현재 3D 프린팅 소재 시장은 ABS, 나일론 등 범용 폴리머가 지배하고 있는 반면, 가혹한 환경과 고온을 견딜 수 있는 강력하고 기능성 소재에 대한 수요가 늘어나고 있습니다.
고성능 폴리머로 알려진 이러한 재료는 항공우주 및 의료와 같은 산업 분야의 3D 프린팅 사용자들 사이에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 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 하나가 OPM(Oxford Performance Materials)입니다. 코네티컷에 본사를 둔 OPM은 특히 PAEK 제품군의 PEKK 소재에 중점을 두고 해당 열가소성 수지를 중심으로 독점 기술과 장치를 개발했습니다. OPM과 그 제품에 대해 자세히 알아보기 위해 회사의 CEO인 Scott DeFelice를 만나봤습니다. Scott과 함께 3D 프린팅 PEKK의 주요 응용 분야와 3D 프린팅 재료 시장을 형성하는 추세 및 과제에 대해 논의했습니다.
Oxford Performance Materials는 2000년에 설립된 고성능 열가소성 소재 회사입니다. 우리는 Poly Ether Ketone Ketone 또는 PEKK라는 특정 폴리머에 모든 시간을 보냈습니다. 그리고 2000년부터 우리는 이 소재를 중심으로 기술을 개발해 왔습니다.
PEKK는 열가소성 세계에서 열가소성 식품 사슬의 최상위에 있습니다. 뛰어난 열적, 화학적, 기계적 특성과 생체적합성을 갖춘 초고성능 폴리머입니다.
오늘날 우리는 합성 수준에서 PEKK를 만드는 방법부터 이를 처리하는 방법, 3D 프린팅용 분말을 준비하는 방법, 재료로 인쇄하는 방법에 이르기까지 광범위한 지적 재산 및 특허 포트폴리오를 보유하고 있습니다. 3D 프린팅과 관련하여 우리의 활동은 약 10년 전 PEKK를 사용하여 3D 프린팅하기 위한 선택적 레이저 용융 공정을 개발하면서 시작되었습니다. 우리는 2006년경 의료 분야를 위한 최초의 상업용 3D 프린팅 장치를 출시했습니다. 그리고 그것이 3D 프린팅 개발의 시작이었습니다. 2008년에 FDA는 Zimmer Biomet이 전 세계적으로 배포하는 환자 맞춤형 두개골 임플란트라는 첫 번째 장치를 승인했습니다. 우리는 매일 두개골 및 안면 임플란트를 지속적으로 생산하고 있습니다. 우리는 3년 전에 그곳에서 척추 임플란트로 전환했으며 해당 제품은 RTI Surgical이라는 회사와 협력하여 판매됩니다. 우리는 현재까지 70,000개 이상의 척추 임플란트를 배송했습니다. 가장 최근에 우리는 연조직을 뼈에 외과적으로 재부착하는 데 사용되는 봉합 앵커에 대한 스포츠 의학 응용 분야에서 또 다른 FDA 승인을 받았습니다. 이와 병행하여 우리는 우주 및 방위 응용 분야에 사용할 기술을 개발 및 검증했으며 특히 Boeing 및 Northrop Grumman으로부터 인증을 받았습니다. 그 이후로 우리는 해당 사업을 상당한 규모의 지원을 제공하는 전략적 파트너 중 하나인 Hexcel에 매각했습니다. OPM은 프로토타입을 제작하다가 생산 부품으로 옮겨간 사람들의 관점이 아니라 3D 프린팅 사업에 접근하고 있습니다. 우리는 흥미로운 기술적 이유로 자사 소재가 적층 가공에 매우 적합하다는 사실을 발견한 첨단 소재 회사의 관점에서 이 문제를 다루고 있습니다. 이제 우리는 이러한 비즈니스에 수직적으로 통합되었으며 우리의 소재 및 기술 플랫폼을 계속해서 활용하고 있습니다.
