阅读说明：本技术 用于生产复合材料产品的增材制造方法和机器 (Additive manufacturing method and machine for producing composite material products ) 是由 A.T.坎宁安 B.L.怀特 P.J.沃尔科特 A.沙比尔 Z.P.斯特菲斯 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用于生产复合材料产品的增材制造方法和机器。一种增材制造方法,其包括：定位复合材料片材；固化所述片材的预定部分；围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生在先加工片材；在所述在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；固化所述后续片材的预定部分,以使所述后续片材和所述在先加工片材的预定部分结合在一起；和围绕所述后续片材的预定部分的周界切割所述后续片材以产生在后加工片材。可以将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环以产生三维复合材料产品。(Additive manufacturing methods and machines for producing composite products are disclosed. A method of additive manufacturing, comprising: positioning the composite sheet; curing a predetermined portion of the sheet; cutting the sheet around a perimeter of the predetermined portion to produce a previously processed sheet; adding a subsequent composite sheet on top of and in contact with the previously processed sheet; curing a predetermined portion of the subsequent sheet to bond the subsequent sheet and the predetermined portion of the previously processed sheet together; and cutting the subsequent sheet around a perimeter of the predetermined portion of the subsequent sheet to produce a post-processed sheet. The steps of adding, curing, and cutting subsequent sheets may be repeated for a number of cycles to produce a three-dimensional composite product.)

用于生产复合材料产品的增材制造方法和机器

技术领域

本公开大体上涉及增材制造，且更特别涉及用于生产复合材料产品的增材制造机器和方法。

背景技术

三维打印（3DP）是一种逐层构建组件的增材制造（AM）方法。3DP通过每次沉积相对少量的材料来工作，非常类似于打印机一次沉积极少量的墨水以便在一张纸上产生单层印迹。借用这种印刷类比，可以把3DP想象成在彼此顶部添加后续的“墨水”（或使用的任何材料）层的过程。用于3DP的材料通常是热塑性材料，其熔融（或已经呈液体形式）并一次以极少的量喷射或沉积到基底或压板上作为第一层。沉积的材料在沉积后立即凝固、干燥或凝结，并且小的沉积物非常紧密地沉积在一起，从而融合或结合在一起，形成连续层。也就是说，在通过并排沉积数以千计的小沉积物来构造层时，相邻的沉积物融合或结合在一起形成连续层，在相邻沉积物之间没有空间或空隙。沉积物之间的这种连续性不仅出现在每一层内，而且还出现在相邻层之间。因此，当将后续层沉积到在先/下方的层上时，后续/顶部层的沉积物将与在先/下方的层的相邻沉积物融合或结合。

由于可以实现的非常小的沉积物尺寸和相邻沉积物紧密融合或结合在一起的能力，可以通过3DP AM方法构造非常复杂的三维（3D）结构。但是，典型的3DP方法并不非常适于构造大型结构组件，其需要相当大的承载或耐磨能力。为此目的，已经使3DP适应于沉积在各沉积物内含有高强度粒子或玻璃纤维、碳纤维等等的短束的热固性树脂的小沉积物。尽管与使用热塑性沉积物的常规3DP相比，使用热固性树脂和结构材料的这类3DP方法对于结构、承载和耐磨应用而言更好，但其仍具有局限性。例如，单个沉积物的小尺寸意味着一次仅以非常小的量提供结构材料（例如短切玻璃纤维或碳纤维粒子），因此即使结构材料存在于整个部件中，该结构材料也不能遍及每个层以连续、不间断的形式持续存在，从而限制了整体组件的承载能力。

因此，合意的是提供使用3DP/AM方法生产组件的改进方法，其避免或尽量减少这些和其它局限性。

发明内容

作为3DP AM方法的一个实例，可以如图3中所例示的那样以逐层方式构建图1和2中显示的组件10。将第一层L1沉积在基底或压板12上，随后在第一层L1顶部上沉积第二层L2，并且添加后续层的这一过程持续进行，直到完成最终层L12。尽管在图3中出于说明目的仅显示十二层，但通过3DP方法构造的典型组件10可能具有数十、数百或数千个层。

