Entretien d'experts :Scott DeFelice d'Oxford Performance Materials sur l'évolution des polymères hautes performances pour l'impression 3D 

Alors que les polymères à usage général, comme l'ABS et le nylon, dominent actuellement le marché des matériaux d'impression 3D, il existe une demande croissante de matériaux solides et fonctionnels capables de résister aux environnements difficiles et aux températures élevées.

Ces matériaux, appelés polymères hautes performances, sont de plus en plus recherchés par les utilisateurs d'impression 3D dans des secteurs tels que l'aérospatiale et le médical.

Les principaux polymères haute performance actuellement disponibles pour l'impression 3D appartiennent à la famille des thermoplastiques polyaryléthercétone (PAEK), offrant une stabilité à haute température et une grande résistance mécanique.

Seules quelques entreprises sur le marché développent actuellement de tels matériaux, notamment Oxford Performance Materials (OPM).

Basé dans le Connecticut, OPM se concentre particulièrement sur le matériau PEKK de la famille PAEK et a développé une technologie et des dispositifs exclusifs autour de ce thermoplastique.

Pour en savoir plus sur OPM et ses offres, nous avons rencontré le PDG de l'entreprise, Scott DeFelice. Avec Scott, nous avons discuté des applications clés du PEKK imprimé en 3D, ainsi que des tendances et des défis qui façonnent le marché des matériaux d'impression 3D.

Pouvez-vous me parler un peu d'Oxford Performance Materials et de votre mission en tant qu'entreprise ?

Oxford Performance Materials a été fondée en 2000. Nous sommes une entreprise de matériaux thermoplastiques hautes performances. Nous avons passé tout notre temps sur un polymère particulier appelé Poly Ether Ketone Ketone ou PEKK. Et depuis 2000, nous développons des technologies autour de ce matériau.

PEKK est le thermoplastique au sommet de la chaîne alimentaire dans le monde des thermoplastiques. C'est un polymère super haute performance en raison de ses excellentes propriétés thermiques, chimiques et mécaniques et de sa biocompatibilité.

Aujourd'hui, nous avons un large portefeuille de propriété intellectuelle et de brevets qui vont de la façon dont on fabrique du PEKK à un synthétique niveau à la façon dont on la traite, prépare des poudres pour l'impression 3D, à la façon dont on imprime avec la matière.

En termes d'impression 3D, nos activités ont commencé il y a une dizaine d'années avec le développement d'une fusion laser sélective processus d'impression 3D avec PEKK. Nous avons lancé nos premiers appareils commerciaux imprimés en 3D vers 2006 pour le domaine médical. Et ce fut le début du développement de l'impression 3D.

En 2008, la FDA a autorisé notre premier dispositif, un implant crânien, qui est spécifique au patient et distribué dans le monde entier par Zimmer Biomet. Nous avons une production en cours qui fabrique des implants crâniens et faciaux tous les jours.

Nous sommes passés de là aux implants rachidiens il y a plus de trois ans, et ces produits sont vendus en partenariat avec une société appelée RTI Surgical. Nous avons expédié plus de 70 000 implants rachidiens à ce jour.

Plus récemment, nous avons reçu une autre autorisation de la FDA dans une application de médecine sportive pour les ancres de suture, utilisées pour rattacher chirurgicalement les tissus mous à l'os.

En parallèle, nous avons développé et validé notre technologie pour une utilisation dans des applications spatiales et de défense et avons reçu la certification de Boeing et Northrop Grumman, entre autres. Depuis lors, nous avons vendu cette entreprise à l'un de nos partenaires stratégiques, Hexcel, qui dispose d'une envergure substantielle pour la soutenir.

OPM arrive dans le secteur de l'impression 3D, pas du point de vue des personnes qui étaient, par exemple, dans le prototypage puis sont passées à la production de pièces. Nous abordons les choses du point de vue d'une entreprise de matériaux avancés qui a trouvé que leur matériau serait très bon pour la fabrication additive, pour des raisons techniques intéressantes. Nous sommes maintenant intégrés verticalement dans ces entreprises et continuons d'exploiter notre plate-forme de matériaux et de technologie.

