4X8m熱塑復材機身段自動化制造
作為歐盟資助的Clean Sky 2/Clean Aviation項目“大型客機”（“LPA-Large Passenger Aircraft”）的一部分，德國斯塔德的Fraunhofer Gesellschaft與國際項目合作伙伴一起，使用自動定位和連接過程將“多功能機身演示器”（“MFFD”）的上下外殼連接在一起。兩個8米長、直徑約4米的CFRP半殼的兩個縱向接縫的焊接成功完成了世界上最大的熱塑性CFRP飛機機身段的生產（圖1）。
迫切需要為客機的生產和運營提供氣候友好的解決方案，以幫助節省更多的資源。除了新的推進技術，重點還在于結構重量和制造成本。兩者都可以通過新的施工方法來減少，特別是使用熱塑性CFRP材料。因此，在一個研究項目中，首次用熱塑性碳纖維增強塑料材料生產出全尺寸機身段，從而能夠評估其可行性以及生態和經濟優勢和劣勢。
新型飛機機身結構
與項目協調員空中客車公司一起，選擇CO2激光焊接用于左縱縫，超聲波焊接用于右縱縫，作為閉合熱塑性飛機機身的連接工藝。這兩種工藝都提供了無塵連接的優勢，而目前使用的鉚接工藝沒有這種優勢。然而，它們尚未用于此類大型CFRP部件的生產或研究，而且此處所需的特殊質量要求。對無塵連接的需求源于兩個殼體與大量結構和系統部件的首次預集成，這些部件也是通過焊接組裝的，這不允許隨后去除灰塵和碎屑。
熱塑性下殼在熱壓罐中在壓力和溫度下固化（固結），由GKN Fokker、Diehl Aviation、荷蘭航空航天中心-NLR和代爾夫特理工大學聯合體提供，作為“STUNNING”LPA項目的一部分。熱塑性上殼采用鋪帶工藝（原位固結）制造，由Premium Aerotec、空中客車、Aernnova和德國航空航天中心DLR ZLP組成。
由于高度的預集成、幾乎無鉚釘的架構以及與現狀相比減輕了10%的重量，這兩個外殼都給人留下了特別深刻的印象。一方面，自動化預集成帶來了效率和局部靈活性的高增長，以實現高生產率生產，同時節省高達10%的成本，因為與以前不同，所有部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。另一方面，飛機結構的重量減輕導致飛行期間的燃料效率提高。
自動化裝配研究平臺
Fraunhofer Gesellschaft與其合作伙伴FFT Produktionssysteme一起，在德國斯塔德CFK NORD研究中心的“LPA”項目“機身裝配線多功能自動化系統”（“MultiFAL”）中，為“MFFD”設計并構建了自動化裝配研究平臺，包括中央系統和過程控制（圖2）。其他項目合作伙伴隨后將其技術模塊集成到平臺中。Fraunhofer沿著工藝鏈執行的進一步任務最初包括使用專門開發的夾具拉緊下殼體，這使得下殼體能夠在裝配空間中高精度對準，用于后續工藝。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。由10個六足機器人組成的場地以亞毫米精度定位兩個殼體，使用激光傳感器隨時設置殼體的最佳形狀和位置，并在必要時重新調整。
CO2激光焊接
對于激光焊接工藝，由熱塑性碳纖維增強塑料制成的長達4.5米的薄條帶（對接條帶）必須分層放置，并在外殼的縱向邊緣上相互齊平，這些縱向邊緣彼此精確對接，并在飛機外部提供階梯形輪廓。Fraunhofer Gesellschaft在“LPA”項目“對接帶集成技術開發與工具設計、驗證、主要部件組裝和操作實施”（“BUSTI”）中開發了所有用于輸送、定位和邊緣密封帶的解決方案。因此，Fraunhofer制造的帶通過滾動運動被精確地定位在接縫上，帶處理工具被集成到自動化工藝環境中，從而緊接著的焊接頭的振蕩激光束通過反射鏡被引導，可以連續地熔化在帶和殼體表面之間形成的接觸線。激光焊接端部執行器上的壓力裝置以高達1噸的合力將帶壓向上下殼體接頭，從而在同一工作步驟中鞏固焊縫（圖3）。為了防止焊接過程中的高壓力損壞機身結構，一個用于力吸收和耗散的裝置在最終的機身截面內同步運行。
激光焊接工藝的特點是實現了在線監測和控制系統，通過數字孿生實現了直接的數字數據交換，以實現工藝優化和質量保證。
自動填補間隙
存在小的、不規則的寬間隙。這將損害焊接接頭的質量，因此必須在焊接過程后用所謂的熱塑性填料完全填充，從而在任何情況下都必須避免過量材料。
與激光焊接末端執行器一樣，緊湊型擠出機沿著先前創建的接縫引導，加熱初始顆粒并將其輸送到間隙。在那里，一個特殊的噴嘴確保材料在空氣中硬化之前填充間隙。局部間隙體積是精確填充量的決定性因素，通過集成到同一間隙填充末端執行器中的2D傳感器立即提前測量，并指向開口間隙并傳輸到擠出機系統（圖4）。這使得有可能在正在進行的過程中動態地計算局部所需的排出速率，從而用每個點所需的精確量的熔融熱塑性材料填充寬度為3至20毫米的不規則間隙。
