接上文：（【專題綜述】簡(jiǎn)述自動(dòng)纖維鋪放和纖維纏繞技術(shù)的最新進(jìn)展（上））

2.3機(jī)器人纖維纏繞

為了克服纖維纏繞技術(shù)的幾何限制，纏繞技術(shù)的自由度數(shù)量多年來不斷增加。除了開發(fā)更廣泛的材料外，這還使得新的結(jié)構(gòu)和幾何可能性或針對(duì)特定要求優(yōu)化的纖維鋪層成為可能。

隨著低軸向纏繞機(jī)械擴(kuò)展到用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)器人長(zhǎng)絲纏繞（圖 3（A）），可以制造更復(fù)雜的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件。在機(jī)器人工作單元中，浸漬纖維的進(jìn)料或沉積系統(tǒng)安裝在機(jī)械臂上。使用可拆卸的纏繞心軸，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自由幾何形狀或多級(jí)纏繞工藝。為了進(jìn)一步減輕重量，已經(jīng)研究了規(guī)則和不規(guī)則的各向異性桁架狀纏繞結(jié)構(gòu)，使用多層濕粗紗纏繞在可拆卸的模具上，帶有凹槽以精確定位每個(gè)節(jié)點(diǎn)或以編織結(jié)構(gòu)圍繞桁架。

格子概念的擴(kuò)展是無芯長(zhǎng)絲纏繞（CFW）。在這種增材制造技術(shù)中，濕浸漬粗紗按照預(yù)先定義的纏繞順序纏繞在銷釘、套管或錨上，無需額外的心軸（圖 3（B）），從而形成由自由跨越的分層纖維組成的殼狀網(wǎng)或格子狀結(jié)構(gòu)。這使得生產(chǎn)復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)成為可能，其中纖維朝向最高拉應(yīng)力的方向。CFW 還可以經(jīng)濟(jì)高效地制造定制形狀，目前正在研究用于各種具有玻璃纖維主體和碳纖維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料的建筑獨(dú)特的大型殼體結(jié)構(gòu)和亞麻纖維結(jié)構(gòu)。作為建筑應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)展，新穎的空間纏繞技術(shù)使用特殊的末端執(zhí)行器、銷釘和已丟棄的纖維來重新定向纖維，以創(chuàng)建互鎖纖維的空間結(jié)構(gòu)（圖 3（C）），以減少銷釘數(shù)量并創(chuàng)建三維桁架結(jié)構(gòu)。無芯生產(chǎn)工藝中可能出現(xiàn)的幾何形狀主要由繞線框架、纏繞點(diǎn)的定位、幾何形狀和方向以及生產(chǎn)設(shè)置的能力決定。在大多數(shù)應(yīng)用中，這些纏繞點(diǎn)被設(shè)計(jì)用作力傳遞的連接點(diǎn)。結(jié)構(gòu)幾何形狀高度靈活的優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致制造設(shè)置和可實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)拓?fù)渲g的依賴性增加。由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)最終幾何形狀的可預(yù)測(cè)性受到多種不確定因素的限制，并且只能在最終制造后進(jìn)行評(píng)估，因此需要在樣本和全尺寸原型級(jí)別的數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造之間建立反饋回路。減少這種工作量的一種方法是使用差異化施工方法，即將三維連續(xù)纏繞結(jié)構(gòu)細(xì)分為不太復(fù)雜或更平面的組件，然后再進(jìn)行連接。由于 CFW 結(jié)構(gòu)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的審批規(guī)定，通常需要單獨(dú)的認(rèn)證審批。在此基礎(chǔ)上，該技術(shù)已在原型級(jí)別之外得到使用，這就是為什么作者估計(jì)技術(shù)成熟度水平處于規(guī)模的上三分之一。

