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。

减轻机身重量

研究人员称，他们已经成功地用激光焊接了一段 8 米长的碳增强纤维制成的机身的两段，这表明用这种方法制造超轻型客机将成为可能。

该演示由空客公司牵头、多个弗劳恩霍夫研究所参与完成，为使用 CO2 激光无屑连接碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）组件结构提供了概念验证。

德累斯顿弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所（IWS）的团队在多功能机身演示器（MFFD）项目（欧盟的 “Clean Sky 2” 研究计划的一部分）下开展工作，他们表示，新颖的构造方法和工艺将大大减轻重量、减少材料和时间。他们使用 CO2 激光源在高压釜外对大体积热塑性飞机纤维复合材料结构的长焊缝进行焊接，这被认为是世界首创的成就。图 1：作为 "Clean Sky 2" 项目的一部分，首次以全尺寸制造了由热塑性 CFRP 材料制成的机身部分。其目的是对可行性以及生态和经济方面的优缺点进行有据可依的评估。热塑性复合材料制成的机身外壳重量大大低于传统型材。照片来源：Clean Aviation。

团队经理 Maurice Langer 和他的同事说：“在 MFFD 的左侧，弗劳恩霍夫 IWS 研发的工艺方法在一个八米乘四米的飞机机身部分，用碳纤维增强热塑性塑料制作了上下两段机身之间的最终纵向接缝--全尺寸的接缝。所谓的 CONTIjoin 工艺是 CO2 激光技术和高动态光束整形技术的结合，它能实时控制激光功率，以保持连接区域的温度恒定。与此同时，它还能自动调整焊接间隙中的光束形状。”

德累斯顿的研究团队表示，10.6 µm CO2 激光波长起着关键作用，因为与目前广泛用于工业焊接的 1 µm 光纤激光器相比，10.6 µm CO2 激光波长的光学吸收率要高得多。使用激光意味着不需要机械连接元件和材料加倍经典铆接重叠接头，因此由热塑性复合材料制成的机身外壳的重量大大低于传统型材。

IWS 团队指出：“这标志着使用新型热塑性高性能材料制造飞机迈出了重要一步，因为它使生产高强度和可焊接的大型部件成为可能。”

Langer 补充说：“这些材料的传统制造工艺往往能源密集、成本高昂。因此，我们与项目合作伙伴空客公司共同开发了一种工艺，可以利用阶梯轴技术在高压釜外连接部件，同时实现这种复合材料的优异强度性能。新型材料需要创新的生产方法。MFFD 的公开目标是将机身重量最多减轻一吨。在飞机的整个运行寿命期间，重量的大幅减轻将显著降低总体能源需求、燃料消耗和相关排放。通过弗劳恩霍夫 IWS 开发的 CONTIjoin 工艺，我们成功地为未来的飞机开发和相关应用迈出了经济和生态方面的重要一步。”

该项目的关键要素之一是通过在半壳体表面以阶梯式几何形状自动连续放置多条层压带，将飞机机身的上下壳体阶梯式连接起来。IWS 团队解释说：“由此产生的重叠接头恢复了纤维复合材料在半壳之间最初中断的力流，形成了可靠的载荷传递接头。” CO2 激光源的吸收率较高，这也意味着单个组件之间的界面所需的能量可以降到最低，这样就省去了通常需要的后续加工步骤。

持续提高技术成熟度级别并扩大应用领域

另一项关键开发是 IWS 团队在德累斯顿工厂自行开发的 "ESL2-100 模块"。据负责高速激光加工的 IWS 团队经理 Peter Rauscher 介绍，该模块可以解读各种传感器信号，从而实施相应的控制算法。

Rauscher 说：“这为实时监控和自适应控制焊接过程提供了可能，而传统的控制电子设备则无法做到这一点。例如，除了控制沿焊接间隙的焊接温度外，我们还能考虑到飞机半壳的位置、宽度和曲率。”图 2：在 MFFD 的左侧，使用弗劳恩霍夫 IWS 开发的激光焊接工艺，完成了八米乘四米的碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）上半部分和下半部分之间的纵向对接--全尺寸。照片来源：Clean Aviation。

未来的计划将着眼于提高该方法的技术就绪水平（TRL），以获得航空业及其他行业的资格认证。

Langer 指出：“开发的 CONTIjoin 技术对飞机制造和其他行业都很有吸引力。除了航空业，该解决方案在造船、卡车和拖车制造、铁路运输或现代风力涡轮机的进一步发展中也有应用价值。”

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