一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置和方法

摘要

本申请公开了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置及方法，纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置包括树脂棒料挤出机构和预浸料铺层机构。树脂棒料挤出机构中，轴套可供棒料沿竖向穿设并与棒料同步绕竖向线转动，轴套的下端可与增材摩擦产热，并可使软化的端部棒料沿其径向流动并铺放在增材层上，轴套可在支撑筒的带动下相对于棒料向上运动。预浸料铺层机构中，进入托板与运输带之间的预浸料受到托板和运输带挤压，运输带将预浸料带至增材上。本申请的装置通过设置树脂棒料挤出机构和预浸料铺层机构，能够实现纤维增强热塑性复合材料的摩擦增材，在避免孔隙、层间裂纹等缺陷生成的同时保留增材组织良好冶金连接效果，得到高精度、高性能的纤维增强热塑性复合材料结构件。

权利要求

1.一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置，其特征在于，包括：树脂棒料挤出机构，包括第一支撑架和安装在所述第一支撑架上的支撑筒，所述支撑筒可沿竖向运动，所述支撑筒包括轴套，所述轴套的中心线为竖向延伸，并可绕竖向线转动，且所述轴套的下端构成所述支撑筒的下端，使得所述轴套可供棒料沿竖向穿设并与所述棒料同步绕竖向线转动，所述轴套的下端可与增材摩擦产热，并可使软化的端部棒料沿其径向流动并铺放在增材层上，所述轴套可在所述支撑筒的带动下相对于所述棒料向上运动，以使得所述棒料相对向下挤出；

预浸料铺层机构，包括与所述第一支撑架连接的第二支撑架以及分别安装在所述第二支撑架上的卷筒、运输带和托板，所述卷筒的中心线为纵向延伸，并可绕纵向线转动，所述卷筒供预浸料绕设，所述托板为横向设置，所述托板承托所述预浸料，所述运输带可沿横向传动，并位于所述托板的上方，所述运输带的输出端面向所述轴套所在方向，使得进入所述托板与所述运输带之间的所述预浸料受到所述托板和所述运输带挤压，所述运输带将所述预浸料带至所述增材上，以使得所述预浸料铺层至所述增材上；

其中，所述支撑筒还包括：

筒体，套设在所述轴套的外部；

上筒盖，具有与所述轴套的空腔贯通的上开口，所述上筒盖盖设在所述筒体的上端；

下筒盖，具有供所述轴套穿设的下开口，所述下筒盖盖设在所述筒体的下端；

上限制环，套设在所述轴套的外部，所述上限制环设置在所述筒体的空腔中，并安装在所述上筒盖上；

下限制环，套设在所述轴套的外部，所述下限制环设置在所述筒体的空腔中，并安装在所述下筒盖上；

轴承，包括上轴承和下轴承，所述上轴承和所述下轴承均套设在所述轴套的外部，所述上轴承的上端面与所述轴承的上轴颈的下端面抵触，所述上轴承安装在所述上限制环上，所述下轴承安装在所述下限制环上，所述下轴承的下端面与所述轴承的下轴颈的上端面抵触；

压紧环，套设在所述轴套的外部，所述压紧环设置在所述支撑筒的下方，并安装在所述下筒盖上，所述压紧环为自上至下逐渐收缩的锥状，使得所述压紧环用于吸收多余热量以及对增材施加额外的顶锻作用促进其与冶金结合；

