CN120606535B - 一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法及设备，包括：根据所制备构件的材料性能和构件的局部热力学性能和机械性能，选择各个分层结构的条带所需材料的数量、种类和组合方式；同时或每一轮单条地铺设单个分层结构的所有条带，来构成单个分层结构；每个条带为单一种类的材料，或者由多个单一种类的材料层叠复合而成，根据铺设过程中的多种传感器和铺设后的检测机构的数据，来执行自适应铺设方法；重复上述步骤，使条带按照分层结构的层顺序来逐层铺设，直到形成构件。本发明的方法通过多种方式的纤维复合材料的增材制造方式的有效结合，进行多种材料的组合再进行铺放，确保纤维的分布和基体的浸润效果达到理想状态。

Description

一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法及设备

技术领域

本发明属于连续纤维复合材料领域，具体涉及一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法及设备，适用于各种复合材料的制备，如复合金属材料和连续纤维复合材料等类型的复合材料的制备。

背景技术

连续纤维复合材料由连续纤维和基体材料（树脂）组成，具有高强度、高模量、轻质化、耐腐蚀、耐磨损等优良性能，广泛应用于航空航天、深海船舶、汽车工业及电子等诸多领域。常见的连续纤维复合材料成型方法通常有传统手工铺放法、液体模塑成型、缠绕成型法和自动铺放成型法等。

其中手工铺放法是手工或在机械辅助下将增强纤维材料和树脂铺覆在模具上，经树脂固化而形成复合材料的一种成型方法，具有生产成本低、产品尺寸和形状不受限制、适用范围广等优点，但是其生产效率低，劳动强度大，且产品质量易受到人工操作技能的影响。

液体模塑成型是指将液态树脂注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中，或加热熔化预先放入模腔内的树脂膜，液态树脂在流动充满模腔的同时完成纤维树脂的浸润并经固化脱模后成为复合材料制品的一种成型方法，具有产品强度及性能可靠性高、生产效率高、环保性能好等优点被广泛应用，但其制件尺寸、形状精度受限于模具制造技术，在大尺寸复合材料结构件制造方面应用受限。

缠绕成型法是将预热的树脂浸渍连续纤维通过多轴缠绕机构按照一定路径铺放在芯模上，经热压固化、脱模，获得具有等强度特性制品，具有制件高比强度、制造成本低，制造质量高且可重复等优点，但其不适用于带凹曲线部件的制造，难以制备复杂形状结构件。

自动铺放成型法是使用五轴运动装置或机械臂等将连续纤维预浸带材料按照一定的路径铺设至模具上，并原位进行加热固结，具有铺放效率高、适于大型制件快速制造的优点，但其在制备构件热膨胀系数或构件局部热/机械性能控制方面存在难题。

此外，上述传统成型方法均需经过模具和热压罐固化/熔融成型、热处理过程，导致制备构件尺寸受到高压釜或热压罐结构设计的限制，存在工艺成本高、耗时长的问题。

目前，连续纤维复合材料增材制造技术处于发展阶段，基本成型原理是基于增材制造分层成形、逐层累积的原理，将连续纤维增强体与基体按照预先设计结构进行铺放，以实现复杂复合材料构件的快速、可控成型：不仅具备高强度、高刚度、质量轻等特点，而且还可通过控制纤维增强体的分布方向、密度等实现对构件整体性能的调控。当前连续纤维增强复合材料增材制造研究方向包括但不限于：基于激光辅助加热的增材方法，包括自动铺放、分层实体制造、熔融沉积成型等，通过对原始纤维或预浸带材快速精准温度控制实现力学性能优异构件的制备；基于压力注射类Z-pin结构的层间强化增材方法（公开号：CN118046575A），构建连续纤维跨切片层、连续纵向强化的类Z-pin结构，通过压力注射热固性树脂材料抑制伴生孔隙缺陷，提升制件整体性能；超声微碾压增材方法（公开号：CN114290668A），利用超声高频冲击及碾压装置实现打印材料的压平、压实材成型，减少内部缺陷，提高构建致密度和层间力学性能。以上连续纤维复合材料增材制造方法存在缺少对于铺放层材料厚度、长度、铺设角度、尺寸精度及材料种类等进行定义的手段。

专利文件（公开号：CN114013069A）提出一种纤维增强热塑性材料自动铺放与熔融沉积复合工艺，该专利属于激光辅助加热并且体现了自动铺放成型和熔融沉积成型的组合增材制造，通过结合纤维自动铺放（AFP）和熔融沉积（FDM）技术，实现了高强度复杂结构件的高效成型，其中，通过纤维自动铺放（AFP）来成型主承力结构，通过熔融沉积（FDM）来成型功能结构，以避免螺栓孔等导致的连续纤维断裂及层间损伤问题。首先对主承力结构进行路径规划并使用连续单向纤维增强热塑性材料预浸带进行铺放固化，然后对功能装配结构（加强筋、卡扣、角撑和肋板中的至少一种）进行切片处理并利用短纤维增强材料进行沉积成型，避免了传统连接方式导致的纤维损伤，显著提升了构件的整体力学性能，具有显著的力学性能提升和制造效率优势。该方法中纤维热塑性材料的铺放和复合材料熔融沉积为顺序分步执行，且是在自动铺放固化后再实现部分结构的熔融沉积，且自动铺放和熔融沉积是用于制造构件的不同结构，不可改为铺放和沉积同时进行，因为构件不同结构的制造是有时间顺序的。因此仅适用于构件表面功能装配结构制造。

专利文件（公开号：CN 116787802 A）提出一种热塑性复合材料自动铺放装置及提高预浸带铺放的速度、效率和成型质量的方法，其属于自动铺放成型连续纤维复合材料增材制造，通过集成平移台、升降装置、旋转台、施压装置、铺放头、激光器和铺放平台，实现了对复合材料预浸带的精确控制铺放。装置通过激光器对预浸带两个关键位置进行加热，配合电荷耦合器件和红外测温仪，精确调节加热温度，确保铺放过程中的温度控制平稳。该方法仅适用于热塑性连续纤维复合材料，对多种类、多尺寸要求连续纤维构件制造缺少支撑，因此不适用于多种类、多尺寸要求连续纤维构件的制造，无法实现其构件的制造，仅适用于热塑性复合材料。

专利文件（公开号：CN115534257A）提出一种多组分复合材料增材制造设备及形成纤维夹层材料的方法，属于新型的基于挤出的3D打印增材制造，涉及将第一层热塑性材料铺设成预定形状，接着在第一层上铺设含纤维材料的第二层热塑性材料，或者在没有纤维材料的情况下单独铺设第二层。该过程将重复进行，直至达到所需的层数。纤维材料可以是连续纤维或不连续纤维，每层都被铺设成多个相邻条带，以形成连续的层表面。在铺设之前，纤维可以被选择性地切割或分离成预定长度，并根据纤维长度分布以多个长度进行切割。每对层之间，第二层紧接第一层铺设，并且可以成一定角度铺设，以适应构件的预定机械性能和热力学性能要求。此外，使用自动铺放机构可以控制纤维层的铺设，允许在不同层间改变纤维的长度、分布和铺设角度。然而，该方法在铺放纤维材料层时必须先铺放热塑性层，无法实现多种材料组合的自定义同时铺放，且缺少对构建尺寸精度的调控手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法及设备，以对复合材料制造过程中铺放层材料厚度、长度、铺设角度、尺寸精度及材料种类进行测量和预测，实现同时组合及铺放多种材料的调控问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，包括：

S0：根据所制备构件的材料性能和构件的局部热力学性能和机械性能，选择各个分层结构的条带所需材料的数量、种类和组合方式；

S1：同时或每一轮单条地铺设单个分层结构的所有条带，来构成单个分层结构；至少一个分层结构采用多个处于同一高度且相互邻接的条带；每个条带由多个单一种类的材料层叠复合和/或邻接复合而成，并且具有带状形状；

S2：重复步骤S1，以使得条带按照分层结构的层顺序来逐层铺设，直到形成连续层结构的构件；在所述步骤S1中，根据铺设过程中的多种传感器和铺设后的检测机构的数据，来执行自适应铺设方法；所述自适应铺设方法包括：

A1：获取压力、厚度、红外热成像图的数据，对这些数据进行数据预处理；

A2：根据压力、厚度、红外热成像图的数据，构建相应的图结构；

A3：对每个图结构，分别进行图特征提取，得到初始化的图特征矩阵；

A4：利用初始化的图特征矩阵，利用图特征学习模型，得到图嵌入向量；

A5：利用模态融合模块，对加权处理后的压力、厚度、红外热成像图的图嵌入向量进行拼接和加权求和，得到融合特征向量；将融合特征向量输入到全连接层和Softmax函数，以得到各个类别的概率分布；

A6：在步骤A1-步骤A5的运行过程中，获取各个类别的概率分布以作为经验，并通过对经验进行采样来对各个类别的概率分布所对应的策略进行强化学习。

所述步骤A6包括：

A61：多个执行器同时根据步骤A5的各个类别的概率分布所对应的策略来进行参数调整，获取参数调整前后的各个类别的概率分布以作为经验并存储到回放缓冲区中；

A62：学习者从回放缓冲区中采样经验：学习者从回放缓冲区中采样训练批次，更新策略网络和评估网络的权重；并且学习者使用深度强化学习算法来优化策略网络，使其能够最大化预期累积奖励；

A63：学习者将更新后的策略网络的权重发送给执行器的策略网络副本，使执行器能够使用最新的策略与环境交互；

A64：重复步骤A61-步骤A63，直到执行器的策略网络副本收敛。

至少一个分层结构采用多个处于同一高度且相互邻接的条带，其余的单个分层结构采用单个条带或多个处于同一高度且相互邻接的条带。

在条带由多个单一种类的材料层叠复合而成时，铺设该条带，具体包括：

S11：将初级层材料按照预定设计铺设，作为待铺设基体；

S12：将次级层材料按照预定设计铺设到整个待铺设基体的顶部，层叠复合以得到新的待铺设基体；

S13：重复步骤S12直至铺设预定层数为止；

S14：将初级层材料按照预先设计铺设到待铺设基体的顶部，层叠复合以形成条带。

所述单一种类的材料包括热塑性材料、热固性材料、纤维成分、弹性体、氟塑料、纤维或金属箔带；所述层叠复合的方式包括熔融共挤、热压合/焊接、光固化、及直接能量沉积中一种或多种。

在所述步骤S2中，将条带逐层铺设的过程中，插入/嵌入条带以外的其他构件部件来组合得到复合构件；在所述步骤S2中，在铺设每一个分层结构的条带之前，使用激光、红外加热、热风、电磁感应或电热管的方式对已铺设的分层结构的顶部进行预加热，或使用等离子辐照、深紫外辐照、电子束辐照的方式对已铺设的分层结构的顶部进行表面活化；在所述步骤S2中，在铺设条带之后，将压紧力施加至铺设的条带的顶层上表面；在所述步骤S2中，条带铺设的操作与熔融沉积技术、数字光处理、光固化成型、直接能量沉积的增材制造方法耦合，或与多轴铣削、多轴磨削、激光切割、水刀切割、等离子切割及超声切割的减材制造方法耦合，以对铺设的条带调整。

另一方面，本发明提供一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造设备，其用于执行阿甘敢问所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，包括基板、以及与基板相对移动的增材制造装置，所述增材制造装置包括层叠单元，每个层叠单元设置为：在使用时，在基板或待铺设的分层结构的顶层上表面进行单种或多种材料的铺设，以组合形成条带。

所述层叠单元用于在同一时刻仅进行单个条带的铺设或者用于同时铺设多个条带，所述条带由单种或多种材料组合而成；层叠单元包括至少一个层叠复合单元，所述层叠单元的层叠复合单元的种类包括熔融挤出机构、直接能量沉积机构、自动铺放机构、光固化机构、喷墨机构中一种或多种的组合。

所述增材制造装置还包括前处理单元、压力施加单元和后处理单元；前处理单元包括加热装置和/或活化装置；压力施加单元用于在铺设条带后施加压紧力；所述后处理单元包括检测机构、后处理增材机构和后处理减材机构。

所述复合材料增材制造设备还包括温湿度控制装置，所述温湿度控制装置安装于增材制造装置的外部；和/或复合材料增材制造设备还包括用于实现基板与增材制造装置在多个方向上的相对移动的位移装置，所述位移装置包括龙门系统、工业机器人系统或机器人-龙门的复合协作系统。