根據(jù) CFW 的應(yīng)用，最近已經(jīng)記錄了不同大小和自由度的機(jī)器人單元，其中機(jī)器人的范圍通過線性軸延伸，或者工件安裝在一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上。在制造過程中，機(jī)器人卷繞工具上的噴嘴操縱單根或多根組合粗紗，這些粗紗部署為連續(xù)浸漬纖維束，帶有外部材料供應(yīng)和卷繞浴浸漬系統(tǒng)。為了減少運(yùn)動(dòng)限制并增加機(jī)器人裝置自由度的利用率，Vasey 等人使用安裝在卷繞頭上的預(yù)浸漬線軸。在 Bodea 等人的方法中，干纖維由機(jī)器人攜帶，并在定制的機(jī)器人卷繞工具的浸漬室中用樹脂浸漬（圖 4（A））。該裝置配備了集成傳感器設(shè)備，用于張力監(jiān)測(cè)和被動(dòng)張力控制。Friese 等人采用類似的方法，將浸漬系統(tǒng)安裝在機(jī)器人上，從而減小了繞線工具的尺寸，以制造用于混凝土結(jié)構(gòu)的三維鋼筋。其他裝置包括將材料儲(chǔ)存和浸漬單元直接安裝到繞線工具中。Szcesny 等人的模塊化裝置（圖 4（B））使用虹吸浸漬系統(tǒng)，其工作原理與重力無關(guān)，因此浸漬與運(yùn)動(dòng)無關(guān)。該裝置在纏繞過程中主動(dòng)控制樹脂分?jǐn)?shù)和粗紗張力。纖維線軸和預(yù)混樹脂供應(yīng)安裝在繞線工具上，繞線工具設(shè)計(jì)緊湊，可在纏繞過程中在協(xié)作機(jī)器人之間傳遞。這允許對(duì)大型部件或新組件設(shè)計(jì)和繞線策略進(jìn)行連續(xù)纏繞。為此，繞線工具配備了兩個(gè)快速換刀系統(tǒng)，用于快速耦合和分離過程，以及一個(gè) Wi-Fi 天線，用于不間斷控制。

圖 3.纖維纏繞技術(shù)概述：（A）機(jī)器人在心軸上進(jìn)行纖維纏繞，（B）無芯纖維纏繞，（C）空間纏繞。

機(jī)器人輔助協(xié)作制造通過搬運(yùn)卷繞架或使用無人機(jī)等將絲束從一個(gè)機(jī)器人單元傳遞到下一個(gè)機(jī)器人單元，進(jìn)一步擴(kuò)展了可能的設(shè)計(jì)空間。然而，增加機(jī)器人的數(shù)量會(huì)增加編程工作量。由于手動(dòng)編程對(duì)于 CFW 來說是不夠的，因此提出了基于點(diǎn)的和連續(xù)方法來規(guī)劃卷繞機(jī)器人工具中心點(diǎn)的路徑。由于在路徑規(guī)劃期間必須考慮機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)邊界條件和纖維行為，因此對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，編程工作量很大，而且通常無法避免手動(dòng)重新調(diào)整和物理測(cè)試。

圖 4 .帶有內(nèi)嵌浸漬系統(tǒng)的機(jī)器人繞線工具：(A) 浸漬室，纖維和樹脂供應(yīng)裝置安裝在移動(dòng)機(jī)器人上；(B)虹吸浸漬系統(tǒng)，纖維和樹脂供應(yīng)裝置安裝在繞線頭上。該工具設(shè)計(jì)用于繞線過程中的機(jī)器人間交換，如安裝在線性軸上的兩個(gè)機(jī)器人的潛在設(shè)置所示。

與 AFP 纖維路徑設(shè)計(jì)一樣，在 CFW 制造過程中，項(xiàng)目特定特征要求在纏繞鋪層設(shè)計(jì)期間相互且相互依賴地考慮設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和制造系統(tǒng)能力，其中必須在制造過程的所有步驟中考慮材料特性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)估中，采用迭代多層次方法，對(duì)為應(yīng)用案例設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化小尺寸樣本或全尺寸原型進(jìn)行破壞性測(cè)試，以表征材料及其偏差，以校準(zhǔn)有限元模型并改進(jìn)初始幾何和材料特性假設(shè)。這還可以調(diào)整工藝參數(shù)（例如纖維張力）并檢查纖維橫截面質(zhì)量。通過集成光纖傳感器對(duì)纖維束中的局部應(yīng)變和內(nèi)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，可以捕捉到力流和載荷引入，從而提高對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的理解。為了實(shí)現(xiàn)離線幾何質(zhì)量保證或校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模型，在連續(xù)中斷的制造過程中或固化后，使用卡尺通過微切片的光學(xué)或?qū)^大部件進(jìn)行地面激光掃描來測(cè)量局部纖維束橫截面。結(jié)構(gòu)的最終幾何形狀來自自由跨越纖維的相互作用。因此，在設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行找形過程，因?yàn)闈窭w維在纖維干燥之前沒有彎曲剛度，之后添加的層會(huì)使已經(jīng)就位的先前層變形。文獻(xiàn)中提出了幾種方法，包括基于有限元的索單元迭代松弛法、以表面為邊界條件的初始曲線的快速最近鄰平滑法、基于彈簧的松弛法和用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的顯式有限元法。其他承重結(jié)構(gòu)研究使用拓?fù)鋬?yōu)化作為形狀查找的基礎(chǔ)。

