热塑复材上下机身纵向焊接连接（详述）
MFFD飞机机身部分在Stade的Fraunhofer Gesellschaft通过热塑性焊接连接。
作为欧盟资助的清洁天空2/清洁航空项目“大型客机”（LPA-Large Passenger Aircraft）的一部分，Fraunhofer（德国斯塔德）及其国际项目合作伙伴通过两条纵向接缝的自动定位和焊接，将多功能机身演示器(MFFD- Multi Functional Fuselage Demonstrator)的上下8米长和4米直径的外壳连接在一起。这被认为是世界上最大的碳纤维增强热塑性塑料(CFRTP-carbon fiber-reinforced thermoplastic)飞机机身部件。
MFFD代表了一种用于热塑性复合材料飞机机身自动化生产的新架构，以1:1的比例进行了演示。该项目显示出在高速生产中可减少约10%的重量和节省10%的成本的潜力。
上壳体和下壳体：热塑性下壳体在热压罐中在压力和温度下固化（固结），由GKN Fokker、Diehl Aviation、荷兰航空航天中心-NLR和代尔夫特理工大学联合体提供，作为STUNNING项目的一部分。热塑性上壳采用铺带工艺（原位固结）制造，来自Premium Aerotec、空中客车、Aernova和德国航空航天中心DLR ZLP的联合体。
两个外壳都具有高度的预集成度，具有几乎无铆钉的架构，与现状相比，重量减轻了10%。自动预集成还为提高效率和局部灵活性开辟了潜力，因为所有零件不再需要被带到封闭的机身中，并在狭窄的条件下手动组装。此外，飞机结构的重量减轻导致飞行期间的燃料效率提高。
CO2激光和超声波焊接。项目协调员空中客车公司与MFFD项目团队合作，选择CO2激光焊接左纵缝，超声波焊接右纵缝，将上下机身外壳连接成一体的机身部分。这两种工艺都提供了无尘连接的优点。然而，它们尚未用于此类大型CFRP部件的生产或研究，也未达到此处所需的质量要求。对无尘连接的需求源于两个壳体与大量结构和系统部件的首次预集成，这些部件也是通过焊接组装的，无法随后去除灰尘和碎屑。
自动化装配研究平台。Fraunhofer与其合作伙伴FFT Produktionsysteme一起，在LPA项目“机身装配线多功能自动化系统”（MultiFAL）中，在CFK NORD研究中心（德国斯塔德）设计并构建了MFFD的自动化装配研究平台，包括中央系统和过程控制。
Stade Fraunhofer Gesellschaft的MultiFAL组装研究平台，带有MFFD的插入式热塑性机身外壳。用于握持和高精度调整上壳体形状和位置的黄色六足机器人清晰可见。
其他项目合作伙伴随后将其技术模块集成到平台中。Fraunhofer沿着工艺链执行的进一步任务最初包括使用开发的夹具拉紧下壳体，这使得下壳体能够在装配空间中高精度对准，用于后续工艺。然后使用高架起重机插入上部壳体。所有进一步的处理步骤都是完全自动化的。一个由10个六足机器人组成的场地以亚毫米精度定位上下两个壳体，使用激光传感器随时设置上下两个壳体的最佳形状和位置，并在必要时重新调整。
CO2激光焊接。为了实现左机身连接的激光焊接工艺，沿着两个壳体的纵向边缘分层放置了长达4.5米的薄CFRTP对接带。外壳具有阶梯形轮廓，用于接收对接带。Fraunhofer在名为“对接带集成技术开发与工具设计、验证、在主要组件组装和操作中的实施”（BUSTI）的LPA项目中开发了所有用于对接带进给、定位和边缘密封的解决方案。
在BUSTI项目中，CFRTP对接带（左侧）作为两个MFFD热塑性机身外壳的连接件，通过CO2激光焊接末端执行器（右侧）连接，在MultiFAL组装研究平台中完成。
在BUSTI中，Fraunhofer制造的连接条带使用连接条带搬运工具精确定位在接缝上，并通过滚动运动集成到自动化过程中，因此，通过镜子引导的紧接着的焊接头的振荡激光束可以连续熔化连接条带和外壳表面之间形成的接触线。激光焊接端部执行器上的压力机构以高达1吨的连接力将连接条带压向上下壳体接头，从而在同一工作步骤中巩固焊缝。
为了防止焊接过程中的高压力损坏机身结构，一个用于力吸收和耗散的装置在由此产生的机身截面内同步运行。激光焊接过程使用了在线监测和控制系统，该系统能够通过数字孪生实现直接的数字数据交换，以实现过程优化和质量保证。
