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專題報(bào)告

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無芯纖維纏繞工藝概述、應(yīng)用與發(fā)展

一、無芯纖維纏繞工藝概述

從 20 世紀(jì) 40 年代開始,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,這些不足可以通過針對新型復(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)首次合作開發(fā)。

無芯纖維纏繞工藝概述、應(yīng)用與發(fā)展

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)器人無芯纏繞法》中,介紹了無芯纏繞法(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,無需模具即可制造出高效的承重結(jié)構(gòu)。通過對建筑應(yīng)用中機(jī)器人無芯纏繞技術(shù)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(fù)合材料罐發(fā)展而來的。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,而無需改變?nèi)魏斡布?。使用的熱固性樹脂需要在烘箱中固化,以形成自支撐?fù)合材料組件。在生產(chǎn)過程中,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。

無芯纖維纏繞工藝概述、應(yīng)用與發(fā)展

圖  用于制造 BUGA 復(fù)合材料部件的機(jī)器人無芯纏繞裝置: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)。論文通過兩個(gè)具有代表性的任務(wù)來研究這兩個(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) 開發(fā)用于質(zhì)量控制的 CPRCFW 方法,集成繞組過程自動(dòng)化、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和分析。每個(gè)目標(biāo)都是通過研究和開發(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)來實(shí)現(xiàn)的。這些目標(biāo)通過組件和建筑規(guī)模的大型演示進(jìn)行了驗(yàn)證,說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、無芯纖維纏繞工藝應(yīng)用案例

1、BUGA 纖維展亭

無芯纖維纏繞工藝概述、應(yīng)用與發(fā)展

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)和制造過程如何充分利用新型復(fù)合材料建筑系統(tǒng)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的材料效率。此外,這也是首次通過建筑主管部門的授權(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?。穹頂位?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,單位建筑面積重量僅為 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纖維合成法進(jìn)行調(diào)整。

2、行星遮陽衛(wèi)星

無芯纖維纏繞工藝概述、應(yīng)用與發(fā)展

氣候變化要求探索創(chuàng)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(diǎn) 1 部署行星遮陽衛(wèi)星,以直接調(diào)節(jié)地球上的太陽輻射。然而,這種大跨度空間結(jié)構(gòu)帶來了獨(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(tǒng)長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。浸漬了合成樹脂的連續(xù)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。

三、無芯纖維纏繞工藝發(fā)展

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,如果采用纏繞夾具,傳統(tǒng)的長絲纏繞機(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、汽車和航空航天等領(lǐng)域受益匪淺。


此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯,部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請注明出處。


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