Memilih Komposit Termoplastik Tepat: PEEK, PEKK, PAEK, dan Pengepresan Berkelanjutan

 

Ini adalah lanjutan dari serangkaian artikel terbaru tentang komposit termoplastik (TPC) yang telah saya tulis (lihat di bawah) plus fitur lem tape termoplastik Jeff Sloan yang ditulis dalam edisi Februari.

• Mengonsolidasikan struktur pesawat komposit termoplastik secara in-situ, Bagian 1
• Mengonsolidasikan struktur pesawat komposit termoplastik secara in-situ, Bagian 2
• Demonstrator komposit termoplastik — peta jalan UE untuk kerangka pesawat masa depan
• PEEK atau PEKK dalam struktur pesawat TPC masa depan?

TPC telah terbang pada pesawat sejak tahun 1990 dan dalam struktur primer sejak 2010 — Gulfstream’s G650 memiliki pengayun dan elevasi serat karbon/polisulfen fenilena (PPS) yang diproduksi oleh bisnis Fokker milik GKN Aerospace’s (Redditch, Inggris) menggunakan TenCate’s Cetex prepreg.

Saya pikir terkadang kita lupa seberapa banyak pengalaman yang sudah kita miliki dalam teknologi TPC. Di masa lalu, kita telah bertanya “mengapa lebih banyak TPC tidak terbang pada pesawat?”. Mungkin sekarang, dengan persiapan Boeing untuk New Mid-market Airplane (NMA) dan kemajuan industri pesawat Eropa melalui Clean Sky 2 dan program pengembangan lain, kita akhirnya dapat melihat ronde aplikasi baru yang memasuki layanan.

Sementara itu, sudah ada rantai pasok yang luas dengan berbagai perusahaan veteran. Di sini, saya akan berhubungan dengan TenCate (yang baru saja diakuisisi oleh Toray), Teijin dan Solvay. Setiap orang memiliki pandangan berbeda tentang polimer dan teknologi pemrosesan mana yang menawarkan potensi.

 

TenCate — veteran TPC terus meningkatkan teknologi

TenCate klaim memiliki lebih dari 40 tahun pengalaman dalam mengembangkan komposit termoplastik. Merek Cetexnya terkenal untuk prepreg dan laminat yang telah dikonsolidasi sebelumnya (juga disebut organosheet) tetapi juga mencakup kompaun cetak lumpur (BMC) serta pita unidireksional (UD) dan terpaku. Perusahaan memiliki catatan panjang dengan rentang lengkap termoplastik (lihat grafik di bawah), dan kini telah menambahkan Low Melt Polyaryletherketone (LM PAEK). Bahan-bahan ini digunakan dalam aplikasi yang didukung oleh divisi Aerospace dan Industrial TenCate, serta produk pasar massal seperti elektronik konsumen dan sepatu olahraga melalui divisi Performance Composites perusahaan.

Tape termoplastik Cetex tersedia dalam berbagai polimer matriks yang bervariasi dari suhu leleh lebih rendah/kinerja lebih rendah ke suhu leleh lebih tinggi/kinerja lebih tinggi.
SUMBER: TenCate (atas), Tri-Mack Plastics Mfg. Corp. (bawah)
dengan PEEK, PAEK ditambahkan oleh CW.

Durante wawancara untuk seri saya tentang termoplastik yang dikonsolidasikan secara in-situ, LM PAEK muncul sebagai alternatif potensial untuk polyetherketoneketone (PEKK) dan polyetheretherketone (PEEK) dalam pencarian pemrosesan yang lebih cepat. Ketika saya bertanya kepada TenCate tentang ini, Dr. Hans Luinge, direktur penelitian komposit termoplastik & pengembangan produk untuk TenCate, meringkas perbedaan dalam suhu leleh:

• TC1225 Serat karbon (CF)/tape LM PAEK 305°C
• TC1320 CF/tape PEKK 340°C
• TC1200 CF/tape PEEK 350°C

Perhatikan bahwa suhu aktual yang digunakan saat memroses tape komposit ini mungkin lebih tinggi, namun TC1225 LM PAEK masih menarik karena titik leleh yang jauh lebih rendah.

