PEEK vs PEKK : Sélectionner le thermoplastique optimal pour futures structures aéronautiques

Lequel est meilleur pour la consolidation in-situ (ISC) de rubans composites thermoplastiques (TPC) développés pour la production de structures aéronautiques primaires, polyétheréthercétone (PEEK) ou polyéthercétonecétone (PEKK) ? Cette sidebar présente le débat PEEK vs. PEKK qui fait partie de la discussion plus large sur la question de savoir si l'ISC comme process vraiment one-step, hors autoclave (OOA) peut rencontrer les objectifs de coût et taux de production pour la future production aéronautique – c'est-à-dire 60-70 avions/mois pour un monocouloir type A320 neo. L'alternative est d'utiliser deux étapes : dépôt de rubans composites thermoplastiques via placement de fibre automatisé (AFP) puis consolidation en autoclave ou presse chauffée. Voir « Consolidation de structures aérostructures en composites thermoplastiques in-situ, Partie 1 » et « Partie 2 » pour plus de détails. (Voir aussi l'article récent de Jeff Sloan sur rubans thermoplastiques.)

PEEK et PEKK sont tous deux membres de la famille plus large polyaryléthercétone (PAEK), souvent appelée polycétones. « PEKK ressemble beaucoup à PEEK, et son comportement de cristallisation est similaire, mais sa température de process est 375°C vs 385°C pour PEEK », dit Henri de Vries, senior scientist composites, au Département Technologie Structures du Centre Aérospatial Néerlandais (NLR, Amsterdam). NLR et le business Fokker de GKN Aerospace (Redditch, UK) (Papendrecht et Hoogeveen, Pays-Bas) ont été pionniers de nombreuses technologies TPC dans les programmes TAPAS 1 et TAPAS 2, incluant une boîte de torsion 12 m d'envergure et plus récemment un longeron supérieur de pylône moteur 6 m long, 28 mm épais, FC/PEKK fait par AFP mais consolidé en autoclave. (Voir « Démonstrateurs composites thermoplastiques – feuille de route UE pour futurs avions »).

De Vries voit le PEKK comme plus amenable pour l'AFP, « parce que la fenêtre de process est plus large. Vous devez être à 385-390°C pour PEEK – donc processer à 360°C n'est pas idéal. Cependant, avec PEKK, le process est assez bon même à 355°C. Donc non seulement votre borne inférieure est plus basse, mais vous avez juste un peu plus de temps avant que le matériau ne fige donc le temps total qu'il est dans le fondu est un peu plus long, donc meilleure consolidation. »

De Vries ajoute que PEKK est intéressant pour le formage par pressage, l'option plus rapide pour consolidation en seconde étape vs sac sous vide et cycle en autoclave. « Les anciens grades de PEKK (DS) étaient trop lents pour le formage par pressage mais les nouveaux grades (FC) sont meilleurs et aussi moins chers que PEEK. »

« Oxford Performance Materials (OPM) travaille avec PEKK depuis 2000 », dit DeFelice, « développant à la fois matériaux et technologies d'applications. Tous les produits PEKK sur le marché aujourd'hui sont faits en utilisant la méthode DuPont. » Il explique que basically toutes les polycétones ont été développées en même temps, en réponse à un besoin de performance feu, fumée et toxicité (FST) améliorée dans intérieurs d'avion menacée par nouvelles réglementations FAA dans les années 1990. Cependant, les réglementations ne se sont jamais matérialisées, et le marché initial pour PEEK et PEKK s'est évaporé. Ainsi, ICI a spin-off PEEK vers Victrex et DuPont a vendu PEKK à Fiberite, qui a été acquis par Cytec, qui à son tour a été acquis par Solvay. DeFelice dit qu'Arkema est devenu partenaire d'OPM dans le but d'acquérir l'expertise PEKK, et a finalement développé un produit PEKK méthode DuPont. Comme résultat de ce partenariat, Arkema est devenu la seconde source pour PEKK dans l'industrie composites.

« Hexcel a aussi investi dans OPM », dit DeFelice. (Ici, on fait une rapide diversion pour expliquer l'acquisition par Hexcel du business manufacturing additif Aérospatial & Défense d'OPM. « Nous avons développé une technologie de fabrication additive usando fusion laser sélective (SLM) avec PEKK renforcé fibre de carbone qui est qualifiée chez Boeing, Northrop Grumman et autres pour applications AÉROSPATIALES. Cela a attiré Hexcel, qui était déjà actionnaire substantiel d'OPM. » Ainsi, en déc 2017, Hexcel a acquis le business aérospatial et défense (A&D) d'OPM (South Windsor, CT, US). OPM, cependant, maintient son business impression 3D PEKK hors de l'aérospatial & défense, et continue de développer ses technologies de science des matériaux cœur.)

« Tout PEKK n'est pas le même », affirme DeFelice. « Solvay et Arkema pratiquent la méthode DuPont, qui utilise synthèse haute température (HTS), donc ça tourne un peu plus vite, ce qui baisse le coût. Cependant, ça a aussi ses inconvénients. » Il explique qu'initialement, il y avait des problèmes avec la stabilité au fondu et la pureté du polymère PEKK qui le rendaient difficile à fabriquer des pièces pour DuPont. Avec le temps, la méthode DuPont s'est améliorée, ainsi que le polymère quelque peu, et les pièces sont devenues plus reproductibles. Par exemple, au-delà des technologies de fabrication additive mentionnées, OPM a développé le moulage par injection ainsi que des applications film avec PEKK.

