采用多種焊接技術制造的熱塑性復合材料多功能機身演示器（MFFD）（圖片來源：空中客車公司）

 

歐盟清潔航空計劃（以前的清潔天空2計劃）的多功能機身演示器（簡稱MFFD）項目歷時10年，制成了世界最大的熱塑性復合材料（TPC）飛機結構之一。MFFD是一個長8米、直徑4米的機身段，它展示了諸多的復合材料制造技術，包括：通過熱傳導焊接實現的“無塵組裝”、連續超聲波焊接和電阻焊接。該項目的目標之一是，探索一些替代方法，用以取代在復合材料主結構上鉆孔并安裝緊固件的多步驟工藝鏈，從而節省勞力、時間和成本并減輕重量，同時，還致力于提高“能實現高效生產和更可持續制造以對生產廢料進行再利用”的熱塑性塑料工藝的成熟度。

圖片來源：清潔天空2和KVE Composites

 

MFFD是一個8米長的機身桶，通過焊接熱塑性復合材料而制成。作為3個大型機身演示器之一，MFFD將于2022年得到組裝，直到2023年完成測試。

 

在MFFD項目中，有數十個單獨的項目和工作包，最前沿的兩個是：STUNNING(SmarT mUlti-fuNctionNal和INtegrated thermoplastic fuselaGe)，它將開發制造MFFD的下半部分；MECATESTERS(Micro mEchanical Characterization of A ThErmoplastic Co-conSolidated/welded joinT for usE in aiRcraft fuSelages)，它是STUNNING的一部分。

 

“MECATESTERS項目將采用東麗先進復合材料（簡稱TAC，荷蘭奈弗達爾）用英國威格斯（英國克利夫利斯）的LMPAEK制成的最新級別的單向預浸帶來深入研究感應焊接工藝，并將該材料與 Solvay Cytec（美國佐治亞州阿爾法利塔）的UD PEKK材料進行比較。Solvay Cytec的UD PEKK材料已在TAPAS 1和TAPAS 2項目中得到了充分的研究和驗證，僅次于LMPAEK UD帶材的原始版本。”感應焊接技術的領先者KVE Composites（荷蘭海牙）的研發主管 Maarten Labordus 解釋道。東麗先進復合材料的前身是TenCate Advanced Composites（荷蘭奈弗達爾），其在兩個TAPAS 項目中發揮了主導作用。

清潔天空2和MFFD

清潔天空2是歐洲技術開發合作伙伴，旨在通過更符合空氣動力學的機翼、更輕且更高效的發動機、新的飛機配置和更智能的系統來降低飛機噪聲、排放和碳足跡。雖然清潔天空計劃的許多項目都著重研究了對復合材料的應用，但也在開發對金屬的應用。

該信息圖顯示了清潔天空計劃的目標、大型演示器的參與者和組織（圖片來源：清潔天空2計劃）

 

這種類型的航空研究始于歐盟委員會研發資金框架計劃(FP)，該框架計劃(FP)從FP2(1987-1991)跨越到FP7(2007-2013)，為各種技術的成熟化直到達到技術成熟度(TRL)6 并在空客A350等飛機上得到應用作出了重大貢獻。

 

清潔天空2的不同之處之一是，它圍繞大型演示器進行組織。MFFD是在大型客機(LPA)創新飛機演示平臺(IADP)中制造的3個全尺寸機身段之一。在LPA IAPD 中有3個平臺，MFFD在平臺2“創新物理集成機艙-系統-結構”中，該平臺還有另外兩個大型演示器。

MFFD 是清潔天空2計劃的大型客機創新飛機演示平臺中平臺2的3個大型演示器之一（圖片來源：清潔天空2信息日 CfP 09，空中客車公司Jens Koenig在2018年11月的演講以及由《復合材料世界》編輯的清潔天空2“大型客機”）

 

為了理解這意味著什么，先來聽聽西班牙Getafe的空客機身研究與技術(R&T)工程師所說的話：“從本質上講，我們不再希望為了制造外部結構圓筒和內部圓筒而帶來重復的勞動和浪費，我們希望將結構機身與客艙系統集成在一起。”

圖片來源：清潔天空2（CS2）的宣傳和“熱塑性復合材料演示器-歐盟未來機身路線圖”

 