“Cetex TC1225 LM PAEK diperkenalkan dalam program pengembangan TAPAS1, di mana kami merupakan peserta kunci,” ingat Luinge. Ia menggunakan polimer PAEK dari Victrex, dan dia menyarankan bahwa pada 2013, bahan TC1225 sudah digunakan dalam struktur pesawat demonstrasi. Airbus Nantes memamerkan panel fuselage dengan penguat terintegrasi di Paris Air Show 2013. Ini dibuat menggunakan tape CF/LM PAEK yang disuplai oleh TenCate, dengan elemen omega yang dibentuk pres dan elemen T yang dielas yang dielas pada kulit, yang dibuat dengan penempatan serat otomatis (AFP).

“LM PAEK dengan leleh rendah bekerja baik dalam AFP, stamp forming dan welding,” kata Scott Unger, direktur teknologi global TenCate.  Namun dengan suhu leleh lebih rendah, apakah properti mekanis untuk LM PAEK lebih rendah daripada PEKK dan PEEK? Unger mengatakan tidak, mereka semua kira-kira sama. “PEEK, PEKK dan LM PAEK adalah semua bahan struktural yang baik, dan dari sudut pandang biaya, TC1225 diharga kompetitif dengan TC1200 CF/PEEK dan lebih murah daripada TC1320 PEKK.”

 

   

 

LM PAEK dengan leleh rendah mempercepat konsolidasi in-situ

Selanjutnya, TC1225 LM PAEK menjanjikan untuk konsolidasi in-situ, yang menurut Unger “potensial adalah Holy Grail. Namun apa yang telah kita lihat di masa lalu adalah bahwa kecepatan AFP Anda harus sangat lambat untuk mencapai konsolidasi in-situ.” Dia menjelaskan, “Anda tidak dapat mencapai konsolidasi in-situ tanpa menggunakan tape yang menunjukkan tingkat void jauh lebih rendah dari yang pada akhirnya dapat diterima dalam laminat atau struktur akhir. Ada dua faktor kunci: kualitas tape dan seberapa baik resin matriks dan serat didistribusikan dalam tape UD.” Unger mengklaim proses manufaktur tape UD TenCate telah dirancang untuk menghasilkan tingkat void yang sangat rendah untuk memungkinkan proses seperti AFP cepat diikuti oleh out of autoclave/vacuum bag only (OOA/VBO) konsolidasi serta konsolidasi in-situ AFP dalam satu langkah.

“Tape kami sangat konsisten dengan 0 hingga 0,5% void maksimum,” kata Winand Kok, direktur layanan ahli TenCate Uni Eropa. “Ketebalan tape kami juga sangat konsisten, itulah sebabnya kami dapat mencapai ketebalan lapisan yang sangat akurat dalam laminat yang dikonsolidasikan. Konsistensi ini juga penting untuk proses pengelasan termoplastik dan konsolidasi in-situ.” Unger kembali ke persyaratan kedua yang diuraikan di atas: “LM PAEK memiliki aliran yang jauh lebih baik dibandingkan PEKK dan PEEK. Ia juga dapat diproses pada kecepatan lebih tinggi daripada PEKK dan PEEK.”

Poin terakhir ini didemonstrasikan dalam perbandingan laminat-ke-laminat. “Kami membuat laminat CF/PEKK TC1320 menggunakan mesin AFP laser Coriolis di ThermoPlastic composites Research Center (TPRC) di Twente, Belanda,” kata Unger, “pada kecepatan cepat 600 mm/s. Kami kemudian mengonsolidasikan laminat ini menggunakan vacuum bag only dalam oven.” Dia mengakui ada porositas di antara lapisan karena tata letak AFP yang cepat, namun void ini diperbaiki selama langkah konsolidasi kedua, yang diilustrasikan dalam mikrogram laminat. “Kami juga melakukan penempatan serat bahan TC1320 pada 200 mm/s dan menemukan bahwa porositas di antara lapisan tidak dihilangkan dengan kecepatan yang lebih lambat. Kami kemudian membuat laminat setara menggunakan mesin AFP yang sama namun kali ini menggunakan tape TC1225 CF/LM PAEK tanpa langkah konsolidasi OOA/VBO sekunder — i.e., konsolidasi in-situ penuh via AFP. Kami mencapai properti konsolidasi yang sama seperti panel PEKK 2 langkah.”

