Inovasi Pencetakan 3D di Dalam:Scott DeFelice dari Oxford Performance Materials dalam Memajukan Polimer Berkinerja Tinggi
Meskipun polimer yang digunakan secara umum, seperti ABS dan nilon, saat ini mendominasi pasar bahan pencetakan 3D, terdapat peningkatan permintaan akan bahan yang kuat dan fungsional yang tahan terhadap lingkungan keras dan suhu tinggi.
Bahan-bahan ini, yang dikenal sebagai polimer berkinerja tinggi, semakin banyak dicari oleh pengguna pencetakan 3D di industri seperti dirgantara dan medis. Polimer berkinerja tinggi utama yang saat ini tersedia untuk pencetakan 3D termasuk dalam keluarga termoplastik Polyaryletherketone (PAEK), yang menawarkan stabilitas suhu tinggi dan kekuatan mekanik yang hebat. Hanya sedikit perusahaan di pasar yang saat ini mengembangkan material tersebut, salah satunya adalah Oxford Performance Materials (OPM). Berbasis di Connecticut, OPM secara khusus berfokus pada material PEKK dari keluarga PAEK dan telah mengembangkan teknologi dan perangkat eksklusif seputar termoplastik tersebut. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang OPM dan penawarannya, kami bertemu dengan CEO perusahaan tersebut, Scott DeFelice. Bersama Scott, kami telah membahas aplikasi utama PEKK pencetakan 3D, serta tren dan tantangan yang membentuk pasar bahan pencetakan 3D.
Bisakah Anda ceritakan sedikit tentang Oxford Performance Materials dan misi Anda sebagai sebuah perusahaan?
Oxford Performance Materials didirikan pada tahun 2000. Kami adalah perusahaan bahan termoplastik berkinerja tinggi. Kita menghabiskan seluruh waktu kita pada satu polimer tertentu yang disebut Poli Eter Keton Keton atau PEKK. Dan sejak tahun 2000, kami telah mengembangkan teknologi seputar material ini.
PEKK merupakan rantai makanan termoplastik teratas di dunia termoplastik. Ini adalah polimer berperforma super tinggi karena sifat termal, kimia, dan mekanik serta biokompatibilitasnya yang sangat baik.
Saat ini, kami memiliki portofolio kekayaan intelektual dan paten yang luas mulai dari cara seseorang membuat PEKK pada tingkat sintetik hingga cara seseorang memprosesnya, menyiapkan bubuk untuk pencetakan 3D, hingga cara seseorang mencetak dengan bahan tersebut. Dalam hal pencetakan 3D, aktivitas kami dimulai sekitar 10 tahun yang lalu dengan pengembangan proses peleburan laser selektif menjadi pencetakan 3D dengan PEKK. Kami meluncurkan perangkat cetak 3D komersial pertama kami sekitar tahun 2006 untuk bidang medis. Dan itulah awal mula perkembangan pencetakan 3D. Pada tahun 2008, FDA menyelesaikan perangkat pertama kami, implan tengkorak, yang khusus untuk pasien dan didistribusikan ke seluruh dunia oleh Zimmer Biomet. Kami memiliki produksi berkelanjutan yang membuat implan tengkorak dan wajah setiap hari. Kami beralih dari sana ke implan tulang belakang lebih dari tiga tahun lalu, dan produk tersebut dijual melalui kemitraan dengan perusahaan bernama RTI Surgical. Kami telah mengirimkan lebih dari 70.000 implan tulang belakang hingga saat ini. Baru-baru ini, kami menerima izin FDA lainnya dalam aplikasi kedokteran olahraga untuk jangkar jahitan, yang digunakan untuk menyambung kembali jaringan lunak ke tulang melalui pembedahan. Sejalan dengan hal 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 tersebut kepada salah satu mitra strategis kami, Hexcel, yang memiliki skala besar untuk mendukungnya. OPM hadir dalam bisnis percetakan 3D, bukan dari sudut pandang orang-orang yang, misalnya, sedang membuat prototipe dan kemudian pindah ke bagian produksi. Kami membahasnya dari sudut pandang sebuah perusahaan material canggih yang menemukan bahwa material mereka akan sangat baik untuk pembuatan aditif, karena alasan teknis yang menarik. Kami kini terintegrasi secara vertikal ke dalam bisnis tersebut dan terus memanfaatkan platform material dan teknologi kami.