根据一个实施方案，增材制造方法包括：定位复合材料片材；固化片材的预定部分；围绕预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材；在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起；围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材。该方法还可以包括将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。

在添加步骤之前，该方法可以包括向在先加工片材的预定部分施加胶粘剂。并在施加步骤之前，该方法可以进一步包括遮蔽在先加工片材除预定部分之外的至少一部分。

在固化后续片材的预定部分的步骤之前，该方法可以包括遮蔽后续片材除预定部分之外的至少一部分，和/或在后续片材的至少预定部分上施加压力。

复合材料可以具有X+Y结构组分/树脂构造，其中结构组分X是碳纤维、芳族聚酰胺、竹子和/或玻璃纤维，并且树脂Y是热反应性材料、光反应性材料、压力反应性材料和/或化学反应性材料。

各个固化步骤可以包括在复合材料片材的相应预定部分处引导热、光、压力和/或活化剂。各个切割步骤可以通过使用激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和/或水射流来实现。并且切割步骤中的至少一个可以包括在预定部分的周界内切割。

在另一实施方案中，用于生产复合材料产品的增材制造方法可以包括：（i）定位复合材料片材；（ii）固化片材的预定部分；（iii）围绕预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材；（iv）在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；（v）固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起；（vi）围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材；和（vii）将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。

在添加步骤之前，增材制造方法还可以包括向在先加工片材的预定部分施加胶粘剂。并且在施加步骤之前，该方法可以进一步包括遮蔽在先加工片材除预定部分之外的至少一部分。

在固化后续片材的预定部分的步骤之前，增材制造方法可以包括遮蔽后续片材除预定部分之外的至少一部分，和/或在后续片材的至少预定部分上施加压力。

增材制造方法的各个固化步骤可以包括在复合材料片材的相应预定部分处引导热、光、压力和/或活化剂。各个切割步骤可以通过使用激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和/或水射流来实现。并且切割步骤中的至少一个可以包括在预定部分的周界内切割。

在又另一实施方案中，增材制造机器包括用于定位复合材料片材的子系统、用于固化片材的预定部分的子系统、用于围绕预定部分的周界切割片材以产生加工片材的子系统、和与用于定位、固化和切割的子系统可操作地连接的控制器。控制器具有执行以下步骤的逻辑：（i）定位复合材料片材，（ii）固化片材的预定部分，（iii）围绕预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材，（iv）在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材，（v）固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起，（vi）围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材，和（vii）将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。

用于固化的子系统可以包括热源、光源、压力源和/或活化剂源。用于切割的子系统可以包括激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和/或水射流。该机器可以进一步包括用于遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分的子系统，其中控制器与用于遮蔽的子系统可操作地连接，并具有执行以下步骤的逻辑：（viii）遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分，和（ix）将遮蔽步骤重复多个循环。

附图说明

图1是根据本公开的实施方案的复合材料产品的顶视图。

图2是根据本公开的实施方案的复合材料产品的侧视图。

图3是用于构建根据本公开的实施方案的复合材料产品的层的侧视图。

图4是根据本公开的实施方案的复合材料片材的剖面图。

图5是根据本公开的实施方案的另一复合材料片材的剖面图。

图6显示了根据本公开的实施方案的加工复合材料片材的三个不同层的顶视图。

图7是根据本公开的实施方案的增材制造方法的流程图。

图8是根据本公开的实施方案的增材制造方法的流程图。

图9是根据本公开的实施方案的增材制造机器的示意图。

具体实施方式

现在参照附图，其中在若干个视图中相同的标记表示相同的部件，在本文中显示和描述了方法100/200、机器300和通过此类方法和机器生产的复合材料产品。

本公开的发明人开发了一种增材制造方法和利用该方法的机器，该方法克服了先前方法的局限性，并适于生产大型和小型的结构组件。本文中公开的本发明人的方法的一个方面是使用如图4和5中所示的复合材料片材20/30。图4中的复合材料片材20包括夹在顶部外层24和底部外层26之间的内层22。内层22可以是毡片、织造物或结构材料如碳纤维、芳族聚酰胺、竹子、玻璃纤维等等的布置以充当结构组分。结构材料可以是布料、棉絮（batting）、纤维、股线或其它合适布置的形式。

