À l'intérieur de l'innovation en matière d'impression 3D :Scott DeFelice d'Oxford Performance Materials parle de l'avancement des polymères haute performance

Alors que les polymères d'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. ‍

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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 hautes performances actuellement disponibles pour l'impression 3D appartiennent à la famille des thermoplastiques polyaryléthercétones (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). Basée 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 la société, 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.

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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 consacré tout notre temps à un polymère particulier appelé Poly Ether Ketone Ketone ou PEKK. Et depuis 2000, nous développons des technologies autour de ce matériau.

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

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Aujourd'hui, nous disposons d'un large portefeuille de propriété intellectuelle et de brevets qui vont de la façon dont on fabrique le PEKK au niveau synthétique à la façon dont on le traite, prépare les poudres pour l'impression 3D, jusqu'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 sélectif pour imprimer en 3D avec du 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, spécifique au patient et distribué dans le monde entier par Zimmer Biomet. Nous avons une production continue fabriquant chaque jour des implants crâniens et faciaux. 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 médicale sportive pour les ancres de suture, utilisées pour rattacher chirurgicalement les tissus mous aux os. Parallèlement, nous avons développé et validé notre technologie pour une utilisation dans des applications spatiales et de défense et avons reçu les certifications de Boeing et Northrop Grumman, entre autres. Depuis, nous avons vendu cette activité à l'un de nos partenaires stratégiques, Hexcel, qui dispose d'une taille importante pour la soutenir. OPM arrive dans le secteur de l’impression 3D, et non du point de vue de personnes qui étaient, par exemple, dans le prototypage puis se sont lancées dans la production de pièces. Nous abordons la question du point de vue d’une entreprise de matériaux avancés qui a découvert que son matériau serait très adapté à la fabrication additive, pour des raisons techniques intéressantes. Nous sommes désormais intégrés verticalement dans ces entreprises et continuons d'exploiter nos matériaux et notre plateforme technologique.

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Comment voyez-vous l'évolution du secteur des matériaux d'impression 3D au fil des années, et où voyez-vous cette trajectoire en termes de coûts et de développement des matériaux ?

L’impression 3D est un processus, et ce qui rend ce processus unique et habilitant, c’est le matériau qui l’accompagne. Je dis toujours aux gens qu’on peut imprimer une pomme, mais qu’il faut ensuite la manger. Vous devez donc imprimer avec des matériaux qui présentent des fonctionnalités adaptées aux marchés finaux et aux utilisations finales qui vous intéressent. Nous avons vu qu'au fil des années, par exemple, la fabrication additive 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 du coût, c'est qu'il y a toujours eu ce débat :« Oh, les matériaux sont trop chers ». Je soutiens qu’à mesure que l’on évolue 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 ne représente en réalité qu’une composante assez faible du coût. Le reste dépend de la qualité et de la réglementation, des systèmes de fabrication qu'il faut mettre en place pour vendre sur un marché hautement réglementé, qu'il s'agisse de produits biomédicaux, spatiaux, de défense ou de semi-conducteurs. Ainsi, à mesure que l'industrie continue d'évoluer de la production de prototypes vers des produits finaux, la performance du matériau est ce qui est critique et la composante du coût du matériau devient moins déterminante.

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Pourriez-vous développer d'autres secteurs, outre le secteur médical, qui sont en mesure de bénéficier des matériaux que vous développez pour l'impression 3D ?

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

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Nous avons commencé dans des domaines évidents, le biomédical et l'aérospatiale, car nous avons une longue expérience dans notre activité au service de ces marchés. Mais maintenant, nous relevons la tête et regardons d’autres domaines. Les marchés finaux sont très particuliers à la performance 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. Un domaine que nous suivons de très près est, par exemple, le captage du carbone. Le captage du carbone est une technologie qui fonctionne aujourd’hui, mais le coût en capital 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 gouvernementaux américains dans ce domaine. Nous apprécions également les domaines des procédés pharmaceutiques et des bioprocédés, dans lesquels vous souhaitez un matériau présentant 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 également de très près. La classe de polymères polycétones effectue 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 font voler des vaisseaux spatiaux habités, c'est pourquoi nous avons des milliers de pièces dans le corps humain. C'est parce que nous avons fait un travail exhaustif de caractérisation de ce que nous imprimons pour le confort des personnes qui prennent très au sérieux ce que ces structures font dans la pratique.

