Wawancara Pakar:Scott DeFelice dari Oxford Performance Materials tentang Evolusi Polimer Berkinerja Tinggi untuk Pencetakan 3D
Sementara polimer penggunaan umum, seperti ABS dan nilon, saat ini mendominasi pasar bahan cetak 3D, ada permintaan yang meningkat akan bahan fungsional yang kuat yang dapat bertahan di lingkungan yang keras dan suhu tinggi.
Bahan ini, yang dikenal sebagai polimer berperforma tinggi, semakin dicari oleh pengguna pencetakan 3D di industri seperti dirgantara dan medis.
Polimer berkinerja tinggi utama yang saat ini tersedia untuk pencetakan 3D milik keluarga termoplastik Polyaryletherketone (PAEK), menawarkan stabilitas suhu tinggi dan kekuatan mekanik yang hebat.
Hanya beberapa perusahaan di pasar yang saat ini mengembangkan bahan tersebut, salah satunya Oxford Performance Materials (OPM).
Berbasis di Connecticut, OPM secara khusus berfokus pada bahan PEKK dari keluarga PAEK dan telah mengembangkan teknologi dan perangkat eksklusif di sekitar termoplastik tersebut.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang OPM dan penawarannya, kami menghubungi CEO perusahaan, Scott DeFelice. Dengan Scott, kami telah membahas aplikasi utama untuk PEKK cetak 3D, serta tren dan tantangan yang membentuk pasar bahan cetak 3D.
Bisakah Anda ceritakan sedikit tentang Oxford Performance Materials dan misi Anda sebagai perusahaan?
Oxford Performance Materials didirikan pada tahun 2000. Kami adalah perusahaan material termoplastik berkinerja tinggi. Kami telah menghabiskan seluruh waktu kami pada satu polimer tertentu yang disebut Poli Eter Keton Keton atau PEKK. Dan sejak tahun 2000, kami telah mengembangkan teknologi seputar materi ini.
PEKK adalah puncak rantai makanan termoplastik di dunia termoplastik. Ini adalah polimer berperforma super tinggi karena sifat termal, kimia dan mekaniknya yang sangat baik serta biokompatibilitasnya.
Saat ini, kami memiliki portofolio luas kekayaan intelektual dan paten yang berasal dari bagaimana seseorang membuat PEKK di sintetis tingkat bagaimana seseorang memprosesnya, menyiapkan bubuk untuk pencetakan 3D, hingga bagaimana seseorang mencetak dengan bahan.
Dalam hal pencetakan 3D, kegiatan kami dimulai sekitar 10 tahun yang lalu dengan pengembangan peleburan laser selektif proses cetak 3D dengan PEKK. Kami meluncurkan perangkat cetak 3D komersial pertama kami sekitar tahun 2006 untuk bidang medis. Dan itulah awal dari perkembangan pencetakan 3D.
Pada tahun 2008, FDA membersihkan perangkat pertama kami, implan tengkorak, yang khusus untuk pasien dan didistribusikan ke seluruh dunia oleh Zimmer Biomet. Kami memiliki produksi yang berkelanjutan membuat implan tengkorak dan wajah setiap hari.
Kami pindah dari sana ke implan tulang belakang lebih dari tiga tahun yang lalu, dan produk tersebut dijual dalam kemitraan dengan perusahaan bernama RTI Surgical. Kami telah mengirimkan lebih dari 70.000 implan tulang belakang hingga saat ini.
Baru-baru ini, kami telah menerima izin FDA lain dalam aplikasi kedokteran olahraga untuk jangkar jahitan, yang digunakan untuk menyambungkan kembali jaringan lunak ke tulang melalui pembedahan.
Sejajar dengan ini, kami mengembangkan dan memvalidasi teknologi kami untuk digunakan dalam aplikasi luar angkasa dan pertahanan serta menerima sertifikasi antara lain dari Boeing dan Northrop Grumman. Sejak itu, kami menjual bisnis itu ke salah satu mitra strategis kami, Hexcel, yang memiliki skala besar untuk mendukungnya.
OPM datang di bisnis pencetakan 3D, bukan dari sudut pandang orang-orang yang, katakanlah, dalam pembuatan prototipe dan kemudian pindah ke bagian produksi. Kami datang dari sudut pandang perusahaan material canggih yang menemukan bahwa material mereka akan sangat baik untuk pembuatan aditif, karena alasan teknis yang menarik. Kami sekarang terintegrasi secara vertikal ke dalam bisnis tersebut dan terus mengeksploitasi material dan platform teknologi kami.
