3D 打印创新内部：Oxford Performance Materials 的 Scott DeFelice 谈推进高性能聚合物

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。 ‍

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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热塑性塑料聚芳醚酮 (PAEK) 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公司正在开发此类材料，牛津高性能材料（OPM）就是其中之一。 OPM 总部位于康涅狄格州，特别专注于 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。为了了解有关 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。

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您能告诉我一些有关 Oxford Performance Materials 的信息以及您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。我们把所有的时间都花在了一种叫做聚醚酮酮（PEKK）的特殊聚合物上。自 2000 年以来，我们一直在围绕这种材料开发技术。

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PEKK是热塑性塑料领域食物链顶端的热塑性塑料。它具有优异的热学、化学和机械性能以及生物相容性，是一种超高性能聚合物。

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如今，我们拥有广泛的知识产权和专利组合，涵盖从如何合成 PEKK 到如何加工 PEKK、制备用于 3D 打印的粉末，再到如何使用该材料进行打印。在 3D 打印方面，我们的活动始于大约 10 年前，开发了一种使用 PEKK 进行 3D 打印的选择性激光熔化工艺。 2006 年左右，我们推出了第一款用于医疗领域的商业 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——颅骨植入物，该设备是针对患者的，并由 Zimmer Biomet 在全球范围内分销。我们每天都在持续生产颅骨和面部植入物。三年前，我们从那里转向脊柱植入物，这些产品是与一家名为 RTI Surgical 的公司合作销售的。迄今为止，我们已发货超过 70,000 个脊柱植入物。最近，我们的缝合锚钉运动医学申请再次获得 FDA 批准，该缝合锚钉用于通过手术将软组织重新连接到骨骼上。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，并获得了波音公司和诺斯罗普格鲁曼公司等公司的认证。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赫氏集团，该公司拥有相当大的规模来支持该业务。 OPM 即将进入 3D 打印行业，但从那些从事原型设计然后转向生产零件的人的角度来看，情况并非如此。我们从一家先进材料公司的角度来看待这个问题，由于有趣的技术原因，该公司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。

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您如何看待 3D 打印材料领域多年来的发展？您认为材料成本和材料开发方面的发展轨迹如何？

3D 打印是一个过程，而该过程的独特性和可行性在于其所使用的材料。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功能和感兴趣的最终用途的材料进行打印。例如，我们已经看到，多年来金属增材制造变得非常受欢迎，因为它具有在特定终端市场有用的功能特性。我认为这种趋势将会持续下去。材料（聚合物、金属和其他材料）将继续发展，以便在最终用途市场中实现更强大的功能，无论这些市场是什么。关于成本的有趣之处在于，总是有这样的讨论：“哦，材料太贵了”。我认为，当你进入更高性能的终端市场并且材料变得更强大时，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。但当我们考虑我们所做的事情的成本时，材料成本实际上只占成本的一小部分。剩下的就是质量和监管，以及向高度监管的市场销售产品所必须具备的制造系统，无论是生物医学、太空、国防还是半导体。因此，随着行业不断从原型生产转向最终用途产品，材料的性能变得至关重要，材料成本的影响因素变得越来越少。

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除了医疗之外，您能否扩展到其他行业，这些行业能够从您开发的 3D 打印材料中受益？

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用于波音 CST 100 Starliner 空气复兴系统的 OXFAB® ESD 复杂结构组件 [图片来源：OPM]

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我们从生物医学和航空航天等显而易见的领域开始，因为我们在服务这些市场的业务方面拥有悠久的传统。但现在我们正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，所以这就是我们在环境方面的方向。因此，我们正在密切跟踪的一个领域是碳捕获。碳捕获是当今有效的技术，但这些工厂的资本成本太昂贵。所以我们研究了这个领域，发现我们的材料和 3D 打印在这个领域有很多机会。很快我们将宣布与美国该领域领先的政府实验室之一进行合作。我们还喜欢制药工艺和生物工艺领域，您需要具有我们聚合物正确属性的材料来提高工艺效率并降低资本成本。显然，就目前的 COVID-19 情况而言，需要扩展其中一些流程，并且需要拥有大量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。我们花费了数百万美元来了解 3D 打印零件的性能。这就是为什么我们的部件是飞行的载人航天器，这就是为什么我们的人体中有数千个部件。这是因为我们做了详尽的工作来描述我们打印的内容，以使那些非常认真地对待这些结构在实践中所做的事情的人们感到舒适。