本申请的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法通过多种方式的纤维复合材料的增材制造方式的有效结合，进行多种材料的组合再进行铺放，以通过采用不同种类的材料铺放装置，以及控制铺放温度和施加压力来实现构件成型和复合材料制造过程中各铺放层材料厚度、长度、铺设角度、尺寸精度和材料种类的定义、预测和自适应调整，可以确保纤维的分布和基体的浸润效果达到理想状态。

在连续纤维复合材料增材制造过程中，在多种材料中选择材料的数量、种类和组合排序方式后进行铺设，这有利于控制制备构件的材料性能，调控制备构件局部热力学性能和机械性能；根据所需制备构件预设定条带厚度或相邻条带间距的尺寸误差，自适应调整其尺寸使其与设定保持一致，这有利于控制减小制备构件的孔隙度，控制构件的强度和耐用性。

附图说明

图1A-图1E是本发明的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法得到的构件的单个条带和构件的机构示意图，其中图1A-图1C示出了不同材料组合成的单个条带，图1D-图1E示出了不同条带组成的局部构件。

图2是本发明的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法在采用分层结构加强策略时的原理图。

图3是本发明的复合材料增材制造设备的单种连续纤维复合材料进给铺设示意图。

图4是本发明的复合材料增材制造设备的熔融挤出机构铺设的原理示意图，其中图4左侧示出了单螺杆挤出机构，图4的中部示出了双螺杆挤出机构，图4的右侧示出了螺杆-柱塞复合机构。

图5是本发明的复合材料增材制造设备的直接能量沉积机构的铺设原理示意图。

图6是本发明的复合材料增材制造设备的光固化机构的铺设原理示意图。

图7A-图7C是本发明的复合材料增材制造设备的后处理机构的原理示意图，其中包括检测机构、后处理增材机构、和后处理减材机构。

图8是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括熔融挤出机构、直接能量沉积机构和自动铺放机构。

图9是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括熔融挤出机构和自动铺放机构。

图10是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括熔融挤出机构和自动铺放机构。

图11是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括两个自动铺放机构。

图12是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括直接能量沉积机构和自动铺放机构。

图13是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括直接能量沉积机构和自动铺放机构。

图14是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括一个熔融挤出机构和两个自动铺放机构。

图15是根据本发明的一个实施例的复合材料增材制造设备的整体结构示意图，其中层叠单元包括一个直接能量沉积机构和两个自动铺放机构。

图16是本发明的复合材料增材制造设备在执行自适应铺设方法的原理示意图。

图17是本发明的复合材料增材制造设备在采用龙门系统时的整体结构示意图。

图18是本发明的复合材料增材制造设备在采用工业机器人系统时的整体结构示意图。

附图标记：

1为第一材料；2为第二材料；3为第三材料；10为基板；20为前处理单元；30为层叠单元；40为压力施加单元；50为检测机构；60为后处理增材机构；70为后处理减材机构；31为熔融挤出机构；32为直接能量沉积机构；33为自动铺放机构；331为供应卷筒机构；332为磁粉制动器；333为张力控制器；334为驱动机构；335为切割器；336为加热器；337为压力施加辊轮；338为薄型气缸；339为橡胶压块；3341为驱动机构主动滚轮；3342为驱动机构被动滚轮；311为伺服电机；312为减速器；313为单螺杆挤出机构壳体；314为第一挤出喷嘴；315为双螺杆；316为单螺杆挤出机构；317为柱塞挤出机构；318为第二挤出喷嘴；41为激光源；42为激光束；43为载气；44为粉体进料机构；45为沉积头/喷嘴；46为熔池；51为纤维材料；52为光固化喷嘴；53为输送管；54为激发光提供机构；6-1是层叠铺设装置，6-2是第一线激光传感器，6-3是前一层铺设条带，6-4是正在铺设的条带，6-5是微型熔融沉积机构，6-6是超声切割机；6-7是第二线激光传感器，6-8是第一热红外扫描仪，6-9是同一分层结构中正铺设完成的铺设条带，6-10是同一分层结构中前一条铺设条带,6-11是第一微型熔融挤出机构，6-12是微型激光切割装置；6-13是分层结构中的铺设条带，6-14是激光扫描成像视觉系统，6-15是第二热红外扫描仪，6-16是第二微型熔融挤出机构，6-17是小型数控铣削机构，6-18是微型激光切割机；71为机器人轨道；72为机器人底座；73为机器人主体；74为机器人末端平台；75为模具平台；76为龙门系统横梁；77为旋转平台；78为升降台；79为龙门横梁平台。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

本发明提出一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，该方法是基于连续纤维增强材料铺放与增材成型的新型复合成型工艺，通过分层成形、逐层铺设的方式实现复杂结构连续纤维复合材料构件的自定义制备。

其中，本发明的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法包括以下步骤：

步骤S0：根据所制备构件的材料性能和构件的局部热力学性能和机械性能，选择各个分层结构的条带所需材料的数量、种类和组合方式；

步骤S1：同时或每一轮单条地铺设单个分层结构的所有条带，来构成单个分层结构；

其中，至少一个单个分层结构采用多个处于同一高度且相互邻接的条带；每个条带为单一种类的材料，或者由多个单一种类的材料层叠复合而成。这里的相互邻接是指，条带并非处于分层结构的边缘的部分均会与至少一个其余的条带邻接。

在本发明中，至少一个分层结构采用多个邻接的条带，因此，构件的制造方式相比于现有技术更为灵活和迅速，能够在同一分层结构上同时铺放。

在条带由多个单一种类的材料层叠复合而成时，铺设该条带，具体包括：

步骤S11：将初级层材料按照预定设计铺设，作为待铺设基体；

步骤S12：将次级层材料按照预定设计铺设到整个待铺设基体的顶部，层叠复合以得到新的待铺设基体；

步骤S13：重复步骤S12直至铺设预定层数为止；

步骤S14：将初级层材料按照预先设计铺设到待铺设基体的顶部，层叠复合以形成条带。

如图1A-图1C所示为条带的具体结构。其中图1A示出了单个条带，其中条带的初级层是熔融扁圆柱带，次级层中预浸渍纤维带和粉末熔融带相间铺放，图1B示出了单个条带，其中三种不同的颜色和形状代表三种材料。熔融扁圆柱是组成条带的一种材料，其中示出了粉末熔融带与预浸渍纤维带组合与熔融扁圆柱带相间铺放，图1C示出了三种结构的材料相间铺放以作为初级层且仅有初级层。也就是说，条带的定义是用于组成分层结构的条状复合材料，每个条带由多个单一种类的材料层叠复合和/或邻接复合而成，并且具有预先设计的带状形状。条带内部的结构是根据材料的性能预先设计的，且单个条带的材料是预先设计的有限数量。

初级层的一种或多种材料（和可选的次级层材料）共同组成同一条带，例如可以看作是初级层和可选的次级层共同组成一个条带。

如图1A-图1C所示，根据预制构件的局部机械和热力学性能，铺设条带的材料种类和铺设组合方式可有选择的进行组合，其组合方式有且不仅于图1A-图1C的种类和数量。

如图1A所示，首先开启熔融挤出机构，将熔融颗粒状或丝状复合材料铺设至基板或前一层分层结构上形成扁平圆柱状带作为条带的初级层，直接能量沉积机构和自动铺放机构彼此交替地间断性开启，将粉末状材料以矩形孔隙带和热塑性预浸渍纤维带以矩形编织带相互间断性铺设至初级层上表面，以形成次级层，通过将压紧力施加于次级层上表面，从而粘合形成一条铺设条带。

如图1B所示，开启熔融挤出机构，将熔融颗粒状或丝状复合材料以厚度H铺设至基板或前一层分层结构上形成扁平圆柱带；关闭熔融挤出机构，开启直接能量沉积机构和自动铺放机构，紧随扁平圆柱带之后，首先由直接能量沉积机构将粉末状材料铺设至基板或前一层分层结构上形成矩形孔隙带，作为初级层，再由自动铺放机构将热塑性预浸渍纤维带以厚度h₃铺设至初级层上表面形成矩形编织带，作为次级层，通过将压紧力施加于材料上表面，从而粘合形成一条铺设条带。

如图1C所示，层叠单元中的三种机构依次开启，首先开启熔融挤出机构，将熔融颗粒状或丝状复合材料以厚度H铺设至基板或前一层分层结构上形成扁平圆柱带，之后开启直接能量沉积机构，紧随扁平圆柱带后，构将粉末状材料以厚度H铺设至基板或前一层分层结构上形成矩形孔隙带，再之后开启自动铺放机构，紧随矩形孔隙带之后，将热塑性预浸渍纤维带以厚度H铺设至基板或前一层分层结构上形成矩形编织带，通过将压紧力施加于材料上表面，从而粘合形成一条铺设条带。

通过上述图1A-图1C的方式组合铺设不同形式的条带，同样根据预制构件的局部机械和热力学性能，同一分层结构可有且不仅有以下的条带排列方式：如图1D所示，通过图1A、图1B、图1C所示的三种条带依次进行铺设排列，完成构件的一层分层结构的制备。如图1E所示，通过图1A、图1B所示的两种条带依次进行铺设排列，完成构件一层分层结构的制备。也就是说，图1D示出了构建同一分层结构条带铺设组合中的一种，图1E示出了构件同一分层结构条带铺设组合中的另一种。此外，必须保证同一分层结构不同条带的厚度相同。条带的宽度指构件单次铺设完成后条带的宽度。条带的宽度为条带的左右长度，水平方向的尺寸；厚度为条带的上下方向的尺寸。多个邻接的条带是指多个条带处于同一高度，且每个条带至少与同一高度的另一条带邻接。其中，H为单个条带的总厚度，h1为第一材料的厚度，h2为第二材料的厚度，h3为第三材料的厚度。

步骤S2：重复步骤S1以使得条带按照分层结构的层顺序来逐层铺设，直到形成连续层结构的构件。

得到的构件就是本发明所述的复合材料。由此，初级层材料和次级层材料所形成的条带以多个条带相邻的形式来形成单个分层结构，并进行铺设，形成连续层结构的一部分，其中每个条带与其相邻的条带邻接。

因而，初级层材料和次级层材料所形成的条带的宽度并不影响构件的宽度尺寸。构件的截面尺寸是由该截面对应的分层结构中所有条带的长度、宽度和铺设轨迹决定，并不是仅由条带宽度决定。构件的分层结构的厚度、条带宽度及铺设方式（包括相对角度、条带分布和条带长度等中一项或多项）等构件的成型要素对构件强度、刚度及热力学性能的影响由有限元分析和应力/热力学建模设计和优化确定。相对角度是指上下两个相邻的分层结构中，对应条带之间的夹角。

此外，按照分层结构的层顺序的逐层铺设是指多个分层结构的逐层铺设、层层累加直至构件成型。其中，逐层铺设可以是一种不连续过程，即条带的初级层材料和次级层材料既可“分步铺设”，亦可“顺序铺设”，分步铺放是指某一条带中的单一种复合材料首先进行铺放，再铺放下一种复合材料，直至形成一个条带；顺序铺放是指按照预设计的材料性能多种单一材料按预设定的排序同时铺放成一个条带。这种逐层铺设是一种高度可控且自适应的过程，因此，构件的高度是由分层结构的数量决定，初级层材料和次级层材料所形成的分层结构的厚度尺寸会影响构件的厚度，但不是决定因素。

在所述步骤S1中，所述条带为单一种类的材料，或者是由初级层材料和次级层材料顺序铺设而形成的多种材料。

所述条带为单一种类的材料时，单一种类的材料可以包括热塑性材料（如聚苯硫醚PPS、聚醚酰亚胺PEI、聚醚醚酮PEEK、耐高温尼龙PPA、热塑性聚酰亚胺TPI等及其复合物）或热固性材料（如环氧树脂EP、聚酰亚胺PI、聚苯并咪唑PBI等及其复合物）的薄膜、带材，也可以包括连续的或者不连续的纤维成分（所述纤维成分是短纤维、长纤维或连续纤维），也可以包括弹性体（如橡胶、热塑性聚氨酯弹性体TPU、热塑性弹性体TPE等及其复合物）、氟塑料（如聚四氟乙烯PTFE、乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE等及其复合物）、纤维（如芳纶、玻璃纤维、涤纶、金属纤维、矿物质纤维等及其复合形态）或金属箔带（如铜、铝、钨、钼、钽、铌、钛以及钢和不锈钢等及其复合形态）等。

