CN115139520A - 增材制造系统以及增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例提供一种增材制造系统以及增材制造方法。该增材制造系统包括：引导装置，引导第一材料且在基材上设置所述第一材料，使得所述第一材料在所述基材上形成为具有目标形状；预处理装置，对所述第一材料进行表面预处理；施加装置，构造为向经表面预处理的所述第一材料的表面施加第二材料；以及加热装置，对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料，形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。该增材制造系统以及增材制造方法不需要设置另外的步骤来使得复合材料具有目标形状，能够在具有目标形状且进过表面活化和附加功能性处理的第一材料表面上施加第二材料，该复合材料直接形成为具有目标形状，从而能够提高打印效率，实现快速的增材制造。

Description

增材制造系统以及增材制造方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种增材制造系统以及增材制造方法。
背景技术
在工业、制造业高速发展的今天，传统的制造业加工工艺已经无法满足许多高精度、高复杂度、异形部件的加工要求，在各类高要求高标准的加工需求催生之下，新的快速成型方法应运而生：三维(3D，three-dimensional)打印，三维打印又称增材制造。三维打印技术凭借其诸多优势，成为了目前新型制造领域中最受欢迎同时最具生命力的技术之一，和普通打印机只能在二维方向上移动不同，三维打印的基本原理是操控机器对打印材料进行逐层堆积的操作来产生三维物体，这种制造方式在生产复杂零部件时不仅缩短了研制周期同时还降低了研发成本。
连续纤维增强复合材料具有密度低、强度高等优点，是应用广阔的工程结构材料，具体应用于航空航天，汽车，轮船，海洋，石油，建筑，医疗，高性能体育用品，消费电子品等。然而，传统的复合材料制造工艺复杂、成本高昂，利用三维打印来生产连续碳纤维增强复合材料可以实现更灵活的设计，同时有助于节约资源和时间，因而引起了广泛的关注。
发明内容
第一方面，本公开的实施例提供一种增材制造系统，包括：引导装置，引导第一材料且在基材上设置所述第一材料，使得所述第一材料在所述基材上形成为具有目标形状；预处理装置，对所述第一材料进行表面预处理；施加装置，构造为向经表面预处理的所述第一材料的表面施加第二材料；加热装置，对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料，形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
例如，该增材制造系统还包括：可移动模块，构造为根据所述目标形状而移动，所述引导装置、所述预处理装置、所述施加装置以及所述加热装置容置在所述可移动模块中，且随着所述可移动模块的移动而移动，所述引导装置在所述可移动模块移动的同时而引导所述第一材料。
例如，所述可移动模块还包括：压力固化装置，构造为向所述复合材料施加压力以及提供热量，而将所述复合材料固定到所述基材，所述可移动模块朝向远离被固定的所述复合材料的方向移动。
例如，该增材制造系统还包括：供给装置，构造为向所述可移动模块提供张力可控的所述第一材料；存储装置，构造为存储所述第一材料，且向所述供给装置提供所述第一材料。
例如，所述第一材料是纤维预制体，所述存储装置为卷绕有纤维预制体的辊。
例如，该增材制造系统还包括：裁切装置，设置在所述供给装置与所述引导装置之间，构造为将所述第一材料导向所述引导装置，且构造为切断所述第一材料。
例如，所述基材包括建造台或者在前面工艺中固定在所述建造台上的所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
例如，该增材制造系统还包括：腔室，构造为容纳所述可移动模块以及所述建造台，且所述腔室还提供有温控装置、压力控制装置。
例如，所述施加装置包括喷嘴且构造为向所述第一材料施加液体状的所述第二材料。
例如，所述第二材料为热固性树脂。
例如，该增材制造系统还包括：驱动装置，构造为驱动所述可移动模块在所述腔室内移动，所述驱动装置设置在所述腔室外部。
例如，所述可移动模块的移动方向平行于所述纤维预制体的纤维方向，所述施加装置、所述加热装置以及所述压力固化装置沿着与所述可移动模块的移动方向相反的方向且在所述纤维方向上依次设置。