纖維張力是該過程中的一個(gè)重要影響因素，因?yàn)樗绊懤w維的粘合和纖維排列。在沒有凸心軸的情況下，表面曲率和預(yù)張力使層壓板固結(jié)，纖維在法向力下的壓實(shí)，以及因此多層粗紗層的粘合，受纏繞張力、部件曲率和每根沉積纖維束的粗紗數(shù)量的影響。優(yōu)化張力可改善壓實(shí)度，從而提高纖維體積分?jǐn)?shù)，降低孔隙率并最大限度地減少分層，因?yàn)榻z束的排列越來越接近測(cè)地路徑。典型的纖維體積比范圍為 40% 到 50%。此外，纏繞順序和纖維交叉點(diǎn)的交叉模式也會(huì)影響纖維層的粘合，表明在纖維交叉點(diǎn)處交替鋪層（具有多個(gè)粘合區(qū)）可改善結(jié)構(gòu)性能。纖維在卷繞點(diǎn)處的偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)絲扭曲，這是由于纖維導(dǎo)向裝置內(nèi)的粗紗內(nèi)部旋轉(zhuǎn)造成的，通過沿套筒曲率方向的沉積和避免圍繞纖維出口旋轉(zhuǎn)，可以減少這種扭曲。此外，制造過程中過度的預(yù)緊力會(huì)損壞纖維或完全釋放下面纖維層的張力并使它們移動(dòng)。較小的銷釘間自由跨度距離可以抵消纖維的下垂，這對(duì)低拉伸強(qiáng)度的纖維也很有用。機(jī)器人長(zhǎng)絲纏繞的研究表明，通過增加軌跡角度可以減少纖維在制造過程中的滑移，從而產(chǎn)生正纖維張力。研究表明，通過在實(shí)際纏繞過程之后用模具對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固結(jié)，可以提高拉伸性能并改善多層之間的粘合，但設(shè)計(jì)靈活性會(huì)降低。由于 CFW 結(jié)構(gòu)的失效主要發(fā)生在自由跨度區(qū)域之前的銷釘處的載荷傳遞區(qū)域?qū)d荷傳遞概念進(jìn)行了研究，結(jié)果表明載荷分布可以改善結(jié)構(gòu)性能。Minsch 等人進(jìn)一步表明互鎖環(huán)比簡(jiǎn)單環(huán)更合適。為了通過與工藝相關(guān)的纖維橫截面積變化來增強(qiáng)工藝的可預(yù)測(cè)性，Mindermann 等人開發(fā)了一種紫外線拉擠和無芯長(zhǎng)絲纏繞的組合工藝，其中樹脂在銷釘之間部分固化，從而產(chǎn)生可調(diào)且恒定的纖維橫截面積和纖維體積含量。在 Mindermann 等人的另一項(xiàng)研究中，對(duì)纏繞銷釘?shù)膸缀涡螤钸M(jìn)行了優(yōu)化，提高了多向纏繞能力并減少了方向依賴性。這樣做是因?yàn)楦鶕?jù)銷釘方向、纏繞路徑和銷釘相對(duì)位置，絲束往往會(huì)聚集在簡(jiǎn)單銷釘?shù)牡撞炕蝾^部（例如兩個(gè)墊圈之間的套管）周圍，從而降低了鉤住能力。

大多數(shù)方法是使用碳纖維或玻璃纖維與熱固性樹脂。為了通過使用可持續(xù)和替代材料來高效利用資源，擴(kuò)大制造過程固有的可持續(xù)性，人們對(duì)天然纖維（如亞麻、大麻、黃麻）和生物基樹脂體系進(jìn)行了研究。研究表明，材料的不確定性、纖維分離、較低的拉伸強(qiáng)度、空隙率、較差的浸漬性能和吸水特性需要在材料特性和工藝、纏繞設(shè)備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整中考慮。由于 CFW 的設(shè)計(jì)自由度和材料效率，它在大型結(jié)構(gòu)的建筑應(yīng)用中的使用越來越多，因此需要新的模擬設(shè)計(jì)方法。此外，一些研究和調(diào)查還旨在改進(jìn)綜合計(jì)算協(xié)同設(shè)計(jì)框架，該框架能夠?qū)υO(shè)計(jì)、仿真和制造數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、交換和重用。這旨在提高計(jì)算設(shè)計(jì)階段的可預(yù)測(cè)性并降低安全系數(shù)。此外，設(shè)計(jì)過程和制造工作流程的高度自動(dòng)化旨在減少錯(cuò)誤和不確定性，提高可重復(fù)性并加速學(xué)術(shù)和商業(yè)應(yīng)用中的設(shè)計(jì)過程。

