Choisir le bon composite thermoplastique : PEEK, PEKK, PAEK et moulage par compression continue

Ceci est un suivi à la série récente d'articles sur les composites thermoplastiques (TPC) que j'ai écrits (voir ci-dessous) plus l'article sur rubans thermoplastiques de Jeff Sloan dans le numéro de février.

• Consolidation de structures aérostructures en composites thermoplastiques in-situ, Partie 1
• Consolidation de structures aérostructures en composites thermoplastiques in-situ, Partie 2
• Démonstrateurs composites thermoplastiques – feuille de route UE pour futurs avions
• PEEK ou PEKK dans les futures structures aéro TPC ?

Les TPC volent sur avions depuis les années 1990 et en structure primaire depuis 2010 – le G650 de Gulfstream comporte un gouvernail et profondeur en fibre de carbone/polyphénylène sulfure (PPS) produit par le business Fokker de GKN Aerospace (Redditch, UK) utilisant le préimprégné Cetex de TenCate.

On oublie parfois combien d'expérience nous avons déjà en technologie TPC. Dans le passé, on a demandé « pourquoi plus de TPC ne volent-ils pas sur avions ? ». Peut-être maintenant, avec la préparation de Boeing pour le New Mid-market Airplane (NMA) et les progrès de l'industrie aéronautique européenne via Clean Sky 2 et autres programmes de développement, nous verrons enfin un nouveau tour d'applications entrer en service.

En attendant, il y a une chaîne d'approvisionnement déjà établie avec un éventail d'entreprises vétérans. Ici, je vais toucher base avec TenCate (récemment acquis par Toray), Teijin et Solvay. Chacun a une vision différente quant aux polymères et technologies de process offrant du potentiel.

TenCate – Vétéran TPC continue d'avancer la technologie

TenCate revendique plus de 40 ans d'expérience dans le développement de composites thermoplastiques. Sa marque Cetex est bien connue pour préimprégné et stratifiés préconsolidés (aussi appelés organosheet) mais s'étend aussi au compound de moulage en vrac (BMC) ainsi qu'aux rubans unidirectionnels (UD) et tissés. L'entreprise a un long historique avec la gamme complète de thermoplastiques (voir graphique ci-dessous), et a maintenant ajouté le Polyaryléthercétone Bas Fondant (LM PAEK). Ces matériaux sont utilisés dans applications soutenues par les divisions Aérospatiale et Industrielle de TenCate, ainsi que produits grand public comme électronique grand public et chaussures de sport via la division Performance Composites.

Durant les interviews pour ma série sur les thermoplastiques consolidés in-situ, le PAEK Bas Fondant est apparu comme alternative potentielle au polyéthercétonecétone (PEKK) et polyétheréthercétone (PEEK) dans la quête d'un process plus rapide. Quand j'ai demandé à TenCate, Dr. Hans Luinge, directeur R&D composites thermoplastiques & développement produit pour TenCate, a récapitulé la différence en températures de fusion :

• Ruban TC1225 Fibre de carbone (FC)/LM PAEK 305°C
• Ruban TC1320 FC/PEKK 340°C
• Ruban TC1200 FC/PEEK 350°C

Notez que les températures réelles utilisées lors du process de ces rubans composites peuvent être plus hautes, mais le TC1225 LM PAEK reste attractif grâce à son point de fusion bien plus bas.

« Le Cetex TC1225 LM PAEK a été introduit dans le programme de développement TAPAS1, dans lequel nous étions participant clé », rappelle Luinge. Il utilise le polymère PAEK de Victrex, et il souligne qu'en 2013, le matériau TC1225 avait déjà été utilisé dans une structure aéronautique de démonstration. Airbus Nantes a exposé un panneau de fuselage avec raidisseurs intégrés au Salon du Bourget 2013. Il était fabriqué utilisant le ruban FC/LM PAEK fourni par TenCate, avec éléments raidisseurs oméga et T bout-à-bout formés par pressage qui étaient soudés à la peau, faite par placement de fibre automatisé (AFP).