Bagaimana Anda melihat ruang bahan cetak 3D telah berkembang selama bertahun-tahun, dan di mana Anda melihat lintasan itu dalam hal biaya bahan dan pengembangan bahan?
Pencetakan 3D adalah sebuah proses, dan apa yang membuat proses itu unik dan memungkinkan adalah bahan yang digunakan dengannya. Saya selalu memberi tahu orang-orang bahwa Anda dapat mencetak sebuah apel, tetapi kemudian Anda harus memakannya. Jadi Anda harus mencetak dengan bahan yang memiliki fungsi untuk pasar akhir dan penggunaan akhir yang menarik.
Kami telah melihat bagaimana selama bertahun-tahun, misalnya, AM logam menjadi sangat populer karena memiliki sifat fungsional yang berguna di pasar akhir tertentu.
Saya rasa tren ini akan terus berlanjut. Material – polimer, metalik, dan lainnya – akan terus berkembang untuk memungkinkan fungsionalitas yang lebih besar di pasar pengguna akhir, terlepas dari apa pasar tersebut.
Yang menarik dari segi biaya adalah selalu ada diskusi 'Oh, bahannya terlalu mahal'. Saya berpendapat bahwa ketika Anda pindah ke pasar akhir kinerja yang lebih tinggi dan bahan menjadi lebih mampu, biaya bahan itu sendiri sebenarnya menjadi kurang signifikan.
Misalnya, kami menjual implan ortopedi dan ketika kami menjual implan tengkorak di rumah sakit, implan tersebut dapat dijual seharga $10.000. Tetapi ketika kita melihat biaya dari apa yang kita lakukan, biaya material sebenarnya merupakan komponen biaya yang cukup kecil. Selebihnya adalah kualitas dan regulasi, sistem manufaktur yang harus dimiliki seseorang untuk menjual ke pasar yang sangat teregulasi, baik itu biomedis atau ruang dan pertahanan atau semikonduktor.
Jadi, ketika industri terus berkembang dari produksi prototipe menuju produk penggunaan akhir, kinerja material adalah yang terpenting dan komponen biaya material menjadi kurang pendorong.
Dapatkah Anda mengembangkan industri lain, selain medis, yang dapat memanfaatkan materi yang Anda kembangkan untuk pencetakan 3D?
Kami mulai di tempat yang jelas, biomedis dan luar angkasa, karena kami memiliki warisan panjang dalam bisnis kami melayani pasar tersebut. Tetapi sekarang kami mengangkat kepala dan melihat-lihat area lain.
Pasar akhir sangat khusus untuk kinerja bahan kami. Materi PEKK kami, misalnya, menyukai lingkungan asam dan basa, jadi ke sanalah kami dalam hal lingkungan. Jadi satu area yang kami lacak cukup dekat adalah, misalnya, penangkapan karbon.
Penangkapan karbon adalah teknologi yang bekerja saat ini, tetapi biaya modal tanaman tersebut terlalu mahal.
Jadi kami melihat area itu dan ada banyak peluang untuk materi dan pencetakan 3D kami di area itu. Sebentar lagi kami akan mengumumkan kolaborasi dengan salah satu lab pemerintah AS terkemuka di bidang itu.
Kami juga menyukai proses farmasi dan area bioproses di mana Anda menginginkan bahan dengan atribut yang tepat dari polimer kami untuk meningkatkan efisiensi proses dan mengurangi biaya modal.
Jelas dengan situasi COVID-19 sekarang, ada kebutuhan untuk menskalakan beberapa proses ini dan Anda perlu memiliki banyak struktur kompleks dan kimia kemurnian tinggi yang tepat untuk berlatih di ruang itu. Kami juga melacaknya dengan cukup dekat.
Polimer kelas Polyketones melakukan beberapa pekerjaan yang sangat menarik.
Kami telah menghabiskan jutaan dolar untuk memahami kinerja komponen cetak 3D kami. Itu sebabnya bagian kita adalah pesawat ruang angkasa berawak terbang, itu sebabnya kita memiliki ribuan bagian dalam tubuh manusia. Itu karena kami melakukan pekerjaan yang mendalam untuk mencirikan apa yang kami cetak untuk kenyamanan orang-orang yang menganggap sangat serius apa yang dilakukan struktur ini dalam praktiknya.
