摘要：

本文概述了MultiFAL項目——大型客運項目的子項目歐洲框架內的大飛機（LPA-Large Passenger Aircraft）歐盟資助的“清潔天空2”研究項目地平線2020計劃。

MultiFAL項目合作伙伴將展示技術和高度自動化連接的經濟可行性熱塑性復材飛機機身的裝配工藝結構。因此，一個全面的演示器兩種熱塑性復材的組裝與連接飛機半殼將在弗勞恩霍夫建造施塔德的IFAM設施中完成。

1.引言

輕量化設計是減少飛機二氧化碳排放的關鍵方法，這是歐盟委員會主要的《飛行之路2050》愿景的目標。

其中最有前景的輕質材料目標是碳纖維增強塑料（CFRP），因為它們提供了非常高的強度—重量比。然而，基于目前主要使用的熱固性碳纖維復合材料的輕質潛力飛機機身結構的所有部件都沒有耗盡。原因是熱固性CFRP結構連接方法，需要在機身外殼上預先鉆孔導致機身材料更厚，以確保足夠的安全?？朔@一挑戰的新方法將熱塑性CFRP材料的應用機身結構與熱塑性焊接是首選的連接方式方法。熱塑性復材的巨大優勢與鉚接相比，焊接是不需要的用于在結構中預鉆孔，從而更薄的機身外殼仍能確保足夠的安全。然而，熱塑性碳纖維增強塑料材料通常比熱固性CFRP更昂貴材料。因此，額外的材料成本必須通過大幅降低來補償制造成本。為了達到這一高度自動化與重大縮短交付周期至關重要。熱塑性復材焊接的縱向接縫和框連接將集中進行。為了獲得盡可能多的知識可能有兩種不同的焊縫設計縱向接頭，即搭接接頭和對接接合，將由項目合作伙伴演示弗勞恩霍夫IFAM、FFT生產系統有限公司，CT工程組和AIMEN技術中心共同承擔。此外，將使用不同的焊接方法來全面了解熱塑性復材焊接工藝。

圖1：未來飛機裝配的項目愿景

本文的重點在于概念和全尺寸連接與裝配設計演示者特別關注精心制作的基于機器人的柔性機身操縱技術（柔性固定裝置），允許定位和機身殼體的形狀調整，見圖1.此外，不同焊接的比較將介紹技術。由于該項目剛剛開始，正處于概念階段，沒有最終結果本文介紹了一些概念或過程。相反，它應該被理解為一種現狀調查。

2.開發與示范

為了實現重量和成本的節約,即將推出的全新飛機項目系統和系統安裝架構,針對模塊化和靈活制造進行了優化過程是必需的。對以下方面產生可持續影響工業生產與裝配的脫鉤客艙適配、系統安裝和必須完成結構范圍。這個需要在兩者上使用高級連接選項機身和零件級別。通過整合眾多技術元素不同的場景，演示者和示范價值可以顯著提高為了驗證最佳的技術以及裝配型架概念。演示者將不限于單個場景，因為將考慮不同的機身設計。演示者代表一個典型的單通道機身段長8米直徑為4米。這使得能夠驗證中重要技術概念的數量貼近行業環境。展示高度經濟優勢集成熱塑性碳纖維復合材料結構配備有上部和下部外殼，包括預成型件配備的乘客地板模塊（圖2）將通過熱塑性焊接連接。為此，PARAMONT裝配研究設施將使用施泰德的弗勞恩霍夫IFAM（圖3）。

圖2：機身模型的可視化

PARAMONT設施是一種獨特的機器人裝置，為飛機開發高效的解決方案，裝配過程具有更高的成熟水平。它允許高度自動化的飛機結構件，如夾子、長桁或框結構。即使是全尺寸機身的處理殼體是可能的。裝配型架的主要組成部分，直線軌道上配備了三個工業機器人。

一方面有用于裝配過程的末端執行器，另一方面有多個并行機器人動畫（六足）和線性執行器，每個都配備大型飛機操縱用真空夾具，另一方面是機身外殼等結構。

圖3: Stade的PARAMONT裝配廠

以下流程將在PARAMONT裝配型架中進行。

MultiFal的任務：

1. 自動幾何測量以及容忍度管理；
2. 處理和操縱柔性機身殼段真空夾持器末端執行器調節形狀和位置基于測量數據；
3. 接合間隙的精細調整根據焊接要求基于測量數據；
4. 確保零件焊接正確焊接參數，例如壓力和溫度；
5. 在線監控焊接工藝保證質量。