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，以便在以后的生產中使用。與激光焊接相比，只有艙門環境外的薄壁機身接縫部分才能以這種方式連接，但在同步并行過程、投資和職業安全方面所需的工作量較低。負責該研究平臺的Fraunhofer Gesellschaft與合作伙伴CT Engineering Group、AIMEN、AITIIP和Dukane的“LPA”項目“優化、快速、準確的LongituDinal barrEl接頭閉合焊接設備”（“WELDER”）之間的合作，為縱縫提供了快速、可靠的自動超聲波焊接工藝（圖5）。
與上述激光焊接工藝一樣，其特點是實現了在線監測和控制系統，該系統能夠通過數字孿生實現直接的數字數據交換，以實現工藝優化和質量保證。
進一步的研發工作和項目的成功完成
2024年3月，“WELDER”LPA項目的項目合作伙伴對帶的CO2激光焊接（包括間隙填充）以及隨后通過電阻焊接將框架連接在上下殼體之間的工作和驗證結束了德國斯塔德CFK NORD研究中心的“MFFD”研究工作（圖6）。在2024年3月14日于比利時布魯塞爾舉行的“清潔天空2號”最后一次會議上，獨立專家、聯合企業和所有參與演示的合作伙伴成功及時地完成了Fraunhofer Gesellschaft參與的三個項目（圖7）。
繼2021年初成功實現的“LPA”項目“自動客艙和貨艙內襯和艙口架安裝方法”（“ACCLAIM”）中的1:1比例自動客艙組裝平臺之后，“MFFD”已經是Fraunhofer Gesellschaft做出重大貢獻的第二臺Clean Sky 2大型演示機。
已經從型架吊出的熱塑性機身部分（圖8）將在漢堡應用航空研究中心（ZAL）完成客艙頂部模塊的集成，然后用于進一步的測試和演示。
視角
Fraunhofer Gesellschaft將結合從“MFFD”演示器中獲得的知識，為感興趣的公司提供成熟的技術模塊以供工業化使用。其他技術將被納入后續的研究項目，以便在未來的生產中以更低的資源消耗實現更大的效率提高。除了飛機機身，目標結構還包括垂直尾翼和低溫氫氣儲罐系統。在航空業之外，陸上或海上運載工具也是技術轉讓的重點。
項目資金
所述結果由Fraunhofer與上述所有項目合作伙伴合作開發。Fraunhofer代表項目合作伙伴感謝歐盟委員會提供的資金。
參與“MFFD”的項目合作伙伴
- Acroflight Ltd, Witham, UK
- Aernnova Aerospace S.A., Vitoria, Spain
- Aeromechs srl, Aversa, Italy
- AIMEN – Asociación de Investigación metalúrgica del Noroeste, O Porriño, Spain
- Airbus
- Aitiip Centro Tecnológico, Zaragoza, Spain
- ALPEX Technologies GmbH, Mils, Austria
- BCC – Brunel Composites Centre, University London, UK
- CETMA – Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali, Brindisi, Italy
- CT Engineering Group – Ct Ingenieros Aeronauticos de Automocion e Industriales Slu, Madrid, Spain
- CTI Systems, Lentzweiler, Luxembourg
- Diehl Aviation Laupheim GmbH, Laupheim, Germany
- Diehl Comfort Modules GmbH, Hamburg, Germany
- DLR – Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, ZLP Augsburg, Germany
- DLR – Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, ZLP Stade, Germany