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

Il y a généralement deux parties. Lorsque nous développons un matériau et un processus, nous passons par une évaluation interne, qui va généralement des méthodes analytiques que nous avons développées au fil des années à des tests de sélection mécaniques, thermiques et électriques assez conventionnels effectués au niveau du développement. Une fois que vous avez la base de référence et que vous dites « Oui, il s’agit d’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 de l'impression, du moulage ou de l'usinage ou quelle que soit votre technologie de processus. Chaque secteur connaît des moyens de comprendre les performances, qu'il s'agisse d'une norme ASTM, d'une norme ISO, d'une norme spécifique à une entreprise ou d'une norme gouvernementale. Nous avons un bon exemple dans l’industrie aérospatiale. Après avoir effectué tout ce travail et veillé à ce que nous disposions d'un processus stable et reproductible, nous avons dû élaborer une norme MIL 17 qui aboutit à une évaluation statistique des performances avec une prévisibilité très élevée, appelée la base B. 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 il s'agissait donc d'une évaluation assez exhaustive spécifique à l'industrie. Dans le domaine biomédical, si l'on prend le cas de nos implants rachidiens, ils ont d'abord subi une série exhaustive de tests ISO 10993 qui évaluent réellement la biocompatibilité et la pureté. Une fois que vous avez coché la case « D'accord, le matériau tel qu'imprimé est pur et biocompatible, non toxique », nous souhaitons maintenant l'utiliser dans un implant rachidien. Il existe une toute autre série de tests mécaniques dans le cadre de la norme ASTM F2077 qui sont spécifiques aux implants rachidiens. Une fois cette étape franchie, vous pourrez alors soumettre une demande à la FDA avec ces données. Vous devez donc d’abord effectuer vos propres tests internes pour vous sentir à l’aise, car ces autres régimes de tests sont très coûteux. Et vous ne voulez pas faire cela à moins d’être sûr de 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 faibles car le risque associé à l'adoption par l'utilisateur final est plus faible.

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On sait que les polymères sont utilisés pour remplacer les métaux dans certaines applications. Pouvez-vous partager des exemples de la façon dont les polymères haute performance 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 achetiez un aspirateur, il serait en métal. Maintenant, si vous obtenez ces choses, elles totalisent une fraction du poids et elles sont principalement en plastique. Cette tendance selon laquelle les polymères remplacent 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 continuellement des opportunités de remplacement du métal afin de réduire les coûts pour les personnes, de réduire le poids et d'améliorer l'efficacité des appareils. De bons exemples en sont les cages vertébrales, des dispositifs de fusion qui fusionnent votre colonne vertébrale si vous souffrez de douleur chronique. Ces appareils étaient historiquement fabriqués en titane usiné et nous les imprimons désormais avec du PEKK.

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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 liés au captage du carbone, c'est exactement ce que nous envisageons actuellement :remplacer l'acier inoxydable ou le titane usinés très coûteux par du PEKK imprimé en 3D. Cette idée de passer des métaux aux polymères est donc une grande tendance dans l’industrie depuis un certain temps. Cela s'est accéléré au cours des dernières années et l'impression 3D fait désormais 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 précoces en cours avec des partenaires industriels.

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

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[Crédit image :OPM] [/caption]Du côté métallique, nous voyons des gens essayer de pousser la fabrication additive 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, il y avait beaucoup de confusion à ce sujet. Au fil du temps, les gens ont réalisé qu’il s’agissait d’un animal différent. Et maintenant, ils travaillent sur les technologies de matériaux et de processus qui rendent la FA métallique d’une manière ou d’une autre plus conventionnelle. Je pense que cela fera considérablement progresser la fabrication additive métallique. Du côté des polymères, on observe désormais une tendance générale à desservir les marchés finaux avec la fabrication additive polymère. Les deux matériaux dominants 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. Aujourd’hui, les gens commencent à comprendre comment gravir les échelons de la pyramide. Nous commençons à voir des entreprises comme BASF introduire le Nylon 6, qui permet d’acquérir un peu plus de performances. Je pense que nous continuerons à voir cette tendance selon laquelle davantage de matériaux semblent se substituer à l'OPM avec le PEKK et à d'autres matériaux au milieu de la pyramide des performances.