“模塊化、集成化和創建通用平臺是關鍵。”Airbus Operations GmbH（德國不來梅）的機身結構R&T典型機身研究人員兼MFFD項目負責人Ralf Herrmann表示。本文從清潔天空2網站的MFFD頁面引用了Herrmann的說法：“我們很早就知道，在飛機制造中，要想通過使用熱塑性復合材料來達到減重并降低經常性成本的目的，只能通過整合多學科的技術才能實現，這意味著僅關注結構根本不可能充分發揮復合材料技術的優勢。”

 

清潔天空2項目官員Paolo Trinchieri認為，熱塑性塑料的多功能性需要與設計方法結合應用才能發揮出來，他表示：“有必要在飛機的預設計階段消除人為的功能分離，從一開始就要為高產率的飛機制造、組裝和安裝作好規劃。”

 

Herrmann之前是FP7框架計劃MAAXIMUS項目(More Affordable Aircraft structure through eXtended, Integrated, & Mature nUmerical Sizing)的項目經理。MAAXIMUS的執行期為2008年4月至2016年9月，有60家合作伙伴參與進來，旨在通過同時實現虛擬賦能與物理賦能的成熟化，來展示對高度優化的復合材料機身的快速開發和首次正確驗證，以將大型機身段的組裝時間縮短50%，消減10%的經常性成本，降低10%的結構重量，縮短20%的開發周期。

 

可以將MFFD的目標看作是在此基礎上的一個延伸：

1. 實現70-100架飛機/月的產量；

2. 減輕1000kg的機身重量；

3. 降低20%的經常性成本。

這其中的一個關鍵賦能技術是，通過焊接熱塑性復合材料部件來實現無塵連接（無需打孔、無需緊固件）。Herrmann解釋說，目前飛機制造的順序方法（機身結構必須相當完整，然后才能安裝系統以及客艙和貨艙功能）非常耗時且“對故障敏感”，而MFFD追求的則是預先配備好的、高度集成的結構元素和系統模塊，這些元素和模塊可以在最終組裝之前很早就被安裝好。

改成縱向接縫和LMPAEK

MFFD項目始于2017年，每年至少會有一次提案征集(CFP)，項目負責人會在其中概述需要進一步開發的主題。如下圖所示，在CFP08(2018年4月)提案中顯示的偏置接縫設計已在CFP09(2018年9月)提案中被改為縱向接縫。

凸顯縱向接縫（紫色）的整個中段MFFD 設計示意圖（圖片來源：附件：清潔天空計劃2019年11月21日第11次提案征集–主題的列表和完整描述，第77頁）

 

“偏置接縫帶來了有關地板結構的可及性和附著性問題，我們意識到這些問題很難在給定的時間框架內得到解決。”Herrmann解釋說，“因此，我們決定回到傳統設計來降低風險。我們的主要興趣是展示如何整合所有的系統和客艙元素，使它們可以在主要部件組裝（MCA）之前得到安裝。這也將是這種熱塑性復合材料在大型客機的全尺寸機身主結構中的首次應用。”

2018年，MFFD設計從采用偏置接縫改為更傳統的縱向接縫（圖片來源：CFP08 提案第 87頁（左圖），CFP09提案第133頁（右圖））

 

另一個變化是有關熱塑性復合材料(TPC)的基體材料。在CFP08和CFP09提案中，MFFD主題指的是碳纖維/PEKK（聚醚酮酮），但在CFP10（2019年3月）提案中，基準材料被描述為碳纖維和威格斯的LMPAEK(低熔點聚芳醚酮)。PAEK為PEEK、PEKK 和LMPAEK 所在的整個聚合物家族。

 

Cetex材料的供應商TenCate（現為東麗先進復合材料）采用所有這3種聚合物生產碳纖維增強預浸帶，并聲稱它們的性能基本相同。但實際上，Cetex TC1225 CF/LMPAEK預浸帶的熔點是305℃，TC1320 CF/PEKK預浸帶的熔點是340℃。而且，按照東麗先進復合材料全球首席技術官Scott Unger的說法，LMPAEK有更好的流動性，與PEKK和PEEK相比，能以更高的速度加工。TC1225的成本也更低。

 

MFFD下機身：STUNNING 項目

STUNNING是“開發制造配置齊全的MFFD下半部分”的項目名稱。該項目旨在推動“自動化的裝配流程、熱塑性塑料的制造和裝配技術、集成化的設計和制造開發技術、先進電氣系統架構的開發”進一步走向成熟。

 