3.總結(jié)與展望

經(jīng)過數(shù)十年在工藝技術(shù)和所用材料的并行技術(shù)改進(jìn)，ATL 和 AFP 已從航空航天工業(yè)中的特定高科技應(yīng)用發(fā)展到廣泛的工業(yè)應(yīng)用。其原因在于大多數(shù)工業(yè)部門對(duì)新材料的需求，因?yàn)楝F(xiàn)有的航空航天材料與最先進(jìn)的 ATL/AFP 系統(tǒng)相結(jié)合無法滿足低非經(jīng)常性成本和高生產(chǎn)率的要求。制造高質(zhì)量復(fù)合材料對(duì)材料質(zhì)量、放置頭設(shè)置和沉積策略的高度依賴促進(jìn)了新放置頭設(shè)計(jì)原理、機(jī)器人化、機(jī)器設(shè)置和新制造策略的變化。此外，為了保證為安全關(guān)鍵行業(yè)生產(chǎn)高性能復(fù)合材料部件，自動(dòng)纖維沉積技術(shù)中在線過程監(jiān)控系統(tǒng)的必要性得到了強(qiáng)調(diào)。然而，新型纖維沉積技術(shù)、先進(jìn)材料和在線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于加強(qiáng)航空航天領(lǐng)域以外的復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。雖然預(yù)浸熱固性材料的沉積已經(jīng)很成熟，但干纖維沉積和熱塑性材料鋪層方面的最新進(jìn)展引起了人們的興趣，并將進(jìn)一步提高復(fù)合材料的適用性。此外，AFP 鋪層期間的牽引轉(zhuǎn)向能力允許制造可變剛度面板，并且由于能夠根據(jù)特定性能要求定制機(jī)械性能而具有巨大的潛力。特別是對(duì)于建筑大型結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了一種涉及機(jī)器人無芯纖維纏繞和空間纏繞的解決方案。如圖所示，定制纖維鋪放得到了進(jìn)一步發(fā)展，特別是對(duì)于中等件數(shù)范圍和各種應(yīng)用領(lǐng)域中形狀、幾何形狀和纖維結(jié)構(gòu)的小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。除了新材料的開發(fā)外，材料建模的持續(xù)發(fā)展，例如考慮機(jī)器能力和局限性的多種載荷情況的纖維路徑定義，已被確定為潛在的未來研究主題。

因此，多樣化證明了這些技術(shù)的多功能性和適應(yīng)性，能夠滿足各個(gè)行業(yè)不斷變化的需求。

參考文獻(xiàn)：

1.Stefan Carosella, Sebastian Hügle, Florian Helber, Peter Middendorf, A short review on recent advances in automated fiber placement and filament winding technologies. Composites Part B: Engineering, Volume 287, 2024, 111843, ISSN 1359-8368, 10.1016/j.compositesb.2024.111843.

2.Lukaszewicz D.H.-J., Ward C., Potter K.D. The engineering aspects of automated prepreg layup: History, present and future. Composites B, 43 (3) (2012), pp. 997-1009, 10.1016/j.compositesb.2011.12.003

3.Brasington A., Sacco C., Halbritter J., Wehbe R., Harik R. Automated fiber placement: A review of history, current technologies, and future paths forward. Compos C: Open Access, 6 (2021), Article 100182, 10.1016/j.jcomc.2021.100182

4.Yadav N., Schledjewski R. Review of in-process defect monitoring for automated tape laying. Composites A, 173 (2023), Article 107654, 10.1016/j.compositesa.2023.107654

5.Vasey L., Felbrich B., Prado M., Tahanzadeh B., Menges A. Physically distributed multi-robot coordination and collaboration in construction. Construct Robot, 4 (1–2) (2020), pp. 3-18, 10.1007/s41693-020-00031-y

6.Bodea S., Zechmeister C., Dambrosio N., D?rstelmann M., Menges A. Robotic coreless filament winding for hyperboloid tubular composite components in construction. Autom Constr, 126 (2021), Article 103649, 10.1016/j.autcon.2021.103649

7.Friese D., Hahn L., Le Xuan H., Mersch J., Neef T., Mechtcherine V., et al. Robot-assisted manufacturing technology for 3D non-metallic reinforcement structures in the construction applications. Buildings, 13 (11) (2023), p. 2748, 10.3390/buildings13112748