MFFD纵缝焊接，全球最大的CFRP机身成功完成

近日，据外媒发布，作为欧盟资助的清洁天空2/清洁航空项目的一部分，“大型客机”(LPA)，弗劳恩霍夫(德国斯塔德)及其国际项目合作伙伴使用自动定位和焊接两个纵向接缝将多功能机身验证器(MFFD)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)飞机机身部分。

MFFD代表了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。该项目表明，在高速生产中，该项目有可能减轻10%的重量，节省10%的成本。

上下壳体:热塑性下壳体由GKN Fokker, Diehl Aviation，荷兰航空航天中心- NLR和代尔夫特理工大学组成的财团提供，在压力和温度下在高压灭菌器中固化(固结)，作为惊人项目的一部分。热塑性上壳采用胶带铺设工艺(原位固结)制造，由Premium Aerotec、Airbus、Aernnova和德国航空航天中心DLR ZLP联合制造。

两种壳体都具有高度的预集成，几乎采用无铆钉结构，与目前相比，重量减轻了10%。自动化预集成也为提高效率和局部灵活性开辟了潜力，因为所有部件不再需要被带入封闭的机身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运行期间燃油效率的提高。

CO2激光和超声波焊接。项目协调人空客公司与MFFD项目团队合作，选择了CO2激光焊接左纵缝和超声波焊接右纵缝，将上下机身外壳连接成一个完整的机身部分。这两种工艺都具有无尘连接的优点。然而，它们尚未用于生产或研究如此大型的CFRP组件，并满足这里所需要的质量要求。对无尘连接的需求源于首次将两个壳体与大量结构和系统组件进行预集成，这些组件也通过焊接组装，这使得后续无法去除灰尘和碎屑。

自动化装配研究平台。Fraunhofer与其合作伙伴FFT production系统一起，在LPA项目“机身装配线多功能自动化系统”(MultiFAL)的研究中心CFK NORD (Stade, Germany)为MFFD设计并建造了自动化装配研究平台，包括中央系统和过程控制。

然后，其他项目合作伙伴将他们的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占用下壳体，这使得下壳体能够在装配空间中以高精度对准后续工艺。然后使用桥式起重机插入上部外壳。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小组以亚毫米的精度定位两个炮弹，使用激光传感器随时设置炮弹的最佳形状和位置，并在必要时重新调整它们。

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。炮弹的特点是一个台阶的轮廓接收臀带。Fraunhofer在LPA项目“对接带集成技术开发与主要部件装配和操作的工具设计、验证、实施”(BUSTI)中开发了所有的送料、定位和边缘密封解决方案。

在BUSTI内，Fraunhofer制造的表带通过表带搬运工具精确地定位在接缝上，并通过滚动运动集成到自动化过程中，以便紧接着焊接头的振荡激光束通过反射镜引导，可以连续熔化表带与外壳表面之间形成的接触线。激光焊接端执行器上的压力单元以高达1吨的合力将带压在上下壳体接头上，使焊缝在同一工作步骤中得到巩固。

为了防止焊接过程中的高压力损坏机身结构，在产生的机身部分内安装了一个吸收和消散力的装置。激光焊接过程采用在线监测和控制系统，通过数字孪生实现直接数字数据交换，以实现工艺优化和质量保证。

自动补缝。由于不可避免的制造公差和定位过程所需的自由度，带和壳的阶梯式连接区无法无缝连接在一起，因此仍然存在宽度不规则的小间隙。这些会损害焊接接头的质量，因此在焊接过程后必须完全用热塑性材料填充，但在任何情况下都必须避免过量的材料。

像激光焊接末端执行器一样，紧凑的挤出机沿着先前创建的连接接缝进行引导。该挤出机将热塑性材料加热成颗粒状，并将其输送到间隙中。在那里，一个喷嘴确保材料在冷却和硬化之前填满空隙。局部间隙体积是精确填充量的决定性因素，事先由集成在相同间隙填充末端执行器中的2D传感器立即测量。该测量结果被传输到挤出机系统，从而可以动态计算现场所需的放电速率，以便在每个点上用3-20毫米宽的不规则间隙填充所需的熔融热塑性材料。

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，以便以后在生产中使用。与激光焊接相比，只有薄壁的机身接缝部分-即那些在门外环境-可以用这种方式连接。然而，它提供了较低的职业安全努力，不需要激光保护单元，并且在同步并行过程方面投资低。

弗劳恩霍夫还与合作伙伴CT工程集团、Aimen、Aitiip和Dukane合作了LPA项目“用于优化、快速和准确的纵向桶接头闭合的焊接设备”(WELDER)。这种合作导致了纵缝快速、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，自动化连续超声焊接工艺使用在线监测和控制系统，该系统可以通过数字孪生体直接进行数字数据交换，以实现工艺优化和质量保证。

进一步的研发工作和成功的项目完成。随后，WELDER项目合作伙伴于2024年3月在德国Stade的CFK NORD研究中心通过电阻焊接将上下壳体之间的框架连接起来，完成了对MFFD的研究工作。2024年3月14日，在比利时布鲁塞尔举行的最后一次会议上，弗劳恩霍夫介绍了它所参与的三个项目的成功和及时完成。这些结果已提交给独立专家和参与演示的所有合作伙伴。

MFFD是弗劳恩霍夫继2021年初成功实现的LPA项目“自动化舱室和货物内衬和舱架安装方法”(ACCLAIM)中1:1比例的自动舱室组装平台之后的第二个Clean Sky 2大型演示器。

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，它将最终完成，除其他事项外，一个座舱冠模块的集成。然后，它将用于进一步的测试和演示目的。

弗劳恩霍夫表示，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，用于工业化。其他技术将纳入后续的研究项目，以便在未来生产中以更低的资源消耗更大程度地提高效率。除机身外，目标结构还包括垂直尾翼和低温氢气储罐系统。在航空工业之外，陆地或海上交通工具也是技术转让的重点。