外层24/26可以是树脂或具有胶粘性或粘合性的其它材料。适于这些层的材料包括环氧树脂、胶粘剂、聚酯、树脂或其它类似材料。这些材料可以涂覆内层22的上表面和下表面或上面和下面，并还可以灌注到或分散在内层22内。这种结构的一种熟知的布置是“预浸料”的片材，其是用树脂涂覆和灌注（“浸渍”）的碳纤维、芳族聚酰胺、竹子、玻璃纤维等等的片材。这些预浸料片材通常由于在两个表面上的暴露的树脂而摸起来“发粘”，因此它们设有覆盖两个表面24/26的“撕除”或“剥离”的离型/隔膜片材（未显示）。

图5显示了复合材料片材或预浸料的可替代版本30。这里，在顶部和底部表面34/36上不存在显著的树脂涂层或层。取而代之的是，片材30可以仅包含结构材料（例如碳纤维片材）并且完全不包含树脂，或者片材30可以包含具有渗透片材30的内部32的树脂的结构材料。如同图4中所示的版本，片材30可以具有覆盖顶部和底部表面34/36以便于处理和定位片材的离型/隔膜片材（未显示）。当使用根据图4的片材20或含有树脂的根据图5的片材30时，片材20/30内/上的树脂可以包含两部分“A+B”树脂/固化剂体系的第一部分或“A”部分。在这样的情况下，第二部分或“B”部分（即用于固化部分“A”树脂的硬化剂、促进剂或其它固化剂）可以作为固化步骤（下文中所述）的一部分单独地施加。

因此，复合材料片材20/30可以包括“X+Y”结构组分/树脂组合或组合物，其中结构组分X可以是碳纤维、芳族聚酰胺、竹子、玻璃纤维等等，并且树脂Y可以是热反应性材料、光反应性材料、压力反应性材料、化学反应性材料等等。这种X+Y组合或组合物可以采取如图4和5中所示的片材20/30的形式。

应当指出，如本文中所用的术语“上部”、“下部”、“顶部”和“底部”是相对的（非固定的），并且是指定位片材20/30以便用于所公开的方法时复合材料片材表面的取向。因此，片材的任一表面可以是顶部/上部表面或底部/下部表面，取决于片材如何取向。同样，词语“在先”、“先前”、“后续”和“在后”在本文中用于表示相对于在根据本公开的增材制造方法100/200中较早或较晚使用的其它片材，呈现或使用片材的相对顺序或次序。

图6显示了根据本公开的实施方案的复合材料片材40/50/60的三个不同层的顶视图，图7显示了根据本公开的实施方案的增材制造方法100的流程图。在步骤110中，（例如在工作台的压板12上）定位复合材料片材40作为用于进一步加工的第一层L1。步骤110可以由人工操作者手动实施，或通过使用自动化材料处理设备来实施。

在步骤120中，固化片材40的预定部分、面积或区域41。该预定部分41具有处在复合材料片材40的外周或边界43内的周界42。如图1-3和6中所示，各片材或层的预定部分对应于所需复合材料产品的层状“切片”。固化步骤120可以通过在复合材料片材40的预定部分41处选择性引导热、光、压力和/或活化剂来完成。取决于片材内或片材表面上使用的树脂类型，可以使用特定类型的固化手段（或固化手段的组合）。例如，光反应性树脂可能需要特定频率范围的光（例如紫外(UV)、红外、相干激光）用作固化暴露于光的片材40的部分41的固化手段。作为另一实例，可以通过施加集中在片材的预定部分上的压力来固化压力反应性树脂。此外，可以通过使用在需要固化的片材40的（一个或多个）区域41处引导的热和/或红外能量来固化热反应性树脂，并且可以通过使用适当的化学试剂（例如活化剂、促进剂、催化剂等等）作为固化手段来固化化学反应性树脂。例如，复合材料片材40内/上的树脂可以包含两部分“A+B”树脂/固化剂体系的第一部分或“A”部分。在这样的情况下，第二部分或“B”部分（即用于固化部分“A”树脂的硬化剂、促进剂或其它固化剂）可以作为固化步骤120的一部分施加到预定部分41上，如通过扫过片材40的打印头。当部分“B”组分在预定部分或区域41内与部分“A”组分接触时，由于组分“A”和“B”化学相互作用，该区域41得以固化。或者，复合材料片材40可以仅包含结构材料（例如碳纤维的织造片材）而不含任何树脂，并且固化步骤120可以包括仅将树脂施加到预定部分41上，随后通过施加适当的固化手段/固化介质来固化树脂。