所述树脂棒料挤出机构还包括：

丝杠，安装在所述第一支撑架上，并可绕竖向线转动；

滑台，安装在所述丝杠上，并可随所述丝杠的转动沿竖向运动；

转换座，与所述滑台固定连接；

第一电机，安装在所述第一支撑架上，所述第一电机的驱动端与所述丝杠的端部固定连接；

滑动架，供所述支撑筒安装，并与所述转换座固定连接；

所述预浸料铺层机构还包括：

托辊，安装在所述第二支撑架上，所述托辊供所述运输带绕设；

第二电机，安装在所述第二支撑架上；

皮带，绕设在所述第二电机的驱动端和托辊上；

所述预浸料铺层机构还包括：

第三电机，中心线为竖向延伸，所述第三电机安装在所述滑动架上；

旋转杆，为横向设置，所述旋转杆的一端与所述第二支撑架固定连接，所述旋转杆的另一端安装在所述滑动架上，并可绕竖向线转动；

啮合齿轮，中心线为竖向延伸，所述啮合齿轮将所述旋转杆的另一端与所述电机的驱动端啮合连接；

所述预浸料铺层机构还包括：

舵机，安装在所述第二支撑架上；

刀片，安装在所述舵机上，并可在所述舵机的带动下对所述运输带的输出端处的所述预浸料进行切割；

所述预浸料铺层机构还包括：

涡流管，包括两个，两个所述涡流管均为横向设置，两个所述涡流管均安装在所述第二支撑架上，并分别设置在所述运输带的输出端处的两侧，两个所述涡流管在增材过程中增材组织两侧输送冷气以平衡增材组织受热。

2.一种采用权利要求1所述的纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置的纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：将纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置装配于机床上，将棒料插入轴套；选择板材作为基板，并将所述基板固定在机床工作台上；

按照增材层厚度设定轴套与棒料下端面间距；机床电机启动，带动棒料与轴套转动；然后下降机床机头，棒料下端面与所述基板摩擦产热后，棒料下端受热软化；然后机床机头沿预定方向进给，棒料在基板上表面进行摩擦，受热软化的棒料留在基板上，形成增材层，同时第一电机启动，滑台带动转换座和滑动架向上运动，并带动支撑筒和轴套向上运动，棒料相对向下挤出，同时第二电机启动，带动运输带绕托辊转动，在运输带的作用下，预浸料被铺放于增材层上，形成增材组织；将当前的增材组织作为新的基板，并重复上述步骤，直至达到预设要求；

其中，所述第一电机启动的同时，第三电机启动，通过啮合齿轮带动旋转杆转动，第二支撑架转动到预设角度。

说明书

一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置和

方法

技术领域

[0001] 本申请涉及增材制造领域，尤其涉及一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置和方法。

背景技术

[0002] 纤维增强树脂基复合材料由增强纤维、基体材料以及两者的界面相组成，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐磨等优异性能，广泛应用于工、农业的生产及生活领域。与热固性纤维增强树脂基复合材料相比， 热塑性纤维增强树脂基复合材料具有韧性好、成型速度快、易回收再加工等优势，具有广阔的应用空间。随着结构的复杂性、可靠性等要求的提高，传统的模压成型、拉挤成型等传统热塑性树脂基复合材料成型工艺已不再满足需求。增材制造(3D打印)技术是在一定温度和压力条件下，实现材料逐层堆积，进而具有构造任意复杂零件的能力。

发明内容

[0003] 本申请提供一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置和方法，能够实现纤维增强热塑性复合材料的摩擦增材。

[0004] 本申请的实施例提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置，包括树脂棒料挤出机构和预浸料铺层机构。树脂棒料挤出机构包括第一支撑架和安装在第一支撑架上的支撑筒，支撑筒可沿竖向运动，支撑筒包括轴套，轴套的中心线为竖向延伸，并可绕竖向线转动，且轴套的下端构成支撑筒的下端，使得轴套可供棒料沿竖向穿设并与棒料同步绕竖向线转动，轴套的下端可与增材摩擦产热，并可使软化的端部棒料沿其径向流动并铺放在增材层上，轴套可在支撑筒的带动下相对于棒料向上运动，以使得棒料相对向下挤出。预浸料铺层机构包括与第一支撑架连接的第二支撑架以及分别安装在第二支撑架上的卷筒、运输带和托板，卷筒的中心线为纵向延伸，并可绕纵向线转动，卷筒供预浸料绕设，托板为横向设置，托板承托预浸料，运输带可沿横向传动，并位于托板的上方，运输带的输出端面向轴套所在方向，使得进入托板与运输带之间的预浸料受到托板和运输带挤压，运输带将预浸料带至增材上，以使得预浸料铺层至增材上。

