PEEK vs. PEKK: Memilih Termoplastik Optimal untuk Struktur Pesawat Masa Depan

Manakah yang lebih baik untuk konsolidasi in-situ (ISC) tape komposit termoplastik (TPC) yang sedang dikembangkan untuk produksi struktur pesawat primer, polyetheretherketone (PEEK) atau polyetherketoneketone (PEKK)? Sidebar ini menyajikan debat PEEK vs. PEKK yang merupakan bagian dari diskusi lebih luas tentang apakah ISC sebagai proses OOA (out of autoclave) yang benar-benar satu langkah dapat memenuhi tujuan biaya dan tarif produksi untuk produksi pesawat masa depan — yaitu 60-70 pesawat/bulan untuk jetliner satu koridor tipe A320 neo. Alternatifnya adalah menggunakan dua langkah: tata letak tape komposit termoplastik melalui penempatan serat otomatis (AFP) dan kemudian konsolidasi dalam autoklave atau pres dipanaskan. Lihat “Mengonsolidasikan struktur pesawat komposit termoplastik secara in-situ, Bagian 1” dan “Bagian 2” untuk lebih banyak detail.(Lihat juga artikel fitur terbaru Jeff Sloan tentang tape termoplastik.)

PEEK dan PEKK keduanya adalah anggota dari keluarga yang lebih luas polyaryletherketone (PAEK), sering disebut polyketone. “PEKK terlihat mirip PEEK, dan perilaku kristalisasinya mirip, tetapi suhu pemrosesannya 375°C vs. 385°C untuk PEEK,” kata Henri de Vries, ilmuwan senior, komposit, di Departemen Teknologi Struktur di Pusat Penerbangan Belanda (NLR, Amsterdam). NLR dan bisnis Fokker milik GKN Aerospace’s (Redditch, Inggris) (Papendrecht dan Hoogeveen, Belanda) telah memioneer banyak teknologi TPC dalam program TAPAS 1 dan TAPAS 2, termasuk kotak torsi 12m dan paling baru 6m panjang, 28mm tebal CF/PEKK upper spar pylon mesin yang dibuat menggunakan AFP tetapi dikonsolidasikan dalam autoklave. (Lihat “Demonstrator komposit termoplastik — peta jalan UE untuk badan pesawat masa depan”).

De Vries melihat PEKK lebih ramah untuk AFP, “karena jendela proses lebih lebar. Anda harus berada pada 385-390°C untuk PEEK — jadi pemrosesan pada 360°C tidak ideal. Namun, dengan PEKK, pemrosesan cukup baik bahkan pada 355°C. Jadi tidak hanya batas bawah Anda lebih rendah, tetapi Anda mendapat sedikit lebih banyak waktu sebelum bahan mengeras sehingga total waktu berada dalam leleh sedikit lebih lama, hence konsolidasi lebih baik.”

De Vries menambahkan bahwa PEKK menarik untuk stamp forming, opsi yang lebih cepat untuk konsolidasi dalam langkah kedua dibandingkan vacuum bagging dan siklus dalam autoklave. “Grade PEKK yang lebih lama (DS) terlalu lambat untuk stamp forming tetapi grade yang lebih baru (FC) lebih baik dan juga lebih murah daripada PEEK.”

“Oxford Performance Materials (OPM) telah bekerja sama dengan PEKK sejak 2000,” kata DeFelice, “mengembangkan teknologi bahan dan aplikasi. Semua produk PEKK di pasar saat ini dibuat menggunakan metode DuPont.” Dia menjelaskan bahwa pada dasarnya semua polyketone dikembangkan pada saat yang sama, sebagai respons terhadap kebutuhan akan performa api, asap dan toksisitas (FST) yang lebih baik di interior pesawat yang diancam oleh regulasi FAA baru pada tahun 1990. Namun, regulasi itu tidak pernah berlaku, dan pasar awal untuk PEEK dan PEKK menghilang. Jadi, ICI memisahkan PEEK ke Victrex dan DuPont menjual PEKK ke Fiberite, yang diakuisisi oleh Cytec, yang pada gilirannya diakuisisi oleh Solvay. DeFelice mengatakan Arkema menjadi mitra OPM dengan tujuan untuk mendapatkan keahlian PEKK, dan akhirnya mengembangkan produk PEKK metode DuPont. Sebagai hasil dari kemitraan ini, Arkema menjadi sumber kedua untuk PEKK di industri komposit.

