SLSレーザー焼結PEKK構造部品、HEXCELがボーイングの認定サプライヤーリストに加わる

2019年8月28日、南極熊は海外メディアから、先進複合材料企業ヘクセル社の3Dプリント部品がボーイング社に承認されたことを知った。現在、ボーイング社の認定サプライヤーリスト（QPL）に認定されています。

Hexcel は、ボーイングの 3D プリント用航空宇宙構造部品の製造に、高性能熱可塑性 HexPEKK (ポリエーテルケトンケトン) 材料を使用していると報告されています。 3D プリントされた HexPEKK 部品は強力な機械的特性を備えており、大幅な軽量化を実現できます。 HexPEKK の航空宇宙用途には、最適化されたブラケット、環境制御システムのダクト、鋳造品などがあります。

高性能熱可塑性樹脂HexPEKK

HexPEKK は、最終用途の部品やアセンブリに使用できる高性能熱可塑性プラスチックです。選択的レーザー焼結法 (SLS) 3D 印刷技術を使用して処理されたこのポリマーは、耐久性にとって重要な極度の温度耐性や耐薬品性などの優れた特性を示します。HexPEKK 部品は、航空機内部の煙および毒性要件 (UL VO、OHS) も満たしています。

航空、宇宙、防衛の分野では、機能の複雑さと重量が最終市場アプリケーションのパフォーマンスに大きな影響を与えます。 HexPEKK は、アルミニウムよりも 50% 軽量なエンジニアリンググレードの代替素材です。

HexAM™ プロセスを使用して製造された HexPEKK™ 部品の例。画像提供：Hexcel。
航空基準に準拠

2017 年、Hexcel は Oxford Performance Materials (OPM) の航空宇宙および防衛 (A&D) 事業を買収しました。 OPM は、高性能熱可塑性プラスチックおよび炭素繊維強化 3D プリント部品の製造を専門としています。買収以前、OPMはボーイング社と協力して、CST-100スターライナー宇宙船用の3Dプリント部品を提供していた。 OPM は、航空宇宙および産業アプリケーションの標準である AS9100C を含む多くの認証を取得しています。

Hexcel は OPM の専門知識を活用して、航空宇宙向けの高速部品生産を提供しています。 Hexcel の付加製造プロセスにより、従来の機械加工によるアルミニウムや複合構造に比べて、部品のリードタイムとコストが大幅に削減されます。

Hexcel の HexPEKK と材料配合を厳密に審査した後、ボーイングはターミナル部品の 3D プリントに HexPEKK を承認しました。これらの HexPEKK 部品は、最適化されたブラケット、環境制御システムのダクト、鋳造品などの商用航空宇宙用途に使用されます。

△ボーイング社の有人宇宙輸送（CST）システムを構築中。写真提供：ボーイング。
ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) とポリエーテルケトンケトン (PEKK) の違い

多くの読者は PEEK と PEKK を混同するかもしれません。実際、これらは 2 つの材料ですが、多くの類似点もあります。

PEEK と PEKK はどちらもポリアリールエーテルケトン (PAEK) ファミリーのメンバーであり、一般にポリケトンと呼ばれます。「PEKKとPEEKは見た目も結晶化挙動も非常に似ていますが、加工温度が異なります。PEKKは375°C、PEEKは385°Cです」と、オランダ航空宇宙センター（NLR）構造技術部門の上級複合材科学者、アンリ・デ・フリース氏は語っています。NLRとGKNエアロスペースの子会社であるフォッカーテクノロジーは、熱可塑性複合材（TPC）技術の開発で大きな成果を上げており、熱可塑性プラスチック経済的に手頃な航空機主要荷重支持構造（TAPAS）プロジェクトの第1フェーズと第2フェーズで開発され、12メートルスパンのトーションボックスの開発に成功し、最近では自動繊維配置（AFP）とオートクレーブ硬化技術を使用して、長さ6メートル、厚さ28mmの炭素繊維強化PEEKエンジンパイロン上部ビームを製造しました。 De Vries 氏は、PEKK はプロセスウィンドウが広いため、AFP プロセスに適していることを発見しました。それに比べて、PEEK のプロセスウィンドウは 385 ～ 390°C の範囲にあり、プロセス要件は比較的厳しいです。360°C のプロセス条件は明らかに理想的ではありません。 PEKK の場合、355°C も適切な処理温度です。そのため、プロセスウィンドウの下限温度が低くなるだけでなく、液体状態が少し長くなり、硬化効果も向上します。デ・フリース氏は、圧縮成形は真空バッグオートクレーブ成形に比べて2段階の硬化プロセスがより高速であると付け加えた。 PEKK は圧力成形に適した興味深い材料です。古い PEKK 仕様システムは圧力成形には遅すぎますが、新しい PEKK 仕様は PEEK よりも性能が優れており、安価です。