GKN Fokker(荷蘭霍赫芬)的項目經理兼 STUNNING的項目經理Bas Veldman解釋說，MFFD長8米、寬4米、半徑2-2.5米，這是單通道A320系列飛機的實際尺寸。“類似于A321，它不完全是圓形的，而是大致呈蛋形，略高于寬度。”他補充道。

 

180 度下機身段將包括帶有焊接縱梁和框架的下機身外殼、客艙和貨艙地板結構以及相關的主要內部元件和系統元件。“我們將提供大型的預裝配模塊，以實現非?？焖俚募床寮从玫慕M裝。”Veldman說道。

 

GKN Fokker是STUNNING項目的主要合作伙伴，該公司有4個部門參與到該項目之中，包括 Aerostructures（荷蘭帕彭德雷赫特）、Fokker ELMO（荷蘭霍格海德）、GKN Fokker Engineering Romania（布加勒斯特）和 GKN Fokker Technologies（荷蘭帕彭德雷赫特）。GKN Fokker ELMO是飛機線束和電氣系統技術的供應商。“它負責STUNNING項目的系統架構，并將專注于優化電氣系統，同時，與CFP08 聯盟 MISSION 合作，開發一種創新的電源總線系統。”Veldman解釋道。

 

“代傲航空（德國勞普海姆）負責內部結構，包括：子系統和地板，側墻板及其連接方式，廚房、衛生間和儲藏柜等立體空間的接口，智能系統的多端口。”Veldman 繼續說道，“NLR（荷蘭航空航天中心，阿姆斯特丹）負責制造機身蒙皮和縱梁，代爾夫特理工大學則依據其在超聲波焊接方面的專業知識來提供組裝協助。”

 

MECATESTERS焊接測試項目

“STUNNING項目已啟動了7個提案征集主題，其中5個已開始工作，包括MAYA、MISSION、EMOTION、TCTool和MECATESTERS。”Veldman說道。MECATESTERS是與KVE Composites（荷蘭海牙）和 Rescoll（法國佩薩克）合作的一個大型焊接測試項目，從2019年4月啟動，為期30個月。

使用東麗先進復合材料的TC1225 UD 碳纖維/LMPAEK預浸帶為MECATESTERS項目制造的熱壓罐固化的測試面板（圖片來源：KVE Composites）

 

Veldman 解釋說，盡管KVE在織物和UD帶熱塑性復合材料的感應焊接方面有著悠久的歷史，但迄今為止，在飛機上飛行的熱感應焊接部件都是由織物制成的。“在STUNNING項目中，我們正在采用單向增強材料和LMPAEK材料建立最佳實踐，同時還在典型的使用載荷和環境條件下對感應焊接和熱傳導焊接進行比較。”盡管電阻焊和超聲波焊接包含在其他的MFFD工作包和提案中，但感應焊接和熱傳導焊接是MECATESTER 項目唯一涉及的兩種技術。

 

KVE的Labordus解釋說，針對3個MECATESTERS工作包（WP1、WP2和WP3），KVE 將使用熱壓罐固化的TC1225 UD 碳纖維/LMPAEK預浸帶制造所有的測試用層壓板。KVE還將為測試制備感應焊接的樣品，而 GKN Fokker 將生產熱傳導焊接的樣品，Rescoll將執行所有的物理測試。“Rescoll名字源于research和collage，collage在法語中是粘接的意思。”Labordus說道，“Rescoll以其對各種粘接類型的研究以及提供配備完好的聚合物和復合材料的測試實驗室而聞名，包括機械測試、環境測試、可燃性測試以及航空航天、汽車、鐵路和其他行業進行資格認證所需的所有可能的測試。”

工藝參數和測試

“實際上我們是從WP2開始來設置工藝參數，如感應焊接的溫度和壓力的上限和下限。”Labordus說道，“比如，我們通常會使用標稱壓力，但我們會使壓力更低，直到開始看到孔隙等缺陷，然后我們將評估這些焊接特性，以建立較低的壓力邊界。”測試還將評估焊接速度，這會影響焊接冷卻速率和結晶度，并可能影響力學性能。針對熱傳導焊接，Fokker將研究相同的參數。

準備進行感應焊接的由單向帶層壓板制成的單搭接剪切試樣（左）和用于“采用Rescoll開發的工具對焊接的L形試樣進行剪切和剝離聯合測試”的測試夾具（右）（圖片來源：KVE Composites, Rescoll）

