纤维缠绕工艺概述与展望

本文将现有的纤维缠绕工艺分为芯模纤维缠绕、无芯纤维缠绕和空间纤维缠绕。

1.1 芯模纤维缠绕

芯模纤维缠绕（Filament Winding，FW) 可分为传统的纤维缠绕和机器人纤维缠绕。在传统的纤维缠绕工艺中，纤维束通过树脂浴缸后，利用控制输送装置的速度和芯模的转速来牵引浸渍状态的纤维束，使其以不同的角度缠绕在芯模上，之后浸渍后的纤维会在适当的时间和温度条件下固化，从而形成纤维缠绕制品。传统纤维缠绕工艺的原理图如图 1 所示，其中包括线轴架、树脂浴缸和芯模等。

机器人纤维缠绕技术的特点是以传统纤维缠绕技术为基础，使用工业机器人来完成纤维缠绕。机器人纤维缠绕技术主要由芯模、放线装置、工业机器人及辅助设备组成。机器人纤维缠绕技术采用多自由度的机械臂旋转芯模或放线装置等进行纤维缠绕，可分为两种主要工作模式。一种是通过机械臂牵引纤维使其能够缠绕固定在机床旋转设备的芯模上；另一种是机械臂末端连接芯模，通过机械臂旋转芯模，使纤维从纤维放线装置中牵扯出并缠绕在芯模上，如图2所示。

无芯纤维缠绕（Coreless Filament Winding，CFW)于2012年由斯图加特大学的计算设计研究所（ICD) 和建筑结构与结构设计研究所（ITKE) 结合工程方法和计算机设计首次合作开发。这种新颖的机器人纤维缠绕技术是一种不需要芯模的建造方式，通常使用定制的钢框架（或脚手架）作为支撑，同时根据结构的设计要求在这些钢框架（或脚手架）上布置锚点。如图3所示，无芯纤维缠绕的设备主要由工业机器人图 3（a）和预制框架图 3（b）组成。在建造过程中，机器人末端执行器牵扯经过树脂浸渍的纤维长丝，然后按照既定的纤维缠绕语法和机器人运动规划路径不断围绕框架进行纤维缠绕动作；纤维材料随着机器人末端执行器在两锚点之间来回移动和自由跨越，并在锚点处形成缠绕节点；在一层一层地重复堆叠和铺设纤维层后，最终形成具有多层纤维外壳的结构；待浸渍状态的纤维固化后拆除框架（或脚手架），完成纤维缠绕构件的制造。

无芯纤维缠绕基于将纤维缠绕在预制框架的锚点上，以锚点为缠绕的节点，而空间纤维缠绕（Spatial Filament Winding，SFW) 则是在无芯纤维缠绕的基础上，增加了纤维在空间中的缠绕。空间纤维缠绕通过将一根纤维缠绕在另一根纤维上的方式，使纤维之间的缠绕形成节点，如图 4 所示。

无芯纤维缠绕通过纤维分层缠绕的方式实现了构件的建造，但各纤维的相互作用仅限于各纤维之间的表面接触。空间纤维缠绕扩展了缠绕节点的概念，通过将各根纤维缠绕，创建具有多纤维相互作用的缠绕节点，进一步减少了对框架的依赖，从而可以创建具有多个空间缠绕点、大跨度的构件。空间纤维缠绕要求纤维在编织过程中能够在空间中自由移动，因此需要多个系统协同工作和建造。如图 5 所示，一种空间纤维缠绕的设备主要包括工业机器人和可移动的龙门架，龙门架上安装有附带锚点的刚性框架。空间纤维缠绕工艺在同一框架内可以创建各种几何形状形成多个缠绕节点，并引入了多步骤固化工艺，可以迭代制造连续的大型空间框架结构。

2 纤维缠绕建造技术

由于无芯纤维缠绕技术舍弃了传统纤维缠绕所需的昂贵芯模，与传统的纤维缠绕技术相比，其释放了芯模原本占据的空间，具有应用到大尺寸建筑及其构件上的潜力。因此，国内外的一些学者也开始利用无芯纤维缠绕技术建造大跨度的建筑结构。本文将应用于建筑领域的无芯纤维缠绕技术定义为纤维缠绕建造技术。其主要面向实际的建筑工程领域，旨在利用无芯纤维缠绕技术实现大尺寸的纤维缠绕建筑及其构件的快速、精确和自动化建造。纤维缠绕建造系统主要包括缠绕材料系统、综合计算系统和自主建造机器人系统，其结合了土木工程、材料科学、计算机技术、机械装备及数控技术等多种学科和技术。