Comment voyez-vous l'espace des matériaux d'impression 3D s'est développé au fil des ans, et où voyez-vous cette trajectoire en termes de coûts de matériaux et de développement de matériaux ?

L'impression 3D est un processus, et ce qui rend ce processus unique et utile, c'est le matériau qui est utilisé avec. Je dis toujours aux gens qu'on peut imprimer une pomme, mais qu'ensuite il faut la manger. Vous devez donc imprimer avec des matériaux qui ont les fonctionnalités pour les marchés finaux et les utilisations finales d'intérêt.

Nous avons vu comment, au fil des ans, par exemple, la FA métallique est devenue très populaire car elle possède des propriétés fonctionnelles utiles sur des marchés finaux spécifiques.

Je pense que cette tendance va se poursuivre. Les matériaux – polymères, métalliques et autres – continueront d'évoluer pour permettre une plus grande fonctionnalité sur les marchés d'utilisation finale, quels que soient ces marchés.

Ce qui est intéressant à propos des coûts, c'est qu'il y a toujours eu cette discussion « Oh, les matériaux sont trop chers ». Je soutiens qu'à mesure que vous vous dirigez vers des marchés finaux plus performants et que les matériaux deviennent plus performants, les coûts des matériaux eux-mêmes deviennent en réalité moins importants.

Par exemple, nous vendons des implants orthopédiques et lorsque nous vendons un implant crânien à l'hôpital, cet implant peut se vendre 10 000 $. Mais lorsque nous examinons le coût de ce que nous faisons, le coût des matériaux est en fait une composante assez faible du coût. Le reste, c'est toute la qualité et la réglementation, les systèmes de fabrication que l'on doit avoir en place pour vendre sur un marché hautement réglementé, qu'il s'agisse d'un secteur biomédical ou spatial et de défense ou des semi-conducteurs.

Ainsi, alors que l'industrie continue d'évoluer de la production de prototypes vers des produits d'utilisation finale, la performance du matériau est ce qui est critique et la composante du coût du matériau devient moins déterminante.

Pourriez-vous développer d'autres secteurs, en plus du médical, qui pourraient bénéficier des matériaux que vous développez pour l'impression 3D ?

Nous avons commencé dans des domaines évidents, biomédicaux et aérospatiaux, car nous avons un long héritage dans notre activité consistant à desservir ces marchés. Mais maintenant, nous levons la tête et regardons d'autres domaines.

Les marchés finaux sont très particuliers aux performances de nos matériaux. Notre matériau PEKK, par exemple, aime les environnements acides et basiques, c'est donc là que nous allons en termes d'environnement. Ainsi, un domaine que nous suivons d'assez près est, par exemple, la capture du carbone.

Le captage du carbone est une technologie qui fonctionne aujourd'hui, mais le coût d'investissement de ces usines est trop élevé.

Nous avons donc examiné ce domaine et il existe de nombreuses opportunités pour nos matériaux et l'impression 3D dans cet espace. Nous annoncerons sous peu une collaboration avec l'un des principaux laboratoires du gouvernement américain dans ce domaine.

Nous aimons également les domaines des procédés pharmaceutiques et des bioprocédés où vous voulez un matériau avec les bons attributs de notre polymère pour améliorer l'efficacité des procédés et réduire les coûts d'investissement.

De toute évidence, avec la situation actuelle du COVID-19, il est nécessaire de faire évoluer certains de ces processus et vous devez disposer de nombreuses structures complexes et de la bonne chimie de haute pureté pour pratiquer dans cet espace. Nous suivons cela de très près également.

La classe de polymères Polycétones fait des travaux très intéressants.

Nous avons dépensé plusieurs millions de dollars pour comprendre les performances de nos pièces imprimées en 3D. C'est pourquoi nos pièces sont des engins spatiaux habités volants, c'est pourquoi nous avons des milliers de pièces dans le corps humain. C'est parce que nous avons fait le travail exhaustif de caractériser ce que nous imprimons pour le confort des personnes qui prennent très au sérieux ce que ces structures font dans la pratique.