3D 프린팅은 하나의 과정이며, 그 과정을 독특하고 가능하게 만드는 것은 함께 사용되는 재료입니다. 나는 항상 사람들에게 사과를 인쇄할 수 있지만 사과를 먹어야 한다고 말합니다. 따라서 최종 시장과 관심 있는 최종 용도에 적합한 기능을 갖춘 재료로 인쇄해야 합니다. 예를 들어, 금속 AM이 특정 최종 시장에 유용한 기능적 특성을 갖고 있기 때문에 수년에 걸쳐 매우 인기를 얻었습니다. 나는 이런 추세가 계속될 것이라고 생각한다. 고분자, 금속 등의 재료는 시장이 무엇이든 최종 용도 시장에서 더 큰 기능을 제공할 수 있도록 계속해서 발전할 것입니다. 비용에 관해 흥미로운 점은 '아, 재료가 너무 비싸다'는 논의가 항상 있었다는 것입니다. 나는 더 높은 성능의 최종 시장으로 이동하고 재료의 성능이 향상됨에 따라 재료 비용 자체가 실제로 덜 중요해진다고 주장합니다. 예를 들어, 우리는 정형외과용 임플란트를 판매하고 있으며 병원에서 두개골 임플란트를 판매할 때 해당 임플란트는 $10,000에 판매될 수 있습니다. 그러나 우리가 하는 일의 비용을 살펴보면 재료비는 실제로 비용에서 상당히 작은 부분입니다. 나머지는 생물 의학, 우주 및 방위, 반도체 등 고도로 규제된 시장에 판매하기 위해 갖추어야 하는 품질과 규제, 제조 시스템입니다. 따라서 업계가 프로토타입 생산에서 최종 사용 제품으로 계속 발전함에 따라 재료의 성능이 가장 중요해지고 재료비 구성 요소가 덜 중요한 요소가 됩니다.
Boeing CST 100 Starliner의 공기 활성화 시스템을 위한 OXFAB® ESD 복합 구조 구성요소 [이미지 출처:OPM]
우리는 생의학 및 항공우주 분야에서 사업을 시작했습니다. 왜냐하면 우리는 해당 시장에 서비스를 제공하는 사업에서 오랜 전통을 갖고 있기 때문입니다. 하지만 이제 우리는 고개를 들고 다른 지역을 둘러보고 있습니다. 최종 시장은 우리 소재의 성능에 매우 까다롭습니다. 예를 들어 PEKK 소재는 산성 및 염기성 환경을 좋아하므로 환경 측면에서 우리는 이를 선택합니다. 그래서 우리가 매우 면밀히 추적하고 있는 분야 중 하나는 예를 들어 탄소 포집입니다. 탄소 포집은 오늘날 작동하는 기술이지만 해당 플랜트의 자본 비용이 너무 비쌉니다. 그래서 우리는 그 영역을 살펴보았는데 그 영역에 우리 재료와 3D 프린팅에 대한 많은 기회가 있습니다. 곧 우리는 해당 분야의 미국 최고의 정부 연구소 중 한 곳과의 협력을 발표할 예정입니다. 우리는 또한 공정 효율성을 향상시키고 자본 비용을 줄이기 위해 폴리머의 올바른 속성을 가진 재료를 원하는 제약 공정 및 생물 공정 분야를 좋아합니다. 분명히 현재 코로나19 상황에서는 이러한 프로세스 중 일부를 확장할 필요가 있으며 해당 공간에서 실행하려면 많은 복잡한 구조와 올바른 고순도 화학이 필요합니다. 우리는 그 내용도 매우 면밀히 추적하고 있습니다. 폴리케톤 계열의 폴리머는 매우 흥미로운 작업을 수행합니다. 우리는 3D 프린팅 부품의 성능을 이해하는 데 수백만 달러를 투자했습니다. 이것이 바로 우리의 부품이 유인 우주선을 타고 날아다니는 이유이고, 인체에 수천 개의 부품이 있는 이유입니다. 이는 이러한 구조가 실제로 수행하는 작업을 매우 진지하게 받아들이는 사람들의 편의를 위해 인쇄 내용을 특성화하는 철저한 작업을 수행했기 때문입니다.
