多功能机身示范机（MFFD）上半段制造：先进制造洞见

本文系德国航空航天中心（DLR，斯图加特和奥格斯堡）去秋图慕尼黑工大研讨会演讲及CW同期摘要"多功能机身示范机（MFFD）推进"的后续。项目也见于ITHEC 2020第3天Lars Larsen演讲："面向未来机身结构无粉尘装配的机器人连续超声焊工艺数据驱动推进"。

Larsen指出："核心挑战是证明自动化能大幅降低生产成本。"MFFD上半段含原位固结自动铺带/纤维铺放（ATL/AFP）避免高压釜，无粉尘/无屑焊接装配。"这将改变未来部件与总装序列，"Larsen说，"允许系统在装配前集成。"因焊接不产生切屑碎屑，不损伤预装分布式电力、内饰等系统。

基于对DLR结构与设计研究所（BT，斯图加特）部件设计制造技术负责人Sebastian Nowotny及DLR轻量化生产技术中心（ZLP，奥格斯堡）热塑性复合材料生产技术负责人、MFFD上半段项目经理Frederic Fischer的采访。

结构、客舱与系统一体化

Nowotny回顾MFFD上半段源起："Clean Sky 2启动首轮征集，2015年我们中标ICASUS项目，属大型客机（LPA）计划合作项目。核心聚焦多功能机身设计。当时非热塑性复合材料。主旨将机身、客舱、系统、结构融合在单一设计流程。该工作现演变为MFFD，成上半壳项目技术支撑。"

ICASUS项目

旨在开发下一代多功能高度集成机身解决方案。现单通道飞机制造装配由昂贵耗时的顺序步骤驱动，主要部件装配（MCA）和最终装配线（FAL）是阻碍加速的瓶颈。ICASUS开发新制造装配概念，目标：月产60架；机身经常性成本较A321 ACF降€100万；机身减重1公吨。方法：融合原本自治的客舱/货舱、系统、结构学科，达功能需求最优集成；驱动力：低重量系统与架构集成显著降油耗；需多学科整体优化、全息工业4.0方法；面向自动化制造设计、自动化、传感、数据分析、安全数据交换。制造MFFD主要目标：验证多功能复合结构高性价比大批量生产，推进热塑性CFRP接头（如焊接）认证概念。

Nowotny解释融合路径："仍有各学科及需求，但核心是早期协作。严格飞机机身设计规则造成限制，阻碍全局最优。初衷是建立协同设计流程寻找全局最优，而非先客舱后结构再系统。虽涉及认证非易事。" Fischer补充："持续过程，建立数字平台，欧洲合作伙伴汇聚单一数字设计。推进MFFD集成设计历时数年。我们交付含客舱系统挂接预留的上半壳，愿景是交付全装备大型部件革新总装。"

DLR虽参与设计，但制造项目最终批准在2019年。联合体：Airbus任MFFD总牵头，Premium Aerotec（奥格斯堡）任工业结构设计牵头供机身框，Aernnova（西班牙维多利亚-加斯泰伊兹）造弦条，DLR牵头蒙皮铺设与焊接技术开发。Fischer称过去一年"精炼上半段设计确保选定技术可制造"。

原位固结

下半段用ATL/AFP+高压釜固结，上半段用原位固结ATL/AFP。Fischer："为最大化项目产出，挑战基线，利用机会采用互补技术。" Nowotny："证明是极有前景的精益生产减步骤方法，但无单一工艺适用所有场景，仍需逐件决定最优工艺。"

双焊接工艺

上半段采用两种焊接技术。Fischer："机器人连续超声焊用于弦条，最适合超长接头特别是弦条构型。电阻焊用于机身框集成。"基于与Premium Aerotec早期深度分析，评估不同焊接场景、部位、位置。

DLR开发的连续超声焊用标准工业机器人，焊接末端执行器含预压辊、25mm直径超声换能器、后压实单元，多传感器支持在线监控。利用机器人操作可焊接多种几何，如曲面后压力隔框、Omega弦条焊接蒙皮。

Fischer指出："两工艺一连续一间歇。8米长Z弦条用连续超声焊；框缘焊接蒙皮涉及高复杂可及性与公差管理，用电阻焊。将电阻焊元件预装配框几何，气动夹具闭合接触触发焊接。" Nowotny补充电阻焊成熟度最高、强度最高，匹配框-加强筋接头高载荷，且同时焊接框-蒙皮、加强筋-框、加强筋-弦条。

Fischer："2017 JEC展示通用件夹具集成。" Nowotny："2005-2008年与空客不来梅高升力部门HISYS项目用PEEK热塑性电阻焊，将肋条焊蒙皮工艺推至TRL 5。基础成熟，现聚焦工艺适配、自动化、稳健性。" 关键赋能因素：证明焊接技术商业化就绪，含自动化、编程、质量保证。核心课题：如何知焊接好？建立工艺数据证明长期性能，避免后续NDT超声检查或总装整体检查。开发工业化质量保证是项目主目标。

转向LM PAEK

MFFD初用碳纤/PEKK，2019年3月第10轮征集（CFP10）基线材料切换为碳纤/PAEK。PAEK为PEEK、PEKK、LM PAEK所属聚合物家族。Fischer："已用于多次制造试验，对超声焊和电阻焊性能均颇具前景。材料仍在开发，欧洲合作伙伴与材料供应商建立共同交流机制分享经验教训、制定加工指南。" Nowotny："材料选择增多是好事，多年前仅Cytec APC-2。欧洲有时买不到。现多供应商活跃开发材料与工艺。如Victrex在2020图慕尼黑研讨会展示增材制造优化，也有AFP原位固结优化、高压釜二次固结、各类OOA工艺优化。更多活动增加各工艺获优质材料概率。"

时间表与下一步

Fischer："中间演示器设计制造流程基本完成——A320直径、两框跨、950mm宽——2021年初造小半壳。启动全尺寸上半壳工装采购，升级技术确保2022年按时产出全尺寸上半壳。" 涉及装配公差：上下半壳纵向接缝设计已久，需确保生产公差满足要求。

Fischer总结："上半壳核心故事是演示热塑性复合材料最高效生产路径，铺平与铝竞争未来飞机之路。DLR已在与Premium Aerotec开发焊接热塑性后压力隔框（2018/2019展示）中证明。焊接与精益生产是热塑性关键赋能因素。现在必须将技术从实验室推向工业。为让工业信服焊接技术真可用，必须展示其可自动化、可预测、可控、实生产任务中可靠。这正是我们在做的事。"