圖 1 弗勞恩霍夫團(tuán)隊(duì)的成員站在德國(guó)施塔德CFK NORD研究中心已完工的MFFD前。圖片來(lái)源：弗勞恩霍夫IFAM

2024年3月14日，弗勞恩霍夫制造工藝與應(yīng)用材料研究所（IFAM）宣布，其與合作伙伴已聯(lián)合完成的熱塑性復(fù)合材料機(jī)身演示驗(yàn)證件（MFFD）完成上下機(jī)身的左右焊縫連接，并將8×4米的全尺寸部件發(fā)送至位于德國(guó)漢堡的應(yīng)用航空研究中心與機(jī)艙頂部模塊件集成并進(jìn)行測(cè)試。

作為歐盟資助的“潔凈天空計(jì)劃”“大型客機(jī)”（LPA）驗(yàn)證子計(jì)劃的一部分，弗勞恩霍夫研究所及其國(guó)際項(xiàng)目合作伙伴聯(lián)合打造了長(zhǎng)8米、直徑4米的飛機(jī)機(jī)身——多功能機(jī)身演示驗(yàn)證件（MFFD），采用自動(dòng)定位和焊接工藝完成了上下機(jī)身部件縱向接縫連接。MFFD被認(rèn)為是世界上最大的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）飛機(jī)機(jī)身部件,代表了一種以1 : 1比例展示熱塑性復(fù)合材料飛機(jī)機(jī)身自動(dòng)化制造的新模式。該項(xiàng)目中使用的材料和制造技術(shù)，可在高速生產(chǎn)過(guò)程中減輕約10%的結(jié)構(gòu)重量并降低10%的成本。

圖 2 位于德國(guó)施塔德弗勞恩霍夫研究所的MFFD飛機(jī)機(jī)身部件通過(guò)熱塑性復(fù)合材料焊接工藝進(jìn)行連接。圖片來(lái)源：弗勞恩霍夫IFAM

上部和下部機(jī)身殼體：作為“智能多功能集成熱塑性復(fù)合材料機(jī)身”（STUNNING）項(xiàng)目的一部分，熱塑性復(fù)合材料下機(jī)身殼體在高溫高壓條件經(jīng)熱壓罐固化成型，由GKN Fokker、Diehl航空、荷蘭航空航天中心（NLR）和代爾夫特理工大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)共同完成。熱塑性復(fù)合材料上機(jī)身殼體采用纖維帶鋪放和原位固結(jié)工藝制造，由Premium Aerotec、空客、Aernnova和德國(guó)航空航天中心組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)共同完成。上、下機(jī)身殼體均具有高度預(yù)集成度，采用幾乎無(wú)鉚釘?shù)募軜?gòu)設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)身相比重量減輕10%。自動(dòng)化預(yù)集成進(jìn)一步提高制造效率，提升局部制造靈活度，所有組件不再需要放入密閉機(jī)身內(nèi)部并在狹窄空間條件下手動(dòng)安裝。此外，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕使得飛機(jī)飛行期間燃油效率顯著提高。

CO2激光和超聲波焊接?？湛凸九cMFFD項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)合作，選擇對(duì)左側(cè)接縫處采用CO2激光焊接，對(duì)右側(cè)接縫處采用超聲波焊接，通過(guò)不同焊接方式將上下機(jī)身殼體連接成一體機(jī)身。兩種工藝都具有無(wú)塵焊縫的優(yōu)點(diǎn)，但是兩種工藝均未在大型CFRP部件研發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用，也尚未證明客機(jī)滿足質(zhì)量要求。無(wú)塵焊縫的需求源于兩個(gè)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(guò)焊接裝配的，因此無(wú)法在裝配完成后再去除碎屑與灰塵。

