专家访谈：Oxford Performance Materials 的 Scott DeFelice 关于 3D 打印高性能聚合物的演变

虽然 ABS 和尼龙等通用聚合物目前在 3D 打印材料市场占据主导地位，但对能够承受恶劣环境和高温的坚固功能材料的需求不断增长。

这些被称为高性能聚合物的材料越来越受到航空航天和医疗等行业的 3D 打印用户的追捧。

目前可用于 3D 打印的关键高性能聚合物属于聚芳醚酮 (PAEK) 热塑性塑料系列，具有高温稳定性和出色的机械强度。

目前市场上只有少数几家公司在开发这种材料，其中之一就是牛津性能材料 (OPM)。

位于康涅狄格州的 OPM 特别关注 PAEK 系列的 PEKK 材料，并围绕该热塑性塑料开发了专有技术和设备。

要了解有关 OPM 及其产品的更多信息，我们采访了该公司的首席执行官 Scott DeFelice。我们与 Scott 讨论了 3D 打印 PEKK 的关键应用，以及塑造 3D 打印材料市场的趋势和挑战。

你能告诉我一些关于 Oxford Performance Materials 和你作为一家公司的使命吗？

Oxford Performance Materials 成立于 2000 年。我们是一家高性能热塑性材料公司。我们将所有时间都花在了一种称为聚醚酮酮或 PEKK 的特定聚合物上。自 2000 年以来，我们一直在围绕这种材料开发技术。

PEKK是热塑性塑料世界中食物链热塑性塑料的顶端。它是一种超高性能聚合物，因为它具有出色的热、化学和机械性能以及生物相容性。

今天，我们拥有广泛的知识产权和专利组合，从人们如何在合成中制造 PEKK水平到如何处理它，为 3D 打印准备粉末，到如何用材料打印。

在 3D 打印方面，我们的活动始于大约 10 年前，开发了选择性激光熔化使用 PEKK 进行 3D 打印。我们在 2006 年左右为医疗领域推出了第一款商用 3D 打印设备。这就是 3D 打印发展的开始。

2008 年，FDA 批准了我们的第一个设备，即颅骨植入物，该设备是针对特定患者的，由 Zimmer Biomet 在全球范围内销售。我们每天都在持续生产制造颅骨和面部植入物。

三年多前，我们从那里转向了脊柱植入物，这些产品是与一家名为 RTI Surgical 的公司合作销售的。迄今为止，我们已经运送了超过 70,000 个脊柱植入物。

最近，我们在运动医学应用中获得了另一项 FDA 批准，用于缝合锚钉，用于通过手术将软组织重新连接到骨骼。

与此同时，我们开发并验证了我们在太空和国防应用中使用的技术，并获得了波音和诺斯罗普格鲁曼等公司的认证。从那时起，我们将该业务出售给了我们的战略合作伙伴之一 Hexcel，该公司具有相当大的规模来支持它。

OPM 进入 3D 打印行业，而不是从那些从事原型设计然后进入生产零件的人的角度来看。我们是从一家先进材料公司的角度来看的，由于有趣的技术原因，他们发现他们的材料非常适合增材制造。我们现在垂直整合到这些业务中，并继续利用我们的材料和技术平台。

您如何看待 3D 打印材料空间多年来的发展，以及您如何看待材料成本和材料开发方面的发展轨迹？

3D 打印是一个过程，而使该过程独一无二且具有可行性的原因在于它所使用的材料。我总是告诉人们，你可以打印一个苹果，但你必须吃掉它。因此，您必须使用具有最终市场和感兴趣的最终用途的功能的材料进行打印。

例如，多年来，我们已经看到金属增材制造变得非常流行，因为它具有可用于特定终端市场的功能特性。

我认为这种趋势将继续下去。无论这些市场是什么，聚合物、金属和其他材料都将继续发展以在最终用途市场中实现更大的功能。

关于成本的有趣之处在于，一直有“哦，材料太贵了”的讨论。我认为，随着您进入更高性能的终端市场并且材料变得更加强大，材料成本本身实际上变得不那么重要。

例如，我们销售骨科植入物，当我们在医院销售颅骨植入物时，该植入物的售价可能为 10,000 美元。但是当我们查看我们所做工作的成本时，材料成本实际上只是成本的一​​个很小的组成部分。剩下的就是质量和监管，制造系统必须到位才能销售到高度监管的市场，无论是生物医学、太空、国防还是半导体。

因此，随着行业继续从原型生产向最终用途产品的生产发展，材料的性能至关重要，材料成本的组成部分不再是驱动因素。

除了医疗之外，您能否扩展其他行业，这些行业能够从您为 3D 打印开发的材料中受益？

我们从生物医学和航空航天领域起步，因为我们在为这些市场提供服务的业务中有着悠久的历史。但现在我们抬起头来环顾其他领域。

终端市场对我们材料的性能非常挑剔。例如，我们的 PEKK 材料喜欢酸性和碱性环境，这就是我们在环境方面的发展方向。因此，我们正在密切跟踪的一个领域是，例如，碳捕获。