「現在、PEKKは比較的安価です」と、エアバスおよび自動配置（AFP）装置サプライヤーのMTorresと共同でインサイチュー硬化（ISC）構造部品の開発プロジェクトを主導しているスペイン複合材料研究応用センター（FIDAMC）のプロセス開発研究所所長ロドリゲス氏は述べた。しかし、市場競争での優位性を維持するために、ソルベイはPEEKの販売価格を下げることを検討している。同時に、エアバスが主翼構造の製造にPEEKを使用し、より厚い胴体構造部品の製造にPEKKを使用していることも業界で議論を巻き起こしました。スペイン複合材料研究応用センター (FIDAMC) が PEEK 軽量翼構造の製造資格を取得していることを指摘し、ロドリゲス氏は次のように述べた。「私たちにとって、PEEK と PEKK は同様の機械的特性を持っています。PEKK は融点がわずかに低く、取り扱いが容易ですが、PEEK に関する 10 年間の研究により、明確なプロセスパラメータが得られました。PEKK については、最適なプロセスウィンドウを決定するためにまだ多くの作業が必要です。最近、英国の高性能ポリケトンソリューションプロバイダーである Victrex が、融点が 340°C のポリアリールエーテルケトン (PAEK) を開発しました。ツール、加熱炉、その他の機器に関しては、340°C と 350°C は 400°C と変わりません。結局のところ、どの材料をどの部品に使用するか、1 段階プロセスを使用するか 2 段階プロセスを使用するかの決定は、エアバスの手に委ねられています。」スウェーデンの Automated Dynamics 社長、ロバート氏ランゴーン氏は次のように述べた。「私たちは、ポリエチレン (PE)、ポリプロピレン (PP)、ポリアミド (PA)、ポリフェニレンサルファイド (PPS)、PEEK、PEKK など、ほぼすべての熱可塑性樹脂を研究してきました。ある程度、PEKK は PEEK よりも結晶化が遅いため、より加工しやすいのです。」これは、結晶化速度が遅いほど、プロセスがより制御しやすくなり、プロセスウィンドウがより緩和されることを意味しますか?ランゴーン氏はさらに、「溶融粘度が低いことが加工性の向上につながっていると思います。しかし、結晶化が速い最新世代のPEKKでも、PEEKほど簡単には結晶化しません」と付け加えた。GKNエアロスペースの子会社であるフォッカーテクノロジーの航空宇宙構造研究開発ディレクター、アーント・オフリンガ氏も、「加圧成形にはPEEKとPEKKはどちらも非常に優れています。オートクレーブ処理では、PEKKの融点が低いため、プロセスがより安定します」と述べた。PEKKはまた、

オックスフォードパフォーマンスマテリアルズ (OPM) の CEO であるスコットデフェリス氏は、ボーイング 787 やエアバス A350 などの航空機の翼や胴体構造用の大型オートクレーブの必要性から、インサイチュー硬化 (ISC) 熱可塑性複合材 (TPC) が登場したと述べています。オートクレーブの容積が大きいと、プロセス制御が難しくなります。こうした問題は、日本の一流「重工業」サプライヤーの生産経験にも見られます。（ボーイング787の主翼は三菱重工業、中央翼は富士重工業、円筒胴体は川崎重工業が製造している。）小型部品の製造工程は比較的よく管理できるが、大型部品の場合は少なくとも生産速度によって制限される。つまり、高品質の複合一次構造部品の工程管理を実現するには長い時間がかかります。これでは、将来のナローボディ機の生産率を単純に考慮することはできません。「NLRとフォッカーは主に比較的小型の構造部品に注力しています。そのため、エアバスほどISCには関心を示していません。エアバスは、オートクレーブで主翼や胴体トンネル部品を生産することに力を入れています」とデフェリス氏は付け加えた。同氏は、エアバスが現在ISC技術で世界で最も先進的な企業であると考えている。