 

為了進行評估，MECATESTERS項目將執行多項測試，包括：依據ASTM D5868-01的搭接剪切測試、L形試樣的拉拔測試和剪切測試、分別依據ISO 15024 和 ISO 15114 標準的GIC和GIIC。

KVE Compositesshi在L形試樣上進行的拉拔測試（左上）。在MECATESTERS項目中，為消除蒙皮撓曲問題，這種類型的測試將使用Rescoll開發的夾具和測試裝置（右上）。測試試樣將從焊接面板（底部）上切割下來（圖片來源：Rescoll, KVE Composites）

 

“拉拔測試方法來自GKN Fokker制定的內部標準。”Rescoll的工程師Thomas Salat 解釋道，“為了剝離載荷，對焊接型材的拉拔測試與蒙皮垂直，而為了剪切載荷，則與蒙皮平行。”Labordus指出，“剝離和剪切是兩個極端，但我們也將測試它們的新組合，以反映實際的、使用中的負載條件。”該測試將針對源自MFFD 機身設計的兩種不同厚度（2.2 毫米和 2.8 毫米）的層壓板，在室溫（RT）、低溫（-55℃）和高溫（80℃）下使用靜態載荷來完成。

表面處理、老化和疲勞

WP1將從韌性測試開始。“對于斷裂韌性測試（GIC和GIIC），我們將在復合材料中引發裂縫并測量該裂縫在加載時的行為。”Salat 解釋道，“一種是靜態測試，即逐漸增加載荷直到失效。我們還將進行動態測試，即將靜態載荷重復100萬次，這需要一到兩周才能完成。我們將看看復合材料焊縫是否能承受這種疲勞。這種模式II是一種新型的循環測試。我們正在開發一種方法，它摘自歐洲大學發表的一篇技術論文，現在正在確定最終參數。”

 

同樣在WP1中，在WP2中建立的焊接參數將被用于檢查由表面處理以及老化和疲勞帶來的影響。“我們將研究表面污染物以及它們如何影響焊縫。”Labordus 說道，“我們還將研究壓機和熱壓罐加工中常用的3種不同類型的脫模劑。特定類型的表面處理包括打磨、研磨和等離子處理，以及在焊接表面使用額外的樹脂膜。此外，我們還將研究纖維取向的影響，如在焊縫界面處±45 度。”

 

Salat表示，Rescoll還將使用70℃和90%濕度的調節室來模擬在役老化。“然后，我們將執行標準化的測試，看看是否會影響焊接性能。”Labordus 補充說，“我們將在100℃和120℃下測試有限數量的樣本，以驗證‘熱塑性復合材料在80℃以上不會出現劇烈衰退’的說法。”

 

此外，疲勞測試將在單搭接剪切和拉斷模式下進行。“我們將在疲勞測試中先施加80%的靜態失效載荷，然后循環加載50%或75%的靜態失效載荷達100萬次。”Labordus說道，“我們也會做其他測試，但仍會討論這些測試。”

焊接短的配混料制成的支架

雖然WP 3 的細節仍在最終確定之中，但其目的是，研究由短纖維材料制成的模壓成型的支架與單向(UD)層壓蒙皮的焊接。“我們將再次對工藝參數進行基準測試并表征焊縫的力學性能，但我們也在努力為測試定義形狀。”Labordus說道。

焊接到熱塑性機身上的縱梁和支架（圖片來源：清潔天空2第11次提案征集
JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-35，“為長的熱塑性焊縫提供創新的脫粘抑制功能”，圖 2，第94頁）

 

焊接框架、夾子和支架

正如CFP10主題
JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-31所述，MFFD下機身的所有框架夾和系統支架都將通過短纖維增強配混料的注射成型來制造，這些配混料是通過對工廠廢料的再利用而制成，這些工廠廢料是GKN Fokker在生產連續纖維增強熱塑性復合材料層壓板的過程中產生的。CF/PAEK是基準材料，焊接是基準的連接方法，但沒有規定具體的焊接方法。

清潔天空2主題
JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-31 要交付的部件示例（圖片來源：清潔天空2 CFP10提案第146頁）

 

根據CFP10提案，MFFD下機身將有13個框架和大約36個縱梁，需要大約500個框架夾（注意，這些是需要進行結構測試的主結構，總數包括用于測試的夾子）和大約270個系統支架（它們是次結構），這些系統支架按類型分為：20個系統支架（1）、120個系統支架（2）、50個系統支架（3）和 80個系統支架（4）。