 

CF/PAEK yang dibuat dengan konsolidasi in-situ AFP (tanpa langkah sekunder) menunjukkan properti konsolidasi yang sama dengan CF/PEKK yang dibuat dengan AFP cepat + konsolidasi dalam oven (atas). SUMBER: TenCate

Unger mencatat kecepatan AFP 200 mm/s untuk laminat CF/PAEK yang dikonsolidasikan in-situ lebih dari dua kali yang diklaim oleh Henri de Vries, ilmuwan senior, komposit, di Departemen Teknologi Struktur di Pusat Penerbangan Belanda (NLR, Amsterdam), dalam artikel saya, “Mengonsolidasikan struktur pesawat komposit termoplastik secara in-situ, Bagian 2”:

“Sekarang, kita melihat sejauh mana kita dapat mendorong kecepatan AFP konsolidasi in-situ sambil mempertahankan tingkat void yang dapat diterima dan properti mekanis dalam laminat,” kata Unger. “Kami telah melakukan banyak pekerjaan dalam menata panel TPC yang diuat menggunakan proses otomatis.  Sekarang tujuan adalah untuk membangun tingkat kesiapan teknologi.” Kok mengatakan TenCate terus melakukan ini, bekerja sama dengan mitra industri, termasuk pelanggan dan institusi R&D. Salah satu contoh adalah pylon mesin yang dibuat menggunakan tape TC1320 CF/PEKK yang dipamerkan di stand TenCate di JEC 2018. TenCate bekerja sama dengan pembuat cangkang pylon NLR serta Dutch Thermoplastic Components (DTC), yang membentuk tulang rusuk yang dielas pada cangkang sebagai elemen penguat. Meskipun bagian ini dibuat menggunakan AFP dan kemudian dikonsolidasikan dalam autoklave, Kok mencatat, “Kami juga menjelajahi cara untuk lebih mengoptimalkan tape untuk konsolidasi 2 langkah menggunakan hanya vacuum bagging dalam oven alih-alih autoklave.”
 

 

Tape CF/LM PEKK yang dicetak, laminat yang dibuat menggunakan penempatan tape otomatis (ATL) dan tulang rusuk yang dibentuk pres, diproduksi oleh DTC. SUMBER: www.composites.nl

Unger mencatat produk CF/LM PAEK milik TenCate yang digunakan dalam pengembangan dan demonstrasi struktur pesawat primer memang menggunakan serat karbon tanpa ukuran serta serat karbon dengan ukuran. Dia mengatakan meskipun lima tahun lalu mungkin tidak umum untuk melihat tape prepreg LM PAEK, PEKK dan PEEK yang menggunakan serat karbon dengan ukuran karena efek buruk pada properti mekanis yang terkait dengan ukuran, itu tentu tidak lagi berlaku hari ini.

Salah satu poin terakhir yang menekankan potensi LM PAEK adalah bahwa NIAR dan FAA sedang menyelesaikan basis data publik pertama untuk bahan komposit termoplastik, menggunakan TC1225 CF/LM PAEK milik TenCate. Basis data akan dirilis awal tahun depan, dan bahan ini dipilih karena properti mekanis dan kemudahan pemrosesannya.

 

Teijin — produsen serat karbon lama beralih ke TPC

Produsen serat karbon (CF) Toho Tenax Co. Ltd. (Tokyo, Jepang) kini dikenal secara global sebagai Teijin Carbon, dengan tiga anak perusahaan utama:

• Teijin Carbon Eropa
• Teijin Carbon Amerika
• Teijin Carbon Singapura.

Nama produk tetap Tenax.

“Kami menghabiskan banyak waktu untuk mengembangkan termoplastik 15-20 tahun yang lalu,” kata Jean-Philippe Canart, sebelumnya manajer produk semi-produk termoplastik untuk Toho Tenax Eropa dan sekarang insinyur pasar penerbangan untuk Teijin Carbon Amerika. “Salah satu strategi kami adalah mengembangkan tape termoplastik UD (unidireksional), yang kami perkenalkan pada 2013.” 

