多功能機(jī)身演示器上下殼體

AFP 現(xiàn)場固結(jié)，焊接組裝。長桁、框和角片焊接 到 MFFD 上殼體（左上）的 AFP 原位固結(jié)蒙皮上，該蒙皮將使用兩個不同的縱向機(jī)身接頭（左下）焊接到完整的下殼體（右）上。

多功能機(jī)身演示器（ MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator）計劃于 2014 年構(gòu)思，是歐盟資助的清潔天空 2 號（CS2-Clean Sky2）倡議（現(xiàn)為清潔航空）中的三個大型飛機(jī)演示器之一，旨在推進(jìn)歐洲的創(chuàng)新技術(shù)、飛機(jī)可持續(xù)性和有競爭力的供應(yīng)鏈。在 2017 年發(fā)布時， MFFD 計劃的目標(biāo)是雄心勃勃的：建造一個 8 米長、4米直徑的機(jī)身段， 完全由碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物（CFRTP- carbon fiber-reinforced thermoplastic polymer ）復(fù)合材料制成，能夠每月生產(chǎn)60-100 架飛機(jī)，機(jī)身重量減少10%，經(jīng)常性成本降低 20%。到 2024 年該項目結(jié)束時，這種機(jī)身的總體技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL-technology readiness level）將提高到 TRL 5。2017-2019 年，空中客車研究與技術(shù)公司（德國不來梅）作為 MFFD 項目負(fù)責(zé)人，就熱塑性機(jī)身的自動化組裝、焊接接頭的微觀力學(xué)、新型工具、多功能取放/焊接末端執(zhí)行器、新的測試方法和測試、縱向機(jī)身接頭、數(shù)字雙胞胎等工作主題，發(fā)出了 13 份“清潔天空 2”提案 CfP07–CfP11，CFRTP 機(jī)身維修等。做出回應(yīng)的財團(tuán)獲得了數(shù)百個工作包，由 40 多家公司和組織完成（表 1.）。吉凱恩?？斯荆ê商m胡格芬）首席研發(fā)工程師薩爾瓦多·羅梅羅·埃斯特班表示：“這種多學(xué)科和國際合作是我們到 2050 年實現(xiàn)氣候中性航空的唯一途徑。”

MFFD 完成的下殼體已運(yùn)至 Fraunhofer 制造技術(shù)與先進(jìn)材料研究所（德國斯塔德 IFAM）進(jìn)行總裝，上殼體應(yīng)于 7 月底抵達(dá)。弗勞恩霍夫材料與梁技術(shù)研究所（德國德累斯頓 IWS）BUSTI 項目的研究員 Eric Pohl 表示：“在裝配夾具中安裝下殼體和上殼體需要 1-2 個月的時間?！??！拔覀儜?yīng)該能夠在 8 月底/9 月初通過激光原位連接開始焊接左側(cè)對接接頭。”然 后，Aimen Centro Tecnológico（西班牙波里尼奧）和 FFT（德國富爾達(dá)）將通過超聲波焊接完成右側(cè)（右側(cè)）搭接接頭，然后對 MFFD 數(shù)字孿生進(jìn)行最終評估。本文的目的是概述迄今為止完成的 MFFD 制造步驟，并討論將用于左側(cè)對接帶接頭的激光共固結(jié)工藝。

在 STUNNING，材料測試和計算機(jī)模型被用于預(yù)測 AFP、運(yùn)輸和固結(jié)過程中的變形，特別是通過乘客門開口附近的許多坡道區(qū)域。

請注意，下面下殼摘要的篇幅很短，掩蓋了它的復(fù)雜性——每一句話都代表了許多關(guān)于新型工具、多功能末端執(zhí)行器、基于物理的模型、過程模擬、焊接經(jīng)驗教訓(xùn)等關(guān)鍵發(fā)展的報告。單獨(dú)的下殼體自動組裝方法和系統(tǒng)可以是自己的文章。盡管這里沒有這樣的細(xì)節(jié)，但請繼續(xù)關(guān)注未來 CW 關(guān)于 MFFD 及其開發(fā)的技術(shù)的文章。