第二方面，本公开的实施例还提供一种增材制造方法，采用第一方面任意所述的增材制造系统，该方法包括：利用所述引导装置引导第一材料且将所述第一材料按照目标形状设置在基材上；利用所述预处理装置对所述第一材料进行表面预处理；利用所述施加装置在所述第一材料上施加第二材料；利用所述加热装置对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料而形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
例如，该增材制造方法还包括：对所述复合材料进行处理，使得所述复合材料进一步固化且固定在所述处理台上。
例如，所述增材制造系统包括：可移动模块，构造为根据所述目标形状而移动，
所述引导装置、所述预处理装置、所述施加装置以及所述加热装置容置在所述可移动模块中，且随着所述可移动模块的移动而移动，所述增材制造方法还包括：在利用所述引导装置引导第一材料且将所述第一材料按照目标形状设置在所述基材上的同时，沿着远离被固定的所述复合材料的方向移动所述可移动模块。
例如，所述对所述复合材料进行处理包括：利用压力固化装置对所述复合材料施加压力以及温度，使得所述复合材料完全固化且固定在所述处理台上。
例如，所述基材包括建造台或者在前面工艺中固定在所述建造台上的所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
例如，所述在所述第一材料上施加第二材料包括：利用供给装置在所述第一材料上喷涂液态的所述第二材料。
例如，所述利用所述预处理装置对所述第一材料进行表面预处理包括：对所述第一材料的表面进行表面激活和/或附加功能化的处理。
例如，对所述第一材料的表面进行表面激活包括：对所述第一材料的表面进行粘结剂涂层施加、官能团移植、等离子体蚀刻、等离子体移植、臭氧清洁处理、表面能活化或者喷涂上浆剂。
例如，对所述第一材料的表面进行附加功能化的处理包括：在所述第一材料的表面喷涂或沉积功能性粉末或者粒子材料。
例如，该增材制造方法还包括：利用供给装置向所述可移动模块提供张力可控的所述第一材料；利用存储装置存储所述第一材料且通过所述存储装置向所述供给装置提供所述第一材料。
例如，所述第一材料是纤维预制体，所述可移动模块的移动方向平行于所述纤维预制体的纤维方向，所述施加装置、所述加热装置沿着与所述可移动模块的移动方向相反的方向且在所述纤维方向上依次设置。
本公开的实施例提供一种增材制造系统和增材制造方法，该增材制造系统包括：引导装置，引导第一材料且在基材上设置所述第一材料，使得所述第一材料在所述基材上形成为具有目标形状；预处理装置，对所述第一材料进行表面预处理；施加装置，构造为向经表面预处理的所述第一材料的表面施加第二材料；加热装置，对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料，形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。在该增材制造系统中，通过引导系统的移动而引导该第一材料在基材上具有目标形状，例如，最终需要的制造的三维形状的每次堆积的层的形状，进一步通过采用加热装置对第一材料进行局部加热，而施加第二材料的区域与被加热的第一材料区域之间形成温度梯度，从而使得被施加的液态的第二材料的粘度从低温到高温降低而由于毛细作用使得该第二材料向局部加热的区域流动，且加热区域处较高的温度会使得液态的第二材料固化，而与第一材料形成复合材料，从而实现复合材料的快速固化；这样，由于第一材料已经被设置为具有目标形状，施加到第一材料且被固化的第二材料便与第一材料一起形成为具有目标形状的复合材料，而最终要得的三维形状位于该层的目标形状。通过重复以上的打印过程，从而最终形成所需的三维形状，这样的增材打印系统采用局部加热的方法，从而可以提升打印材料的固化速度以及固化程度，实现快速而有方便的增材制造。而且在对复合材料固化前便通过利用引导系统的移动而引导第一材料具有目标形状，这样并不需要设置另外的步骤来使得复合材料具有目标形状，从而能够提高打印效率，实现快速的增材制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是根据本公开实施例的增材制造系统的示意图；
图2是根据本公开实施例的增材制造系统的另一示意图；
图3是根据本公开实施例的增材制造系统的再一示意图；以及