所述条带由多个单一种类的材料层叠复合而成时（即为多种类材料的条带时），条带的材料可以是由二种或多种上述的单一种类的材料按照预先设定方式层叠复合而成。其中，层叠复合方式可以是熔融共挤、热压合/焊接、光固化、及直接能量沉积（DED）中一种或多种的顺序复合方式，层叠复合过程中多种材料的比率可根据设计需要改变。在条带包括连续纤维、带材、薄膜或金属箔带时，条带在层叠复合的过程中可根据设计需求进行有选择的切割成多个预定长度。

优选地，最底层的条带铺设在复合材料增材制造设备的基板上，且包括热塑性材料或热固性材料的带材，以作为支撑结构。

在所述步骤S2中，在条带的铺设过程中，条带根据铺设轨迹有选择地切割成多个预定长度，通过改变条带中材料种类的组合、条带长度或铺设条带轨迹控制等方式实现对每一分层结构的局部机械性能或热力学性能的精确控制。其中，铺设轨迹是指根据预制构件的形状设计的条带铺设路径，铺设得到的不同条带的邻接组合形成了构件的截面形状。

在构件具有纤维分布轮廓时，纤维分布轮廓可根据构件的预定机械性能/热力学性能的设定来设计和铺设。

在所述步骤S2中，将条带逐层铺设的过程中，插入/嵌入条带以外的其他构件部件（金属加强筋、肋板或其他材料构件、加强材料）来组合得到复合构件。

如图2所示，针对预制构件特殊区域需进行局部加强的制造需求，本发明提出了一种基于层叠单元的分层结构加强策略。该策略在条带逐层铺设的过程中，针对特定区域按照额外要求精准添加加强材料，以实现局部增强效果。具体实施方法如下：首先，按照预设路径，将熔融材料以特定厚度均匀铺设于基板或前一层分层结构表面，形成扁平圆柱带状初级层。随后，将热塑性复合材料纤维带铺设于初级层之上，形成编织纤维带状次级层。利用压力滚轮施加适当压力，确保两层材料紧密粘合，形成铺设条带。当条带铺设至特殊区域时，开启直接能量沉积机构，在扁平圆柱带状初级层与热塑性的编织纤维带状次级层之间精准添加加强材料，并将其铺设成孔隙带状材料层并作为第一个次级层。通过控制熔融挤出机构的功率和挤出量，以及调整压力辊轮的高度和压力，确保铺设条带在特殊区域的厚度误差控制在预设范围内。完成特殊区域的加强铺设后，恢复至初始铺设参数和过程。整个铺设过程中，后处理减材机构中的线激光传感器实时监测铺设条带厚度，确保其始终保持在预设的误差范围内。

在所述步骤S2中，在铺设每一个分层结构的条带之前，使用激光、红外加热、热风、电磁感应或电热管等方式对已铺设的分层结构的顶部进行预加热，或使用等离子辐照、深紫外辐照、电子束辐照的方式对已铺设的分层结构的顶部进行表面活化，从而通过预加热/表面活化处理能够提高任意两个相邻层之间的结合性/焊接性，并确保大尺寸构件成型过程中相邻层（与先前几层）之间良好结合/焊接强度，以使得构件更好的固结。

在所述步骤S2中，在铺设条带之后，将压紧力施加至铺设的条带的顶层上表面，从而将铺设的条带压入/推入至已预加热/表面活化的相邻层条带的顶层上表面，从而防止空隙的产生和提高层间结合/焊接强度。

在本实施例中，压紧力通过压紧装置施加，其中压紧装置安装在层叠单元后方，压紧力紧跟着条带的铺设进行施加，从而实现条带铺设后即刻施加压紧力。在本实施例中，压紧装置可以是通过具备加热或冷却能力的压实辊/轮，也可以是具有超声高频冲击的碾压装置，从而具备调节相邻层之间结合/焊接强度的能力。此外，压紧装置施加的压紧力可以通过调整辊的高度来调节，并具备压紧力可变的特点，以在防止层间空隙和精确限定条带层高度的同时，确保相邻层之间的质量总和稳定。

在所述步骤S2中，条带铺设的操作可与现有的熔融沉积技术(FDM)、数字光处理(DLP)、光固化成型(SLA)、直接能量沉积（DED）等增材制造方法耦合，也可与现有多轴铣削、多轴磨削、激光切割、水刀切割、等离子切割及超声切割等减材制造方法耦合，以对铺设的条带调整。与条带铺设的操作的耦合是指根据构件的预先设计，在条带铺设过程中同步或异步使用一种或多种增/减材制造方法对正在铺设的条带调整，从而实现对铺设的条带的层级结构、构件局部区域或构件整体的形性调整；所述条带调整既包括加强筋、嵌件、卡扣、角撑和肋板中的至少一种异质材料结构体的添加，也包括对构件结构外形、表面光洁度、孔结构的调整。

另一方面，如图8所示，本发明提供一种复合材料增材制造设备，其用于执行上文所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法。复合材料增材制造设备包括基板10、以及与基板10相对移动的增材制造装置，所述增材制造装置包括前处理单元20、层叠单元30、压力施加单元40和后处理单元。层叠单元30用于条带的铺设；前处理单元20用于铺设前的预加热和/或活化，其通常采用加热装置和/或活化装置；压力施加单元40用于在铺设条带后施加压紧力。所述后处理单元包括检测机构50、后处理增材机构60和后处理减材机构70；检测机构50用于铺设过程中检测缺陷及尺寸误差；后处理增材机构60和后处理减材机构70用于对铺设过程中的缺陷或尺寸误差进行修补。

每个层叠单元30设置为：在使用时，在基板10或待铺设的分层结构的顶层上表面进行单种或多种材料的铺设，以组合形成单个条带。所述层叠单元还可以设置为在使用时选择性地切割或分离条带内的纤维材料。

其中，条带的铺设方向可以待铺设的分层结构顶部的条带的铺设方向一致或者不一致；且同一分层结构中，多个条带彼此邻接以共同形成一个分层结构。

如图8所示，所述层叠单元30包括：至少一个熔融挤出机构31、至少一个直接能量沉积机构32、和至少一个自动铺放机构33。所述层叠单元30用于实现单个条带的铺放；熔融挤出机构31用于将颗粒状或丝状复合材料以扁圆柱形状的结构进行铺设，直接能量沉积机构32用于将粉末状材料以孔隙条带状的结构进行铺设，自动铺放机构33用于将热塑性预浸渍纤维带以编织带状的结构进行铺设，所述带状复合材料包括带状预浸带、带状薄膜带或带状金属箔等。自动铺放机构包含多个供料装置，其中放置同一种材料的不同厚度带状材料（厚度可以0.5h₃、h₃、1.5h₃、2h₃等表示，且具体实施例中一旦材料选定则h₃为固定值）。

在本实施例中，如图8所示，所述层叠单元30用于在同一时刻仅进行单个条带的铺设，所述条带由单种或多种材料组合而成。然而，在其他实施例中，所述多个层叠单元30的组合用于同时铺设多个条带，从而同时组合形成多个相邻的条带；此外，多个层叠单元30的下游设有同一个分段式的压力施加单元40，以对同时铺设的多个相邻的条带施加压紧力。由此，实现了多个相邻的条带的同时铺设。

铺设过程为：1)预处理阶段：启动前处理单元，按照预设定的铺设轨迹对预制构件基板上表面或前一层分层结构上表面进行预热或表面活化处理，为材料铺设做好准备。2)材料铺设：a.首先启动熔融挤出机构31，按预设的条带宽度w在基板或前一层分层结构上以一定速度将颗粒状或丝状复合材料铺设成特定的形状(如图8所示，为扁平圆柱带形状)作为初级层。b.紧随其后，直接能量沉积机构32在初级层上表面按设定宽度铺设粉末状材料形成次级层（次级层为图8中空隙条带状）。c.自动铺放机构33随后将热塑性预浸渍纤维带作为另一次级层铺放至已铺设的第一材料1和第二材料2上（该层为图8中编织纤维带状），由三种不同形式结构的层级材料组合形成分层结构的铺设条带。条带宽度由沉积机构的喷嘴和自动铺放热塑性预浸渍纤维带的宽度共同决定。3)压力施加：通过压力施加单元40对条带上表面施加压力，确保初级层与次级层之间、次级层与次级层之间以及条带与前一层分层结构之间更好地粘合。压力大小通过控制压力辊的高度进行调节。4)条带厚度控制：通过后处理检测机构线激光传感器实时监测已铺设条带的厚度，当厚度出现误差时通过调整压力施加单元40的压力施加辊轮的高度，进而控制施加压力的大小；调整直接能量沉积机构或熔融挤出机构的功率，进而控制材料铺设量，两者共同控制铺设条带的厚度。5)层叠控制：分层结构中的某一条条带铺设完成后，层叠单元回到预设定相邻条带的起始位置，控制层叠单元的机器人或龙门系统将铺设头沿条带移动方向的左或右侧移动w+L的距离（L为相邻条带的间距），重复步骤1)至3)，直至完成整个预制构件的分层结构铺设。相邻条带之间通过检测机构中其他的线激光传感器和热红外传感器实时监测相邻条带的间距，当间距出现误差时，通过控制机器人或龙门系统末端的位移量，进而控制相邻条带的间距。6)实时监测与修补：在条带铺设过程中，后处理单元实时监测条带的误差或缺陷，对检测出的缺陷和误差进行定位和量化，通过后处理增材机构（微型熔融挤出机构或喷墨机构）对铺设过程中的凹坑等缺陷或相邻条带之间的间隙等进行修补；通过后处理减材机构对铺设过程中出现的凸起或补充多余部分进行修剪。7)角度调整与重复：完成某一分层结构的铺设后，通过连接层叠单元的旋转装置调整铺设条带的相对铺设角度，然后重复上述步骤1)至6)，直至完成整个构件的制备。

根据预制构件的局部机械和热力学性能，铺设条带的材料种类和铺设层厚度可有选择的进行组合，其组合方式有且不仅于以下种类和数量。1）层叠单元中三种铺设机构同时开启，其中自动铺放机构33中采用厚度为h₃的热塑性预浸渍纤维带，按照上述铺设方法，首先熔融挤出机构31将熔融颗粒状或丝状复合材料铺设至基板或前一层分层结构上形成扁平圆柱状带作为初级层，之后直接能量沉积机构32将粉末状材料铺设成矩形孔隙带结构作为第一个次级层，然后自动铺放机构33将热塑性预浸渍纤维带以厚度h₃铺设成矩形编织带结构作为第二个次级层，通过压力施加单元40将压紧力施加于热塑性预浸渍纤维带上表面，共同组成一种铺设条带。2）是层叠单元中三种铺设机构同时开启，其中自动铺放机构33中采用厚度为0.5h₃的热塑性预浸渍纤维带，按照上述铺设方法，首先熔融挤出机构31将熔融颗粒状或丝状复合材料铺设至基板或前一层分层结构上形成扁平圆柱状带作为初级层，之后直接能量沉积机构32将粉末状材料铺设成矩形孔隙带结构作为第一个次级层，然后自动铺放机构33将热塑性预浸渍纤维带以厚度0.5h₃铺设成矩形编织带结构作为第二个次级层，适当调高压力施加单元40的压力施加辊轮的高度，减小施加于热塑性预浸渍纤维带上表面的压紧力，使三种结构的材料共同组成一种铺设条带。3）是层叠单元中三种铺设机构同时开启，其中自动铺放机构33中采用厚度为0.5h₃的热塑性预浸渍纤维带，按照上述铺设方法，首先熔融挤出机构31将熔融颗粒状或丝状复合材料铺设至基板或前一层分层结构上形成扁平圆柱状带作为初级层，之后直接能量沉积机构32将粉末状材料以铺设成矩形孔隙带结构作为第一个次级层，然后自动铺放机构33将热塑性预浸渍纤维带以厚度0.5h₃铺设成矩形编织带结构作为第二个次级层，继续适当调高压力施加单元40的压力施加辊轮的高度，进一步减小施加于热塑性预浸渍纤维带上表面的压紧力，使三种结构的材料共同组成另一种铺设条带。4）是层叠单元中仅开启熔融挤出机构31和自动铺放机构33，其中自动铺放机构33中采用厚度为1.5h₃的热塑性预浸渍纤维带，按照上述铺设方法，首先将熔融颗粒状或丝状复合材料铺设至基板或前一层分层结构上形成扁平圆柱带状作为初级层，随后自动铺放机构33将热塑性预浸渍纤维带以厚度1.5h₃铺设成矩形编织带结构作为次级层，适当降低压力施加单元40的压力施加辊轮的高度，增加施加于热塑性预浸渍纤维带上表面的压紧力，使两种结构的材料组成一种铺设条带。同时，在条带的铺设过程中，通过线激光传感器实时监测铺设条带的厚度，通过控制直接能量沉积机构32和熔融挤出机构31的铺设量使铺设条带的厚度误差在一定范围内，且必须保证同一分层结构不同条带的厚度相同。