下殼蒙皮

步驟 1. 鋪放下殼蒙皮分兩部分完成荷蘭航空航天中心（NLR，Marknesse， Netherlands）使用 Coriolis Composites（Quéven ， France）C1 機(jī)器人自動纖維鋪設(shè)（AFP）系統(tǒng)在室溫下在單個鋪設(shè)工具上快速鋪設(shè)（相對于 AFP 原位固結(jié)）隨后的兩個 90°機(jī)身段（步驟 1.）。單個象限的大小由 AFP 機(jī)器的范圍決定。包括外層的雷擊保護(hù)（LSP- lightning strike protection）材料，疊層設(shè)計用于在龍骨處形成斜接/錐形接頭，并使用由 T700 碳纖維（CF）和 Victrex（英國蘭開夏）低熔點(diǎn)聚芳醚酮（LMPAEK- low-melt polyaryletherketone）組成的東麗高級復(fù)合材料（荷蘭奈杰弗達(dá)爾）TC1225 單向（UD）膠帶。注：除非另有說明，MFFD 中的所有 CFRTP 組件均由 TC1225 UD 膠帶制成。

步驟 2. 兩個下半蒙皮通過龍骨處的嵌縫結(jié)合在一起，并在熱壓罐中共同固結(jié)

NLR 團(tuán)隊在位于德國斯塔德的德國航空航天中心（DLR）的研究熱壓罐中，在創(chuàng)新的高溫固結(jié)模具（由 EMOTION 子項目生產(chǎn)）中對蒙皮和龍骨接頭進(jìn)行了共同固結(jié)（步驟 2）。NLR 使用熱成像作為一種快速無損檢測（NDI- nondestructive inspection ）方法，在 2個多小時內(nèi)掃描了 180°的整個下機(jī)身蒙皮。NDI 顯示了航空航天質(zhì)量的層壓板，通過局部 C 掃描和橫截面證實了這一點(diǎn)。然后將蒙皮運(yùn)送至合作伙伴 SAM XL（荷蘭代爾夫特），用于結(jié)構(gòu)和內(nèi)部系統(tǒng)的集成。

步驟 3. 連續(xù)壓縮成型（CCM- Continuous compression molding）Ω長桁被傳導(dǎo)焊接到下殼體蒙皮上，固定在下殼工裝中

步驟 4. 注射成型的馬鞍形角片被超聲波焊接到Ω長桁和蒙皮上

步驟 5. 在熱壓罐中使用因瓦工具將扁平預(yù)成型件的框共同固結(jié)。腹板寬度在右側(cè)和左側(cè)框架的外端逐漸變細(xì)

步驟 6. 乘客地板梁采用 AFP 和熱壓罐固結(jié)制成

步驟 7. 對框地板組件的附加零件進(jìn)行沖壓，然后將其傳導(dǎo)焊接到框和地板梁上

焊接長桁、框、組件

蒙皮被放置在 TCTool 子項目開發(fā)的支架工裝中，支架工裝配有 34 個支撐砧，以支持各種焊接工藝。由 Xelis（Herford，Germany）使用連續(xù)壓縮成型（CCM- Continuous compression molding）制造的Ω長桁由 GKN Fokker使用 1 米長的焊接端部執(zhí)行器傳導(dǎo)焊接到蒙皮上（步驟 3）。隨后，SAM XL 與 TU Delft 合作，使用 16 毫米端部執(zhí)行器將角片超聲波焊接到長桁和蒙皮上。