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开发和测试 3D 打印材料的过程是什么样的？

一般有两部分。当我们开发材料和工艺时，我们会进行内部评估，通常从我们多年来开发的分析方法到在开发级别进行的相当传统的机械、热、电气筛选测试。一旦你有了基线并说“是的，这是一个可复制的产品，我们理解它”，它就会让你达到第一基地。然后为了回家，你必须涉足每一个行业，无论你是印刷、成型、机械加工还是无论你的工艺技术是什么。每个行业都有了解性能的已知方法，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拥有稳定且可重复的流程后，我们必须执行 MIL 17 标准，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。但仅该项目就运行了多年并需要数百万美元。我们与美国宇航局和诺斯罗普·格鲁曼公司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，以脊柱植入物为例，它首先经过一系列详尽的 ISO 10993 测试，真正评估生物相容性和纯度。一旦您勾选了“好吧，印刷的材料是纯净且生物相容的，无毒的”复选框，那么现在我们想将其用于脊柱植入物。作为 ASTM F2077 标准的一部分，还有一系列专门针对脊柱植入物的机械测试。当您完成此操作后，您就可以向 FDA 提交该数据。因此，您必须首先进行自己的内部测试才能适应，因为这些其他测试制度非常昂贵。除非您非常有信心能够通过这些测试，否则您不想这样做。这适用于每个终端市场，尤其是我们的材料类别。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。

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众所周知，聚合物在某些应用中可用来替代金属。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，我们已经看到聚合物材料正在稳步取代金属。  如果您在 20 世纪 70 年代购买一辆汽车，汽车的重量是今天汽车重量的两倍，而且大多数东西都是金属的，或者如果您购买了吸尘器，它也会由金属制成。现在，如果你拿到这些东西，它们的总重量只占一小部分，而且大部分是塑料的。因此，聚合物取代金属以实现各种功能的趋势已经非常确定。3D 打印只是另一种可以取代金属的工艺，而取代金属的原因是成本、重量和腐蚀。我们不断寻找金属替代机会，以降低人员成本、减​​轻重量并提高设备效率。很好的例子是脊柱笼，如果您患有慢性疼痛，可以将脊柱融合在一起的融合装置。这些设备过去是由加工钛制成的，现在我们用 PEKK 打印它们。

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另一个例子是由 3D 打印钛制成的颅骨植入物。今天，我们用 3D 打印的 PEKK 来制造它们。当我们研究碳捕获领域的一些材料时，这正是我们现在正在研究的：用 3D 打印 PEKK 取代非常昂贵的机械加工不锈钢或钛。因此，从金属转向聚合物的想法已经成为该行业相当长一段时间的大趋势。在过去的几年里，它一直在加速发展，3D 打印现在已经成为这个更大故事的一部分，包括石油和天然气以及运输等领域，我们与行业合作伙伴正在进行这些领域的早期开发项目。

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说到趋势，您认为 3D 打印材料领域有什么趋势吗？

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[图片来源：OPM] [/caption]在金属方面，我们看到人们试图将金属增材制造推向更已知和可预测的形态。我不想谈太多技术性问题，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。这是一头不同的野兽。当这个行业第一次变得非常流行时，存在很多混乱。随着时间的推移，人们意识到这是一种不同的动物。现在，他们正在研究材料和工艺技术，使金属增材制造在某种程度上更加传统。我认为它将显着推进金属增材制造。在聚合物方面，现在普遍倾向于使用聚合物增材制造来服务终端市场。两种主要材料是尼龙 11 和尼龙 12。这些是技术材料，位于聚合物金字塔的中间。然而，它们的最终用途有限。它们在热学或机械学上不是特别坚固。现在人们开始思考如何向金字塔的上方移动。我们开始看到像巴斯夫这样的公司推出尼龙 6，它可以带来更多的性能。我认为我们将继续看到更多材料出现填补 OPM 与 PEKK 之间的趋势以及处于性能金字塔中间的其他材料。