应当注意，“固化”是使引导固化手段或固化介质处的片材的预定部分从第一基本“未固化”状态转变为第二基本“固化”状态的过程。在这样的固化状态下，预定部分内的树脂比施加固化手段或固化介质之前更坚硬、硬化、致密等等。本文中所用的“固化手段”或“固化介质”是指导致、促使、促进或加速树脂的固化或转变的物质（例如化学品）、能量形式（例如热或光）或一组条件（例如施加压力）。

在步骤130中，在片材40的预定部分41已被固化后，随后围绕预定部分41的周界42切割片材40，以产生在先或初始加工片材40’。除了围绕（即处于或恰好在其外部）预定部分41的周界42切割之外，还可以在预定部分41的周界42内（即其内部）切割片材，如孔44/46所示，其通过在孔44/46的相应周界45/47处切割复合材料片材来形成。可以进行这些内部切割以便“挖空”复合材料产品的某些部分，或生成孔、囊、内部空腔、内部表面、流道等等。这些内部切割部分可以移除并任选用材料（如树脂、熔点比树脂低的材料等等）填充，或切割部分可以留在原处（不移除）以充当在这些支撑物顶部上的后续层中的固化部分的“支撑物”（例如用于防止下沉）。切割步骤130可以通过使用激光（例如大功率切割激光）、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流、水射流或类似的切割装置来实现或完成。

在步骤140中，在在先加工片材40’顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材50。随后，在步骤150中，固化后续片材50的预定部分51，以使后续片材50和在先加工片材40’的预定部分51/41结合在一起。该预定部分51具有处在复合材料片材50的周界或边界53内的周界52。注意，区域58、54和56未固化，分别对应于图1和2中的孔14、16和18。并在步骤160中，围绕后续片材的预定部分51的周界52切割后续片材50（并且还任选在周界52内切割后续片材50以产生由它们相应的周界55/57/59限定的未固化区域54/56/58）以产生在后/后续加工片材50’。

参照图1-3和6，注意，层L1、L2和L3可以使用片材40的预定部分图案41来产生。同样，层L4、L5和L6可以使用片材50的预定部分图案51来产生，并且层L7至L12可以使用片材60的预定部分图案61来产生。在通过选择性固化和切割复合材料片材来创建层以产生在先加工片材之后，通过在在先/先前加工片材顶部放置未固化/未加工的复合材料片材并随后固化并切割该下一/后续片材来创建下一/后续层。逐层重复该过程，直到获得所需复合材料产品。

注意，没有重音符号的附图标记40、50和60代表尚未固化或切割的未加工的复合材料片材，而具有重音符号的那些标记（即40’、50’和60’）代表固化并切割的/加工的片材。逐层构建复合材料产品的过程可以如下进行。将第一未加工片材40定位、固化并切割以产生第一加工片材40’，其充当复合材料产品的层L1部分，并且还充当层L2的“在先”加工片材。接着，将第二（后续）未加工片材40放置在第一（在先）加工片材40’上，并固化和切割以产生充当层L2的第二加工片材40’。此时，仅完成了两个层：L1和L2。接着，将第三（后续）未加工片材40放置在第二（在先）加工片材40’上，并固化和切割以产生充当层L3的第三加工片材40’。注意，相同的预定部分图案和周界41/42/45/47用于这前三个层L1-L3；但是，层L4-L6采用了略微不同的预定部分图案和周界51/52/55/57/59（即，这些层具有由其周界59限定的孔58，而层L1-L3不具有）。