Canart menjelaskan batu bangunan untuk pengembangan ini, “Salah satu teknologi inti kami adalah ukuran termoplastik untuk CF, yang membantu pemrosesan tape. Ukuran CF standar harus dihilangkan karena suhu pemrosesan yang tinggi yang diperlukan untuk termoplastik. Selain daya tahan suhu,  ukuran termoplastik juga memberikan performa tambah dengan adhesi serat-matriks dalam komposit akhir. Salah satu baris terbesar kami di Eropa memproduksi 1.700 ton/tahun CF yang dilengkapi dengan ukuran TP. Dari sini kami mengembangkan UD tape dengan matriks termoplastik PEEK, PEKK dan PPS untuk digunakan sebagian besar dalam aplikasi penerbangan tetapi kami juga bekerja pada aplikasi minyak & gas dan industri.”

SUMBER: Teijin.

Canart mengatakan fokus pertama Teijin dengan TPC adalah pada stamp forming (stempel) klip dan bracket untuk Airbus A350, menggunakan kain CF yang dilapisi PEEK: “Ini adalah gelombang besar pertama aplikasi penerbangan. Kami melihat ini sekarang bergerak ke bagian struktural yang lebih besar yang diproduksi dengan campuran laminat AFP diikuti oleh konsolidasi melalui stempel.” Canart mengakui bahwa konsolidasi in-situ (ISC) telah dalam pengembangan selama bertahun-tahun, namun berpendapat, “kami tidak melihatnya sudah matang. Kami mendukung proyek R&D dan institusi dalam pengembangan lebih lanjut.” Dia mengatakan ISC mungkin, “tetapi pertanyaan adalah seberapa cepat Anda dapat membuat bagian? Dan seberapa kuat prosesnya?” Dia percaya akan 2025-2030 sebelum bagian ISC dalam produksi untuk badan pesawat komersial. Sementara itu, Teijin melihat ekspansi dalam tape TPC untuk baris produksi AFP + stempel 2 langkah. “Kami sudah berinvestasi dalam baris tape Eropa kami dan juga mendukung kapasitas proses baru seperti compression molding berkelanjutan (CCM). Rantai pasok sedang tumbuh.”

 

Mendukung produksi massal TPC — CCM

Continuous Compression Molding (CCM) adalah proses yang saya tulis pada 2010: “Compression molding kelas penerbangan”. Ini dipatenkan sebagai X-CCM oleh Performance Polymer Compositesxperion (Markdorf, Jerman), perusahaan yang awalnya mengembangkan dan mengomersialkan proses ini lebih dari dua dekade yang lalu. X-CCM menawarkan laminat komposit termoplastik berkualitas tinggi menggunakan proses yang cepat, hampir berkelanjutan. “Kami bekerja sama dengan xperion sebagai pemasok bahan,” kata Canart. “Ini adalah teknologi matang, yang digunakan selama bertahun-tahun baik oleh Airbus maupun Boeing. Sekarang ini benar-benar tumbuh, digunakan untuk menghasilkan laminat yang dikonsolidasikan dan dibentuk. CCM hebat untuk biaya tetapi penampang silang harus tetap konstan.”

 

 

 

Teijin mendukung pertumbuhan proses manufaktur bagian berbasis tape TPC seperti compression molding berkelanjutan (CCM) yang dikomersialkan oleh xperion PPC.
SUMBER: Teijin, SAMPE Seattle 2014.

Menurut Laurens de la Ossa, manajer penjualan senior untuk xperion PPC, “Proses X-CCM kami kini lebih canggih, mampu menghasilkan bentuk yang lebih kompleks, termasuk profil asimetris seperti profil T- dan J.” Dia menambahkan bahwa proses dapat menghasilkan laminat TPC yang dikonsolidasikan hingga lebar 24 inci. “Kami bagian dari seluruh infrastruktur teknologi yang bergerak menuju produksi massal komposit termoplastik. Kami memiliki proses yang sangat rapi untuk bagian TPC yang dikonsolidasikan — tidak ada vacuum bagging, dan kami dapat menangani laminat tebal 60 lapis dan lebih, 8-10 mm tebal.”