▍CO2激光焊接方面

為了通過(guò)激光焊接工藝實(shí)現(xiàn)左側(cè)接縫連接，需沿上下機(jī)身殼體縱向邊緣分層鋪放長(zhǎng)達(dá)4.5米的細(xì)CFRTP對(duì)接帶。殼體表面具有階梯式外輪廓，可用于鋪放對(duì)接帶。用于送帶、定位和邊緣密封的所有解決方案均由弗勞恩霍夫的“對(duì)接帶在部件裝配與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的工具設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、實(shí)施等集成技術(shù)開(kāi)發(fā)”（BUSTI）項(xiàng)目中完成。在BUSTI項(xiàng)目?jī)?nèi)，弗勞恩霍夫研究所制造連接帶通過(guò)處理工具精確定位在接縫處，并通過(guò)滾動(dòng)方式集成到自動(dòng)化裝配過(guò)程中，以便緊隨其后的焊接頭振蕩激光束通過(guò)鏡子引導(dǎo)，可以連續(xù)熔化對(duì)接帶和殼體表面之間形成的接觸線。激光焊接末端執(zhí)行器上的壓力裝置，以高達(dá)1噸的接合力將連接帶壓在上下機(jī)身殼體接縫處，并在同一工作步驟中加固焊縫。為了防止焊接過(guò)程中采取的高壓力損壞機(jī)身結(jié)構(gòu)，在焊接過(guò)程中機(jī)身內(nèi)側(cè)部分同步施加了吸力和應(yīng)力消散裝置。激光焊接過(guò)程中使用了在線監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，可通過(guò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)直接數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化，保證質(zhì)量。

圖 3 CFRTP對(duì)接帶（左側(cè)）作為上下兩個(gè)MFFD熱塑性復(fù)合材料機(jī)身殼體輔助連接件，由BUSTI項(xiàng)目中的CO2激光焊接末端執(zhí)行器（右側(cè)）完成連接，全過(guò)程在MultiFAL裝配研究平臺(tái)中完成。圖片來(lái)源：弗勞恩霍夫IFAM

▍超聲波焊接方面

選擇自動(dòng)超聲波焊接作為右側(cè)接縫的連接方法，能夠從研究工作中獲得盡可能多的重要經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，以便在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中使用。與激光焊接相比，只有壁較薄的機(jī)身接縫部分（即機(jī)門(mén)環(huán)境之外的接縫部分）可以通過(guò)這種方式焊接。此外，焊接過(guò)程不需要激光保護(hù)單元，并且在裝配同步并行過(guò)程方面投資較低。弗勞恩霍夫研究所還與合作伙伴CT工程集團(tuán)、Aimen、Aitiip和Dukane合作開(kāi)展了“用于優(yōu)化、快速和精確的縱向管接口密閉焊接設(shè)備”（WELDER）。這種合作帶來(lái)了快速、可靠和自動(dòng)化的縱向接縫超聲波焊接工藝。與激光焊接工藝相同，自動(dòng)化連續(xù)超聲波焊接工藝使用在線監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，可通過(guò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)直接數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證。

圖 4 WELDER項(xiàng)目中形成的超聲波焊接末端執(zhí)行器，在六足機(jī)器人協(xié)助保持形狀和高精度位置調(diào)整，完成機(jī)身焊接。圖片來(lái)源：弗勞恩霍夫IFAM

▍自動(dòng)化裝配研究平臺(tái)

弗勞恩霍夫與其合作伙伴FFT生產(chǎn)系統(tǒng)公司（FFT Produktionssysteme）一起，在德國(guó)CFK NORD研究中心的“機(jī)身裝配線的多功能自動(dòng)化系統(tǒng)”（MultiFAL）項(xiàng)目中，為MFFD設(shè)計(jì)并建造自動(dòng)化裝配研究平臺(tái)，其中包括了中央系統(tǒng)和過(guò)程控制。其他參與項(xiàng)目的合作伙伴陸續(xù)將其開(kāi)發(fā)的技術(shù)模塊集成到該平臺(tái)中。弗勞恩霍夫研究所將按照工藝執(zhí)行順序進(jìn)行裝配，初始任務(wù)包括使用開(kāi)發(fā)的夾具來(lái)固定下機(jī)身殼體，使其能夠在后續(xù)工藝裝配過(guò)程中高精度對(duì)齊，之后再利用高架起重機(jī)將上機(jī)身殼體與下機(jī)身殼體裝配連接，所有處理過(guò)程均自動(dòng)化完成。10個(gè)6足機(jī)器人組成的裝配空間以亞毫米精度定位上下機(jī)身殼體，并利用激光傳感器隨時(shí)控制殼體的最佳形狀和位置，并在必要進(jìn)行重新調(diào)整。

