近期，德国弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所 ( Fraunhofer IWS) 在“新型生态飞机建造概念方面取得了重要进展”。作为欧盟“洁净天空2”(Clean Sky 2)研究计划的一部分，由欧盟清洁航空计划运营的“多功能机身演示器（Multi-Functional Fuselage Demonstrator，MFFD）”项目旨在评估热塑性复合材料在飞机机身结构中的潜在应用，其目标之一是利用热塑性塑料的可焊性作为机身的组装技术，以减少机械紧固件的使用。在该项目的框架下，IWS研究人员为碳纤维增强热塑性部件结构的无缝连接提供了概念验证。所开发的自动化工艺方法将世界上最大的由纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）打造的飞机机身的上下半部分连接在一起。除了节省劳动力外，Fraunhofer IWS开发的CONTIjoin工艺还可以大幅减少机身重量、使用材料和时间。因此，未来商用飞机的生产将变得更快、更环保和更具竞争力。研究人员将在6月5-9日举行的柏林国际航空航天展览会 (ILA 2024) 上展示他们的相关成果和技术。

在 MFFD 项目的“大型客机”(LPA) 框架计划中，由Fraunhofer IWS 粘接与纤维复合技术部门经理Maurice Langer 博士领导的团队使用 CO2 激光技术首次成功实现了大体积热塑性飞机纤维复合材料结构的长缝焊接。在 MFFD 的左侧，IWS 开发的工艺方法生产出由CFRTP制成的8m×4m飞机机身上下半部分之间的最终纵向接缝。所谓的CONTIjoin 工艺是指CO2 激光技术和高动态光束整形的结合，可实时控制激光功率以保持连接区域的温度恒定。同时，它能够自动调整焊接间隙中的光束形状。

图1. 在“大型客机”（LPA）框架系统下，Fraunhofer IWS 使用 CO2 激光光源在 MFFD 项目中首次在全球演示了大体积热塑性飞机纤维复合材料结构的长缝焊接。（Photo Credit:  CLEAN AVIATION)

图2. 在 MFFD 的左侧，IWS 开发的工艺方法生产出由CFRTP制成的8米×4米飞机机身部分上下半部分之间的纵向对接接头。（Photo Credit:  CLEAN AVIATION)

相较于传统工艺手段，这种创新的激光焊接技术省去了大量机械连接元件和材料的使用，从而显著降低了由热塑性复合材料制成的主体外壳的重量。这标志着采用新型热塑性高性能材料制造飞机迈出了里程碑的一步，因为它能够生产出高强度且具备可焊性的大型部件。挑战在于加工诸如聚芳醚酮( PAEK)之类的材料，PAEK是一种具有相对较高热变形温度的热塑性工程塑料。这些材料的传统制造工艺通常耗能且成本高昂。因此，IWS与项目合作伙伴空中客车公司合作开发了一种新型工艺，通过使用阶梯轴技术在高压釜外连接组件，同时实现复合材料卓越的强度性能。相较之下，传统工艺在这方面受到限制，尤其涉及高生产率和加工大体积航空航天部件结构。

图3. 在一个研究项目中，首次制造了全尺寸的热塑性 CFRP 材料制成的机身段，目的是对工艺可行性及其生态和经济方面的优缺点进行评估验证。结果证明，由热塑性复合材料制成的机身外壳比传统材料打造的壳体重量轻得多。（Photo Credit:  CLEAN AVIATION)

Langer 博士强调：“新材料的分类需要创新的生产方法。MFFD项目的目标是将机身重量减轻一吨。”在飞机的使用寿命内，更轻的重量和系统架构的集成度提高可以显著降低总能源需求、燃料消耗和二氧化碳、氮氧化物等空气污染物的排放。“通过Fraunhofer IWS开发的CONTIjoin工艺，我们已经成功地向着未来飞机的开发和相关应用迈出了重要的经济和生态步伐。Langer 补充道。

团队成功的关键是通过将多个层压带连续地叠放在一起，逐步将飞机机身的上下壳体连接起来。由此产生的搭接接头恢复了半壳之间纤维复合材料最初中断的力流，并形成了可靠的荷载传递接头。此外，CONTIjoin工艺的另一个特点是 CO2 激光波长的高吸收率。“因此，我们可以将各部件接口之间所需的能量降至最低，并省去后续的工艺步骤。”

IWS团队开发的“ESL2-100模块”也是一大亮点，它能够使研究人员处理各种传感器信号并实施相应的控制算法，由此提供了实时监控和自适应控制焊接过程的可能性。例如，除了控制焊接间隙的焊接温度外，研究人员还可以兼顾飞机半壳的位置、宽度和曲率等工艺参数。该装置还包括两个相互作用的运动单元，即所谓的末端执行器。每个末端执行器在其各自的线性轴系统上与其他末端执行器同步移动，以便对层压带压制过程中可能引起的振动或变形与激光系统的光束引导进行分离。

图4. 一项重要任务是连续精确地引导所施加的层压板，并以轮廓精确、宽度相关的方法将其压制到飞机半壳上。同时，必须引导激光束，并用高温计记录连接区域的温度。（Photo Credit:  CLEAN AVIATION)

目前，CONTIjoin工艺的技术开发和应用已成功通过由热塑性纤维复合材料制成的大型结构（如 MFFD项目）进行了展示。下一阶段的目标是提高技术成熟度级别 (TRL)，从而进一步满足其在航空工业领域的适用性。Langer 博士解释说：“ CONTIjoin工艺对飞机制造和其他行业都具有吸引力。除了航空业，该解决方案还可能对造船、卡车和拖车制造以及铁路运输或现代风力涡轮机的进一步发展产生重要影响。” 然而，需要攻克的一个挑战是验证热塑性复合材料和相应工艺在各个行业的接受度和使用情况。