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图 1 弗劳恩霍夫团队的成员站在德国施塔德CFK NORD研究中心已完工的MFFD前 。图片泉源：弗劳恩霍夫IFAM
2024年3月14日，弗劳恩霍夫制造工艺与应用质料研究所（IFAM）宣布，其与相助同伴已团结完成的热塑性复合质料机身演示验证件（MFFD）完成上下机身的左右焊缝毗连，并将8×4米的全尺寸部件发送至位于德国汉堡的应用航空研究中心与机舱顶部� ？榧刹⒕傩胁馐� 。
作为欧盟资助的“清洁天空妄想”“大型客机”（LPA）验证子妄想的一部分，弗劳恩霍夫研究所及其国际项目相助同伴团结打造了长8米、直径4米的飞机机身——多功效机身演示验证件（MFFD），接纳自动定位和焊接工艺完成了上下机身部件纵向接缝毗连 。MFFD被以为是天下上最大的碳纤维增强热塑性复合质料（CFRTP）飞机机身部件,代表了一种以1 : 1比例展示热塑性复合质料飞机机身自动化制造的新模式 。该项目中使用的质料和制造手艺，可在高速生产历程中减轻约10%的结构重量并降低10%的本钱 。
图 2 位于德国施塔德弗劳恩霍夫研究所的MFFD飞机机身部件通过热塑性复合质料焊接工艺举行毗连 。图片泉源：弗劳恩霍夫IFAM
上部和下部机身壳体：作为“智能多功效集成热塑性复合质料机身”（STUNNING）项目的一部分，热塑性复合质料下机身壳体在高温高压条件经热压罐固化成型，由GKN Fokker、Diehl航空、荷兰航空航天中心（NLR）和代尔夫特理工大学组成的团队配合完成 。热塑性复合质料上机身壳体接纳纤维带铺放和原位固结工艺制造，由Premium Aerotec、空客、Aernnova和德国航空航天中心组成的团结团队配合完成 。上、下机身壳体均具有高度预集成度，接纳险些无铆钉的架构设计，与现有古板机身相比重量减轻10% 。自动化预集成进一步提高制造效率，提升局部制造无邪度，所有组件不再需要放入密闭机身内部并在狭窄空间条件下手动装置 。别的，飞机结构重量减轻使得飞机航行时代燃油效率显著提高 。
CO2激光和超声波焊接 � ？湛凸居隡FFD项目团队协调相助，选择对左侧接缝处接纳CO2激光焊接，对右侧接缝处接纳超声波焊接，通过差别焊接方法将上下机身壳体毗连成一体机身 。两种工艺都具有无尘焊缝的优点，可是两种工艺均未在大型CFRP部件研发与生产历程中应用，也尚未证实客机知足质量要求 。无尘焊缝的需求源于两个壳体与大宗结构和系统部件的首次预集成，这些部件也是通过焊接装配的，因此无法在装配完成后再去除碎屑与灰尘 。
▍CO2激光焊接方面
为了通过激光焊接工艺实现左侧接缝毗连，需沿上下机身壳体纵向边沿分层铺放长达4.5米的细CFRTP对接带 � ？翘逋饷簿哂絮杈妒酵饴掷�，可用于铺放对接带 。用于送带、定位和边沿密封的所有解决计划均由弗劳恩霍夫的“对接带在部件装配与运营历程中的工具设计、验证、实验等集成手艺开发”（BUSTI）项目中完成 。在BUSTI项目内，弗劳恩霍夫研究所制造毗连带通过处置惩罚工具准确定位在接缝处，并通过转动方法集成到自动化妆配历程中，以便紧随厥后的焊讨论振荡激光束通过镜子指导，可以一连熔化对接带和壳体外貌之间形成的接触线 。激光焊接最后执行器上的压力装置，以高达1吨的接协力将毗连带压在上下机身壳体接缝处，并在统一事情办法中加固焊缝 。为了避免焊接历程中接纳的高压力损坏机身结构，在焊接历程中机身内侧部分同步施加了吸力和应力消逝装置 。激光焊接历程中使用了在线监测和控制系统，可通过数字孪生实现直接数据交流，从而实现工艺优化，包管质量 。
图 3 CFRTP对接带（左侧）作为上下两个MFFD热塑性复合质料机身壳体辅助毗连件，由BUSTI项目中的CO2激光焊接最后执行器（右侧）完成毗连，全历程在MultiFAL装配研究平台中完成 。图片泉源：弗劳恩霍夫IFAM
▍超声波焊接方面