碳捕集技术是当今行之有效的技术，但这些工厂的资本成本太高了。

所以我们研究了那个领域，我们的材料和 3D 打印在那个领域有很多机会。很快，我们将宣布与该领域美国领先的政府实验室之一合作。

我们也喜欢制药工艺和生物工艺领域，您需要一种具有我们聚合物正确属性的材料，以提高工艺效率并降低资本成本。

很明显，在目前 COVID-19 的情况下，需要扩展其中的一些过程，并且您需要有很多复杂的结构和正确的高纯度化学物质才能在该领域进行实践。我们也在密切跟踪这一点。

聚酮类聚合物做了一些非常有趣的工作。

我们已经花费了数百万美元来了解我们 3D 打印部件的性能。这就是为什么我们的零件是载人航天器飞行的原因，这就是为什么我们的人体中有数千个零件。这是因为我们做了详尽的工作来描述我们打印的内容，让那些非常重视这些结构在实践中所做的事情的人感到舒适。

开发和测试 3D 打印材料的过程是什么样的？

一般分为两部分。当我们开发材料和工艺时，我们会进行内部评估，这通常从我们多年来开发的分析方法到在开发级别完成的相当传统的机械、热、电筛选测试。

一旦你有了基线并说“是的，这是一个可重复的产品，我们理解它”，它会让你到达第一基地。

然后回家，你必须进入每个行业，无论你是印刷、成型、机械加工还是任何你的工艺技术。每个行业都有自己了解性能的方法，无论是 ASTM 标准、ISO 标准、公司特定标准，还是政府标准。

我们在航空航天业有一个很好的例子。在我们完成所有这些工作并确保我们有一个稳定且可重复的过程之后，我们必须做一些符合 MIL 17 标准的事情，以非常高的可预测性对性能进行统计评估，这就是所谓的 B 基础。

但仅该计划就运行了多年，并需要数百万美元。我们与 NASA 和 Northrop Grumman 合作完成了这项工作，因此这是一项相当详尽的针对特定行业的评估。

在生物医学领域，如果我们以我们的脊柱植入物为例，它首先要通过一系列详尽的 ISO 10993 测试，真正评估生物相容性和纯度。一旦你在“好吧，打印的材料是纯净的、生物相容的、无毒的”中选中那个框，那么现在我们想将它用于脊柱植入物。

作为 ASTM F2077 标准的一部分，还有一系列其他专门针对脊柱植入物的机械测试。当你通过这个，然后你可以用这些数据向 FDA 提交。

因此，您必须首先进行自己的内部测试以适应，因为这些其他测试制度非常昂贵。除非您非常有信心通过这些测试，否则您不想这样做。

这适用于每个终端市场，尤其是在我们的材料类别中。对于技术材料，标准较低，因为与最终用途采用相关的风险较低。

众所周知，聚合物在某些应用中被用来代替金属。您能分享一下高性能聚合物如何取代金属材料的例子吗？

回溯 30 年前，我们见证了聚合物材料替代金属的稳步发展。如果您在 1970 年代购买汽车，那么汽车的重量是今天汽车重量的两倍，而且几乎所有东西都是金属的，或者如果您购买了真空吸尘器，它就会由金属制成。

现在，如果你得到这些东西，它们总重量的一小部分，而且大部分是塑料的。因此，聚合物替代金属以实现各种功能的趋势已经非常成熟。

3D 打印只是您能够替代金属的另一种工艺，而替代金属的原因是成本、重量和腐蚀。

我们一直在寻找替代金属的机会，以降低人员成本、减​​轻重量并提高设备效率。很好的例子是脊柱融合器，如果您患有慢性疼痛，可以将您的脊柱融合在一起的融合装置。

这些设备历来由机械加工的钛制成，现在我们用 PEKK 打印它们。

另一个例子是用 3D 打印钛制成的颅骨植入物。今天，我们用 3D 打印的 PEKK 制作它们。

当我们研究碳捕获中的一些东西时，这正是我们现在所关注的：用 3D 打印的 PEKK 代替非常昂贵的机加工不锈钢或钛。

因此，从金属转向聚合物的想法在很长一段时间内一直是该行业的大趋势。过去几年，它一直在加速发展，现在 3D 打印已成为更大故事的一部分，包括石油和天然气和运输等领域，我们正在与行业合作伙伴进行早期开发项目。