纤维缠绕建造技术的基本原理为：纤维缠绕建造技术以无芯纤维缠绕技术为基础，通过综合设计与计算生成纤维缠绕路径规划方案，采用建模手段对纤维缠绕建造过程进行虚拟仿真和纤维缠绕结构的性能计算，并根据仿真模拟结果对纤维缠绕路径进行优化和迭代，同时将优化后的纤维缠绕路径生成指令控制机器人进行纤维缠绕和编织，最终实现纤维缠绕结构的自动化建造。纤维缠绕建造技术采用仿真模拟和原型实验相结合的方法，通过采用不同的缠绕材料和调整纤维铺设层的密度，可实现大规模的装配式或整体式纤维缠绕结构的自动化建造，具有快速、准确、自动化的建造特点。

最为典型的纤维缠绕建造技术的应用是德国斯图加特大学 ICD/ ITKE 主导开发并不断持续发展的无芯纤维缠绕研究项目。自 2012 年以来，ICD/ITKE 在轻质纤维增强复合材料领域研究的基础上，讨论了建筑结构新的设计策略和建造方法——无芯纤维缠绕技术，同时对其展开了持续的研究，重点关注纤维增强复合材料建筑的综合计算设计以及模拟和建造工艺，并将纤维缠绕建造技术成功应用到了多个研究项目中。

纤维材料作为缠绕的原材料，对后续建造的缠绕建筑结构的外观和性能有着非常重要的影响。纤维缠绕建筑结构通常是以碳纤维缠绕层为缠绕建造结构的承重结构，承受主要的荷载，弥补建筑结构强度、刚度不足的缺陷。而玻璃纤维缠绕层为缠绕建筑结构的外壳，并作为碳纤维缠绕的支撑层。

由树脂基体与玻璃纤维、碳纤维等传统增强纤维结合而成的复合材料具有良好的性能，并在纤维缠绕建筑结构中得到了大量使用。然而，其不可降解且不易回收利用而引起环境污染和资源浪费的问题愈发突出。在纤维材料体系中，天然植物纤维具有来源广泛、价格低廉、对加工设备磨损小、环保可再生等优点，同时又具有强度高、模量大、质硬、耐摩擦、耐水泡等优异性能，在新型复合材料领域中扮演着越来越重要的角色。因此，一些学者也提出了利用天然植物纤维（如棉、麻、竹、木纤维等）作为纤维缠绕建造的原材料，旨在实现绿色、环保的可持续建造。

常用的纤维缠绕建造机械设备组合包括机械臂及能够适应纤维缠绕需求的末端执行器、缠绕框架等。不同的结构设计要求可能需要确定不同的建造设备，如图 3 和图 6 所示。纤维缠绕建造由于面向大型的建筑工程领域，故一般采用大型的工业机器人作为主要的缠绕工具，如 KUKA 机械臂。常见的工业机器人的机械系统包括：机械臂、控制系统及手持操作编程器。同时，纤维缠绕建造需要根据设计要求和建筑结构形式进行机器人的运动路径规划。

机器人无芯纤维缠绕装置如图6所示，包括：①工业机器人；②纱架；③纤维张力机构；④机器人末端执行器；⑤卷绕架；⑥连续钢管；⑦定位器；⑧H型钢梁；⑨玻璃纤维；⑩碳纤维。缠绕框架上一般会设计锚点，可根据结构不同的承载要求来设计不同的锚点数量，如图7（a）~（b）所示。缠绕框架的曲线可细分为足够数量的锚点作为纤维材料固定和缠绕的节点，在纤维材料固化成型后再将框架拆除。此外，缠绕框架底部有时还会配置旋转底盘。当完成结构一侧的缠绕时，通过旋转框架能够使固定的机械臂继续进行结构另一侧的纤维缠绕，从而在有限的工作范围内完成整个结构构件的建造，进一步提高了机械臂的灵活性。

近年来，建筑领域机器人建造的迅速发展为建筑设计和施工开辟了新的可能性。建筑机器人和纤维缠绕等技术结合产生的纤维缠绕建造新技术，通过采用以往不可行的工艺技术和材料，在建筑领域中成功地应用了纤维缠绕建造技术。

ICD/ITKE 展亭 2012 受仿生学原理启发，将节肢动物外骨骼中的差异化纤维排列原理应用到纤维缠绕建造中，探索了制造过程中纤维相互作用的数字模拟以及碳纤维和玻璃纤维的离散化，以实现不同的刚度梯度，如图 14 所示。ICD/ ITKE 展亭 2012 作为纤维缠绕建造技术应用的第一个研究项目，展示了纤维缠绕建造技术创建轻量级结构的巨大潜力。

