PEEK vs. PEKK: Optimales Thermoplast für zukünftige Flugzeugstrukturen wählen

Was ist besser für In-situ-Konsolidierung (ISC) thermoplastischer Composite (TPC) Tapes für Primärflugzeugstrukturen: Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyetherketonketon (PEKK)? Dieser Sidebar beleuchtet die PEEK vs. PEKK Debatte im größeren Kontext, ob ISC als echte One-Step Out-of-Autoclave (OOA) Prozess Kosten- und Produktionsrateziele zukünftiger Flugzeugfertigung erreichen kann – 60–70 Flugzeuge/Monat für A320 neo Typ Single-Aisle Jetliner. Alternative: Zwei Schritte: TPC-Tape-Lage via Automated Fiber Placement (AFP) dann Konsolidierung im Autoklav oder Heißpresse. Siehe „Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Part 1/2“ und Jeff Sloans Feature zu Thermoplast-Tapes.

Beide gehören zur Polyaryletherketon (PAEK) Familie, oft Polyketone genannt. „PEKK sieht PEEK sehr ähnlich, Kristallisationsverhalten ähnlich, aber Verarbeitungstemperatur 375 °C vs. 385 °C für PEEK“, sagt Henri de Vries, Senior Scientist Composites, Structures Technology Dept., Netherlands Aerospace Centre (NLR, Amsterdam). NLR und GKN Aerospace Fokker (Papendrecht/Hoogeveen, Niederlande) pionierten viele TPC-Technologien in TAPAS 1/2: 12 m Spannweite Torsionsbox, kürzlich 6 m langer, 28 mm dicker CF/PEKK Triebwerkspylon-Oberspar per AFP aber Autoklav-Konsolidierung.

De Vries sieht PEKK als AFP-freundlicher: „Prozessfenster breiter. PEEK erfordert 385–390 °C – 360 °C nicht ideal. PEKK: Verarbeitung bei 355 °C noch gut. Untere Grenze niedriger, etwas mehr Zeit vor Erstarren – also bessere Konsolidierung.“

PEKK interessant für Pressformen – schnellere Konsolidierungsoption als Vacuum Bagging/Autoklav. „Ältere PEKK-Grade (DS) zu langsam für Pressformen, aber neuere Grades (FC) besser und günstiger als PEEK.“

„Oxford Performance Materials (OPM) arbeitet seit 2000 mit PEKK“, sagt DeFelice, „Material- und Applikationstechnologie-Entwicklung. Alle PEKK-Produkte am Markt heute nutzen DuPont-Methode. Alle Polyketone entwickelten sich zeitgleich als Antwort auf Bedarf verbesserter Fire/Smoke/Toxicity (FST) Performance in Flugzeuginnenräumen durch drohende neue FAA-Regulierungen in den 1990ern. Regulierungen materialisierten sich nie, initialer Markt für PEEK/PEKK verdampfte. ICI spaltete PEEK zu Victrex aus, DuPont verkaufte PEKK an Fiberite → Cytec → Solvay. DeFelice: Arkema wurde OPM-Partner für PEKK-Expertise, entwickelte DuPont-Methode PEKK-Produkt. Arkema wurde zweite PEKK-Quelle für Composite-Industrie.“

„Hexcel investierte auch in OPM“, sagt DeFelice. (Kurzer Exkurs: Hexcel akquirierte OPMs Aerospace & Defense Additive Manufacturing Business. „Wir entwickelten AM-Technologie via Selective Laser Melting (SLM) mit Carbonfaser-verstärktem PEKK, qualifiziert bei Boeing, Northrop Grumman u. a. für AEROSPACE. Attraktiv für Hexcel, schon substantieller OPM-Aktionär.“ Dez 2017: Hexcel akquirierte OPM A&D Business (South Windsor, CT, USA). OPM betreibt 3D PEKK Druckbusiness außerhalb A&D weiter, entwickelt Kern-Materialwissenschaft.)

„Nicht alles PEKK ist gleich“, betont DeFelice. „Solvay und Arkema nutzen DuPont-Methode mit High Temperature Synthesis (HTS) – läuft etwas schneller, senkt Kosten. Aber Nachteile. Anfangs Probleme mit Schmelzstabilität/Reinheit, erschwerten DuPont Teilefertigung. Über Zeit verbesserte sich DuPont-Methode und Polymer, Teile reproduzierbarer. Beispiel: über AM hinaus entwickelte OPM Spritzgieß- und Folienanwendungen mit PEKK.“

„Aber wir sahen immer, PEKK könnte anders/besser gemacht werden“, so DeFelice. „Ursprünglich gab es dritten Player: Raychem, verkauft an BASF, die PAEK aufgaben. Raychems Technologie: Low Temperature Synthesis (LTS). Grundlegend anders als HTS. Statt Polymer-Flakes die gemahlen werden müssen vor Mischen mit Lösemittel etc. für Prepreg/3D-Druck, ermöglicht patentiertes LTS Pulver mit sphärischer Form – kontrollierbar. Da LTS „kalter“ Prozess: kontrollierbarer molekülgewicht/struktur. Prozess langsamer, etwas kostspieliger. „Aber direkter Pulverweg, kein Mahlschritt“, so DeFelice. „Kompensiert langsameres Processing.“

