MFFD飛機機身部分在Stade的Fraunhofer Gesellschaft通過熱塑性焊接連接。

作為歐盟資助的清潔天空2/清潔航空項目“大型客機”（LPA-Large Passenger Aircraft）的一部分，F(xiàn)raunhofer（德國斯塔德）及其國際項目合作伙伴通過兩條縱向接縫的自動定位和焊接，將多功能機身演示器(MFFD- Multi Functional Fuselage Demonstrator)的上下8米長和4米直徑的外殼連接在一起。這被認為是世界上最大的碳纖維增強熱塑性塑料(CFRTP-carbon fiber-reinforced thermoplastic)飛機機身部件。

MFFD代表了一種用于熱塑性復(fù)合材料飛機機身自動化生產(chǎn)的新架構(gòu)，以1:1的比例進行了演示。該項目顯示出在高速生產(chǎn)中可減少約10%的重量和節(jié)省10%的成本的潛力。

上殼體和下殼體：熱塑性下殼體在熱壓罐中在壓力和溫度下固化（固結(jié)），由GKN Fokker、Diehl Aviation、荷蘭航空航天中心-NLR和代爾夫特理工大學(xué)聯(lián)合體提供，作為STUNNING項目的一部分。熱塑性上殼采用鋪帶工藝（原位固結(jié)）制造，來自Premium Aerotec、空中客車、Aernova和德國航空航天中心DLR ZLP的聯(lián)合體。

兩個外殼都具有高度的預(yù)集成度，具有幾乎無鉚釘?shù)募軜?gòu)，與現(xiàn)狀相比，重量減輕了10%。自動預(yù)集成還為提高效率和局部靈活性開辟了潛力，因為所有零件不再需要被帶到封閉的機身中，并在狹窄的條件下手動組裝。此外，飛機結(jié)構(gòu)的重量減輕導(dǎo)致飛行期間的燃料效率提高。

CO2激光和超聲波焊接。項目協(xié)調(diào)員空中客車公司與MFFD項目團隊合作，選擇CO2激光焊接左縱縫，超聲波焊接右縱縫，將上下機身外殼連接成一體的機身部分。這兩種工藝都提供了無塵連接的優(yōu)點。然而，它們尚未用于此類大型CFRP部件的生產(chǎn)或研究，也未達到此處所需的質(zhì)量要求。對無塵連接的需求源于兩個殼體與大量結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)部件的首次預(yù)集成，這些部件也是通過焊接組裝的，無法隨后去除灰塵和碎屑。

自動化裝配研究平臺。Fraunhofer與其合作伙伴FFT Produktionsysteme一起，在LPA項目“機身裝配線多功能自動化系統(tǒng)”（MultiFAL）中，在CFK NORD研究中心（德國斯塔德）設(shè)計并構(gòu)建了MFFD的自動化裝配研究平臺，包括中央系統(tǒng)和過程控制。

 

Stade Fraunhofer Gesellschaft的MultiFAL組裝研究平臺，帶有MFFD的插入式熱塑性機身外殼。用于握持和高精度調(diào)整上殼體形狀和位置的黃色六足機器人清晰可見。

其他項目合作伙伴隨后將其技術(shù)模塊集成到平臺中。Fraunhofer沿著工藝鏈執(zhí)行的進一步任務(wù)最初包括使用開發(fā)的夾具拉緊下殼體，這使得下殼體能夠在裝配空間中高精度對準(zhǔn)，用于后續(xù)工藝。然后使用高架起重機插入上部殼體。所有進一步的處理步驟都是完全自動化的。一個由10個六足機器人組成的場地以亞毫米精度定位上下兩個殼體，使用激光傳感器隨時設(shè)置上下兩個殼體的最佳形狀和位置，并在必要時重新調(diào)整。

CO2激光焊接。為了實現(xiàn)左機身連接的激光焊接工藝，沿著兩個殼體的縱向邊緣分層放置了長達4.5米的薄CFRTP對接帶。外殼具有階梯形輪廓，用于接收對接帶。Fraunhofer在名為“對接帶集成技術(shù)開發(fā)與工具設(shè)計、驗證、在主要組件組裝和操作中的實施”（BUSTI）的LPA項目中開發(fā)了所有用于對接帶進給、定位和邊緣密封的解決方案。

 

在BUSTI項目中，CFRTP對接帶（左側(cè)）作為兩個MFFD熱塑性機身外殼的連接件，通過CO2激光焊接末端執(zhí)行器（右側(cè)）連接，在MultiFAL組裝研究平臺中完成。

在BUSTI中，F(xiàn)raunhofer制造的連接條帶使用連接條帶搬運工具精確定位在接縫上，并通過滾動運動集成到自動化過程中，因此，通過鏡子引導(dǎo)的緊接著的焊接頭的振蕩激光束可以連續(xù)熔化連接條帶和外殼表面之間形成的接觸線。激光焊接端部執(zhí)行器上的壓力機構(gòu)以高達1噸的連接力將連接條帶壓向上下殼體接頭，從而在同一工作步驟中鞏固焊縫。

為了防止焊接過程中的高壓力損壞機身結(jié)構(gòu)，一個用于力吸收和耗散的裝置在由此產(chǎn)生的機身截面內(nèi)同步運行。激光焊接過程使用了在線監(jiān)測和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過數(shù)字孿生實現(xiàn)直接的數(shù)字數(shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)過程優(yōu)化和質(zhì)量保證。

