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SLS激光燒結(jié)PEKK結(jié)構(gòu)件,,HEXCEL進(jìn)入波音合格供應(yīng)商名單

SLS
2019
08/28
11:34
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評(píng)論
2019年8月28日,,南極熊從外媒獲悉,,先進(jìn)復(fù)合材料公司Hexcel Corporation的3D打印部件已獲得波音公司批準(zhǔn),。目前,,已經(jīng)在波音公司的合格供應(yīng)商名單(QPL)上得到認(rèn)可,。

據(jù)悉,,Hexcel使用高性能熱塑性HexPEKK(聚醚酮酮)材料為波音3D打印生產(chǎn)航空航天結(jié)構(gòu)件。 3D打印的HexPEKK零件擁有強(qiáng)大的機(jī)械性能并且可以顯著的重量減輕,。 HexPEKK的航空應(yīng)用包括優(yōu)化的支架,,環(huán)境控制系統(tǒng)管道和鑄件。

高性能熱塑性HexPEKK

HexPEKK是一種高性能熱塑性塑料,,可以用于最終用途零件和組件,。采用選擇性激光燒結(jié)(SLS)3D打印技術(shù)加工,該聚合物具有優(yōu)異的性能,,如極端溫度耐受性和耐化學(xué)性,,這對(duì)耐久性至關(guān)重要,, HexPEKK零件還滿足飛機(jī)內(nèi)部煙霧和毒性要求(UL VO,OHS),。

在航空,,航天和國(guó)防領(lǐng)域,功能復(fù)雜性和重量對(duì)終端市場(chǎng)應(yīng)用的性能產(chǎn)生重大影響,。 HexPEKK是一種比鋁輕50%的替代工程級(jí)材料,。


使用HexAM™工藝制造的HexPEKK™部件的示例。圖片來(lái)自Hexcel,。

符合航空標(biāo)準(zhǔn)

2017年,,Hexcel收購(gòu)了Oxford Performance Materials(OPM)的航空航天和國(guó)防(A&D)業(yè)務(wù)。 OPM專門(mén)生產(chǎn)高性能熱塑性塑料和碳纖維增強(qiáng)3D打印部件,。在收購(gòu)之前,,OPM正在與波音公司合作,為CST-100 Starliner太空船提供3D打印部件,。 OPM已經(jīng)獲得了許多認(rèn)證,,包括AS9100C,這是航空航天和工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn),。

利用OPM的專業(yè)知識(shí),,Hexcel現(xiàn)在可為航空航天提供高速的零件生產(chǎn)。與傳統(tǒng)加工的鋁或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相比,,Hexcel的增材制造工藝大大減少了零件的交付周期和成本,。

在對(duì)Hexcel的HexPEKK和材料配方進(jìn)行嚴(yán)格審查后,波音公司批準(zhǔn)了HexPEKK 3D打印終端組件,。這些HexPEKK零件將用于商業(yè)航空航天應(yīng)用,,如優(yōu)化支架,環(huán)境控制系統(tǒng)管道和鑄件,。