吉凱恩?？斯臼褂闷洹皩印奔夹g(shù)制造了 12 套三個（右側(cè)、中央和左側(cè)）彎曲機(jī)身框，該技術(shù)將一個平腹板預(yù)成型件和兩個平凸緣預(yù)成型件與面條填料在熱壓罐中的因瓦凹模具中共同固結(jié)（步驟 5.）?！耙驗槲覀兊目驔]有腳，”Romero Esteban 解釋道，“我們將腹板預(yù)成型件延伸到凸緣之外，為面條填料創(chuàng)造空間，也為在殼體組裝過程中焊接地板梁創(chuàng)造空間?！痹诠探Y(jié)后（未來將在熱壓中進(jìn)行），彎曲的腹板被修剪。GKN Fokker 還使用 Mikrosam（馬其頓普里勒普）機(jī)器人 AFP 系統(tǒng)制造了客艙地板梁，并將其牽引到成型鋼芯軸上（步驟 6.）。如“MFFD 熱塑性地板梁”中所述，每個疊層被分開以生產(chǎn)兩個地板梁預(yù)制件，然后在熱壓罐中固結(jié)。然后將完成的地板梁焊接成組件，如下所述。為了為貨物和乘客地板提供支撐，吉凱恩?？斯臼褂脹_壓成型制造了 100 多個支柱、型材和其他連接結(jié)構(gòu)，有七種不同的幾何形狀。然后，它將它們相互傳導(dǎo)焊接，并將彎曲的機(jī)身框傳導(dǎo)焊接，以創(chuàng)建框子組件，并將其傳導(dǎo)焊接到地板梁，以創(chuàng)建地板梁子組件（步驟 7）。在 SAM XL，然后將框架子組件超聲波焊接到環(huán)保夾上（步驟 8.）。

圖 2 . 傳導(dǎo)焊接下殼體組件。框架子組件（黃色）和地板梁子組件（紫色）由吉凱恩?？斯驹诤商m胡格芬的吉凱恩航空航天全球技術(shù)中心（藍(lán)色）使用其機(jī) 器人傳導(dǎo)焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接。SAM XL 自動超聲波焊接框架組件至下殼體（藍(lán)色）。GKN Fokker 使用 GKN 新的焊接頭將地板梁組件導(dǎo)焊接到殼體上，焊接頭帶 有加熱桿元件和用于反壓力的砧座（橙色）

步驟 8. 將框架組件超聲波焊接到馬鞍形角片上

步驟 9. 成品 MFFD 下機(jī)身，帶有導(dǎo)電焊接的地板梁組件和集成座椅滑軌、電氣和空調(diào)系統(tǒng)組件

步驟 10. AFP 原位加固上半殼蒙皮

同時，12 個地板梁組件與地板格柵下部結(jié)構(gòu)連接在一起，包括兩個鋁制座椅軌道、MISSION 項目中開發(fā)的電氣系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)導(dǎo)管，這是 MFFD 演示預(yù)裝機(jī)身外殼模塊焊接組裝任務(wù)的一部分。最后一步是使用 GKN Fokker 獲得專利的新型傳導(dǎo)焊接工藝將地板格柵結(jié)構(gòu)焊接到框和下殼體上，該工藝包括一個帶反壓砧的加熱棒元件（圖 2）-完成 800 多個接頭和 500米的焊接（步驟 9.）。

