用于高速生產和減輕重量的熱塑性結構

弗勞恩霍夫協會與清潔天空2/清潔航空項目“大型客機”（“LPA- Large Passenger Aircraft”）的合作伙伴合作，首次在全球范圍內成功證明，飛機機身的自動化兼容熱塑性塑料制造方法既提高了高速生產的生產效率，又顯著減輕了重量，從而使每次飛行的二氧化碳排放量減少了540公斤。該項目實現了10%的重量減輕和10%的生產成本節約，但遠未充分發揮新設計與自動化生產相結合的潛力。

預集成結構和系統組件的自動化組裝和連接過程

弗勞恩霍夫協會的貢獻包括將全尺寸上殼與相應下殼的組裝自動化，以形成直徑為4米的8米長的“MFFD”機身段，以及開發用于熱塑性CFRP接頭的激光焊接和間隙填充工藝。

自動化方面的特殊挑戰是，盡管組件尺寸很大，但精度要求很高，以及高連接力的管理和有限的可訪問性。機身內部的這些局限性是由于兩個180°殼體與結構和系統部件幾乎完全預集成的開創性方法造成的。與目前在機身關閉后裝備機艙和貨物區域的方法相比，它為自動化、高速生產提供了相當大的優勢。

通過焊接連接熱塑性塑料

為了避免碳纖維含塵，在殼體精加工過程中已經使用了各種焊接工藝，而不是通常的鉆孔和鉚接工藝，這也是選擇新型熱塑性碳纖維復合材料的原因。

因此，機身段裝配的自動化特征是兩個半殼相對于彼此的精確定位以及上殼的單獨幾何優化。這確保了機身縱向接縫的連接區域可靠地低于焊接工藝允許的所需公差。焊接過程中外部產生的高連接力被自動壓力工作站吸收并消散在機身內部，以防止損壞CFRP結構。

只有當定位、提供額外的連接元件、加熱、間隙填充和壓制等部分平行和部分順序的運行子過程在時間和空間上由中央控制系統精確協調和監控時，才能保證完美的接頭。因此，所使用的兩種焊接工藝，一種縱向焊縫的CO2激光焊接和另一種縱向接縫的超聲波焊接，都有望達到高度的完美。

飛機制造和…

所獲得的結果為未來的飛機生產開辟了一系列新的選擇，主要是使用輕質熱塑性碳纖維增強塑料材料，并結合適用于該材料的連接工藝。與以前常見的鉚接接頭的集中載荷不同，它具有表面寬的力傳遞，這允許在較低的壁厚下具有相同的強度，從而進一步減輕結構重量，分別節省更多的燃料。與現狀相比，在關閉機身之前預先集成外殼使自動化過程管理變得更加容易，從而可以進一步降低時間要求和成本，以實現高速生產。

…其他分支

結合從“MFFD”演示器中獲得的知識，弗勞恩霍夫協會將為感興趣的公司提供成熟的技術模塊用于工業化。其他技術將被納入后續的研究項目，以便在未來的生產中以更低的資源消耗實現更大的效率提高。除了飛機機身，目標結構還包括垂直尾翼和低溫氫氣儲罐系統。在航空業之外，陸地或海上交通工具也是技術轉讓的重點。

致謝

所述結果由弗勞恩霍夫與項目合作伙伴合作開發（見https://s.fhg.de/9T4). 弗勞恩霍夫感謝項目合作伙伴的成功合作以及歐盟委員會的資助。

 

約克·羅斯(YorkRoth)（空中客車公司）很高興代表所有MFFD項目合作伙伴（f.l.t.r）與LarsLarsen（DLR）、喬斯特·庫普曼(JoostKoopman)（GKNFokker Aerospace）和本杰明·迪爾(BenjaminDiehl)（FraunhoferGesellschaft）一起獲得2025年JEC復合材料創新獎。

 

位于施泰德的弗勞恩霍夫協會的“MFFD”熱塑性機身外殼裝配研究平臺。黃色的六足機器人清晰可見，用于保持和高精度調整上殼的形狀和位置。

 

位于施泰德的弗勞恩霍夫協會通過熱塑性焊接連接的“MFFD”飛機機身段。

原文，《JECComosites Innovation Award 2025 for the Multi Functional FuselageDemonstrator -MFFD》2025.1.13

楊超凡 2025.3.5