전문가 인터뷰:Oxford Performance Materials의 Scott DeFelice가 3D 프린팅을 위한 고성능 폴리머의 진화에 대해 설명합니다.

ABS 및 나일론과 같은 범용 폴리머가 현재 3D 프린팅 재료 시장을 지배하고 있지만 열악한 환경과 고온을 견딜 수 있는 강력하고 기능적인 재료에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

고성능 폴리머로 알려진 이러한 재료는 항공우주 및 의료와 같은 산업의 3D 프린팅 사용자가 점점 더 많이 찾는 소재입니다.

현재 3D 프린팅에 사용할 수 있는 주요 고성능 폴리머는 PAEK(폴리아릴에테르케톤) 열가소성 수지 제품군에 속하며 고온 안정성과 뛰어난 기계적 강도를 제공합니다.

현재 시장에 나와 있는 소수의 회사만이 이러한 재료를 개발하고 있으며 그 중 하나는 OPM(Oxford Performance Materials)입니다.

코네티컷에 기반을 둔 OPM은 특히 PAEK 제품군의 PEKK 재료에 중점을 두고 있으며 해당 열가소성 수지에 대한 독점 기술과 장치를 개발했습니다.

OPM과 그 제품에 대해 자세히 알아보기 위해 OPM의 CEO인 Scott DeFelice를 만났습니다. Scott과 함께 3D 인쇄 PEKK의 주요 응용 프로그램과 3D 인쇄 재료 시장을 형성하는 추세 및 과제에 대해 논의했습니다.

Oxford Performance Materials와 회사로서의 사명에 대해 말씀해 주시겠습니까?

Oxford Performance Materials는 2000년에 설립되었습니다. 우리는 고성능 열가소성 소재 회사입니다. 우리는 Poly Ether Ketone Ketone 또는 PEKK라는 특정 폴리머에 모든 시간을 할애했습니다. 그리고 2000년부터 이 소재를 중심으로 기술을 개발해 왔습니다.

PEKK는 열가소성 세계에서 열가소성 식품 사슬의 최상위 제품입니다. 우수한 열적, 화학적, 기계적 특성과 생체적합성으로 인해 초고성능 폴리머입니다.

오늘날 우리는 합성 공장에서 PEKK를 만드는 방법에서 비롯된 광범위한 지적 재산 및 특허 포트폴리오를 보유하고 있습니다. 어떻게 가공하는지, 3D 프린팅을 위한 분말을 준비하는지, 재료로 프린팅하는지에 대한 수준입니다.

3D 프린팅의 측면에서 우리의 활동은 약 10년 전 선택적 레이저 용융의 개발과 함께 시작되었습니다. PEKK로 3D 프린팅하는 과정. 우리는 의료 분야를 위해 2006년경에 최초의 상업용 3D 인쇄 장치를 출시했습니다. 그리고 그것이 3D 프린팅 개발의 시작이었습니다.

2008년 FDA는 Zimmer Biomet에 의해 전 세계적으로 유통되는 환자별 맞춤형 두개골 이식 장치인 우리의 첫 번째 장치를 승인했습니다. 우리는 매일 지속적으로 두개골 및 안면 임플란트를 생산하고 있습니다.

우리는 3년 전에 그곳에서 척추 임플란트로 옮겼고, 그 제품은 RTI Surgical이라는 회사와 제휴하여 판매됩니다. 우리는 지금까지 70,000개 이상의 척추 임플란트를 배송했습니다.

가장 최근에 우리는 연조직을 뼈에 외과적으로 다시 부착하는 데 사용되는 봉합 앵커에 대한 스포츠 의학 신청서에서 또 다른 FDA 승인을 받았습니다.

이와 병행하여 우리는 우주 및 방위 애플리케이션에 사용하기 위한 기술을 개발 및 검증했으며 특히 Boeing과 Northrop Grumman으로부터 인증을 받았습니다. 그 이후로 우리는 그 사업을 전략적 파트너 중 하나인 Hexcel에 매각했으며, Hexcel은 지원하기에 상당한 규모입니다.

OPM이 3D 프린팅 사업에 임하는 것은 프로토타이핑을 하다가 생산 부품으로 옮겨간 사람들의 관점이 아니라, 우리는 흥미로운 기술적 이유 때문에 자신의 재료가 적층 제조에 매우 적합하다는 것을 발견한 첨단 재료 회사의 관점에서 접근하고 있습니다. 이제 우리는 이러한 비즈니스에 수직으로 통합되었으며 재료 및 기술 플랫폼을 계속 활용하고 있습니다.