图4是根据本公开实施例的增材制造方法的示意性流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本公开的实施例提供一种增材制造系统和增材制造方法，该增材制造系统包括：引导装置，引导第一材料且在基材上设置所述第一材料，使得所述第一材料在所述基材上形成为具有目标形状；预处理装置，对所述第一材料进行表面预处理；施加装置，构造为向经表面预处理的所述第一材料的表面施加第二材料；加热装置，对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料，形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。在该增材制造系统中，通过引导系统的移动而引导该第一材料在基材上具有目标形状，例如，最终需要的制造的三维形状的每次堆积的层的形状，进一步通过采用加热装置对第一材料进行局部加热，而施加第二材料的区域与被加热的第一材料区域之间形成温度梯度，从而使得被施加的液态的第二材料的粘度从低温到高温降低而由于毛细作用使得该第二材料向局部加热的区域流动，且加热区域处较高的温度会使得液态的第二材料固化，而与第一材料形成复合材料，从而实现复合材料的快速固化；这样，由于第一材料已经被设置为具有目标形状，施加到第一材料且被固化的第二材料便与第一材料一起形成为具有目标形状的复合材料，而最终要得的三维形状位于该层的目标形状。通过重复以上的打印过程，从而最终形成所需的三维形状，这样的增材打印系统采用局部加热的方法，从而可以提升打印材料的固化速度以及固化程度，实现快速而有方便的增材制造。而且在对复合材料固化前便通过利用引导系统的移动而引导第一材料具有目标形状，这样并不需要设置另外的步骤来使得复合材料具有目标形状，从而能够提高打印效率，实现快速的增材制造。
下面将结合附图对本公开实施例的增材制造系统和增材制造方向进行示例性地描述。
图1示出了根据本公开实施例的增材制造系统的示意图，如图1所示，该增材制造系统1000包括：引导装置15，引导第一材料101且在基材上设置所述第一材料，使得所述第一材料在所述基材上形成为具有目标形状；预处理装置11，对所述第一材料进行表面预处理；施加装置12，构造为向经表面预处理的所述第一材料的表面施加第二材料102；加热装置13，对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料102，形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
例如，所述引导装置可以包括引导辊，所述第一材料可以在所述引导辊的引导下在所述基材上设置成预定的目标形状，而后，通过施加第二材料且对第二材料进行固化而使得第一材料和第二材料形成为具有目标形状的复合材料。
例如，通过采用加热装置对所述第一材料进行局部加热，使得第一材料的第二材料施加处与该加热区域处产生温度梯度，在该温度梯度下，由于第二材料在温度较高处粘度减小，第二材料会向加热区域处流动且在该处由于温度较高而固化，从而形成复合材料。
例如，该加热装置可以采用向第一材料的局部区域提供激光、红外光、微波或者等离子体等实现对局部区域的加热，例如，该加热装置可以是激光发射器、红外光发射器、微波发射器或者等离子体加热器等。
例如，该预处理装置可以对第一材料的表面进行清洁、活化从而改善润湿性和界面性能，例如，可以在第一材料的表面进行粘结剂涂层施加，例如，粘结剂喷涂、官能团，例如，-COOH，-OH，移植、等离子体刻蚀、等离子体表面接枝、臭氧清洁处理、表面能活化、喷涂上浆剂，例如，喷涂硅烷基(silane)和氨基甲酸酯基(urethane)等；和/或可以对第一材料的表面进行功能化，例如，在表面施加，例如，喷涂功能性粉末或粒子，使之附着到第一材料表面，功能性粉末或粒子可以包括聚合物颗粒、热固性聚合物粉末和热塑性粉末、金属(例如，Al、Fe)和金属氧化物(例如，Al2O3、Fe2O3、Fe3O4)粉末和导线、陶瓷(例如SiC、SiO2)粉末和导线、纳米材料(例如，炭黑、碳纳米管、石墨烯、石墨、氮化硼，Mexene)。
例如，该增材制造系统还可以包括：可移动模块100，构造为根据所述目标形状而移动，其中所述引导装置15、所述预处理装置11、所述施加装置12以及所述加热装置13可以容置在所述可移动模块100中，且随着所述可移动模块的移动而移动，所述引导装置在所述可移动模块移动的同时而引导所述第一材料，而使得第一材料101在基材上形成有具有预定的目标形状。
例如，可移动模块100还可以包括：压力固化装置14，该压力固化装置构造为向所述复合材料施加压力以及提供热量，而将所述复合材料固定到所述基材，其中所述可移动模块朝向远离被固定的所述复合材料的方向移动。该压力固化装置14可以包括压力施加件、加热件以及压力辊，压力辊通过压力施加件压紧在复合材料上且施加一定的压力到复合材料，且通过加热件而使得压力辊升温而向复合材料加热，这样通过提供压力可控制层厚度，从而使得复合材料更致密以及低的孔隙率，且通过加热使得可以达到95％以上的固化率。