Neues Produkt OXPEKK-LTS bietet Best of both Worlds: kontrollierbarer Prozess, sphärisches Polymerpulver. „Mit Mahlen: gezackte Polymer-‚Felsen‘, schwer gleichmäßig zu stapeln beim Tape-Coating/Imprägnierung“, erklärt DeFelice. „Runde OXPEKK-LTS Partikel ermöglichen mehr Präzision bei Tape-Herstellung. Jetzt können wir Tape verbessern und echtes OOA Processing via In-situ-Konsolidierung ermöglichen, behindert durch aktuelle Tape-Dimensionsfidelität.“

Sphärische Partikel in OXPEKK-LTS ermöglichen uniformeres Thermoplast-Tape,
unterstützt One-Step OOA In-situ-konsolidierte Primär-Composite-Flugzeugstrukturen. QUELLE: Oxford Performance Materials.

Besseres Tape zu PEEK-Preis? „Kosten, die Airbus/Lieferanten für Composite-Primärstrukturen debattieren, sind komplexer als Polymer-Rohmaterialkosten“, kontert DeFelice. „Rohmaterial sicher Teil Komponentenkosten, aber Fertigungsprozess und Performance sind Schlüsselelemente. Erstens: Druckfestigkeit von PEKK deutlich höher als PEEK – substanzieller Vorteil. Erreicht bessere Ermüdungsperformance im Composite – ermöglicht leichtere Strukturen mit weniger Material. Also: höhere Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse. Zweitens: ISC ermöglicht – leichtere Strukturen jetzt in einem Schritt, nicht zwei.“

OPM nicht am Ende. DeFelice: Alle Carbonfaser in Polyketon-Prepreg für Aerospace wird ungesizt verwendet. Schlüssel, weil Sizing Faser durch Prozessschritte mit Vorhersagbarkeit, reduziertem Schaden, Wiederholbarkeit führt. „Niemand in Aerospace nutzt gesizte Carbonfaser für PAEK Thermoplast-Primärstruktur, weil alle bekannten Sizings mechanische Eigenschaften nachteilig beeinflussen“, erklärt er.

Kurze Anmerkung: Matthias Schubert, Technical Service Teijin Carbon Europe, widerspricht. „Wir nutzen spezielles Sizing für PAEK Thermoplaste seit Jahren“, erklärt er. „Nötig, weil Standard-Sizings Epoxid-Chemie Outgassing bei PAEK-Verarbeitungstemperaturen. Unser Sizing erhöht Harzadhäsion um ~20 % vs. ungesizter Carbonfaser. Gemessen via Transversal-4-Punkt-Biegetest, zurückführbar auf kontrollierte Initialisierung kristalliner Strukturen an Faser-Harz-Grenzfläche. (Sizing-Entwicklung erklärt von Jean-Philippe Canart, Teijin Carbon America, in Blog „PEEK vs. PEKK vs. PAEK“.)“

„Mit OXPEKK LTS haben wir auch proprietäre Chemie, um PEKK in Lösung zu bringen und als Sizing einzusetzen, das Verarbeitung weiter beschleunigt und Tape-Performance verbessert“, sagt DeFelice. Reicht bis In-situ-Konsolidierung. „Extrem starker Business Case für große Primärstrukturen mit dieser Technologie.“

Dickeres Tape? NLR wünscht 0,25 Zoll für 60–70 Flugzeuge/Monat. „Geschwindigkeit drückt gegen Fidelität im Prozess und Performance in finaler Struktur“, sagt DeFelice. „Immer Balance zwischen Gegensätzen. Physik runder Polymerpartikel in Prepregging etabliert. Wir bieten Kontrolle dieser Partikel → mehr Stellschrauben für nötige Balance bei großen OOA Primärstrukturen, die Kosten-/Performance-Ziele treffen. Mächtige Tools, um Technologie dorthin zu bringen, wo Airbus & Co. sie wollen.“

OPM Track Record gibt Vertrauen. „Niemand sonst qualifizierte 3D-Druck PEKK/Carbonfaser für Spacecraft mit vollen B-Basis Allowables“, sagt DeFelice, „niemand sonst entwickelte Schädel/Wirbelsäule/Orthopädie-Implantate mit FDA Clearance, zertifizierter Biokompatibilität/Performance. Wir sind zuversichtlich, PEKK Thermoplast-Composite-Lösungen für Flugzeuge zu liefern.“

OXPEKK LTS Ende dieses Jahres für Entwicklungszwecke, kommerziell früh 2019.