 

CFP10提案中還涉及MFFD上機身主題
JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-30.Aernnova Composites Illescas（西班牙伊萊斯卡斯）領導的“為熱塑性基復合材料的結構連接開發創新的焊接系統”項目，計劃于2020年第一季度之后開始，其研究范圍是，開發一種焊接系統，以在加固部件（角撐板、楔子、配件）與結構框架之間實現結構粘接，從而獲得高度集成的門圍結構（DSS）。

將兩半連接起來

MFFD的下半部分在完成后將被送到弗勞恩霍夫制造技術與先進材料研究所（簡稱弗勞恩霍夫IFAM，德國施塔德），以便與上半部分連接起來。“我們致力于在2021年底之前交付我們這一半的機身。”Veldman說道。

 

如上所述，空中客車公司的Ralf Herrmann 是MMFD項目的負責人，因此，空中客車公司整合了弗勞恩霍夫IFAM和CFP07 MultiFAL（為機身裝配生產線開發多功能的自動化系統）聯盟的工作。CFP07 MultiFAL聯盟負責將機身的兩個部分連接起來，與STUNNING項目和上機身團隊合作，為應對眾多挑戰而開發解決方案。

 

其中的一些已在第11次提案征集（2019年11月）的兩個主題中被披露，這兩個主題均由空客牽頭，將于2020年第四季度之后啟動，標題為“用于封閉縱向桶形接縫的工裝、設備和輔助設備”：

•JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33，“：對接帶集成和雷擊防護連續性”；

•JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34，“：搭接接縫和框架耦合集成”。

由Airbus Bremen的主題經理兼MFFD工作包的負責人Piet Wölcken 撰寫，這些主題中的主要挑戰包括：

1JTI-CS2-2020-CFP11-LPA-02-33，對接帶接縫

• 演示器的左手側（飛行方向）包括乘客門圍。該區域的蒙皮厚度是變化的，需要階梯式對接帶集成，連接上下蒙皮；

• 考慮到接縫的復雜性，采用加熱壓板的熱傳導焊接是首選的連接技術。

2雷擊防護的電氣連續性

• 金屬雷擊防護（LSP）的電氣連續性必須通過機身外部的兩個縱向接縫來實現；

• 預計用于對接帶集成的工裝頭可用于此目的。

（左上）搭接接縫：搭接接縫設計采用了階梯式方法，請注意，下殼位于機身內側；（左下）對接帶集成：許多上覆條帶需要在階梯狀接縫上集成，請注意，對接帶位于機身外側；（右）金屬雷擊防護的電氣連續性必須在CFRP機身外部的縱向接縫上實現，紅色表示預配備的雷擊防護，藍色表示雷擊防護將作為本主題的一部分而得到應用（圖片來源：清潔天空2第11次提案征集JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33和JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34，“對接帶集成和雷擊防護連續性”，第78頁和第86頁）

3JTI-CS2-2020-CFP11-LPA-02-34，重疊接縫

• 位于演示器右手側（飛行方向）的8米長重疊接縫連接了上下機身蒙皮。在縱向方向，小于3毫米的蒙皮厚度在焊接區域是恒定的。在圓周方向，蒙皮具有階梯式形狀，以提高結構性能；

• 為了實現高產率，超聲波焊接是首選的連接方式。

4JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34，框架耦合集成

• 搭接接縫：搭接接縫下方的框架耦合需要對上下殼體框架進行結構粘接；

• 對接帶：對接帶下方的框架耦合需要對上下殼體框架進行結構粘接，并連接到蒙皮上；

• 電阻焊是應對這一技術挑戰的首選技術。

框架耦合集成。請注意，作為技術演示的一部分，框架耦合的每一側都不同（圖片來源：清潔天空2 第11次提案征集
JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34，“用于封閉縱向桶形接縫的工裝、設備和輔助設備：重疊接縫和框架耦合集成”，圖5，第 86頁）

焊接方法、工裝頭和公差

Herrmann解釋說，熱傳導焊接將通過對接帶接縫在左手側得到展示，超聲波焊接將通過搭接接縫在右手側得到展示，而電阻焊將被用于框架耦合。“MFFD將展示許多技術方法，因此，與制造一個實際的機身不同，而是將其設計為一個展示并熟化技術的載體。”他補充道。

