德國弗勞恩霍夫制造工藝與應用材料研究所（IFAM）宣布與國際合作伙伴共同完成了一項前所未有的項目——熱塑性復合材料機身演示驗證件（MFFD）。
該項目采用了碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP），在提高飛機性能的同時，顯著降低了制造成本和環境影響。該項目中使用的材料和制造技術，可在高速生產過程中減輕約 10％ 的結構重量、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在材料和制造技術上的巨大飛躍，更是對未來交通領域可持續發展的有力推動。
未來飛機機身重量的顯著減輕源于一種新的設計，而纖維增強熱塑性復合材料的使用在全球范圍內首次為這一應用領域提供了可能。
日益增長的飛機需求和迫切減少二氧化碳排放，需要在飛機制造中采用新的方法和技術。為了一方面顯著提高生產力，另一方面通過減輕重量實現環境兼容性，目前出現了一種很有前途的方法：將碳纖維增強熱塑性塑料（CFRP）飛機結構元件、整流罩部件和機艙系統元件組合成一個集成的結構模塊。其目的是在關閉機身之前進行機身外殼的裝配，從而節省大量的精力和成本。為了實現這一點，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、高精度和高質量預裝配
IFAM與項目合作伙伴在子項目“CFRP機身部件的高效組裝和生產技術”中開發的自動化解決方案已經在全尺寸原型上的近系列環境中進行了驗證。
最新開發的用于門架系統的定位和鉆孔末端執行器可自動在CFRP整體框架上預裝配加固元件（夾板），用于制造飛機機身，使生產率在保持質量和降低成本的情況下得到提高。而以前的手工生產需要更多的工藝步驟。
定位和鉆孔端部執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行雙重鉆孔。結構緊湊的末端執行器可以通過使用的門戶系統以及標準工業機器人拾取。它可以通過系統PLC進行控制，并從導入的零部件CAD數據中接收其全局位置數據。新的組裝情況是通過使用激光跟蹤器的快速上游測量進行調整的。創新的技術實現了可靠的工藝和高定位精度。集成在端部執行器中的測量技術準確記錄了所需的接觸壓力以及許多其他參數，用于監測在整體框架上預組裝夾板的最佳條件。這為在線質量控制提供了保證
CFRP箱體結構的快捷生產技術
IFAM研究所的研究人員通過使用CFRP箱體結構的快捷生產技術，優化了飛機垂直尾翼的生產流程。
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了墊片材料（間隙填充材料）的應用和固化并行過程。自動化和數字網絡化的工藝能夠實現體積精確的計量和應用，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資源成為可能，從而在降低成本的同時提高生產率。’
CFRP機身的焊接工藝
CO2激光和超聲波焊接
項目協調人空客公司與MFFD項目團隊合作，選擇了CO2激光焊接左縱縫和超聲波焊接右縱縫，將上下機身外殼連接成一個完整的機身部分。這兩種工藝都具有無塵連接的優點。然而，它們尚未用于生產或研究如此大型的CFRP組件，并滿足這里所需要的質量要求。對無塵連接的需求源于首次將兩個殼體與大量結構和系統組件進行預集成，這些組件也通過焊接組裝，這使得后續無法去除灰塵和碎屑。
自動補縫
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無法無縫連接在一起，因此仍然存在寬度不規則的小間隙。這些會損害焊接接頭的質量，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。
像激光焊接末端執行器一樣，緊湊的擠出機沿著先前創建的連接接縫進行引導。該擠出機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行器中的2D傳感器立即測量。該測量結果被傳輸到擠出機系統，從而可以動態計算現場所需的放電速率，以便在每個點上用3-20毫米寬的不規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，以便以后在生產中使用。與激光焊接相比，只有薄壁的機身接縫部分-即那些在門外環境-可以用這種方式連接。然而，它提供了較低的職業安全努力，不需要激光保護單元，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、Aimen、Aitiip和Dukane合作了LPA項目“用于優化、快速和準確的縱向桶接頭閉合的焊接設備”(WELDER)。這種合作導致了縱縫快速、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，自動化連續超聲焊接工藝使用在線監測和控制系統，該系統可以通過數字孿生體直接進行數字數據交換，以實現工藝優化和質量保證。
美國利用機器人制造風力渦輪機葉片
美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）在制造風力渦輪機葉片時成功利用機器人輔助，在提高產品一致性的同時消除了需要人類參與的困難工作條件。盡管風能行業一直使用機器人來進行噴漆和拋光刀片環節，但更廣泛的自動化尚未被采用。實驗室的研究證明了機器人修剪、研磨和打磨刀片的能力。
文章來源： 錢鑫博士，源因產研院，材料技技
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_550908.html