À quoi ressemble ce processus de développement et de test de matériel pour l'impression 3D ?

Il y a généralement deux parties. Lorsque nous développons un matériau et un procédé, nous passons par une évaluation interne, qui va généralement des méthodes analytiques que nous avons développées au fil des années à des tests de dépistage mécaniques, thermiques, électriques assez conventionnels qui sont effectués au niveau du développement.

Une fois que vous avez la ligne de base et que vous dites « Oui, c'est un produit reproductible et nous le comprenons », cela vous amène à la première base.

Ensuite, pour rentrer chez vous, vous devez vous rendre dans tous les secteurs, qu'il s'agisse d'imprimer, de mouler ou d'usiner ou quelle que soit votre technologie de processus. Chaque industrie a connu des moyens pour eux de comprendre les performances, qu'il s'agisse d'une norme ASTM, d'une norme ISO ou d'une norme spécifique à l'entreprise, ou d'une norme gouvernementale.

Nous avons un bon exemple dans l'industrie aérospatiale. Après avoir fait tout ce travail et assuré que nous avions un processus stable et reproductible, nous avons ensuite dû faire quelque chose qui était une norme MIL 17 qui se traduit par une évaluation statistique des performances avec une prévisibilité très élevée, et c'est ce qu'on appelle la B-Basis.

Mais ce programme à lui seul a duré plusieurs années et a nécessité des millions de dollars. Nous l'avons fait en collaboration avec la NASA et Northrop Grumman, et c'était donc une évaluation spécifique à l'industrie assez exhaustive.

En biomédical, si l'on prend le cas de nos implants rachidiens, il a d'abord subi une série exhaustive de tests ISO 10993 qui évaluent réellement la biocompatibilité et la pureté. Une fois que vous avez coché cette case dans « D'accord, le matériau tel qu'il est imprimé est pur et biocompatible, non toxique », nous voulons maintenant l'utiliser dans un implant rachidien.

Il existe toute une autre série de tests mécaniques dans le cadre de la norme ASTM F2077 qui sont spécifiques aux implants rachidiens. Lorsque vous aurez terminé, vous pourrez soumettre une demande à la FDA avec ces données.

Donc, vous devez d'abord faire vos propres tests internes pour vous mettre à l'aise, car ces autres régimes de test sont très coûteux. Et vous ne voulez pas le faire à moins d'avoir une grande confiance en vous pour réussir ces tests.

Cela vaut pour tous les marchés finaux, en particulier dans notre catégorie de matériaux. Pour les matériaux techniques, les normes sont plus basses car le risque associé à l'adoption de l'utilisation finale est plus faible.

Il est connu que les polymères sont utilisés pour remplacer les métaux dans certaines applications. Pouvez-vous partager des exemples de la façon dont les polymères hautes performances ont pu remplacer les matériaux métalliques ?

Il y a 30 ans, nous avons assisté à une progression constante des matériaux polymères remplaçant le métal. Si vous achetiez une voiture dans les années 1970, les voitures pesaient deux fois ce qu'une voiture pèse aujourd'hui et presque tout serait en métal, ou si vous aviez acheté un aspirateur, il aurait été en métal.

Maintenant, si vous obtenez ces choses, elles totalisent une fraction du poids et elles sont principalement en plastique. Cette tendance des polymères remplaçant les métaux pour diverses fonctionnalités est donc très bien établie.

L'impression 3D n'est qu'un autre processus par lequel vous pouvez remplacer les métaux et les raisons du remplacement des métaux sont le coût, le poids et la corrosion.

Nous recherchons en permanence des opportunités de remplacement de métal pour réduire les coûts pour les personnes, réduire le poids et améliorer l'efficacité des appareils. De bons exemples sont les cages vertébrales, des appareils de fusion qui fusionnent votre colonne vertébrale si vous souffrez de douleur chronique.