在产生层L3之后，将第四（后续）未加工片材50放置在第三（在先）加工片材40’上，并固化和切割以产生充当层L4的第四加工片材50’。接着，将第五（后续）未加工片材50放置在第四（在先）加工片材50’上，并固化和切割以产生充当层L5的第五加工片材50’。接着，将第六（后续）未加工片材50放置在第五（在先）加工片材50’上，并固化和切割以产生充当层L6的第六加工片材50’。注意，相同的预定部分图案和周界51/52/55/57/59用于这些第四、第五和第六层L4-L6；但是，层L7-L17采用了不同的预定部分图案和周界61/62/69（即，基本上仅环形的区域，具有孔68）。

在已产生层L6之后，将具有周界或边界63的第七（后续）未加工片材60放置在第六（在先）加工片材50’上，并固化和切割以产生充当层L7的第七加工片材60’。接着，将第八（后续）未加工片材60放置在第七（在先）加工片材60’上，并固化和切割以产生充当层L8的第八加工片材50’。重复该过程，直到完成最终的层L12。

当在先前固化并切割的层或片材顶部定位后续的复合材料层或片材时，两个片材将彼此接触，该后续片材的预定部分或区域直接定位在在先/先前加工片材的预定部分或区域的顶部上。然后，当后续片材的预定部分被固化时，固化中的树脂将两个片材在其预定部分处结合在一起（但是在不属于预定部分的一部分的其它区域处基本上不会将片材结合在一起）。

在步骤170处，如果复合材料产品尚未完成，则该过程通过将添加、固化和切割后续片材的步骤（步骤140/150/160）重复多个循环来继续进行，直到完成方法100（步骤180）并产生三维复合材料产品。复合材料产品可以任选进行进一步加工，如砂磨、磨光、抛光、施加底漆、涂漆、电镀、高压灭菌、将一部分钻孔或切除、添加其它增强件等等。例如，在逐层构建方法100过程中产生或在方法100结束时钻孔/切入复合材料产品的孔和空隙可以配备有附加的结构加强件（如压入孔内、固定到空隙内的金属桩、支架等等），或孔/空隙可以填充有附加的树脂和定向纤维以提高复合材料产品的面外强度。同样，在在先加工片材顶部铺设后续的复合材料片材后，可以在后续片材的预定部分区域内在所选位置处用工具冲压或压制后续片材以完成“销接”或“层间铆接”，在这里后续片材的冲压或压制区域被压制/驱使进入下方的在先片材中。可以将附加的树脂和/或结构材料添加至这样的冲压或压制区域，因为在那里可能产生小的缺口。此外，在作为前述方法100的一部分已经初始固化每个层或片材并完成逐层构建过程后，复合材料产品可以进行进一步的固化或“后固化”步骤。这样做可以增加粘合、改善机械性质和提高耐温性，并可以通过在生产该组件的同一台机器上或在单独的烘箱、高压釜等等中将完成的产品暴露于升高的温度一段规定的时间来进行。此外，片材或层中的一个或多个还可以包括一个或多个作为切割步骤的一部分形成的穿孔或接缝P₄₀/P₅₀/P₆₀，在这里穿孔或接缝P₄₀/P₅₀/P₆₀从每个预定部分41/51/61的周界42/52/62延伸至相应片材40/50/60的边缘或边界43/53/63。这些穿孔或接缝P₄₀/P₅₀/P₆₀可以完全穿过或仅仅部分穿过片材40/50/60切割，可以以直线或非直线切割，并可以以连续线或以打孔线、分段线或“虚线”切割。此类穿孔P₄₀/P₅₀/P₆₀可以促进完成的复合材料产品10与周围的未固化片材层分离和移除。尽管在附图中并未显示，但在预定部分41/51/61的周界42/52/62内部也可能包括穿孔以促进片材40/50/60的未固化内部部分的移除。