開發焊接工裝頭

由Wölcken撰寫的這兩個主題的目標是，為這些焊接接縫開發所需的工裝頭。“在將兩個部分焊接在一起時，必須施加熱和壓力，在焊接過程中，這是由工裝頭來施加的。”他解釋道，“Fokker類型的熱傳導焊接工藝是在一側主動施加熱和壓力，而來自支撐的被動壓力則施加在另一側。對接接縫是一個6層的帶疊層，在連接時，我們將放上該疊層并在焊接過程中加熱它。然而，由于LMPAEK UD帶材在焊接中相對較新，我們必須了解工藝條件并要知道如何來補償公差。因此，我們必須定義材料和厚度，以及工裝頭的形狀。”

 

“需要注意的是，使用這種類型的對接接縫是我們對飛機其他接縫所做的標準流程。”Wölcken 表示，“對于MFFD，我們希望使上下機身保持這種標準做法而不變，以最大程度地減少我們必須訂制的材料量。”

公差的靈活性

Wölcken表示，由于焊接表面的最上層基本上會熔化成液體，然后壓在一起，這就為適應公差帶來了很大的靈活性。需要注意的是，目前，對于由熱固性的碳纖維增強聚合物（CFRP）制成的機翼和機身，這些公差問題可以通過應用一種液態填隙粘合劑來解決。雖然很少有人愿意公開討論這個話題，但在復合材料的飛機結構中，有關填隙的普遍問題已得到廣泛認可，并且已經公布了減少和/或消除這一問題的舉措，比如用于垂直尾翼的 Flexmont 裝配方法。

 

“我們確實希望通過使用熱塑性復合材料，特別是通過利用我們的設計理念并借鑒我們在熱固性CFRP和金屬焊接方面積累的經驗，而在解決公差問題上獲得一些優勢，關鍵是，要在加熱和施壓過程中進行現場監測。”Wölcken說道并強調熱量是首要參數。“我驚訝于熱塑性復合材料的焊接過程對壓力的耐受性，這方面的主要挑戰是控制這種壓力以及如何使之降低。目前，我們正在監測焊接接縫的背面。”

弗勞恩霍夫IFAM的自動化裝配工廠系統（左上），以及正在修改之中的CFP07工作主題開頭的維度（右上），以適應 360°機身，焊接 MFFD 的縱向和環向接縫（圖片來源：弗勞恩霍夫IFAM和cfk-valley.com，清潔天空2第7次提案征集，
JTI-CS2-2017-CfP07-LPA-02-22，第76頁）

裝配自動化

在第7次提案征集中，主題
JTI-CS2-2017-CfP07-LPA-02-22，“為機身縱向和環向接縫開發全尺寸的自動化工廠系統”由MultiFAL聯盟中的弗勞恩霍夫IFAM 領導。下面的摘錄闡明了如何使用上述的焊接工裝頭（目前正在開發中）：“實現熱塑性機身的組裝過程，公差成為一個主要話題。機身外殼的定位和取向，以及由焊接過程引起的變形，都需要保持在公差范圍內。采用最先進的縱向接縫工藝，可以獲得與之相當的精度，在此，每個方向的位置誤差應該控制在0.5毫米以內（某些例外情況可達1毫米）?？梢约僭O，對于20毫米寬的焊縫，需要用自動化的系統從兩側向連接面上施加大約1000牛頓的預緊力（與焊接技術無關）。”

 

弗勞恩霍夫IFAM（也是CTC Stade開發 Flexmont VTP 裝配工藝的合作伙伴）介紹了其起點：一個內部的裝配工廠系統，可以操縱長2-8米、高達6米的部件，包括單通道飛機的180°外殼。該系統通過對10臺協作六足機器人、24個線性裝置和模塊化的機架元件進行靈活布置而得以實現。帶有6軸力和扭矩傳感器的真空夾子可根據需要調整部件的姿態和形狀，以管理裝配過程中的公差。對這些快速迭代調整的指導和監控，是通過光學測量設備實現的。

 

根據 CFP07 文本，弗勞恩霍夫IFAM 將為操作完整的360°機身而改進其裝配工廠系統，這項工作計劃于2018年第二季度開始，在36個月內完成。

STUNNING聯盟正在與SAM|XL合作，為組裝 MFFD下機身開發自動化系統（圖片來源：samxl.com）

 

