Au cœur de l'innovation en impression 3D : Scott DeFelice d'Oxford Performance Materials sur l'avancée des polymères haute performance

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

Ces matériaux, connus sous le nom de polymères haute performance, sont de plus en plus recherchés par les utilisateurs d'impression 3D dans des industries telles 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, l'une étant Oxford Performance Materials (OPM). Basée dans le Connecticut, OPM est particulièrement focalisée sur le matériau PEKK de la famille PAEK et a développé une technologie et des dispositifs propriétaires 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 pour le PEKK imprimé en 3D, ainsi que des tendances et défis façonnant le marché des matériaux pour l'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 haute performance. 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.

Crédit image : OPM

Le 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 le PEKK à un niveau synthétique à la façon dont on le traite, prépare les poudres pour l'impression 3D, à la façon dont on imprime avec le matériau. En termes d'impression 3D, nos activités ont commencé il y a environ 10 ans avec le développement d'un procédé de fusion laser sélective pour imprimer en 3D avec du PEKK. Nous avons lancé nos premiers dispositifs imprimés en 3D commercialement vers 2006 pour le domaine médical. Et c'était le début du développement de l'impression 3D. En 2008, la FDA a validé notre premier dispositif, un implant crânien, qui sont spécifiques au patient et distribués dans le monde entier par Zimmer Biomet. Nous avons une production continue fabriquant des implants crâniens et faciaux chaque jour. Nous sommes passés de là aux implants spinaux il y a plus de trois ans, et ces produits sont vendus en partenariat avec une entreprise appelée RTI Surgical. Nous avons expédié plus de 70 000 implants spinaux à ce jour. Plus récemment, nous avons reçu une autre autorisation de la FDA pour une application en médecine du sport pour des 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, nous avons vendu cette activité à l'un de nos partenaires stratégiques, Hexcel, qui a une échelle substantielle pour la soutenir. OPM aborde le business de l'impression 3D, non pas du point de vue de gens qui étaient, disons, dans le prototypage et sont passés aux pièces de production. Nous l'abordons du point de vue d'une entreprise de matériaux avancés qui a découvert que leur matériau serait très bon pour la fabrication additive, pour des raisons techniques intéressantes. Nous sommes maintenant verticalement intégrés dans ces activités et continuons d'exploiter notre plateforme matériaux et technologie.

Comment voyez-vous l'évolution de l'espace des matériaux pour l'impression 3D au fil des ans, et où voyez-vous cette trajectoire aller en termes de coûts des matériaux et de développement des matériaux ?

L'impression 3D est un procédé, et ce qui rend ce procédé unique et habilitant, c'est le matériau qui est utilisé avec. Je dis toujours aux gens que vous pouvez imprimer une pomme, mais ensuite vous devez la manger. Donc vous devez imprimer avec des matériaux qui ont la fonctionnalité pour les marchés finaux et usages finaux d'intérêt. Nous avons vu comment au fil des ans, par exemple, l'AM métal est devenu très populaire pour la raison qu'il a des propriétés fonctionnelles utiles dans des marchés finaux spécifiques. Je pense que cette tendance va continuer. Les matériaux — polymères, métalliques et autres — continueront d'évoluer pour permettre une plus grande fonctionnalité dans les marchés d'usage final, quel que soit ces marchés. La chose intéressante à propos du coût est qu'il y a toujours eu cette discussion « Oh, les matériaux sont trop chers ». J'argumente que à mesure que vous passez à des marchés finaux plus haute performance et que les matériaux deviennent plus capables, les coûts des matériaux eux-mêmes deviennent en fait moins significatifs. Par exemple, nous vendons des implants orthopédiques et quand nous vendons un implant crânien à l'hôpital, cet implant peut se vendre 10 000 $. Mais quand nous regardons le coût de ce que nous faisons, le coût du matériau est en fait un composant assez petit du coût. Le reste, c'est toute la qualité et la réglementation, les systèmes de fabrication qu'il faut avoir en place pour vendre sur un marché hautement réglementé, que ce soit biomédical ou spatial et défense ou semi-conducteur. Donc, à mesure que l'industrie continue d'évoluer loin de la production de prototypes vers des produits d'usage final, la performance du matériau est ce qui est critique et le composant du coût du matériau devient moins un facteur déterminant.

