1/15 MFFD 项目

 

2/15 铺放蒙皮的工具

 

3/15 用于基于激光的飞机蒙皮原位固结的多铺放头

 

4/15 铺放上壳蒙皮

 

5/15 基于机器人的连续超声波焊接末端执行器

 

6/15 基于摄像头的路径校正长桁（来自Aernnova公司）连续超声波焊接

 

7/15 Premium AEROTEC公司冲压成型C型框

 

8/15 右侧第三个框的焊接

 

9/15 采用电阻焊接的框 一体化焊接桥

 

10/15 所有框已连接

 

11/15 加强板（cleats）集成开始

 

12/15 加强板（cleats）末端执行器-机器人配置， 用于将加强板(cleats)电阻焊接到框架上

 

13/15 脱模前的组件

 

14/15 运输箱内的上壳体

 

15/15 用于验证技术的测试外壳

位于奥格斯堡的德国航空航天中心(DLR-German Aerospace Center)结构与设计研究所已经完成了清洁天空 2(Clean Sky 2)“多功能机身演示机”(MFFD)全尺寸机身上半壳的生产。德国航空航天中心(DLR)与合作伙伴空客公司、Premium AEROTEC和Aernnova一起， 于2023年7月交付了8米长 MFFD演示机的上壳体。全尺寸多功能机身演示机(MFFD)是清洁天空2 (Clean Sky 2)是欧洲大型客机(LPA)项目中最重要的演示机之一。

“大型客机的目标是展示一流的高成熟度技术,并为 ‘2035 年+’应用开发颠覆性技术，以实现ACARE与环境、未来市场需求和提高欧洲航空航天业竞争力相关的核心目标。”

在这种情况下，德国航空航天中心(DLR )参与了 先进的基于激光的原位纤维铺设(AFP)的开发，以及用于无尘组装的焊接技术的进一步开发，特别是连续超声波和电阻焊接。蒙皮材料由东丽(Toray)提供的Cetex TC1225 低熔体聚芳醚酮(LM-PAEK)碳纤维热塑性预浸料置于 TC1225 LSP 膜上，该膜浸渍有相同的LM-PAEK基质。东丽(Toray)的一种新型防雷膜(Cetex TC1225 LSP）被用作外壳的第一层，以通过功能集成简化机身生产。连续超声波焊接被用于将长桁焊接到原位固化的 热塑性飞机蒙皮上，这是世界上第一次。

DLR与Premium AEROTEC 一起为空客A320的球面框进一步开发了电阻焊接工艺，在上壳体的情况下， 将 C 形管柱连接到蒙皮上。为此，开发了一种特殊工具， 即“焊接桥” ，将其放置在组装工具上。使用这种焊接 技术，机身框可以在五分钟内连接到蒙皮上。电阻焊接也用于将螺柱焊接到长桁和已成型的零件上，形成“机器人对机器人”的配置。这允许在非常 有限的工作空间中实现精确性和可访问性。

通过这种方式，德国航空航天中心(DLR)正在开发未来可持续航空技术。

在最终演示之前，生产了一个“测试外壳” ，以成功验证生产MFFD上外壳所需的所有热塑性复合材料制造技术。该欧洲项目中这一重要里程碑的成果于2022年10月在不来梅举行的热塑性复合材料国际会(ITHEC)上发表，并获得“最佳论文奖” 。

MFFD上壳体机身蒙皮铺放

（见 4/15 铺放上壳蒙皮）

2023年1月，德国航空航天中心结构与设计研究所 (DLR，Augsburg，Germany)完成了多功能机身演示器 (MFFD)上壳的全尺寸8米长机身蒙皮的铺放。由Clean Aviation资助的焊接MFFD机身演示机据说代表了已知最大的由热塑性复合材料制成的航空结构。从 2014年开始，项目合作伙伴空客公司（法国图卢兹）、 Aernnova Aerospace公司（西班牙米尼亚诺）和Premium AEROTEC公司（德国奥格斯堡）试图在减少浪费和成本的同时显着减轻重量。

将来自 Toray Advanced Composites （Nijverdal， Netherlands）的 Cetex TC1225 低熔体聚芳醚酮（LMPAEK）碳纤维热塑性预浸料置于 TC1225 LSP 膜上，该.12. 膜浸渍有相同的LM-PAEK基体。Laserline GmbH （Mülheim-Kärlich，Germany）提供的 LDM 二极管激光 器和 AFPT GmbH（Dörth）的多丝束铺设头进行激光加 热原位固结，以在上壳体的 Grunewald GmbH&Co.KG （Bocholt）放置工具上获得光滑的蒙皮。

德国航空航天中心热塑性AFP高级专家 Dominik Deden表示：“我们的放置末端执行器具有三根平行½ 英寸丝束，理论吞吐量约为 4.4 公斤/小时，相当于 32 小时的生产时间。” 。“对于工业化生产，平行纱带的 数量将增加，以达到每月 100 架飞机的目标。一般来说， 原位固结可以避免真空装袋和所有相关任务，否则这些任务可能会占面板生产交付周期的40%。”

测试外壳的生产最初于2022年4月完成，上部外壳的第六个框架集成在一起。接下来，由 Aernnova Aerospace 交付的桁条将通过连续超声波焊接进行集成， 由Premium AEROTEC交付的框和加强板将进行电阻焊接。