[0005] 在其中一些实施例中，支撑筒还包括筒体、上筒盖、下筒盖、上限制环、下限制环和轴承。筒体套设在轴套的外部。上筒盖具有与轴套的空腔贯通的上开口，上筒盖盖设在筒体的上端。下筒盖具有供轴套穿设的下开口，下筒盖盖设在筒体的下端。上限制环套设在轴套的外部，上限制环设置在筒体的空腔中，并安装在上筒盖上。下限制环套设在轴套的外部，下限制环设置在筒体的空腔中，并安装在下筒盖上。轴承包括上轴承和下轴承，上轴承和下轴承均套设在轴套的外部，上轴承的上端面与轴承的上轴颈的下端面抵触，上轴承安装在上限制环上，下轴承安装在下限制环上，下轴承的下端面与轴承的下轴颈的上端面抵触。

[0006] 在其中一些实施例中，支撑筒还包括压紧环，压紧环套设在轴套的外部，压紧环设置在支撑筒的下方，并安装在下筒盖上，压紧环为自上至下逐渐收缩的锥状，使得压紧环用于吸收多余热量以及对增材施加额外的顶锻作用促进其与冶金结合。

[0007] 在其中一些实施例中，树脂棒料挤出机构还包括丝杠、滑台、转换座、第一电机和滑动架。丝杠安装在第一支撑架上，并可绕竖向线转动。滑台安装在丝杠上，并可随丝杠的转动沿竖向运动。转换座与滑台固定连接。第一电机安装在第一支撑架上，第一电机的驱动端与丝杠的端部固定连接。滑动架供支撑筒安装，并与转换座固定连接。

[0008] 在其中一些实施例中，预浸料铺层机构还包括托辊、第二电机和皮带。托辊安装在第二支撑架上，托辊供运输带绕设。第二电机安装在第二支撑架上。皮带绕设在第二电机的驱动端和托辊上。

[0009] 在其中一些实施例中，预浸料铺层机构还包括第三电机、旋转杆和啮合齿轮。第三电机中心线为竖向延伸，第三电机安装在滑动架上。旋转杆为横向设置，旋转杆的一端与第二支撑架固定连接，旋转杆的另一端安装在滑动架上，并可绕竖向线转动。啮合齿轮中心线为竖向延伸，啮合齿轮将旋转杆的另一端与电机的驱动端啮合连接。

[0010] 在其中一些实施例中，预浸料铺层机构还包括舵机和刀片。舵机安装在第二支撑架上。刀片安装在舵机上，并可在舵机的带动下对运输带的输出端处的预浸料进行切割。

[0011] 在其中一些实施例中，预浸料铺层机构还包括涡流管，涡流管包括两个，两个涡流管均为横向设置，两个涡流管均安装在第二支撑架上，并分别设置在运输带的输出端处的两侧，两个涡流管在增材过程中增材组织两侧输送冷气以平衡增材组织受热。

[0012] 本申请的实施例还采用了一种采用上述的纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置的纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造方法，包括以下步骤：将纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置装配于机床上，将棒料插入轴套。选择板材作为基板，并将基板固定在机床工作台上。按照增材层厚度设定轴套与棒料下端面间距。机床电机启动，带动棒料与轴套转动。然后下降机床机头，棒料下端面与基板摩擦产热后，棒料下端受热软化。然后机床机头沿预定方向进给，棒料在基板上表面进行摩擦，受热软化的棒料留在基板上，形成增材层，同时第一电机启动，滑台带动转换座和滑动架向上运动，并带动支撑筒和轴套向上运动，棒料相对向下挤出，同时第二电机启动，带动运输带绕托辊转动，在运输带的作用下，预浸料被铺放于增材层上，形成增材组织。将当前的增材组织作为新的基板，并重复上述步骤，直至达到预设要求。