3D 프린팅 재료 공간이 지난 몇 년 동안 어떻게 발전해 왔으며 재료 비용 및 재료 개발 측면에서 그 궤적이 어디로 가고 있다고 보십니까?

3D 프린팅은 프로세스이며, 그 프로세스를 독특하고 가능하게 만드는 것은 함께 사용되는 재료입니다. 나는 항상 사람들에게 사과를 인쇄할 수 있다고 말하지만 사과는 먹어야 합니다. 따라서 최종 시장 및 최종 용도에 맞는 기능을 가진 재료로 인쇄해야 합니다.

예를 들어, 금속 AM이 특정 최종 시장에서 유용한 기능적 특성을 가지고 있다는 이유로 인해 금속 AM이 얼마나 인기를 얻었는지 살펴보았습니다.

이 추세는 계속될 것이라고 생각합니다. 폴리머, 금속 및 기타 재료는 최종 사용 시장이 무엇이든 관계없이 최종 사용 시장에서 더 큰 기능을 제공할 수 있도록 계속 진화할 것입니다.

비용에 대한 흥미로운 점은 항상 '아, 재료가 너무 비싸다'는 토론이 있었다는 것입니다. 나는 당신이 더 높은 성능의 최종 시장으로 이동하고 재료의 능력이 향상됨에 따라 재료 비용 자체가 실제로 덜 중요해진다고 주장합니다.

예를 들어, 우리는 정형외과용 임플란트를 판매하고 있는데 병원에서 두개골 임플란트를 판매할 때 임플란트는 $10,000에 판매될 수 있습니다. 그러나 우리가 하는 일의 비용을 살펴보면 재료 비용은 실제로 비용의 상당히 작은 구성 요소입니다. 나머지는 생물 의학이든 우주 및 방위 산업이든 반도체이든 고도로 규제된 시장에 판매하기 위해 갖추어야 하는 모든 품질과 규제, 제조 시스템입니다.

따라서 산업이 프로토타입 생산에서 최종 사용 제품으로 계속 진화함에 따라 재료의 성능이 중요해지고 재료 비용의 구성 요소는 원동력이 됩니다.

의료 외에 3D 프린팅용으로 개발한 재료의 이점을 얻을 수 있는 다른 산업으로 확장할 수 있습니까?

우리는 생의학 및 항공 우주와 같은 명백한 장소에서 시작했습니다. 왜냐하면 우리는 해당 시장에 서비스를 제공하는 사업에서 오랜 유산을 가지고 있기 때문입니다. 그러나 이제 우리는 고개를 들어 다른 지역을 둘러보고 있습니다.

최종 시장은 우리 재료의 성능에 매우 민감합니다. 예를 들어, 당사의 PEKK 소재는 산성 및 염기성 환경을 좋아하므로 환경 측면에서 우리가 가는 곳입니다. 따라서 우리가 매우 밀접하게 추적하고 있는 영역 중 하나는 예를 들어 탄소 포집입니다.

탄소 포집은 오늘날 작동하는 기술이지만 이러한 플랜트의 자본 비용은 너무 비쌉니다.

그래서 우리는 그 영역을 보았고 그 영역에서 우리 재료와 3D 프린팅에 대한 많은 기회가 있습니다. 곧 우리는 해당 분야에서 미국의 주요 정부 연구실 중 하나와 협력을 발표할 것입니다.

우리는 또한 공정 효율성을 개선하고 자본 비용을 줄이기 위해 당사 폴리머의 올바른 속성을 가진 재료를 원하는 제약 공정 및 생물공정 분야를 좋아합니다.

분명히 현재 COVID-19 상황에서는 이러한 프로세스 중 일부를 확장할 필요가 있으며 해당 공간에서 연습하려면 복잡한 구조와 올바른 고순도 화학이 많이 필요합니다. 우리는 그것을 아주 밀접하게 추적하고 있습니다.

폴리케톤 계열의 폴리머는 몇 가지 매우 흥미로운 작업을 수행합니다.