图8显示了根据本公开的另一实施方案的用于生产复合材料产品的增材制造方法200的流程图。在步骤210中，定位复合材料片材，在步骤220中，固化片材的预定部分，并在步骤230中，围绕片材的预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材。在步骤240中，在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材，并在步骤250中，固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起。在步骤260中，围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材。在步骤270中，如果复合材料产品尚未完成，那么通过将添加、固化和切割后续片材的步骤（步骤240/250/260）重复多个循环来持续进行该过程，直到完成复合材料产品（步骤280）。

在添加步骤240之间，可以进行向在先加工片材的预定部分施加胶粘剂的附加步骤234。该胶粘剂可以与复合材料片材中使用的树脂相同，或者其可以是具有相容的粘合、加速或其它有益性质的不同材料。在施加胶粘剂的这一步骤234之前，可以进行遮蔽在先加工片材除片材的预定部分之外的至少一部分的另一附加步骤232。遮蔽物可以含有形状和尺寸直接对应于在先加工片材的预定部分的孔，使得当将遮蔽物对准放置在在先加工片材上时，在先片材的预定部分通过该孔暴露，而在先片材的其它部分被遮蔽（即被遮盖或覆盖），使得可以将胶粘剂施加到（并且仅施加到）在先加工片材的预定部分上。

在将后续的复合材料片材添加到在先加工片材上的步骤240之后，但是在固化后续片材的预定部分的步骤250之前，可以进行遮蔽后续片材除预定部分之外的至少一部分的附加步骤242。类似于上文对步骤234所述的遮蔽物，步骤242中的遮蔽物可以含有形状和尺寸直接对应于后续片材的预定部分的孔，使得当将遮蔽物对准放置在后续片材上时，后续片材的预定部分通过该孔暴露，而后续片材的其它部分被遮蔽（即被遮盖或覆盖）。在仅后续片材的预定部分通过该孔暴露的情况下，可以将步骤250的固化手段或固化方法施加到（并且仅施加到）后续片材的预定部分上。

在添加后续片材的步骤240和固化其预定部分的步骤250之间，可以进行在后续片材的至少预定部分上施加压力的另一附加步骤244。如果树脂是压力反应性的，则该压力可用于固化该树脂；但是，即使树脂不是压力反应性的，施加的压力也可以以其它方式予以辅助，如在树脂为热反应性时的固化过程中。

类似于早先描述的方法100，除了围绕在先或后续片材的预定部分的周界切割之外，方法200的切割步骤230/260还可以包括在片材的预定部分的周界内切割片材（例如为了产生图1-3和6中所示的孔和空隙）。此外，在作为前述方法200的一部分已经初始固化每个层或片材并完成逐层构建过程后，复合材料产品可以在生产该组件的同一台机器上或在单独的烘箱、高压釜等等中进行进一步的固化或“后固化”。

图9显示了根据本公开的实施方案的增材制造机器300的示意图。机器300包括用于定位复合材料片材的子系统310、用于固化片材的预定部分的子系统320、和用于围绕预定部分的周界切割片材以产生加工片材的子系统330。机器300还包括与用于定位的子系统310、用于固化的子系统320和用于切割的子系统330可操作地连接的控制器350。控制器350具有用于执行以下步骤的逻辑：（i）定位复合材料片材，（ii）固化片材的预定部分，（iii）围绕预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材，（iv）在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材，（v）固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起，（vi）围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材，和（vii）将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。

用于定位的子系统310可以包括自动化材料处理设备。用于固化的子系统320可以包括热源、光源、压力源和/或活化剂源。适当的用于固化的子系统310的选择取决于所用树脂所需的固化手段或固化方法。用于切割的子系统330 可以包括激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和/或水射流。