自动填补空白。由于不可避免的制造公差和定位过程所需的自由度，壳体的连接条带和阶梯式连接区无法无缝连接在一起，因此留下了宽度不规则的小间隙。这些会影响焊接接头的质量，因此在焊接过程后必须用热塑性材料完全填充——在任何情况下都必须避免过量的材料。
在BUSTI项目中，在连接带CO2激光焊接到机身外壳上后，间隙填充端部执行器使用挤出机进行热塑性间隙填充。
与激光焊接末端执行器一样，紧凑型挤出机沿着先前创建的接缝进行引导。该挤出机加热颗粒/颗粒形式的热塑性材料，并将其输送至间隙。在那里，喷嘴确保材料在冷却和硬化之前填充间隙。对精确填充量起决定性作用的局部间隙体积在紧接之前通过集成到相同间隙填充末端执行器中的2D传感器进行测量。该测量值被传输到挤出机系统，从而可以动态地计算现场所需的局部排放速率，从而使3-20毫米宽的不规则间隙充满每个点所需的精确量的熔融热塑性材料。
超声波焊接：选择自动超声波焊接作为右纵缝的连接方法，以便从研究工作中获得尽可能多的重要见解，以供以后在生产中使用。与激光焊接相比，只有壁较薄的机身接缝部分，那些室外环境可以通过这种方式连接。然而，它提供了较低的职业安全努力，不需要激光保护装置，并且在同步并行过程方面投资较低。
WELDER项目的超声波焊接端部执行器位于六足机器人领域下方的成品焊缝前，可保持高精度的形状和位置调整。
Fraunhofer还与合作伙伴CT Engineering Group、Aimen、Aitiip和Dukane合作开展了LPA项目“优化、快速、准确的LongituDinal barrEl接头闭合焊接设备”(WELDER-WeldingEquipment for optimized, fast and accurate LongituDinal barrEl joint closuRe)。这种合作为纵向焊缝提供了快速、可靠和自动化的超声波焊接工艺。
与上述激光焊接工艺一样，自动化连续超声波焊接工艺使用在线监测和控制系统，该系统能够通过数字孪生实现直接的数字数据交换，以实现工艺优化和质量保证。
Fraunhofer团队的一员在德国斯塔德CFK NORD研究中心完成的MFFD前。
进一步的研发工作并成功完成项目。2024年3月，WELDER项目合作伙伴通过电阻焊对上下壳体之间的机身框进行了后续耦合，从而在德国斯塔德的CFK NORD研究中心完成了MFFD的研究工作。
Fraunhofer在2024年3月14日于比利时布鲁塞尔举行的最后一次会议上介绍了其参与的三个项目的成功及时完成情况。这些结果已提交给独立专家和所有参与演示的合作伙伴。
MFFD是继2021年初成功实施的LPA项目“自动客舱、货舱内衬和行李架安装方法”(ACCLAIM-AutomatedCabin &CargoLining and Hatrack InstallationMethod)中的1:1比例自动客舱组装平台之后，Fraunhofer做出重大贡献的第二款Clean Sky 2大型演示机。
将完成的MFFD机身段堆叠在专门开发的下壳支架上，该支架还用于运输整个机身段。
MFFD热塑性复合材料机身部分已经运往应用航空研究中心（ZAL）（德国汉堡）。在那里，它将最终确定，除其他事项外，还将集成客舱顶部模块。然后，它将用于进一步的测试和演示目的。
Fraunhofer表示，再加上从MFFD演示器中获得的知识，它将为感兴趣的公司提供成熟的技术模块，供其工业化使用。其他技术将被纳入后续的研究项目，以便在未来的生产中以更低的资源消耗来提高效率。除了飞机机身，目标结构还包括垂直尾翼飞机和低温氢气储罐系统。在航空业之外，陆上或海上运载工具也是技术转让的重点。
补充：
- “无尘连接—dust-free joining”空客推出的飞机装配理念。含义是装配中不钻孔、不安装紧固件，无切屑，无灰尘；无其他辅助材料残留。
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结束语
高温、高强热塑复材机身演示件，展示在世人面前，它预示着热塑复材制造民机受力结构件的时代已经到来！
1.原文见，《 MFFD longitudinal seams welded, world's largest CFRTP fuselage successfully completed 》 2024.5.7
2.2024.3.11《热塑机身上下纵向焊接连接》
3.2023.6.30《制造机身热塑复材演示件》
杨超凡 2024.5.8