« Mais nous avons toujours vu que PEKK pouvait être fait différemment et amélioré », dit DeFelice. « Maintenant, si vous revenez aux joueurs originaux, il y en avait actually un troisième, et c'était Raychem, qui a vendu à BASF, qui a simplement abandonné PAEK. Mais la technologie de Raychem était pour synthèse basse température (LTS). C'est très différent de HTS. » Il note qu'au lieu de produire du polymère en flocons qui doit ensuite être broyé avant d'être mélangé avec solvant, etc. pour applications préimprégné et impression 3D, cette technologie LTS brevetée permet la production d'une poudre à forme sphérique qu'il est possible de contrôler. Parce que LTS est un process « à froid », il est aussi bien plus contrôlable en termes de poids moléculaire et structure moléculaire du polymère fini. Cependant, le process est plus lent, donc un peu plus coûteux. « Mais il est aussi possible d'aller directement à la poudre, sans étape de broyage », dit DeFelice. « Donc cela aide à compenser le process plus lent. »

Ce nouveau produit, OXPEKK-LTS, offre le meilleur des deux mondes : un process contrôlable qui produit un produit avec poudre polymère sphérique. « Avec le broyage, vous finissez avec des « rochers » de polymère irréguliers qui sont difficiles à empiler uniformément lors du revêtement et imprégnation d'un ruban », explique DeFelice. « La forme ronde d'OXPEKK-LTS permet plus de précision pendant la fabrication du ruban. Donc maintenant nous pouvons améliorer le ruban et permettre le vrai process OOA via consolidation in-situ, qui est entravé par la fidélité dimensionnelle actuelle du ruban. »

Donc c'est possible de produire meilleur ruban et encore matcher le prix de PEEK ? « Le coût que Airbus et leurs fournisseurs débattent pour structures primaires composites est bien plus compliqué que juste le coût matière première polymère », contre-argumente DeFelice. « La matière première est définitivement un morceau du coût composant global, mais le process de fabrication et la performance sont les éléments clés de coût. D'abord, la résistance à la compression de PEKK est bien plus haute que PEEK, ce qui est un avantage substantiel. Vous pouvez atteindre une bien meilleure performance fatigue dans la structure composite, ce qui à son tour signifie que vous pouvez designer structures plus légères qui ne requièrent pas autant de matériau. En d'autres termes, nous fournissons un moyen d'atteindre des rapports résistance/poids plus élevés. Mais nous permettons aussi l'ISC, donc ces structures plus légères sont maintenant produites en une étape, pas deux. »

Mais OPM ne s'arrête pas là. DeFelice affirme que toute la fibre de carbone utilisée en polycétone préimprégné pour applications aérospatiales est utilisée sans taille. C'est clé car la taille appliquée à la fibre lui permet de passer à travers toutes les diverses étapes de process avec prévisibilité, dommages réduits et répétabilité. « Personne dans l'aérospatial n'utilise fibre de carbone avec taille pour structure primaire thermoplastique PAEK car toutes les tailles connues affectent négativement les propriétés mécaniques », explique-t-il.

Une note rapide ici. Matthias Schubert, service technique pour Teijin Carbon en Europe, désaccorde. « Nous avons utilisé une taille spéciale pour thermoplastiques PAEK depuis de nombreuses années », explique-t-il. « C'était nécessaire car les tailles standard ont un peu de dégazage dû à leur chimie époxy qui dégrade aux températures de process PAEK. Notre taille augmente actually l'adhésion résine, qui est environ 20 % plus haute comparée aux fibres de carbone non dimensionnées. » Il note que cela a été mesuré par tests de flexion 4-points transversaux et peut être attribué à l'initialisation contrôlée de structures cristallines à l'interface fibre-résine. (Note, ce développement de taille est expliqué par Jean-Philippe Canart chez Teijin Carbon America dans le blog « PEEK vs. PEKK vs. PAEK ».)

« Avec OXPEKK LTS, nous avons aussi chimie propriétaire pour mettre le PEKK en solution et l'utiliser comme taille qui va encore accélérer le process et améliorer la performance du ruban. » dit DeFelice. Cela s'étend tout le long jusqu'à la consolidation in-situ. « Donc maintenant il y a un business case extrêmement fort émergeant pour grandes structures primaires faites usando cette technologie. »

Qu'en est-il des rubans plus épais ? NLR a dit qu'il voudrait avoir un ruban aussi épais que 0,25 pouces, ce qui aide davantage à rencontrer les taux de production de 60-70 avions/mois. « La vitesse pousse contre la fidélité du process et la performance dans la structure finale », dit DeFelice. « Donc c'est toujours un équilibre entre ces facteurs opposés. La physique des particules polymères rondes dans le préimprégnage est well-established. Nous croyons offrir le contrôle de ces particules qui donne plus de leviers pour atteindre l'équilibre nécessaire pour produire de grandes structures primaires OOA qui rencontrent cibles coût et performance. Nous avons des outils très puissants pour amener cette technologie où Airbus et autres la veulent. »

Le track record d'OPM à tracer de nouvelles voies lui donne confiance. « Personne d'autre n'a qualifié impression 3D avec PEKK et fibre de carbone pour spatial avec allowables B-basis complets », dit DeFelice, « et personne d'autre n'a développé implants crâne, colonne et orthopédiques avec clearance FDA, biocompatibilité et performance certifiées. Nous sommes confiants de pouvoir fournir solutions composites thermoplastiques PEKK pour avions. »

OXPEKK LTS sera introduit pour purposes développementaux d'ici fin de cette année. Le produit sera commercialement disponible début 2019.