无芯纤维缠绕工艺概述、应用与发展

从 20 世纪 40 年代开始，化学工业和复合材料的进步彻底改变了制造业，在航空航天、汽车和消费品行业实现了新的轻质高强应用。然而，由于数字化程度低、设计和工程方法集成度低，复合材料未能对建筑施工行业产生重大影响。研究发现，制造方法的可扩展性有限，以及工艺自动化不足是建筑复合材料学术的研究空白。不过，这些不足可以通过针对新型复合材料结构的特定建筑设计、制造方法和建筑法规得到缓解。

无芯纤维缠绕（Coreless Filament Winding，CFW)于2012年由斯图加特大学的计算设计研究所和建筑结构与结构设计研究结合工程方法和计算机设计首次合作开发。

Serban Bodea 在他的博士论文《用于轻质建筑构件的升级版机器人无芯缠绕法》中，介绍了无芯缠绕法（CFW）的升级和自动化策略，这是一种将纤维缠绕应用于建筑的方法。CFW 是一种制造方法，它依赖于缠绕在空间支撑物上的自由伸展纤维的各向异性机械特性，无需模具即可制造出高效的承重结构。通过对建筑应用中机器人无芯缠绕技术要求的最新研究，为建筑施工提供了支持。

无芯纤维缠绕工艺是从制造圆柱形缠绕复合材料罐发展而来的。工业机器人不使用放置纤维的芯轴或模具，而是将连续的浸渍纤维缠绕在多个空间排列的缠绕销钉上（下图）。纤维在这些锚点之间自由穿梭，只相互影响。这样就可以调整纤维网，从而调整每个组件的结构特征，而无需改变任何硬件。使用的热固性树脂需要在烘箱中固化，以形成自支撑复合材料组件。在生产过程中，只需拧下栓钉，就可以将其从固定栓钉的绕线架上取下。销钉留在组件中的唯一部分是一个金属套筒，用作负载传输元件。

图  用于制造 BUGA 复合材料部件的机器人无芯缠绕装置：1、工业机器人（6 轴）；2、机器人安装的纱架；3、纤维张紧机构；4、机器人缠绕末端执行器；5、缠绕框架；6、连续钢管；7、单轴定位器（外部轴）；8、H 型钢梁；9、下层玻璃纤维体；10、碳纤维增强材料

现有的机器人无芯绕丝（RCFW）预制方法可以成功升级并用于大型、大跨度承重结构。此外，论文还提出了一种推进现有过程监控和质量控制方法的方法，命名为网络物理 RCFW (CPRCFW)。论文通过两个具有代表性的任务来研究这两个目标：(1) 验证 RCFW 方法的可扩展性及其工业化潜力，(2) 开发用于质量控制的 CPRCFW 方法，集成绕组过程自动化、过程监控、数据采集和分析。每个目标都是通过研究和开发硬件（包括制造装置和工具）和软件（包括 CAD 实现的工业机器人运动规划和控制算法）来实现的。这些目标通过组件和建筑规模的大型演示进行了验证，说明了研究成果如何有助于使 RCFW 成为复合材料建筑应用中工业验证技术的有效替代品。

二、无芯纤维缠绕工艺应用案例

1、BUGA 纤维展亭

展亭由斯图加特大学的两个研究所设计，即计算设计与建筑研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）。批量生产在 FibR GmbH 公司进行。演示的目的是展示网络物理设计和制造过程如何充分利用新型复合材料建筑系统来优化结构的材料效率。此外，这也是首次通过建筑主管部门的授权程序；在一年内获得了 "个案批准"。

展亭的支撑结构由 RCFW 工艺生产的 60 个 C/GFRP 复合材料组件组成。这些组件通过缠绕套管与角钢连接件用螺栓连接在一起。此外，连接件还起到公差补偿的作用。穹顶位于 11 个环形排列的地基上。在复合结构的上方，乙烯-四氟乙烯（ETFE）箔被固定在一个金属铰链支架上，这部分保护了组件和 400 平方米的覆盖表面，使其免受风吹、日晒和降水的影响。凉亭的底座直径为 23 米，最大高度为 7 米，单位建筑面积重量仅为 7.6 千克/平方米。

新型 BUGA 建筑系统的一个关键要素是无芯缠绕复合材料组件。它改进了缠绕框架与复合材料组件之间的解耦，并提高了框架的适应性。因此，可在制造迭代之间调整组件的长度，并设置法兰的角度。这样，BUGA 展亭使用的建筑系统就有了六种不同的配置。该建筑系统的每个组件都呈双曲面形状。纤维网形成了一个管状贝壳状复合结构，其椭圆形横截面可通过纤维合成法进行调整。

2、行星遮阳卫星

气候变化要求探索创新的地球工程解决方案来减缓其影响，其中一种解决方案是在日地拉格朗日点 1 部署行星遮阳卫星，以直接调节地球上的太阳辐射。然而，这种大跨度空间结构带来了独特的技术挑战，特别是结构可扩展性、在轨制造和原位资源利用。研究人员提出了遮阳板箔片支撑系统的结构概念，并由此推导出使用无芯缠绕丝的大跨度纤维复合材料轻质桁架的组件级模块系统。

要克服目前这种大型轻质航空航天结构的制造限制，无论是专门针对遮阳板还是更普遍的情况，都需要使用新型制造方法，如无芯缠绕丝（CFW）。CFW 无需使用传统长丝缠绕的芯轴或模具，因为纤维可在安装在缠绕架上的锚固件之间自由跨越。复合材料不需要大面积支撑，只需与锚点进行点状接触。浸渍了合成树脂的连续纤维束按照特定的顺序（即缠绕语法）在这些锚之间自由穿梭。

综上，CFW 工艺可使用工业机器人实现全自动化，从而有可能实现复杂建筑结构施工、太空环境中在轨制造。不过，如果采用缠绕夹具，传统的长丝缠绕机也可用于 CFW。缠绕框架可快速重新配置，不需要高表面精度或脱模剂，因此有别于芯轴或模具的缠绕。然而，由于没有导向表面，CFW 缺乏固着性，纤维张力也会发生变化。这些效应会严重影响纤维与纤维之间的相互作用，影响中观纤维网配置和内外纤维束结构。因此，准确预测和控制最终部件的结构特性变得十分困难。因此，使用 CFW 进行设计需要精细的有限元模拟，因为即使是纤维网的微小变化也会对其结构性能产生重大影响。尽管如此，CFW 已证明了其在生产不同尺度的自适应负载优化结构方面的潜力，使建筑、汽车和航空航天等领域受益匪浅。