일반적으로 두 부분이 있습니다. 재료와 프로세스를 개발할 때 우리는 일반적으로 수년에 걸쳐 개발해 온 분석 방법부터 개발 수준에서 수행되는 상당히 전통적인 기계적, 열적, 전기적 스크리닝 테스트까지 진행되는 내부 평가를 거칩니다. 일단 기준선을 갖고 '예, 이것은 재현 가능한 제품이며 우리는 그것을 이해합니다'라고 말하면 1루로 이동합니다. 그런 다음 집에 돌아가려면 인쇄, 성형, 기계 가공 등 모든 공정 기술을 포함한 모든 산업에 참여해야 합니다. 모든 업계에는 ASTM 표준, ISO 표준, 회사별 표준, 정부 표준 등 성능을 이해하는 방법이 알려져 있습니다. 우리는 항공우주 산업에서 좋은 사례를 갖고 있습니다. 모든 작업을 수행하고 안정적이고 반복 가능한 프로세스를 확보한 후에는 매우 높은 예측 가능성으로 성능을 통계적으로 평가하는 MIL 17 표준을 수행해야 했습니다. 이를 B-Basis라고 합니다. 그러나 그 프로그램만으로도 수년에 걸쳐 실행되었으며 수백만 달러가 필요했습니다. 우리는 NASA 및 Northrop Grumman과 협력하여 이를 수행했으며 이는 상당히 철저한 산업별 평가였습니다. 생의학 분야에서 척추 임플란트의 경우 먼저 생체 적합성과 순도를 실제로 평가하는 일련의 철저한 ISO 10993 테스트를 거쳤습니다. '좋아요, 인쇄된 재료는 순수하고 생체 적합하며 독성이 없습니다.' 확인란을 선택하면 이제 이를 척추 임플란트에 사용하고 싶습니다. 척추 임플란트와 관련된 ASTM F2077 표준의 일부로 완전히 다른 일련의 기계적 테스트가 있습니다. 이를 통과하면 해당 데이터를 FDA에 제출할 수 있습니다. 따라서 다른 테스트 방식은 매우 비용이 많이 들기 때문에 먼저 편안하게 내부 테스트를 수행해야 합니다. 그리고 당신이 그 테스트를 통과할 것이라는 큰 확신이 없다면 그렇게 하고 싶지 않을 것입니다. 이는 모든 최종 시장, 특히 우리 재료 종류에 적용됩니다. 기술 자료의 경우 최종 용도 채택과 관련된 위험이 낮기 때문에 기준이 더 낮습니다.
30년 전으로 돌아가 보면, 우리는 금속을 대체하는 고분자 재료의 꾸준한 발전을 보아왔습니다. 1970년대에 자동차를 구입했다면 자동차의 무게는 오늘날 자동차 무게의 두 배에 달했고 대부분이 금속이었을 것이고, 진공청소기를 구입했다면 금속으로 만들어졌을 것입니다. 이제 그런 것들을 얻으면 무게의 일부만 차지하고 대부분 플라스틱입니다. 따라서 다양한 기능성을 위해 금속을 대체하는 폴리머의 추세는 매우 잘 확립되어 있습니다. 3D 프린팅은 금속을 대체할 수 있는 또 다른 프로세스일 뿐이며 금속을 대체하는 이유는 비용, 무게 및 부식입니다. 우리는 인명 비용을 절감하고 무게를 줄이며 장치 효율성을 향상시킬 수 있는 금속 대체 기회를 지속적으로 찾고 있습니다. 그 좋은 예는 만성 통증이 있는 경우 척추를 서로 융합시키는 척추 케이지, 융합 장치입니다. 이러한 장치는 역사적으로 기계 가공된 티타늄으로 만들어졌지만 이제는 PEKK로 인쇄하고 있습니다.
또 다른 예는 3D 프린팅 티타늄으로 만들어진 두개골 임플란트입니다. 오늘 우리는 3D 프린팅된 PEKK로 그것들을 만들고 있습니다. 탄소 포집에 관한 일부 내용을 살펴보면서 지금 우리가 보고 있는 내용은 매우 값비싼 가공 스테인리스 스틸이나 티타늄을 3D 프린팅된 PEKK로 대체하는 것입니다. 따라서 금속에서 폴리머로 전환한다는 아이디어는 꽤 오랫동안 업계에서 메가트렌드였습니다. 이는 지난 몇 년간 가속화되어 왔으며 이제 3D 프린팅은 석유 및 가스, 운송과 같은 분야를 포함하여 업계 파트너와 함께 초기 단계 개발 프로젝트를 진행 중인 더 큰 이야기의 일부가 되었습니다.