例如，如图1所示，压力固化装置14在左侧，在该压力固化装置14的作用下，第一材料和第二材料的复合材料被完全固化且固定在基材上，可移动模块100朝向远离被固定的复合材料的方向移动，也就是，沿着箭头A的方向向右移动。随着可移动模块的向右移动，第一材料不断被提供且被引导装置引导而以预定的目标形状设置在基材上，且沿着从左向右的方向逐步向第一材料施加第二材料且形成具有目标形状的复合材料。随着可移动模块的不断向右移动，第一材料被持续地供应到可移动模块下方的基材上，从而实现持续的增材制造。
例如，通对可移动模块的移动，引导装置持续引导第一材料，第二材料被施加到第二材料上且被固化固定在基材上，通过不断地重复该步骤，使得通过层叠多个具有目标形状的层，而最终得到所要打印的三维物体。
例如，在本公开的实施例中，基材可以是建造台16或者在前面的步骤中形成在建造台16上的打印好的材料，也就是，固定好的第一材料和第二材料的复合材料。建造台16可以是表面平坦或者表面具有特定形貌的刚性材料台，例如，不锈钢台；或者表面平坦或者表面具有特定形貌的塑性材料台，例如，硅胶台等，该建造台还可以设置有加热系统，以加热位于其上的三维打印材料。
例如，如图3所示，建造台16可以由支柱161来支撑。
例如，该增材制造系统1000还可以包括：供给装置18，构造为向所述可移动模块100提供张力可控的所述第一材料101；存储装置19，构造为存储所述第一材料，且向所述供给装置提供所述第一材料。
例如，该供给装置包括张紧系统，以将第一材料从存储装置牵引而导出且根据第一材料的类型控制第一材料的张力，例如，如图2所示，该张紧系统可以包括导导辊组181以及182，和张力控制装置183。
备选地，供给装置和存储装置可以设置在可移动模块内部或者外部，本公开的实施例并不对此进行限制。
例如，所述第一材料可以是纤维预制体，所述存储装置可以为卷绕有纤维预制体的辊。
例如，该纤维预制体可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、天然纤维、钢纤维、银纤维、铜纤维或多组分纤维，以及其中任意的组合。该纤维预制体的形式可以是纤维束(无捻)、纱线(加捻)、机织，无纺布、编织物，针织物、二维和三维织物、预浸渍的织物、热塑性或热固性涂覆的纤维或织物或者混合纱线和织物。
例如，该施加装置12可以是带有喷嘴的喷射件或者其上涂覆有第二材料的涂覆件。第二材料可以是液体状，从而可以通过喷嘴被喷涂到第一材料上，或者第二材料可以是粘稠状，从而可以通过涂覆件，例如，涂覆辊而旋涂到第一材料上，本公开的实施例并不对此进行限制，只要能够向第一材料表面施加第二材料即可。
例如，该第二材料可以是树脂，例如，热固性树脂，例如，聚酯、环氧、酚醛、乙烯基酯、热固性聚氨酯、硅氧树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺、聚碳硅烷等，紫外线固化树脂，例如丙烯酸环氧树脂，丙烯酸聚酯，丙烯酸聚氨酯等。该树脂中还可以添加有稳定剂，主要包括：紫外线吸收剂、抗氧化剂、淬灭剂、润滑剂、增塑剂、阻燃剂，例如，润滑剂可以包括脂肪醇、酸和酯或者烃，增塑剂可以包括邻苯二甲酸酯、己二酸酯或者多氯代烃，阻燃剂可以包括卤化、非卤化等。
例如，该增材制造系统还可以包括：裁切装置17，该裁切装置设置在所述供给装置与所述引导装置之间，构造为将所述第一材料导向所述引导装置，且当需要切断第一材料时对第一材料进行裁切。该裁切装置可以是纤维预制体切割机，例如，激光切割机或者机械剪刀等。
备选地，该裁切装置可以设置在可移动模块内或者外部，设置在可移动模块内部则可以跟随可移动模块而移动，从而便于对第一材料进行裁切，更好地控制三维打印的物体的形状，提高三维打印精度。
例如，在该裁切装置与供给装置之间还可以设置导向辊20，以将第一材料引导到该裁切装置。
备选地，该导向辊可以位于可移动模块内部或者外部，本公开的实施例并不对此进行限制。
例如，根据本公开实施例的增材制造系统还可以包括：腔室200，构造为容纳所述可移动模块100以及所述建造台16，且所述腔室还提供有温控装置、压力控制装置。
例如，根据本公开实施例的增材制造系统还可以包括：驱动装置，构造为驱动所述可移动模块在所述腔室内移动，所述驱动装置设置在所述腔室外部。