Bagaimana Anda melihat perkembangan material pencetakan 3D selama bertahun-tahun, dan bagaimana Anda melihat perkembangannya dalam hal biaya material dan pengembangan material?
Pencetakan 3D adalah sebuah proses, dan yang membuat proses tersebut unik dan memungkinkan adalah bahan yang digunakan. Saya selalu memberi tahu orang-orang bahwa Anda bisa mencetak sebuah apel, tetapi kemudian Anda harus memakannya. Jadi Anda harus mencetak dengan bahan yang memiliki fungsi untuk pasar akhir dan penggunaan akhir yang diinginkan. Kita telah melihat bagaimana selama bertahun-tahun, misalnya, logam AM menjadi sangat populer karena memiliki sifat fungsional yang berguna di pasar akhir tertentu. Saya pikir tren ini akan terus berlanjut. Material – polimer, logam dan lainnya – akan terus berkembang untuk memungkinkan fungsionalitas yang lebih besar di pasar pengguna akhir, apapun pasarnya. Hal yang menarik mengenai biaya adalah selalu ada diskusi ‘Oh, bahannya terlalu mahal’. Saya berpendapat bahwa ketika Anda beralih ke pasar akhir dengan kinerja lebih tinggi dan material menjadi lebih mumpuni, biaya material itu sendiri sebenarnya menjadi kurang signifikan. Misalnya, kami menjual implan ortopedi dan saat kami menjual implan tengkorak di rumah sakit, implan tersebut mungkin dijual seharga $10.000. Namun jika kita melihat biaya dari apa yang kita lakukan, biaya material sebenarnya merupakan komponen biaya yang cukup kecil. Selebihnya adalah kualitas dan peraturan, sistem manufaktur yang harus dimiliki untuk menjual ke pasar yang diatur dengan ketat, baik itu pasar biomedis atau luar angkasa dan pertahanan atau semikonduktor. Jadi, seiring dengan berkembangnya industri dari produksi prototipe ke produk pengguna akhir, kinerja material adalah hal yang sangat penting dan komponen biaya material tidak lagi menjadi faktor pendorong.
Dapatkah Anda memperluas industri lain, selain industri medis, yang dapat memperoleh manfaat dari materi yang Anda kembangkan untuk pencetakan 3D?
Komponen Struktural Kompleks OXFAB® ESD untuk Sistem Revitalisasi Udara Boeing CST 100 Starliner [Kredit gambar:OPM]
Kami memulai di bidang yang sudah jelas, biomedis dan dirgantara, karena kami memiliki warisan panjang dalam bisnis kami dalam melayani pasar tersebut. Tapi sekarang kami mulai berpikir dan melihat ke area lain. Pasar akhir sangat memperhatikan kinerja material kami. Materi PEKK kita misalnya, menyukai lingkungan yang bersifat asam dan basa, maka dari itu lingkungan yang kita tuju juga demikian. Jadi salah satu bidang yang kami pantau dengan cermat adalah, misalnya, penangkapan karbon. Penangkapan karbon adalah teknologi yang berhasil saat ini, namun biaya modal untuk pabrik tersebut terlalu mahal. Jadi kami melihat area tersebut dan ada banyak peluang untuk material dan pencetakan 3D kami di area tersebut. Kami akan segera mengumumkan kolaborasi dengan salah satu laboratorium pemerintah terkemuka di AS di bidang tersebut. Kami juga menyukai area proses farmasi dan bioproses di mana Anda menginginkan bahan dengan atribut polimer kami yang tepat untuk meningkatkan efisiensi proses dan mengurangi biaya modal. Tentunya dengan situasi COVID-19 saat ini, ada kebutuhan untuk meningkatkan beberapa proses ini dan Anda perlu memiliki banyak struktur kompleks dan bahan kimia dengan kemurnian tinggi yang tepat untuk berlatih di ruang tersebut. Kami juga melacaknya dengan cermat. Polimer kelas Poliketon melakukan beberapa pekerjaan yang sangat menarik. Kami telah menghabiskan jutaan dolar untuk memahami kinerja komponen cetakan 3D kami. Itu sebabnya bagian kita diterbangkan pesawat luar angkasa berawak, itu sebabnya kita punya ribuan bagian di tubuh manusia. Hal ini karena kami telah melakukan upaya mendalam dalam mengkarakterisasi apa yang kami cetak demi kenyamanan orang-orang yang menganggap serius apa yang dilakukan struktur ini dalam praktiknya.