[0013] 在其中一些实施例中，第一电机启动的同时，第三电机启动，通过啮合齿轮带动旋转杆转动，第二支撑架转动到预设角度。

[0014] 根据本申请的实施例提供的一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置，包括树脂棒料挤出机构和预浸料铺层机构。树脂棒料挤出机构包括第一支撑架和安装在第一支撑架上的支撑筒，支撑筒可沿竖向运动，支撑筒包括轴套，轴套的中心线为竖向延伸，并可绕竖向线转动，且轴套的下端构成支撑筒的下端，使得轴套可供棒料沿竖向穿设并与棒料同步绕竖向线转动，轴套的下端可与增材摩擦产热，并可使软化的端部棒料沿其径向流动并铺放在增材层上，轴套可在支撑筒的带动下相对于棒料向上运动，以使得棒料相对向下挤出。预浸料铺层机构包括与第一支撑架连接的第二支撑架以及分别安装在第二支撑架上的卷筒、运输带和托板，卷筒的中心线为纵向延伸，并可绕纵向线转动，卷筒供预浸料绕设，托板为横向设置，托板承托预浸料，运输带可沿横向传动，并位于托板的上方，运输带的输出端面向轴套所在方向，使得进入托板与运输带之间的预浸料受到托板和运输带挤压，运输带将预浸料带至增材上，以使得预浸料铺层至增材上。本申请的装置通过设置树脂棒料挤出机构和预浸料铺层机构，能够实现纤维增强热塑性复合材料的摩擦增材，在避免孔隙、层间裂纹等缺陷生成的同时保留增材组织良好冶金连接效果，得到高精度、高性能的纤维增强热塑性复合材料结构件。

附图说明

[0015] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0016] 图1为本申请实施例一中纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造的增材过程示意图；

[0017] 图2为本申请实施例一中纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置的结构示意图；

[0018] 图3为本申请实施例一中支撑筒的结构示意图；

[0019] 图4为本申请实施例一中预浸料铺层机构的结构示意图；

[0020] 图5为本申请实施例一中树脂棒料挤出机构的结构示意图；

[0021] 图6为本申请实施例一中纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置与机床的安装示意图；

[0022] 图7为本申请实施例一中基板上具有微孔阵列的结构示意图；

[0023] 图8为本申请实施例一中基板上具有线槽阵列的结构示意图；

[0024] 图9为本申请实施例二中纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置与机床的安装示意图；

[0025] 图10为本申请实施例二中纤维增强热塑性树脂基复合材料（尼龙66）摩擦增材制造材料的截面示意图。

具体实施方式

[0026] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0027] 实施例一

[0028] 参阅图1‑8，本申请的实施例提供了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置1，包括树脂棒料挤出机构和预浸料铺层机构。

[0029] 树脂棒料挤出机构包括第一支撑架103、支撑筒106、丝杠121、滑台120、转换座119、第一电机102和滑动架104。

[0030] 第一支撑架103安装在机床2轴箱201上。

[0031] 支撑筒106安装在第一支撑架103上，并可沿竖向运动。支撑筒106包括轴套1061、筒体1069、上筒盖1062、下筒盖1065、上限制环1068、下限制环1066、轴承1064和压紧环1067。

[0032] 轴套1061的中心线为竖向延伸，并可绕竖向线转动，且轴套1061的下端构成支撑筒106的下端，使得轴套1061可供棒料3沿竖向穿设并与棒料3同步绕竖向线转动，轴套1061的下端可与增材摩擦产热，并可使软化的端部棒料3沿其径向流动并铺放在增材层上，轴套1061可在支撑筒106的带动下相对于棒料3向上运动，以使得棒料3相对向下挤出。轴套1061内径比棒料3直径大0‑0.5 mm ，轴套1061外径比棒料3直径大1‑50 mm。轴套1061与棒料3同轴线。轴套1061下端侧孔通入紧顶螺钉与棒料3接触并固定。轴套1061端面可加工圆槽促进材料流动。轴套1061设置有上下轴颈。

[0033] 本实施例中，棒料3与机床2刀柄同轴线。棒料3上端部固定于机床2（机器人）刀柄处。上述条件下，棒料3带动轴套1061同步旋转。

[0034] 筒体1069套设在轴套1061的外部。

[0035] 上筒盖1062具有与轴套1061的空腔贯通的上开口，上筒盖1062盖设在筒体1069的上端，并经紧固螺钉1063固定。

[0036] 下筒盖1065具有供轴套1061穿设的下开口，下筒盖1065盖设在筒体1069的下端，并经紧固螺钉1063固定。

[0037] 上限制环1068套设在轴套1061的外部，上限制环1068设置在筒体1069的空腔中，并安装在上筒盖1062上。上限制环1068上具有上轴承1064安装槽。

[0038] 下限制环1066套设在轴套1061的外部，下限制环1066设置在筒体1069的空腔中，并安装在下筒盖1065上。下限制环1066上具有下轴承1064安装槽。

