近期，德國(guó)弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所 ( Fraunhofer IWS) 在新型生態(tài)飛機(jī)建造概念方面取得了重要進(jìn)展。作為歐盟“潔凈天空2”(Clean Sky 2)研究計(jì)劃的一部分，由歐盟清潔航空計(jì)劃運(yùn)營(yíng)的“多功能機(jī)身演示器（Multi-Functional Fuselage Demonstrator，MFFD）”項(xiàng)目旨在評(píng)估熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)中的潛在應(yīng)用，其目標(biāo)之一是利用熱塑性塑料的可焊性作為機(jī)身的組裝技術(shù)，以減少機(jī)械緊固件的使用。

在該項(xiàng)目的框架下，IWS研究人員為碳纖維增強(qiáng)熱塑性部件結(jié)構(gòu)的無縫連接提供了概念驗(yàn)證。所開發(fā)的自動(dòng)化工藝方法將世界上最大的由纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）打造的飛機(jī)機(jī)身的上下半部分連接在一起。除了節(jié)省勞動(dòng)力外，F(xiàn)raunhofer IWS開發(fā)的CONTIjoin工藝還可以大幅減少機(jī)身重量、使用材料和時(shí)間。因此，未來商用飛機(jī)的生產(chǎn)將變得更快、更環(huán)保和更具競(jìng)爭(zhēng)力。

減輕機(jī)身重量

研究人員稱，他們已經(jīng)成功地用激光焊接了一段 8 米長(zhǎng)的碳增強(qiáng)纖維制成的機(jī)身的兩段，這表明用這種方法制造超輕型客機(jī)將成為可能。

該演示由空客公司牽頭、多個(gè)弗勞恩霍夫研究所參與完成，為使用 CO2 激光無屑連接碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）組件結(jié)構(gòu)提供了概念驗(yàn)證。

德累斯頓弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所（IWS）的團(tuán)隊(duì)在多功能機(jī)身演示器（MFFD）項(xiàng)目（歐盟的 “Clean Sky 2” 研究計(jì)劃的一部分）下開展工作，他們表示，新穎的構(gòu)造方法和工藝將大大減輕重量、減少材料和時(shí)間。他們使用 CO2 激光源在高壓釜外對(duì)大體積熱塑性飛機(jī)纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)焊縫進(jìn)行焊接，這被認(rèn)為是世界首創(chuàng)的成就。

圖 1：作為 "Clean Sky 2" 項(xiàng)目的一部分，首次以全尺寸制造了由熱塑性 CFRP 材料制成的機(jī)身部分。其目的是對(duì)可行性以及生態(tài)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行有據(jù)可依的評(píng)估。熱塑性復(fù)合材料制成的機(jī)身外殼重量大大低于傳統(tǒng)型材。照片來源：Clean Aviation。

團(tuán)隊(duì)經(jīng)理 Maurice Langer 和他的同事說：“在 MFFD 的左側(cè)，弗勞恩霍夫 IWS 研發(fā)的工藝方法在一個(gè)八米乘四米的飛機(jī)機(jī)身部分，用碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料制作了上下兩段機(jī)身之間的最終縱向接縫--全尺寸的接縫。所謂的 CONTIjoin 工藝是 CO2 激光技術(shù)和高動(dòng)態(tài)光束整形技術(shù)的結(jié)合，它能實(shí)時(shí)控制激光功率，以保持連接區(qū)域的溫度恒定。與此同時(shí)，它還能自動(dòng)調(diào)整焊接間隙中的光束形狀。”

德累斯頓的研究團(tuán)隊(duì)表示，10.6 µm CO2 激光波長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用，因?yàn)榕c目前廣泛用于工業(yè)焊接的 1 µm 光纖激光器相比，10.6 µm CO2 激光波長(zhǎng)的光學(xué)吸收率要高得多。使用激光意味著不需要機(jī)械連接元件和材料加倍經(jīng)典鉚接重疊接頭，因此由熱塑性復(fù)合材料制成的機(jī)身外殼的重量大大低于傳統(tǒng)型材。

IWS 團(tuán)隊(duì)指出：“這標(biāo)志著使用新型熱塑性高性能材料制造飛機(jī)邁出了重要一步，因?yàn)樗�使生產(chǎn)高強(qiáng)度和可焊接的大型部件成為可能。”

Langer 補(bǔ)充說：“這些材料的傳統(tǒng)制造工藝往往能源密集、成本高昂。因此，我們與項(xiàng)目合作伙伴空客公司共同開發(fā)了一種工藝，可以利用階梯軸技術(shù)在高壓釜外連接部件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合材料的優(yōu)異強(qiáng)度性能。新型材料需要?jiǎng)?chuàng)新的生產(chǎn)方法。MFFD 的公開目標(biāo)是將機(jī)身重量最多減輕一噸。在飛機(jī)的整個(gè)運(yùn)行壽命期間，重量的大幅減輕將顯著降低總體能源需求、燃料消耗和相關(guān)排放。通過弗勞恩霍夫 IWS 開發(fā)的 CONTIjoin 工藝，我們成功地為未來的飛機(jī)開發(fā)和相關(guān)應(yīng)用邁出了經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面的重要一步。”

該項(xiàng)目的關(guān)鍵要素之一是通過在半殼體表面以階梯式幾何形狀自動(dòng)連續(xù)放置多條層壓帶，將飛機(jī)機(jī)身的上下殼體階梯式連接起來。IWS 團(tuán)隊(duì)解釋說：“由此產(chǎn)生的重疊接頭恢復(fù)了纖維復(fù)合材料在半殼之間最初中斷的力流，形成了可靠的載荷傳遞接頭。” CO2 激光源的吸收率較高，這也意味著單個(gè)組件之間的界面所需的能量可以降到最低，這樣就省去了通常需要的后續(xù)加工步驟。

持續(xù)提高技術(shù)成熟度級(jí)別并擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域

另一項(xiàng)關(guān)鍵開發(fā)是 IWS 團(tuán)隊(duì)在德累斯頓工廠自行開發(fā)的 "ESL2-100 模塊"。據(jù)負(fù)責(zé)高速激光加工的 IWS 團(tuán)隊(duì)經(jīng)理 Peter Rauscher 介紹，該模塊可以解讀各種傳感器信號(hào)，從而實(shí)施相應(yīng)的控制算法。

Rauscher 說：“這為實(shí)時(shí)監(jiān)控和自適應(yīng)控制焊接過程提供了可能，而傳統(tǒng)的控制電子設(shè)備則無法做到這一點(diǎn)。例如，除了控制沿焊接間隙的焊接溫度外，我們還能考慮到飛機(jī)半殼的位置、寬度和曲率。”

圖 2：在 MFFD 的左側(cè)，使用弗勞恩霍夫 IWS 開發(fā)的激光焊接工藝，完成了八米乘四米的碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）上半部分和下半部分之間的縱向?qū)��?-全尺寸。照片來源：Clean Aviation。

未來的計(jì)劃將著眼于提高該方法的技術(shù)就緒水平（TRL），以獲得航空業(yè)及其他行業(yè)的資格認(rèn)證。

Langer 指出：“開發(fā)的 CONTIjoin 技術(shù)對(duì)飛機(jī)制造和其他行業(yè)都很有吸引力。除了航空業(yè)，該解決方案在造船、卡車和拖車制造、鐵路運(yùn)輸或現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展中也有應(yīng)用價(jià)值。”

文章來源：激光界

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