所述复合材料增材制造设备还可以包括温湿度控制装置。所述温湿度控制装置安装于增材制造装置的外部，其包括模块化框架、保温隔板、空气循环机构、温度和湿度控制机构。其中，模块化框架为方形绗架结构并由保温隔板包围以形成保温腔体，保温腔体的外部连接空气循环机构、温度和湿度控制机构，以满足构件铺设成型过程中环境温度、湿度的调控。

在其他实施例中，在单个层叠单元30中，层叠复合单元的种类、数量和位置可以根据需求改变。具体来说，层叠单元30还可以设置为根据成型构件分层结构的局部机械性能和热力学性能需求，依据系统化有限元分析和应力/热建模分析确定条带的材料种类及组合方式，根据条带的材料种类及组合方式来确定层叠复合单元的种类、数量和位置，从而在单个条带铺设中实现多种材料的组合。

层叠单元30包括至少一个层叠复合单元，所述层叠单元30的层叠复合单元的种类包括熔融挤出机构31（将热塑性材料熔融后挤出）、直接能量沉积机构32（即DED机构，其用于将粉末等材料加热熔融及铺设）、自动铺放机构33（用于带状复合材料如纤维预浸带的铺设）、光固化机构（将光固化树脂进行原位固化）、喷墨机构（将树脂液体）中的一种或多种的组合。也就是说，层叠单元30的种类包括熔融挤出机构31、直接能量沉积机构32和自动铺放机构33、光固化机构、喷墨机构中的至少一种。

如图3所示，所述自动铺放机构33包括绕设有带状复合材料的供应卷筒机构331、在供应卷筒机构331的下游依次设置的张力控制器333、驱动机构334、切割器335、加热器336和压力施加辊轮337。驱动机构334用于驱动供应卷筒机构331转动以将带状复合材料牵引出，驱动机构334包括用于夹持所述带状复合材料的驱动机构主动滚轮3341和驱动机构被动滚轮3342；加热器336用于在带状复合材料铺设前对其进行预加热；切割器335用于有选择地切割或分离带状复合材料以形成多个预定长度的带状复合材料。由此，带状复合材料通过驱动机构334由供应卷筒机构331牵引出，输送至通过切割器335，再通过加热器336后进行铺放。

此外，所述供应卷筒机构331上还设有磁粉制动器332，磁粉制动器作用是施加一定大小的预紧力；所述切割器335的上游和下游设有橡胶压块339以便于在切割时避免带状复合材料滑动，保证切割质量和整体张力。在本实施例中，供应卷筒机构331为带状复合材料放卷轮。所述压力施加辊轮337与薄型气缸338连接以受其驱动。

需要说明的是，所述自动铺放机构33仅用于某一种带状复合材料的输送铺放，此种带状复合材料仅是铺设的条带的一部分，进给单元机构与直接能量沉积机构、熔融挤出机构等共同组成层叠单元30。

所述熔融挤出机构31用于热塑性材料的熔融挤出，其具有用于铺设热塑性材料的挤出喷嘴。其中，所述熔融挤出机构31可以是如图4的左侧所示的单螺杆挤出机构、如图4的中部所示的双螺杆挤出机构或多螺杆挤出机构（包括行星螺杆、布氏挤出机等），也可以是单柱塞或双柱塞式机构，或者如图4的右侧所示的螺杆-柱塞复合式结构。

如图4的左侧所示，单螺杆挤出机构包括单螺杆挤出机构壳体313、设于单螺杆挤出机构壳体313的底部的第一挤出喷嘴314、设于单螺杆挤出机构壳体313的内部的单螺杆、以及与单螺杆连接的伺服电机311和减速器312。伺服电机311和减速器312用于驱动单螺杆的转动，进而控制所述熔融挤出机构31的开关及挤出量。如图4的中部所示，所述双螺杆挤出机构的结构与单螺杆挤出机构的结构基本一致，区别仅在于，单螺杆被替换为双螺杆315。

如图4的右侧所示，螺杆-柱塞复合式结构包括单螺杆挤出机构316、以及与单螺杆挤出机构316底部的出口通过空心管连接的柱塞挤出机构317，所述柱塞挤出机构317的底部设有第二挤出喷嘴318。

其中，挤出喷嘴的出口形状可以是狭缝、扁圆形或圆形，熔融挤出机构31的内部流道结构可以为鱼尾结构或衣架结构。通过对螺杆或柱塞结构、喷嘴出口形状和流道结构的仿真优化，以及对熔融挤出机构31的智能控制，保障条带挤出的尺寸、流量精确可控。

如图5所示，所述直接能量沉积机构32包括粉体储料机构、与粉体储料机构连接的粉体进料机构44和电机、与粉体进料机构44的底部连接的沉积头/喷嘴45、通入粉体进料机构44内部的载气43、以及用于将能量束聚焦于沉积头/喷嘴45底部的能量发生器。其中，粉体储料机构用于存放金属等分体材料，粉体进料机构44以及电机用于将粉体材料输送至沉积头/喷嘴45处，能量发生器用于发射聚焦能量束以在基板或已成型体上表面产生熔池46，沉积头/喷嘴45用于通过载气43将粉体材料输送至生成的熔池46。

能量发生器所提供的能量束主要有激光束、电子束以及离子弧束等。在本实施例中，如图5所示，能量发生器所提供的能量束为激光束42，因此能量发生器包括激光源41。

如图6所示，所述光固化机构包括储料罐、与储料罐通过输送管53连接的光固化喷嘴52、设于输送管53上的输送泵、和用于向光固化喷嘴52的挤出口提供激发光的激发光提供机构54。由此，储料罐用于存放树脂，输送管53和输送泵用于将树脂泵送至光固化喷嘴52。

在本实施例中，光固化喷嘴52为复合喷嘴，包括纤维材料入口、与输送管53连接的树脂浸润区和挤出口，纤维材料入口区是用于纤维材料51的输入，树脂浸润区用于树脂材料与纤维材料的浸润复合，挤出口用于浸润后的纤维和树脂材料的输出。

激发光提供机构54用于UV、NIR等多波段激发光的投影，包括DLP、卤素灯、紫外汞灯、半导体激光器以及气/固体激光器等，激发光用于使树脂固化。

此外，储料罐内可以设置静态混合器，静态混合器用于单组份或多组分树脂的均匀混合。

其中，喷墨机构包括用于存放液体的储料罐、与储料罐通过输送管连接的喷头及用于向喷头的出口提供激发光的激发光提供机构。其中，储料罐机构用于存储液体；喷头用于将树脂液体等材料喷射至基板或前一层构件上，可选择压电式喷头，也可选择热发泡喷头；激发光提供机构用于UV、NIR等多波段激发光的投影，包括紫外汞灯、卤素灯或激光器，用于喷射的液体的固化。

需要说明的是，喷墨机构与光固化机构的区别在于铺设材料不同，光固化机构仅可用于光敏树脂的铺放，喷墨机构可用于喷射多种液体材料。

再请参见图8，在本实施例中，压力施加单元40设于自动铺放机构33、直接能量沉积机构32和熔融挤出机构31的下游，因此用于在条带铺设完成后立刻施加压力。其中，压力施加单元40包括辊机构、轮机构或具有超声高频冲击的碾压机构，从而将压紧力施加至铺设的条带的顶层上表面，从而调节相邻层之间结合/焊接强度。其中，辊机构可选择圆柱形辊，也可选择不同直径圆盘叠加的分段式辊；轮机构可选择硅胶、橡胶包胶结构的滚轮，也可选择轮驱动的双钢带压轮机构。可选地，辊、轮机构包括设于其上的加热（导热油、电磁加热、水加热）或冷却机构（水冷却、油冷却），其中辊、轮机构的冷却机构的主要功能是防止热塑性材料粘在辊/轮表面，加热辊/轮主要功能是改善冷却时间。上述超声高频冲击的碾压机构包括超声波发生器、与超声波发生器连接的超声冲击头、固定座及固定座上安装的异形辊/轮或平辊/轮。

所述压力施加单元40还可以包括用于控制辊机构、轮机构或具有超声高频冲击的碾压机构的高度的电动执行器或气动执行元件（如气缸），以及用于采集压紧力信号的力传感器。

复合材料增材制造设备还包括用于实现基板10与增材制造装置在多个方向上的相对移动的位移装置，所述位移装置包括龙门系统、工业机器人系统或机器人-龙门的复合协作系统。龙门系统、工业机器人系统或机器人-龙门的复合协作系统在使用时遵循：按预定程序移动以形成多层、多材料的复合材料构件轮廓，连续或不连续的预定纤维分布图案。具体来说，基板10与增材制造装置分别固定在龙门系统、工业机器人系统或机器人-龙门的复合协作系统中的两个彼此可相对运动的平台，以实现基板10与增材制造装置的相对移动。

复合材料增材制造设备采用工业机器人系统时，工业机器人可以是关节型机器人、并联型机器人及其线性滑轨机器人等形式。在一个实施例中，如图18所示，所述工业机器人包括机器人轨道71，在机器人轨道上可滑动的机器人底座72，安装在机器人底座72上的机器人主体73、旋转平台、和机器人末端平台74，且所述工业机器人系统除了包括工业机器人，还包括固定的模具平台75。基板10安装在固定的模具平台75上，而增材制造装置安装在可移动的机器人抓手的机器人末端平台74。

在复合材料增材制造设备采用龙门系统时，龙门系统可选择天车式五轴龙门系统等形式。在一个实施例中，如图17所示，所述龙门系统包括固定的龙门系统横梁76、安装于龙门系统横梁76上的旋转平台77、和升降台78，因此，基板可安装在龙门系统的升降台78上，随升降台上下移动，而增材制造装置通过旋转平台77和龙门横梁平台79安装在固定的龙门系统横梁76上。

在复合材料增材制造设备采用机器人-龙门的复合协作系统时，所述机器人-龙门的复合协作系统包括龙门系统、安装于龙门系统横梁上的一个或多个工业机器人和升降台，基板10安装在升降台上，且增材制造装置安装在工业机器人的机器人末端平台上，使得基板10和增材制造装置可相对移动。

此外，机器人-龙门的复合协作系统还可以是上述龙门系统和工业机器人的多种组合应用。

所述前处理单元20包括加热装置和/或活化装置，加热装置用于使用激光、红外加热、热风、电磁感应或电热管等方式对已铺设的分层结构的顶部进行预加热，所述活化装置用于使用等离子辐照、深紫外辐照或电子束辐照等设备对已铺设的分层结构的顶部上表面进行活化处理，从而提高相邻层之间的结合性/焊接性。所述加热装置的加热温度由其功率控制，其加热温度可由温度传感器采集。

所述后处理单元包括检测机构50、后处理增材机构60和后处理减材机构70。检测机构50用于实时监测已铺设的条带中出现的结构及尺寸误差及缺陷（包括铺设过程中出现的狭缝、凹坑、孔洞等），包括视觉检测机构（包括面型相机、线扫描相机、多光谱相机、光栅类相机等）、激光扫描机构（包括点激光扫描仪、线激光传感器和激光视觉系统等）、热成像检测机构、超声检测机构等一种或多种组合。

后处理增材机构60和后处理减材机构70用于对铺设过程中的缺陷或尺寸误差进行修补。后处理减材机构70用于根据预先设计的条带的形状，在打印过程中与实时缺陷检测配合，对已铺设的条带、分层结构的误差和缺陷，和/或后处理增材的余量进行切割、磨削、钻孔等操作，包括多轴磨削机构、激光切割机构、超声切割机构或水射流切割机构等，用于对铺设完成构件分层结构进行减材加工。上述多轴磨削机构包括双臂式五轴头、直角/45°摇摆铣头、数控平旋盘、车铣摇摆头等形式；激光切割机构可以选择使用紫外、红外或绿光激光，也可以选择使用纳秒、皮秒或飞秒激光等；超声切割机构根据纤维织物、薄膜、橡胶和碳纤维在内的多种材料种类选择适合的刀头的类型、宽度及材质；水射流切割机构可使用纯水射流切割，也可使用磨料水射流切割。