例如，该驱动装置可以是机械手臂控制系统，该机械手臂控制系统通过机械手固定连接到可移动模块，从而控制可移动模块移动，该机械手臂控制系统可以是六轴控制系统，也就是，该机械手臂可以是六轴机械手臂，从而能够打印复杂形状的三维物体，提升打印应用性。备选地，该机械手臂控制系统还可以是高架式XYZ框架，从而可以控制可移动模块在X、Y|、Z三个方向移动。
备选地，供给装置和存储装置可以设置在腔室内或者设置在腔室外部，设置在腔室外部可以节省空间，给可移动模块更多的移动空间，提升三维打印精度，但本公开的实施例并不对此进行限制。
例如，对于第一材料是纤维预制体的情况，所述可移动模块的移动方向平行于所述纤维预制体的纤维方向，所述施加装置、所述加热装置以及所述压力固化装置沿着与所述可移动模块的移动方向相反的方向且在所述纤维方向上依次设置。结合图2，可移动模块沿着箭头A的方向移动，该方向平行于纤维方向，而施加装置12、加热装置13和压力固化装置14的设置方向也平行于纤维方向且沿着与可移动模块的移动方向相反的方向顺次设置在可移动模块中。
这里应该注意的是，附图中示出了施加装置12、加热装置13和压力固化装置14、裁切装置、供给装置的相位位置，但是对于施加装置12、加热装置13和压力固化装置14三者只要沿着平行于纤维方向布置即可，三者的相位位置也可以在可移动模块中适当调整，对于裁切装置，只要设置在第一材料供给的方向上即可，对于供给装置其可以设置在可移动模块内或者腔室内，为了实现方便，本领域的技术人员可以根据需要而设定，本公开的实施例并不对此进行限制。
本公开实施例的增材制造系统，通过加热装置对第一材料，例如，纤维预制体进行局部加热，沿纤维方向会形成温度梯度分布，从而使第二材料，例如，液态热固性树脂在纤维上从低温到高温区域具有降低的粘度，粘度的降低会使其由于毛细力作用流入相邻纤维之间，同时较高的温度会使得液态树脂发生固化，实现快速且同步的灌注和固化，并可将复合材料固化为任意三维形状。这种局部加热的方法可以实现打印材料更快的固化速度和更高的固化程度。第二材料，例如，液态树脂在毛细作用下甚至可以克服重力，在纤维间垂直向上移动。复合材料由于液态树脂在纤维间的毛细作用而致密化，从而实现了更高的纤维体积分数，有助于提升材料性能。而且，在对复合材料固化前通过利用引导系统的移动而引导第一材料具有目标形状，这样并不需要设置另外的步骤来使得复合材料具有目标形状，从而能够提高打印效率，实现快速的增材制造。进一步地，通过采用压力固化装置，能够在加压的同时加热，使得复合材料更致密以及低的孔隙率，且使得复合才老可以达到95％以上的固化率。进一步地，通过设置预处理装置，能够在第二材料施加之前对第一材料表面进行活化和/或附加功能化处理，从而使得第二材料更易结合到第一材料，二者形成更稳固的复合材料，且对第一材料进行附加功能化处理，能够使得三维打印材料更稳定、产品性能更好。
本公开的实施例还提供一种增材制造方法，其采用如上任意所述的增材制造系统，如图4所示，该方法包括：利用所述引导装置引导第一材料且将所述第一材料按照目标形状设置在基材上；利用所述预处理装置对所述第一材料进行表面预处理；利用所述施加装置在所述第一材料上施加第二材料；以及利用所述加热装置对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料而形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
进一步地，该增材制造方法还可以包括：对所述复合材料进行处理，使得所述复合材料进一步固化且固定在所述处理台上。
例如，所述对所述复合材料进行处理包括利用压力固化装置对所述复合材料施加压力以及温度，使得所述复合材料完全固化且固定在所述处理台上。通过采用上述实施例中的压力固化装置对复合材料进行加压和加热处理，从而控制复合材料的层厚度，使得三维打印材料更致密并具有低的空隙率，且通过提供加热可以使得复合材料达到95％以上的固化率。
例如，所述增材制造系统可以包括：可移动模块，构造为根据所述目标形状而移动，所述引导装置、所述预处理装置、所述施加装置以及所述加热装置容置在所述可移动模块中，且随着所述可移动模块的移动而移动。相应地，所述增材制造方法还可以包括：在利用所述引导装置引导第一材料且将所述第一材料按照目标形状设置在基材上的同时，沿着远离被固定的所述复合材料的方向移动所述可移动模块。
例如，所述基材包括建造台或者在前面工艺中固定在所述建造台上的所述第一材料和所述第二材料的复合材料。基材可以是建造台16或者在前面的步骤中形成在建造台16上的打印好的材料，也就是，固定好的第一材料和第二材料的复合材料。建造台16可以是表面平坦或者表面具有特定形貌的刚性材料台，例如，不锈钢台；或者表面平坦或者表面具有特定形貌的塑性材料台，例如，硅胶台等，该建造台还可以设置有加热系统，以加热位于其上的三维打印材料。