Pourriez-vous développer sur d'autres industries, en plus du médical, qui sont capables de bénéficier des matériaux que vous développez pour l'impression 3D ?

Composant structurel complexe OXFAB® ESD pour le système de revitalisation d'air du Boeing CST 100 Starliner [Crédit image : OPM]

Nous avons commencé dans les endroits évidents, biomédical et aérospatial, parce que nous avons un long héritage dans notre business de servir ces marchés. Mais maintenant, nous levons la tête et regardons autour d'autres domaines. Les marchés finaux sont très particuliers à la performance de nos matériaux. Notre matériau PEKK, par exemple, adore les environnements acides et basiques, donc c'est là que nous allons en termes d'environnement. Donc un domaine que nous suivons de près est, par exemple, la capture de carbone. La capture de carbone est une technologie qui fonctionne aujourd'hui, mais le coût en capital de ces usines est trop cher. Nous avons regardé ce domaine et il y a beaucoup d'opportunités pour nos matériaux et l'impression 3D dans cet espace. Bientôt, nous annoncerons une collaboration avec l'un des principaux laboratoires gouvernementaux américains dans ce domaine. Nous aimons aussi les domaines des procédés pharmaceutiques et bioprocédés où vous voulez un matériau avec les bons attributs de notre polymère pour améliorer les efficacités de processus et réduire les coûts en capital. Évidemment avec la situation du COVID-19 en ce moment, il y a un besoin de mettre à l'échelle certains de ces processus et vous avez besoin d'avoir beaucoup de structure complexe et la bonne chimie de haute pureté pour pratiquer dans cet espace. Nous suivons cela de près aussi. La classe des polymères polycétones fait des travaux très intéressants. Nous avons dépensé des millions de dollars à comprendre la performance de nos pièces imprimées en 3D. C'est pour cela que nos pièces volent dans des vaisseaux spatiaux habités, c'est pour cela que nous avons des milliers de pièces dans le corps humain. C'est parce que nous avons fait le travail exhaustif de caractérisation de ce que nous imprimons au confort des gens qui prennent très au sérieux ce que ces structures font en pratique.

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

Il y a généralement deux parties. Quand 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 ans à des tests de criblage mécaniques, thermiques, électriques assez conventionnels qui sont faits à un niveau de 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 marquer le point, vous devez aller dans chaque industrie, que vous imprimiez ou mouliez ou usiniez ou quoi que ce soit comme technologie de procédé. Chaque industrie a des façons connues pour eux de comprendre la performance, que ce soit une norme ASTM, une norme ISO ou une norme spécifique à l'entreprise, ou une norme gouvernementale. Nous avons un bon exemple dans l'industrie aérospatiale. Après avoir fait tout ce travail et assuré que nous avions un procédé stable et reproductible, nous avons dû faire quelque chose qui était une norme MIL 17 qui résulte dans une évaluation statistique de la performance à très haute prévisibilité, et cela s'appelle le B-Basis. Mais ce programme seul a duré plusieurs années et a requis des millions de dollars. Nous l'avons fait en collaboration avec la NASA et Northrop Grumman, et c'était donc une évaluation assez exhaustive spécifique à l'industrie. Dans le biomédical, si nous prenons le cas de nos implants spinaux, il est d'abord passé par une série exhaustive de tests ISO 10993 qui évaluent vraiment la biocompatibilité et la pureté. Une fois que vous cochez cette case « OK le matériau tel qu'imprimé est pur et biocompatible, pas toxique », maintenant nous voulons l'utiliser dans un implant spinal. Il y a toute une autre série de tests mécaniques dans le cadre de la norme ASTM F2077 qui sont spécifiques aux implants spinaux. Quand vous passez à travers cela, alors vous pouvez faire une soumission à la FDA avec ces données. Donc, vous devez d'abord faire vos propres tests internes pour être à l'aise, parce que ces autres régimes de tests sont très chers. Et vous ne voulez pas le faire à moins d'avoir une grande confiance que vous allez passer ces tests. Cela vaut pour chaque marché final, surtout dans notre classe de matériaux. Pour les matériaux techniques, les normes sont plus basses parce que le risque associé à l'adoption d'usage final est plus bas.