Seperti apa proses pengembangan dan pengujian materi untuk pencetakan 3D itu?
Umumnya ada dua bagian. Saat kami mengembangkan bahan dan proses, kami menjalani penilaian internal, yang umumnya beralih dari metode analitik yang telah kami kembangkan selama bertahun-tahun hingga pengujian penyaringan mekanis, termal, listrik yang cukup konvensional yang dilakukan pada tingkat pengembangan.
Setelah Anda memiliki dasar dan mengatakan 'Ya, ini adalah produk yang dapat direproduksi dan kami memahaminya', itu membawa Anda ke basis pertama.
Kemudian untuk pulang, Anda harus pergi ke setiap industri, apakah Anda mencetak atau mencetak atau permesinan atau apa pun teknologi proses Anda. Setiap industri telah mengetahui cara bagi mereka untuk memahami kinerja, apakah itu standar ASTM, standar ISO atau standar khusus perusahaan, atau standar pemerintah.
Kami memiliki contoh yang baik dalam industri kedirgantaraan. Setelah kami melakukan semua pekerjaan itu dan memastikan bahwa kami memiliki proses yang stabil dan dapat diulang, kami kemudian harus melakukan sesuatu yang merupakan standar MIL 17 yang menghasilkan penilaian statistik kinerja pada prediktabilitas yang sangat tinggi, dan itu disebut B-Basis.
Tetapi program itu sendiri berjalan beberapa tahun dan membutuhkan jutaan dolar. Kami melakukannya dengan bekerja sama dengan NASA dan Northrop Grumman, jadi itu adalah penilaian khusus industri yang cukup lengkap.
Dalam biomedis, jika kita mengambil kasus implan tulang belakang kita, pertama-tama melewati serangkaian tes ISO 10993 yang benar-benar menilai biokompatibilitas dan kemurnian. Setelah Anda mencentang kotak di 'Oke, bahan yang dicetak adalah murni dan biokompatibel, tidak beracun', sekarang kami ingin menggunakannya dalam implan tulang belakang.
Ada serangkaian tes mekanis lainnya sebagai bagian dari standar ASTM F2077 yang khusus untuk implan tulang belakang. Ketika Anda berhasil melewatinya, maka Anda dapat mengajukan permohonan ke FDA dengan data tersebut.
Jadi, Anda harus melakukan pengujian internal terlebih dahulu untuk mendapatkan kenyamanan, karena rezim pengujian lain ini sangat mahal. Dan Anda tidak ingin melakukan itu kecuali Anda memiliki keyakinan besar bahwa Anda akan lulus ujian itu.
Itu berlaku untuk setiap pasar akhir, terutama di kelas material kami. Untuk bahan teknis, standarnya lebih rendah karena risiko yang terkait dengan adopsi penggunaan akhir lebih rendah.
Sudah diketahui bahwa polimer digunakan untuk menggantikan logam dalam aplikasi tertentu. Bisakah Anda membagikan contoh bagaimana polimer berperforma tinggi dapat menggantikan bahan logam?
Kembali ke 30 tahun yang lalu, kami telah melihat kemajuan yang stabil dari bahan polimer menggantikan logam. Jika Anda membeli mobil di tahun 1970-an, berat mobil dua kali lipat dari berat mobil saat ini dan hampir semuanya terbuat dari logam, atau jika Anda membeli penyedot debu, itu akan terbuat dari logam.
Sekarang jika Anda mendapatkan barang-barang itu, jumlahnya hanya sebagian kecil dari beratnya dan sebagian besar terbuat dari plastik. Jadi tren polimer yang menggantikan logam untuk berbagai fungsi sudah sangat mapan.
Pencetakan 3D hanyalah proses lain di mana Anda dapat mengganti logam dan alasan untuk mengganti logam adalah biaya, berat, dan korosi.
Kami terus mencari peluang penggantian logam untuk mengurangi biaya bagi orang-orang, mengurangi berat, dan meningkatkan efisiensi perangkat. Contoh bagusnya adalah sangkar tulang belakang, perangkat fusi yang menyatukan tulang belakang Anda jika Anda menderita sakit kronis.
