深度专访：Oxford Performance Materials CEO Scott DeFelice 推进高性能聚合物 3D 打印

当前通用聚合物如 ABS 和尼龙主导 3D 打印材料市场，但对能承受恶劣环境和高温的强功能性材料的需求正在增长。‍

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这些材料被称为高性能聚合物，日益受到航空航天、医疗等行业 3D 打印用户青睐。目前可用于 3D 打印的关键高性能聚合物属于聚芳醚酮（PAEK）热塑性塑料家族，提供高温稳定性和优异机械强度。市场上仅有少数公司开发此类材料，Oxford Performance Materials (OPM) 便是其中之一。总部位于康涅狄格州的 OPM 专注于 PAEK 家族中的 PEKK 材料，并围绕该热塑性塑料开发了专有技术和设备。为深入了解 OPM 及其产品，我们采访了公司 CEO Scott DeFelice。与 Scott 讨论了 3D 打印 PEKK 关键应用、塑造 3D 打印材料市场的趋势与挑战。

能否介绍一下 Oxford Performance Materials 和公司使命？

Oxford Performance Materials 成立于 2000 年。我们是一家高性能热塑性材料公司。我们所有时间都投在一种聚合物上，叫聚醚酮酮，即 PEKK。自 2000 年起，我们一直在围绕这种材料开发技术。

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PEKK 是热塑性塑料世界食物链顶端的材料。因其卓越的热学、化学、机械性能和生物相容性，它是超高性能聚合物。

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今天，我们拥有从 PEKK 合成制造、加工、3D 打印粉末制备到打印工艺的广泛知识产权和专利组合。就 3D 打印而言，我们活动始于约 10 年前，开发选择性激光熔融工艺 3D 打印 PEKK。我们约 2006 年推出首批商业 3D 打印医疗器械。那是 3D 打印发展的起点。2008 年 FDA 批准我们首个器械——患者专用颅骨植入体，由 Zimmer Biomet 全球分销。我们持续每天生产颅面植入体。三年前进军脊柱植入体，产品与 RTI Surgical 合作销售。迄今已出货 7 万多枚脊柱植入体。最近又在运动医学应用获 FDA 批准缝合锚钉，用于手术将软组织重新固定到骨骼。并行地，我们为航天国防应用开发验证技术，获波音、诺斯罗普·格鲁曼等认证。随后将该业务出售给战略合作伙伴 Hexcel，后者具备支持其规模的实力。OPM 切入 3D 打印业务，不是从原型转向生产零件的角度，而是作为先进材料公司，发现其材料因有趣技术原因极适合增材制造。我们现垂直整合进那些业务，持续开发利用我们的材料和技术平台。

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如何看待 3D 打印材料领域多年的发展，以及材料成本和开发的未来轨迹？

3D 打印是个工艺，让该工艺独特且赋能的是所用材料。我常告诉人们：你能打印个苹果，但随后得吃掉它。所以必须用具备终端市场和终端用途所需功能性的材料打印。我们看到多年来，如金属增材制造因在特定终端市场具功能性而大受欢迎。我认为这趋势将持续。材料——聚合物、金属及其他——将持续演进，以在终端用途市场实现更大功能性，无论那些市场是什么。成本有趣之处在于，一直有"材料太贵"的讨论。我认为随着向更高性能终端市场迈进、材料变得更强，材料成本本身反而变得不那么重要。例如我们销售骨科植入体，颅骨植入体在医院可能卖 1 万美元。但看我们成本，材料成本其实是相当小的成分。其余全是质量、法规、制造体系，为进入高度监管市场（无论生物医疗、航天国防、半导体）必须建立的体系。所以，随着行业持续从原型生产向终端用途产品演进，材料性能才是关键，材料成本成分不再是驱动因素。

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除医疗外，还有哪些行业能从你们为 3D 打印开发的材料受益？

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我们从显而易见的领域起步：生物医疗和航空航天，因我们在服务这些市场上有长期积淀。但现在我们抬头看其他领域。终端市场非常取决于我们材料的性能。例如我们的 PEKK 材料喜欢酸碱环境，所以我们在那方向寻找环境机会。我们密切关注的一个领域是碳捕集。碳捕集技术当前可行，但工厂资本成本太高。我们审视该领域，发现我们的材料和 3D 打印有大量机会。即将宣布与美国一家领先政府实验室在该领域合作。我们也看好制药工艺和生物工艺领域，那里需要具备我们聚合物正确属性的材料来提升工艺效率、降低资本成本。显然新冠疫情当前，需要规模化这些工艺，需要大量复杂结构和正确的高纯化学环境。我们也在密切跟踪。聚酮类聚合物能做些非常有趣的工作。我们投入数百万美元理解 3D 打印零件性能。这就是为什么我们的零件飞载人航天器、为什么人体内有数千零件。因为我们做了详尽的表征工作，让极认真对待这些结构实战表现的人放心。

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为 3D 打印开发和测试材料的流程是怎样的？

通常分两部分。开发材料和工艺时，我们先做内部评估，从我们多年开发的分析方法，到常规力学、热学、电学筛选测试，在开发层面进行。建立基线并确认"是的，这是可复现产品且我们理解它"后，到达一垒。要全垒打，必须在每个行业——无论打印、注塑、机加工或任何工艺技术——按其已知方式理解性能，无论是 ASTM 标准、ISO 标准、公司特定标准还是政府标准。航空航天有个好例子。完成所有工作确保稳定可复现工艺后，必须按 MIL-17 标准做统计性能评估，达到极高可预测性，称 B-Basis。仅该项目就耗时数年、花费数百万。我们与 NASA 和诺斯罗普·格鲁曼合作完成，是相当详尽的行业特定评估。生物医疗方面，以脊柱植入体为例，先经 ISO 10993 详尽系列测试，评估生物相容性和纯度。确认"打印材料纯净、生物相容、无毒"后，现在要用在脊柱植入体。还有 ASTM F2077 标准下针对脊柱植入体的整套力学测试。通过后，才能带数据向 FDA 提交。所以必须先做内部测试建立信心，因为那些测试体系极昂贵。除非极有把握通过，否则不想做。这适用于每个终端市场，特别是我们这类材料。技术类材料标准较低，因终端采用风险较低。

