摘要：

本文概述了MultiFAL项目——大型客运项目的子项目欧洲框架内的大飞机（LPA-Large Passenger Aircraft）欧盟资助的“清洁天空2”研究项目地平线2020计划。

MultiFAL项目合作伙伴将展示技术和高度自动化连接的经济可行性热塑性复材飞机机身的装配工艺结构。因此，一个全面的演示器两种热塑性复材的组装与连接飞机半壳将在弗劳恩霍夫建造施塔德的IFAM设施中完成。

1.引言

轻量化设计是减少飞机二氧化碳排放的关键方法，这是欧盟委员会主要的《飞行之路2050》愿景的目标。

其中最有前景的轻质材料目标是碳纤维增强塑料（CFRP），因为它们提供了非常高的强度—重量比。然而，基于目前主要使用的热固性碳纤维复合材料的轻质潜力飞机机身结构的所有部件都没有耗尽。原因是热固性CFRP结构连接方法，需要在机身外壳上预先钻孔导致机身材料更厚，以确保足够的安全。克服这一挑战的新方法将热塑性CFRP材料的应用机身结构与热塑性焊接是首选的连接方式方法。热塑性复材的巨大优势与铆接相比，焊接是不需要的用于在结构中预钻孔，从而更薄的机身外壳仍能确保足够的安全。然而，热塑性碳纤维增强塑料材料通常比热固性CFRP更昂贵材料。因此，额外的材料成本必须通过大幅降低来补偿制造成本。为了达到这一高度自动化与重大缩短交付周期至关重要。热塑性复材焊接的纵向接缝和框连接将集中进行。为了获得尽可能多的知识可能有两种不同的焊缝设计纵向接头，即搭接接头和对接接合，将由项目合作伙伴演示弗劳恩霍夫IFAM、FFT生产系统有限公司，CT工程组和AIMEN技术中心共同承担。此外，将使用不同的焊接方法来全面了解热塑性复材焊接工艺。

图1：未来飞机装配的项目愿景

本文的重点在于概念和全尺寸连接与装配设计演示者特别关注精心制作的基于机器人的柔性机身操纵技术（柔性固定装置），允许定位和机身壳体的形状调整，见图1.此外，不同焊接的比较将介绍技术。由于该项目刚刚开始，正处于概念阶段，没有最终结果本文介绍了一些概念或过程。相反，它应该被理解为一种现状调查。

2.开发与示范

为了实现重量和成本的节约,即将推出的全新飞机项目系统和系统安装架构,针对模块化和灵活制造进行了优化过程是必需的。对以下方面产生可持续影响工业生产与装配的脱钩客舱适配、系统安装和必须完成结构范围。这个需要在两者上使用高级连接选项机身和零件级别。通过整合众多技术元素不同的场景，演示者和示范价值可以显著提高为了验证最佳的技术以及装配型架概念。演示者将不限于单个场景，因为将考虑不同的机身设计。演示者代表一个典型的单通道机身段长8米直径为4米。这使得能够验证中重要技术概念的数量贴近行业环境。展示高度经济优势集成热塑性碳纤维复合材料结构配备有上部和下部外壳，包括预成型件配备的乘客地板模块（图2）将通过热塑性焊接连接。为此，PARAMONT装配研究设施将使用施泰德的弗劳恩霍夫IFAM（图3）。

图2：机身模型的可视化

PARAMONT设施是一种独特的机器人装置，为飞机开发高效的解决方案，装配过程具有更高的成熟水平。它允许高度自动化的飞机结构件，如夹子、长桁或框结构。即使是全尺寸机身的处理壳体是可能的。装配型架的主要组成部分，直线轨道上配备了三个工业机器人。

一方面有用于装配过程的末端执行器，另一方面有多个并行机器人动画（六足）和线性执行器，每个都配备大型飞机操纵用真空夹具，另一方面是机身外壳等结构。

图3: Stade的PARAMONT装配厂

以下流程将在PARAMONT装配型架中进行。

MultiFal的任务：

1. 自动几何测量以及容忍度管理；
2. 处理和操纵柔性机身壳段真空夹持器末端执行器调节形状和位置基于测量数据；
3. 接合间隙的精细调整根据焊接要求基于测量数据；
4. 确保零件焊接正确焊接参数，例如压力和温度；
5. 在线监控焊接工艺保证质量。