« Le PAEK bas fondant fonctionne bien en AFP, formage par pressage et soudage », dit Scott Unger, CTO global de TenCate. Mais avec la température de fusion plus basse, les propriétés mécaniques du LM PAEK ne sont-elles pas inférieures à PEKK et PEEK ? Unger dit non, elles sont toutes à peu près les mêmes. « PEEK, PEKK et LM PAEK sont tous de bons matériaux structurels, et d'un point de vue coût, le TC1225 est prix compétitivement avec le TC1200 FC/PEEK et moins coûteux que le TC1320 PEKK. »

PAEK bas fondant accélère la consolidation in-situ

De plus, le TC1225 LM PAEK promet pour la consolidation in-situ, qu'Unger concède « est potentiellement le Saint Graal. Mais ce qu'on a vu dans le passé, c'est que vos vitesses AFP doivent être très lentes pour atteindre la consolidation in-situ. » Il explique : « Vous ne pouvez pas atteindre la consolidation in-situ sans utiliser un ruban qui démontre un niveau de vides bien plus bas que ce qui est ultimement acceptable dans le stratifié ou la structure finale. Il y a deux facteurs clés : qualité du ruban et comment la résine matrice et la fibre sont distribuées dans le ruban UD. » Unger affirme que les process de fabrication de ruban UD de TenCate ont été conçus pour produire des niveaux de vides extrêmement bas pour permettre des process comme AFP rapide suivi de consolidation hors autoclave/sac sous vide seulement (OOA/VBO) ainsi qu'AFP consolidée in-situ en une étape.

« Notre ruban est extrêmement consistant avec 0 à 0,5 % de vides maximum », dit Winand Kok, directeur services experts UE de TenCate. « Notre épaisseur de ruban est aussi très consistante, c'est pourquoi nous pouvons atteindre des épaisseurs de plis très précises dans les stratifiés consolidés. Cette consistance est aussi importante pour les process de soudage thermoplastique et la consolidation in-situ. » Unger revient sur la seconde exigence qu'il a énoncée : « Le LM PAEK a un écoulement bien meilleur versus PEKK et PEEK. Il peut aussi être traité à vitesses plus hautes que PEKK et PEEK. »

Ce dernier point a été démontré dans une comparaison stratifié-à-stratifié. « Nous avons fait des stratifiés TC1320 FC/PEKK usando une machine AFP laser Coriolis au Centre de Recherche Composites Thermoplastiques (TPRC) à Twente, Pays-Bas », dit Unger, « à une vitesse rapide de 600 mm/s. Nous avons ensuite consolidé ce stratifié utilisant sac sous vide seulement dans un four. » Il a reconnu qu'il y avait de la porosité entre les plis due au dépôt AFP rapide, mais ces vides ont été résorbés pendant la seconde étape de consolidation, illustrée dans les micrographies du stratifié. « Nous avons aussi déposé le matériau TC1320 à 200 mm/s et trouvé que la porosité entre les plis n'était pas éliminée avec la vitesse plus lente. Nous avons alors fait un stratifié équivalent usando la même machine AFP mais cette fois avec le ruban TC1225 FC/LM PAEK sans aucune étape secondaire de consolidation OOA/VBO – c.-à-d. consolidation in-situ complète via AFP. Nous avons atteint les mêmes propriétés de consolidation que dans le panneau PEKK 2 étapes. »

Unger note que la vitesse AFP de 200 mm/s pour le stratifié FC/PAEK consolidé in-situ est plus du double de celle revendiquée par Henri de Vries, senior scientist composites, au Département Technologie Structures du Centre Aérospatial Néerlandais (NLR, Amsterdam), dans mon article « Consolidation de structures aérostructures en composites thermoplastiques in-situ, Partie 2 » :

« Maintenant, nous regardons jusqu'où nous pouvons pousser la vitesse AFP de consolidation in-situ tout en maintenant des niveaux de vides acceptables et propriétés mécaniques dans le stratifié », dit Unger. « Nous avons fait beaucoup de travail sur le dépôt d'un panneau TPC raidissé usando des process automatisés. Maintenant l'objectif est de monter le niveau de maturité technologique. » Kok dit que TenCate continue de le faire, travaillant avec partenaires industriels, incluant clients et instituts R&D. Un exemple était le pylône moteur fait usando le ruban TC1320 FC/PEKK exposé sur le stand TenCate au JEC 2018. TenCate a travaillé avec le fabricant de coque de pylône NLR ainsi que Dutch Thermoplastic Components (DTC), qui a formés par pressage des raidisseurs qui sont soudés à la coque comme éléments de raidissement. Bien que cette pièce ait été faite par AFP puis consolidée en autoclave, Kok note : « Nous explorons aussi comment optimiser davantage les rubans pour consolidation 2 étapes usando seulement sac sous vide dans un four au lieu d'autoclave. »