Perangkat ini secara historis dibuat dari titanium mesin dan sekarang kami mencetaknya dengan PEKK.
Contoh lain adalah implan tengkorak yang dibuat dari titanium cetak 3D. Hari ini, kami membuatnya dari PEKK yang dicetak 3D.
Saat kami melihat beberapa hal dalam penangkapan karbon, itulah yang kami lihat sekarang:mengganti baja tahan karat atau titanium yang sangat mahal dengan mesin cetak 3D PEKK.
Jadi ide peralihan dari logam ke polimer ini telah menjadi megatrend di industri ini selama beberapa waktu. Ini telah berkembang pesat selama beberapa tahun terakhir dan pencetakan 3D sekarang menjadi bagian dari cerita yang lebih besar itu, termasuk area seperti minyak &gas dan transportasi, di mana kami memiliki proyek pengembangan tahap awal yang sedang berjalan dengan mitra industri.
Berbicara tentang tren, apakah Anda melihat tren dalam ruang bahan cetak 3D?
Di sisi metalik, kami melihat orang-orang mencoba mengarahkan AM metal ke morfologi yang lebih dikenal dan dapat diprediksi.
Saya tidak ingin terlalu teknis, tetapi logam cetak 3D tidak setara secara moral dengan logam mentah, atau ditempa, atau dicor. Ini adalah binatang yang berbeda.
Ketika industri ini pertama kali menjadi sangat populer, ada banyak kebingungan di sekitar itu. Seiring waktu orang telah menyadari bahwa itu adalah hewan yang berbeda. Dan sekarang, mereka bekerja menuju teknologi material dan proses yang membuat AM logam lebih konvensional dalam beberapa hal. Saya pikir itu akan secara signifikan memajukan AM logam.
Di sisi polimer, sekarang ada kecenderungan umum untuk melayani pasar akhir dengan polimer AM. Dua bahan dominan untuk ini adalah Nylon 11 dan Nylon 12. Ini adalah bahan teknis, dan mereka berada di tengah piramida polimer.
Namun, mereka memiliki penggunaan akhir yang terbatas. Mereka tidak terlalu kuat secara termal atau mekanis.
Sekarang orang-orang mulai mencari cara untuk naik ke atas piramida. Kami mulai melihat perusahaan seperti BASF memperkenalkan Nylon 6, yang membeli sedikit lebih banyak kinerja.
Saya pikir kita akan terus melihat tren material yang muncul untuk mengisi antara OPM dengan PEKK dan material lain di tengah piramida kinerja.
Sebaliknya, apa saja tantangan yang Anda lihat masih dihadapi sektor bahan cetak 3D?
Ini adalah pertanyaan mendasar.
Ketika kami mulai melihat pencetakan 3D bertahun-tahun yang lalu, salah satu hal yang kami lihat adalah apakah polimer kami memiliki atribut dasar untuk dicetak 3D? Dan pertanyaan itu sampai pada pengakuan bahwa pencetakan 3D adalah proses konsolidasi tanpa tekanan.
Saat Anda mencetak polimer, Anda memasukkannya ke dalam cetakan dan Anda meremasnya bersama-sama dan mendapatkan konsolidasi ini. Ini menghasilkan kinerja yang dapat diprediksi dan sifat mekanik yang baik.
Pencetakan 3D tidak memiliki keunggulan itu. Dengan pencetakan 3D, Anda memiliki konsolidasi tekanan rendah atau konsolidasi tekanan nol ini seperti proses FDM di mana Anda memiliki filamen yang meleleh dan diletakkan di atas satu sama lain. Dalam proses itu, Anda berakhir dengan hingga 10 persen rongga, dan di dunia saya, rongga itu buruk, karena itu berarti bagiannya tidak kuat. Ini bagus untuk sebuah prototipe tetapi Anda tidak akan ingin bergantung padanya.
Kemudian Anda memiliki proses bedak seperti OPM, di mana laser melelehkan satu lapisan bedak di atas yang lain, tetapi tidak ada tekanan. Apa yang Anda andalkan untuk mendapatkan kinerja yang berulang dalam jenis lingkungan ini adalah polimer yang suka menempel pada dirinya sendiri.
Jika polimer tidak terikat dengan baik, Anda akan mendapatkan kinerja yang buruk di arah Z.