우리는 3D 인쇄 부품의 성능을 이해하는 데 수백만 달러를 투자했습니다. 그것이 우리의 부품이 유인 우주선을 날고 있는 이유이고, 이것이 바로 인체에 수천 개의 부품이 있는 이유입니다. 실제로 이러한 구조가 수행하는 작업을 매우 진지하게 생각하는 사람들의 편의를 위해 인쇄할 내용을 특성화하는 철저한 작업을 수행했기 때문입니다.

3D 프린팅을 위한 재료를 개발하고 테스트하는 과정은 어떤 모습인가요?

일반적으로 두 부분으로 나뉩니다. 재료와 공정을 개발할 때 일반적으로 수년에 걸쳐 개발한 분석 방법에서 개발 수준에서 수행되는 상당히 전통적인 기계적, 열적, 전기적 선별 테스트에 이르는 내부 평가를 거칩니다.

기준선이 있고 '예, 이것은 재현 가능한 제품이며 이해합니다'라고 말하면 1루에 도달합니다.

그런 다음 집에 돌아가려면 인쇄, 성형, 기계 가공 또는 프로세스 기술이 무엇이든 모든 산업 분야로 이동해야 합니다. 모든 업계는 그것이 ASTM 표준이든, ISO 표준이든, 회사별 표준이든, 정부 표준이든 상관없이 성능을 이해하는 방법을 알고 있습니다.

우리는 항공우주 산업에서 좋은 본보기를 가지고 있습니다. 모든 작업을 수행하고 안정적이고 반복 가능한 프로세스가 있음을 확인한 후에는 매우 높은 예측 가능성에서 성능에 대한 통계적 평가를 가져오는 MIL 17 표준인 B-Basis라는 작업을 수행해야 했습니다.

하지만 그 프로그램만 해도 몇 년 동안 실행되었고 수백만 달러가 필요했습니다. 우리는 NASA 및 Northrop Grumman과 협력하여 이를 수행했으며, 따라서 상당히 철저한 산업별 평가였습니다.

생체의학에서 척추 임플란트의 경우 생체 적합성과 순도를 실제로 평가하는 철저한 일련의 ISO 10993 테스트를 먼저 거쳤습니다. '인쇄된 재료가 순수하고 생체 적합하며 독성이 없습니다'에서 확인란을 선택하면 이제 척추 임플란트에 사용하려고 합니다.

척추 임플란트에 특정한 ASTM F2077 표준의 일부로 완전히 다른 일련의 기계적 테스트가 있습니다. 이를 통과하면 해당 데이터로 FDA에 제출할 수 있습니다.

이러한 다른 테스트 체제는 매우 비싸기 때문에 편안하게 하려면 먼저 자체 내부 테스트를 수행해야 합니다. 그리고 당신이 그 시험을 통과할 것이라는 큰 확신이 없다면 그렇게 하고 싶지 않을 것입니다.

모든 최종 시장, 특히 우리의 재료 등급에 해당됩니다. 기술 자료의 경우 최종 사용 채택과 관련된 위험이 더 낮기 때문에 표준이 더 낮습니다.

폴리머는 특정 응용 분야에서 금속을 대체하는 데 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 고성능 폴리머가 금속 재료를 대체할 수 있었던 방법의 예를 공유할 수 있습니까?

30년 전으로 돌아가서 우리는 금속을 대체하는 고분자 재료의 꾸준한 발전을 보아 왔습니다. 1970년대에 자동차를 산다면 오늘날 자동차 무게의 두 배에 달하는 자동차 무게가 나가고 대부분이 금속으로 되어 있거나 진공 청소기를 구입했다면 금속으로 만들어졌을 것입니다.

이제 이러한 것들을 얻으면 무게의 일부를 차지하며 대부분 플라스틱입니다. 따라서 다양한 기능을 위해 금속을 대체하는 폴리머의 추세는 매우 잘 정립되어 있습니다.

3D 프린팅은 금속을 대체할 수 있는 또 다른 프로세스일 뿐이며 금속을 대체하는 이유는 비용, 무게 및 부식입니다.

저희는 사람들의 비용을 줄이고 무게를 줄이며 장치의 효율성을 개선하기 위해 금속 교체 기회를 지속적으로 찾고 있습니다. 그 좋은 예는 척추 케이지, 만성 통증이 있는 경우 척추를 함께 융합하는 융합 장치입니다.

이 장치는 역사적으로 기계 가공된 티타늄으로 만들어졌으며 지금은 PEKK로 인쇄하고 있습니다.