例如，在根据本公开实施例的增材制造方法中，所述在所述第一材料上施加第二材料包括：利用供给装置在所述第一材料上喷涂液态的所述第二材料。
备选地，所述在所述第一材料上施加第二材料包括：通过涂覆件将所述第二材料涂覆到第一材料，例如，第二材料可以是粘稠状，从而可以通过涂覆件，例如，涂覆辊而旋涂到第一材料上，本公开的实施例并不对此进行限制，只要能够向第一材料表面施加第二材料即可。
例如，该第二材料可以是树脂，例如，热固性树脂，例如，聚酯、环氧、酚醛、乙烯基酯、热固性聚氨酯、硅、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺、紫外线固化树脂、聚碳硅烷等。该树脂中还可以添加有稳定剂，主要包括：紫外线吸收剂、主要抗氧化剂、次要抗氧化剂、淬灭剂、润滑剂、增塑剂、阻燃剂，例如，润滑剂可以包括脂肪醇、酸和酯或者烃，增塑剂可以包括邻苯二甲酸酯、己二酸酯或者多氯代烃，阻燃剂可以包括卤化、非卤化等。
例如，在本公开实施例的增材制造方法中，利用所述加热装置对所述第一材料进行局部加热可以包括：向第一材料的局部区域提供激光、红外光、微波或者等离子体等实现对局部区域的加热，例如，该加热装置可以是激光发射器、红外光发射器、微波发射器或者等离子体加热器等。
例如，在根据本公开实施例的增材制造方法中，在所述利用所述预处理装置对所述第一材料进行表面预处理可以包括：
对所述第一材料的表面进行表面激活和/或附加功能化的处理。
例如，对第一材料的表面进行激活可以是清洁、活化处理，从而改善润湿性和界面性能，例如，可以在第一材料的表面进行粘结剂涂层施加，例如，粘结剂喷涂、官能团，例如，-COOH，-OH，移植、等离子体蚀刻、等离子体移植、臭氧清洁处理、表面能活化、喷涂上浆剂等。
例如，对第一材料的表面进行附加功能化处理可以包括，例如，在表面施加，例如，喷涂功能性粉末或粒子，使之附着到第一材料表面，功能性粉末或粒子可以包括聚合物颗粒、热固性聚合物粉末和热塑性粉末、金属(例如，Al、Fe)和金属氧化物(例如，Al2O3、Fe2O3、Fe3O4)粉末和导线、陶瓷(例如SiC、SiO2)粉末和导线、纳米材料(例如，炭黑、碳纳米管、石墨烯、石墨、氮化硼，Mexene)。
例如，根据本公开实施例的增材制造方法还可以包括：利用供给装置向所述可移动模块提供张力可控的所述第一材料；利用存储装置存储所述第一材料且通过所述存储装置向所述供给装置提供所述第一材料。
例如，如图2所示，该供给装置包括张紧系统，以将第一材料从存储装置牵引而导出且根据第一材料的类型控制第一材料的张力，例如，如图2所示，该张紧系统可以包括导导辊组181以及182，和张力控制装置183。
例如，根据本公开实施例的增材制造方法还可以包括：对第一材料进行裁切，该裁切采用如图2所示的裁切装置17进行，该裁切装置设置在所述供给装置与所述引导装置之间，构造为将所述第一材料导向所述引导装置，且当需要切断第一材料时对第一材料进行裁切。该裁切装置可以是纤维预制体切割机，例如，激光切割机或者机械剪刀等。
备选地，该裁切装置可以设置在可移动模块内或者外部，设置在可移动模块内部则可以跟随可移动模块而移动，从而便于对第一材料进行裁切，更好地控制三维打印的物体的形状，提高三维打印精度。
例如，所述第一材料可以是纤维预制体，所述存储装置可以为卷绕有纤维预制体的辊。
例如，该纤维预制体可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、天然纤维、钢纤维、银纤维、铜纤维或多组分纤维，以及其中任意的组合。该纤维预制体的形式可以是纤维束(无捻)、纱线(加捻)、机织，无纺布、编织物，针织物、2D和三维织物、预浸渍的织物、热塑性或热固性涂覆的纤维或织物或者混合纱线和织物。
例如，在本公开实施例的增材制造方法中，在所述第一材料是纤维预制体的情况下，所述可移动模块的移动方向平行于所述纤维预制体的纤维方向，所述施加装置、所述加热装置沿着与所述可移动模块的移动方向相反的方向且在所述纤维方向上依次设置。结合图2，可移动模块沿着箭头A的方向移动，该方向平行于纤维方向，而施加装置12、加热装置13和压力固化装置14的设置方向也平行于纤维方向且沿着与可移动模块的移动方向相反的方向顺次设置在可移动模块中。
例如，该增材制造方法中，可移动模块和建造台可以设置在腔室中，该腔室还提供有温控装置、压力控制装置。该增材制造方法还可以包括：对腔室进行温度测量、根据温度测量结果控制腔室内的温度，例如根据不同的三维打印材料进行降温或升温操作和/或控制腔室内的压力等，以进一步提升三维打印产品的质量。