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众所周知聚合物在某些应用中替代金属。能否分享高性能聚合物替代金属材料的案例？

回溯 30 年，我们见证聚合物材料替代金属的稳步进步。70 年代买车，车重是今天的两倍，几乎全金属；买吸尘器也是金属。现在那些东西重量只有分数，多为塑料。聚合物替代金属以实现成本、重量、耐腐蚀等功能的超级趋势已确立。3D 打印只是另一种能替代金属的工艺，替代理由是成本、重量、腐蚀。我们持续寻找金属替代机会，为人们降本、减重、提升器件效率。好例子是脊柱融合器——融合脊柱缓解慢性疼痛的装置。历史上用机加工钛制造，现在我们用 PEKK 打印。

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另例是颅骨植入体，过去用 3D 打印钛。今天我们用 3D 打印 PEKK 制造。看碳捕集领域，正是我们现在在看的：用 3D 打印 PEKK 替代极昂贵的机加工不锈钢或钛。所以从金属转向聚合物的想法在行业是持续已久的超级趋势。近年加速，3D 打印现在成为那个大故事一部分，包括石油天然气、运输等领域，我们与行业合作伙伴有早期开发项目。

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说到趋势，你在 3D 打印材料领域看到什么趋势？

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金属端，看到人们试图推动金属增材制造向更已知、可预测的形态发展。不想太技术化，但 3D 打印金属不是原始、锻造或铸造金属的道德等价物。它是不同物种。行业初期流行时，对此有很多困惑。随时间人们意识到它是不同动物。现在，他们在朝让金属增材制造材料和工艺技术更常规化的方向努力。我认为这将显著推进金属增材制造。聚合物端，现在普遍趋势是用聚合物增材制造服务终端市场。两大主导材料是尼龙 11 和尼龙 12。这些是技术材料，处于聚合物金字塔中部。但终端用途有限。热学、力学不特别强健。现在人们开始摸索如何向金字塔上层迈进。看到 BASF 等公司推出尼龙 6，买到更多性能。我认为将继续见到更多材料出现，填补 OPM 的 PEKK 与中部性能金字塔之间的空白。

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反面来看，3D 打印材料领域仍面临哪些挑战？

这是根本问题。多年前我们开始看 3D 打印时，其中一件事是看我们的聚合物是否具备 3D 打印的基本属性。这归结为认识到 3D 打印是零压力致密化工艺。注塑聚合物时，你把它塞进模具、挤压在一起，得到致密化。这带来可预测性能和良好力学性能。3D 打印没有这美德。3D 打印中，你有低压或零压力致密化，像 FDM 将熔融丝材层层铺叠。该工艺导致高达 10% 空隙，在我这空隙是坏事，意味着零件不稳健。做原型很棒但你不想挂在上面。然后有像 OPM 这种粉床工艺，激光熔融层层粉末，但无压力。依靠聚合物喜欢粘自己来获得可复现性能。若聚合物不自粘，Z 向性能差。PEKK 在这方面极独特，因其有自粘亲和力。这在聚合物世界罕见。回答你的问题，阻碍发展的是根本新化学的开发。若去大化工公司说："能否专门为这种自粘能力开发聚合物？" 他们会奇怪地看你，因为那是十亿美元级、数年研发。大事。若问聚合物顾问过去 20 年开发了多少真正新化学，大概一只手数得过来，因为投资太大。美国企业界对那东西胃口不大。所以是大挑战，坦白说我不见很多那种事发生。

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你认为未来几个月几年会改变或演进吗？

基于新颖化学的新材料平台？我认为不会发生。极遥远。工艺技术会进步，人们会用其他独特填料、相容剂、定型化学改性现有材料体系来改进。所以我认为那才是更有趣的方向。

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OPM 来年有何规划？

我们相当幸运，处于行业这个部分，不依赖研发合同或风投。我们在"需求经济"部分。虽见新冠疫情第一阶段医院可用性转向服务、远离选择性手术，但业务已开始回暖。对每家企业都痛苦，但核心技术让我们继续增长。我们刚推出缝合锚钉产品，新的低成本产品线，即使有新冠也将有机会推向市场。

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我们也抬头看新市场。喜欢碳捕集市场、其他工业领域、生物制药工艺市场。

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我认为新冠在某些方面驱动更多资本和效率需求，指向我们因材料性能天然适配的市场。

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最后想法？

唯一想说的是，这个特定时期确实有实质性机会。

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作为 3D 打印公司，我们一直试图推动真正增值的技术。当时期艰难紧绷如现在，人们开始找降本和渗透新市场的路。CEO 找 CTO 说："嘿，你有什么？我们需要新东西。"

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所以如果你真有实质东西、不仅仅是另一种做原型的法子、如果你有实质性弯曲技术弧线的东西，现在会得到好听众。我们在业务中见过：过去敲过的门，人们不愿听。现在开始收到回调："嘿，告诉我们那个能省钱或更高效的事。"所以鼓励读者：若有真技术，别灰心。真改变游戏规则。这是有趣时刻。