明天清洁和可持续航空的里程碑：清洁天空2/清洁航空项目“MFFD”显示出在高速生产中减少约10%重量和节省10%成本的潜力。

作为欧盟资助的Clean Sky 2/Clean Aviation项目“大型客机”（“LPA-Large Passenger Aircraft”）的一部分，德国斯塔德的Fraunhofer Gesellschaft与国际项目合作伙伴一起，使用自动定位和连接过程将“多功能机身演示器”（“MFFD”）的上下外壳连接在一起。两个8米长、直径约4米的CFRP半壳的两个纵向接缝的焊接成功完成了世界上最大的热塑性CFRP飞机机身段的生产（图1）。

迫切需要为客机的生产和运营提供气候友好的解决方案，以帮助节省更多的资源。除了新的推进技术，重点还在于结构重量和制造成本。两者都可以通过新的施工方法来减少，特别是使用热塑性CFRP材料。因此，在一个研究项目中，首次用热塑性碳纤维增强塑料材料生产出全尺寸机身段，从而能够评估其可行性以及生态和经济优势和劣势。

新型飞机机身结构

与项目协调员空中客车公司一起，选择CO2激光焊接用于左纵缝，超声波焊接用于右纵缝，作为闭合热塑性飞机机身的连接工艺。这两种工艺都提供了无尘连接的优势，而目前使用的铆接工艺没有这种优势。然而，它们尚未用于此类大型CFRP部件的生产或研究，而且此处所需的特殊质量要求。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，这不允许随后去除灰尘和碎屑。

热塑性下壳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”LPA项目的一部分。热塑性上壳采用铺带工艺（原位固结）制造，由Premium Aerotec、空中客车、Aernnova和德国航空航天中心DLR ZLP组成。

由于高度的预集成、几乎无铆钉的架构以及与现状相比减轻了10%的重量，这两个外壳都给人留下了特别深刻的印象。一方面，自动化预集成带来了效率和局部灵活性的高增长，以实现高生产率生产，同时节省高达10%的成本，因为与以前不同，所有部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。另一方面，飞机结构的重量减轻导致飞行期间的燃料效率提高。

自动化装配研究平台

Fraunhofer Gesellschaft与其合作伙伴FFT Produktionssysteme一起，在德国斯塔德CFK NORD研究中心的“LPA”项目“机身装配线多功能自动化系统”（“MultiFAL”）中，为“MFFD”设计并构建了自动化装配研究平台，包括中央系统和过程控制（图2）。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专门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。由10个六足机器人组成的场地以亚毫米精度定位两个壳体，使用激光传感器随时设置壳体的最佳形状和位置，并在必要时重新调整。

CO2激光焊接

对于激光焊接工艺，由热塑性碳纤维增强塑料制成的长达4.5米的薄条带（对接条带）必须分层放置，并在外壳的纵向边缘上相互齐平，这些纵向边缘彼此精确对接，并在飞机外部提供阶梯形轮廓。Fraunhofer Gesellschaft在“LPA”项目“对接带集成技术开发与工具设计、验证、主要部件组装和操作实施”（“BUSTI”）中开发了所有用于输送、定位和边缘密封带的解决方案。因此，Fraunhofer制造的带通过滚动运动被精确地定位在接缝上，带处理工具被集成到自动化工艺环境中，从而紧接着的焊接头的振荡激光束通过反射镜被引导，可以连续地熔化在带和壳体表面之间形成的接触线。激光焊接端部执行器上的压力装置以高达1吨的合力将带压向上下壳体接头，从而在同一工作步骤中巩固焊缝（图3）。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最终的机身截面内同步运行。

激光焊接工艺的特点是实现了在线监测和控制系统，通过数字孪生实现了直接的数字数据交换，以实现工艺优化和质量保证。

自动填补间隙

存在小的、不规则的宽间隙。这将损害焊接接头的质量，因此必须在焊接过程后用所谓的热塑性填料完全填充，从而在任何情况下都必须避免过量材料。

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引导，加热初始颗粒并将其输送到间隙。在那里，一个特殊的喷嘴确保材料在空气中硬化之前填充间隙。局部间隙体积是精确填充量的决定性因素，通过集成到同一间隙填充末端执行器中的2D传感器立即提前测量，并指向开口间隙并传输到挤出机系统（图4）。这使得有可能在正在进行的过程中动态地计算局部所需的排出速率，从而用每个点所需的精确量的熔融热塑性材料填充宽度为3至20毫米的不规则间隙。

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，以便在以后的生产中使用。与激光焊接相比，只有舱门环境外的薄壁机身接缝部分才能以这种方式连接，但在同步并行过程、投资和职业安全方面所需的工作量较低。负责该研究平台的Fraunhofer Gesellschaft与合作伙伴CT Engineering Group、AIMEN、AITIIP和Dukane的“LPA”项目“优化、快速、准确的LongituDinal barrEl接头闭合焊接设备”（“WELDER”）之间的合作，为纵缝提供了快速、可靠的自动超声波焊接工艺（图5）。

与上述激光焊接工艺一样，其特点是实现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，以实现工艺优化和质量保证。

进一步的研发工作和项目的成功完成

2024年3月，“WELDER”LPA项目的项目合作伙伴对带的CO2激光焊接（包括间隙填充）以及随后通过电阻焊接将框架连接在上下壳体之间的工作和验证结束了德国斯塔德CFK NORD研究中心的“MFFD”研究工作（图6）。在2024年3月14日于比利时布鲁塞尔举行的“清洁天空2号”最后一次会议上，独立专家、联合企业和所有参与演示的合作伙伴成功及时地完成了Fraunhofer Gesellschaft参与的三个项目（图7）。

继2021年初成功实现的“LPA”项目“自动客舱和货舱内衬和舱口架安装方法”（“ACCLAIM”）中的1:1比例自动客舱组装平台之后，“MFFD”已经是Fraunhofer Gesellschaft做出重大贡献的第二台Clean Sky 2大型演示机。

已经从型架吊出的热塑性机身部分（图8）将在汉堡应用航空研究中心（ZAL）完成客舱顶部模块的集成，然后用于进一步的测试和演示。

视角

Fraunhofer Gesellschaft将结合从“MFFD”演示器中获得的知识，为感兴趣的公司提供成熟的技术模块以供工业化使用。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实现更大的效率提高。除了飞机机身，目标结构还包括垂直尾翼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。

项目资金

所述结果由Fraunhofer与上述所有项目合作伙伴合作开发。Fraunhofer代表项目合作伙伴感谢欧盟委员会提供的资金。

参与“MFFD”的项目合作伙伴

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