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德國弗勞恩霍夫制造工藝與應(yīng)用材料研究所（IFAM）宣布與國際合作伙伴共同完成了一項前所未有的項目——熱塑性復(fù)合材料機(jī)身演示驗證件（MFFD）。

該項目采用了碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP），在提高飛機(jī)性能的同時，顯著降低了制造成本和環(huán)境影響。該項目中使用的材料和制造技術(shù)，可在高速生產(chǎn)過程中減輕約 10％的結(jié)構(gòu)重量、降低 10％的成本及提高燃油效率。該項目的成功，不僅代表了航空制造業(yè)在材料和制造技術(shù)上的巨大飛躍，更是對未來交通領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的有力推動。

未來飛機(jī)機(jī)身重量的顯著減輕源于一種新的設(shè)計，而纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的使用在全球范圍內(nèi)首次為這一應(yīng)用領(lǐng)域提供了可能。

日益增長的飛機(jī)需求和迫切減少二氧化碳排放，需要在飛機(jī)制造中采用新的方法和技術(shù)。為了一方面顯著提高生產(chǎn)力，另一方面通過減輕重量實現(xiàn)環(huán)境兼容性，目前出現(xiàn)了一種很有前途的方法：將碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRP）飛機(jī)結(jié)構(gòu)元件、整流罩部件和機(jī)艙系統(tǒng)元件組合成一個集成的結(jié)構(gòu)模塊。其目的是在關(guān)閉機(jī)身之前進(jìn)行機(jī)身外殼的裝配，從而節(jié)省大量的精力和成本。為了實現(xiàn)這一點，有必要用無塵焊接連接工藝取代迄今為止的鉆孔和鉚接。

CFRP整體框架的自動化、高精度和高質(zhì)量預(yù)裝配

IFAM與項目合作伙伴在子項目“CFRP機(jī)身部件的高效組裝和生產(chǎn)技術(shù)”中開發(fā)的自動化解決方案已經(jīng)在全尺寸原型上的近系列環(huán)境中進(jìn)行了驗證。

最新開發(fā)的用于門架系統(tǒng)的定位和鉆孔末端執(zhí)行器可自動在CFRP整體框架上預(yù)裝配加固元件（夾板），用于制造飛機(jī)機(jī)身，使生產(chǎn)率在保持質(zhì)量和降低成本的情況下得到提高。而以前的手工生產(chǎn)需要更多的工藝步驟。

定位和鉆孔端部執(zhí)行器完成接收各種夾板、將其定位在不同的整體框架上以及同時對兩個部件進(jìn)行雙重鉆孔。結(jié)構(gòu)緊湊的末端執(zhí)行器可以通過使用的門戶系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人拾取。它可以通過系統(tǒng)PLC進(jìn)行控制，并從導(dǎo)入的零部件CAD數(shù)據(jù)中接收其全局位置數(shù)據(jù)。新的組裝情況是通過使用激光跟蹤器的快速上游測量進(jìn)行調(diào)整的。創(chuàng)新的技術(shù)實現(xiàn)了可靠的工藝和高定位精度。集成在端部執(zhí)行器中的測量技術(shù)準(zhǔn)確記錄了所需的接觸壓力以及許多其他參數(shù)，用于監(jiān)測在整體框架上預(yù)組裝夾板的最佳條件。這為在線質(zhì)量控制提供了保證

CFRP箱體結(jié)構(gòu)的快捷生產(chǎn)技術(shù)

IFAM研究所的研究人員通過使用CFRP箱體結(jié)構(gòu)的快捷生產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化了飛機(jī)垂直尾翼的生產(chǎn)流程。

為了不再因長時間等待而中斷舵鉸鏈與VTP箱的組裝，IFAM專家和合作伙伴開發(fā)了墊片材料（間隙填充材料）的應(yīng)用和固化并行過程。自動化和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的工藝能夠?qū)崿F(xiàn)體積精確的計量和應(yīng)用，以及墊片的精確成型和邊緣平滑。只有在間隙填充物固化后，才能將完全填隙的舵鉸鏈插入垂直尾翼。因此，除了快速制造之外，工作步驟的并行化使得重用技術(shù)資源成為可能，從而在降低成本的同時提高生產(chǎn)率。’

CFRP機(jī)身的焊接工藝

CO2激光和超聲波焊接

項目協(xié)調(diào)人空客公司與MFFD項目團(tuán)隊合作，選擇了CO2激光焊接左縱縫和超聲波焊接右縱縫，將上下機(jī)身外殼連接成一個完整的機(jī)身部分。這兩種工藝都具有無塵連接的優(yōu)點。然而，它們尚未用于生產(chǎn)或研究如此大型的CFRP組件，并滿足這里所需要的質(zhì)量要求。對無塵連接的需求源于首次將兩個殼體與大量結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組件進(jìn)行預(yù)集成，這些組件也通過焊接組裝，這使得后續(xù)無法去除灰塵和碎屑。

自動補(bǔ)縫

由于不可避免的制造公差和定位過程所需的自由度，帶和殼的階梯式連接區(qū)無法無縫連接在一起，因此仍然存在寬度不規(guī)則的小間隙。這些會損害焊接接頭的質(zhì)量，因此在焊接過程后必須完全用熱塑性材料填充，但在任何情況下都必須避免過量的材料。

像激光焊接末端執(zhí)行器一樣，緊湊的擠出機(jī)沿著先前創(chuàng)建的連接接縫進(jìn)行引導(dǎo)。該擠出機(jī)將熱塑性材料加熱成顆粒狀，并將其輸送到間隙中。在那里，一個噴嘴確保材料在冷卻和硬化之前填滿空隙。局部間隙體積是精確填充量的決定性因素，事先由集成在相同間隙填充末端執(zhí)行器中的2D傳感器立即測量。該測量結(jié)果被傳輸?shù)綌D出機(jī)系統(tǒng)，從而可以動態(tài)計算現(xiàn)場所需的放電速率，以便在每個點上用3-20毫米寬的不規(guī)則間隙填充所需的熔融熱塑性材料。

超聲波焊接

選擇自動超聲波焊接作為右縱縫的連接方法，以便從研究工作中獲得盡可能多的重要見解，以便以后在生產(chǎn)中使用。與激光焊接相比，只有薄壁的機(jī)身接縫部分-即那些在門外環(huán)境-可以用這種方式連接。然而，它提供了較低的職業(yè)安全努力，不需要激光保護(hù)單元，并且在同步并行過程方面投資低。

弗勞恩霍夫還與合作伙伴CT工程集團(tuán)、Aimen、Aitiip和Dukane合作了LPA項目“用于優(yōu)化、快速和準(zhǔn)確的縱向桶接頭閉合的焊接設(shè)備”(WELDER)。這種合作導(dǎo)致了縱縫快速、可靠和自動化的超聲波焊接工藝。

與上述激光焊接工藝一樣，自動化連續(xù)超聲焊接工藝使用在線監(jiān)測和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過數(shù)字孿生體直接進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證。

美國利用機(jī)器人制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片

美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）在制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片時成功利用機(jī)器人輔助，在提高產(chǎn)品一致性的同時消除了需要人類參與的困難工作條件。盡管風(fēng)能行業(yè)一直使用機(jī)器人來進(jìn)行噴漆和拋光刀片環(huán)節(jié)，但更廣泛的自動化尚未被采用。實驗室的研究證明了機(jī)器人修剪、研磨和打磨刀片的能力。

文章來源：錢鑫博士，源因產(chǎn)研院，材料技技

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德國造出全球最大碳纖維增強(qiáng)復(fù)材機(jī)身，重量和成本均減10%