【专题综述】简要回顾自动纤维铺放技术的最新进展（下）

接上文：（【专题综述】简述自动纤维铺放和纤维缠绕技术的最新进展（上））

2.3机器人纤维缠绕

为了克服纤维缠绕技术的几何限制，缠绕技术的自由度数量多年来不断增加。除了开发更广泛的材料外，这还使得新的结构和几何可能性或针对特定要求优化的纤维铺层成为可能。

随着低轴向缠绕机械扩展到用工业机器人进行机器人长丝缠绕（图 3（A）），可以制造更复杂的非旋转对称部件。在机器人工作单元中，浸渍纤维的进料或沉积系统安装在机械臂上。使用可拆卸的缠绕心轴，可以实现复杂的自由几何形状或多级缠绕工艺。为了进一步减轻重量，已经研究了规则和不规则的各向异性桁架状缠绕结构，使用多层湿粗纱缠绕在可拆卸的模具上，带有凹槽以精确定位每个节点或以编织结构围绕桁架。

格子概念的扩展是无芯长丝缠绕（CFW）。在这种增材制造技术中，湿浸渍粗纱按照预先定义的缠绕顺序缠绕在销钉、套管或锚上，无需额外的心轴（图 3（B）），从而形成由自由跨越的分层纤维组成的壳状网或格子状结构。这使得生产复杂的桁架结构成为可能，其中纤维朝向最高拉应力的方向。CFW 还可以经济高效地制造定制形状，目前正在研究用于各种具有玻璃纤维主体和碳纤维结构增强材料的建筑独特的大型壳体结构和亚麻纤维结构。作为建筑应用的进一步扩展，新颖的空间缠绕技术使用特殊的末端执行器、销钉和已丢弃的纤维来重新定向纤维，以创建互锁纤维的空间结构（图 3（C）），以减少销钉数量并创建三维桁架结构。无芯生产工艺中可能出现的几何形状主要由绕线框架、缠绕点的定位、几何形状和方向以及生产设置的能力决定。在大多数应用中，这些缠绕点被设计用作力传递的连接点。结构几何形状高度灵活的优势导致制造设置和可实现的结构拓扑之间的依赖性增加。由于复杂结构最终几何形状的可预测性受到多种不确定因素的限制，并且只能在最终制造后进行评估，因此需要在样本和全尺寸原型级别的数字化设计和制造之间建立反馈回路。减少这种工作量的一种方法是使用差异化施工方法，即将三维连续缠绕结构细分为不太复杂或更平面的组件，然后再进行连接。由于 CFW 结构缺乏标准化的审批规定，通常需要单独的认证审批。在此基础上，该技术已在原型级别之外得到使用，这就是为什么作者估计技术成熟度水平处于规模的上三分之一。

根据 CFW 的应用，最近已经记录了不同大小和自由度的机器人单元，其中机器人的范围通过线性轴延伸，或者工件安装在一个或多个旋转轴上。在制造过程中，机器人卷绕工具上的喷嘴操纵单根或多根组合粗纱，这些粗纱部署为连续浸渍纤维束，带有外部材料供应和卷绕浴浸渍系统。为了减少运动限制并增加机器人装置自由度的利用率，Vasey 等人使用安装在卷绕头上的预浸渍线轴。在 Bodea 等人的方法中，干纤维由机器人携带，并在定制的机器人卷绕工具的浸渍室中用树脂浸渍（图 4（A））。该装置配备了集成传感器设备，用于张力监测和被动张力控制。Friese 等人采用类似的方法，将浸渍系统安装在机器人上，从而减小了绕线工具的尺寸，以制造用于混凝土结构的三维钢筋。其他装置包括将材料储存和浸渍单元直接安装到绕线工具中。Szcesny 等人的模块化装置（图 4（B））使用虹吸浸渍系统，其工作原理与重力无关，因此浸渍与运动无关。该装置在缠绕过程中主动控制树脂分数和粗纱张力。纤维线轴和预混树脂供应安装在绕线工具上，绕线工具设计紧凑，可在缠绕过程中在协作机器人之间传递。这允许对大型部件或新组件设计和绕线策略进行连续缠绕。为此，绕线工具配备了两个快速换刀系统，用于快速耦合和分离过程，以及一个 Wi-Fi 天线，用于不间断控制。