- Element Materials Technology, Sevilla, Spain
- FADA – Andalusian Foundation for Aerospace Development / CATEC – Centerfor Advanced Aerospace Technologies, Sevilla, Spain
- FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG, Fulda, Germany
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Pfinztal, Germany
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Stade, Germany
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV, Augsburg, Germany
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, Germany
- GKN Aerospace, Fokker Aerostructures BV, Papendrecht, Netherlands
- GKN Aerospace, Fokker ELMO BV, Hoogerheide, Netherlands
- HSLU – Hochschule Luzern, Luzern, Switzerland
- KVE Composites Group, The Hague, Netherlands
- LSBU – London South Bank University, London, UK
- NLR – Royal Netherlands Aerospace Centre, Marknesse, Netherlands
- Ostseestaal GmbH & Co KG, Stralsund, Germany
- Premium AEROTEC, Augsburg, Germany
- Rescoll, Pessac Cedex, France
- SAAB AB, Stockholm, Sweden
- SAM XL, Delft, Netherlands
- Techni-Modul Engineering, Coudes, France
- Technische Universität München, Lehrstuhl für Carbon Composites, München, Germany
- Technische Universiteit Delft, Delft, Netherlands
- TWI – The Welding Institute, Cambridge, UK
- UPAT – University of Patras, Patras, Greece
- XELIS GmbH, Herford, Germany
圖1 “MFFD”機身筒體在Stade的FraunhoferGesellschaft通過熱塑性焊接連接。
圖2Stade Fraunhofer Gesellschaft的“MultiFAL”裝配研究平臺，帶有“MFFD”的插入式熱塑性機身外殼。黃色的六足機器人用于固定和高精度調整上殼體的形狀和位置，清晰可見。
圖3熱塑性CFRP對接帶作為兩個CFRP熱塑性機身外殼（左側）的連接，通過“MultiFAL”組裝研究平臺（©Fraunhofer IFAM）中的CO2激光焊接端部執行器（右側；項目“BUSTI”）連接。
圖4間隙填充末端執行器在對接帶CO2激光焊接到機身外殼上后，使用擠出機進行熱塑性間隙填充。
圖5“WELDER”項目的熱塑性超聲波焊接端部執行器位于六足機器人場下方的完工焊縫前，用于高精度形狀和位置調整。
圖6項目完成——Fraunhofer團隊在德國斯塔德CFK NORD研究中心完成的“MFFD”前的一部分。
圖7清潔天空2號最終會議于2024年3月14日在比利時布魯塞爾的白色中庭大樓舉行，評審人員、聯合企業和為“MFFD”（©空中客車公司）做出貢獻的國際團隊成員參加了會議。
圖8將完全連接的機身部分堆疊在專門開發的下殼支架上，該支架也設計用于運輸整個機身部分。
說明：參與“MFFD”的項目合作伙伴，共有39個單位。由于單位名稱有幾種文字，另外還沒有統一的中文翻譯，本文就原文復制，供參考。
楊超凡 2024.7.12