△波音的船員空間運(yùn)輸(CST)系統(tǒng)正在建設(shè)中。 照片來(lái)自波音公司,。

聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)之間的區(qū)別

有不少讀者或許會(huì)將PEEK和PEKK弄混,,實(shí)際上這是兩種材料,但也有很多相通之處,。

PEEK和PEKK都是聚芳醚酮(PAEK)大家庭中的成員,,通常被稱為聚酮。荷蘭航空航天中心(NLR)結(jié)構(gòu)技術(shù)部高級(jí)復(fù)合材料科學(xué)家Henri de Vries介紹:“PEKK與PEEK外觀很相似,,結(jié)晶行為也類(lèi)似,,但二者的工藝溫度不同,PEKK為375°C,,而PEEK為385°C,�,!盢LR與GKN航空公司旗下Fokker技術(shù)公司在“熱塑性塑料經(jīng)濟(jì)可承受飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)(TAPAS)”項(xiàng)目的第一和第二階段所開(kāi)發(fā)的熱塑性復(fù)合材料(TPC)技術(shù)開(kāi)發(fā)方面頗有建樹(shù),成功研制出了跨度12m的抗扭箱,,并于近期采用自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)(AFP)和熱壓罐固化技術(shù)制成了6m長(zhǎng),、28mm厚的碳纖維增強(qiáng)PEEK發(fā)動(dòng)機(jī)掛架上梁。De Vries發(fā)現(xiàn)由于PEKK的工藝窗口更寬,,因此更適合AFP工藝,。與之相比,PEEK的工藝窗口在385-390°C范圍內(nèi),,工藝要求相對(duì)苛刻,,360°C的工藝條件顯然是不夠理想的。而對(duì)PEKK來(lái)講,,355°C也是不錯(cuò)的加工溫度,。因此,不僅僅是工藝窗口的溫度下限更低,,其處于液態(tài)的時(shí)間也會(huì)略長(zhǎng),,固化效果也更好。De Vries補(bǔ)充說(shuō),,與真空袋熱壓罐成型工藝相比,,壓力成型是一種更快的兩步法固化工藝。而對(duì)于壓力成型來(lái)說(shuō),,PEKK是一種有趣的材料,。 PEKK舊的規(guī)格體系對(duì)壓力成型來(lái)講工作節(jié)拍太慢,而新規(guī)格的PEKK比PEEK性能更好,、也更便宜,。

西班牙復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用中心(FIDAMC)作為項(xiàng)目主導(dǎo)者與空客和自動(dòng)鋪放(AFP)設(shè)備供應(yīng)商MTorres聯(lián)合開(kāi)發(fā)原位固化(ISC)結(jié)構(gòu)部件,西班牙復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用中心(FIDAMC)工藝開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任 Rodriguez說(shuō):“目前,,PEKK價(jià)格較低,。”然而,,為了在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì),,Solvay已就降低PEEK的銷(xiāo)售價(jià)格展開(kāi)了討論。同時(shí),,空客采用PEEK生產(chǎn)機(jī)翼結(jié)構(gòu),,采用PEKK生產(chǎn)較厚機(jī)身結(jié)構(gòu)件的設(shè)想也引發(fā)了業(yè)內(nèi)的討論。Rodriguez注意到西班牙復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用中心(FIDAMC)已經(jīng)獲得了PEEK輕型機(jī)翼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)資質(zhì),,他表示:“對(duì)我們來(lái)說(shuō),,PEEK和PEKK力學(xué)性能相仿,盡管PEKK熔點(diǎn)略低,、更易操作,,但對(duì)PEEK10年的研究經(jīng)歷使我們獲得了明確的工藝參數(shù),。而對(duì)于PEKK,為了確定其最佳的工藝窗口還有大量的工作需要做,。最近英國(guó)的高性能聚酮解決方案提供商Victrex開(kāi)發(fā)了一種熔點(diǎn)340°C的聚芳醚酮(PAEK),。就工具、加熱爐等裝備來(lái)說(shuō),,340°C和350°C跟400°C沒(méi)什么不同,。最終,選用什么材料,、用于什么部件,、選用一步法還是兩步法,決定權(quán)都在空客手中,�,!� 瑞典Automated Dynamics公司總裁Robert Langone則表示:“我們對(duì)包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP),、聚酰胺(PA),、聚苯硫醚(PPS)、PEEK和PEKK在內(nèi)的幾乎所有熱塑性樹(shù)脂都進(jìn)行了研究,,某種程度上講,,PEKK的晶化速度比PEEK更慢,因此可加工性更強(qiáng),�,!蹦鞘遣皇钦f(shuō)晶化速度更慢會(huì)使過(guò)程更可控、工藝窗口更寬松呢,?Langone補(bǔ)充道:“我認(rèn)為其較低的熔體粘度是加工性更強(qiáng)的原因,。但即使是具有快速晶化能力的最新一代PEKK,與PEEK相比,,晶化也不那么容易,。” GKN航空公司旗下Fokker技術(shù)公司航空結(jié)構(gòu)研發(fā)部主任Arnt Offringa也表示:“對(duì)于壓力成型來(lái)講,,PEEK和PEKK都相當(dāng)出色,。而對(duì)于熱壓罐工藝,PEKK由于具有更低的熔點(diǎn),,使工藝過(guò)程更加穩(wěn)定�,!盤(pán)EKK也不盡相同