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En revanche, quels sont, selon vous, 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 la suivante :notre polymère possède-t-il les attributs de base pour être imprimé en 3D ? Et cette question se résume à la reconnaissance du fait que l’impression 3D est un processus de consolidation sans pression. Lorsque vous moulez un polymère, vous le mettez en forme dans un moule, vous l'écrasez 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 obtenez cette consolidation à basse pression ou à pression nulle, comme un processus FDM dans lequel 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 génial pour un prototype mais vous ne voudrez pas vous y accrocher. Ensuite, vous avez ces processus sur lit de poudre comme les OPM, où les lasers font fondre une couche de poudre sur une autre, mais il n'y a pas de pression. Ce sur quoi vous comptez pour obtenir des performances reproductibles dans ces types d’environnements est un polymère qui aime adhérer à lui-même. Si un polymère n’adhère pas bien, vous obtenez de mauvaises performances dans la direction Z. Le PEKK est vraiment unique en cela car 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 vous adressez aujourd'hui à l'une des grandes entreprises chimiques et lui demandez :« Pourriez-vous développer un polymère spécifiquement pour cette capacité à adhérer à lui-même ? » Ils vous regarderont d'un air drôle parce que vous êtes dans la fourchette d'un milliard de dollars et de plusieurs années pour développer de nouveaux polymères. C'est une grosse affaire. Si vous demandez à un consultant d'une entreprise de polymères combien de produits chimiques véritablement nouveaux ont été développés au cours des 20 dernières années, vous le mettrez probablement d'un côté, car ces investissements sont très importants. Et les entreprises américaines n’ont tout simplement pas très souvent envie de ce genre de choses. C'est donc un grand défi et, franchement, je ne vois pas grand chose de cela se produire.

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

De nouvelles plates-formes matérielles 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 produits chimiques de dimensionnement pour améliorer les choses. Je pense donc que c'est probablement là que les choses deviendront plus intéressantes.

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Que réserve l'année à venir pour OPM ?

Nous avons la chance de faire partie de cette industrie où nous ne dépendons pas actuellement de contrats de R&D ou de capital-risque. Nous sommes dans une « économie du besoin ». Bien que nous ayons constaté, au cours de cette première phase de la pandémie de COVID, que la disponibilité des hôpitaux a été mise en service et éloignée des interventions chirurgicales électives, nous commençons déjà à voir cette activité commencer à revenir. 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 du COVID, nous aurons l'opportunité de le commercialiser.

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Nous sommes également attentifs aux nouveaux marchés. Nous aimons le marché du captage du carbone, d'autres domaines industriels et le marché des procédés biopharmaceutiques.

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Je pense que le COVID-19 génère, d'une certaine manière, davantage de capitaux et exige plus d'efficacité vers les marchés auxquels nous sommes naturellement adaptés, compte tenu des performances de nos matériaux.

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Une dernière réflexion ?

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

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Je pense qu'en tant qu'entreprise d'impression 3D, nous avons essayé de promouvoir des technologies qui ajoutent réellement 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 pour lui dire :« Hé, qu'est-ce que tu as pour moi ? Nous avons besoin de quelque chose de nouveau."

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Donc, si vous avez vraiment quelque chose de substantiel, pas seulement une autre façon de créer un prototype, si vous avez quelque chose qui plie l'arc de la technologie de manière substantielle, vous allez avoir une bonne écoute maintenant. Nous avons constaté que dans notre secteur, où nous avons frappé à certaines portes par le passé, les gens n'étaient pas prêts à l'entendre. Et nous commençons maintenant à recevoir des rappels qui disent « Hé, parlez-nous de cette chose qui nous permet d'économiser de l'argent ou de faire quelque chose de plus efficace ». 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.