在下文中描述了PARAMONT裝配型架。一個主要PARAMONT裝配型架的組成部分是一個靈活的致動器由多達十個六足組成，它們由主從控制操作。

圖4：柔性固定裝置

垂直安裝的六足機器人是六自由度并聯機器人運動學。配備真空夾持器末端執行器它們能夠處理和操縱大型機身外殼結構，見圖4. 真空-夾持器末端執行器由三個真空-每個夾具都有一個固定在三角形上的限位塊基板，見圖5. 真空夾具是也與線性致動器結合使用安裝在PARAMONT的裝配型架模塊中，見圖4.和圖5.。

圖5：真空夾持器末端執行器

在真空夾持器中，施加真空以拉動殼體抵住限位擋塊，以達到規定的位置。當外殼部件被連接時六足機器人能夠操縱內部零件規定的最大力，即最大力為1000 N。為了確保這一點，集成了力傳感器在真空夾持器末端執行器中。設計允許使用運動學中變形小。

用于參考和形狀測量采用激光光學坐標高精度測量系統。雖然激光跟蹤器用于增量測量通常預先應用的單個3D位置回射目標、激光掃描儀或激光雷達用于直接測量或掃描零件的表面。

在MultiFAL的使用案例中，激光跟蹤器將全球參考和定位所需殼體相對于慣性坐標系PARAMONT裝配型架和機器人的系統。為了進一步精細調整將激光掃描儀與激光器結合使用將使用跟蹤器，見圖6。此外，1D-2D激光傳感器將持續監測和在連接過程中糾正機器人路徑滿足所需的公差。

圖6：激光跟蹤器與激光掃描儀的結合

如前所述，MultiFal演示器描述了許多場景，以便能夠比較不同的技術。關于焊接工藝、超聲波焊接、電阻焊接和傳導焊接是重點。

超聲波焊接是一種使用高超聲焊極末端執行器的頻率（超聲）運動，以將超聲振動引入焊接區，產生動態剪切應力然后轉化為熱量。這個地方表面變形和發熱導致界面區域形成連接。超聲波焊接可應用于非晶材料以及半結晶聚合物。在這兩種情況下如果焊接表面配備能源總監[。由于超聲波焊接是一種公認的、快速的、非常節能的方法高效的技術，高效的生產流程是可能的。

超聲波焊接的局限性在于它需要焊接部件與焊接末端執行器，可以限制幾何形狀可以焊接。此外，它通常是有限的由于低模量熱塑性復材和熱梯度應力可以引入基材。此外，超聲波焊接為通常用于逐點焊接，同時帶有移動末端執行器的連續焊接仍在開發中。

與此相反，電阻焊的基礎是插入的導電插件或在待連接的部件之間植入。熱是通過插入物產生的電力（電阻加熱）。該過程快速，易于控制，生成同性質的溫度分布均勻并且可以容易地應用于大型結構。此外，復合材料（層壓板）的厚度無關緊要，焊縫可以重新加熱潛在的維修需求。

對于傳導焊接，使用熱鐵進行傳導通過其中一個待連接的部件加熱加入區域。雖然這個熱過程很好可重復并導致良好的接縫質量，生產率和粘合過程由于散熱而受到限制。上述焊接工藝將用于縱向接縫和框的連接。

分析不同的技術和場景，基于熱成像和機電阻抗（EMI-electromechanical impedance）測量，與合作伙伴共同開發Fraunhofer LBF和Fraunhofer ENAS將使用。它將允許持續的狀態監測過程中的結構。通過這個將對焊接工藝進行系統驗證可能的。

3. 結論

在MultiFAL項目中，技術和焊接工藝的經濟可行性將演示熱塑性復材機身外殼。為此，自動化的全尺寸測試設置多功能自動裝配與連接工藝機身演示器將重點開發關于縱向接縫和框連接，請參見圖7.。為了獲得盡可能多的知識從研究項目中可以看出，不同的焊接方式將使用方法。除了焊接技術本身，也是高度基于計量的自動化處理和裝配過程將集中注意力。

圖7：機身段總裝

完成的工作將是朝著未來飛機使用熱塑性碳纖維復合材料邁出的重要一步。

4. 確認

這項工作是在以下機構的財政支持下進行的歐盟清潔天空2計劃授予協議LPA-IADP CS2-LPA-GAM-2018-2019-01.

------ 完 ------

原文：《 AUTOMATED JOINING AND ASSEMBLY OF THERMOPLASTIC FUSELAGE STRUCTURES FOR THE AIRCRAFT FACTORY OF TOMORROW 》

楊超凡 2024.10.15