原位固結(jié)上殼蒙皮

MFFD 上殼體的蒙皮由 DLR 結(jié)構(gòu)研究所和輕型生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計中心（ZLP，Augsburg）生產(chǎn)，使用 AFP 原位固結(jié)。在這個過程中，TC1225 UD 膠帶在一個步驟中即可完全固結(jié)，無需進(jìn)一步的真空裝袋、烤箱或熱壓罐（第 10 步.）。弗雷德里克·菲舍爾說：“與使用熱固性環(huán)氧樹脂的典型 A350 機(jī)身蒙皮相比，這可將蒙皮交付時間縮短 40%?！薄！叭欢@個過程要求更高，因為你沒有第二個整合步驟?！?br>“例如，”德國航空航天中心負(fù)責(zé)上殼 AFP 蒙皮生產(chǎn)的研究工程師 Dominik Deden 解釋道，“在應(yīng)用的膠帶中不能有間隙和重疊，因為這些間隙和重疊會成為結(jié)構(gòu)中的空隙。它們還會導(dǎo)致每個層的表面粗糙，并對熱控制產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，路徑規(guī)劃必須適應(yīng)各自的 AFP 參數(shù)，以確保足夠的層壓板質(zhì)量?！盳LP 開發(fā)了一種在線檢測系統(tǒng)，專門用于現(xiàn)場工藝。德國航空航天中心的 AFP 和原位過程控制進(jìn)展專家 Lars Brandt 說：“我們在 AFP 末端執(zhí)行器上有一個傳感器系統(tǒng)，可以記錄生產(chǎn)過程中的間隙和重疊?！彼赋觯に噮?shù)之間存在巨大的相互依賴性：“它們直接影響膠帶的厚度和寬度，進(jìn)而影響膠帶如何正確地并排放置，進(jìn)而影響激光功率閉環(huán)控制的熱成像。因此，我們必須確保機(jī)器人末端執(zhí)行器始終處于最佳溫度、壓力和速度?！盌LR 進(jìn)行了廣泛的模擬和參數(shù)試驗，以建立最佳零件質(zhì)量和高沉積率所需的工藝窗口。它用 70 多層膠帶原位固結(jié)了一個全尺寸的測試殼蒙皮，并分析了收集的傳感器和工藝數(shù)據(jù)。Brandt 說：“由此，我們開發(fā)了最佳時間-溫度曲線，并與層壓板的機(jī)械性能進(jìn)行了比較，如層間剪切強(qiáng)度（ILSS- interlaminar shear?strength）?！薄坝捎诠に噮?shù)的復(fù)雜相互作用，這項工作仍在繼續(xù)，但我們的目標(biāo)是在年底前對現(xiàn)場質(zhì)量進(jìn)行最終評估?！睂τ谧罱K的 MFFD 上殼體，德國航空航天中心于2023 年 2 月使用 AFPT（德國 D?rth）的多牽引 AFP頭、用于加熱的 Laserline（德國 Mülheim-K?rlich） LDM 二極管激光器和 Grunewald GmbH&Co.KG（德國 Bocholt）提供的疊層工具完成了現(xiàn)場固結(jié)蒙皮。AFP末端執(zhí)行器可以放置三根 0.5 英寸寬的絲束，可能的吞吐量高達(dá) 4.4 公斤/小時，最短生產(chǎn)時間為 32 小時。Deden 說：“材料帶的數(shù)量可以很容易地增加，以實現(xiàn)更快的鋪放和每月 70 至 100 架飛機(jī)的生產(chǎn)率?！鄙蠚っ善み€包括 LSP- lightning strike protection 膜作為第一層。

步驟 11. 使用連續(xù)超聲波焊接將壓縮模塑 Z 形長桁連接到蒙皮

焊接長桁、C 形框、夾板

上殼體的 Z 型長桁由 Aernnova（西班牙米尼亞 諾）提供，該公司與意大利布林迪西的 CETMA 公司合作，采用 CCM 工藝制造（見“CETMA 研發(fā)”和 “Leonardo 和 CETMA”）。DLR 使用超聲波點(diǎn)焊來集成能量導(dǎo)向器——沿著每個長桁底部的一層額外的未增強(qiáng) LMPAEK 樹脂——這有助于控制焊接界面的能 量。同樣的機(jī)器人末端執(zhí)行器，經(jīng)過微小的修改，也用于將 46 個 Z 形長桁集成到蒙皮上的連續(xù)過程（步驟 11.）。Fischer 說：“這是世界上第一次通過全自動連續(xù)超聲波焊接在現(xiàn)場固結(jié)蒙皮上進(jìn)行長桁焊接，使用基于相機(jī)的路徑校正，速度為 1.4 米/分鐘?！?。“我們能夠在試片測試中證明 38 兆帕的可重復(fù)焊接強(qiáng)度。”