后处理增材机构60用于根据预先设计的条带的形状，将填充材料补充至铺设过程中实时监测的狭缝、凹坑及孔洞等缺陷中、补充至厚度误差中（低于条带厚度预设定值的区域部分）和/或补充至相邻条带之间的间距中（超出相邻条带间距预设定值的区域部分），减少构件成型过程中的孔隙度。后处理增材机构60包括后处理挤出机构和/或后处理喷墨机构。其中后处理挤出机构可以选用微型FDM/FFF（熔融沉积造型）挤出机或双/多头挤出机，也可选择其他专业材料挤出机（包括陶瓷、光/热固化树脂及其复合物等）；后处理喷墨机构包括微型压电式喷墨机构，也可选择微型喷墨机构。

如图16所示，所述复合材料增材制造设备还设置为根据增材制造装置的多种传感器和检测机构50的数据，来执行自适应铺设方法，从而对单一条带的条带厚度误差或者构件的分层结构中的相邻条带之间的间隙误差进行检测与补偿。

如图16所示，所述自适应铺设方法具体包括：

步骤A1：获取压力、厚度、红外热成像图的数据，对这些数据进行数据预处理；

在本实施例中，压力、厚度、红外热成像图的数据来自于铺设过程中的多种传感器和铺设后的检测机构50，具体包括：1）压力信号：使用压力传感器实时采集的铺设条带时施加在条带上表面的压力信息，以X^P表示（用于提取压力特征参数P）。2）厚度信号：使用第一线激光传感器6-2实时采集的条带铺设条带的厚度信息，以X^H表示（用于提取厚度特征参数H）。3）红外热成像图信号：使用红外热成像传感器（热红外相机）实时采集的铺设条带时相邻铺设条带及其之间红外热成像图视觉信号，以X^F表示（用于提取红外热成像图特征参数F，得到的红外热成像图特征参数F用于判断相邻条带之间的间隙，并与预设定间隙比较，计算出间隙误差）。

因此，采集的数据集合表示为{X_i ^k|1≤i≤L}，X_i ^k∈R^dk×nk，其中d_k表示单峰特征的维数，n_k表示信号的数量，L表示单个信号的长度，X_i ^k表示第k个模态的信号中的第i个数据片段的数据值，X^k表示第k个维度信号并且可以是压力信息X^P、厚度信息X^H、红外热成像视觉信号X^F这些不同模态的信号。

因此，进行数据预处理，具体包括：使用VAE（变分自编码器）模块对提取的数据进行预处理，包括去噪、滤波及阈值分割等，使得获得的数据信息干净、有效，并进行归一化处理。

步骤A2：根据压力、厚度、红外热成像图的数据，构建相应的图结构；

在本实施例中，图结构包括厚度、压力和红外热成像的节点矩阵、以及厚度值、压力值、红外热成像图的图邻接矩阵。

其中，构建压力或厚度的图结构，具体包括：利用固定时长切割的方法将压力或厚度信息样本切成等长的数据片段，将每个数据片段视为图结构的一个节点，将每个数据片段的节点拼接成一个节点向量，将所有数据片段的节点向量沿纵轴拼接在一起，形成图结构的节点矩阵A_i；生成的节点矩阵A_i可以是压力节点矩阵A_P和厚度节点矩阵A_H；

在本实施例中，采集的数据集合表示为{X_i ^k|1≤i≤L}，L表示单个信号的长度，其被切成多个等长的数据片段。X_i ^k表示第k个模态的信号中的第i个数据片段的数据值，即表示单个信号数据，而一个数据片段是由多个信号数据组成的。每个信号数据可以是一种压力和厚度的信号特征，如均值、方差、峰值、时间差、相位差、频率、过零率等。

随后，根据图邻接矩阵X_i的公式，构建图结构的图邻接矩阵X_i；图邻接矩阵X_i包括压力图邻接矩阵X_P和厚度图邻接矩阵X_H。图邻接矩阵X_i中的元素X_i(j, k)表示第j个节点和第k个节点之间的连接状态，因此，第j个节点和第k个节点的连接所对应的元素设置在邻接矩阵的第j行第k列。当|j−k|=1，表示第j个节点和第k个节点相邻，此时，将图邻接矩阵X_i中这两个节点之间的连接对应的元素设为1，表示相邻节点是连接的。对于其他情况，表示第j个节点和第k个节点之间的连接所对应的图邻接矩阵X_i中的元素被设置为0。该图结构自然地反映了压力或厚度信号的时间序列，并且能够捕获压力信号在不同时间段上的变化。

构建红外热成像图的图结构，具体包括：将图像的每一帧视为图结构的一个节点，对于图像的每个节点，将其按照实际的空间分布排列，就形成了最终的节点矩阵A_i；生成的图像节点矩阵A_i包括红外热成像图节点矩阵A_F；

随后，根据节点矩阵的已知空间分布坐标来定义连接，计算所有节点对之间的空间距离，设定一个距离阈值d₀，如果两个节点i和j之间的距离d(i,j) 小于或等于这个阈值d₀，则在邻接矩阵X_i的第i行第j列和第j行第i列（因为图是无向的，邻接矩阵是对称的）的位置设置为1，表示存在连接。如果d(i,j)>d₀，则X_i(i,j)=0。由此可得到图结构的图邻接矩阵X_i；生成的图邻接矩阵X_i包括红外热成像图邻接矩阵X_F。

步骤A3：对每个图结构，分别进行图特征提取，得到初始化的图特征矩阵；

在本实施例中，初始化的图特征矩阵，包括初始化的压力值图特征矩阵，初始化的厚度值图特征矩阵和初始化的红外热成像图特征矩阵。

在本实施例中，利用LSTM与Transformer组合算法对压力节点矩阵A_P进行提取，以对压力节点矩阵A_P中每一个节点的数据片段中的多种信号特征进行提取，将每个片段提取的多个特征按照时间顺序排列并连接起来，形成一行压力特征向量，将所有片段的特征向量沿着矩阵的行方向拼接起来，形成初始化压力特征矩阵X_P0；利用LSTM与Transformer组合模型对厚度节点矩阵A_H进行提取，对厚度节点矩阵A_H中每一个节点的数据片段中的多种信号特征进行特征提取，将每个片段提取的多个特征按照时间顺序排列并连接起来，形成一行厚度特征向量，将所有片段的特征向量沿着矩阵的行方向拼接起来，形成初始化厚度特征矩阵X_H0；首先采用了GraphSAGE算法对红外热成像图节点矩阵中的数据进行降维，再对红外热成像图节点矩阵A_F中每一个节点的多种信号特征进行提取，即对每个节点的信号计算统计时域或频域的信号特征（如均值、方差、峰值、时间差、相位差、频率、过零率等）将每个节点的特征进行某种聚合（例如，取平均），得到了每个电极的最终特征向量，如果有N个节点，并且每个节点的特征向量长度为L，那么这些特征向量就可以排列成一个N×L的矩阵。形成矩阵就是红外热成像初始图特征矩阵X_F0。

厚度特征值H用于分析具体的条带厚度出现的偏差，通过控制条带的铺放量（如材料挤出功率）和压力特征值P（厚度特征值H的调节还可通过控制作为次要因素的铺设速度），进行自适应调整，使其保持正常厚度，其中条带施加压力主要通过控制施加压力装置的高度来控制；条带间隙误差ΔL用于的分析条带具体间距偏差，方便控制基板10和增材制造装置的相对位置，以实现条带间距的自适应调整。

步骤A4：利用初始化的图特征矩阵，和图特征学习模型，得到图嵌入向量；

在本实施例中，图特征学习模型主要包括Multi-GCN组件。所述Multi-GCN组件包含图卷积网络(GCN)、图池化(Graph Pooling)层和结构学习(Structure Learning)层这三个基本单元，通过堆叠上述三层基本单元来构建完整的 Multi-GCN组件。这个过程旨在从初始化的图特征矩阵中提取更复杂、更抽象的图特征，最终生成固定大小的图嵌入向量。

图卷积网络(GCN)层：首先每一层GCN接收前一层输出的节点特征矩阵A和邻接矩阵X。GCN的核心思想是通过聚合相邻节点的特征来更新每个节点的特征表示，首先，对邻接矩阵X进行对称归一化；其次，将归一化后的邻接矩阵与节点特征矩阵相乘，这步操作将每个节点的特征与其邻居节点的特征进行聚合，形成特征向量；然后，将聚合后的特征向量通过一个线性层，将特征映射到新的特征空间；之后，对线性变换后的特征向量应用激活函数ReLU，引入非线性，使网络能够学习更复杂的模式。最后得到更新后的节点特征矩阵，其中包含了每个节点在当前层学习到的更丰富的特征表示。输出更新后的节点特征矩阵。

图池化(Graph Pooling)层：接收GCN层输出的节点特征矩阵和图邻接矩阵。图池化的目的是减少图中的节点数量，从而降低模型复杂度并减少过拟合风险，首先，为每个节点计算一个分数，该分数反映了节点在图中信息的重要性；其次，根据节点分数选择得分最高的k个节点，其中k是池化后的节点数量；随后，将选中的节点特征从之前更新的节点矩阵中提取出来，组成新的节点特征矩阵；之后，更新邻接矩阵，只保留选中节点之间的连接关系。得到池化后的节点特征矩阵和图邻接矩阵，并进行输出。

结构学习(Structure Learning)层：接收池化后的节点特征矩阵和图邻接矩阵。结构学习层旨在学习池化后更精细的图结构，编码节点之间的潜在关系，首先，通过单层神经网络，参数为权重向量a，计算节点对之间的相似度得分；其次，使用稀疏化函数sparsemax将相似度得分转换为稀疏分布，避免引入过多噪声；最后，将稀疏化后的相似度得分更新到图邻接矩阵中，得到新的图邻接矩阵，其中包含了更精细的节点连接关系，并进行输出。其中参数权重主要由切片级注意力和通道级注意力，切片级注意力主要用于压力和厚度数据，其目的是根据训练得到的权重，为每个压力或厚度片段分配不同的权重；通道级注意力作用于红外热图像的数据，其目的是根据训练得到的权重，为每个红外热图像的通道（即每一帧）分配不同的权重。

上述三个步骤（图卷积网络(GCN)层、图池化(Graph Pooling)层、结构学习(Structure Learning)层）被重复进行，以逐步提取更复杂和抽象的图特征。

得到图嵌入向量，具体包括： 接收图卷积网络(GCN)层输出的节点特征矩阵；将节点特征矩阵按照子图划分，得到不同子图的节点特征矩阵；对每个子图的节点特征矩阵进行聚合操作，得到每个子图的聚合特征向量；将所有子图的聚合特征向量拼接起来，得到最终的图嵌入向量。

此处的节点特征矩阵中，所有节点的特征向量是节点特征矩阵的行，而 GCN 层输出的节点特征矩阵则是所有节点经过 GCN 层处理后得到的新特征向量的集合。

在得到图嵌入向量之前，还可以包括：利用通道级注意力模型和切片级注意力模型，对节点特征矩阵中的一部分特征向量进行处理。其中，通道级注意力模型处理对象是红外热成像图数据中的帧率通道特征，赋予不同帧率通道不同的权重，使模型更加关注与间距相关的通道特征，通过一个线性层和一个激活函数，将每个帧率通道的特征向量映射到一个注意力分数，然后使用softmax函数对这些分数进行归一化，得到每个电极通道的最终注意力权重。切片级注意力模型处理对象是压力和厚度数据中的时间片段特征，赋予不同时间片段不同的权重，使模型更加关注厚度相关的特征，与通道级注意力模型类似，通过一个线性层和一个激活函数，将每个时间片段的特征向量映射到一个注意力分数，然后使用softmax函数对这些分数进行归一化，得到每个时间片段的最终注意力权重。

在上述步骤中，通常用到concat 函数。concat 函数被用于将多个矩阵或向量拼接起来，形成一个更大的矩阵或向量。如构建初始化的图特征矩阵时，将每个数据片段的多个特征连接起来，形成一个特征向量，然后将所有特征向量连接起来，形成初始化的图特征矩阵。concat 函数通常在 Softmax 函数之前使用。例如，在图嵌入向量的构建过程中，首先使用 concat 函数将子图的平均池化和最大池化结果连接起来并处理得到分数，然后使用 Softmax 函数将节点的分数转换为概率分布。

步骤A5：利用模态融合模块，对加权处理后的压力、厚度、红外热成像图的图嵌入向量进行拼接和加权求和，得到融合特征向量；将融合特征向量输入到全连接层和Softmax函数，以得到各个类别的概率分布。

