近期，德國弗勞恩霍夫材料與光束技術研究所 ( Fraunhofer IWS) 在新型生態(tài)飛機建造概念方面取得了重要進展。作為歐盟“潔凈天空2”(Clean Sky 2)研究計劃的一部分，由歐盟清潔航空計劃運營的“多功能機身演示器（Multi-Functional Fuselage Demonstrator，MFFD）”項目旨在評估熱塑性復合材料在飛機機身結構中的潛在應用，其目標之一是利用熱塑性塑料的可焊性作為機身的組裝技術，以減少機械緊固件的使用。

在該項目的框架下，IWS研究人員為碳纖維增強熱塑性部件結構的無縫連接提供了概念驗證。所開發(fā)的自動化工藝方法將世界上最大的由纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）打造的飛機機身的上下半部分連接在一起。除了節(jié)省勞動力外，Fraunhofer IWS開發(fā)的CONTIjoin工藝還可以大幅減少機身重量、使用材料和時間。因此，未來商用飛機的生產將變得更快、更環(huán)保和更具競爭力。

減輕機身重量

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

該演示由空客公司牽頭、多個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熱塑性塑料（CFRTP）組件結構提供了概念驗證。

德累斯頓弗勞恩霍夫材料與光束技術研究所（IWS）的團隊在多功能機身演示器（MFFD）項目（歐盟的 “Clean Sky 2” 研究計劃的一部分）下開展工作，他們表示，新穎的構造方法和工藝將大大減輕重量、減少材料和時間。他們使用 CO2 激光源在高壓釜外對大體積熱塑性飛機纖維復合材料結構的長焊縫進行焊接，這被認為是世界首創(chuàng)的成就。

圖 1：作為 "Clean Sky 2" 項目的一部分，首次以全尺寸制造了由熱塑性 CFRP 材料制成的機身部分。其目的是對可行性以及生態(tài)和經濟方面的優(yōu)缺點進行有據可依的評估。熱塑性復合材料制成的機身外殼重量大大低于傳統型材。照片來源：Clean Aviation。

團隊經理 Maurice Langer 和他的同事說：“在 MFFD 的左側，弗勞恩霍夫 IWS 研發(fā)的工藝方法在一個八米乘四米的飛機機身部分，用碳纖維增強熱塑性塑料制作了上下兩段機身之間的最終縱向接縫--全尺寸的接縫。所謂的 CONTIjoin 工藝是 CO2 激光技術和高動態(tài)光束整形技術的結合，它能實時控制激光功率，以保持連接區(qū)域的溫度恒定。與此同時，它還能自動調整焊接間隙中的光束形狀。”

德累斯頓的研究團隊表示，10.6 µm CO2 激光波長起著關鍵作用，因為與目前廣泛用于工業(yè)焊接的 1 µm 光纖激光器相比，10.6 µm CO2 激光波長的光學吸收率要高得多。使用激光意味著不需要機械連接元件和材料加倍經典鉚接重疊接頭，因此由熱塑性復合材料制成的機身外殼的重量大大低于傳統型材。

IWS 團隊指出：“這標志著使用新型熱塑性高性能材料制造飛機邁出了重要一步，因為它使生產高強度和可焊接的大型部件成為可能。”

Langer 補充說：“這些材料的傳統制造工藝往往能源密集、成本高昂。因此，我們與項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在高壓釜外連接部件，同時實現這種復合材料的優(yōu)異強度性能。新型材料需要創(chuàng)新的生產方法。MFFD 的公開目標是將機身重量最多減輕一噸。在飛機的整個運行壽命期間，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開發(fā)和相關應用邁出了經濟和生態(tài)方面的重要一步。”

該項目的關鍵要素之一是通過在半殼體表面以階梯式幾何形狀自動連續(xù)放置多條層壓帶，將飛機機身的上下殼體階梯式連接起來。IWS 團隊解釋說：“由此產生的重疊接頭恢復了纖維復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)提高技術成熟度級別并擴大應用領域

另一項關鍵開發(fā)是 IWS 團隊在德累斯頓工廠自行開發(fā)的 "ESL2-100 模塊"。據負責高速激光加工的 IWS 團隊經理 Peter Rauscher 介紹，該模塊可以解讀各種傳感器信號，從而實施相應的控制算法。

Rauscher 說：“這為實時監(jiān)控和自適應控制焊接過程提供了可能，而傳統的控制電子設備則無法做到這一點。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半殼的位置、寬度和曲率。”

圖 2：在 MFFD 的左側，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熱塑性塑料（CFRTP）上半部分和下半部分之間的縱向對接--全尺寸。照片來源：Clean Aviation。

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

Langer 指出：“開發(fā)的 CONTIjoin 技術對飛機制造和其他行業(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、鐵路運輸或現代風力渦輪機的進一步發(fā)展中也有應用價值。”

文章來源：激光界

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