來源：賢集網
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。
該項目采用了碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP），在提高飛機性能的同時，顯著降低了制造成本和環境影響。該項目中使用的材料和制造技術，可在高速生產過程中減輕約 10％ 的結構重量、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在材料和制造技術上的巨大飛躍，更是對未來交通領域可持續發展的有力推動。
未來飛機機身重量的顯著減輕源于一種新的設計，而纖維增強熱塑性復合材料的使用在全球范圍內首次為這一應用領域提供了可能。
日益增長的飛機需求和迫切減少二氧化碳排放，需要在飛機制造中采用新的方法和技術。為了一方面顯著提高生產力，另一方面通過減輕重量實現環境兼容性，目前出現了一種很有前途的方法：將碳纖維增強熱塑性塑料（CFRP）飛機結構元件、整流罩部件和機艙系統元件組合成一個集成的結構模塊。其目的是在關閉機身之前進行機身外殼的裝配，從而節省大量的精力和成本。為了實現這一點，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、高精度和高質量預裝配
IFAM與項目合作伙伴在子項目“CFRP機身部件的高效組裝和生產技術”中開發的自動化解決方案已經在全尺寸原型上的近系列環境中進行了驗證。
最新開發的用于門架系統的定位和鉆孔末端執行器可自動在CFRP整體框架上預裝配加固元件（夾板），用于制造飛機機身，使生產率在保持質量和降低成本的情況下得到提高。而以前的手工生產需要更多的工藝步驟。
定位和鉆孔端部執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行雙重鉆孔。結構緊湊的末端執行器可以通過使用的門戶系統以及標準工業機器人拾取。它可以通過系統PLC進行控制，并從導入的零部件CAD數據中接收其全局位置數據。新的組裝情況是通過使用激光跟蹤器的快速上游測量進行調整的。創新的技術實現了可靠的工藝和高定位精度。集成在端部執行器中的測量技術準確記錄了所需的接觸壓力以及許多其他參數，用于監測在整體框架上預組裝夾板的最佳條件。這為在線質量控制提供了保證
CFRP箱體結構的快捷生產技術
IFAM研究所的研究人員通過使用CFRP箱體結構的快捷生產技術，優化了飛機垂直尾翼的生產流程。
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了墊片材料（間隙填充材料）的應用和固化并行過程。自動化和數字網絡化的工藝能夠實現體積精確的計量和應用，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資源成為可能，從而在降低成本的同時提高生產率。’
CFRP機身的焊接工藝
CO2激光和超聲波焊接
項目協調人空客公司與MFFD項目團隊合作，選擇了CO2激光焊接左縱縫和超聲波焊接右縱縫，將上下機身外殼連接成一個完整的機身部分。這兩種工藝都具有無塵連接的優點。然而，它們尚未用于生產或研究如此大型的CFRP組件，并滿足這里所需要的質量要求。對無塵連接的需求源于首次將兩個殼體與大量結構和系統組件進行預集成，這些組件也通過焊接組裝，這使得后續無法去除灰塵和碎屑。
自動補縫
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無法無縫連接在一起，因此仍然存在寬度不規則的小間隙。這些會損害焊接接頭的質量，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。
像激光焊接末端執行器一樣，緊湊的擠出機沿著先前創建的連接接縫進行引導。該擠出機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行器中的2D傳感器立即測量。該測量結果被傳輸到擠出機系統，從而可以動態計算現場所需的放電速率，以便在每個點上用3-20毫米寬的不規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，以便以后在生產中使用。與激光焊接相比，只有薄壁的機身接縫部分-即那些在門外環境-可以用這種方式連接。然而，它提供了較低的職業安全努力，不需要激光保護單元，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、Aimen、Aitiip和Dukane合作了LPA項目“用于優化、快速和準確的縱向桶接頭閉合的焊接設備”(WELDER)。這種合作導致了縱縫快速、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，自動化連續超聲焊接工藝使用在線監測和控制系統，該系統可以通過數字孿生體直接進行數字數據交換，以實現工藝優化和質量保證。
美國利用機器人制造風力渦輪機葉片
美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）在制造風力渦輪機葉片時成功利用機器人輔助，在提高產品一致性的同時消除了需要人類參與的困難工作條件。盡管風能行業一直使用機器人來進行噴漆和拋光刀片環節，但更廣泛的自動化尚未被采用。實驗室的研究證明了機器人修剪、研磨和打磨刀片的能力。
文章來源： 錢鑫博士，源因產研院，材料技技
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