其中，输出的各个类别包括相邻条带的间隙距离、铺设条带的厚度等等。由此，通过红外热成像图和线激光传感器测量出相邻条带的间隙距离，通过与预设计的间距对比，测量出误差间距值，再通过移动调整基板或层叠单元对应的间距误差值，使其恢复预设计的间距。同理，通过压力传感器和线激光传感器测量铺设条带的厚度，与预设的厚度对比出相应的误差，再通过调整压力装置的高度调整条带厚度，使其恢复预设定值。

具体来说，通过红外热成像图（线激光传感器辅助）实际测量出相邻条带的间隙距离，再与预定铺设间隙比较，其中出现的误差量，就是基板或层叠单元的相应移动量；其中正向误差则层叠单元向背离已铺设条带方向调整，或者基板向靠近已铺设条带方向调整移动。通过压力传感器（线激光传感器辅助测量）测量铺设条带的实际厚度，再与预设定的条带厚度进行比较，其中根据实际厚度超出预设定厚度，来降低压力装置的高度，增加施加压力；实际条带厚度低于预设定厚度，则适当调高压力装置的高度，减小施加压力值。输出的类别是作为融合数据提交给执行器，随后执行器输出调节量。

所述步骤A5具体包括：

步骤A51：首先利用concat函数将压力、厚度、红外热成像图这三个模态的图嵌入向量拼接起来，随后融合得到最终的融合特征；在融合过程中通过特征级注意力机制对待融合的三个模态分别计算每个模态的图嵌入向量的重要性权重， 并用重要性权重来对不同模态的图嵌入向量进行加权求和，得到融合特征向量；

步骤A52：将融合特征向量输入到一个或多个全连接层组成的网络中以得到输出向量；随后，将输出向量经过一个Softmax函数，将其转换为各个类别的概率分布。

其中，每个全连接层对输入向量进行线性变换（加权求和加偏置）和非线性激活（如ReLU），最后一个全连接层的输出维度通常设置为分类任务的类别数，如在误差范围内或超出误差。

在步骤A52中，各个类别的概率分布所对应的判别结果如下：

厚度误差类别的判别结果：预制构件某一分层结构所铺设条带的厚度是H₀，通过线激光预测或传感器采集的铺设条带的厚度是H，若≤3.0%则判定所铺设条带厚度在误差范围内，否则判定为超出误差。

间隙误差类别的判别结果：预制构件某一分层结构相邻条带的间距预先设定为L₀，通过热红外传感器（热红外相机）测量出的相邻条带间距为L，若≤5.0%则判定条带间距在误差范围内，否则判定超出误差。

各个类别的判别结果分别对应于不同的执行器。

具体来说，厚度误差类别的判别结果所对应的层叠单元的策略如下：根据数据的输出，判别铺设条带的厚度是否在误差范围内，若在误差范围内则层叠单元保持状态继续铺设，若条带厚度超出误差范围，则通过调整层叠单元30的功率控制铺设材料量，或通过调整压力施加单元40的高度，进而调整施加于铺设条带上表面的压力，两者共同控制条带铺设的厚度，使条带厚度恢复至误差范围内。

间隙误差类别的判别结果所对应的位移装置的策略如下：根据数据的输出，若判别相邻铺设条带的间距是否在误差范围内，若在误差范围内则位移的层叠单元30保持现状继续铺设，若相邻条带间距超出误差，则通过调整位移的层叠单元30在条带铺设进给方向的左右两侧的位移量，进而调整相邻条带之间的间距大小，通过位移量的微调，使间距恢复至误差范围内。

步骤A6：在步骤A1-步骤A5的运行过程中，获取各个类别的概率分布以作为经验，并通过对经验进行采样来对各个类别的概率分布所对应的策略进行强化学习。

所述步骤A6具体包括：

步骤A61：多个执行器（如工业机器人、挤出机等）同时根据步骤A5的各个类别的概率分布所对应的策略来进行参数调整，获取参数调整前后的各个类别的概率分布以作为经验并存储到回放缓冲区中。

其中，执行器可使用其自身的策略网络副本与数据交互，并收集相关行为前后的各个类别的概率分布作为观察结果和得到奖励，作为经验。其中，回放缓冲区是存储执行器收集的经验，允许学习者从多个时间步的经验中学习，并有效地利用数据，避免数据之间的相关性。

策略网络的副本是通过分布式强化学习（RL）框架创建和训练的。本发明通过使用Ray分布式计算框架，创建多个CPU-based执行器和一个GPU-based学习者，执行器在不同的融合数据实例中并行运行，探索环境，生成经验，并将其记录到缓冲区中。学习者从缓冲区中采样训练批次，并更新策略网络和critic网络的权重。概率分布在缓冲区中储存并用于调用。

策略网络的输入包括：高阶指令 (Steering Command)：层叠单元30的位移和挤出功率、压力施加单元40的施加压力，和本体感觉信号即上文的融合数据；策略网络的输出包括：层叠单元30的铺设角度和铺设速度。

步骤A62：学习者从回放缓冲区中采样经验：学习者从回放缓冲区中采样训练批次，更新策略网络和评估网络(Critic)的权重；并且学习者使用深度强化学习算法DMPO来优化策略网络，使其能够最大化预期累积奖励；

其中DMPO算法使用一个策略网络来生成行动，并使用一个评估网络Critic来评估策略的价值。它通过最大化策略的累积奖励来优化策略网络，并使用分布外更新来提高算法的稳定性。

步骤A63：学习者将更新后的策略网络的权重发送给执行器的策略网络副本，使执行器能够使用最新的策略与环境交互；

步骤A64：重复步骤A61-步骤A63，直到执行器的策略网络副本收敛。此时执行器能够根据策略网络副本的输出来执行相应的策略，实现材料的自适应铺设。

由此，本发明的自适应铺设方法一旦检测到条带厚度和条带间距等异常信号，系统会通过改变各个执行器来调整局部层的位移、厚度、施加压力和打印速度，并通过后处理增材机构60和后处理减材机构70的自适应修补指令对铺设过程中实时监测的狭缝、凹坑及孔洞等缺陷进行自适应补偿，从而减少构件成型过程中的孔隙度和尺寸误差。

需要说明的是，此处的每一条带的材料组成的选择并未利用算法来实现，仅仅是指根据所制备构件的材料性能和构件的局部热力学性能和机械性能，根据实际需求来选择相应的单一的PEEK玻璃纤维热塑性预浸带材料、单一的熔融PEI材料或PEEK玻璃纤维热塑性预浸带与熔融PEI复合材料。实际上如上文所述，构件的分层结构的厚度、条带宽度及铺设方式（包括相对角度、条带分布和条带长度等中一项或多项）等构件的成型要素对构件强度、刚度及热力学性能的影响由有限元分析和应力/热力学建模设计和优化确定，设计结果就是各个条带的材料和尺寸要求，整个过程并未采用深度学习算法。本发明中材料的选择、条带的层叠复合均没有涉及到任何的深度学习算法，并且多个邻接条带的铺设也是通过复合材料增材制造设备的硬件部分来实现的，深度学习算法的目的是为了同一分层结构相邻条带之间间距误差/缺陷的调整，以及铺设的条带本身的厚度误差的调整。

本发明的“自适应铺设”指的仅仅是指利用深度学习算法对材料在条带铺设过程中的条带铺设装置、压紧装置、位移装置和后处理装置的工艺参数进行自适应调整，自适应铺设方法的目标是使得尺寸误差最小且缺陷最少，从而满足上述的各个条带的尺寸要求。

所述自适应铺设方法同样可以作为本发明的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法的一部分，以克服本发明基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法采用同时铺放所造成的缺陷增加的问题。

综上所述，本发明的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法具有以下优点：

1.该连续纤维复合材料增材制造是多种材料组合的单层条带铺放，并逐层累积直至实现构件的成型。

2.在连续纤维复合材料增材制造过程中，可根据所制备构件的材料性能和构件局部热力学性能和机械性能来选择材料的种类和数量并进行组合铺设，根据反馈的厚度，在铺设过程中自适应调整施加压力。

3.在连续纤维复合材料增材制造过程中，可根据所制备构件的材料性能和构件局部热力学性能和机械性，相邻条带或相邻分层结构中的条带的材料种类和数量等来选择，可以有效的控制所需制备构件的材料性能，以及控制制备构件局部热力学性能或机械性能。

4.在连续纤维复合材料增材制造过程中，在铺设条带的厚度、相邻条带之间的距离等尺寸出现误差时，可以自适应调整，使其恢复预设定值，可以有效减小连续纤维复合材料逐层累导致的孔隙度和构件整体尺寸的精确度，以提高制备构件的强度和耐用性。

本申请的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法通过多种方式的纤维复合材料的增材制造方式的有效结合，进行多种材料的组合再进行铺放，以通过采用不同种类的材料铺放装置，以及控制铺放温度和施加压力来实现构件成型和复合材料制造过程中各铺放层材料厚度、长度、铺设角度、尺寸精度和材料种类的定义，在定义清楚之后可以确保纤维的分布和基体的浸润效果达到理想状态。

在连续纤维复合材料增材制造过程中，在多种材料中选择材料的数量、种类和组合排序方式后进行铺设，这有利于控制制备构件的材料性能，调控制备构件局部热力学性能和机械性能；根据所需制备构件预设定条带厚度或相邻条带间距的尺寸误差，自适应调整其尺寸使其与设定保持一致，这有利于控制减小制备构件的孔隙度，控制构件的强度和耐用性。

实施例1：基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择聚醚醚酮PEEK玻璃纤维热塑性预浸带（如三菱公司的Ketron™GF30聚醚醚酮PEEK）和颗粒状聚醚酰亚胺PEI（如SABIC公司的聚醚酰亚胺PEI-1010X）材料（含30%短切碳纤维）用于构件的增材制造，其相应的复合材料增材制造设备的结构示意图如图9所示，包括层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用熔融挤出机构31和自动铺放机构33。其中，PEEK玻璃纤维复合材料可直接购买，一经购买其厚度则完成定型，PEEK玻璃纤维热塑性预浸带材料通过自动铺放机构33（如图3所示）进行铺设，且通过多个供料装置选择0.5h₃、h₃、1.5h₃、2h₃四种不同厚度的预浸带以供备选。颗粒状PEI材料通过单螺杆挤出机构（如图4的左侧所示）进行铺设，铺设后其材料被压紧装置与其他材料共同压成条带状。

本实施案例的层叠方法：层叠单元中同时开启熔融挤出机构和自动铺放机构进行构件层叠，其中自动铺放机构中采用厚度为h₃的热塑性复合材料纤维带，首先由熔融挤出机构按预设定的路径和宽度将PEI材料以扁平圆柱带状铺设作为初级层，随之由自动铺设机构紧将PEEK玻璃纤维热塑性预浸带材料以矩形编织带状铺设到初级层顶部作为次级层，之后在次级层上表面施加压力，形成一条铺设条带。在构件的分层结构中该条带铺设完成后，控制层叠单元的机器人将铺设头沿条带移动方向的左侧移动w+L的距离（L为相邻条带的间距，w是条带的宽度），然后返回预设定起始位置，重复上述步骤，直至完成整个预制构件的分层结构铺设。完成某一分层结构的铺设后，通过连接层叠单元的旋转装置调整铺设条带的相对铺设角度，然后重复上述铺设步骤，直至完成整个构件的制备。

单个条带的材料结构组成选择方式有且不限于：（1）层叠单元中同时开启熔融挤出机构和自动铺放机构，首先由熔融挤出机构按预设定的路径和宽度将PEI材料以扁平圆柱带状铺设作为初级层，随之由自动铺设机构紧将厚度为h3的PEEK玻璃纤维热塑性预浸带材料已矩形编织纤维带状铺设至初级层材料的顶部作为次级层，在次级层上表面施加压力，形成一种材料组合形式的铺设条带。（2）熔融挤出机构和自动铺放机构依次开启和关闭，首先开启熔融挤出机构按预设定的路径和宽度将PEI材料以扁平圆柱带状铺设至基板或前一层分层结构上表面，然后关闭熔融挤出机构，开启自动铺放机构，将PEEK玻璃纤维热塑性预浸带材料以矩形编织纤维带状紧随PEI扁平圆柱带铺放，两者相间依次铺放，再通过压力辊轮施加压紧力形成两种材料邻接复合而成的条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不限于：（3）分层结构的条带由图两种结构层叠组合形成，该分层结构由这一种条带依次排列铺设完成。（4）采用层叠复合形成的条带以及邻接复合形成的条带，分层结构由该两种条带依次相间排列铺设，直至形成分层结构的制备。此外，必须保证同一分层结构不同条带的厚度相同。整个铺设过程中，后处理减材机构中的线激光传感器实时监测铺设条带厚度，确保其始终保持在预设的误差范围内。此方法用于增材制造连续纤维复合材料安全齿轮构件，其可用于航空航天、汽车制造、医疗设备及工业机器人等领域。