[0039] 轴承1064包括上轴承1064和下轴承1064，上轴承1064和下轴承1064均套设在轴套1061的外部，上轴承1064的上端面与轴承1064的上轴颈的下端面抵触，上轴承1064安装在上限制环1068上，下轴承1064安装在下限制环1066上，下轴承1064的下端面与轴承1064的下轴颈的上端面抵触。轴承1064为圆锥滚子轴承1064。

[0040] 压紧环1067套设在轴套1061的外部，压紧环1067设置在支撑筒106的下方，并安装在下筒盖1065上，压紧环1067为自上至下逐渐收缩的锥状，使得压紧环1067用于吸收多余热量以及对增材施加额外的顶锻作用促进其与冶金结合。压紧环1067为圆环，外径比轴套1061大2 40 mm，内径比轴套1061大为0‑0.5 mm。在上述条件下，支撑筒106底部树脂棒料3~
挤出并与增材材料接触部分有棒料3、轴套1061和压紧环1067，棒料3、轴套1061同轴可同步旋转，压紧环1067同轴不能旋转。压紧环1067提供提供额外的吸热和顶锻作用，抑制棒材摩擦产热不均匀现象，其结构可同时实现棒料3软化层与基层间的冶金结合与机械互锁结合强化。

[0041] 丝杠121安装在第一支撑架103上，并可绕竖向线转动。丝杠121为滚珠丝杠121。

[0042] 滑台120安装在丝杠121上，并可随丝杠121的转动沿竖向运动。

[0043] 转换座119与滑台120固定连接。

[0044] 第一电机102安装在第一支撑架103上，第一电机102的驱动端与丝杠121的端部固定连接。

[0045] 滑动架104供支撑筒106经紧固螺钉1063固定安装，并与转换座119固定连接。滑动架104的移动通过第一电机102控制下的转换座119、滑台120、丝杠121配合进行。转换座119通过Z向的滑台120、丝杠121连接第一电机102并在其驱动下做竖直运动。滑动架104通过螺栓连接于转换座119上。

[0046] 预浸料铺层机构包括第二支撑架109、卷筒113、托板110、运输带111、托辊105、第二电机112、皮带117、第三电机115、旋转杆114、啮合齿轮116、舵机108、刀片101和涡流管107。

[0047] 第二支撑架109与第一支撑架103连接。

[0048] 卷筒113安装在第二支撑架109上，卷筒113的中心线为纵向延伸，并可绕纵向线转动，卷筒113供预浸料（即工业化的预浸渍复合材料带）绕设。需要说明的是，通过第二支撑架109上定位螺栓118的伸出长度，可固定不同宽度的预浸料卷筒113。采用预浸料作为原料有利于实现不同种类树脂和不同类型的纤维下纤维良好浸渍要求。

[0049] 托板110安装在第二支撑架109上，托板110为横向设置，托板110承托预浸料。托板110通过螺栓固于第二支撑架109，其高度可调节，以满足不同厚度的预浸料的压紧和输送。

[0050] 运输带111安装在第二支撑架109上，运输带111可沿横向传动，并位于托板110的上方，运输带111的输出端面向轴套1061所在方向，使得进入托板110与运输带111之间的预浸料受到托板110和运输带111挤压，运输带111通过摩擦作用将预浸料带出并带至增材上，以使得预浸料铺层至增材上。运输带111与托板110两者间隙为预浸料厚度。

[0051] 托辊105安装在第二支撑架109上，托辊105供运输带111绕设。

[0052] 第二电机112安装在第二支撑架109上。

[0053] 皮带117绕设在第二电机112的驱动端和托辊105上。在上述条件下，第二电机112通过皮带117驱动运输带111运动。

[0054] 第三电机115中心线为竖向延伸，第三电机安装在滑动架104上。

[0055] 旋转杆114为横向设置，旋转杆114的一端与第二支撑架109固定连接，如螺栓连接紧固，旋转杆114的另一端安装在滑动架104上，并可绕竖向线转动。

[0056] 上述条件下，第三电机115和第二支撑架109随滑动架104进行竖直方向上运动，以适应增材不同高度处的纤维铺层。

[0057] 啮合齿轮116中心线为竖向延伸，啮合齿轮116将旋转杆114的另一端与电机的驱动端啮合连接。上述设置使得旋转杆114在第三电机115主轴带动下做圆周运动，进而带动第二支撑架109旋转一定角度以满足预浸料不同的铺层角度需求，实现自适应角度。