Ces dispositifs étaient historiquement fabriqués à partir de titane usiné et nous les imprimons maintenant avec du PEKK.

Un autre exemple est celui des implants crâniens fabriqués à partir de titane imprimé en 3D. Aujourd'hui, nous les fabriquons à partir de PEKK imprimé en 3D.

Alors que nous examinons certains éléments de la capture du carbone, c'est exactement ce que nous examinons maintenant :remplacer l'acier inoxydable ou le titane usiné très coûteux par du PEKK imprimé en 3D.

Ainsi, cette idée de passer des métaux aux polymères est une tendance majeure dans l'industrie depuis un certain temps. Cela s'est accéléré au cours des dernières années et l'impression 3D fait maintenant partie de cette histoire plus large, y compris dans des domaines tels que le pétrole, le gaz et les transports, où nous avons des projets de développement à un stade précoce en cours avec des partenaires de l'industrie.

En parlant de tendances, voyez-vous des tendances dans l'espace des matériaux d'impression 3D ?

Du côté métallique, nous voyons des gens essayer de conduire la FA métallique vers des morphologies plus connues et prévisibles.

Je ne veux pas être trop technique, mais l'impression 3D de métal n'est pas l'équivalent moral du métal brut, forgé ou coulé. C'est une bête différente.

Lorsque l'industrie est devenue très populaire pour la première fois, il y avait beaucoup de confusion à ce sujet. Au fil du temps, les gens ont réalisé que c'était un animal différent. Et maintenant, ils travaillent sur les technologies de matériaux et de processus qui rendent la FA métallique plus conventionnelle d'une manière ou d'une autre. Je pense que cela fera considérablement progresser le métal AM.

Du côté des polymères, il existe désormais une tendance générale à desservir les marchés finaux avec la FA polymère. Les deux matériaux dominants pour cela sont le Nylon 11 et le Nylon 12. Ce sont des matériaux techniques, et ils se situent au milieu de la pyramide des polymères.

Cependant, leur utilisation finale est limitée. Ils ne sont pas particulièrement robustes thermiquement ou mécaniquement.

Maintenant, les gens commencent à comprendre comment gravir la pyramide. Nous commençons à voir des entreprises comme BASF introduire le Nylon 6, qui achète un peu plus de performances.

Je pense que nous continuerons à voir cette tendance à l'apparition de plus de matériaux qui semblent combler entre l'OPM et le PEKK et d'autres matériaux au milieu de la pyramide des performances.

En revanche, quels sont les défis auxquels le secteur des matériaux d'impression 3D est toujours confronté ?

C'est une question fondamentale.

Lorsque nous avons commencé à nous intéresser à l'impression 3D il y a de nombreuses années, l'une des choses que nous avons examinées était de savoir si notre polymère avait les attributs de base pour être imprimé en 3D ? Et cette question revient à reconnaître que l'impression 3D est un processus de consolidation sans pression.

Lorsque vous moulez un polymère, vous le mettez dans un moule et vous écrasez le tout et obtenez cette consolidation. Il en résulte des performances prévisibles et de bonnes propriétés mécaniques.

L'impression 3D n'a pas cette vertu. Avec l'impression 3D, vous avez cette consolidation à basse pression ou à pression nulle comme un processus FDM où vous avez un filament qui fond et se superpose. Dans ce processus, vous vous retrouvez avec jusqu'à 10 % de vides, et dans mon monde, les vides sont mauvais, car ils signifient qu'une pièce n'est pas robuste. C'est bien pour un prototype mais vous ne voudrez pas vous en accrocher.

Ensuite, vous avez ces processus sur lit de poudre comme les OPM, où les lasers font fondre une couche de poudre l'une sur l'autre, mais il n'y a pas de pression. Ce sur quoi vous comptez pour obtenir des performances reproductibles dans ces types d'environnements, c'est un polymère qui aime se coller à lui-même.

Si un polymère ne colle pas bien, vous vous retrouvez avec de mauvaises performances dans la direction Z.