实施例2：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择聚苯硫醚PPS碳纤维热塑性预浸带（如Toray公司玻纤强化材料PPS-A504X90）和颗粒状PPS（如Toray公司玻纤+填充物强化的PPS-A310MX04）材料（含35%二氧化硅矿物纤维）用于构件的增材制造，其相应的复合材料增材制造设备的结构示意图如图9所示，其中，包括层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用熔融挤出机构31和自动铺放机构33，PPS碳纤维热塑性预浸带材料通过自动铺放机构33进行铺设，颗粒状PPS材料通过双螺杆挤出机构（其结构如图4的中部所示）形式的熔融挤出机构31进行铺设。

单个条带的材料结构组成选择方式，其原理与实施例1相同，有且不限于：（1）以熔融颗粒状PPS扁平圆柱状带为初级层和厚度为h₃的PPS碳纤维热塑性预浸矩形编织带组合的一种形式的铺设条带。（2）以熔融颗粒状PPS扁平圆柱状带为初级层和厚度为0.5h₃的PPS碳纤维热塑性预浸矩形编织带组合的一种形式的铺设条带。（3）以厚度为H的熔融颗粒状PPS扁平圆柱状带和厚度为H的PPS碳纤维热塑性预浸矩形编织带两种材料结构依次排列组合形成的一种形式铺设条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不限于：（1）选用（1）和（2）两种方式形成的铺设条带，该两种条带依次相间排列铺设，直至完成分层结构的制备。（2）采用（1）、（2）和（3）三种层叠组合方式形成的铺设条带，该三种条带依次相间排列铺设，直至完成分层结构的制备，形成一种形式的分层结构。在铺设过程中，可根据构件的实际机械和热力学性能选择合适的条带材料组合方式，并确保构件同一分层结构中铺设条带的厚度保持一致，其余层叠方式与实施例1相同。此方法可用于增材制造复合材料矩形板件，可用于电子电器、机械工业、汽车零部件、航空航天等领域。

实施例3：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择颗粒状PPS（如Toray公司玻纤+填充物强化的PPS-A310MX04）材料（含30%玻璃纤维）和316L钢带（如德国蒂森克虏伯0.1mm的316L不锈钢带）用于构件的增材制造，其增材制造铺设过程所采用的复合材料增材制造设备如图10示意图所示，其中，包括前处理单元20、层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用熔融挤出机构31和自动铺放机构33，颗粒状PPS材料通过单螺杆挤出机构进行铺设，316L钢带通过自动铺放机构进行铺设。

如图10所示，单个条带的材料结构组成选择方式的原理与实施例1相同，316L钢带和颗粒状PPS材料的组合的条带可以是：（1）以熔融颗粒状PPS扁平圆柱状带为初级层和厚度为h3的316L矩形金属钢带组合的一种形式的铺设条带。（2）以厚度为H的熔融颗粒状PPS扁平圆柱状带和厚度为H的316L矩形金属钢带两种材料结构依次排列组合形成的一种形式铺设条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不限于：（3）选择方式（1）组合形成的铺设条带，以该种铺设条带依次邻接排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成一种形式的分层结构。（4）选择方式（1）和（2）组合形成的两种铺设条带，以该种两种铺设条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成一种形式的分层结构。

在铺设过程中，可根据构件的实际机械和热力学性能选择合适的条带材料组合方式，并确保构件同一分层结构中铺设条带的厚度保持一致，其余层叠方式与实施例1相同。此方法可用于增材制造复合材料飞机骨架肋板等构件，可用于航空航天等领域。

实施例4：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择PPA碳纤维热塑性预浸带（如日本大金公司的薄膜材料PPA-DA910）和TPU薄膜（如德国巴斯夫公司的TPU透明薄膜S95A）用于构件的增材制造，其增材制造铺设过程所采用的复合材料增材制造设备如图11示意图所示，其中，包括前处理单元20、层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用两个自动铺放机构33，PPA碳纤维热塑性预浸带和TPU薄膜通过自动铺放机构33进行铺设。

单个条带的材料结构组成选择方式有且不限于：如图11所示，同时开启两个自动铺放机构33中的第一自动铺放机构和第二自动铺放机构，首先通过第二自动铺放机构将第一材料的厚度h₁的矩形TPU薄膜按预设定的路径和宽度铺设至基板或前一层分层结构上形成初级层，之后通过第一自动铺放机构将第三材料的厚度h₃的PPA碳纤维热塑性预浸矩形编织带铺设至初级层顶部形成次级层，在次级层上表面施加压力，形成一种材料组合形式的铺设条带。如图11所示，相间依次开启第一和第二自动铺放机构，首先通过第二自动铺放机构将厚度为单个条带的总厚度H的矩形TPU薄膜按特定宽度和路径铺设至基板或前一层结构上，紧随其后第一自动铺放机构将单个条带的总厚度H的PPA碳纤维热塑性预浸矩形编织带铺设至基板或前一层结构上，通过压力辊轮施加压紧力，形成一种结构组合方式的铺设条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不限于：如图11所示，选择方式（1）和（2）的两种条带，以该两种铺设条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成一种形式的分层结构。如图11所示，选择方式（2）的条带，以条带依次邻接排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成另一种形式的分层结构。

由此，确保同一分层结构中铺设条带的厚度保持一致，其余层叠方式与实施例1相同。此方法可用于增材制造复合材料仪表盘等构件，可用于电子电器、汽车零部件、航空航天等领域。

实施例5：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择PEEK玻璃纤维热塑性预浸带（如三菱公司的Ketron™GF30聚醚醚酮PEEK ）和PEEK微粉（如德国赢创公司的VESTA-KEEP粉末）用于构件的增材制造，其增材制造铺设过程所采用的复合材料增材制造设备如图12示意图所示，其中，包括层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用直接能量沉积机构32和自动铺放机构33，PEEK玻璃纤维热塑性预浸带通过自动铺放机构33进行铺设，PEEK粉末通过直接能量沉积机构32进行铺设。

如图12所示，单个条带的材料结构组成选择方式有且不限于：（1）层叠单元中同时开启直接能量沉积机构和自动铺放机构，首先由直接能量沉积机构按预设定的路径和宽度将PEEK微粉以矩形孔隙状带铺设至基板或前一层分层结构上作为初级层，随之由自动铺设机构紧将厚度为h3的PEEK玻璃纤维热塑性预浸带材料已矩形编织状带铺设至初级层材料的顶部作为次级层，在次级层上表面施加压力，形成一种材料组合形式的铺设条带。（2）相间依次开启直接能量沉积机构和自动铺放机构，首先通过直接能量沉积机构将厚度为H的PEEK微粉以矩形孔隙状带按特定宽度和路径铺设至基板或前一层结构上，紧随其后自动铺放机构将H的PEEK玻璃纤维热塑性矩形预浸编织状带铺设至基板或前一层结构上，通过压力辊轮施加压紧力，形成一种结构组合方式的铺设条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不限于：（3）选择（1）和（2）的方式组合形成的两种条带，以该两种条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成一种形式的分层结构。（4）选择文中（1）方式组合形成的条带，以该种条带依次邻接排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成另一种形式的分层结构。

由此，确保同一分层结构中铺设条带的厚度保持一致，其余层叠方式与实施例1相同。此方法可用于增材制造复合材料阀门座等构件，可用于汽车零部件、航空航天等领域。

实施例6：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择316L钢带（如德国蒂森克虏伯0.1mm的316L不锈钢带）和PEEK微粉（如德国赢创公司的VESTA-KEEP粉末）用于构件的增材制造，其增材制造铺设过程所采用的复合材料增材制造设备如图13示意图所示，其中，包括层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用直接能量沉积机构32和自动铺放机构33，316L钢带通过自动铺放机构33进行铺设，PEEK粉末通过直接能量沉积机构32进行铺设。

如图13所示，单个条带的材料结构组成选择方式有且不仅有如下，其原理与实施例5相同，316L钢带和PEEK微粉材料的组合由：（1）PEEK微粉以矩形孔隙状带作为初级层和厚度为h3的316L矩形金属钢带为次级层组合成一种形式的铺设条带。（2）厚度为H的PEEK微粉以矩形孔隙状带和厚度为H的316L矩形金属钢带两种材料结构依次排列组合形成的一种形式铺设条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不仅有如下：（3）选择（1）的方式组合形成的条带和单条PEEK微粉以矩形孔隙状带，以该两种条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成一种形式的分层结构。（4）选择（1）和（2）的方式组合形成的两种条带，以该两种条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成另一种形式的分层结构。

由此，在铺设过程中，可根据构件的实际机械和热力学性能选择合适的条带材料组合方式，并确保构件同一分层结构中铺设条带的厚度保持一致，其余层叠方式与实施例1相同。此方法可用于增材制造复合材料门窗框饰板等构件，可用于汽车零部件、航空航天等领域。

实施例7：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择PPS碳纤维热塑性预浸带（如Toray公司玻纤强化材料PPS-A504X90）、颗粒状PPS（如Toray公司玻纤+填充物强化的PPS-A310MX04）材料和301H不锈钢带（如新日铁公司0.2mm厚的301H不锈钢带-HW45）用于构件的增材制造，其增材制造铺设过程所采用的复合材料增材制造设备如图14示意图所示，其中包括层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用一个熔融挤出机构31和两个自动铺放机构33，PPS碳纤维热塑性预浸带和301H不锈钢带通过带自动铺放机构33进行铺设（两个自动铺放机构用于铺设两种不同材料），颗粒状PPS通过单螺杆挤出机构形式的熔融挤出机构31进行铺设。

如图14所示，单个条带由三种结构材料不同铺设方式的组合有且不仅有如下形式：（1）层叠单元中开启两个自动铺放机构33的第二自动铺放机构，且第一自动铺放机构和熔融挤出机构31相间依次开启，首先由第二自动铺放机构按预设定的路径将301H矩形钢带铺设至基板或前一层分层结构上作为初级层，然后交替开启第一自动铺放机构和熔融挤出机构31，使得扁平圆柱状熔融PPS带和PPS矩形碳纤维热塑性预浸编织带依次相间铺放至初级层的上表面作为次级层，在次级层上表面施加压力，形成一种材料组合形式的铺设条带。（2）层叠单元中同时开启自动铺放机构33的第二自动铺放机构和熔融挤出机构31且此两种机构与第一自动铺放机构交替开启，首先由第二自动铺放机构按预设定的路径将301H矩形钢带铺设至基板或前一层分层结构上作为初级层，然后熔融挤出机构将扁平圆柱状熔融PPS带铺设至初级层顶部作为次级层，仅开启第一自动铺放机构将PPS矩形碳纤维热塑性预浸编织带紧随其后铺设，使PPS矩形碳纤维热塑性预浸编织带与上述层叠带相间铺设，并通过压力装置将压紧力施加于层叠带上表面，共同形成一种铺设条带。（3）层叠单元中首先仅开启自动铺放机构33的第二自动铺放机构将301H矩形钢带铺设至基板或前一层分层结构上，然后同时开启自动铺放机构33的第一自动铺放机构和熔融挤出机构31对扁平圆柱状熔融PPS带和PPS矩形碳纤维热塑性预浸编织带进行层叠铺设，使二者依次交替铺放，通过施加压紧力，共同形成一种铺设条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不仅有如下：（4）选择（1）、（2）和（3）的方式组合形成的三种不同结构的条带，以该三种条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成另一种形式的分层结构。（5）选择（1）和（2）的方式组合形成的两种不同结构的条带，以该两种条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成另一种形式的分层结构。

由此，确保同一分层结构中铺设条带的厚度保持一致，其余层叠方式与实施例1相同。此方法可用于增材制造复合材料较复杂形状的板件等构件，其可用于滑板、雪橇等的制造。

实施例8：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，选择T2紫铜箔带（如日矿金属公司的0.05mm的T2紫铜带）、粉末状PEEK（如德国赢创公司的VESTA-KEEP粉末）材料和PPS碳纤维热塑性预浸带（如Toray公司玻纤强化材料PPS-A504X90）用于构件的增材制造，其增材制造铺设过程所采用的复合材料增材制造设备如图15示意图所示，其中，包括层叠单元30和压力施加单元40，且层叠单元30采用一个直接能量沉积机构32和两个自动铺放机构33，T2紫铜箔带材料和PPS碳纤维热塑性预浸带材料通过带自动铺放机构进行铺设，粉末状PEEK材料通过直接能量沉积机构进行铺设。