[이미지 출처:OPM] 금속 측면에서는 금속 AM을 더 잘 알려지고 예측 가능한 형태로 만들려고 노력하는 사람들이 있습니다. 너무 기술적인 내용을 다루고 싶지는 않지만 3D 프린팅 금속은 원시 금속, 단조 금속, 주조 금속과 도덕적으로 동일하지 않습니다. 다른 짐승이에요. 업계가 처음 큰 인기를 얻었을 때 이를 둘러싸고 많은 혼란이 있었습니다. 시간이 지나면서 사람들은 그것이 다른 동물이라는 것을 깨달았습니다. 그리고 이제 그들은 어떤 방식으로든 금속 AM을 더욱 전통적으로 만드는 재료 및 공정 기술을 향해 노력하고 있습니다. 저는 이것이 Metal AM을 크게 발전시킬 것이라고 생각합니다. 폴리머 측면에서는 이제 폴리머 AM을 최종 시장에 서비스하려는 일반적인 경향이 있습니다. 이에 대한 두 가지 주요 재료는 나일론 11과 나일론 12입니다. 이들은 기술 재료이며 폴리머 피라미드의 중간에 있습니다. 그러나 최종 사용에는 제한이 있습니다. 열적으로나 기계적으로 특별히 견고하지는 않습니다. 이제 사람들은 피라미드 위로 올라가는 방법을 알아내기 시작했습니다. BASF와 같은 회사가 좀 더 높은 성능을 제공하는 나일론 6을 출시하는 것을 보기 시작했습니다. 성능 피라미드의 중간에 있는 PEKK 및 기타 재료를 사용하여 OPM이 있는 곳 사이를 채우는 데 더 많은 재료가 나타나는 추세를 계속해서 보게 될 것입니다.
이것은 근본적인 질문입니다. 몇 년 전 3D 프린팅을 살펴보기 시작했을 때 우리가 살펴본 것 중 하나는 폴리머가 3D 프린팅에 필요한 기본 속성을 갖고 있는가였습니다. 그리고 그 질문은 3D 프린팅이 무압력 통합 프로세스라는 인식으로 귀결됩니다. 폴리머를 성형할 때, 폴리머를 몰드에 넣고 으깨어 굳히면 됩니다. 이를 통해 예측 가능한 성능과 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있습니다. 3D 프린팅에는 그런 장점이 없습니다. 3D 프린팅을 사용하면 필라멘트가 녹아서 서로 겹쳐지는 FDM 프로세스와 같은 저압 통합 또는 무압 통합이 가능합니다. 그 과정에서 최대 10%의 빈 공간이 생기고, 제가 보기에 빈 공간은 부품이 견고하지 않다는 의미이기 때문에 나쁩니다. 프로토타입으로는 훌륭하지만 거기에 매달리고 싶지는 않을 것입니다. 그런 다음 레이저가 한 층의 분말을 다른 층 위에 녹이는 OPM과 같은 분말 베드 공정이 있지만 압력은 없습니다. 이러한 유형의 환경에서 반복 가능한 성능을 얻기 위해 의존하는 것은 스스로 달라붙는 것을 좋아하는 폴리머입니다. 폴리머가 잘 결합되지 않으면 Z 방향에서 성능이 저하됩니다. PEKK는 그 자체로 달라붙는 친화력이 있다는 점에서 정말 독특합니다. 이는 폴리머 세계에서는 매우 이례적인 일입니다. 귀하의 질문에 대답하자면, 상황을 방해하는 것은 근본적으로 새로운 화학의 발전이었습니다. 오늘 대형 화학 회사 중 한 곳에 가서 '이런 자기 접착 능력을 위한 폴리머를 특별히 개발할 수 있습니까?'라고 말한다면 그들은 당신이 수십억 달러 범위에 있고 새로운 폴리머를 개발하는 데 수년이 걸리기 때문에 당신을 웃기게 볼 것입니다. 큰일이다. 폴리머 회사 컨설턴트에게 지난 20년 동안 얼마나 많은 새로운 화학 물질이 개발되었는지 물어본다면 아마도 그 투자가 매우 막대하기 때문에 한 손에 꼽을 것입니다. 그리고 미국 기업은 그런 것에 대한 욕구가 너무 자주 없습니다. 그래서 이것은 큰 도전이고 솔직히 그런 일이 많이 일어나는 것을 보지 못합니다.
새로운 신화학을 기반으로 한 신소재 플랫폼? 나는 그런 일이 일어날 것이라고 생각하지 않습니다. 아주 먼 곳이군요. 공정 기술이 발전하고 사람들은 사물을 개선하기 위해 다른 고유한 충전제, 상용화제 및 사이징 화학을 사용하여 기존 재료 세트를 수정하게 될 것입니다. 그래서 아마 상황이 더 흥미로워질 것 같아요.
