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圖 1 弗勞恩霍夫團隊的成員站在德國施塔德CFK NORD研究中心已完工的MFFD前。圖片來源:弗勞恩霍夫IFAM
2024年3月14日,弗勞恩霍夫制造工藝與應用材料研究所(IFAM)宣布,其與合作伙伴已聯(lián)合完成的熱塑性復合材料機身演示驗證件(MFFD)完成上下機身的左右焊縫連接,并將8×4米的全尺寸部件發(fā)送至位于德國漢堡的應用航空研究中心與機艙頂部模塊件集成并進行測試。
作為歐盟資助的“潔凈天空計劃”“大型客機”(LPA)驗證子計劃的一部分,弗勞恩霍夫研究所及其國際項目合作伙伴聯(lián)合打造了長8米、直徑4米的飛機機身——多功能機身演示驗證件(MFFD),采用自動定位和焊接工藝完成了上下機身部件縱向接縫連接。MFFD被認為是世界上最大的碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)飛機機身部件,代表了一種以1 : 1比例展示熱塑性復合材料飛機機身自動化制造的新模式。該項目中使用的材料和制造技術,可在高速生產(chǎn)過程中減輕約10%的結構重量并降低10%的成本。
圖 2 位于德國施塔德弗勞恩霍夫研究所的MFFD飛機機身部件通過熱塑性復合材料焊接工藝進行連接。圖片來源:弗勞恩霍夫IFAM
上部和下部機身殼體:作為“智能多功能集成熱塑性復合材料機身”(STUNNING)項目的一部分,熱塑性復合材料下機身殼體在高溫高壓條件經(jīng)熱壓罐固化成型,由GKN Fokker、Diehl航空、荷蘭航空航天中心(NLR)和代爾夫特理工大學組成的團隊共同完成。熱塑性復合材料上機身殼體采用纖維帶鋪放和原位固結工藝制造,由Premium Aerotec、空客、Aernnova和德國航空航天中心組成的聯(lián)合團隊共同完成。上、下機身殼體均具有高度預集成度,采用幾乎無鉚釘?shù)募軜嬙O計,與現(xiàn)有傳統(tǒng)機身相比重量減輕10%。自動化預集成進一步提高制造效率,提升局部制造靈活度,所有組件不再需要放入密閉機身內(nèi)部并在狹窄空間條件下手動安裝。此外,飛機結構重量減輕使得飛機飛行期間燃油效率顯著提高。
CO2激光和超聲波焊接??湛凸九cMFFD項目團隊協(xié)調(diào)合作,選擇對左側(cè)接縫處采用CO2激光焊接,對右側(cè)接縫處采用超聲波焊接,通過不同焊接方式將上下機身殼體連接成一體機身。兩種工藝都具有無塵焊縫的優(yōu)點,但是兩種工藝均未在大型CFRP部件研發(fā)與生產(chǎn)過程中應用,也尚未證明客機滿足質(zhì)量要求。無塵焊縫的需求源于兩個殼體與大量結構和系統(tǒng)部件的首次預集成,這些部件也是通過焊接裝配的,因此無法在裝配完成后再去除碎屑與灰塵。
▍CO2激光焊接方面
為了通過激光焊接工藝實現(xiàn)左側(cè)接縫連接,需沿上下機身殼體縱向邊緣分層鋪放長達4.5米的細CFRTP對接帶。殼體表面具有階梯式外輪廓,可用于鋪放對接帶。用于送帶、定位和邊緣密封的所有解決方案均由弗勞恩霍夫的“對接帶在部件裝配與運營過程中的工具設計、驗證、實施等集成技術開發(fā)”(BUSTI)項目中完成。在BUSTI項目內(nèi),弗勞恩霍夫研究所制造連接帶通過處理工具精確定位在接縫處,并通過滾動方式集成到自動化裝配過程中,以便緊隨其后的焊接頭振蕩激光束通過鏡子引導,可以連續(xù)熔化對接帶和殼體表面之間形成的接觸線。激光焊接末端執(zhí)行器上的壓力裝置,以高達1噸的接合力將連接帶壓在上下機身殼體接縫處,并在同一工作步驟中加固焊縫。為了防止焊接過程中采取的高壓力損壞機身結構,在焊接過程中機身內(nèi)側(cè)部分同步施加了吸力和應力消散裝置。激光焊接過程中使用了在線監(jiān)測和控制系統(tǒng),可通過數(shù)字孿生實現(xiàn)直接數(shù)據(jù)交換,從而實現(xiàn)工藝優(yōu)化,保證質(zhì)量。
圖 3 CFRTP對接帶(左側(cè))作為上下兩個MFFD熱塑性復合材料機身殼體輔助連接件,由BUSTI項目中的CO2激光焊接末端執(zhí)行器(右側(cè))完成連接,全過程在MultiFAL裝配研究平臺中完成。圖片來源:弗勞恩霍夫IFAM
▍超聲波焊接方面