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另一方面，您认为 3D 打印材料行业仍然面临哪些挑战？

这是一个基本问题。多年前，当我们开始研究 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 3D 打印是一个零压力整合过程的认识。当你模制聚合物时，你将它压入模具中，然后将它们压在一起并得到这种固结。这会带来可预测的性能和良好的机械性能。 3D打印不具备这样的优点。通过 3D 打印，您可以实现低压固结或零压固结，就像 FDM 工艺一样，其中的细丝会熔化并相互叠放。在此过程中，最终会出现高达 10% 的空隙，在我的世界中，空隙很糟糕，因为它们意味着零件不坚固。这对于原型来说非常棒，但你不会想放弃它。然后，您可以使用 OPM 等粉末床工艺，其中激光将一层粉末熔化在另一层粉末之上，但没有压力。在这些类型的环境中要获得可重复的性能，您所依赖的是一种喜欢粘在自身上的聚合物。如果聚合物粘合不好，Z 方向的性能就会很差。 PEKK 的独特之处在于它具有自我粘附的亲和力。这在聚合物领域是很不寻常的。回答你的问题，阻碍事情发展的是全新化学的发展。如果你今天去一家大型化学公司说，“你能开发一种专门具有这种自我粘附能力的聚合物吗？”他们会很有趣地看着你，因为你已经花费了数十亿美元，并且需要很多年的时间来开发新的聚合物。这是一件大事。如果您去询问一位聚合物公司顾问，在过去 20 年里开发了多少真正的新化学物质，您可能会把它放在一方面，因为这些投资是如此巨大。而美国企业界往往对这些东西没有兴趣。所以这是一个巨大的挑战，坦率地说，我并没有看到很多这样的事情发生。

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您认为在未来的几个月和几年里这会改变或发展吗？

基于新颖新化学的新材料平台？我认为这不会发生。那是很遥远的事。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修改现有的材料组以改进性能。所以我认为这可能是事情变得更有趣的地方。

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OPM 未来一年会发生什么？

我们非常幸运，我们处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。我们正处于“需求经济”的一部分。尽管我们已经看到，在经历了新冠病毒大流行的第一阶段后，医院的服务能力已经下降，不再接受择期手术，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。我们现在刚刚推出我们的缝合锚钉产品，这是一种新的低成本产品线，即使考虑到新冠疫情，我们也有机会将其推向市场。

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我们还关注新市场。我们看好碳捕获市场、其他工业领域和生物制药工艺市场。

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我认为，考虑到我们材料的性能，COVID-19 在某种程度上会推动更多的资本，并要求我们更高效地进入我们自然适合的市场。

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最后有什么想法吗？

我唯一想说的是，这个特殊时期确实有大量机会。

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我认为作为一家 3D 打印公司，我们一直在努力推动真正增值的技术。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渗透新市场的方法。首席执行官们会对他们的首席技术官说‘嘿，你有什么可以给我的吗？我们需要一些新的东西。”

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因此，如果你真的有一些实质性的东西，而不仅仅是另一种制作原型的方法，如果你有一些东西能够以实质性的方式改变技术的弧线，那么你现在就会得到很好的聆听。我们已经看到，在我们的业务中，我们过去敲过一些门，但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，告诉我们一些可以省钱或更有效地做某事的事情”。所以我鼓励读者如果拥有真正的技术就不要沮丧。它确实改变了游戏规则。这是一个有趣的时刻。