步驟 12. 電阻焊橋?qū)耗?C 型框連接到蒙皮上，然后在機(jī)器人上（右上）電阻焊角片作為長桁和框之間的剪切連接

接下來，使用 DLR 開發(fā)的焊接橋?qū)⒂?Premium Aerotec（PAG，Augsburg 和 Bremen，Germany）生產(chǎn)的 24 個一次性模壓 C 型框架電阻焊接到上殼體蒙皮上（步驟 12）。電機(jī)驅(qū)動橋安裝在疊層工具的上側(cè)，能夠自動運(yùn)輸框架并將其定位到外殼上的精確集成位置。該橋包含 14 個焊接模塊，這些模塊沿 C 形框架向每只腳依次施加高達(dá) 1.2 兆帕的壓力。DLR 電阻焊接專家 Manuel Endrass 表示：“然 后，模塊將電流施加到位于每個框腳和蒙皮之間的焊接元件中?！焙附釉?Toray CETEX TC1225 預(yù)浸料與 T300JB 碳纖維在 5 絲緞織物中制成，該織物與 UD 帶皮中的 LMPAEK 基質(zhì)相同，以及 CETEX TC1225 EC5 E-玻璃 4 絲緞預(yù)浸料制成。后者用于防止焊接部件和焊接元件的纖維取向?qū)R的短路。電流流過焊接元件并產(chǎn)生熱量，使焊接界面中的基體熔化。一旦電流被切斷，焊接就會冷卻，同時保持壓力。Fischer說：“我們展示了在 5 分鐘內(nèi)焊接整個框架的可擴(kuò)展性?！薄！斑@種堅固的技術(shù)提供了全表面連接，焊接強(qiáng)度與沖壓固結(jié)參考的焊接強(qiáng)度相等。從本質(zhì)上講，我們的電阻焊接可以理解為一種小型化的沖壓工藝?！痹诳蛑螅聡娇蘸教熘行脑俅问褂秒娮韬附訉⒔瞧蠟?Z 形桁條和彎曲機(jī)身框架之間的抗剪連接件（步驟 12.）。Endrass 解釋道：“德國航空航天中心開發(fā)了一種基于機(jī)器人的 cobot 焊接系統(tǒng)，以適應(yīng)高度受限的空間?！薄！斑@項開發(fā)背后的想法是在不知道確切竣工條件的情況下自動集成防滑釘。因此， LBR iiwa cobot[德國奧格斯堡 KUKA 機(jī)器人公司]憑借其順應(yīng)性控制的轉(zhuǎn)向能力，將在沒有任何初步零件測量或機(jī)器人示教的情況下自動對準(zhǔn)。由于焊接力是通過末端執(zhí)行器的閉合力通量設(shè)計施加的，因此可以在不引入外部載荷的情況下集成角片?！钡聡娇蘸教熘行挠媱澰?7 月底前將上殼交付給弗勞恩霍夫 IFAM。然而，它在電阻焊接和原位固結(jié)方面的工作仍將繼續(xù)。

左側(cè)機(jī)身縱向接頭

MFFD 下殼和上殼的組裝將從左側(cè)對接帶縱向機(jī)身接頭開始，該接頭已在 BUSTI 項目中開發(fā)（步驟 13）。在空中客車公司的領(lǐng)導(dǎo)下，它包括合作伙伴 Aernnova、Aimen、CTI Systems（盧森堡 Lentzweiler）、 FFT 和 Fraunhofer IFAM、IGCV 和 IWS。右側(cè)搭接機(jī)身接頭將由 FFT 和 Aimen 通過 WELDER 項目使用超聲波焊接完成（步驟 14.）。組裝夾具是在 MultiFAL 項目中開發(fā)的，它將在連接過程中將下殼體和上殼體固定在一起，包括下殼體的支架和用于定位和調(diào)整上殼體位置的 10 個調(diào)整六足系統(tǒng)。帶有六軸力和扭矩傳感器的真空夾具將在光學(xué)測量系統(tǒng)的引導(dǎo)下調(diào)整外殼的姿態(tài)和形狀，以管理組裝過程中的公差。首先放置下殼，然后放置上殼。六足系統(tǒng)將根據(jù)連接過程將外殼調(diào)整為正確的幾何圖形。在機(jī)身內(nèi)部，彎曲以匹配機(jī)身的大型鋁塊（“內(nèi)部定位器”）將沿徑向向外擠壓，以抵抗焊接末端執(zhí)行器在連接過程中施加的固結(jié)壓力。Pohl 解釋道，對于 BUSTI 項目和右側(cè)對接帶接頭，F(xiàn)raunhofer IWS 開發(fā)了一種稱為激光原位連接（CONTIjoin 用于連續(xù)連接）的工藝，“但實際上這是 CFRTP 對接帶層壓板與匹配機(jī)身殼體的連續(xù)共固結(jié)。”，除了確保表面沒有加工灰塵等，不需要對連接區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理?！斑@與 AFP 固結(jié)過程非常相似，”他說?！安恍枰M(jìn)一步的后處理，但我們使用的不是單層膠帶，而是 6 層完全固結(jié)的層壓板。”