美國(guó)牛津高性能材料公司(Oxford Performance Materials,,OPM)CEO Scott DeFelice注意到,原位固化(ISC)熱塑性復(fù)合材料(TPCs)是在波音787和空客A350等機(jī)型的機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)件對(duì)熱壓罐尺寸提出更高要求的情況下應(yīng)運(yùn)而生的,。如果熱壓罐體積更大,,工藝控制將更為困難,。這些問(wèn)題在日本“重工業(yè)”一級(jí)供應(yīng)商的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)中也可見(jiàn)一斑。(三菱重工生產(chǎn)波音787的機(jī)翼,,富士重工生產(chǎn)中央翼盒,,川崎重工生產(chǎn)圓筒段機(jī)身。) 小型部件生產(chǎn)工藝可以控制得相當(dāng)好,,但對(duì)于大型部件,,最起碼會(huì)受到生產(chǎn)速率的限制。換句話說(shuō),,要獲得高品質(zhì)復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)部件的工藝控制需要較長(zhǎng)時(shí)間,。這對(duì)于未來(lái)窄體客機(jī)的生產(chǎn)速率是根本不允許的。DeFelice補(bǔ)充道:“NLR和Fokker公司主要關(guān)注相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)部件,。因此,,他們對(duì)于原位固化(ISC)的關(guān)注程度沒(méi)有空客高�,?湛筒捎梅菬釅汗藜夹g(shù)生產(chǎn)機(jī)翼和機(jī)身通道部件的驅(qū)動(dòng)力更足,。”他相信空客是目前全球原位固化(ISC)技術(shù)最先進(jìn)的企業(yè),。



OXPEKK可用于無(wú)強(qiáng)化粒料,、棒料和定制填充(碳纖維、玻璃纖維或其他)化合物的生產(chǎn),。

Arkema與OPM合作獲得了PEKK的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),,成為了復(fù)合材料工業(yè)第二大PEKK生產(chǎn)商。 DeFelice斷言:“所有PEKK都是不同的,。Solvay和Arkema采用的是DuPont技術(shù),,屬于高溫合成,反應(yīng)速度快,,成本相對(duì)較低,。但該方法也存在相當(dāng)大的問(wèn)題�,!弊畛�,,熔化過(guò)程的穩(wěn)定性和PEKK聚合物的純度問(wèn)題比較嚴(yán)重,一度曾對(duì)DuPont零部件的生產(chǎn)造成了困擾,。隨著時(shí)間的推移,,DuPont法不斷改進(jìn), 聚合物也有少許優(yōu)化,零部件生產(chǎn)的一致性更好,。例如,,除了之前提到的增材制造技術(shù),OPM還開(kāi)發(fā)了PEKK的注射成型和膜應(yīng)用技術(shù)�,!暗覀円恢倍寄芸吹絇EKK各種生產(chǎn)工藝的改進(jìn)�,,F(xiàn)在回頭看最早的幾家開(kāi)發(fā)企業(yè),還有第三家,,也就是后來(lái)被BASF收購(gòu)并輕易放棄了PAEK的Raychem公司,。Raychem的技術(shù)屬于低溫合成(LTS),其與高溫合成HTS截然不同,�,!彼注意到,不同于生產(chǎn)片狀聚合物需要進(jìn)行研磨才能與溶劑混合,,制備預(yù)浸料和3D打印材料,,這種低溫合成(LTS)技術(shù)能夠生產(chǎn)具有可控外形的球形粉末。由于低溫合成(LTS)技術(shù)是一種“冷”加工過(guò)程,,這使得最終聚合物的分子重量和分子結(jié)構(gòu)也更加可控,。但是,該工藝過(guò)程速度較慢,,生產(chǎn)成本相對(duì)略高,。由于能夠直接制備球形粉末,無(wú)需研磨,,因此可以抵消較低的生產(chǎn)效率,。OPM公司采用低溫合成技術(shù)開(kāi)發(fā)的PEKK產(chǎn)品OXPEKK-LTS具有兩大優(yōu)點(diǎn):過(guò)程可控和直接產(chǎn)出球形粉末。因?yàn)�,,再研磨過(guò)程中會(huì)碰到鋸齒狀聚合物,,在后續(xù)的涂覆和預(yù)浸帶制備過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)均勻的堆疊。而球形的OXPEKK-LTS可以使預(yù)浸帶的制備精度更高�,,F(xiàn)在我們能夠提高預(yù)浸帶的性能,,同時(shí)通過(guò)原位聚合(ISC)實(shí)現(xiàn)真正的非熱壓罐(OOA)制造,這在原來(lái)的帶材尺寸精度下是不可能實(shí)現(xiàn)的,。