机器300 可以进一步包括一个或多个附加的子系统340（在图9中由虚线表示）。这可以包括用于遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分的子系统340，在这里控制器350与用于遮蔽的子系统可操作地连接，并具有执行以下步骤的逻辑：（viii）遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分，和（ix）将遮蔽步骤重复多个循环。机器300还可以包括在多个方向上定位复合材料片材的方式。在使用其中纤维或结构组分以基本单向方式铺设的复合材料片材时，这可能特别有用，由此允许多个纤维方向，以增加所得产品的强度。这可以通过用于定位的子系统310或作为单独的子系统340来实现，并可以包括围绕Z（垂直）轴旋转的构建平台或压板，或者定位复合材料片材的子系统可以围绕构建平台或压板旋转。该机器还可以包括在逐层构建过程完成后用于后固化复合材料产品的子系统340，其可以包括加热元件以及用于牵制加热元件所产生的热的隔热壁的布置。当提供任何附加子系统340时，控制器350与各子系统340可操作地连接，并含有用于控制和/或执行与各子系统340相关联的活动的逻辑。

子系统310/320/330/340各自适应于与控制器350接合并连通，以便进行上述过程（其可以类似于本公开中早先描述的方法100/200）。用于进行前述步骤的控制器逻辑可以是硬件、软件和/或固件的任何合适的组合。

上述方法100/200和机器300以及由此生产的复合材料产品相对于先前已知的3DP/AM方法、机器和产品呈现出许多优点。例如，方法100/200和机器300可以使用市售预浸料片材（含有树脂）或“干”片材（仅包含结构材料，不含树脂）来创建各个层，而其它3DP/AM方法不能利用复合材料片材，而是依赖于非常大量的小的、单个的沉积物来创建各个层。因此，与其它已知方法相比，本公开的方法100/200和机器300极大地降低了原材料的成本以及产生各个层所需的时间。此外，可用于方法100/200和机器300的材料范围（例如碳纤维、芳族聚酰胺、竹子、聚酯等等，以及各种树脂体系/固化方法），加上复合材料片材中使用的结构材料的布置和形式（例如单向纤维、多向纤维、布料、丝带、棉絮、织造物、毡片等等）远远大于其它已知方法。

以上描述意在为说明性的，而非限制性的。虽然已经提出了各种具体实施方案，但本领域技术人员将认识到，可以在权利要求的精神和范围内伴随着各种修改来实践本公开。例如，上述实施方案（和/或其方面）可以彼此组合使用。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开的教导做出许多修改以适应特定的情况或材料。虽然本文中描述的材料的尺寸和类型意在为说明性的，它们绝非限制性的，而是示例性实施方案。在回顾以上描述之后，许多其它实施方案对本领域技术人员将是显而易见的。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”等等的任何使用仅用作标签，而非意在将数字或位置要求强加于其对象。此外，以下权利要求的限制特征不是以手段加功能或步骤加功能的格式撰写的，并且并非意在如此解释，除非且直到此类权利要求限制特征明确使用短语“用于……的手段”或“用于……的步骤”，后接功能而不具有进一步结构的陈述。本文中所用的以单数记载并由词语“一个”或“一种”先行的元件或步骤应当理解为不排除多个此类元件或步骤，除非明确地陈述了这样的排除。此外，对特定实施方案或实施例的任何提及均不意在解释为排除同样并入所记载的特征的其它实施方案或实施例的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”或“具有”具有特定性质的一个要素或多个要素的实施方案还可以包括不具有该性质的附加此类要素。

附图中的流程图和方框图示出了根据本公开的各种实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能实施的架构、功能和/或操作。在这方面，流程图或方框图中的每个方框可以表示代码的模块、片段或部分，其包括用于实施（一个或多个）指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意的是，方框图和/或流程图解的每个方框以及方框图和/或流程图解中的方框的组合可以由执行指定功能或行为的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实施。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以以特定方式指导控制器或其它可编程数据处理器件来发挥作用，从而使得存储在计算机可读介质中的指令产生制品，包括实施流程图和方框图中指定的任何功能和/或动作的指令。

该书面描述使用实施例（包括最佳模式）以使本领域技术人员能够据本公开来制造和使用装置、系统和物质的组合物，并实施方法。这是限定本公开的范围的权利要求书，包括所有等同物。