选择自动超声波焊接作为右侧接缝的毗连要领，能够从研究事情中获得尽可能多的主要履历和数据，以便在后续生产历程中使用 。与激光焊接相比，只有壁较薄的机身接缝部分（即机门情形之外的接缝部分）可以通过这种方法焊接 。别的，焊接历程不需要激光� ；さノ�，并且在装配同步并行历程方面投资较低 。弗劳恩霍夫研究所还与相助同伴CT工程集团、Aimen、Aitiip和Dukane相助开展了“用于优化、快速和准确的纵向管接口密闭焊接装备”（WELDER） 。这种相助带来了快速、可靠和自动化的纵向接缝超声波焊接工艺 。与激光焊接工艺相同，自动化一连超声波焊接工艺使用在线监测和控制系统，可通过数字孪生实现直接数据交流，以实现工艺优化和质量包管 。
图 4 WELDER项目中形成的超声波焊接最后执行器，在六足机械人协助坚持形状和高精度位置调解，完成机身焊接 。图片泉源：弗劳恩霍夫IFAM
▍自动化妆配研究平台
弗劳恩霍夫与其相助同伴FFT生产系统公司（FFT Produktionssysteme）一起，在德国CFK NORD研究中心的“机身装配线的多功效自动化系统”（MultiFAL）项目中，为MFFD设计并制作自动化妆配研究平台，其中包括了中央系统和历程控制 。其他加入项目的相助同伴陆续将其开发的手艺� ？榧傻礁闷教ㄖ� 。弗劳恩霍夫研究所将凭证工艺执行顺序举行装配，初始使命包括使用开发的夹具来牢靠下机身壳体，使其能够在后续工艺装配历程中高精度对齐，之后再使用高架起重机将上机身壳体与下机身壳体装配毗连，所有处置惩罚历程均自动化完成 。10个6足机械人组成的装配空间以亚毫米精度定位上下机身壳体，并使用激光传感器随时控制壳体的最佳形状和位置，并在须要举行重新调解 。
图 5 位于德国施塔德弗劳恩霍夫研究所的MultiFAL平台，正在装配MFFD热塑性复合质料机身壳体 。用于夹持牢靠和高精度调解上机身壳体形状和位置的黄色六足机械人清晰可见 。图片泉源：弗劳恩霍夫IFAM
▍自动间隙填充
由于不可阻止的制造公差和定位历程所需的自由度，毗连带和壳体的蹊径式毗连区域无法完全无缝毗连在一起，因此仍然保存宽度不规则的小间隙 。这些间隙会损害焊接质量，因此在焊接历程后必需进一步填充热塑性子料，同时也要阻止使用过量的填料 。与激光焊接最后执行器一样，挤出机被指导沿着接缝办事情，将加热过的、颗粒形式的热塑性子料填充到间隙中 。喷嘴将确保质料在冷却硬化之前充分完成间隙填充 。为包管使用准确的质料填充量，局部间隙体积是通过集成到统一间隙填充最后执行器中的2D传感器预先丈量的 。丈量效果被传输到挤出机系统，从而可以动态盘算填料输出速率，从而使3-20毫米宽的不规则间隙，能够充满准确数目的熔融热塑性子料 。
图 6 在BUSTI项目中，间隙填充最后执行器在将对接带经CO2激光焊接到机身壳体后，使用挤出机举行热塑性子料间隙填充 。图片泉源：弗劳恩霍夫IFAM
2024年3月14日，弗劳恩霍夫研究所于在比利时布鲁塞尔举行的最后一次聚会上先容了其所加入的三个项目，并宣布所有项目顺遂完成 。项目效果已提交给自力专家和所有为演示验证事情做出孝顺的相助同伴 。MFFD是继2021年顺遂完成“自动化客舱和货舱衬里装配要领”（ACCLAIM）项目中自动化客舱装配1 : 1比例平台之后，弗劳恩霍夫研究所做出重大孝顺的第二个“清洁天空2”大型演示验证项目 。MFFD热塑性复合质料机身部件已运往位于德国汉堡的应用航空研究中心（ZAL），并在那里最终完成机舱顶部� ？榈募� 。随后，整体部件将用于进一步测试和演示验证 。
图 7 完成的MFFD机身部件安排在专门开发的下机身支架上，该支架也将用于运输整个机身部件 。图片泉源：弗劳恩霍夫IFAM
▍SUMMARY
弗劳恩霍夫研究所将团结从MFFD演示验证件项目中获得的手艺诀窍，为其他感兴趣的企业提供成熟手艺，资助其产品实现工业化生产 。其他手艺将被纳入后续的研究项目中，以便在未来的生产中进一步提高效率并降低资源消耗 。除飞机机身外，妄想中的结构部件还包括笔直尾翼和低温氢气储罐系统 。除了航空业之外，陆地或海上交通工具也是其施展手艺转化能力的重点 。
免责声明：本文内容为公众号或网络转载，转载内容版权归原作者所有 。如涉及作品内容、版权或其他问题，请在公众号后台留取联系方法，我们将实时回复和处置惩罚！泉源：民机战略视察 作者：陈济桁，中国航空工业生长研究中心
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