportunidades de substituição de metal para reduzir custos para pessoas, reduzir peso e melhorar a eficiência dos dispositivos. Bons exemplos disso são as gaiolas espinhais, dispositivos de fusão que fundem a coluna se você tiver dor crônica. Historicamente, esses dispositivos eram feitos de titânio usinado e agora os imprimimos com PEKK.

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Outro exemplo são os implantes cranianos feitos de titânio impresso em 3D. Hoje, estamos fabricando-os em PEKK impresso em 3D. Ao examinarmos alguns dos aspectos da captura de carbono, é exatamente isso que estamos vendo agora:substituir o aço inoxidável ou titânio usinado, muito caro, por PEKK impresso em 3D. Portanto, esta ideia de mudar de metais para polímeros tem sido uma megatendência na indústria há já algum tempo. Tem vindo a acelerar nos últimos anos e a impressão 3D faz agora parte dessa história mais ampla, incluindo áreas como o petróleo e gás e os transportes, onde temos projetos de desenvolvimento em fase inicial em andamento com parceiros da indústria.

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

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[Crédito da imagem:OPM] [/caption]No lado metálico, estamos vendo pessoas tentando levar o metal AM a morfologias mais conhecidas e previsíveis. Não quero ser muito técnico, mas a impressão 3D de metal não é o equivalente moral ao metal bruto, forjado ou fundido. É uma fera diferente. Quando a indústria se tornou muito popular, houve 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 a AM de metal mais convencional de alguma forma. Acho que isso avançará significativamente o metal AM. Do lado dos polímeros, agora há uma tendência geral de atender os mercados finais com AM de polímeros. Os dois materiais dominantes para isso são o Nylon 11 e o Nylon 12. Esses são materiais técnicos e estão no meio da pirâmide do polímero. No entanto, eles têm uso final limitado. Eles não são particularmente robustos térmica ou mecanicamente. Agora as pessoas estão começando a descobrir como subir na pirâmide. Estamos começando a ver empresas como a BASF lançando o Nylon 6, que oferece um pouco mais de desempenho. Acho que continuaremos a ver a tendência de mais materiais aparecerem para preencher o espaço entre o OPM e o PEKK e outros materiais no meio da pirâmide de desempenho.

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Por outro lado, quais são alguns dos desafios que você ainda vê no 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 analisamos foi se o nosso polímero tem 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 sem pressão. Quando você está moldando um polímero, você o amassa em um molde e comprime tudo e obtém essa consolidação. Isso resulta em 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 um sobre o outro. Nesse processo, você acaba com até 10% de vazios, e no meu mundo os vazios são ruins, porque significam que uma peça não é robusta. É ótimo para um protótipo, mas você não vai querer ficar pendurado nele. Então você tem esses processos de leito de pó como os OPM, onde os lasers derretem uma camada de pó sobre a outra, mas não há pressão. Você depende de um polímero que goste de aderir a si mesmo para obter desempenho repetível nesses tipos de ambientes. Se um polímero não adere bem, você terá um desempenho ruim na direção Z. PEKK é realmente único nisso porque tem a afinidade de se manter firme. Isso é bastante incomum no mundo dos polímeros. 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 hoje e disser:‘Você poderia desenvolver um polímero especificamente para essa capacidade de aderir a si mesmo?’ Eles vão olhar para você de forma engraçada porque você está na faixa de bilhões de dólares e alguns 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, você provavelmente colocaria a questão de um lado, porque esses investimentos são muito substanciais. E as empresas americanas simplesmente não têm apetite por essas coisas com muita frequência. Então é um grande desafio e não vejo muito disso acontecendo, francamente.

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Você acha que isso mudará ou evoluirá nos próximos meses e anos?

Novas plataformas de materiais baseadas em uma nova química? Eu não acho que isso vai acontecer. Isso é muito remoto. As tecnologias de processo avançarão e as pessoas modificarão os conjuntos de materiais existentes com outros enchimentos e compatibilizantes exclusivos e produtos químicos de dimensionamento para melhorar as coisas. Então acho que é provavelmente aí que as coisas ficarão mais interessantes.

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O que o próximo ano reserva para o OPM?

Temos muita sorte de estarmos numa parte desta indústria, onde não dependemos de contratos de I&D ou de capital de risco neste momento. Estamos na parte da “economia da necessidade”. Embora tenhamos visto ao passarmos por esta primeira fase da pandemia de COVID, a disponibilidade de hospitais caiu para atendimento e longe de cirurgias eletivas, já estamos começando a ver que os negócios começam a voltar. Tem sido doloroso para todos os negócios, mas a tecnologia central que temos nos permitirá continuar a crescer. Acabamos de apresentar nosso produto de âncora de sutura, que é uma nova linha de produtos de menor custo e, mesmo com a COVID, teremos oportunidades de trazê-lo ao mercado.

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Também estamos atentos a novos mercados. Gostamos do mercado de captura de carbono, de outras áreas industriais e do mercado de processos biofarmacêuticos.

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Penso que a COVID-19, de certa forma, impulsiona mais capital e exige mais eficiência nos mercados para os quais somos naturalmente adequados, dado o desempenho dos nossos materiais.

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Alguma opinião final?

A única coisa que eu diria é que este momento específico oferece oportunidades substanciais.

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Acho que, como empresa de impressão 3D, temos tentado promover tecnologias que realmente agreguem valor. Quando os tempos são difíceis e difíceis, como são agora, as pessoas começam a procurar formas de reduzir custos e penetrar em novos mercados. Os CEOs vão ao CTO e dizem:‘Ei, o que você tem para mim? Precisamos de algo novo."

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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 uma forma substantiva, você será ouvido agora. Vimos que em nossos negócios, onde batemos em algumas portas no passado, as pessoas não estavam preparadas para ouvir. E agora estamos começando a receber retornos de chamada que dizem ‘Ei, conte-nos sobre aquilo em que podemos economizar algum dinheiro ou fazer algo com mais eficiência’. Portanto, eu encorajaria os leitores a não ficarem desanimados se tiverem tecnologia real. Isso realmente muda o jogo. Este é um momento interessante.