本发明公开了以下实施方案：

方案1. 增材制造方法，包括：

定位复合材料片材；

固化所述片材的预定部分；

围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生在先加工片材；

在所述在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；

固化所述后续片材的预定部分，以使所述后续片材和所述在先加工片材的预定部分结合在一起；和

围绕所述后续片材的预定部分的周界切割所述后续片材以产生在后加工片材。

方案2. 根据方案1所述的方法，进一步包括：

将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。

方案3. 根据方案1所述的方法，在所述添加步骤之前进一步包括：

向所述在先加工片材的预定部分施加胶粘剂。

方案4. 根据方案3所述的方法，在所述施加步骤之前进一步包括：

遮蔽所述在先加工片材除预定部分之外的至少一部分。

方案5. 根据方案1所述的方法，在固化所述后续片材的预定部分的步骤之前进一步包括：

遮蔽所述后续片材除预定部分之外的至少一部分。

方案6. 根据方案1所述的方法，在固化所述后续片材的预定部分的步骤之前进一步包括：

在所述后续片材的至少预定部分上施加压力。

方案7. 根据方案1所述的方法，其中所述复合材料包含X+Y结构组分/树脂组合，其中结构组分X是碳纤维、芳族聚酰胺、竹子和玻璃纤维中的至少一种，并且树脂Y是热反应性材料、光反应性材料、压力反应性材料和化学反应性材料中的至少一种。

方案8. 根据方案1所述的方法，其中各个固化步骤包括在相应的预定部分处引导热、光、压力和活化剂中的至少一种。

方案9. 根据方案1所述的方法，其中各个切割步骤通过激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和水射流中的至少一种来实现。

方案10. 根据方案1所述的方法，其中所述切割步骤中的至少一个进一步包括：

在所述预定部分的周界内切割。

方案11. 用于生产复合材料产品的增材制造方法，包括：

定位复合材料片材；

固化所述片材的预定部分；

围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生在先加工片材；

在所述在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；

固化所述后续片材的预定部分，以使所述后续片材和所述在先加工片材的预定部分结合在一起；

围绕所述后续片材的预定部分的周界切割所述后续片材以产生在后加工片材；和

将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。

方案12. 根据方案11所述的方法，在所述添加步骤之前进一步包括：

向所述在先加工片材的预定部分施加胶粘剂。

方案13. 根据方案12所述的方法，在所述施加步骤之前进一步包括：

遮蔽所述在先加工片材除预定部分之外的至少一部分。

方案14. 根据方案11所述的方法，在固化所述后续片材的预定部分的步骤之前进一步包括：

遮蔽所述后续片材除预定部分之外的至少一部分。

方案15. 根据方案11所述的方法，在固化所述后续片材的预定部分的步骤之前进一步包括：

在所述后续片材的至少预定部分上施加压力。

方案16. 根据方案11所述的方法，其中所述切割步骤中的至少一个进一步包括：

在所述预定部分的周界内切割。

方案17. 增材制造机器，包括：

用于定位复合材料片材的子系统；

用于固化所述片材的预定部分的子系统；

用于围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生加工片材的子系统；和

与用于定位、固化和切割的子系统可操作地连接的控制器，所述控制器具有执行以下步骤的逻辑：

定位复合材料片材，

固化所述片材的预定部分，

围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生在先加工片材，

在所述在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材，

固化所述后续片材的预定部分，以使所述后续片材和所述在先加工片材的预定部分结合在一起，

围绕所述后续片材的预定部分的周界切割所述后续片材以产生在后加工片材，和

将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。

方案18. 根据方案17所述的增材制造机器，其中所述用于固化的子系统包括热源、光源、压力源和活化剂源中的至少一种。

方案19. 根据方案17所述的增材制造机器，其中所述用于切割的子系统包括激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和水射流中的至少一种。

方案20. 根据方案17所述的增材制造机器，进一步包括：

用于遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分的子系统，其中所述控制器与用于遮蔽的子系统可操作地连接，并具有执行以下步骤的逻辑：

遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分，和

将遮蔽步骤重复多个循环。