從 20 世紀(jì) 40 年代開(kāi)始，化學(xué)工業(yè)和復(fù)合材料的進(jìn)步徹底改變了制造業(yè)，在航空航天、汽車(chē)和消費(fèi)品行業(yè)實(shí)現(xiàn)了新的輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)用。然而，由于數(shù)字化程度低、設(shè)計(jì)和工程方法集成度低，復(fù)合材料未能對(duì)建筑施工行業(yè)產(chǎn)生重大影響。研究發(fā)現(xiàn)，制造方法的可擴(kuò)展性有限，以及工藝自動(dòng)化不足是建筑復(fù)合材料學(xué)術(shù)的研究空白。不過(guò)，這些不足可以通過(guò)針對(duì)新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特定建筑設(shè)計(jì)、制造方法和建筑法規(guī)得到緩解。

無(wú)芯纖維纏繞（Coreless Filament Winding，CFW)于2012年由斯圖加特大學(xué)的計(jì)算設(shè)計(jì)研究所和建筑結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究結(jié)合工程方法和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)首次合作開(kāi)發(fā)。

Serban Bodea 在他的博士論文《用于輕質(zhì)建筑構(gòu)件的升級(jí)版機(jī)器人無(wú)芯纏繞法》中，介紹了無(wú)芯纏繞法（CFW）的升級(jí)和自動(dòng)化策略，這是一種將纖維纏繞應(yīng)用于建筑的方法。CFW 是一種制造方法，它依賴(lài)于纏繞在空間支撐物上的自由伸展纖維的各向異性機(jī)械特性，無(wú)需模具即可制造出高效的承重結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)建筑應(yīng)用中機(jī)器人無(wú)芯纏繞技術(shù)要求的最新研究，為建筑施工提供了支持。

無(wú)芯纖維纏繞工藝是從制造圓柱形纏繞復(fù)合材料罐發(fā)展而來(lái)的。工業(yè)機(jī)器人不使用放置纖維的芯軸或模具，而是將連續(xù)的浸漬纖維纏繞在多個(gè)空間排列的纏繞銷(xiāo)釘上（下圖）。纖維在這些錨點(diǎn)之間自由穿梭，只相互影響。這樣就可以調(diào)整纖維網(wǎng)，從而調(diào)整每個(gè)組件的結(jié)構(gòu)特征，而無(wú)需改變?nèi)魏斡布Ｊ褂玫臒峁绦詷?shù)脂需要在烘箱中固化，以形成自支撐復(fù)合材料組件。在生產(chǎn)過(guò)程中，只需擰下栓釘，就可以將其從固定栓釘?shù)睦@線架上取下。銷(xiāo)釘留在組件中的唯一部分是一個(gè)金屬套筒，用作負(fù)載傳輸元件。

圖  用于制造 BUGA 復(fù)合材料部件的機(jī)器人無(wú)芯纏繞裝置：1、工業(yè)機(jī)器人（6 軸）；2、機(jī)器人安裝的紗架；3、纖維張緊機(jī)構(gòu)；4、機(jī)器人纏繞末端執(zhí)行器；5、纏繞框架；6、連續(xù)鋼管；7、單軸定位器（外部軸）；8、H 型鋼梁；9、下層玻璃纖維體；10、碳纖維增強(qiáng)材料

現(xiàn)有的機(jī)器人無(wú)芯繞絲（RCFW）預(yù)制方法可以成功升級(jí)并用于大型、大跨度承重結(jié)構(gòu)。此外，論文還提出了一種推進(jìn)現(xiàn)有過(guò)程監(jiān)控和質(zhì)量控制方法的方法，命名為網(wǎng)絡(luò)物理 RCFW (CPRCFW)。論文通過(guò)兩個(gè)具有代表性的任務(wù)來(lái)研究這兩個(gè)目標(biāo)：(1) 驗(yàn)證 RCFW 方法的可擴(kuò)展性及其工業(yè)化潛力，(2) 開(kāi)發(fā)用于質(zhì)量控制的 CPRCFW 方法，集成繞組過(guò)程自動(dòng)化、過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和分析。每個(gè)目標(biāo)都是通過(guò)研究和開(kāi)發(fā)硬件（包括制造裝置和工具）和軟件（包括 CAD 實(shí)現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些目標(biāo)通過(guò)組件和建筑規(guī)模的大型演示進(jìn)行了驗(yàn)證，說(shuō)明了研究成果如何有助于使 RCFW 成為復(fù)合材料建筑應(yīng)用中工業(yè)驗(yàn)證技術(shù)的有效替代品。

