在飞机结构中使用热塑复材代替铝

几十年来，铝一直在飞机制造中占据主导地位，并在这段时间内不断优化生产。然而，这种方法已不足以实现可持续、气候友好的航空运输。各级都需要新的解决方案，以使航空旅行业更加可持续。德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt；DLR）与Premium AEROTEC、空中客车和Aernnova合作，现已证明在材料和生产方面可以实现一场革命。合作伙伴共同开发了一种完全由碳纤维增强热塑性塑料制成的机身部件。特殊塑料（LM_PAEK）使部件不易损坏，比铝制部件轻约一吨。为生产和组装开发了全新的技术，实现了成本效益高、资源高效的工艺，并将能耗降至最低。

MFFD–多功能机身演示器

奥格斯堡的德国航空航天中心制造了一个机身半壳，即飞机机身的上半部分，目的是研究所用材料并展示必要的技术。该原型被称为多功能机身演示器（MFFD），长8米，是欧洲清洁天空2号研究计划中大型客机计划的一部分。目标是将飞机机身重量减少10%，运营成本减少20%，以期每月生产60至100架飞机。2023年7月18日，MFFD项目合作伙伴成功交付了上壳体。

德国航空航天中心航空分部委员会成员Markus Fischer表示：“为了实现气候友好型飞行，现有飞机的效率必须在本世纪中叶翻一番——通过轻型系统建设等方法。”。“由纤维增强热塑性塑料制成的上机身外壳目前已在奥格斯堡的德国航空航天中心制造，这是一个有希望的里程碑，其尺寸也是前所未有的。”

热塑性塑料或热塑性碳纤维增强聚合物（CFRP）具有特殊性能。虽然它们在冷却时保持稳定的形状，但如果在一定的温度范围内重新加热，它们可以被重塑。这意味着部件可以比以前更有效地进行维修和回收。热塑性CFRP上壳的设计由Premium AEROTEC与其他项目合作伙伴共同设计。自动化生产和机器人工具主要在位于奥格斯堡的德国航空航天中心轻量化生产技术中心（Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie；ZLP）开发。研究人员已经将三项基本技术推向成熟——基于激光的原位纤维铺设、连续超声波焊接和电阻焊接。

激光、超声波和电流

为了生产飞机的外皮，德国航空航天中心团队使用了一个倒置的机器人，该机器人使用激光精确加热材料条并将其分层应用，制成纤维增强塑料层压板。材料损耗最小，因此该系统具有资源效率。在平衡成本时，这一点很重要，因为碳纤维增强塑料的成本远高于铝。由碳增强复合材料制成的飞机部件需要在高压釜中进行后续固化，但这已不再必要。这将生产时间缩短了40%，从而进一步降低了成本。

在下一个生产步骤中，外层蒙皮必须安装纵向加强筋。44根桁条没有铆接，而是用超声波焊接在部件上——这是世界上第一次。为了做到这一点，ZLP团队让一个机器人沿着桁条移动，并进行高精度的自动路径校正。这种方法明显快于传统的机械过程。与随后的连接技术一样，它具有不产生切屑或灰尘的优点，因此部件可以预先组装，机身外壳在最终组装之前不需要连接在一起。对于金属结构，切屑可能会损坏飞机机身中的液压、电气或其他装置。

DLR团队开发的第三项技术与横向加劲肋的安装有关。使用电流加热肋，并使用专门开发的工具进行电阻焊接。该工艺非常稳健，可提供最高的焊接强度。与铝相比，热塑性CFRP减少了生产时间，从而降低了制造成本。由于没有孔，承载飞机的蒙皮保持完整无尘。

奥格斯堡团队加强了电阻焊接工艺，将纵向加强筋连接到横梁上。由于这项工作非常详细，而且在极其狭窄的条件下进行，他们将标准机器人与小型轻型机器人相结合。灵活控制的“cobot”能够自动与框和桁条对齐，并快速准确地焊接数十个连接元件。

计划和潜力

ZLP的DLR项目经理弗雷德里克·费舍尔（Frederic Fischer）表示：“无论是在专业上还是对我个人来说，这都是一个极具挑战性的项目。”。“在短短几年内，我们在MFFD上壳上的工作已经为几十年来在航空领域证明自己的技术带来了可能的替代品。我对即将采取的措施感到兴奋，但有信心我们正走在正确的轨道上，因为轻型结构对未来的航空运输将变得更加重要。”

凭借MFFD，德国航空航天中心成功生产出了世界上最大的由纤维增强热塑性塑料制成的飞机部件。该项目开发的技术成熟度显著提高，生态足迹非常低。因此，德国航空航天中心为气候友好型飞行做出了重大贡献。正如目前的项目所示，奥格斯堡的ZLP已经为开发下一代飞机奠定了最好的基础。这项技术示范提高了地区、国家和欧洲层面的竞争力。

自6月中旬以来，机身半壳一直在项目合作伙伴Premium AEROTEC的经营场所，该公司在其奥格斯堡工厂完成了门框的最后阶段和安装。在成功交付后，该部件目前正被运输到斯塔德的弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所（Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung；IFAM），在那里它将与荷兰的下壳体（STUNNING项目）连接，在年底前形成一个完整的机身壳体部件。然后，空中客车公司将在汉堡的应用航空研究中心（Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung；ZAL）对这些技术进行最终验证和验证。

MFFD——未来的热塑性机身多功能机身演示器（MFFD）长8米，直径4米。该飞机部件由热塑性碳纤维增强塑料制成。机身上半部的原型是在奥格斯堡的德国航空航天中心制造的，目的是测试创新材料和新技术，以确定其是否适合实际应用。

奥格斯堡DLR ZLP的自动化制造多功能机身演示器（MFFD）的制造技术和机器人工具主要是在奥格斯堡的德国航空航天中心轻量化生产技术中心（Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie；ZLP）开发的。这张图显示了“多牵引铺设头”机器人使用激光加热材料条并将其放置以生产飞机蒙皮。这种自动纤维沉积和原位固结技术特别快速有效。

飞机机身蒙皮

将材料条分层放置，形成纤维增强塑料层压板。为了节约资源，尽量减少材料浪费。

超声波焊接代替钻孔和铆接机身的纵向长桁没有像往常一样铆接，而是使用超声波连续焊接到蒙皮上。

“焊接桥”连接工具正在运行机身的横向框不是铆接到飞机蒙皮上，而是使用电流进行电阻焊接。DLR-ZLP为此开发了一种特殊工具，称为“焊接桥”。

运输前的上壳体组件多功能机身演示器（MFFD）长8米，直径4米。该飞机部件由热塑性碳纤维增强塑料制成。原型是在奥格斯堡的德国航空航天中心制造的，用于测试创新材料和新技术，以确定其实际应用的准备情况。这张照片显示了奥格斯堡DLR-ZLP的机身外壳，不久后它从机身外壳工装中吊出来，运输到德国斯塔德上下壳体组合。

编后语

 商飞C919热固复材用量是机体重量的12.5%，而且还是购买苏威（Solvay）的材料。当下，C929正准备用51%复材，始料不及的是，空客已经验证了热塑性复材可以制造机身，同时采用焊接替代铆接，达到无尘连接。C929的51%复材中将有多少是热塑性复材?

原文见：

《MFFD – Production Technology for the Thermoplastic   Fuselage of Tomorrow》

《MFFD – using thermoplastics to replace aluminium in   aircraft construction 》 2023.7.18 

来源：  复材邦 杨超凡   2024.3.14