Seperti apa proses pengembangan dan pengujian materi untuk pencetakan 3D?
Umumnya ada dua bagian. Saat kami mengembangkan material dan proses, kami menjalani penilaian internal, yang umumnya dimulai dari metode analitis yang telah kami kembangkan selama bertahun-tahun hingga pengujian penyaringan mekanis, termal, dan elektrik konvensional yang dilakukan pada tingkat pengembangan. Setelah Anda memiliki dasar dan mengatakan 'Ya, ini adalah produk yang dapat direproduksi dan kami memahaminya', Anda akan sampai pada dasar pertama. Kemudian untuk pulang ke rumah, Anda harus pergi ke setiap industri, baik itu percetakan, pencetakan, permesinan, atau apa pun teknologi proses Anda. Setiap industri mempunyai cara untuk memahami kinerja, baik itu standar ASTM, standar ISO atau standar khusus perusahaan, atau standar pemerintah. Kita mempunyai contoh yang baik dalam industri dirgantara. 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 dengan prediktabilitas yang sangat tinggi, dan itu disebut B-Basis. Namun program itu sendiri berjalan bertahun-tahun dan membutuhkan jutaan dolar. Kami melakukan hal ini melalui kerja sama dengan NASA dan Northrop Grumman, sehingga ini merupakan penilaian khusus industri yang cukup mendalam. Dalam bidang biomedis, jika kita mengambil kasus implan tulang belakang, implan tersebut terlebih dahulu melalui serangkaian pengujian ISO 10993 yang menyeluruh yang benar-benar menilai biokompatibilitas dan kemurnian. Setelah Anda mencentang kotak di 'Oke, bahan yang dicetak adalah murni dan biokompatibel, tidak beracun' maka 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 pengajuan ke FDA dengan data tersebut. Jadi, Anda harus melakukan pengujian internal terlebih dahulu agar merasa nyaman, karena cara pengujian lainnya ini sangat mahal. Dan Anda tidak ingin melakukan itu kecuali Anda memiliki keyakinan besar bahwa Anda akan lulus ujian tersebut. Hal ini berlaku untuk setiap pasar akhir, terutama di kelas material kami. Untuk material teknis, standarnya lebih rendah karena risiko yang terkait dengan penerapan penggunaan akhir lebih rendah.
Sudah diketahui bahwa polimer digunakan untuk menggantikan logam dalam aplikasi tertentu. Dapatkah Anda membagikan contoh bagaimana polimer berperforma tinggi mampu menggantikan bahan logam?
Kembali ke 30 tahun yang lalu, kita telah melihat kemajuan yang stabil dalam bahan polimer menggantikan logam. Jika Anda membeli mobil pada tahun 1970-an, berat mobil dua kali lipat dari berat mobil saat ini dan sebagian besar semuanya terbuat dari logam, atau jika Anda membeli penyedot debu, mobil tersebut akan terbuat dari logam. Sekarang jika Anda mendapatkan barang-barang itu, beratnya hanya sebagian kecil dan sebagian besar terbuat dari plastik. Jadi tren polimer menggantikan logam untuk berbagai fungsi sudah sangat mapan. Pencetakan 3D hanyalah proses lain di mana Anda dapat mengganti logam dan alasan penggantian logam adalah biaya, berat, dan korosi. Kami terus mencari peluang penggantian logam untuk mengurangi biaya bagi manusia, mengurangi bobot, dan meningkatkan efisiensi perangkat. Contoh bagusnya adalah sangkar tulang belakang, perangkat fusi yang menyatukan tulang belakang Anda jika Anda menderita nyeri kronis. Perangkat ini dulunya dibuat dari mesin titanium dan kini kami mencetaknya dengan PEKK.