说到趋势，您认为 3D 打印材料领域有什么趋势吗？

在金属方面，我们看到人们试图将金属 AM 驱动到更知名和可预测的形态。

我不想太技术化，但 3D 打印金属在道德上并不等同于原始金属、锻造金属或铸造金属。这是一个不同的野兽。

当这个行业第一次变得非常流行时，人们对此有很多困惑。随着时间的推移，人们意识到它是一种不同的动物。现在，他们正在研究材料和工艺技术，以某种方式使金属增材制造更加传统。我认为它将显着推进金属 AM。

在聚合物方面，现在普遍倾向于使用聚合物增材制造服务终端市场。两种主要材料是尼龙 11 和尼龙 12。它们是技术材料，位于聚合物金字塔的中间。

但是，它们的最终用途有限。它们在热或机械上不是特别坚固。

现在人们开始弄清楚如何向上移动金字塔。我们开始看到像巴斯夫这样的公司推出尼龙 6，它可以提高性能。

我认为我们将继续看到越来越多的材料出现在OPM与PEKK以及性能金字塔中间的其他材料之间的趋势。

另一方面，您认为 3D 打印材料行业仍面临哪些挑战？

这是一个基本问题。

当我们多年前开始研究 3D 打印时，我们关注的问题之一是我们的聚合物是否具有 3D 打印的基本属性？这个问题归结为认识到 3D 打印是一个零压力整合过程。

当你成型一种聚合物时，你将它压入模具中，然后将它们全部压扁并得到这种固结。这导致可预测的性能和良好的机械性能。

3D 打印没有那个优点。使用 3D 打印，您可以进行低压固结或零压力固结，就像 FDM 工艺中的细丝熔化并相互叠加。在这个过程中，你最终会得到高达 10% 的空洞，在我的世界里，空洞是糟糕的，因为它们意味着零件不坚固。这对原型来说很棒，但你不会想挂在它上面。

然后你有像OPM这样的粉末床工艺，其中激光将一层粉末熔化在另一层粉末上，但没有压力。要在这些类型的环境中获得可重复的性能，您所依赖的是一种喜欢自我黏附的聚合物。

如果聚合物不能很好地粘合，最终在 Z 方向上的性能就会很差。

PEKK 的独特之处在于它具有粘附于自身的亲和力。这在聚合物领域非常不寻常。

为了回答您的问题，阻碍事物发展的是全新化学的发展。

如果你今天去一家大型化工公司说，“你能不能专门开发一种聚合物来实现这种自我粘附的能力？”他们会看着你很有趣，因为你是在数十亿美元的范围内，并花费数年时间开发新的聚合物。这是一个大问题。

如果你问一位聚合物公司的顾问，在过去的 20 年里有多少真正新的化学物质被开发出来，你可能会说一方面，因为这些投资是如此巨大。而美国企业界对这些东西的胃口并不大。所以这是一个巨大的挑战，坦率地说，我没有看到很多这样的事情发生。

您认为这会在未来几个月和几年内发生变化或演变吗？

基于新化学的新材料平台？我认为这不会发生。那很遥远。

工艺技术将会进步，人们将使用其他独特的填料和增容剂以及施胶化学物质来改进那些现有的材料组以改进事物。所以我认为这可能是事情变得更有趣的地方。

OPM 的未来一年是什么？

我们很幸运，我们属于这个行业的一部分，目前我们不依赖研发合同或风险投资。

我们属于“需求经济”。

尽管我们已经看到，在经历了 COVID 大流行的第一阶段，医院的可用性已经下降，并且不再需要择期手术，但我们已经开始看到业务开始恢复.

这对每个企业来说都是痛苦的，但我们拥有的核心技术将使我们能够继续成长。我们刚刚推出了我们的缝合锚钉产品，这是一个新的低成本产品线，即使考虑到 COVID，我们也有机会将其推向市场。

我们也有我们的注意新市场。我们喜欢碳捕获市场、其他工业领域和生物制药过程市场。

我认为 COVID-19 在某些方面推动了更多的资本，并要求我们自然适合的市场提高效率，鉴于我们材料的性能。

有什么最后的想法吗？

我唯一想说的是，这个特殊时期确实有很多机会。

我认为作为一家 3D 打印公司，我们一直在努力推动真正增加价值的技术.当时代充满挑战和紧迫时，就像现在一样，人们开始寻找降低成本和打入新市场的方法。 CEO 会去找他们的 CTO 说‘嘿，你有什么给我的？我们需要一些新的东西'。

所以如果你真的有一些实质性的东西，而不仅仅是制作原型的另一种方式，如果你有一些以实质性方式弯曲技术弧线的东西，你就会去现在就可以好好听一听。

我们已经看到，在我们过去敲过的一些门的业务中，人们还没有准备好听到它。我们现在开始收到那些回电，说‘嘿，告诉我们可以节省一些钱或更有效地做某事的那件事’。

所以我鼓励读者不要因为拥有真正的技术而沮丧。它真的改变了游戏。这是一个有趣的时刻。