從 20 世紀 40 年代開始，化學工業和復合材料的進步徹底改變了制造業，在航空航天、汽車和消費品行業實現了新的輕質高強應用。然而，由于數字化程度低、設計和工程方法集成度低，復合材料未能對建筑施工行業產生重大影響。研究發現，制造方法的可擴展性有限，以及工藝自動化不足是建筑復合材料學術的研究空白。不過，這些不足可以通過針對新型復合材料結構的特定建筑設計、制造方法和建筑法規得到緩解。

無芯纖維纏繞（Coreless Filament Winding，CFW)于2012年由斯圖加特大學的計算設計研究所和建筑結構與結構設計研究結合工程方法和計算機設計首次合作開發。

Serban Bodea 在他的博士論文《用于輕質建筑構件的升級版機器人無芯纏繞法》中，介紹了無芯纏繞法（CFW）的升級和自動化策略，這是一種將纖維纏繞應用于建筑的方法。CFW 是一種制造方法，它依賴于纏繞在空間支撐物上的自由伸展纖維的各向異性機械特性，無需模具即可制造出高效的承重結構。通過對建筑應用中機器人無芯纏繞技術要求的最新研究，為建筑施工提供了支持。

無芯纖維纏繞工藝是從制造圓柱形纏繞復合材料罐發展而來的。工業機器人不使用放置纖維的芯軸或模具，而是將連續的浸漬纖維纏繞在多個空間排列的纏繞銷釘上（下圖）。纖維在這些錨點之間自由穿梭，只相互影響。這樣就可以調整纖維網，從而調整每個組件的結構特征，而無需改變任何硬件。使用的熱固性樹脂需要在烘箱中固化，以形成自支撐復合材料組件。在生產過程中，只需擰下栓釘，就可以將其從固定栓釘的繞線架上取下。銷釘留在組件中的唯一部分是一個金屬套筒，用作負載傳輸元件。

圖  用于制造 BUGA 復合材料部件的機器人無芯纏繞裝置：1、工業機器人（6 軸）；2、機器人安裝的紗架；3、纖維張緊機構；4、機器人纏繞末端執行器；5、纏繞框架；6、連續鋼管；7、單軸定位器（外部軸）；8、H 型鋼梁；9、下層玻璃纖維體；10、碳纖維增強材料

現有的機器人無芯繞絲（RCFW）預制方法可以成功升級并用于大型、大跨度承重結構。此外，論文還提出了一種推進現有過程監控和質量控制方法的方法，命名為網絡物理 RCFW (CPRCFW)。論文通過兩個具有代表性的任務來研究這兩個目標：(1) 驗證 RCFW 方法的可擴展性及其工業化潛力，(2) 開發用于質量控制的 CPRCFW 方法，集成繞組過程自動化、過程監控、數據采集和分析。每個目標都是通過研究和開發硬件（包括制造裝置和工具）和軟件（包括 CAD 實現的工業機器人運動規劃和控制算法）來實現的。這些目標通過組件和建筑規模的大型演示進行了驗證，說明了研究成果如何有助于使 RCFW 成為復合材料建筑應用中工業驗證技術的有效替代品。

二、無芯纖維纏繞工藝應用案例

1、BUGA 纖維展亭

展亭由斯圖加特大學的兩個研究所設計，即計算設計與建筑研究所（ICD）和建筑結構與結構設計研究所（ITKE）。批量生產在 FibR GmbH 公司進行。演示的目的是展示網絡物理設計和制造過程如何充分利用新型復合材料建筑系統來優化結構的材料效率。此外，這也是首次通過建筑主管部門的授權程序；在一年內獲得了 "個案批準"。

展亭的支撐結構由 RCFW 工藝生產的 60 個 C/GFRP 復合材料組件組成。這些組件通過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償的作用。穹頂位于 11 個環形排列的地基上。在復合結構的上方，乙烯-四氟乙烯（ETFE）箔被固定在一個金屬鉸鏈支架上，這部分保護了組件和 400 平方米的覆蓋表面，使其免受風吹、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，單位建筑面積重量僅為 7.6 千克/平方米。

新型 BUGA 建筑系統的一個關鍵要素是無芯纏繞復合材料組件。它改進了纏繞框架與復合材料組件之間的解耦，并提高了框架的適應性。因此，可在制造迭代之間調整組件的長度，并設置法蘭的角度。這樣，BUGA 展亭使用的建筑系統就有了六種不同的配置。該建筑系統的每個組件都呈雙曲面形狀。纖維網形成了一個管狀貝殼狀復合結構，其橢圓形橫截面可通過纖維合成法進行調整。

2、行星遮陽衛星

氣候變化要求探索創新的地球工程解決方案來減緩其影響，其中一種解決方案是在日地拉格朗日點 1 部署行星遮陽衛星，以直接調節地球上的太陽輻射。然而，這種大跨度空間結構帶來了獨特的技術挑戰，特別是結構可擴展性、在軌制造和原位資源利用。研究人員提出了遮陽板箔片支撐系統的結構概念，并由此推導出使用無芯纏繞絲的大跨度纖維復合材料輕質桁架的組件級模塊系統。

要克服目前這種大型輕質航空航天結構的制造限制，無論是專門針對遮陽板還是更普遍的情況，都需要使用新型制造方法，如無芯纏繞絲（CFW）。CFW 無需使用傳統長絲纏繞的芯軸或模具，因為纖維可在安裝在纏繞架上的錨固件之間自由跨越。復合材料不需要大面積支撐，只需與錨點進行點狀接觸。浸漬了合成樹脂的連續纖維束按照特定的順序（即纏繞語法）在這些錨之間自由穿梭。

綜上，CFW 工藝可使用工業機器人實現全自動化，從而有可能實現復雜建筑結構施工、太空環境中在軌制造。不過，如果采用纏繞夾具，傳統的長絲纏繞機也可用于 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，由于沒有導向表面，CFW 缺乏固著性，纖維張力也會發生變化。這些效應會嚴重影響纖維與纖維之間的相互作用，影響中觀纖維網配置和內外纖維束結構。因此，準確預測和控制最終部件的結構特性變得十分困難。因此，使用 CFW 進行設計需要精細的有限元模擬，因為即使是纖維網的微小變化也會對其結構性能產生重大影響。盡管如此，CFW 已證明了其在生產不同尺度的自適應負載優化結構方面的潛力，使建筑、汽車和航空航天等領域受益匪淺。