On sait que les polymères sont utilisés pour remplacer les métaux dans certaines applications. Pouvez-vous partager des exemples de comment les polymères haute performance ont pu remplacer des matériaux métalliques ?

Remontant 30 ans en arrière, nous avons vu 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 achetiez un aspirateur, il aurait été fait en métal. Maintenant, si vous prenez ces choses, elles totalisent une fraction du poids et elles sontmostly en plastique. Donc cette tendance des polymères remplaçant les métaux pour diverses fonctionnalités est très bien établie. L'impression 3D n'est qu'un autre procédé par lequel vous êtes capable de remplacer les métaux et les raisons pour remplacer les métaux sont le coût, le poids et la corrosion. Nous cherchons continuellement des opportunités de remplacement de métal pour réduire les coûts pour les gens, réduire le poids et améliorer l'efficacité des dispositifs. De bons exemples de cela sont les cages spiniales, dispositifs de fusion qui fusionnent votre colonne vertébrale ensemble si vous avez une douleur chronique. Ces dispositifs avaient historiquement été faits en titane usiné et maintenant nous les imprimons avec du PEKK.

Un autre exemple est les implants crâniens faits en titane imprimé en 3D. Aujourd'hui, nous les faisons en PEKK imprimé en 3D. En regardant certaines des choses dans la capture de carbone, c'est exactement ce que nous regardons maintenant : remplacer de l'acier inoxydable ou du titane usiné très cher par du PEKK imprimé en 3D. Donc cette idée de passer des métaux aux polymères a été une méga-tendance dans l'industrie depuis un certain temps. Elle s'est accélérée au cours des dernières années et l'impression 3D fait maintenant partie de cette histoire plus large, incluant des domaines tels que le pétrole & gaz et le transport, où nous avons des projets de développement à un stade précoce en cours avec des partenaires industriels.

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

[Crédit image : OPM]

Du côté métallique, nous voyons des gens essayer de pousser l'AM métal vers des morphologies plus connues et prévisibles. Je ne veux pas devenir trop technique, mais l'impression 3D métal n'est pas l'équivalent moral du métal brut, ou forgé, ou coulé. C'est une bête différente. Quand l'industrie est devenue très populaire pour la première fois, il y avait beaucoup de confusion autour de cela. Avec le temps, les gens ont réalisé que c'est un animal différent. Et maintenant, ils travaillent vers les technologies de matériaux et de procédés qui rendent l'AM métal plus conventionnel d'une certaine façon. Je pense que cela fera avancer significativement l'AM métal. Du côté polymère, il y a maintenant la tendance générale à servir les marchés finaux avec l'AM polymère. Les deux matériaux dominants pour cela sont le Nylon 11 et le Nylon 12. Ce sont des matériaux techniques, et ils sont au milieu de la pyramide des polymères. Cependant, ils ont une utilisation finale limitée. Ils ne sont pas particulièrement robustes thermiquement ou mécaniquement. Maintenant, les gens commencent à comprendre comment monter dans la pyramide. Nous commençons à voir des entreprises comme BASF introduire le Nylon 6, qui achète un peu plus de performance. Je pense que nous continuerons à voir cette tendance de plus de matériaux apparaissant pour combler l'espace entre où OPM est avec le PEKK et d'autres matériaux au milieu de la pyramide de performance.

Comme revers de la médaille, quels sont certains des défis que vous voyez encore face au secteur des matériaux pour l'impression 3D ?