Contoh lainnya adalah implan tengkorak yang terbuat dari titanium yang dicetak 3D. Hari ini, kami membuatnya dari PEKK yang dicetak 3D. Saat kita melihat beberapa hal dalam penangkapan karbon, itulah yang sedang kita lihat sekarang:mengganti mesin baja tahan karat atau titanium yang sangat mahal dengan PEKK cetakan 3D. Jadi gagasan peralihan dari logam ke polimer telah menjadi megatren di industri ini selama beberapa waktu. Perkembangannya semakin pesat dalam beberapa tahun terakhir dan pencetakan 3D kini menjadi bagian dari perkembangan tersebut, termasuk bidang seperti minyak &gas dan transportasi, di mana kami memiliki proyek pengembangan tahap awal yang sedang berjalan bersama mitra industri.
Berbicara tentang tren, apakah Anda melihat tren apa pun di bidang materi pencetakan 3D?
[Kredit gambar:OPM] [/caption]Di sisi logam, kami melihat orang-orang mencoba mengarahkan AM logam ke morfologi yang lebih dikenal dan dapat diprediksi. Saya tidak ingin terlalu teknis, tetapi logam cetak 3D tidak memiliki moral yang setara dengan logam mentah, ditempa, atau dicor. Itu binatang yang berbeda. Ketika industri ini pertama kali menjadi sangat populer, terdapat banyak kebingungan seputar hal itu. Seiring waktu orang menyadari bahwa itu adalah binatang yang berbeda. Dan kini, mereka berupaya mengembangkan teknologi material dan proses yang menjadikan logam AM lebih konvensional dalam beberapa hal. Saya pikir ini akan memajukan AM metal secara signifikan. Di sisi polimer, kini ada kecenderungan umum untuk melayani pasar akhir dengan polimer AM. Dua bahan dominan untuk ini adalah Nilon 11 dan Nilon 12. Ini adalah bahan teknis dan berada di tengah-tengah piramida polimer. Namun, penggunaan akhir mereka terbatas. Mereka tidak terlalu kuat secara termal atau mekanis. Sekarang orang-orang mulai memikirkan cara untuk naik ke atas piramida. Kami mulai melihat perusahaan seperti BASF memperkenalkan Nylon 6, yang memberikan performa lebih baik. Saya pikir kita akan terus melihat tren munculnya lebih banyak materi untuk mengisi posisi antara OPM dengan PEKK dan materi lain di tengah piramida kinerja.
Di sisi lain, apa saja tantangan yang Anda lihat masih dihadapi sektor bahan pencetakan 3D?
Ini adalah pertanyaan mendasar. Saat kami mulai mempelajari pencetakan 3D beberapa tahun yang lalu, salah satu hal yang kami perhatikan adalah apakah polimer kami memiliki atribut dasar untuk dicetak 3D? Dan pertanyaan itu bermuara pada pengakuan bahwa pencetakan 3D adalah proses konsolidasi tanpa tekanan. Saat Anda mencetak polimer, Anda memasukkannya ke dalam cetakan dan menyatukan semuanya dan mendapatkan konsolidasi ini. Hal ini menghasilkan kinerja yang dapat diprediksi dan sifat mekanik yang baik. Pencetakan 3D tidak memiliki kelebihan itu. Dengan pencetakan 3D, Anda mendapatkan konsolidasi tekanan rendah atau konsolidasi tekanan nol seperti proses FDM di mana Anda memiliki filamen yang meleleh dan diletakkan di atas satu sama lain. Dalam proses tersebut, Anda akan mendapatkan hingga 10 persen kekosongan, dan menurut saya, kekosongan adalah hal yang buruk karena berarti suatu bagian tidak kuat. Ini bagus untuk prototipe tetapi Anda tidak akan ingin berhenti menggunakannya. Kemudian Anda memiliki proses lapisan bubuk seperti OPM, di mana laser melelehkan satu lapisan bubuk di atas lapisan lainnya, namun tidak ada tekanan. Apa yang Anda andalkan untuk mendapatkan kinerja berulang dalam lingkungan seperti ini adalah polimer yang suka menempel pada dirinya sendiri. Jika polimer tidak