OXPEKK は、強化されていないペレット、ロッド、カスタム充填された（炭素繊維、ガラス繊維、またはその他の）化合物の製造に使用できます。

アルケマはOPMとの協力を通じてPEKK生産の経験を積み、複合材料業界で第2位のPEKK生産者となりました。「PEKK はすべて異なります」とデフェリス氏は断言します。「ソルベイとアルケマが使用しているデュポンの技術は、高温合成、高速反応、比較的低コストです。しかし、この方法には大きな問題もあります。」当初、溶融プロセスの安定性と PEKK ポリマーの純度は深刻な問題であり、デュポンの部品の生産を悩ませていました。時間が経つにつれて、デュポンのプロセスは改良され、ポリマーはわずかに最適化され、部品はより一貫性を持って生産されるようになりました。例えば、OPMでは、先に述べた積層造形技術に加え、PEKKの射出成形やフィルム塗布技術も開発しています。「しかし、PEKKのさまざまな製造プロセスで改善が見られてきました。今、最も初期の開発者を振り返ると、3番目の会社であるRaychemがありましたが、これは後にBASFに買収され、PAEKを簡単に放棄しました。Raychemの技術は低温合成（LTS）であり、高温合成HTSとはまったく異なります。」彼はまた、プリプレグや3Dプリント材料を準備するために溶媒と混合する前に粉砕する必要があるフレークポリマーの製造とは異なり、この低温合成（LTS）技術は制御された形状の球状粉末を製造できると指摘しました。低温合成（LTS）技術は「低温」処理プロセスであるため、最終ポリマーの分子量と分子構造もより制御しやすくなります。しかし、プロセスは遅く、生産コストは比較的高くなります。粉砕せずに球状粉末を直接調製できるため、生産効率の低下を補うことができます。低温合成技術を用いて開発されたOPMのPEKK製品OXPEKK-LTSには、プロセス制御性と球状粉末の直接出力という2つの大きな利点があります。再研磨プロセス中にギザギザのポリマーが発生するため、その後のコーティングおよびプリプレグの準備中に均一な積み重ねを実現することが困難になります。球状のOXPEKK-LTSを使用すると、プリプレグテープをより正確に準備できます。従来のテープ寸法精度では不可能だった、インサイチュー重合 (ISC) による真のアウトオブオートクレーブ (OOA) 製造を実現しながら、プリプレグテープの特性を向上させることができるようになりました。

球状粒状 OXPEKK-LTS は、より均一な熱可塑性プリプレグテープを生産することができ、ワンステップの非オートクレーブ現場硬化法による航空複合一次構造部品の製造に役立ちます。

では、より優れた性能を持つプリプレグテープは、PEEK と同程度の価格で販売できるのでしょうか?デフェリス氏は、「エアバスとサプライヤーの間での主要構造用複合材料のコストに関する議論は非常に複雑で、単にポリマー原材料のコストに関する話ではありません。原材料コストは確かに総コストの一部ですが、コストを決定する主な要因は製造プロセスと性能です。まず、PEKK は PEEK よりもはるかに高い圧縮強度を持ち、これが PEKK の大きな利点です。複合構造は疲労性能も優れているため、同じ性能指標の下でより少ない材料でより軽量の部品を設計および製造できます。つまり、より高い比強度を得る方法を開発したのです。同時に、インサイチュー硬化プロセスを使用しており、これにより軽量部品の製造を 2 段階プロセスではなく 1 段階プロセスで完了できます。」と述べました。

OPM の研究は止まっていません。 DeFelice 氏は、航空宇宙構造物におけるポリケトンベースの複合プリプレグテープの強化に使用されるすべての炭素繊維にはサイジングは不要であると主張しています。これは非常に重要です。サイズ剤により、その後の処理中に繊維が移動し、製品の一貫性が低下することが予想されるためです。これまで、熱可塑性ポリアリールエーテルケトン (PAEK) 航空宇宙複合材の主要構造部品に使用される炭素繊維にはサイジングが施されていませんでした。これは、既存のサイジング剤がすべて複合材の機械的特性に悪影響を及ぼすためです。「当社はOXPEKK LTS用の特別な化学試薬を開発しました。これはPEKKを溶剤に浸し、その試薬をサイズ剤として使用するもので、これによりその後の処理速度とプリプレグの性能が大幅に向上します」とデフェリス氏は述べた。これにより、現場硬化技術の応用の基盤も築かれます。「この技術を大型の航空宇宙構造物の製造に使用するビジネスケースがあります。」より厚いプリプレグテープについてはどうでしょうか?オランダ航空宇宙センター（NLR）によれば、プリプレグテープは厚さ0.25インチ（0.635センチ）にもなり、月間60～70機の航空機を生産できるという。ただし、生産率はプロセスの精度と矛盾するため、関連する要素間のバランスを見つける必要があります。球状ポリマー粒子のプリプレグプロセスの物理的メカニズムを確立することに成功しました。これらの粒子を効果的に制御することで、オートクレーブ外で製造される大型の航空宇宙構造物の製造におけるコストと性能の目標を達成できます。また、強力なツールサポートにより、このテクノロジがエアバスやその他の企業の技術要件を満たすための基盤も構築されます。これまでの開発経験により、OPM Factory は完全な自信を持っています。「Bベンチマークを満たす航空宇宙用の3Dプリント炭素繊維強化PEKK複合材、あるいは生体適合性があり性能も良くFDA認可を受けた頭蓋骨、脊椎、その他の整形外科用インプラントをまだ誰も開発していない」とデフェリス氏は語った。

出典: 3dprintingindustry
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