接上文：（【專題綜述】簡述自動纖維鋪放和纖維纏繞技術(shù)的最新進展（上））

2.3機器人纖維纏繞

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特定要求優(yōu)化的纖維鋪層成為可能。

隨著低軸向纏繞機械擴展到用工業(yè)機器人進行機器人長絲纏繞（圖 3（A）），可以制造更復雜的非旋轉(zhuǎn)對稱部件。在機器人工作單元中，浸漬纖維的進料或沉積系統(tǒng)安裝在機械臂上。使用可拆卸的纏繞心軸，可以實現(xiàn)復雜的自由幾何形狀或多級纏繞工藝。為了進一步減輕重量，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節(jié)點或以編織結(jié)構(gòu)圍繞桁架。

格子概念的擴展是無芯長絲纏繞（CFW）。在這種增材制造技術(shù)中，濕浸漬粗紗按照預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)復雜的桁架結(jié)構(gòu)成為可能，其中纖維朝向最高拉應力的方向。CFW 還可以經(jīng)濟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)增強材料的建筑獨特的大型殼體結(jié)構(gòu)和亞麻纖維結(jié)構(gòu)。作為建筑應用的進一步擴展，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)應用中，這些纏繞點被設(shè)計用作力傳遞的連接點。結(jié)構(gòu)幾何形狀高度靈活的優(yōu)勢導致制造設(shè)置和可實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)拓撲之間的依賴性增加。由于復雜結(jié)構(gòu)最終幾何形狀的可預測性受到多種不確定因素的限制，并且只能在最終制造后進行評估，因此需要在樣本和全尺寸原型級別的數(shù)字化設(shè)計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)細分為不太復雜或更平面的組件，然后再進行連接。由于 CFW 結(jié)構(gòu)缺乏標準化的審批規(guī)定，通常需要單獨的認證審批。在此基礎(chǔ)上，該技術(shù)已在原型級別之外得到使用，這就是為什么作者估計技術(shù)成熟度水平處于規(guī)模的上三分之一。

根據(jù) CFW 的應用，最近已經(jīng)記錄了不同大小和自由度的機器人單元，其中機器人的范圍通過線性軸延伸，或者工件安裝在一個或多個旋轉(zhuǎn)軸上。在制造過程中，機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，帶有外部材料供應和卷繞浴浸漬系統(tǒng)。為了減少運動限制并增加機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浸漬線軸。在 Bodea 等人的方法中，干纖維由機器人攜帶，并在定制的機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)測和被動張力控制。Friese 等人采用類似的方法，將浸漬系統(tǒng)安裝在機器人上，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)，因此浸漬與運動無關(guān)。該裝置在纏繞過程中主動控制樹脂分數(shù)和粗紗張力。纖維線軸和預混樹脂供應安裝在繞線工具上，繞線工具設(shè)計緊湊，可在纏繞過程中在協(xié)作機器人之間傳遞。這允許對大型部件或新組件設(shè)計和繞線策略進行連續(xù)纏繞。為此，繞線工具配備了兩個快速換刀系統(tǒng)，用于快速耦合和分離過程，以及一個 Wi-Fi 天線，用于不間斷控制。

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

機器人輔助協(xié)作制造通過搬運卷繞架或使用無人機等將絲束從一個機器人單元傳遞到下一個機器人單元，進一步擴展了可能的設(shè)計空間。然而，增加機器人的數(shù)量會增加編程工作量。由于手動編程對于 CFW 來說是不夠的，因此提出了基于點的和連續(xù)方法來規(guī)劃卷繞機器人工具中心點的路徑。由于在路徑規(guī)劃期間必須考慮機器人的運動邊界條件和纖維行為，因此對于復雜的結(jié)構(gòu)，編程工作量很大，而且通常無法避免手動重新調(diào)整和物理測試。