또 다른 예는 3D 인쇄된 티타늄으로 만든 두개골 임플란트입니다. 오늘 우리는 3D 프린팅 PEKK로 그것들을 만들고 있습니다.

탄소 포집에 관한 몇 가지를 살펴보면, 바로 지금 우리가 보고 있는 것이 바로 매우 비싼 기계 가공된 스테인리스 스틸 또는 티타늄을 3D 인쇄된 PEKK로 대체하는 것입니다.

금속에서 폴리머로의 전환이라는 아이디어는 꽤 오랫동안 업계의 메가트렌드였습니다. 지난 몇 년 동안 가속화되어 3D 프린팅은 이제 업계 파트너와 함께 초기 단계 개발 프로젝트를 진행 중인 석유 및 가스 및 운송과 같은 영역을 포함하여 더 큰 이야기의 일부입니다.

트렌드라고 하면 3D 프린팅 재료 분야의 트렌드가 있다고 보십니까?

금속성 측면에서 우리는 금속 AM을 더 잘 알려져 있고 예측 가능한 형태로 만들려고 하는 사람들을 보고 있습니다.

너무 기술적인 정보를 얻고 싶지는 않지만 3D 프린팅 금속은 가공되지 않은 금속, 단조 또는 주조 금속과 도덕적으로 동등하지 않습니다. 다른 짐승입니다.

이 산업이 처음 인기를 얻었을 때, 그것에 대해 많은 혼란이 있었습니다. 시간이 지나면서 사람들은 그것이 다른 동물이라는 것을 깨달았습니다. 그리고 이제 그들은 금속 AM을 어떤 식으로든 보다 전통적으로 만드는 재료 및 공정 기술을 연구하고 있습니다. 메탈 AM을 크게 발전시킬 것이라고 생각합니다.

폴리머 측면에서는 이제 폴리머 AM으로 최종 시장에 서비스를 제공하는 일반적인 경향이 있습니다. 이를 위한 두 가지 주요 재료는 나일론 11과 나일론 12입니다. 이들은 기술 재료이며 폴리머 피라미드의 중간에 있습니다.

그러나 최종 용도는 제한적입니다. 그들은 특별히 열적으로나 기계적으로 견고하지 않습니다.

이제 사람들은 피라미드 위로 올라가는 방법을 알아내기 시작했습니다. 우리는 BASF와 같은 회사에서 성능을 조금 더 높여주는 나일론 6을 도입하는 것을 보기 시작했습니다.

OPM이 PEKK와 성능 피라미드의 중간에 있는 다른 재료 사이에 더 많은 재료가 채워지는 추세를 계속 보게 될 것이라고 생각합니다.

반면으로 3D 프린팅 재료 부문이 여전히 직면하고 있다고 생각하는 몇 가지 문제는 무엇입니까?

이것은 근본적인 질문입니다.

몇 년 전 3D 프린팅을 보기 시작했을 때 우리가 살펴본 것 중 하나는 폴리머에 3D 프린팅이 가능한 기본 속성이 있는가 하는 것이었습니다. 그리고 그 질문은 3D 프린팅이 제로 압력 통합 프로세스라는 인식으로 귀결됩니다.

폴리머를 성형할 때 주형으로 뭉개고 모든 것을 뭉쳐서 이 통합을 얻습니다. 그 결과 예측 가능한 성능과 우수한 기계적 특성이 나타납니다.

3D 프린팅에는 그런 미덕이 없습니다. 3D 프린팅을 사용하면 필라멘트가 녹아서 서로 겹쳐지는 FDM 프로세스와 같은 저압 통합 또는 제로 압력 통합이 가능합니다. 그 과정에서 최대 10%의 보이드가 발생하게 되며, 제 세계에서는 보이드가 좋지 않은데, 이는 부품이 견고하지 않다는 것을 의미하기 때문입니다. 프로토타입으로는 훌륭하지만 거기에 매달리고 싶지는 않을 것입니다.

그런 다음 OPM과 같은 분말 베드 공정이 있습니다. 이 공정에서는 레이저가 한 층의 분말을 다른 층 위에서 녹이는 것이지만 압력은 없습니다. 이러한 유형의 환경에서 반복 가능한 성능을 얻기 위해 의존하는 것은 스스로 달라붙는 폴리머입니다.