圖 3. 激光原位連接（CONTIjoin）工藝。Fraunhofer IWS 實驗室設(shè)置展示了如何將 6 層對接帶層壓板引入并應(yīng)用于接頭區(qū)域，通過振蕩激光束加熱，并在固結(jié)輥的壓力下，在冷卻時與基底共同固結(jié)

波爾繼續(xù)說道：“我們還使用了二氧化碳激光器，而不是 AFP 典型的光纖激光器?！薄斑@是因為 LMPAEK 聚合物在這些激光器通常使用的 1060 納米波長下幾乎沒有能量吸收。因為我們需要足夠的吸收來熔化表面基質(zhì)進(jìn)行連接，所以我們使用 10.6 微米波長的 CO2 激光器，以確保聚合物基質(zhì)在表面更好地加熱，同時減少通過層壓板的遷移?！耙驗閷訋訅喊鍙牡谝粋€ 60 毫米到最后一個 360 毫米逐漸變寬，所以 CO2 激光器與高速掃描系統(tǒng)相結(jié)合，該系統(tǒng)可以在焊縫寬度上振蕩能量束。Pohl 說，激光束本身無法跨越背帶的寬度，但激光束的能量強(qiáng)度也在其中心，并在激光焦斑之外降低。這是一種高度動態(tài)的光束振蕩，可以在接頭的整個寬度上加熱，最高可達(dá) 360 毫米。

溫度控制

CONTIjoin 工藝設(shè)備使用兩種光學(xué)裝置。一個是振蕩激光器，另一個包括高溫計和第二個掃描儀，用于測量連接處的溫度（圖 3）。波爾解釋道：“高溫計的目標(biāo)是夾點(diǎn)，用于調(diào)整激光功率，以保持所需的工藝溫度（350-370°C ）。”。然而，這個咬合點(diǎn)實際上是一條橫跨臀帶寬度的線。他補(bǔ)充道：“因此，我們將高溫計與高速掃描儀結(jié)合起來，這樣我們就可以根據(jù)高溫計的測量位置調(diào)整目標(biāo)。”
“振蕩激光束加熱接合區(qū)域的表面，”波爾繼續(xù)說道，“掃描高溫計裝置根據(jù)對接帶層壓板的寬度測量我們設(shè)置的不同點(diǎn)的溫度。我們發(fā)現(xiàn)，在層壓板中間使用一個 60 毫米寬的點(diǎn)就足以均勻控制過程。對于較寬的層壓板，我們需要為每增加 60 毫米增加一個測量點(diǎn)。因此，對于第二步層壓板，即 120 毫米寬，我們使用兩個高溫計點(diǎn)，240 毫米寬的帶子使用四個點(diǎn)，等等?！备邷赜嫺鶕?jù)其數(shù)字控制系統(tǒng)跳過這些測量點(diǎn)，在那里可以單獨(dú)設(shè)置距離和時間。Pohl 指出，“在這種情況下，各個流程之間的同步對于最終的合并質(zhì)量至關(guān)重要。”來自每次測量的溫度信息提供給一個單獨(dú)的控制電路，以調(diào)整該點(diǎn)的激光功率。波爾說：“假設(shè)我們的設(shè)定溫度為 350°C ，高溫計的測量溫度為 340°C ?！薄叭缓髮⑵漭斎氡壤?積分-微分（PID- proportional?integral derivative）控制回路。PID 控制器識別出其低于設(shè)定溫度，并增加激光功率。增加的量已在早些時候通過工藝參數(shù)試驗確定，并編程到 PID 中。”