集成框复板上加强板的焊接

 

Fraunhofer IFAM在施塔德工厂开发的定位和钻孔端部执行器，用于在整体框上自动定位加强板（cleats）。

 

由Fraunhofer IFAM的自动化和生产技术专家开发的自动化环境，带有传送门和连接的 定位和钻孔末端执行器，以及框高度，用于在整体框上自动定位和钻孔加强板（cleats）。

德国联邦经济事务和能源部（BMWi）资助的联合项 目“Impulse ”的自动化解决方案-子项目“Tempo ” 自动化是提高生产效率的最重要策略之一。最新开发的用于门式系统的定位和钻孔端部执行器，可自动在CFRP整体框上预装配加固元件（加强板（cleats）），用 于制造飞机机身，由项目合作伙伴空中客车汉堡公司提供，能够以恒定的质量和较低的成本提高生产率。以前的手工生产也需要更多的工艺步骤。或者，紧凑型末端执行器也可以由标准工业机器人拾取 。施塔德Fraunhofer制造技术和先进材料研究所 IFAM 的自动化 和生产技术专家在“脉冲”子项目“Tempo ”（“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，使该项目于2020年成功完成。

复合材料整体框的预装配

框是飞机机身中的横向加强元件。复合材料的使用和A350机身的创新整体结构节省了重量和生产步骤。需要额外的加强元件（加强板（cleats））来防止框架侧 向弯曲。这些肋可以长达6米，在几何形状上彼此不同， 因此每个加强板（cleats）都需要一个特殊的模具模板， 以便手动为部件配备公差高达0.2毫米的夹板。这些模 板使用起来既昂贵又复杂。此外，手动加强板（cleats）进给和预组装需要较大的差异。对连接零件进行广泛的 测量步骤以实现精确的位置对准也是至关重要的。

Fraunhofer IFAM 的项目经理Leander Brieskorn解释道：“Tempo 项目为我们带来了自动化流程步骤的挑战， 从而减少了流程的持续时间和复杂性。” 。“加强板 （cleats）应该自动拾取并送入框。为了将框和加强板（cleats）固定在一起，有必要钻穿两个孔。我们通过使 用新开发的高精度末端执行器为框配备加强板（cleats）来实现这一点。此外，在我们的近系列机身组装计划中， 框安装在机身外壳上，没有任何间隙Brieskorn继续说道。

定位和钻孔端部执行器，实现CFRP整体框的自动化、高精度和质量保证预装配

开发的定位和钻孔末端执行器完成了接收不加强板（cleats）、将其定位在不同的整体框上以及同时对两 个零件进行双重钻孔的任务。结构紧凑的末端执行器可 以由所使用的门式系统以及标准工业机器人拾取。选择入口系统是为了提高定位精度。整体框在门下的支柱上拉伸，可以使用多种机械调整选项在空间中定向。末端执行器有一个对称的支架，可以用它拾取不同方向的加 强板（cleats）并将其夹在支架上。使用弹簧阻尼机械止动器，它以局部精度接近各自的连接位置。当加强板 （cleats）加强元件从上方放置在整体框表面上，并且使 用内置机构夹紧两个零件时，钻孔过程从框背面进行， 以防止复合材料磨损。提取系统收集由此产生的钻孔粉尘。一旦对部件进行钻孔，就可以确定加强板（cleats）在机架上的位置。然后可以将加强板（cleats）铆接到框架上。

末端执行器可以通过系统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。创新技术实现了可靠的工艺和高定位精度。除了按下控制面板上的启动按钮，其他一切都在自动运行。专 门开发的用户友好的操作员界面，带有便于输入的不言自明的图像，即使是没有经验的员工也可以快速熟悉系统的控制。

通过对加强板（cleats）拾取进行适当的修改，末端执行器还可以安装几何形状略有不同的加强板（cleats）类型，而不是使用的定位孔，并将其精确定位在不同类 型的整体框上。自动归档的精度为±0.1 毫米，因此超出精度要求两倍。

集成在定位和钻孔端部执行器中的测量技术准确记录了200牛顿的所需接触压力以及许多其他参数，用于监测在整体框上预装配加强板（cleats）的最佳条件。这保证了在线质量保证。

“Tempo ”子项目的进一步研发工作

在位于施塔德的Fraunhofer IFAM技术中心的 “Tempo ”子项目中，配备加强板（cleats）的整体框安装在近串联机身组装系统的机身外壳上。对整体框和机身蒙皮之间的接缝间隙的测量表明，它们都小于0.3毫米，不需要额外的间隙填充。

见解

为框的预组装、定位和钻孔而开发的端部执行器也可通过调整安装系统用于其他行业的部件组装，如风力涡轮机、轨道车辆、商用车、汽车或造船。

项目合作伙伴

空客公司（商用飞机）汉堡

项目出资人

经过三年半的时间，由德国联邦经济和能源部资助的研究项目“Impuls ”（“碳纤维增强塑料机身部件的创新、中期可实施和节省成本的解决方案”）于2020年结束，其中包括子项目“Tempo ”(“CFRP机身部件的高效组装和生产技术”）；BMWi资助编号：20W1526F。Fraunhofer IFAM感谢BMWi提供的资助。

---- 注：资料来自互联网。

杨超凡 2024.1.5