为克服机器人装置的工作空间的限制，ICD和ITKE 将可以进行远程工作的无人机与作业范围有限的工业机器人相结合，提出了一种利用自主无人机和工业机器人建造大跨度复合材料结构的多机协同建造系统。工业机器人负责缠绕纤维的牵引、拉紧和缠绕，而无人机在两个工业机器人不能工作的范围携带着缠绕纤维沿着模具进行传递，扩展了机器人的操作区域，辅助两个工业机器人完成大跨度结构的缠绕编织，如图 15（a）~（b）所示。该结构表明，可以通过协作的多机纤维缠绕建造技术，建造出一种能抵抗局部屈曲的坚固薄壁结构，适合大跨度结构和建筑的应用。

斯图加特大学 ICD 和 ITKE 以鞘翅的形态学原理为基础，探讨了结合材料、结构、制造和形态发生原理的综合计算设计方法的框架，对集成设计和数字化建造工艺进行了研究。该团队利用纤维缠绕建造技术设计，且成功建造出了模块化的部件，并将其组装，形成了 ICD/ITKE 展亭 2013-14和 Elytra 展亭，如图 16 所示。

从 2019 年到 2021 年，ICD 和 ITKE 陆续设计和建造了三个纤维缠绕建造项目，分别是 BUGA 纤维展馆、纤维缠绕建造技术的研究与展望Maison 纤维展馆和 Liv Mat S 展馆。同时，这三个项目的研究目标截然不同，从高性能大跨度到混合建筑系统，再到替代纤维材料。这三个展馆都是基于纤维缠绕组件装配的建筑结构，均采用了数值模拟和原型构件力学测试双重模拟的测试方法来证明建筑结构的安全性。

Andreas Göbert 等开展了旨在使用可持续纤维替代品的 3D Wood Wind 工艺。其利用连续的薄木板条作为纤维缠绕工艺中的纤维材料。该团队使用粘合剂和纤维组成的材料系统，开发了纤维布局的计算设计方法和机器人制造方法，成功制造了中空的轻质部件。该团队还通过几个制造案例研究展示了 3D Wood Wind制造能力，为建筑行业中的可能应用和未来的研究提供可能性，如建筑和结构组件、家具、柱子、横梁、楼板或立面组件等可能的应用，如图 20 所示。

本文通过对纤维缠绕工艺的介绍，尤其是对纤维缠绕建造的基本原理、材料系统、机械设备、关键技术及其主要应用进行了梳理和归纳，得到了如下三个结论。

纵观国内外现有的纤维缠绕建造方法及其应用，无不体现了其在建筑领域上的潜力和适应性。部分学者和机构虽然也取得了一定的研究结果，但仍然存在着一些问题，包括材料、机械、计算机设计和数值模拟等方面的问题和挑战。针对未来纤维缠绕建造的研究，本文提出以下几个研究思路和展望。

虽然目前纤维缠绕建造技术可通过自主建造机器人实现结构的自动化建造，但其智能化程度还有待提高。如固定的工业机器人相对于可移动的机器人灵活性较差，采用多机协同建造是未来纤维缠绕智能建造发展的方向之一。此外，大部分有关纤维缠绕建造的研究没有涉及建造过程及运营阶段的监测，因此，有必要结合自动化监测手段和可视化方法对纤维缠绕结构的建造过程进行实时监测及纤维缠绕结构的生命周期评估。

大多数有关纤维缠绕建造的研究所用的材料还是以玻璃纤维和碳纤维为主，而其不可降解且不易回收利用的特点容易引起环境污染和资源浪费问题。因此，在后续纤维缠绕建造的研究中，研究者需要关注纤维材料的回收再利用。植物纤维增强复合材料在新型复合材料领域中扮演着越来越重要的角色。应用植物纤维代替传统增强纤维用于纤维缠绕建造技术，可在保证结构性能要求的基础上有效缓解环境破坏和资源危机。

目前，纤维缠绕建造尚未形成统一的标准和规范体系，在技术标准和社会经济效益评价方面基本处于空白。因此，为了使纤维缠绕建造技术的应用成熟化，研究制定一整套技术标准和评判体系是必要的，包括材料性能标准、机械设备标准、技术和结构评估标准等。

现在，大多数纤维缠绕建造的应用仅局限于观赏性建筑，距离真正应用服务于人类生活的纤维缠绕建筑还有较大的差距。因此，研究者需要扩展纤维缠绕建筑的应用场景，使其不再局限于观赏艺术类建筑，同时，这也提高了建筑结构的复杂性，需要更加精确的设计和模拟，以促进该技术的快速发展和广泛应用。

参考资料

[1]李雄彬,周燕,周诚.纤维缠绕建造技术的研究与展望[J].土木建筑工程信息技术,2024,16(02):1-11.DOI:10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2024.02.01.