图 3.纤维缠绕技术概述：（A）机器人在心轴上进行纤维缠绕，（B）无芯纤维缠绕，（C）空间缠绕。

机器人辅助协作制造通过搬运卷绕架或使用无人机等将丝束从一个机器人单元传递到下一个机器人单元，进一步扩展了可能的设计空间。然而，增加机器人的数量会增加编程工作量。由于手动编程对于 CFW 来说是不够的，因此提出了基于点的和连续方法来规划卷绕机器人工具中心点的路径。由于在路径规划期间必须考虑机器人的运动边界条件和纤维行为，因此对于复杂的结构，编程工作量很大，而且通常无法避免手动重新调整和物理测试。

图 4 .带有内嵌浸渍系统的机器人绕线工具：(A) 浸渍室，纤维和树脂供应装置安装在移动机器人上；(B)虹吸浸渍系统，纤维和树脂供应装置安装在绕线头上。该工具设计用于绕线过程中的机器人间交换，如安装在线性轴上的两个机器人的潜在设置所示。

与 AFP 纤维路径设计一样，在 CFW 制造过程中，项目特定特征要求在缠绕铺层设计期间相互且相互依赖地考虑设计、结构力学和制造系统能力，其中必须在制造过程的所有步骤中考虑材料特性。在结构设计和评估中，采用迭代多层次方法，对为应用案例设计的简化小尺寸样本或全尺寸原型进行破坏性测试，以表征材料及其偏差，以校准有限元模型并改进初始几何和材料特性假设。这还可以调整工艺参数（例如纤维张力）并检查纤维横截面质量。通过集成光纤传感器对纤维束中的局部应变和内力进行结构监测，可以捕捉到力流和载荷引入，从而提高对结构和材料的理解。为了实现离线几何质量保证或校准结构模型，在连续中断的制造过程中或固化后，使用卡尺通过微切片的光学或对较大部件进行地面激光扫描来测量局部纤维束横截面。结构的最终几何形状来自自由跨越纤维的相互作用。因此，在设计过程中需要进行找形过程，因为湿纤维在纤维干燥之前没有弯曲刚度，之后添加的层会使已经就位的先前层变形。文献中提出了几种方法，包括基于有限元的索单元迭代松弛法、以表面为边界条件的初始曲线的快速最近邻平滑法、基于弹簧的松弛法和用于结构验证的显式有限元法。其他承重结构研究使用拓扑优化作为形状查找的基础。