우리가 현재 R&D 계약이나 벤처 캐피탈에 의존하지 않는 이 업계에 속해 있다는 것은 정말 행운입니다. 우리는 "필요경제"의 일부에 속해 있습니다. 우리는 코로나19 대유행 병원 가용성의 첫 번째 단계를 거쳐 서비스가 중단되고 선택적 수술이 중단되는 것을 보았지만 이미 비즈니스가 다시 시작되는 것을 보기 시작했습니다. 모든 사업이 고통스러웠지만, 우리가 보유한 핵심 기술은 우리가 계속 성장할 수 있게 해줄 것입니다. 우리는 이제 막 새로운 저가형 제품 라인인 봉합 앵커 제품을 출시하고 있으며, 코로나19 사태가 발생하더라도 이를 시장에 출시할 수 있는 기회를 갖게 될 것입니다.
우리는 또한 새로운 시장에 대해서도 고민하고 있습니다. 우리는 탄소 포집 시장, 기타 산업 분야, 바이오제약 공정 시장을 좋아합니다.
코로나19는 어떤 면에서 우리 소재의 성능을 고려할 때 우리가 자연스럽게 적합한 시장에 대해 더 많은 자본을 창출하고 더 많은 효율성을 요구한다고 생각합니다.
제가 말씀드리고 싶은 유일한 것은 이 특별한 시기에는 상당한 기회가 있다는 것입니다.
3D 프린팅 회사로서 우리는 진정으로 가치를 더하는 기술을 추진하려고 노력해 왔습니다. 지금처럼 어렵고 어려운 시대에 사람들은 비용을 절감하고 새로운 시장에 진출할 수 있는 방법을 찾기 시작했습니다. CEO들은 CTO에게 가서 '이봐, 나에게 무엇을 줄까? 새로운 것이 필요합니다."
따라서 프로토타입을 만드는 또 다른 방법이 아니라 실제로 실질적인 무언가가 있다면, 실질적인 방식으로 기술의 원호를 구부리는 무언가가 있다면 지금 잘 들어보실 수 있을 것입니다. 우리는 과거에 우리가 문을 두드린 적이 있는 사업에서 사람들이 그 말을 들을 준비가 되어 있지 않다는 것을 보았습니다. 그리고 이제 '저희가 돈을 절약하거나 더 효율적으로 일할 수 있는 방법에 대해 알려주세요'라는 콜백을 받기 시작했습니다. 그래서 독자들에게 진짜 기술이 있다면 실망하지 말라고 권하고 싶습니다. 정말 게임이 바뀌었습니다. 정말 흥미로운 시간입니다.
3D 프린팅
배경 핀볼은 오락실에서 자주 볼 수 있는 인기 있는 코인 게임입니다. 플레이어는 복잡한 경로를 통해 작은 공을 쏘고 유리 아래 경기장에서 목표물을 향합니다. 공은 경기장에 연결된 지느러미라고 불리는 스윙 암으로 조작됩니다. 게임은 밝은 색상과 조명을 사용하며 특히 젊은이들에게 어필합니다. 핀볼의 기원은 오래되었지만 미국에서 핀볼의 전성기는 1930년대에서 1970년대 사이였습니다. 연혁 핀볼은 루이 14세 시대 프랑스에서 유행한 대리석 게임에서 발전했습니다. 프랑스 게임은 바가텔(Bagatelle)이라고 불렸는데, 이는
러스트 벨트의 오하이오 부분의 북동쪽 모서리에 위치한 또 다른 도시는 오하이오 주 애크런입니다. Youngstown과 마찬가지로 Akron은 한때 산업의 메카였습니다. 일부 산업은 사라졌지만 다른 산업은 여전히 시장에서 경쟁력을 유지하기 위해 로봇 기술을 사용하여 번창하고 있습니다. Akron은 세계에서 가장 큰 타이어 회사 중 하나인 Goodyear Tires의 글로벌 본사가 있는 곳입니다. Goodyear와 같은 회사는 제품 취급과 관련하여 로봇 자동화의 이점을 누리고 있습니다. 로봇이 타이어를 이동하고 팔레트에 적재하면