Bagian jenis apa yang ditargetkan X-CCM? “Stringer fuselage interior, balang lantai dan bingkai lain di sekitar lantai atau langit-langit, komponen struktural dan aplikasi semi-struktural yang menuntut performa bahan tertinggi,” kata de la Ossa. “Pada 2025, ketika platform pesawat baru mulai memasuki produksi, kami akan mencapai 6-10 kali volume bahan secara tahunan hanya untuk menyediakan apa yang telah kami responsi dengan kuotation hingga saat ini.”
 

SUMBER: Teijin, SAMPE Seattle 2014

Sebagai bagian dari dorongan ini menuju produksi volume yang lebih tinggi, Teijin fokus pada mengurangi biaya bahan tape dan meningkatkan kapasitas, kata Canart. Bagaimana dengan permintaan industri untuk tape yang lebih tebal? Secara spesifik, de Vries di NLR telah mengatakan:

“Kami sudah mengembangkan tape dengan bobot areal serat yang bervariasi dari 145 hingga 200 g/m²,” balas Canart. “Dengan produk ini, ketebalan .18mm sudah cukup standar untuk kami. Kami telah memodifikasi baris kami untuk ketebalan ini dan juga hingga .20 mm, jadi saya pikir 0.25 mm bahkan tidak akan menjadi lompatan yang besar.”

Dan bagaimana dengan kualitas tape? “Kami pikir semua tape perlu dimodifikasi untuk bagian berkualitas lebih tinggi pada kecepatan lebih cepat,” kata Canart. “Kadar resin mungkin tidak cocok dengan apa yang diperlukan konsolidasi in-situ dan distribusi resin dalam tape mungkin perlu dioptimalkan juga. Waktu dan kecepatan pelesitan sangat berbeda untuk resin dan proses yang berbeda. Kami mendukung pengembangan lebih lanjut di berbagai area, termasuk sistem polimer dan arsitektur tape, termasuk permukaan.”

 

Clip fuselage Airbus A350 yang dibuat dari laminat termoplastik TenCate Cetex C/PPS menggunakan Kain Tenax ThermoPlastic Terpaku (TPWF). SUMBER: Teijin, Premium Aerotec Group.

 

Solvay — pasar untuk PEEK dan PEKK

Produk termoplastik berkinerja tinggi Solvay untuk komposit termasuk Ketaspire PEEK, Novaspire PEKK, Radel Polyphenylsulfone (PPSU), dan Ryton Polysulfide fenilena (PPS). Dalam pernyataan yang dikirimkan oleh Solvay, perusahaan mengakui bahwa polimer ini diproduksi pada skala industri yang akan memungkinkan pertimbangan untuk aplikasi komposit pesawat volume besar dan dapat digunakan untuk menghasilkan prepreg berkualitas tinggi.

Solvay saat ini menyediakan prepreg APC unitape dengan polimer PEEK dan PEKK, dengan harga terutama dibedakan oleh biaya serat yang dipilih daripada polimer ketika diproduksi dan digunakan pada volume tinggi. Oleh karena itu, perusahaan percaya bahwa pemilihan matriks termoplastik mana yang akan digunakan untuk aplikasi tertentu akan didorong oleh preferensi pelanggan. Faktor yang mempengaruhi pilihan tersebut termasuk performa suhu, performa mekanis, pemrosesan pembuatan bagian, ketersediaan basis data bahan dan pengalaman tenaga kerja, untuk menyebut beberapa. Pandangan Solvay adalah bahwa PEKK dan PEEK keduanya melayani kebutuhan di pasar dan bahwa perusahaan mampu menawarkan prepreg terpelapis serat berkualitas tinggi dengan harga yang setara terlepas dari polimer yang dipilih.

 

Demonstrator ekor horizontal pesawat yang diproduksi oleh GKN Fokker menggunakan 
Solvay APC(PEKK-FC)/AS4D.  SUMBER: GKN Fokker.

 

Jadi untuk termoplastik, seperti dalam semua komposit lainnya, pilihan dalam bahan dan proses tidak terbatas. Faktanya, tampaknya mereka sedang meluas. Mana yang akan mendapat dominasi dalam produksi pesawat masa depan? Itu belum terlihat. CW akan terus memantau dan melaporkan apa yang kami lihat.