Unger note que les produits TenCate FC/LM PAEK utilisés dans le développement et la démonstration de structures aéronautiques primaires utilisent bien à la fois fibre de carbone non dimensionnée ainsi que fibre de carbone avec taille. Il dit que bien qu'il y a cinq ans il aurait été inhabituel de voir des rubans préimprégnés LM PAEK, PEKK et PEEK utilisant fibre de carbone avec taille à cause d'effets indésirables sur les propriétés mécaniques associés aux tailles, ce n'est certainement plus le cas aujourd'hui.

Un dernier point soulignant le potentiel du LM PAEK est que le NIAR et la FAA sont en train de compléter la première base de données publique pour un matériau composite thermoplastique, utilisant le TC1225 FC/LM PAEK de TenCate. La base de données doit être publiée début l'an prochain, et ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques et facilité de process.

Teijin – Producteur CF de longue date entre dans les TPC

Le producteur de fibre de carbone (FC) Toho Tenax Co. Ltd. (Tokyo, Japon) est maintenant rebrandé globalement comme Teijin Carbon, avec trois filiales majeures :

• Teijin Carbon Europe
• Teijin Carbon America
• Teijin Carbon Singapour.

Le nom de produit reste Tenax.

« Nous avons passé beaucoup de temps à développer les thermoplastiques il y a 15-20 ans », dit Jean-Philippe Canart, précédemment responsable produit semi-produits thermoplastiques pour Toho Tenax Europe et maintenant ingénieur marché aérospatial pour Teijin Carbon America. « Une de nos stratégies était de développer du ruban thermoplastique unidirectionnel (UD), que nous avons introduit en 2013. »

Canart explique les blocs de construction pour ce développement : « Une de nos technologies cœur est le dimensionnage thermoplastique pour FC, qui aide au process de ruban. Le dimensionnage FC standard doit être retiré à cause des hautes températures de process requises pour les thermoplastiques. En plus de la résistance température, le dimensionnage thermoplastique donne aussi performance extra avec l'adhésion fibre-matrice dans le composite fini. Une de nos plus grosses lignes en Europe produit 1 700 t/an de FC équipé de taille TP. De là nous avons développé ruban UD avec matrices thermoplastiques PEEK, PEKK et PPS pour usage mostly applications aérospatiales mais nous travaillons aussi sur oil & gas et applications industrielles. »

Canart dit que le premier focus de Teijin avec TPC était sur le formage par pressage (estampage) de clips et raidisseurs pour l'Airbus A350, usando tissu FC enduit PEEK : « C'était la première grande vague d'applications aérospatiales. Nous voyons cela bouger maintenant vers pièces plus grandes, plus structurelles produites avec un mix de stratifiés AFP suivis de consolidation via estampage. » Canart reconnaît que la consolidation in-situ (ISC) est en développement depuis des décennies, mais soutient : « nous ne la voyons pas comme mature yet. Nous soutenons projets R&D et instituts dans le développement ultérieur. » Il dit que l'ISC est possible, « mais la question est : how quick can you make parts? Et how robust is the process? » Il croit que ce sera 2025-2030 avant que pièces ISC soient en production pour avions commerciaux. En attendant, Teijin voit l'expansion dans rubans TPC pour lignes de production 2 étapes, AFP + estampage. « Nous avons déjà investi dans notre ligne de ruban européenne et soutenons aussi nouvelles capacités de process comme le moulage par compression continue (CCM). La chaîne d'approvisionnement grandit. »

Soutenir la production de masse TPC – CCM

Moulage par Compression Continue (CCM) est un process que j'ai écrit en 2010 : « Moulage par compression aérospatial ». Il est marqué X-CCM par Performance Polymer Composites xperion (Markdorf, Allemagne), l'entreprise qui a initialement développé et commercialisé le process il y a plus de deux décennies. X-CCM offre des stratifiés composites thermoplastiques de haute qualité usando un process quasi-continu rapide. « Nous travaillons avec xperion comme fournisseur de matériaux », dit Canart. « C'est une technologie mature, utilisée depuis des années par Airbus et Boeing. Maintenant ça grandit vraiment, utilisé pour produire des stratifiés consolidés formés. CCM est super pour le coût mais la section transversale doit rester constante. »