在下文中描述了PARAMONT装配型架。一个主要PARAMONT装配型架的组成部分是一个灵活的致动器由多达十个六足组成，它们由主从控制操作。

图4：柔性固定装置

垂直安装的六足机器人是六自由度并联机器人运动学。配备真空夹持器末端执行器它们能够处理和操纵大型机身外壳结构，见图4. 真空-夹持器末端执行器由三个真空-每个夹具都有一个固定在三角形上的限位块基板，见图5. 真空夹具是也与线性致动器结合使用安装在PARAMONT的装配型架模块中，见图4.和图5.。

图5：真空夹持器末端执行器

在真空夹持器中，施加真空以拉动壳体抵住限位挡块，以达到规定的位置。当外壳部件被连接时六足机器人能够操纵内部零件规定的最大力，即最大力为1000 N。为了确保这一点，集成了力传感器在真空夹持器末端执行器中。设计允许使用运动学中变形小。

用于参考和形状测量采用激光光学坐标高精度测量系统。虽然激光跟踪器用于增量测量通常预先应用的单个3D位置回射目标、激光扫描仪或激光雷达用于直接测量或扫描零件的表面。

在MultiFAL的使用案例中，激光跟踪器将全球参考和定位所需壳体相对于惯性坐标系PARAMONT装配型架和机器人的系统。为了进一步精细调整将激光扫描仪与激光器结合使用将使用跟踪器，见图6。此外，1D-2D激光传感器将持续监测和在连接过程中纠正机器人路径满足所需的公差。

图6：激光跟踪器与激光扫描仪的结合

如前所述，MultiFal演示器描述了许多场景，以便能够比较不同的技术。关于焊接工艺、超声波焊接、电阻焊接和传导焊接是重点。

超声波焊接是一种使用高超声焊极末端执行器的频率（超声）运动，以将超声振动引入焊接区，产生动态剪切应力然后转化为热量。这个地方表面变形和发热导致界面区域形成连接。超声波焊接可应用于非晶材料以及半结晶聚合物。在这两种情况下如果焊接表面配备能源总监[。由于超声波焊接是一种公认的、快速的、非常节能的方法高效的技术，高效的生产流程是可能的。

超声波焊接的局限性在于它需要焊接部件与焊接末端执行器，可以限制几何形状可以焊接。此外，它通常是有限的由于低模量热塑性复材和热梯度应力可以引入基材。此外，超声波焊接为通常用于逐点焊接，同时带有移动末端执行器的连续焊接仍在开发中。

与此相反，电阻焊的基础是插入的导电插件或在待连接的部件之间植入。热是通过插入物产生的电力（电阻加热）。该过程快速，易于控制，生成同性质的温度分布均匀并且可以容易地应用于大型结构。此外，复合材料（层压板）的厚度无关紧要，焊缝可以重新加热潜在的维修需求。

对于传导焊接，使用热铁进行传导通过其中一个待连接的部件加热加入区域。虽然这个热过程很好可重复并导致良好的接缝质量，生产率和粘合过程由于散热而受到限制。上述焊接工艺将用于纵向接缝和框的连接。

分析不同的技术和场景，基于热成像和机电阻抗（EMI-electromechanical impedance）测量，与合作伙伴共同开发Fraunhofer LBF和Fraunhofer ENAS将使用。它将允许持续的状态监测过程中的结构。通过这个将对焊接工艺进行系统验证可能的。

3. 结论

在MultiFAL项目中，技术和焊接工艺的经济可行性将演示热塑性复材机身外壳。为此，自动化的全尺寸测试设置多功能自动装配与连接工艺机身演示器将重点开发关于纵向接缝和框连接，请参见图7.。为了获得尽可能多的知识从研究项目中可以看出，不同的焊接方式将使用方法。除了焊接技术本身，也是高度基于计量的自动化处理和装配过程将集中注意力。

图7：机身段总装

完成的工作将是朝着未来飞机使用热塑性碳纤维复合材料迈出的重要一步。

4. 确认

这项工作是在以下机构的财政支持下进行的欧盟清洁天空2计划授予协议LPA-IADP CS2-LPA-GAM-2018-2019-01.

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原文：《 AUTOMATED JOINING AND ASSEMBLY OF THERMOPLASTIC FUSELAGE STRUCTURES FOR THE AIRCRAFT FACTORY OF TOMORROW 》

杨超凡 2024.10.15