應(yīng)用對接帶層壓板

如上所述，對接帶包括六個逐漸變寬的帶，一次施加一個。這與上下外殼中的一組臺階相匹配?？湛凸痉Q之為階梯式連接結(jié)構(gòu)，也用于復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的粘接和焊接維修。因此，焊接對接帶的區(qū)域正好適合容納對接帶的階梯區(qū)域。波爾說：“這是連接這些外殼的一個很好的設(shè)計，因為你將共同固結(jié)或焊接到材料的厚度中，這樣你就可以在接頭的所有層中獲得更多的表面積?！盤ohl 的團(tuán)隊將在客艙（乘客）門開口的每一側(cè)連續(xù)應(yīng)用六個更寬、6 層、1.2 毫米厚的固結(jié)多向?qū)訋訅喊?，總?12 道焊接道次。前四個對接帶層壓板由 Aernnova 使用 AFP 和真空袋固結(jié)制成。它們的特點(diǎn)是有一個下降區(qū)域，在那里它們的厚度減小，并在機(jī)身蒙皮的斜坡上結(jié)束。最后兩個也是最寬的對接帶層壓板由 Fraunhofer 鑄造、復(fù)合材料和加工技術(shù)研究所（IGCV，Augsburg，Germany）使用 AFP 制造，并在雙帶壓機(jī)中固結(jié)。門兩側(cè)的這些帶子都是斜切的——它們在朝向客艙門開口的最寬矩形部分和遠(yuǎn)離門的狹長部分之間有 45°的過渡。Pohl 解釋說，這只適用于最后兩個對接帶層壓板，因為它們是最長的，從艙門開口（這削弱了機(jī)身結(jié)構(gòu)，需要更大的接頭才能提供更大的剛度）一直延伸到 8 米長的演示機(jī)的末端，在那里不需要額外的寬度。左側(cè)單條帶子的最大焊接長度為 4.5 米，由乘客門開口中斷，其中右側(cè)搭接接頭將橫跨 8 米機(jī)身的整個長度。

添加樹脂，加壓固結(jié)

對于每個對接帶層壓板，將額外鋪設(shè)一層 LM PAEK 薄膜。Pohl 說：“這提供了更多的基體材料，可以實現(xiàn)更好的焊接和焊接強(qiáng)度?！薄！八€產(chǎn)生了更可復(fù)制的焊接工藝和質(zhì)量，因為我們有一個可控的基體表面厚度?！备吆附訌?qiáng)度的另一個必要條件是在連接中固結(jié)材料的壓力。這是通過固結(jié)工具來應(yīng)用 的，該固結(jié)工具基本上是分段式滾筒。波爾說：“我們能施加的最大力是 10 千牛頓，這是客艙門開口周圍的極限，因為這些鋁制內(nèi)部定位器的設(shè)計目的是在不超過允許偏轉(zhuǎn)的情況下處理這種力。但例如，對于 60毫米寬的帶子，我們只使用了 2.8 千牛頓?！笔┘拥牧Φ拇笮∈侨绾未_定和控制的？波爾說：“我們已經(jīng)通過參數(shù)篩選開發(fā)出了這一點(diǎn)?！薄拔覀冃枰蟮牧碇谱鞲鼘挼膸ё?，因為我們有更多的面積?？雌饋韺挾确缎枰獌杀兜牧Γ@種關(guān)系并不是完全線性的。所以，我們不需要 360 毫米寬帶子和60 毫米帶子的六倍力，我們可以用更少的力。但現(xiàn)在，我們正在評估這個最佳點(diǎn)在哪里，因為你可以按壓得太用力，從而在加熱過程中破壞層壓板?！?/p>