terikat dengan baik, kinerja arah Z akan buruk. PEKK sangat unik karena mempunyai daya tarik untuk melekat pada dirinya sendiri. Hal ini sangat tidak biasa di dunia polimer. Untuk menjawab pertanyaan Anda, yang menghambat perkembangan ilmu kimia yang pada dasarnya baru. Jika Anda menemui salah satu perusahaan kimia besar saat ini dan berkata, 'Bisakah Anda mengembangkan polimer khusus agar mampu menempel pada dirinya sendiri?' Mereka akan menganggap Anda lucu karena Anda berada dalam kisaran miliaran dolar dan beberapa tahun untuk mengembangkan polimer baru. Ini masalah besar. Jika Anda bertanya kepada konsultan perusahaan polimer berapa banyak bahan kimia baru yang telah dikembangkan dalam 20 tahun terakhir, Anda mungkin menjawab salah, karena investasi tersebut sangat besar. Dan perusahaan-perusahaan Amerika tidak terlalu sering menyukai hal-hal tersebut. Jadi ini adalah tantangan besar dan sejujurnya saya tidak melihat banyak hal seperti itu terjadi.
Apakah menurut Anda hal ini akan berubah atau berkembang dalam beberapa bulan dan tahun mendatang?
Platform material baru berdasarkan kimia baru yang baru? Saya tidak berpikir itu akan terjadi. Itu sangat jauh. Teknologi proses akan maju dan orang-orang akan memodifikasi kumpulan material yang ada dengan bahan pengisi dan kompatibilitas unik lainnya serta bahan kimia pengukur untuk memperbaiki keadaan. Jadi menurut saya mungkin di situlah segalanya akan menjadi lebih menarik.
Bagaimana nasib OPM tahun depan?
Kami cukup beruntung menjadi bagian dari industri ini, di mana kami tidak bergantung pada kontrak penelitian dan pengembangan atau modal ventura pada saat ini. Kita berada di bagian “perekonomian kebutuhan”. Meskipun kita telah melihat fase pertama pandemi COVID ini, ketersediaan rumah sakit mulai menurun dan tidak lagi melakukan operasi elektif, kita sudah mulai melihat bisnis tersebut mulai bangkit kembali. Hal ini sangat menyakitkan bagi setiap bisnis, namun teknologi inti yang kami miliki akan memungkinkan kami untuk terus berkembang. Kami baru saja memperkenalkan produk jangkar jahitan kami, yang merupakan lini produk baru yang berbiaya lebih rendah, dan bahkan dengan adanya COVID-19, kami akan memiliki peluang untuk memasarkan produk tersebut.
Kami juga sedang memikirkan pasar-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 efisiensi yang lebih besar terhadap pasar yang secara alami cocok untuk kami, mengingat kinerja material kami.
Ada pemikiran terakhir?
Satu-satunya hal yang ingin saya katakan adalah saat ini memang ada peluang besar.
Saya rasa sebagai perusahaan percetakan 3D, kami telah mencoba mendorong teknologi yang benar-benar memberikan nilai tambah. Ketika masa-masa penuh tantangan dan ketat, seperti sekarang, masyarakat mulai mencari cara untuk mengurangi biaya dan melakukan penetrasi ke pasar baru. Para CEO mendatangi CTO mereka dan berkata, 'Hei, apa yang Anda punya 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 mengubah arah teknologi secara substantif, Anda akan mendengarkannya dengan baik sekarang. Kami telah melihat bahwa dalam bisnis kami di mana beberapa pintu pernah kami ketuk di masa lalu, orang-orang belum siap untuk mendengarnya. Dan sekarang kami mulai menerima panggilan balik yang mengatakan 'Hei, beri tahu kami tentang hal yang dapat menghemat uang atau melakukan sesuatu dengan lebih efisien'. Jadi saya mendorong pembaca untuk tidak berkecil hati jika mereka memiliki teknologi nyata. Itu benar-benar mengubah permainan. Ini adalah waktu yang menarik.