PEKK benar-benar unik karena memiliki keterikatan untuk melekat pada dirinya sendiri. Itu sangat tidak biasa di dunia polimer.
Untuk menjawab pertanyaan Anda, apa yang menahan semuanya adalah perkembangan kimia baru yang fundamental.
Jika Anda pergi ke salah satu perusahaan kimia besar hari ini dan berkata, 'Dapatkah Anda mengembangkan polimer khusus untuk kemampuan menempel pada dirinya sendiri?' Mereka akan melihat Anda lucu karena Anda dalam kisaran miliaran dolar dan beberapa tahun untuk mengembangkan polimer baru. Ini masalah besar.
Jika Anda pergi dan bertanya kepada konsultan perusahaan polimer berapa banyak bahan kimia yang benar-benar baru telah dikembangkan dalam 20 tahun terakhir, Anda mungkin akan meletakkannya di satu sisi, karena investasi tersebut sangat besar. Dan perusahaan Amerika tidak terlalu sering menyukai hal itu. Jadi ini adalah tantangan besar dan saya tidak melihat banyak hal yang terjadi, terus terang.
Menurut Anda, apakah hal itu akan berubah atau berkembang di bulan-bulan dan tahun-tahun mendatang?
Platform materi baru berdasarkan chemistry baru yang baru? Saya tidak berpikir itu akan terjadi. Itu sangat jauh.
Teknologi proses akan maju dan orang-orang akan memodifikasi set material yang ada dengan pengisi unik lainnya dan kompatibiliser serta bahan kimia ukuran untuk memperbaiki keadaan. Jadi saya pikir mungkin di situlah segalanya akan menjadi lebih menarik.
Apa yang akan terjadi di tahun depan untuk OPM?
Kami cukup beruntung bahwa kami berada di bagian dari industri ini, di mana kami tidak mengandalkan kontrak R&D atau modal ventura saat ini.
Kita berada di bagian "ekonomi kebutuhan".
Meskipun kami telah melihat bahwa kami telah melalui fase pertama dari pandemi COVID ini ketersediaan rumah sakit turun ke layanan dan jauh dari operasi elektif, kami sudah mulai melihat bahwa bisnis mulai kembali .
Ini menyakitkan bagi setiap bisnis, tetapi teknologi inti yang kami miliki akan memungkinkan kami untuk terus tumbuh. Kami baru saja memperkenalkan produk jangkar jahitan kami, yang merupakan lini produk baru dengan biaya lebih rendah, dan bahkan dengan adanya COVID, kami akan memiliki peluang untuk menghadirkannya ke pasar.
Kami juga bersiap-siap pasar baru. Kami menyukai pasar penangkapan karbon, kawasan industri lainnya, dan pasar proses biofarmasi.
Saya pikir COVID-19 dalam beberapa hal mendorong lebih banyak modal dan menuntut lebih banyak efisiensi menuju pasar yang secara alami cocok untuk kami , mengingat kinerja materi kami.
Ada pemikiran terakhir?
Satu-satunya hal yang ingin saya katakan adalah bahwa saat ini memang memiliki peluang besar.
Saya pikir sebagai perusahaan dalam pencetakan 3D, kami telah mencoba mendorong teknologi yang benar-benar menambah nilai . Ketika masa-masa sulit dan ketat, seperti sekarang, orang mulai mencari cara untuk mengurangi biaya dan menembus pasar baru. CEO pergi ke CTO mereka mengatakan 'Hei, apa yang Anda miliki untuk saya? Kami membutuhkan sesuatu yang baru'.
Jadi jika Anda benar-benar memiliki sesuatu yang substantif, bukan hanya cara lain untuk membuat prototipe, jika Anda memiliki sesuatu yang membengkokkan busur teknologi secara substantif, Anda akan pergi untuk mendengarkan dengan baik sekarang.
Kami telah melihat bahwa dalam bisnis kami di mana beberapa pintu yang kami ketuk di masa lalu, orang-orang tidak siap untuk mendengarnya. Dan sekarang kami mulai mendapatkan panggilan balik yang mengatakan 'Hei, beri tahu kami tentang hal itu di mana kami dapat menghemat uang atau melakukan sesuatu dengan lebih efisien'.
Jadi saya mengajak pembaca untuk tidak putus asa jika mereka memiliki teknologi yang nyata. Itu benar-benar mengubah permainan. Ini adalah waktu yang menarik.
