DLR结构与设计研究所推进热塑性复合材料机身技术

“LuFoV-3 TB-Rumpf”项目推进非热压罐热塑性复合材料机身技术

作为“LuFoV-3 TB-Rumpf”项目的一部分，德国航空航天中心（DLR）结构与设计研究所（BT研究所）正在与空客及其他研究机构合作，进一步开发和验证热塑性预浸料层压板的非热压罐固化和电阻焊技术，作为未来飞机机身的关键技术模块。

DLR BT研究所展示了一个完全集成的机身交叉演示件，包含蒙皮、弦条、框架和加强板。该演示件基于非热压罐（OOA）固化的弧形蒙皮，通过单一VCT工艺循环实现弦条共固化，并利用电阻焊集成框架和加强板。焊缝通过力学测试表征，并用光学显微镜进一步检查焊缝质量。

TB-Rumpf项目成熟OOA固化与焊接技术

连续纤维增强高温热塑性塑料（如聚芳醚酮PAEK）大面积构件的固化现状是热压罐固化。然而，通过优化工艺设置和定制工艺控制，仅利用温度和真空压力即可实现完全固化。使用自加热模具或烘箱可消除对热压罐的需求，从而带来成本优势。TB-Rumpf项目旨在成熟真空固化技术（VCT），并确定工艺极限，包括最大可能层压板厚度。

先进热塑性复合材料未来应用的另一关键技术是用于装配的焊接。DLR和空客将电阻焊确定为领先技术，因其能实现高强度结构。在TB-Rumpf项目中，正在优化电阻焊工艺及所需焊接元件，并通过结构测试验证接头和焊接复合层压板的力学性能。

真空固化技术（VCT）研究

DLR BT研究所项目负责人Matthias Horn解释，TB-Rumpf演示件采用单向碳纤维增强低熔点聚芳醚酮（LM-PAEK）。这种热塑性复合材料带材通过自动化铺丝（AFP）加工，使用库卡（德国奥格斯堡）机器人配备Doerth（德国）末端执行器和6千瓦激光器加热带材。

VCT非热压罐固化： DLR研究员Georg Doll表示：“目标是验证该工艺对厚层压板的可行性。我们已展示出厚度达11毫米、无气孔或其他缺陷的层压板良好结果，经金相切片和超声检测验证。成功的关键在于优化的VCT设置、定制加热循环以及均匀一致的预浸料质量。”

弦条加强元件的OOA共固化： 除了利用VCT生产无需热压罐的机身蒙皮面板外，TB-Rumpf项目还成功开发了在单一VCT工艺循环中将弦条加强元件与蒙皮直接集成的共固化技术。

弯曲和双曲面形状的AFP铺层： 作为VCT的补充工艺，激光基AFP工艺也被研究，包括工艺和材料极限（如最大带材转向），通过制造约800×1200毫米的双曲面层压板进行验证。这些制造试验结果可用于推进OOA固化以及原位固化（在AFP过程中无需二次操作即可实现）。

电阻焊技术

DLR研究员Simon Bauer表示：“为集成结构机身元件，从而使未来热塑性机身概念的生产成为可能，我们研究了电阻焊以提高工艺稳健性和优化强度值。重点在于基于碳纤维发热元件的优化焊接元件设置、改进的电传导，以及结合最佳焊接参数（如加热循环、温度、压力、电流和电压）。” 电阻焊用于将加强板连接到框架和弦条，以及将框架连接到蒙皮。

面向未来机身设计的技术模块

空客相关项目负责人Paul Jörn博士强调：“鉴于展示的技术成熟度，非热压罐固化和电阻焊均可在未来机身设计中发挥重要作用。”

为使技术更接近工业应用，未来将进一步研究更具挑战性的方面。对于真空固化，将关注尺寸放大和向双曲面轮廓的转移；对于电阻焊，将解决公差和自动化方面的问题。

本文展示的成果是在TB-Rumpf研究项目（FKZ: 20W1721D）框架下实现的，该项目属于德国联邦航空研究计划V-3，由德国联邦经济事务和能源部资助。

更多信息请访问 dlr.de/bt。