[0058] 舵机108安装在第二支撑架109上。

[0059] 刀片101安装在舵机108上，并可在舵机108的带动下对运输带111的输出端处的预浸料进行切割。在上述条件下，预浸料在运输带111作用下送出并铺放在挤出的树脂层上至铺层结束后，舵机108可受程序控制启动，带动刀片101对预浸料进行切割。

[0060] 涡流管107包括两个，两个涡流管107均为横向设置，两个涡流管107均安装在第二支撑架109上，并分别设置在运输带111的输出端处的两侧，两个涡流管107在增材过程中增材组织两侧输送冷气以平衡增材组织受热。针对大尺寸/高效率增材的热塑性树脂基复合材料增材制造时，增材过程棒材中间和边缘的线速度差导致棒材中间热输入低，材料较硬；棒材边缘热输入高，材料较软。沉积层较宽，温度分布不均匀。此外，树脂熔程长，冷却慢，过大尺寸的棒材增材过程的产热和传热产生不利影响。采用涡流管107对增材组织两侧送冷气，急冷增材壁两侧解决热输入不均匀问题并得到高精度的热塑性树脂基复合材料构件。

[0061] 纤维增强热塑性树脂基复合材料可以为碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。

[0062] 本申请的装置1的工作原理如下：采用可消耗棒料3配合中空轴套1061进行摩擦增材，具体地，将不同熔点的树脂棒料3插入机床2（机器人）刀柄固定，使其能够三维运动并受到提供顶锻力，将增材装置1在机床2（机器人）机头上装配，使其能与机头/棒料3同步三维运动，将轴套1061加工与棒料3相同尺寸的空腔，在轴套1061中放入棒料3后，在轴套1061下端侧孔中放入紧顶螺钉将树脂棒料3固定住。下移轴套1061与基板4相距一定距离，机床2（机器人）电机启动后，刀柄带动棒料3高速旋转，随后，在数控机床2（机器人）作用下推动棒料3向下移动。棒料3挤出与基板4发生摩擦进而产生摩擦热。摩擦热作用下棒料3软化并与基板4冶金结合。轴套1061与沉积材料接触并进一步产热。随后，棒料3不断挤出，并沉积到基板4上。棒料3继续向下移动，与此同时，高速旋转轴套1061与棒料3沿设定轨迹同步移动，软化的材料不断堆积进而构建部件，实现了通过数控机床2（机器人）的运动，大型及复杂构型的热塑性树脂基复合材料结构件通过逐层堆积的方式被构建。

[0063] 综上可知，本申请的装置1能够实现纤维增强热塑性复合材料的摩擦增材，在避免孔隙、层间裂纹等缺陷生成的同时保留增材组织良好冶金连接效果，得到高精度、高性能的纤维增强热塑性复合材料结构件。

[0064] 本申请的实施例还采用了一种采用上述的纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置1的纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

[0065] 步骤（1）、将纤维增强热塑性树脂基复合材料摩擦增材制造装置1装配于CNC机床2（或机器人）上，将棒料3插入轴套1061并与轴套1061配合，轴套1061下端侧面插入紧顶螺钉固定棒料3。根据所需获得的纤维增强热塑性树脂基复合材料结构件，选择合适板材作为基板4，并将基板4固定在机床2工作台上。

[0066] 上述步骤（1）中，在基板4表面加工纹路或微孔以提高粗糙度，进而提高增材组织和基材材料间的机械互锁，以提高增材组织在基板4上表面的冶金结合能力。基板4的厚度为1 50 mm，基板4与棒料3同材质，部分高熔点材料选择纤维增强材料做为基板4。总之，棒~料3熔点＜基板4熔点，棒料3硬度＜基板4硬度可满足一切热塑性树脂基复合材料摩擦增材。

[0067] 棒料3可采用圆柱或者方形棒料3，也可以将棒料3侧面铣平面为了便于紧顶螺钉固定，平面宽度为2 4 mm，棒料3的直径需要小于轴套1061的外径。棒料3内部可含有无规则~分布的增强纤维，棒料3在摩擦堆焊过程中被研磨并均匀分布于树脂基体中。

