【复材视界】纤维复合材料铸就北美地区首座无芯缠绕灯丝塔

在美国印第安纳州哥伦布市，一座玻璃钢（GFRP）和碳纤维复合材料（CFRP）格构塔架高达30英尺，这是哥伦布市建筑展示馆哥伦布展区内建造的北美地区第一座无芯缠绕灯丝塔，也是迄今为止建造的最高的无芯缠绕灯丝塔。这座塔模仿了乔拉仙人掌的开放式格子结构，是田纳西州诺克斯维尔大学（UTK）设计与结构技术助理教授马歇尔·普拉多（Marshall Prado）的创意。

该塔由Owens Corning欧文斯康宁公司的连续玻璃纤维，SGL Carbon的连续碳纤维和Teijin帝人公司捐赠的114磅重碳纤维丝束组成。该团队选择了带有EPIKURE ™ 3230固化剂体系的Hexion EPON ™ 863树脂，因为其适用期长。

该设计项目的目的是探索用于建筑应用的复合材料结构的计算设计和机器人制造，并强调碳纤维和玻璃纤维的美学品质。该塔由30个独特的部分组成：三个CFRP基座形成基础，27个GFRP和CFRP管状格子塔部件，长度从三英尺到八英尺，直径高达两英尺。

这些管状零件是在UTK建筑与设计学院的Fab实验室使用机器人制造和可重构的无芯框架制造的。绕线架采用10英尺长、直径4英寸的钢管，安装在旋转的水平轴上，带有直径2英寸的钢管“臂”。每个臂上都有一个圆形端板，端板上有12到16个突出的螺栓作为绕线点。

为了缠绕纤维，水平管道像一个巨大的旋转烤盘一样旋转，而一个9轴的KUKA机器人反复拉动一到六根玻璃粗纱或50K碳纤维丝束穿过环氧树脂浴槽，将它们缠绕在一只手臂的端板螺栓上，然后移到另一只手臂，将纤维缠绕在它的一个缠绕点上。对于灯丝塔，将绕组点臂重新放置在每个组件上，从而改变它们与主轴的距离、角度和方向，这样就可以创建独特的零件。

长丝塔的三个底座是在田纳西州橡树岭国家研究实验室（ONRL）能源部的制造示范设施中，由短切碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）经3D打印成型加工。每个底座长7到8英尺，高达4英尺，用ONRL的辛辛那提BAAM（大面积增材制造造）机器打印大约需要8个小时。

该塔于2019年8月在哥伦布展览现场手工组装，为期四个月。为了简化装配，每个管状塔组件都有10英寸直径的端部。为了保护连续的纤维，端部开口通过一个钢螺钉穿过一个小的铝套管相互固定，铝套管在缠绕过程中覆盖每个螺栓，并嵌入零件中。

相关负责人介绍说，采用3D打印制造技术是非常有效的，因为它使用的材料远远少于传统的方法，而且，如UTK塔所展示的那样，无芯缠绕技术可用于创建一次性几何图形，而开发这种无芯缠绕系统对于在建筑应用中使用这些复合材料是非常重要的，这样能够适应各种各样的几何形状，而不受系列化生产的限制。