例如，本公开实施例的增材制造方法还可以包括利用控制装置控制可移动模块的移动，例如，该驱动装置设置在腔室外部。
例如，该驱动装置可以是机械手臂控制系统，该机械手臂控制系统通过机械手固定连接到可移动模块，从而控制可移动模块移动，该机械手臂控制系统可以是六轴控制系统，也就是，该机械手臂可以是六轴机械手臂，从而能够打印复杂形状的三维物体，提升打印应用性。备选地，该机械手臂控制系统还可以是高架式XYZ框架，从而可以控制可移动模块在X、Y|、Z三个方向移动。示例性地，该可移动模块可以固定在该高架式XYZ框架的架体上，例如，沿某一方向延伸的架体上，该架体可以被电机等驱动为在X方向和Z方向上移动，而可移动模块可以被电机等驱动为沿着架体而在Y方向移动，从而实现可移动模块的X、Y和Z方向的移动；或者该架体可以在Y方向和Z方向移动，而可移动模块可以被电机驱动等沿着架体在X方向移动，以实现可移动模块在X、Y和Z方向的移动。
下面，以第一材料为纤维预制体、第二材料为液态树脂为例对根据本公开实施例的增材制造方法的完整工艺流程进行示例性描述：卷绕在辊上的纤维预制体被供给装置牵引而导出根据第一材料的类型控制第一材料的张力，而后该纤维预制体经过导向辊而送入可移动模块，在可移动模块里经过裁切装置和引导装置被铺在建造台上。随着打印头的向右移动以及不断的纤维预制体供给，纤维预制体相对于打印头向左移动,先经过预处理装置进行表面性能和功能性准备。然后经过施加装置表面被喷涂上液态树脂，再经过加热装置，在热源的作用下树脂浸润纤维预制体并且开始固化而形成复合材料。被浸润并且几近固化的复合材料经过压力固化装置被压到一定高度，去除孔洞并且达到较高的固化度粘结在建造台上或者上一层打印好的材料上。在上述工艺流程中，当完成一层材料的打印后需要切断该第一材料时，由设置在供给装置和引导装置之间的裁切装置切断该第一材料。如果可移动模块安装在6轴机器手臂上，可移动模块可以根据打印部件的形状进行三维空间的移动来进行材料的三维铺叠。
在本公开实施例的增材制造方法在，通过加热装置对第一材料，例如，纤维预制体进行局部加热，沿纤维方向会形成温度梯度分布，从而使第二材料，例如，液态热固性树脂在纤维上从低温到高温区域具有降低的粘度，粘度的降低会使其由于毛细力作用流入相邻纤维之间，同时较高的温度会使得液态树脂发生固化，实现快速且同步的灌注和固化，并可将复合材料固化为任意三维形状。这种局部加热的方法可以实现打印材料更快的固化速度和更高的固化程度。第二材料，例如，液态树脂在毛细作用下甚至可以克服重力，在纤维间垂直向上移动。复合材料由于液态树脂在纤维间的毛细作用而致密化，从而实现了更高的纤维体积分数，有助于提升材料性能。而且，在对复合材料固化前通过利用引导系统的移动而引导第一材料具有目标形状，这样并不需要设置另外的步骤来使得复合材料具有目标形状，从而能够提高打印效率，实现快速的增材制造。进一步地，通过采用压力固化装置，能够在加压的同时加热，使得复合材料更致密以及低的孔隙率，且使得复合才老可以达到95％以上的固化率。进一步地，通过设置预处理装置，能够在第二材料施加之前对第一材料表面进行活化和/或附加功能化处理，从而使得第二材料更易结合到第一材料，二者形成更稳固的复合材料，且对第一材料进行附加功能化处理，能够使得三维打印材料更稳定、产品性能更好。
还有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (23)

1.一种增材制造系统，包括：
引导装置，引导第一材料且在基材上设置所述第一材料，使得所述第一材料在所述基材上形成为具有目标形状；
预处理装置，对所述第一材料进行表面预处理；
施加装置，构造为向经表面预处理的所述第一材料的表面施加第二材料；
加热装置，对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料，形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，还包括：
可移动模块，构造为根据所述目标形状而移动，
其中所述引导装置、所述预处理装置、所述施加装置以及所述加热装置容置在所述可移动模块中，且随着所述可移动模块的移动而移动，所述引导装置在所述可移动模块移动的同时而引导所述第一材料。
3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中所述可移动模块还包括：
压力固化装置，构造为向所述复合材料施加压力以及提供热量，而将所述复合材料固定到所述基材，