Selon Laurens de la Ossa, senior sales manager pour xperion PPC, « Notre process X-CCM est plus avancé maintenant, capable de produire des formes plus complexes, incluant profils asymétriques comme profils T- et J-. » Il ajoute que le process peut produire des stratifiés TPC consolidés jusqu'à 24 pouces de large. « Nous sommes partie d'une infrastructure technologique complète qui bouge vers la production de masse de composites thermoplastiques. Nous avons un process très épuré pour pièces TPC consolidées – pas de sac sous vide, et nous pouvons gérer stratifiés épais de 60 plis et au-delà, 8-10 mm d'épaisseur. »

Quel type de pièces X-CCM vise-t-il ? « Raidisseurs de fuselage intérieur, poutres de plancher et autre structure autour du plancher ou plafond, composants structurels et semi-structurels qui demandent la plus haute performance matériau », dit de la Ossa. « D'ici 2025, quand les nouvelles plateformes avions entrent en production, nous atteindrons 6-10 fois le volume de matériau annuellement juste pour fournir ce à quoi nous avons répondu par des devis à ce jour. »

Dans le cadre de cette poussée continue vers production à plus haut volume, Teijin se focus sur réduire le coût matériau ruban et augmenter la capacité, dit Canart. Qu'en est-il des demandes de l'industrie pour ruban plus épais ? Spécifiquement, de Vries au NLR avait dit :

« Nous avons déjà développé du ruban avec grammage fibre allant de 145 à 200 g/m² », répond Canart. « Avec ces produits, une épaisseur de 0,18 mm est déjà bien standard pour nous. Nous avons modifié nos lignes pour cette épaisseur et aussi jusqu'à 0,20 mm, donc je pense que 0,25 mm même ne serait pas un grand saut. »

Et qu'en est-il de la qualité du ruban ? « Nous pensons que tout ruban doit être modifié pour pièces de plus haute qualité à vitesses plus rapides », dit Canart. « Le contenu résine peut ne pas matcher ce que la consolidation in-situ requiert et la distribution de la résine dans le ruban peut avoir besoin d'être optimisée aussi. Le temps et la vitesse de fusion sont si différents pour les différentes résines et process. Nous soutenons le développement dans une variété de domaines, incluant les systèmes polymères et l'architecture du ruban, incluant la surface. »

Solvay – Marché pour both PEEK et PEKK

Les produits thermoplastiques haute performance de Solvay pour composites incluent Ketaspire PEEK, Novaspire PEKK, Radel Polyphénylsulfone (PPSU), et Ryton Polyphénylène sulfure (PPS). Dans une déclaration soumise par Solvay, l'entreprise affirme que ces polymères sont produits à échelles industrielles qui permettront considération pour applications composites aérospatiales à grand volume et peuvent être utilisés pour produire du préimprégné de haute qualité.

Solvay fournit actuellement des préimprégnés APC unitape avec polymères PEEK et PEKK, avec tarification principalement différenciée par le coût de la fibre sélectionnée plutôt que le polymère quand produits et utilisés à hauts volumes. Par conséquent, elle croit que la sélection de quelle matrice thermoplastique utiliser pour une application donnée sera pilotée par la préférence client. Facteurs affectant ce choix incluent performance température, performance mécanique, process de fabrication de pièce, disponibilité base de données matériau et expérience main-d'œuvre, pour n'en nommer que quelques-uns. La vision de Solvay est que PEKK et PEEK servent tous deux un besoin dans le marché et qu'elle est capable d'offrir des préimprégnés fibre-renforcés de haute qualité, prix comparables, indépendamment du polymère sélectionné.

Donc pour les thermoplastiques, comme dans tous les autres composites, les choix en matériaux et process ne sont pas limités. En fait, ils semblent s'étendre. Lequel prendra l'ascendance dans la future production aéronautique ? Cela reste à voir. CW continuera à observer et reporter ce que nous voyons.