CONTIjoin 用于固結(jié)工具的分段式壓機(jī)

固結(jié)輥設(shè)計用于在層壓板厚度變化和機(jī)身彎曲幾何形狀的整個過程中施加一致的壓力。Pohl 解釋道：“每個滾輪節(jié)段的高度通過分段滾輪中心核心內(nèi)的中心框架中的凸輪軸進(jìn)行調(diào)整?！??！懊總€滾子段都有一個柔軟的彈性體套筒，可以增加接觸面積。”

合力，未來發(fā)展

Fraunhofer IWS 為評估使用 CONTIjoin 工藝的共固結(jié)接縫的強(qiáng)度而進(jìn)行的開槽搭接剪切試驗結(jié)果表明，可以實現(xiàn) 30 兆帕的可靠平均強(qiáng)度。幾乎所有樣品都表現(xiàn)出一定程度的基底失效，表明接頭強(qiáng)度高，并且主要在對接帶層壓板的+45°和-45°層之間失效。在隨后的層間剪切強(qiáng)度(ILSS- interlaminar shear strength)測試中，接頭顯示的值為壓力固結(jié)參考值的 93%。
波爾說：“我們花了很多時間進(jìn)行試驗，以評估最佳工藝參數(shù)，同時，我們已經(jīng)建立了焊接裝置。” BUSTI 團(tuán)隊計劃于 7 月在斯塔德的 IFAM 完成焊接裝置的安裝，并于 8 月調(diào)試 CONTIjoin 設(shè)備和工藝，為計劃于 9 月開始的左側(cè)接頭焊接做準(zhǔn)備。隨著 MFFD 的發(fā)展，F(xiàn)raunhofer IWS 已經(jīng)在進(jìn)一步推進(jìn) CONTIjoin。2022 年底，該公司與空中客車公司開始了另一個項目，該項目由德國政府資助，旨在開發(fā)復(fù)雜曲面的激光原位連接工藝，而不是 MFFD 機(jī)身的單一曲率。波爾說：“我們現(xiàn)在正在研究固結(jié)工具的概念，但我們也必須開發(fā)轉(zhuǎn)向和軟件。只要有一個曲率，我們就可以在加工之前設(shè)置路徑。但現(xiàn)在，我們必須開發(fā)一種測量精確復(fù)雜曲率的方法和軟件，以計算激光束在給定時間間隔內(nèi)如何在接縫寬度上移動?！薄！霸擁椖繉⒂?2026 年完成。CONTIjoin 只是 MFFD 啟用的一種技術(shù)。空中客車公司的 York C.Roth 博士是清潔航空/清潔天空2號大型客機(jī)平臺的領(lǐng)導(dǎo)者，他說：“歐洲已經(jīng)有40多項技術(shù)成熟。”?！癕FFD是一個杰出的例子，說明了如果學(xué)術(shù)界、研究中心、行業(yè)原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商聯(lián)合起來，在一個共同的目標(biāo)上保持一致，可以取得什么成就。僅靠一個合作伙伴永遠(yuǎn)無法交付如此復(fù)雜的大型演示器?！边@個演示者正在建立一個新的知識庫，從中可以為未來的飛機(jī)做出決策?！癕FFD 項目中展示的技術(shù)磚有助于更好地理解作為機(jī)身主要結(jié)構(gòu)材料的熱塑性復(fù)合材料，”位于不來梅的空中客車公司機(jī)身研發(fā)人員、MFFD 項目負(fù)責(zé)人 Ralf Herrmann 說。“通過新型連接技術(shù)和自動化技術(shù)，我們開發(fā)了一系列設(shè)計解決方案、制造和組裝概念。這些將使 MFFD 的工業(yè)合作伙伴能夠選擇最合適的技術(shù)，以實現(xiàn)未來航空所需的性能改進(jìn)和生態(tài)足跡減少?！?br>

完

注：原文見，《Manufacturing the MFFD thermoplastic composite fuselage》2023.6.26

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