球形顆粒狀的OXPEKK-LTS能夠制造更加均一的熱塑性預(yù)浸帶,,有助于通過(guò)一步法非熱壓罐原位固化法制造航空復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)部件。

那么,,性能更優(yōu)的預(yù)浸帶能否與PEEK具有相仿的價(jià)格呢,?DeFelice表示“空客及其供應(yīng)商對(duì)主結(jié)構(gòu)件用復(fù)合材料成本的討論極為復(fù)雜,并不單純與聚合物原料成本有關(guān),。原材料成本確實(shí)是總成本的一部分,,但制造工藝和性能才是決定成本高低的關(guān)鍵因素。首先,,PEKK的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于PEEK,,這是PEKK的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的疲勞性能也更優(yōu),這意味著在相同性能指標(biāo)條件下,,可以采用更少的材料設(shè)計(jì)并制造更輕的部件。換句話講,,我們開(kāi)發(fā)了一種獲得更高比強(qiáng)度的方法,。同時(shí)我們采用原位固化工藝,使得輕量化部件的生產(chǎn)能夠通過(guò)一步法完成,,而非兩步法,。”

OPM公司的研究并未停滯不前,。DeFelice聲稱航空結(jié)構(gòu)件中所有用于增強(qiáng)聚酮基復(fù)合材料預(yù)浸帶的碳纖維都無(wú)需上漿處理,。這一點(diǎn)非常關(guān)鍵,因?yàn)樯蠞{劑會(huì)使纖維在后續(xù)的加工過(guò)程中發(fā)生移動(dòng),,可以預(yù)測(cè),,這必將降低產(chǎn)品的一致性。迄今為止,,熱塑性聚芳醚酮(PAEK)航空復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)件使用的碳纖維均不進(jìn)行上漿處理,,因?yàn)楝F(xiàn)有的所有上漿劑都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。 “我們?yōu)镺XPEKK LTS開(kāi)發(fā)了一種專用的化學(xué)試劑,,將PEKK浸入溶劑并將該試劑作為上漿劑使用,,能夠顯著提高后續(xù)的加工速率和預(yù)浸帶性能” DeFelice介紹說(shuō)。這也為原位固化技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),�,!艾F(xiàn)在就有一個(gè)采用該技術(shù)生產(chǎn)大型航空結(jié)構(gòu)件的商業(yè)案例�,!� 對(duì)于較厚預(yù)浸帶又如何呢,?荷蘭航空航天中心(NLR)稱預(yù)浸帶厚度可以達(dá)到0.25英寸(0.635厘米),其生產(chǎn)效率能夠滿足每月生產(chǎn)60-70架飛機(jī)的工藝節(jié)拍,。但生產(chǎn)速率與工藝精度相悖,,因此需要在相關(guān)因素間尋求平衡。球形聚合物顆粒預(yù)浸過(guò)程的物理機(jī)制已經(jīng)被成功建立,。對(duì)這些顆粒的有效控制有助于在生產(chǎn)大型非熱壓罐航空結(jié)構(gòu)件的過(guò)程中達(dá)到成本與性能目標(biāo),,同時(shí),強(qiáng)大的工具支持也為該技術(shù)滿足空客及其他企業(yè)的技術(shù)要求奠定了基礎(chǔ),。以往的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷使OPM工廠信心滿滿,。DeFelice表示:“尚未有其他公司或個(gè)人開(kāi)發(fā)出符合B基準(zhǔn)值的航空航天用碳纖維增強(qiáng)PEKK復(fù)合材料3D打印技術(shù),也沒(méi)有人開(kāi)發(fā)出具有生物兼容性和良好性能的頭蓋骨,、脊椎骨及其他骨科植入物,,并獲得美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)的許可。”


來(lái)源:3dprintingindustry
          中國(guó)復(fù)材展編譯自美國(guó)《復(fù)合材料世界》




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