在STUNNING項目中，將與研究中心SAM|XL（智能先進制造XL，荷蘭代爾夫特）合作，展示用于組裝下機身的自動化焊接技術。SAM|XL匯聚代爾夫特理工大學的航空航天工程小組和機器人研究所，專注于實現大型輕質復合材料結構制造的自動化。GKN-Fokker是一家重要的參與者。正在研究的方法之一是順序點位超聲焊(sequential spot ultrasonic welding)，這已在清潔天空1 Eco Design 項目和 TAPAS 2 中得到了證明，可以快速有效地將短纖維增強復合材料的支架或夾子連接到機身結構上。

 

Villegas在其2016年題為“熱塑性復合材料的智能超聲波焊接”的論文中指出，可以通過順序焊接來擴大超聲波焊接工藝的規模，即讓連續的相鄰點焊線具有與連續焊道相同的作用。在清潔天空EcoDesign演示器的TPC機身面板中使用的實驗室規模的順序點焊，采用平面能量導向器將CF/PEEK鉸鏈和CF/PEKK支架焊接到CF/PEEK C型框架上。在雙搭接剪切和拉通測試中，與機械緊固接頭的實驗比較顯示了其前景。作為代爾夫特理工大學團隊成員，Villega的同事Tian Zhao在其2018年的論文（和2019年的論文）中，以及Villegas 在其2019 年的論文中，都進一步探討了這項工藝。

 

STUNNING聯盟與代爾夫特理工大學和SAM|XL正在采用這項技術，將多個系統和半結構支架、加強元件和縱梁焊接到MFFD下機身外殼上。

MFFD組裝的工作分解和時間表（圖片來源：清潔天空2第11次提案征集
JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33，“用于封裝縱向桶形接縫的工裝、設備和輔助設備：對接帶集成和雷擊防護連續性”，第79頁和第82頁）

 

數字孿生階段，2020年及以后

據來自Clean Sky網站的消息，MFFD項目于2019年11月成功地通過了關鍵設計審查（CDR），達到了一個重要里程碑。按照上述時間表，MFFD設計于2020-2021年進入“數字孿生階段”。這意味著什么呢？“雖然我們已經完成了設計階段的大部分工作，但我們通過使用特定的生命周期管理方法而更進了一步。”Herrmann解釋道，“在部件制造過程中，我們根據NDT結果和工藝參數對缺陷和不合格項進行建模。我們希望將這些工業4.0數據與生命周期管理結合起來，以便繼續根據我們實際制造的產品來訂制設計。我們想看看我們能將此推向多遠，以及到清潔天空2 結束時我們能完成什么。”

 

2020年的主要議程是制造。“我們希望在2020年展示各個部分。”Veldman說道。對STUNNING 項目而言，最大的挑戰是什么？“組裝。”他回答道，“在STUNNING 中沒有那么多，但我們的下機身存在與門圍結構、多個空客交付的組件以及整個上機身的多個接口。在正確的時間交付所有東西，然后將其全部整合在一起，這需要進行許多開發。”

 

這帶來了一個問題：熱塑性復合材料能被用于2030-2035年投產的下一代飛機上嗎？“的確，我們想要嘗試使用我們正在研究的技術。”Herrmann說道，“但我不能說，熱塑性復合材料是否或者何時會出現在未來的飛機上。對我們來說，最重要的是，探索熱塑性復合材料在飛機上的應用推動了無塵連接技術的開發，這可以使飛機的月產量提高到每月70多架。我們必須展示它的可行性，這不僅適用于金屬，也適用于熱塑性復合材料。”

 

“到該項目結束時，我們將對熱塑性復合材料焊接有更全面的了解，并將獲得批準，能夠將其用于大型的飛機主結構。”Salat說道，“如果我們能夠將其用于未來的飛機，我們就可以顯著減輕重量并提高可持續性。”但也許同樣重要的是， 清潔天空計劃能夠將歐洲的航空研究和創新利益相關者更緊密地聯系在一起。“我們每季度舉行一次會議，會上，我能與LPA指導委員會的所有成員坐在一起。”Veldman說道，“我們在談論歐洲的整個航空工業，這無疑有助于為未來開辟機遇，不僅為能夠為我們供貨的公司，也為廣泛的合作開辟機遇。”

 

原文鏈接：

https://www.compositesworld.com/articles/proving-out-lm-paek-welding-for-multifunctional-fuselage-demonstrator.