“Hexcel juga berinvestasi di OPM,” kata DeFelice. (Di sini, kami membuat pengarahan singkat untuk menjelaskan akuisisi Hexcel atas bisnis manufaktur tambah penerbangan dan pertahanan OPM. “Kami mengembangkan teknologi manufaktur tambah menggunakan selective laser melting (SLM) dengan serat karbon terpelapis PEKK yang kualifikasinya di Boeing, Northrop Grumman dan lainnya untuk aplikasi PENERBANGAN. Ini menarik bagi Hexcel, yang sudah adalah pemegang saham besar di OPM.” Jadi, pada Desember 2017, Hexcel akuisisi bisnis penerbangan dan pertahanan (A&D) OPM (South Windsor, CT, AS). OPM, namun, mempertahankan bisnis cetak 3D PEKK-nya di luar penerbangan dan pertahanan, dan terus mengembangkan teknologi inti ilmu materialnya.

“Tidak semua PEKK sama,” menegaskan DeFelice. “Solvay dan Arkema mempraktikkan metode DuPont, yang menggunakan sintesis suhu tinggi (HTS), jadi berjalan sedikit lebih cepat, yang menurunkan biaya. Namun, itu juga memiliki kekurangannya.” Dia menjelaskan bahwa awalnya, ada masalah dengan stabilitas leleh dan keurnian polimer PEKK yang membuat sulit bagi DuPont untuk memproduksi bagian. Seiring waktu, metode DuPont membaik, dan polimer juga sedikit membaik, dan bagian menjadi lebih dapat direproduksi. Misalnya, selain teknologi manufaktur tambah yang disebutkan di atas, OPM telah mengembangkan injeksi serta aplikasi film dengan PEKK.

“Tetapi kami selalu melihat bahwa PEKK dapat dibuat secara berbeda dan ditingkatkan,” kata DeFelice. “Sekarang, jika Anda kembali ke pemain asli, sebenarnya ada yang ketiga, dan itu adalah Raychem, yang menjual kepada BASF, yang dengan sederhana mengabaikan PAEK. Namun teknologi Raychem adalah untuk sintesis suhu rendah (LTS). Ini sangat berbeda dari HTS.” Dia mencatat bahwa alih-alih menghasilkan polimer flake yang kemudian harus digiling sebelum dicampur dengan pelarut, dll. untuk aplikasi prepreg dan cetak 3D, teknologi LTS yang dipatenkan ini memungkinkan produksi bubuk dengan bentuk bola yang dapat dikontrol. Karena LTS adalah proses “dingin”, itu juga jauh lebih dapat dikontrol dalam hal bobot molekuler dan struktur molekul polimer yang jadi. Namun, proses ini lebih lambat, jadi sedikit lebih mahal. “Tetapi juga memungkinkan untuk pergi langsung ke bubuk, dengan tanpa langkah penggilingan,” kata DeFelice. “Jadi ini membantu mengimbangi pemrosesan yang lebih lambat.”

Produk baru ini, OXPEKK-LTS, menawarkan yang terbaik dari kedua dunia: proses yang dapat dikontrol yang menghasilkan produk dengan bubuk polimer berbentuk bola. “Dengan penggilingan, Anda akhirnya dengan ‘batu’ polimer yang runcing yang sulit ditumpuk secara seragam saat melapisi dan mengimpregnasi tape,” jelas DeFelice. “Bentuk bola OXPEKK-LTS memungkinkan presisi lebih tinggi selama pembuatan tape. Jadi sekarang kami dapat memperbaiki tape dan mengaktifkan pemrosesan OOA yang benar via konsolidasi in-situ, yang terhambat oleh fidelitas dimensi tape saat ini.”
 