[0068] 步骤（2）、按照设计的增材层5厚度设定轴套1061与棒料3下端面间距。机床2电机启动，带动棒料3与轴套1061转动。然后下降机头202，棒料3下端面与基板4接触并摩擦产热后，棒料3下端受热软化。然后机头202沿预定方向进给，棒料3在基板4上表面进行摩擦，受热软化的棒料3与基板4冶金结合并留在基板4上，形成第n层增材层5，同时第一电机102启动，滑台120带动转换座119和滑动架104向上运动，并带动支撑筒106和轴套1061以同样速度向上运动，棒料3相对向下挤出，同时第二电机112启动，带动运输带111绕托辊105转动，在运输带111的作用下，预浸料被铺放于增材层5上，形成第n层增材组织。

[0069] 上述步骤（2）中，按照设计的0.5 7.5 mm（如0.5mm）增材层5厚度设定轴套1061与~棒料3下端面间距。带动轴套1061与棒料3以100 10000 r/mi（如10000 r/min）n转动。机头~
202沿预定方向1 2000 mm/min（如2000mm/min）进给。棒料3的下压速度为0.1 100 mm/min~ ~
（如100 mm/min）。滑台120带动转换座119和滑动架104以0.2 200 mm/min（如200mm/min）速~
度（棒料3下压速度+增材速度）向上运动。

[0070] 上述步骤（2）中，带动运输带111以1 2000 mm/min（如2000 mm/min）速度绕托辊~105转动。在运输带111摩擦力作用下，预浸料以1 2000 mm/min（如2000 mm/min）速度被送~
出并铺放于正在增材的增材层5上。

[0071] 第一电机102启动的同时，第三电机115启动，通过啮合齿轮116传递扭矩带动旋转杆114转动，第二支撑架109转动到预设角度。如，第二支撑架109以1 100 rad/s（如100 ~rad/s）的速度转动到所需角度。

[0072] 上述步骤（2）中，增材层5层高为轴套1061/压紧环1067和增材表面的距离，增材层5层高可通过机床2（机器人）PLC程序控制轴套1061/压紧环1067达到。在棒料3增材运动过程中，棒料3底部材料在摩擦产热作用下软化，在轴套1061及压紧环1067的顶锻作用下，棒料3端部材料离开棒料3留在基板4上，并在轴套1061及压紧环1067压力的作用下进入基板4中，在摩擦热与顶锻双重作用下产生塑性流动并被挤压至基板4之间形成类锚结构和好的冶金结合。机头/棒料3进给(增材)速度为5 200 mm/min，每层间无需冷却与二次加工。铺放~
预浸料后树脂增材时棒料3的顶锻力有利于强化预浸料和树脂层间结合，同时消除增材组织间的孔隙，两者都能强化树脂与纤维的冶金结合能力并提高增材组织性能。

[0073] 步骤（3）、将当前的第n层增材组织作为新的基板4，并重复上述步骤（2），直至达到预设要求。

[0074] 上述步骤（3），也就是说，将第n层增材组织作为新的基体进行第n+1层树脂增材。此时，棒料3软化部分材料在轴套1061的带动下均匀涂抹在已增材组织上，层厚度H（如0.5 mm），随后铺放不同角度的预浸料。

[0075] 实施例二

[0076] 与实施例一的区别仅在于，本实施例中，轴套1061与机床2刀柄同轴线。轴套1061上端部固定于机床2（机器人）刀柄处。上述条件下，使得轴套1061能带动在棒料3高速旋转并与基板摩擦，其端部塑化并与基板冶金结合。同时顶杆6穿过轴套1061去挤压棒料3，棒料3在顶杆6的作用力下向下运动使得棒料挤出。顶杆6由大功率电机7装置于机头202上，以大扭矩提供顶杆6足够的下压力。与此同时，机头202三维运动，使得树脂棒料3进行增材制造，其构件截面如图10所示。

[0077] 本申请的装置1及方法的有益效果为：

[0078] (1) 与现有增材制造技术相比，基于数控机床2（机器人）搭载，本申请可在六自由度空间中增材，可以确保纤维的取向与载荷路径相适应，获得各向同性/异性材料。制造纤维粉、短纤、连续纤维增强热塑性复合材料的构件。