PEKK est vraiment unique en ce sens qu'il a l'affinité de se coller à lui-même. C'est assez inhabituel dans le monde des polymères.

Pour répondre à votre question, ce qui a freiné les choses, c'est le développement d'une chimie fondamentalement nouvelle.

Si vous allez aujourd'hui dans l'une des grandes entreprises chimiques et dites :" Pourriez-vous développer un polymère spécifiquement pour cette capacité à se coller à lui-même ? " Ils vont vous regarder d'un drôle d'air parce que vous êtes de l'ordre du milliard de dollars et plusieurs années pour développer de nouveaux polymères. C'est une grosse affaire.

Si vous avez demandé à un consultant d'une entreprise de polymères combien de chimies vraiment nouvelles ont été développées au cours des 20 dernières années, vous l'avez probablement mis d'un côté, car ces investissements sont si importants. Et les entreprises américaines n'ont tout simplement pas l'appétit pour ce genre de choses trop souvent. C'est donc un gros défi et je ne vois pas grand-chose de cela se produire, franchement.

Pensez-vous que cela va changer ou évoluer dans les mois et les années à venir ?

De nouvelles plateformes de matériaux basées sur une nouvelle chimie ? Je ne pense pas que cela va arriver. C'est très éloigné.

Les technologies de traitement progresseront et les gens modifieront ces ensembles de matériaux existants avec d'autres charges et compatibilisants uniques et des chimies de dimensionnement pour améliorer les choses. Je pense donc que c'est probablement là que les choses deviendront plus intéressantes.

Que réserve l'année à venir pour OPM ?

Nous sommes assez chanceux de faire partie de cette industrie, où nous ne comptons pas sur des contrats de R&D ou du capital-risque pour le moment.

Nous sommes dans la partie de « l'économie du besoin ».

Bien que nous ayons vu que nous avons traversé cette première phase de la pandémie de COVID, la disponibilité des hôpitaux a été réduite au service et loin de la chirurgie élective, nous commençons déjà à voir cette activité recommencer .

Cela a été douloureux pour toutes les entreprises, mais la technologie de base dont nous disposons nous permettra de continuer à croître. Nous venons tout juste de présenter notre produit d'ancrage de suture, qui est une nouvelle gamme de produits à moindre coût, et même compte tenu de la COVID, nous aurons l'occasion de le commercialiser.

Nous avons également une idée précise de nouveaux marchés. Nous aimons le marché de la capture du carbone, d'autres domaines industriels et le marché des procédés biopharmaceutiques.

Je pense que COVID-19, à certains égards, génère plus de capitaux et exige plus d'efficacité vers les marchés auxquels nous sommes naturellement adaptés. , vu les performances de nos matériaux.

Une dernière réflexion ?

La seule chose que je dirais, c'est que cette période particulière offre des opportunités substantielles.

Je pense qu'en tant qu'entreprise d'impression 3D, nous avons essayé de pousser des technologies qui ajoutent vraiment de la valeur . Lorsque les temps sont difficiles et serrés, comme c'est le cas actuellement, les gens commencent à chercher des moyens de réduire les coûts et de pénétrer de nouveaux marchés. Les PDG s'adressent à leur CTO en leur disant « Hé, qu'est-ce que vous avez pour moi ? Nous avons besoin de quelque chose de nouveau.

Donc, si vous avez vraiment quelque chose de substantiel, pas simplement une autre façon de faire un prototype, si vous avez quelque chose qui plie l'arc de la technologie d'une manière substantielle, vous allez pour obtenir une bonne écoute maintenant.

Nous avons vu que dans notre entreprise où certaines portes auxquelles nous avons frappé dans le passé, les gens n'étaient pas prêts à l'entendre. Et nous commençons à recevoir ces rappels maintenant qui disent "Hé, parlez-nous de cette chose où nous pouvons économiser de l'argent ou faire quelque chose de plus efficacement".

J'encourage donc les lecteurs à ne pas se décourager s'ils disposent d'une véritable technologie. Cela change vraiment la donne. C'est une période intéressante.