Jadi mungkin untuk menghasilkan tape yang lebih baik dan masih mencocokkan harga PEEK? “Biaya yang dibahas Airbus dan pemasoknya untuk struktur primer komposit jauh lebih rumit daripada hanya biaya bahan mentah polimer,” menanggapi DeFelice. “Bahan mentah tentu saja merupakan bagian dari biaya komponen keseluruhan, tetapi proses pembuatan dan performa adalah elemen biaya kunci. Pertama, kekuatan tekan PEKK jauh lebih tinggi daripada PEEK, yang merupakan keuntungan besar. Anda dapat mencapai performa lelah yang jauh lebih baik dalam struktur komposit, yang pada gilirannya berarti Anda dapat merancang struktur yang lebih ringan yang tidak membutuhkan sebanyak bahan. Dengan kata lain, kami menyediakan cara untuk mencapai rasio kekuatan terhadap bobot yang lebih tinggi. Tetapi kami juga mengaktifkan ISC, jadi struktur yang lebih ringan ini sekarang diproduksi dalam satu langkah, bukan dua.”

Tetapi OPM tidak berhenti di sana. DeFelice menegaskan bahwa semua serat karbon yang digunakan dalam prepreg polyketone untuk aplikasi penerbangan digunakan tanpa ukuran. Ini adalah kunci karena ukuran yang diterapkan pada serat memungkinkan untuk bergerak melalui semua langkah pemrosesan yang berbeda dengan prediktabilitas, kerusakan yang dikurangi dan repeatabilitas. “Tidak ada di penerbangan yang menggunakan serat karbon dengan ukuran untuk struktur primer termoplastik PAEK karena semua ukuran yang dikenal mempengaruhi properti mekanis secara negatif,” jelasnya.

Catatan singkat di sini. Matthias Schubert, layanan teknis untuk Teijin Carbon di Eropa tidak setuju. “Kami telah menggunakan ukuran khusus untuk PAEK termoplastik selama bertahun-tahun,” jelasnya. “Ini diperlukan karena ukuran standar memiliki beberapa outgassing karena kimia epoksinya yang merusak pada suhu pemrosesan PAEK. Ukuran kami sebenarnya meningkat adhesi resin, yang sekitar 20% lebih tinggi dibandingkan serat karbon tanpa ukuran.” Dia mencatat ini telah diukur melalui tes lentur 4-titik lintas dan dapat diatribusikan pada inisialisasi terkontrol struktur kristal di antarmuka serat-resin. (Catatan, pengembangan ukuran ini dijelaskan oleh Jean-Philippe Canart di Teijin Carbon America dalam blog “PEEK vs. PEKK vs. PAEK”.)

“Dengan OXPEKK LTS, kami juga memiliki kimia milik untuk memasukkan PEKK ke dalam larutan dan menggunakannya sebagai ukuran yang akan mempercepat pemrosesan dan memperbaiki performa tape.” kata DeFelice. Ini berlanjut hingga konsolidasi in-situ. “Jadi sekarang ada kasus bisnis yang sangat kuat yang muncul untuk struktur primer besar yang dibuat menggunakan teknologi ini.”

Bagaimana dengan tape yang lebih tebal? NLR telah mengatakan ingin memiliki tape yang tebal hingga 0.25 inci, yang lebih membantu untuk memenuhi tarif produksi 60-70 pesawat/bulan. “Kecepatan mendorong kembali terhadap fidelitas dalam proses dan performa dalam struktur akhir,” kata DeFelice. “Jadi selalu keseimbangan antara faktor-faktor yang berlawanan ini. Fisika partikel polimer bulat dalam prepregging telah terbukti. Kami percaya kami menawarkan kontrol atas partikel ini yang kemudian memberi palang lebih banyak untuk mencapai keseimbangan yang diperlukan untuk menghasilkan struktur primer OOA besar yang memenuhi target biaya dan performa. Kami memiliki alat yang sangat kuat untuk membawa teknologi ini ke tempat yang diinginkan Airbus dan lainnya.”

Catatan prestasi OPM dalam membuka jalur baru memberikan kepercayaan pada diri. “Tidak ada yang lain yang telah mengkualifikasi cetak 3D dengan PEKK dan serat karbon untuk pesawat luar angkasa dengan allowables B-basis penuh,” kata DeFelice, “dan tidak ada yang lain yang telah mengembangkan implanter tengkorak, tulang punggung dan ortopedik dengan kliarsyen FDA, kompatibilitas bio yang divalidasi dan performa. Kami yakin kami dapat menyediakan solusi komposit termoplastik PEKK untuk pesawat.”

OXPEKK LTS akan diperkenalkan untuk tujuan pengembangan pada akhir tahun ini. Produk akan tersedia secara komersial pada awal 2019.