폴리머가 잘 결합되지 않으면 Z 방향에서 성능이 저하됩니다.

PEKK는 자신에게 달라붙는 친화력을 가지고 있다는 점에서 정말 독특합니다. 이는 폴리머 세계에서 매우 이례적인 일입니다.

귀하의 질문에 답하자면 근본적으로 새로운 화학의 발전이 발목을 잡았다.

오늘날 대형 화학 회사에 가서 '이러한 자체 접착력을 위해 특별히 폴리머를 개발할 수 있습니까?'라고 묻는다면 그들은 당신을 웃기게 볼 것입니다. 수십억 달러 범위와 새로운 폴리머를 개발하는 데 몇 년이 소요됩니다. 큰일입니다.

만약 당신이 폴리머 회사 컨설턴트에게 지난 20년 동안 얼마나 많은 진정으로 새로운 화학물질이 개발되었는지 물으신다면 당신은 아마도 한 손에 꼽을 것입니다. 왜냐하면 그러한 투자가 너무 크기 때문입니다. 그리고 미국 기업은 그런 것에 대한 욕구가 너무 자주 없습니다. 그래서 그것은 큰 도전이며 솔직히 그렇게 많이 일어나지는 않습니다.

앞으로 몇 달, 몇 년 안에 그것이 변하거나 발전할 것이라고 생각하십니까?

새로운 신화학에 기반한 신소재 플랫폼? 나는 그것이 일어날 것이라고 생각하지 않는다. 그것은 매우 멀리 떨어져 있습니다.

공정 기술이 발전하고 사람들이 기존 재료 세트를 다른 고유한 충전제, 상용화제 및 사이징 화학으로 수정하여 개선할 것입니다. 그래서 더 흥미로운 일이 생길 것 같습니다.

올해 OPM은 어떻게 될까요?

우리는 현재 R&D 계약이나 벤처 캐피탈에 의존하지 않는 이 산업의 일부에 속해 있어 매우 운이 좋습니다.

우리는 "필요 경제"의 일부입니다.

우리는 COVID 전염병의 첫 번째 단계를 거치면서 병원 가용성이 서비스로 떨어지고 선택 수술에서 멀어지는 것을 보았지만 이미 비즈니스가 다시 시작하기 시작하는 것을 보기 시작했습니다 .

모든 비즈니스에 고통이 따르지만 우리가 보유한 핵심 기술을 통해 계속 성장할 수 있습니다. 우리는 이제 막 새로운 저비용 제품 라인인 봉합 앵커 제품을 소개하고 있으며, 코로나 상황에서도 이를 시장에 출시할 기회가 있을 것입니다.

우리는 또한 앞장서고 있습니다. 새로운 시장. 우리는 탄소 포집 시장, 기타 산업 분야 및 바이오제약 공정 시장을 좋아합니다.

저는 COVID-19가 어떤 면에서 더 많은 자본을 몰고 우리가 자연스럽게 적합한 시장에 더 많은 효율성을 요구한다고 생각합니다. , 우리 자료의 성능을 감안할 때.

최종 의견이 있으십니까?

내가 말하고 싶은 것은 이 특별한 시기에 상당한 기회가 있다는 것입니다.

3D 프린팅 회사로서 우리는 진정으로 가치를 더하는 기술을 추진하려고 노력해 왔습니다. . 지금처럼 어렵고 촉박한 시대에 사람들은 비용을 절감하고 새로운 시장에 진출할 방법을 찾기 시작했습니다. CEO는 CTO에게 가서 '이봐, 나에게 무엇을 줄 수 있니? 새로운 것이 필요합니다.'

시제품을 만드는 또 다른 방법이 아니라 실질적인 무언가가 있다면, 기술의 발전 방향을 실질적으로 바꾸는 무언가가 있다면 지금 좋은 청취를 얻으려면.

우리는 과거에 우리가 두드린 일부 문을 우리 사업에서 사람들이 들을 준비가 되어 있지 않다는 것을 보았습니다. 그리고 우리는 이제 '이봐, 우리가 돈을 절약하거나 뭔가를 더 효율적으로 할 수 있는 것에 대해 알려줘'라고 말하는 콜백을 받기 시작했습니다.

그래서 독자들이 실제 기술을 가지고 있다면 낙심하지 말라고 권하고 싶습니다. 그것은 정말로 게임을 바꿉니다. 이것은 흥미로운 시간입니다.