自動填補空白。由于不可避免的制造公差和定位過程所需的自由度，殼體的連接條帶和階梯式連接區(qū)無法無縫連接在一起，因此留下了寬度不規(guī)則的小間隙。這些會影響焊接接頭的質(zhì)量，因此在焊接過程后必須用熱塑性材料完全填充——在任何情況下都必須避免過量的材料。

 

在BUSTI項目中，在連接帶CO2激光焊接到機身外殼上后，間隙填充端部執(zhí)行器使用擠出機進行熱塑性間隙填充。

與激光焊接末端執(zhí)行器一樣，緊湊型擠出機沿著先前創(chuàng)建的接縫進行引導(dǎo)。該擠出機加熱顆粒/顆粒形式的熱塑性材料，并將其輸送至間隙。在那里，噴嘴確保材料在冷卻和硬化之前填充間隙。對精確填充量起決定性作用的局部間隙體積在緊接之前通過集成到相同間隙填充末端執(zhí)行器中的2D傳感器進行測量。該測量值被傳輸?shù)綌D出機系統(tǒng)，從而可以動態(tài)地計算現(xiàn)場所需的局部排放速率，從而使3-20毫米寬的不規(guī)則間隙充滿每個點所需的精確量的熔融熱塑性材料。

超聲波焊接：選擇自動超聲波焊接作為右縱縫的連接方法，以便從研究工作中獲得盡可能多的重要見解，以供以后在生產(chǎn)中使用。與激光焊接相比，只有壁較薄的機身接縫部分，那些室外環(huán)境可以通過這種方式連接。然而，它提供了較低的職業(yè)安全努力，不需要激光保護裝置，并且在同步并行過程方面投資較低。

 

WELDER項目的超聲波焊接端部執(zhí)行器位于六足機器人領(lǐng)域下方的成品焊縫前，可保持高精度的形狀和位置調(diào)整。

Fraunhofer還與合作伙伴CT Engineering Group、Aimen、Aitiip和Dukane合作開展了LPA項目“優(yōu)化、快速、準(zhǔn)確的LongituDinal barrEl接頭閉合焊接設(shè)備”(WELDER-WeldingEquipment for optimized, fast and accurate LongituDinal barrEl joint closuRe)。這種合作為縱向焊縫提供了快速、可靠和自動化的超聲波焊接工藝。

與上述激光焊接工藝一樣，自動化連續(xù)超聲波焊接工藝使用在線監(jiān)測和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過數(shù)字孿生實現(xiàn)直接的數(shù)字數(shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證。

 

Fraunhofer團隊的一員在德國斯塔德CFK NORD研究中心完成的MFFD前。

進一步的研發(fā)工作并成功完成項目。2024年3月，WELDER項目合作伙伴通過電阻焊對上下殼體之間的機身框進行了后續(xù)耦合，從而在德國斯塔德的CFK NORD研究中心完成了MFFD的研究工作。

Fraunhofer在2024年3月14日于比利時布魯塞爾舉行的最后一次會議上介紹了其參與的三個項目的成功及時完成情況。這些結(jié)果已提交給獨立專家和所有參與演示的合作伙伴。

MFFD是繼2021年初成功實施的LPA項目“自動客艙、貨艙內(nèi)襯和行李架安裝方法”(ACCLAIM-AutomatedCabin &CargoLining and Hatrack InstallationMethod)中的1:1比例自動客艙組裝平臺之后，F(xiàn)raunhofer做出重大貢獻的第二款Clean Sky 2大型演示機。

 

將完成的MFFD機身段堆疊在專門開發(fā)的下殼支架上，該支架還用于運輸整個機身段。

MFFD熱塑性復(fù)合材料機身部分已經(jīng)運往應(yīng)用航空研究中心（ZAL）（德國漢堡）。在那里，它將最終確定，除其他事項外，還將集成客艙頂部模塊。然后，它將用于進一步的測試和演示目的。

Fraunhofer表示，再加上從MFFD演示器中獲得的知識，它將為感興趣的公司提供成熟的技術(shù)模塊，供其工業(yè)化使用。其他技術(shù)將被納入后續(xù)的研究項目，以便在未來的生產(chǎn)中以更低的資源消耗來提高效率。除了飛機機身，目標(biāo)結(jié)構(gòu)還包括垂直尾翼飛機和低溫氫氣儲罐系統(tǒng)。在航空業(yè)之外，陸上或海上運載工具也是技術(shù)轉(zhuǎn)讓的重點。

補充：

1. “無塵連接—dust-free joining”空客推出的飛機裝配理念。含義是裝配中不鉆孔、不安裝緊固件，無切屑，無灰塵；無其他輔助材料殘留。
2. 圖片：

 

 

 

結(jié)束語

高溫、高強熱塑復(fù)材機身演示件，展示在世人面前，它預(yù)示著熱塑復(fù)材制造民機受力結(jié)構(gòu)件的時代已經(jīng)到來！

1.原文見，《 MFFD longitudinal seams welded, world's largest CFRTP fuselage successfully completed 》 2024.5.7

2.2024.3.11《熱塑機身上下縱向焊接連接》

3.2023.6.30《制造機身熱塑復(fù)材演示件》

楊超凡 2024.5.8