二、無(wú)芯纖維纏繞工藝應(yīng)用案例

1、BUGA 纖維展亭

展亭由斯圖加特大學(xué)的兩個(gè)研究所設(shè)計(jì)，即計(jì)算設(shè)計(jì)與建筑研究所（ICD）和建筑結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究所（ITKE）。批量生產(chǎn)在 FibR GmbH 公司進(jìn)行。演示的目的是展示網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)計(jì)和制造過(guò)程如何充分利用新型復(fù)合材料建筑系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的材料效率。此外，這也是首次通過(guò)建筑主管部門(mén)的授權(quán)程序；在一年內(nèi)獲得了 "個(gè)案批準(zhǔn)"。

展亭的支撐結(jié)構(gòu)由 RCFW 工藝生產(chǎn)的 60 個(gè) C/GFRP 復(fù)合材料組件組成。這些組件通過(guò)纏繞套管與角鋼連接件用螺栓連接在一起。此外，連接件還起到公差補(bǔ)償?shù)淖饔谩ｑ讽斘挥?11 個(gè)環(huán)形排列的地基上。在復(fù)合結(jié)構(gòu)的上方，乙烯-四氟乙烯（ETFE）箔被固定在一個(gè)金屬鉸鏈支架上，這部分保護(hù)了組件和 400 平方米的覆蓋表面，使其免受風(fēng)吹、日曬和降水的影響。涼亭的底座直徑為 23 米，最大高度為 7 米，單位建筑面積重量?jī)H為 7.6 千克/平方米。

新型 BUGA 建筑系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要素是無(wú)芯纏繞復(fù)合材料組件。它改進(jìn)了纏繞框架與復(fù)合材料組件之間的解耦，并提高了框架的適應(yīng)性。因此，可在制造迭代之間調(diào)整組件的長(zhǎng)度，并設(shè)置法蘭的角度。這樣，BUGA 展亭使用的建筑系統(tǒng)就有了六種不同的配置。該建筑系統(tǒng)的每個(gè)組件都呈雙曲面形狀。纖維網(wǎng)形成了一個(gè)管狀貝殼狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，其橢圓形橫截面可通過(guò)纖維合成法進(jìn)行調(diào)整。

2、行星遮陽(yáng)衛(wèi)星

氣候變化要求探索創(chuàng)新的地球工程解決方案來(lái)減緩其影響，其中一種解決方案是在日地拉格朗日點(diǎn) 1 部署行星遮陽(yáng)衛(wèi)星，以直接調(diào)節(jié)地球上的太陽(yáng)輻射。然而，這種大跨度空間結(jié)構(gòu)帶來(lái)了獨(dú)特的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性、在軌制造和原位資源利用。研究人員提出了遮陽(yáng)板箔片支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念，并由此推導(dǎo)出使用無(wú)芯纏繞絲的大跨度纖維復(fù)合材料輕質(zhì)桁架的組件級(jí)模塊系統(tǒng)。

要克服目前這種大型輕質(zhì)航空航天結(jié)構(gòu)的制造限制，無(wú)論是專(zhuān)門(mén)針對(duì)遮陽(yáng)板還是更普遍的情況，都需要使用新型制造方法，如無(wú)芯纏繞絲（CFW）。CFW 無(wú)需使用傳統(tǒng)長(zhǎng)絲纏繞的芯軸或模具，因?yàn)槔w維可在安裝在纏繞架上的錨固件之間自由跨越。復(fù)合材料不需要大面積支撐，只需與錨點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)狀接觸。浸漬了合成樹(shù)脂的連續(xù)纖維束按照特定的順序（即纏繞語(yǔ)法）在這些錨之間自由穿梭。

綜上，CFW 工藝可使用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，從而有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)施工、太空環(huán)境中在軌制造。不過(guò)，如果采用纏繞夾具，傳統(tǒng)的長(zhǎng)絲纏繞機(jī)也可用于 CFW。纏繞框架可快速重新配置，不需要高表面精度或脫模劑，因此有別于芯軸或模具的纏繞。然而，由于沒(méi)有導(dǎo)向表面，CFW 缺乏固著性，纖維張力也會(huì)發(fā)生變化。這些效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響纖維與纖維之間的相互作用，影響中觀纖維網(wǎng)配置和內(nèi)外纖維束結(jié)構(gòu)。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制最終部件的結(jié)構(gòu)特性變得十分困難。因此，使用 CFW 進(jìn)行設(shè)計(jì)需要精細(xì)的有限元模擬，因?yàn)榧词故抢w維網(wǎng)的微小變化也會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生重大影響。盡管如此，CFW 已證明了其在生產(chǎn)不同尺度的自適應(yīng)負(fù)載優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面的潛力，使建筑、汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域受益匪淺。