接上文：（【專題綜述】簡述自動纖維鋪放和纖維纏繞技術的最新進展（上））

2.3機器人纖維纏繞

為了克服纖維纏繞技術的幾何限制，纏繞技術的自由度數量多年來不斷增加。除了開發更廣泛的材料外，這還使得新的結構和幾何可能性或針對特定要求優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安裝在機械臂上。使用可拆卸的纏繞心軸，可以實現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，已經研究了規則和不規則的各向異性桁架狀纏繞結構，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點或以編織結構圍繞桁架。

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或格子狀結構。這使得生產復雜的桁架結構成為可能，其中纖維朝向最高拉應力的方向。CFW 還可以經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構增強材料的建筑獨特的大型殼體結構和亞麻纖維結構。作為建筑應用的進一步擴展，新穎的空間纏繞技術使用特殊的末端執行器、銷釘和已丟棄的纖維來重新定向纖維，以創建互鎖纖維的空間結構（圖 3（C）），以減少銷釘數量并創建三維桁架結構。無芯生產工藝中可能出現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設置的能力決定。在大多數應用中，這些纏繞點被設計用作力傳遞的連接點。結構幾何形狀高度靈活的優勢導致制造設置和可實現的結構拓撲之間的依賴性增加。由于復雜結構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字化設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，即將三維連續纏繞結構細分為不太復雜或更平面的組件，然后再進行連接。由于 CFW 結構缺乏標準化的審批規定，通常需要單獨的認證審批。在此基礎上，該技術已在原型級別之外得到使用，這就是為什么作者估計技術成熟度水平處于規模的上三分之一。

根據 CFW 的應用，最近已經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浸漬纖維束，帶有外部材料供應和卷繞浴浸漬系統。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備，用于張力監測和被動張力控制。Friese 等人采用類似的方法，將浸漬系統安裝在機器人上，從而減小了繞線工具的尺寸，以制造用于混凝土結構的三維鋼筋。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，其工作原理與重力無關，因此浸漬與運動無關。該裝置在纏繞過程中主動控制樹脂分數和粗紗張力。纖維線軸和預混樹脂供應安裝在繞線工具上，繞線工具設計緊湊，可在纏繞過程中在協作機器人之間傳遞。這允許對大型部件或新組件設計和繞線策略進行連續纏繞。為此，繞線工具配備了兩個快速換刀系統，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計空間。然而，增加機器人的數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方法來規劃卷繞機器人工具中心點的路徑。由于在路徑規劃期間必須考慮機器人的運動邊界條件和纖維行為，因此對于復雜的結構，編程工作量很大，而且通常無法避免手動重新調整和物理測試。

圖 4 .帶有內嵌浸漬系統的機器人繞線工具：(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，纖維和樹脂供應裝置安裝在繞線頭上。該工具設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置所示。

與 AFP 纖維路徑設計一樣，在 CFW 制造過程中，項目特定特征要求在纏繞鋪層設計期間相互且相互依賴地考慮設計、結構力學和制造系統能力，其中必須在制造過程的所有步驟中考慮材料特性。在結構設計和評估中，采用迭代多層次方法，對為應用案例設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。這還可以調整工藝參數（例如纖維張力）并檢查纖維橫截面質量。通過集成光纖傳感器對纖維束中的局部應變和內力進行結構監測，可以捕捉到力流和載荷引入，從而提高對結構和材料的理解。為了實現離線幾何質量保證或校準結構模型，在連續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對較大部件進行地面激光掃描來測量局部纖維束橫截面。結構的最終幾何形狀來自自由跨越纖維的相互作用。因此，在設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構驗證的顯式有限元法。其他承重結構研究使用拓撲優化作為形狀查找的基礎。

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，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量的影響。優化張力可改善壓實度，從而提高纖維體積分數，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）可改善結構性能。纖維在卷繞點處的偏轉會導致長絲扭曲，這是由于纖維導向裝置內的粗紗內部旋轉造成的，通過沿套筒曲率方向的沉積和避免圍繞纖維出口旋轉，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構進行固結，可以提高拉伸性能并改善多層之間的粘合，但設計靈活性會降低。由于 CFW 結構的失效主要發生在自由跨度區域之前的銷釘處的載荷傳遞區域對載荷傳遞概念進行了研究，結果表明載荷分布可以改善結構性能。Minsch 等人進一步表明互鎖環比簡單環更合適。為了通過與工藝相關的纖維橫截面積變化來增強工藝的可預測性，Mindermann 等人開發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，從而產生可調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，對纏繞銷釘的幾何形狀進行了優化，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的底部或頭部（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和替代材料來高效利用資源，擴大制造過程固有的可持續性，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、纏繞設備和結構設計的調整中考慮。由于 CFW 的設計自由度和材料效率，它在大型結構的建筑應用中的使用越來越多，因此需要新的模擬設計方法。此外，一些研究和調查還旨在改進綜合計算協同設計框架，該框架能夠對設計、仿真和制造數據進行建模、交換和重用。這旨在提高計算設計階段的可預測性并降低安全系數。此外，設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和商業應用中的設計過程。

3.總結與展望

經過數十年在工藝技術和所用材料的并行技術改進，ATL 和 AFP 已從航空航天工業中的特定高科技應用發展到廣泛的工業應用。其原因在于大多數工業部門對新材料的需求，因為現有的航空航天材料與最先進的 ATL/AFP 系統相結合無法滿足低非經常性成本和高生產率的要求。制造高質量復合材料對材料質量、放置頭設置和沉積策略的高度依賴促進了新放置頭設計原理、機器人化、機器設置和新制造策略的變化。此外，為了保證為安全關鍵行業生產高性能復合材料部件，自動纖維沉積技術中在線過程監控系統的必要性得到了強調。然而，新型纖維沉積技術、先進材料和在線質量檢測系統的開發對于加強航空航天領域以外的復合材料的工業應用至關重要。雖然預浸熱固性材料的沉積已經很成熟，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 鋪層期間的牽引轉向能力允許制造可變剛度面板，并且由于能夠根據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構，出現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展，特別是對于中等件數范圍和各種應用領域中形狀、幾何形狀和纖維結構的小型復雜結構。除了新材料的開發外，材料建模的持續發展，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的多功能性和適應性，能夠滿足各個行業不斷變化的需求。

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