C'est une question fondamentale. Quand nous avons commencé à regarder l'impression 3D il y a de nombreuses années, l'une des choses que nous regardions était : est-ce que notre polymère a les attributs de base pour être imprimé en 3D ? Et cette question se résume à la reconnaissance que l'impression 3D est un procédé de consolidation à pression zéro. Quand vous moulez un polymère, vous l'écrasez dans un moule et vous le tassez tout ensemble et vous obtenez cette consolidation. Cela résulte en une performance prévisible 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 zéro comme un procédé FDM où vous avez un filament qui fond et se dépose couche par couche. Dans ce procédé, vous vous retrouvez avec jusqu'à 10 pour cent de vides, et dans mon monde, les vides sont mauvais, parce qu'ils veulent dire qu'une pièce n'est pas robuste. C'est super pour un prototype mais vous n'allez pas vouloir pendre dessus. Ensuite, vous avez ces procédés à lit de poudre comme celui d'OPM, où les lasers fondent une couche de poudre sur une autre, mais il n'y a pas de pression. Sur quoi vous comptez pour obtenir une performance reproductible dans ces types d'environnements, c'est un polymère qui aime coller à lui-même. Si un polymère ne se lie pas bien, vous vous retrouvez avec une mauvaise performance dans la direction Z. Le PEKK est vraiment unique en cela parce qu'il a l'affinité de coller à lui-même. C'est assez inhabituel dans le monde des polymères. Pour répondre à votre question, ce qui a freiné les choses a été le développement de chimie fondamentalement nouvelle. Si vous allez chez l'une des grandes entreprises chimiques aujourd'hui et dites : « Pourriez-vous développer un polymère spécifiquement pour cette capacité à coller à lui-même ? » Ils vont vous regarder bizarrement parce que vous êtes dans la gamme du milliard de dollars et un certain nombre d'années pour développer de nouveaux polymères. C'est un gros deal. Si vous alliez demander à un consultant en polymères combien de chimies vraiment nouvelles ont été développées dans les 20 dernières années, vous le mettriez probablement sur une main, parce que ces investissements sont si substantiels. Et l'Amérique corporative n'a tout simplement pas l'appétit pour ce genre de choses trop souvent. Donc c'est un grand défi et je ne vois pas beaucoup de cela arriver, franchement.

Pensez-vous que cela changera ou évoluera dans les mois et années à venir ?

Nouvelles plateformes de matériaux basées sur une chimie vraiment nouvelle ? Je ne pense pas que cela va arriver. C'est très lointain. Les technologies de procédé avanceront et les gens modifieront ces ensembles de matériaux existants avec d'autres charges uniques, compatibilisants et chimies de dimensionnement pour améliorer les choses. Donc je pense que c'est probablement là que les choses deviendront plus intéressantes.

Qu'est-ce que l'année à venir réserve à OPM ?

Nous sommes plutôt chanceux d'être dans une partie de cette industrie où nous ne comptons pas sur des contrats de R&D ou du capital-risque à ce stade. Nous sommes dans la partie de « l'économie du besoin ». Bien que nous ayons vu, au fur et à mesure que nous traversions cette première phase de la pandémie de COVID, la disponibilité hospitalière chuter pour le service et loin de la chirurgie élective, nous commençons déjà à voir ce business repartir. Ça a été douloureux pour chaque business, mais la technologie centrale que nous avons nous permettra de continuer à grandir. Nous introduisons juste maintenant notre produit d'ancre de suture, qui est une nouvelle ligne de produits à coût inférieur, et même avec le COVID, nous aurons des opportunités de l'amener sur le marché.

Nous avons aussi la tête haute sur de nouveaux marchés. Nous aimons le marché de la capture de carbone, d'autres domaines industriels, et le marché des bioprocédés pharmaceutiques.

Je pense que le COVID-19, d'une certaine façon, pousse plus de capital et exige plus d'efficacité vers les marchés pour lesquels nous sommes naturellement adaptés, étant donné la performance de nos matériaux.

Dernières pensées ?

La seule chose que je dirais, c'est que ce moment particulier a des opportunités substantielles.

Je pense qu'en tant qu'entreprise dans l'impression 3D, nous avons essayé de pousser des technologies qui ajoutent vraiment de la valeur. Quand les temps sont difficiles et serrés, comme ils le sont maintenant, les gens commencent à chercher des moyens de réduire les coûts et de pénétrer de nouveaux marchés. Les PDG vont voir leur CTO en disant « Hé, qu'est-ce que tu as pour moi ? On a besoin de quelque chose de nouveau. »

Donc si vous avez vraiment quelque chose de substantiel, pas juste une autre façon de faire un prototype, si vous avez quelque chose qui courbe l'arc de la technologie d'une façon substantielle, vous allez avoir une bonne écoute maintenant. Nous l'avons vu dans notre business où certaines portes sur lesquelles 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 ce truc où on peut économiser de l'argent ou faire quelque chose plus efficacement ». Donc j'encouragerais les lecteurs à ne pas être découragés s'ils ont une vraie technologie. Ça change vraiment la donne. C'est un moment intéressant.