[0079] (2) 相比于基于顶杆穿过中空主轴推动同尺寸棒料挤出的摩擦增材方式，其对数控机床2（机器人）控制要求较高，而该类设备仅能用于摩擦增材，且主轴结构刚度的损伤、棒料膨胀堵塞等问题难以避免，本设计可在基于数控机床2（机器人）以辅助设备形式装备进而实现摩擦增材而不影响数控机床2（机器人）的其他功用，具有突出的经济效益。同时，基于棒料3的直接摩擦沉积与轴套1061的产热控制，可实现不同尺寸热塑性树脂基复合材料构件的增材制造，其具有较大的制造效率。

[0080] (3) 相比于常规熔融3D打印技术，本申请基于摩擦堆焊的增材制造可实现大尺寸棒料3的摩擦沉积(不超过轴套1061直径)，本申请针对连续纤维增强热塑性树脂基复合材料配备自适应直径/自适应纤维角度/自动剪裁一体化的预浸料铺层机构，提高增材制造结构件的高效高质的纤维铺层、浸渍与强化效果。

[0081] (4) 相比于传统熔融增材制造和逐层涂粉粘合的增材制造方式，本申请的压紧环1067、轴套1061与棒料3的压力有利于驱动材料运动并提供三重顶锻的作用，进而形成致密无缺陷的增材组织；相比于摩擦增材制造方式，压紧环1067和轴套1061的顶锻作用也有利于进一步消除增材过程中的层间裂纹，孔隙等未填充缺陷，抑制增材件翘曲和分层的构型缺陷。总之，本申请兼具强化材料流动与冶金结合效果，制造具有良好性能的增材构件。

[0082] (5) 基于棒料3与轴套1061的摩擦增材，棒料3内部的纤维被均匀磨碎形成纤维粉末，而棒料3与轴套1061提供的压力进一步强化浸渍效果并使其分布均匀。纤维粉末对热塑性树脂基体具有较大的组织改性及力学性能的提高。与传统的3d技术相比，均匀分布的纤维增强材料及良好的浸渍效果使增材组织的承载强度得到了较大幅度的提升，解决了纤维增强材料树脂和纤维材料之间结合强度低的问题并使得增材材料呈现各向同性。

[0083] (6) 该增材方法通过数控机床2实现增材组织的定位与控制，此外，在逐层增材的过程中，通过轴套1061和压紧环1067配合对单层增材材料调控，实现了增材组织高精度的调控，有利于制造具有实现了高精度和高性能的纤维增强热塑性树脂基复合材料。

[0084] (7) 针对连续纤维增强热塑性树脂基复合材料，在棒料3前方配备自适应角度和自动剪裁装置的预浸料铺丝机构，在每层树脂增材之后按照设计铺层角度和轨迹进行纤维铺层，在预浸料层再进行树脂基体摩擦增材以构建高性能与各向同性/异性的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料构件。

[0085] (8) 针对大尺寸/高效率增材的热塑性树脂基复合材料增材制造时，增材过程棒材中间和边缘的线速度差导致棒材中间热输入低，材料较硬；棒材边缘热输入高，材料较软。沉积层较宽，温度分布不均匀。此外，树脂熔程长，冷却慢，过大尺寸的棒材增材过程的产热和传热产生不利影响。采用涡流管107等对增材组织两侧送冷气，急冷增材壁两侧解决热输入不均匀问题并得到高精度的热塑性树脂基复合材料构件。

[0086]  (9) 通过在基板4上设计纹路、微孔等提高基板4粗糙度，在棒料3和轴套1061提供的摩擦热与顶锻力作用下。驱动软化的棒料3材料高速流向纹路凹入部分，促进棒料3的软化和变形、流动，强化与基板4的冶金结合和冶金结合，利于实现第一层增材组织和基板4的连接。

[0087] (10) 基于摩擦堆焊的增材制造可增材材料适应性广泛：与常规基于熔融的3D打印方式难打印高熔点热塑性材料相比，该增材制造方法可对不同种类的热塑性树脂基复合材料(聚醚醚酮，尼龙，聚乙烯等)的增材制造需求，无特殊要求；原材料制备简单，简单方块或棒料3都可用。

[0088] 本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0089] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。