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

與 AFP 纖維路徑設(shè)計一樣，在 CFW 制造過程中，項目特定特征要求在纏繞鋪層設(shè)計期間相互且相互依賴地考慮設(shè)計、結(jié)構(gòu)力學和制造系統(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)計和評估中，采用迭代多層次方法，對為應用案例設(shè)計的簡化小尺寸樣本或全尺寸原型進行破壞性測試，以表征材料及其偏差，以校準有限元模型并改進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纖維束中的局部應變和內(nèi)力進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測，可以捕捉到力流和載荷引入，從而提高對結(jié)構(gòu)和材料的理解。為了實現(xiàn)離線幾何質(zhì)量保證或校準結(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或?qū)^大部件進行地面激光掃描來測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)計過程中需要進行找形過程，因為濕纖維在纖維干燥之前沒有彎曲剛度，之后添加的層會使已經(jīng)就位的先前層變形。文獻中提出了幾種方法，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)驗證的顯式有限元法。其他承重結(jié)構(gòu)研究使用拓撲優(yōu)化作為形狀查找的基礎(chǔ)。

纖維張力是該過程中的一個重要影響因素，因為它影響纖維的粘合和纖維排列。在沒有凸心軸的情況下，表面曲率和預張力使層壓板固結(jié)，纖維在法向力下的壓實，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)化張力可改善壓實度，從而提高纖維體積分數(shù)，降低孔隙率并最大限度地減少分層，因為絲束的排列越來越接近測地路徑。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的交叉模式也會影響纖維層的粘合，表明在纖維交叉點處交替鋪層（具有多個粘合區(qū)）可改善結(jié)構(gòu)性能。纖維在卷繞點處的偏轉(zhuǎn)會導致長絲扭曲，這是由于纖維導向裝置內(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緊力會損壞纖維或完全釋放下面纖維層的張力并使它們移動。較小的銷釘間自由跨度距離可以抵消纖維的下垂，這對低拉伸強度的纖維也很有用。機器人長絲纏繞的研究表明，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，通過在實際纏繞過程之后用模具對結(jié)構(gòu)進行固結(jié)，可以提高拉伸性能并改善多層之間的粘合，但設(shè)計靈活性會降低。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 等人進一步表明互鎖環(huán)比簡單環(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工藝的可預測性，Mindermann 等人開發(fā)了一種紫外線拉擠和無芯長絲纏繞的組合工藝，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 等人的另一項研究中，對纏繞銷釘?shù)膸缀涡螤钸M行了優(yōu)化，提高了多向纏繞能力并減少了方向依賴性。這樣做是因為根據(jù)銷釘方向、纏繞路徑和銷釘相對位置，絲束往往會聚集在簡單銷釘?shù)牡撞炕蝾^部（例如兩個墊圈之間的套管）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，擴大制造過程固有的可持續(xù)性，人們對天然纖維（如亞麻、大麻、黃麻）和生物基樹脂體系進行了研究。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)計的調(diào)整中考慮。由于 CFW 的設(shè)計自由度和材料效率，它在大型結(jié)構(gòu)的建筑應用中的使用越來越多，因此需要新的模擬設(shè)計方法。此外，一些研究和調(diào)查還旨在改進綜合計算協(xié)同設(shè)計框架，該框架能夠?qū)υO(shè)計、仿真和制造數(shù)據(jù)進行建模、交換和重用。這旨在提高計算設(shè)計階段的可預測性并降低安全系數(shù)。此外，設(shè)計過程和制造工作流程的高度自動化旨在減少錯誤和不確定性，提高可重復性并加速學術(shù)和商業(yè)應用中的設(shè)計過程。

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，ATL 和 AFP 已從航空航天工業(yè)中的特定高科技應用發(fā)展到廣泛的工業(yè)應用。其原因在于大多數(shù)工業(yè)部門對新材料的需求，因為現(xiàn)有的航空航天材料與最先進的 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)量復合材料對材料質(zhì)量、放置頭設(shè)置和沉積策略的高度依賴促進了新放置頭設(shè)計原理、機器人化、機器設(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)高性能復合材料部件，自動纖維沉積技術(shù)中在線過程監(jiān)控系統(tǒng)的必要性得到了強調(diào)。然而，新型纖維沉積技術(shù)、先進材料和在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)的開發(fā)對于加強航空航天領(lǐng)域以外的復合材料的工業(yè)應用至關(guān)重要。雖然預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展引起了人們的興趣，并將進一步提高復合材料的適用性。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械性能而具有巨大的潛力。特別是對于建筑大型結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了一種涉及機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一步發(fā)展，特別是對于中等件數(shù)范圍和各種應用領(lǐng)域中形狀、幾何形狀和纖維結(jié)構(gòu)的小型復雜結(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)的多功能性和適應性，能夠滿足各個行業(yè)不斷變化的需求。

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