纤维张力是该过程中的一个重要影响因素，因为它影响纤维的粘合和纤维排列。在没有凸心轴的情况下，表面曲率和预张力使层压板固结，纤维在法向力下的压实，以及因此多层粗纱层的粘合，受缠绕张力、部件曲率和每根沉积纤维束的粗纱数量的影响。优化张力可改善压实度，从而提高纤维体积分数，降低孔隙率并最大限度地减少分层，因为丝束的排列越来越接近测地路径。典型的纤维体积比范围为 40% 到 50%。此外，缠绕顺序和纤维交叉点的交叉模式也会影响纤维层的粘合，表明在纤维交叉点处交替铺层（具有多个粘合区）可改善结构性能。纤维在卷绕点处的偏转会导致长丝扭曲，这是由于纤维导向装置内的粗纱内部旋转造成的，通过沿套筒曲率方向的沉积和避免围绕纤维出口旋转，可以减少这种扭曲。此外，制造过程中过度的预紧力会损坏纤维或完全释放下面纤维层的张力并使它们移动。较小的销钉间自由跨度距离可以抵消纤维的下垂，这对低拉伸强度的纤维也很有用。机器人长丝缠绕的研究表明，通过增加轨迹角度可以减少纤维在制造过程中的滑移，从而产生正纤维张力。研究表明，通过在实际缠绕过程之后用模具对结构进行固结，可以提高拉伸性能并改善多层之间的粘合，但设计灵活性会降低。由于 CFW 结构的失效主要发生在自由跨度区域之前的销钉处的载荷传递区域对载荷传递概念进行了研究，结果表明载荷分布可以改善结构性能。Minsch 等人进一步表明互锁环比简单环更合适。为了通过与工艺相关的纤维横截面积变化来增强工艺的可预测性，Mindermann 等人开发了一种紫外线拉挤和无芯长丝缠绕的组合工艺，其中树脂在销钉之间部分固化，从而产生可调且恒定的纤维横截面积和纤维体积含量。在 Mindermann 等人的另一项研究中，对缠绕销钉的几何形状进行了优化，提高了多向缠绕能力并减少了方向依赖性。这样做是因为根据销钉方向、缠绕路径和销钉相对位置，丝束往往会聚集在简单销钉的底部或头部（例如两个垫圈之间的套管）周围，从而降低了钩住能力。

大多数方法是使用碳纤维或玻璃纤维与热固性树脂。为了通过使用可持续和替代材料来高效利用资源，扩大制造过程固有的可持续性，人们对天然纤维（如亚麻、大麻、黄麻）和生物基树脂体系进行了研究。研究表明，材料的不确定性、纤维分离、较低的拉伸强度、空隙率、较差的浸渍性能和吸水特性需要在材料特性和工艺、缠绕设备和结构设计的调整中考虑。由于 CFW 的设计自由度和材料效率，它在大型结构的建筑应用中的使用越来越多，因此需要新的模拟设计方法。此外，一些研究和调查还旨在改进综合计算协同设计框架，该框架能够对设计、仿真和制造数据进行建模、交换和重用。这旨在提高计算设计阶段的可预测性并降低安全系数。此外，设计过程和制造工作流程的高度自动化旨在减少错误和不确定性，提高可重复性并加速学术和商业应用中的设计过程。

3.总结与展望

经过数十年在工艺技术和所用材料的并行技术改进，ATL 和 AFP 已从航空航天工业中的特定高科技应用发展到广泛的工业应用。其原因在于大多数工业部门对新材料的需求，因为现有的航空航天材料与最先进的 ATL/AFP 系统相结合无法满足低非经常性成本和高生产率的要求。制造高质量复合材料对材料质量、放置头设置和沉积策略的高度依赖促进了新放置头设计原理、机器人化、机器设置和新制造策略的变化。此外，为了保证为安全关键行业生产高性能复合材料部件，自动纤维沉积技术中在线过程监控系统的必要性得到了强调。然而，新型纤维沉积技术、先进材料和在线质量检测系统的开发对于加强航空航天领域以外的复合材料的工业应用至关重要。虽然预浸热固性材料的沉积已经很成熟，但干纤维沉积和热塑性材料铺层方面的最新进展引起了人们的兴趣，并将进一步提高复合材料的适用性。此外，AFP 铺层期间的牵引转向能力允许制造可变刚度面板，并且由于能够根据特定性能要求定制机械性能而具有巨大的潜力。特别是对于建筑大型结构，出现了一种涉及机器人无芯纤维缠绕和空间缠绕的解决方案。如图所示，定制纤维铺放得到了进一步发展，特别是对于中等件数范围和各种应用领域中形状、几何形状和纤维结构的小型复杂结构。除了新材料的开发外，材料建模的持续发展，例如考虑机器能力和局限性的多种载荷情况的纤维路径定义，已被确定为潜在的未来研究主题。

因此，多样化证明了这些技术的多功能性和适应性，能够满足各个行业不断变化的需求。

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