圖 5 位于德國(guó)施塔德弗勞恩霍夫研究所的MultiFAL平臺(tái)，正在裝配MFFD熱塑性復(fù)合材料機(jī)身殼體。用于夾持固定和高精度調(diào)整上機(jī)身殼體外形和位置的黃色六足機(jī)器人清晰可見(jiàn)。圖片來(lái)源：弗勞恩霍夫IFAM

▍自動(dòng)間隙填充

由于不可避免的制造公差和定位過(guò)程所需的自由度，連接帶和殼體的階梯式連接區(qū)域無(wú)法完全無(wú)縫連接在一起，因此仍然存在寬度不規(guī)則的小間隙。這些間隙會(huì)損害焊接質(zhì)量，因此在焊接過(guò)程后必須進(jìn)一步填充熱塑性材料，同時(shí)也要避免使用過(guò)量的填料。與激光焊接末端執(zhí)行器一樣，擠出機(jī)被引導(dǎo)沿著接縫處工作，將加熱過(guò)的、顆粒形式的熱塑性材料填充到間隙中。噴嘴將確保材料在冷卻硬化之前充分完成間隙填充。為保證使用精確的材料填充量，局部間隙體積是通過(guò)集成到同一間隙填充末端執(zhí)行器中的2D傳感器預(yù)先測(cè)量的。測(cè)量結(jié)果被傳輸?shù)綌D出機(jī)系統(tǒng)，從而可以動(dòng)態(tài)計(jì)算填料輸出速率，從而使3-20毫米寬的不規(guī)則間隙，能夠充滿準(zhǔn)確數(shù)量的熔融熱塑性材料。

圖 6 在BUSTI項(xiàng)目中，間隙填充末端執(zhí)行器在將對(duì)接帶經(jīng)CO2激光焊接到機(jī)身殼體后，使用擠出機(jī)進(jìn)行熱塑性材料間隙填充。圖片來(lái)源：弗勞恩霍夫IFAM

2024年3月14日，弗勞恩霍夫研究所于在比利時(shí)布魯塞爾舉行的最后一次會(huì)議上介紹了其所參與的三個(gè)項(xiàng)目，并宣布全部項(xiàng)目順利完成。項(xiàng)目成果已提交給獨(dú)立專(zhuān)家和所有為演示驗(yàn)證工作做出貢獻(xiàn)的合作伙伴。MFFD是繼2021年順利完成“自動(dòng)化客艙和貨艙襯里裝配方法”（ACCLAIM）項(xiàng)目中自動(dòng)化客艙裝配1 : 1比例平臺(tái)之后，弗勞恩霍夫研究所做出重大貢獻(xiàn)的第二個(gè)“潔凈天空2”大型演示驗(yàn)證項(xiàng)目。MFFD熱塑性復(fù)合材料機(jī)身部件已運(yùn)往位于德國(guó)漢堡的應(yīng)用航空研究中心（ZAL），并在那里最終完成機(jī)艙頂部模塊的集成。隨后，整體部件將用于進(jìn)一步測(cè)試和演示驗(yàn)證。

圖 7 完成的MFFD機(jī)身部件放置在專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的下機(jī)身支架上，該支架也將用于運(yùn)輸整個(gè)機(jī)身部件。圖片來(lái)源：弗勞恩霍夫IFAM

▍SUMMARY

弗勞恩霍夫研究所將結(jié)合從MFFD演示驗(yàn)證件項(xiàng)目中獲得的技術(shù)訣竅，為其他感興趣的企業(yè)提供成熟技術(shù)，幫助其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。其他技術(shù)將被納入后續(xù)的研究項(xiàng)目中，以便在未來(lái)的生產(chǎn)中進(jìn)一步提高效率并降低資源消耗。除飛機(jī)機(jī)身外，計(jì)劃中的結(jié)構(gòu)部件還包括垂直尾翼和低溫氫氣儲(chǔ)罐系統(tǒng)。除了航空業(yè)之外，陸地或海上交通工具也是其發(fā)揮技術(shù)轉(zhuǎn)化能力的重點(diǎn)。

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