德国弗劳恩霍夫制造工艺与应用材料研究所（IFAM）宣布与国际合作伙伴共同完成了一项前所未有的项目——热塑性复合材料机身演示验证件（MFFD）。
该项目采用了碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP），在提高飞机性能的同时，显著降低了制造成本和环境影响。该项目中使用的材料和制造技术，可在高速生产过程中减轻约 10％ 的结构重量、降低 10％ 的成本及提高燃油效率。该项目的成功，不仅代表了航空制造业在材料和制造技术上的巨大飞跃，更是对未来交通领域可持续发展的有力推动。
未来飞机机身重量的显著减轻源于一种新的设计，而纤维增强热塑性复合材料的使用在全球范围内首次为这一应用领域提供了可能。
日益增长的飞机需求和迫切减少二氧化碳排放，需要在飞机制造中采用新的方法和技术。为了一方面显著提高生产力，另一方面通过减轻重量实现环境兼容性，目前出现了一种很有前途的方法：将碳纤维增强热塑性塑料（CFRP）飞机结构元件、整流罩部件和机舱系统元件组合成一个集成的结构模块。其目的是在关闭机身之前进行机身外壳的装配，从而节省大量的精力和成本。为了实现这一点，有必要用无尘焊接连接工艺取代迄今为止的钻孔和铆接。
CFRP整体框架的自动化、高精度和高质量预装配
IFAM与项目合作伙伴在子项目“CFRP机身部件的高效组装和生产技术”中开发的自动化解决方案已经在全尺寸原型上的近系列环境中进行了验证。
最新开发的用于门架系统的定位和钻孔末端执行器可自动在CFRP整体框架上预装配加固元件（夹板），用于制造飞机机身，使生产率在保持质量和降低成本的情况下得到提高。而以前的手工生产需要更多的工艺步骤。
定位和钻孔端部执行器完成接收各种夹板、将其定位在不同的整体框架上以及同时对两个部件进行双重钻孔。结构紧凑的末端执行器可以通过使用的门户系统以及标准工业机器人拾取。它可以通过系统PLC进行控制，并从导入的零部件CAD数据中接收其全局位置数据。新的组装情况是通过使用激光跟踪器的快速上游测量进行调整的。创新的技术实现了可靠的工艺和高定位精度。集成在端部执行器中的测量技术准确记录了所需的接触压力以及许多其他参数，用于监测在整体框架上预组装夹板的最佳条件。这为在线质量控制提供了保证
CFRP箱体结构的快捷生产技术
IFAM研究所的研究人员通过使用CFRP箱体结构的快捷生产技术，优化了飞机垂直尾翼的生产流程。
为了不再因长时间等待而中断舵铰链与VTP箱的组装，IFAM专家和合作伙伴开发了垫片材料（间隙填充材料）的应用和固化并行过程。自动化和数字网络化的工艺能够实现体积精确的计量和应用，以及垫片的精确成型和边缘平滑。只有在间隙填充物固化后，才能将完全填隙的舵铰链插入垂直尾翼。因此，除了快速制造之外，工作步骤的并行化使得重用技术资源成为可能，从而在降低成本的同时提高生产率。’
CFRP机身的焊接工艺
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。
美国利用机器人制造风力涡轮机叶片
美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）在制造风力涡轮机叶片时成功利用机器人辅助，在提高产品一致性的同时消除了需要人类参与的困难工作条件。尽管风能行业一直使用机器人来进行喷漆和抛光刀片环节，但更广泛的自动化尚未被采用。实验室的研究证明了机器人修剪、研磨和打磨刀片的能力。
文章来源： 钱鑫博士，源因产研院，材料技技
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_550908.html
来源：贤集网
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