其中所述可移动模块朝向远离被固定的所述复合材料的方向移动。
4.根据权利要求3所述的增材制造系统，还包括：
供给装置，构造为向所述可移动模块提供张力可控的所述第一材料；
存储装置，构造为存储所述第一材料，且向所述供给装置提供所述第一材料。
5.根据权利要求4所述的增材制造系统，其中所述第一材料是纤维预制体，所述存储装置为卷绕有纤维预制体的辊。
6.根据权利要求3所述的增材制造系统，还包括：
裁切装置，设置在所述供给装置与所述引导装置之间，构造为将所述第一材料导向所述引导装置，且构造为切断所述第一材料。
7.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述基材包括建造台或者在前面工艺中固定在所述建造台上的所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
8.根据权利要求7所述的增材制造系统，还包括：
腔室，构造为容纳所述可移动模块以及所述建造台，且所述腔室还提供有温控装置、压力控制装置。
9.根据权利要求3所述的增材制造系统，其中所述施加装置包括喷嘴且构造为向所述第一材料施加液体状的所述第二材料。
10.根据权利要求3所述的增材制造系统，其中所述第二材料为热固性树脂。
11.根据权利要求8所述的增材制造系统，还包括：
驱动装置，构造为驱动所述可移动模块在所述腔室内移动，所述驱动装置设置在所述腔室外部。
12.根据权利要求5所述的增材制造系统，其中所述可移动模块的移动方向平行于所述纤维预制体的纤维方向，所述施加装置、所述加热装置以及所述压力固化装置沿着与所述可移动模块的移动方向相反的方向且在所述纤维方向上依次设置。
13.一种增材制造方法，采用如权利要求1所述的增材制造系统，该方法包括：
利用所述引导装置引导第一材料且将所述第一材料按照目标形状设置在基材上；
利用所述预处理装置对所述第一材料进行表面预处理；
利用所述施加装置在所述第一材料上施加第二材料；
利用所述加热装置对所述第一材料进行局部加热，以固化所述第二材料而形成所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
14.根据权利要求13所述的增材制造方法，还包括：
对所述复合材料进行处理，使得所述复合材料进一步固化且固定在所述处理台上。
15.根据权利要求14所述的增材制造方法，其中所述增材制造系统包括：
可移动模块，构造为根据所述目标形状而移动，
所述引导装置、所述预处理装置、所述施加装置以及所述加热装置容置在所述可移动模块中，且随着所述可移动模块的移动而移动，
所述增材制造方法还包括：
在利用所述引导装置引导第一材料且将所述第一材料按照目标形状设置在所述基材上的同时，沿着远离被固定的所述复合材料的方向移动所述可移动模块。
16.根据权利要求14所述的增材制造方法，其中所述对所述复合材料进行处理包括：
利用压力固化装置对所述复合材料施加压力以及温度，使得所述复合材料完全固化且固定在所述处理台上。
17.根据权利要求14所述的增材制造方法，其中所述基材包括建造台或者在前面工艺中固定在所述建造台上的所述第一材料和所述第二材料的复合材料。
18.根据权利要求13所述的增材制造方法，其中所述在所述第一材料上施加第二材料包括：
利用供给装置在所述第一材料上喷涂液态的所述第二材料。
19.根据权利要求13所述的增材制造方法，其中所述利用所述预处理装置对所述第一材料进行表面预处理包括：
对所述第一材料的表面进行表面激活和/或附加功能化的处理。
20.根据权利要求19所述的增材制造方法，其中对所述第一材料的表面进行表面激活包括：
对所述第一材料的表面进行粘结剂涂层施加、官能团移植、等离子体蚀刻、等离子体移植、臭氧清洁处理、表面能活化或者喷涂上浆剂。
21.根据权利要求19所述的增材制造方法，其中对所述第一材料的表面进行附加功能化的处理包括：
在所述第一材料的表面喷涂或沉积功能性粉末或者粒子材料。
22.根据权利要求15所述的增材制造方法，还包括：
利用供给装置向所述可移动模块提供张力可控的所述第一材料；
利用存储装置存储所述第一材料且通过所述存储装置向所述供给装置提供所述第一材料。
23.根据权利要求22所述的增材制造方法，其中所述第一材料是纤维预制体，
所述可移动模块的移动方向平行于所述纤维预制体的纤维方向，所述施加装置、所述加热装置沿着与所述可移动模块的移动方向相反的方向且在所述纤维方向上依次设置。
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