選擇自動超聲波焊接作為右側(cè)接縫的連接方法,能夠從研究工作中獲得盡可能多的重要經(jīng)驗和數(shù)據(jù),以便在后續(xù)生產(chǎn)過程中使用。與激光焊接相比,只有壁較薄的機身接縫部分(即機門環(huán)境之外的接縫部分)可以通過這種方式焊接。此外,焊接過程不需要激光保護單元,并且在裝配同步并行過程方面投資較低。弗勞恩霍夫研究所還與合作伙伴CT工程集團、Aimen、Aitiip和Dukane合作開展了“用于優(yōu)化、快速和精確的縱向管接口密閉焊接設備”(WELDER)。這種合作帶來了快速、可靠和自動化的縱向接縫超聲波焊接工藝。與激光焊接工藝相同,自動化連續(xù)超聲波焊接工藝使用在線監(jiān)測和控制系統(tǒng),可通過數(shù)字孿生實現(xiàn)直接數(shù)據(jù)交換,以實現(xiàn)工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證。
圖 4 WELDER項目中形成的超聲波焊接末端執(zhí)行器,在六足機器人協(xié)助保持形狀和高精度位置調(diào)整,完成機身焊接。圖片來源:弗勞恩霍夫IFAM
▍自動化裝配研究平臺
弗勞恩霍夫與其合作伙伴FFT生產(chǎn)系統(tǒng)公司(FFT Produktionssysteme)一起,在德國CFK NORD研究中心的“機身裝配線的多功能自動化系統(tǒng)”(MultiFAL)項目中,為MFFD設計并建造自動化裝配研究平臺,其中包括了中央系統(tǒng)和過程控制。其他參與項目的合作伙伴陸續(xù)將其開發(fā)的技術模塊集成到該平臺中。弗勞恩霍夫研究所將按照工藝執(zhí)行順序進行裝配,初始任務包括使用開發(fā)的夾具來固定下機身殼體,使其能夠在后續(xù)工藝裝配過程中高精度對齊,之后再利用高架起重機將上機身殼體與下機身殼體裝配連接,所有處理過程均自動化完成。10個6足機器人組成的裝配空間以亞毫米精度定位上下機身殼體,并利用激光傳感器隨時控制殼體的最佳形狀和位置,并在必要進行重新調(diào)整。
圖 5 位于德國施塔德弗勞恩霍夫研究所的MultiFAL平臺,正在裝配MFFD熱塑性復合材料機身殼體。用于夾持固定和高精度調(diào)整上機身殼體外形和位置的黃色六足機器人清晰可見。圖片來源:弗勞恩霍夫IFAM
▍自動間隙填充
由于不可避免的制造公差和定位過程所需的自由度,連接帶和殼體的階梯式連接區(qū)域無法完全無縫連接在一起,因此仍然存在寬度不規(guī)則的小間隙。這些間隙會損害焊接質(zhì)量,因此在焊接過程后必須進一步填充熱塑性材料,同時也要避免使用過量的填料。與激光焊接末端執(zhí)行器一樣,擠出機被引導沿著接縫處工作,將加熱過的、顆粒形式的熱塑性材料填充到間隙中。噴嘴將確保材料在冷卻硬化之前充分完成間隙填充。為保證使用精確的材料填充量,局部間隙體積是通過集成到同一間隙填充末端執(zhí)行器中的2D傳感器預先測量的。測量結果被傳輸?shù)綌D出機系統(tǒng),從而可以動態(tài)計算填料輸出速率,從而使3-20毫米寬的不規(guī)則間隙,能夠充滿準確數(shù)量的熔融熱塑性材料。
圖 6 在BUSTI項目中,間隙填充末端執(zhí)行器在將對接帶經(jīng)CO2激光焊接到機身殼體后,使用擠出機進行熱塑性材料間隙填充。圖片來源:弗勞恩霍夫IFAM
2024年3月14日,弗勞恩霍夫研究所于在比利時布魯塞爾舉行的最后一次會議上介紹了其所參與的三個項目,并宣布全部項目順利完成。項目成果已提交給獨立專家和所有為演示驗證工作做出貢獻的合作伙伴。MFFD是繼2021年順利完成“自動化客艙和貨艙襯里裝配方法”(ACCLAIM)項目中自動化客艙裝配1 : 1比例平臺之后,弗勞恩霍夫研究所做出重大貢獻的第二個“潔凈天空2”大型演示驗證項目。MFFD熱塑性復合材料機身部件已運往位于德國漢堡的應用航空研究中心(ZAL),并在那里最終完成機艙頂部模塊的集成。隨后,整體部件將用于進一步測試和演示驗證。
圖 7 完成的MFFD機身部件放置在專門開發(fā)的下機身支架上,該支架也將用于運輸整個機身部件。圖片來源:弗勞恩霍夫IFAM
▍SUMMARY
弗勞恩霍夫研究所將結合從MFFD演示驗證件項目中獲得的技術訣竅,為其他感興趣的企業(yè)提供成熟技術,幫助其產(chǎn)品實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。其他技術將被納入后續(xù)的研究項目中,以便在未來的生產(chǎn)中進一步提高效率并降低資源消耗。除飛機機身外,計劃中的結構部件還包括垂直尾翼和低溫氫氣儲罐系統(tǒng)。除了航空業(yè)之外,陸地或海上交通工具也是其發(fā)揮技術轉(zhuǎn)化能力的重點。
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