如图15所示，其原理与实施例7相似，层叠单元中仅是将熔融挤出机构更换为直接能量沉积机构。单个条带由三种结构材料不同铺设方式的组合有且不限于：（1）由矩形PPS碳纤维预浸编织带为初级层，PEEK矩形孔隙带和T2矩形紫铜带相间依次铺放为次级层，组合成一种形式的铺设条带。（2）由矩形PPS碳纤维预浸编织带为初级层，T2矩形紫铜带为次级层，两者组和与PEEK矩形孔隙带依次相间铺放，组合成一种形式的铺设条带。（3）由矩形PPS碳纤维预浸编织带铺设至基板过前一层分层结构上，其PEEK矩形孔隙带为初级层，T2矩形紫铜带为次级层的条带相间依次铺设，组合成一种形式的铺设条带。

单个分层结构的条带排列方式有且不限于：（4）选择（1）、（2）和（3）的方式组合形成的三种不同结构的条带，以该三种条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成另一种形式的分层结构。（5）选择文中（2）和（3）的方式组合形成的两种不同结构的条带，以该两种条带相互邻接依次排列铺设，直至完成构件分层结构的制备，形成另一种形式的分层结构。

在铺设过程中，需根据构件的实际机械和热力学性能选择合适的条带材料组合方式，并确保同一分层结构中铺设条带的厚度保持一致，其余层叠方式与实施例1相同。此方法可用于增材制造复合材料复杂形状支座等构件，可用于电子电器、汽车零部件、航空航天等领域。

实施例9：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，根据上述选择的材料，确定增材制造设备的组成，对应的确定前处理单元20和后处理单元，前处理单元使用工业热风加热器（如德国STEINEL公司220双档热风机HL1400S）进行热风加热，后处理单元的检测机构50使用线激光传感器（如德国SICK公司G6系列光电传感器-GTB6-P4241）和红外热摄像机（如德国Testo公司红外热热像仪testo865）组成，后处理减材机构70使用激光切割装置（如bodor公司光纤激光切割机）。与基板10相对移动的增材制造装置通过旋转机构（如新平台传动公司RR120-9W精密电动旋转平台）与龙门系统（如德国蔡司大型三坐标测量机MMZ G龙门）连接进行铺设成型，如图17所示，其中，旋转机构用于控制增材制造装置的铺设方向的角度，形成条带的多角度交错铺放。

在材料选择方面，系统会根据多种材料种类和组合方式进行分析，并计算出该组合层铺放时所需的加热温度。系统控制信号输出至加热设备，通过前加热设备的功率控制，调节即将铺设分层结构条带的加热温度，从而提高层与层之间的粘合性能。同样地，系统也会根据多种连续纤维复合材料种类和组合方式进行分析，计算出该分层结构条带铺放时所需施加的压力。通过控制压紧装置的高度，系统调节压紧装置施加的压力，以降低层与层之间结合的孔隙度，并实现更好的结合效果。

实施例10：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本发明的一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，根据上述选择的材料，确定增材制造设备的组成，对应的确定前处理单元20和后处理单元，前处理单元20使用激光加热器（如滨松光子学株式会社的T-SMILS 激光加热系统 L15570-111）进行加热，后处理单元的检测机构50使用点激光传感器（如德国米铱公司optoNCDT ILD2300-2DR）和激光视觉系统（如德国蔡司3D激光扫描仪ATOS）组成，其主要是用于对铺设条带的厚度和铺设过程中分层结构中的缺陷（狭缝、凹坑等）和误差（条带间距）进行实时检测。后处理增材机构60亦可选择光固化机构（如图6），其装置中添加UV光敏树脂（如phrozen公司湖水灰高精度光敏树脂）和丝状碳纤维材料（如日本东丽公司的6k碳纤维丝-T300）用于填充铺设过程中出现的缺陷（如狭缝、凹坑等），在补偿时，光敏树脂以包覆与碳纤维丝表面的形式用于填充。后处理减材机构70使用超声切割装置（如日本本多电子公司ZO-91超声波切割刀小型切割机）进行减材制造，其主要用于铺设过程中由于误差导致的材料多余部分进行修减。整体增材制造设备通过旋转平台与及线性轨道式库卡机器人（如库卡公司KR_70_R2100_F机器人）连接进行铺设成型，通过控制机器人的移动轨迹进而控制增材制造设备的铺设路径，如图18所示。

实施例11：一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法

本实施例中，后处理单元主要由后处理检测机构、后处理增材机构和后处理减材机构等组成。其主要作用是：对铺设条带的厚度误差进行修补、对相邻条带之间的间距误差进行修补以及对铺设过程中的缺陷进行修补。

如图7A所示是铺设条带厚度误差修补的后处理，其中6-1是层叠铺设装置，6-2是第一线激光传感器，6-3是前一层铺设条带，6-4是正在铺设的条带，6-5是微型熔融沉积机构，6-6是超声切割机。由于铺设过程中施加压力和层叠单元功率的控制，实际铺设过程中铺设条带的厚度相较于预设定厚度会出现误差，根据第一线激光传感器6-2（如德国米铱公司的ScanControl 2900-50激光扫描仪）等后处理监测装置与自适应调整，实际铺设条带的厚度如图7A所示，出现不规则情况。通过第一线激光传感器6-2实时监测条带实际铺设厚度，第一线激光传感器6-2对铺设厚度低于预设定厚度的区域进行定位和误差值量化，确定各区域误差的具体数值，通过系统计算出填补误差区域所需挤出材料量，工业机器人或龙门系统控制后处理增材装置中的微型熔融沉积机构6-5（如Stratasys公司F123系列的STRATASYS F120设备）对误差区域进行定量填补。第一线激光传感器6-2对铺设厚度高于预设定厚度的区域进行定位和误差值量化，确定各区域误差的具体数值，通过系统计算出条带误差范围内所需修减的材料，通过工业机器人或龙门系统控制后处理减材装置中的超声切割装置（如日本SUZUKI公司SUW-30CMH自动超声波切割机）超出条带预设定厚度的部分和后处理增材机构中填补过量的区域进行修剪，直至厚度控制在预设定的误差范围内。

如图7B所示是相邻条带之间的带间距厚度误差后处理修补示意图，其中6-7是第二线激光传感器，6-8是第一热红外扫描仪，6-9是同一分层结构中正铺设完成的铺设条带，6-10是同一分层结构中前一条铺设条带，6-11是第一微型熔融挤出机构，6-12是微型激光切割装置。铺设的条带的边界为不规则弯曲形状，实际铺设过程中同一分层结构相邻条带之间存在一定的误差和缺陷，如图7B示出了相互邻接的两个条带邻接处的间隙的实际情况。通过第一热红外扫描仪6-8（美国Teledyne FLIR公司固定安装式红外热像仪FLIR-A50）对已铺设的相邻条带之间的连接部分进行实时监测，检测区域为所铺设条带邻接区域，对邻接区域相邻条带间距出现误差的区域进行定位，再通过第二线激光传感器6-7（如德国米铱公司的ScanControl 2900-50激光扫描仪）对相邻条带间距误差值进行量化，通过系统计算确定补充间距值超过误差所需的挤出材料量，通过工业机器人或龙门系统控制后处理增材装置中的微型3D打印机构（如拓竹公司A1 mini 3D打印机）对误差区域使用与铺设条带相对应的材料进行填补。对第二线激光传感器6-7检测出的低于相邻条带间距甚至条带重叠的区域进行定位，通过第二线激光传感器6-7对检测出的误差值进行量化，确定所需修减的材料量，通过工业机器人或龙门系统控制后处理减材装置中的微型激光切割装置6-12（如中国大族MPS-D系列激光切割机）对条带间距低于预设定的间距误差值进行修减，从而使条带间距在误差范围内。

如图7C所示是预制构件实际铺设时某一分层结构可能存在的缺陷修补示意图，其中6-13是分层结构中的铺设条带，6-14是激光扫描成像视觉系统，6-15是第二热红外扫描仪，6-16是第二微型熔融挤出机构，6-17是小型数控铣削机构，6-18是微型激光切割机。预制构件的每一分层结构铺设完成后，通过后处理检测机构中的激光扫描成像视觉系统对整个分层结构进行实时扫描识别，检测出分层结构铺设过程中出现缺陷的位置和类型，并通过第二热红外扫描仪6-15（美国Teledyne FLIR公司固定安装式红外热像仪FLIR-A50）检测出的温度差，对缺陷的类型和数值进行量化。例如，通过激光扫描成像视觉系统6-14检测出铺设过程中凹坑的具体位置，并通过第二热红外扫描仪6-15检测出的温度差确定凹坑大小的具体数值，通过系统计算出第二微型熔融挤出机构6-16填充凹坑所需材料的具体数量，通过工业机器人或龙门系统控制后处理增材装置中的第二微型熔融挤出机构6-16（如Stratasys公司F123系列的STRATASYS F120设备）对凹坑缺陷进行修补。通过激光扫描成像视觉系统6-14检测出铺设过程中凸起的具体位置，并通过第二热红外扫描仪6-15检测出的温度差确定凸起大小的具体数值，通过系统计算出所需修减凸起区域的具体材料量，通过工业机器人或龙门系统控制后处理减材装置种的小型数控铣削机构6-17（如穆尔集团纳米技术公司的350UPM机床头）对凸起和填补过量的区域进行修减。其次，通过工业机器人或龙门系统控制微型激光切割机6-18（如中国大族MPS-D系列激光切割机）沿分层结构预设定外形对超出部分进行修减，使其外形的误差在预设定的范围内，重复上述修补过程直至完成分层结构的铺设。

由此，检测机构50包括用于实时检测铺设的条带的厚度的第一线激光传感器6-2、用于检测条带之间的间距的第二线激光传感器6-7、用于实时检测缺陷的第一热红外扫描仪6-8、第二热红外扫描仪6-15、激光扫描成像视觉系统6-14。

后处理单元还包括后处理增材机构60，后处理增材机构60包括用于对铺设过程中的缺陷、厚度或间隙误差进行填充的微型熔融沉积机构6-5（或第一微型熔融挤出机构6-11、或第二微型熔融挤出机构6-16），以及微型3D打印机构。后处理减材机构包括超声切割机6-6、微型激光切割装置6-12、小型数控铣削机构6-17、微型激光切割机6-18。

如图7B所示在铺设条带时，条带的边界通常会出现不规则弯曲（虽然理想状况是使得条带均为矩形，但是实际状况与理想状况往往存在一定差异），使得相互邻接的条带之间的间隙会出现误差，会出现狭缝、凸起等缺陷，影响构件的孔隙度和机械性能。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，其特征在于，包括：

步骤S0：根据所制备构件的材料性能和构件的局部热力学性能和机械性能，选择各个分层结构的条带所需材料的数量、种类和组合方式；

步骤S1：同时或每一轮单条地铺设单个分层结构的所有条带，来构成单个分层结构；至少一个分层结构采用多个处于同一高度且相互邻接的条带；每个条带由多个单一种类的材料层叠复合和/或邻接复合而成，并且具有带状形状；

步骤S2：重复步骤S1，以使得条带按照分层结构的层顺序来逐层铺设，直到形成连续层结构的构件；

在所述步骤S1中，根据铺设过程中的多种传感器和铺设后的检测机构的数据，来执行自适应铺设方法；

所述自适应铺设方法包括：

步骤A1：获取压力、厚度、红外热成像图的数据，对这些数据进行数据预处理；

步骤A2：根据压力、厚度、红外热成像图的数据，构建相应的图结构；

步骤A3：对每个图结构，分别进行图特征提取，得到初始化的图特征矩阵；

步骤A4：利用初始化的图特征矩阵，利用图特征学习模型，得到图嵌入向量；

步骤A5：利用模态融合模块，对加权处理后的压力、厚度、红外热成像图的图嵌入向量进行拼接和加权求和，得到融合特征向量；将融合特征向量输入到全连接层和Softmax函数，以得到各个类别的概率分布；

步骤A6：在步骤A1-步骤A5的运行过程中，获取各个类别的概率分布以作为经验，并通过对经验进行采样来对各个类别的概率分布所对应的策略进行强化学习。

2.根据权利要求1所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，其特征在于，所述步骤A6包括：

步骤A61：多个执行器同时根据步骤A5的各个类别的概率分布所对应的策略来进行参数调整，获取参数调整前后的各个类别的概率分布以作为经验并存储到回放缓冲区中；

步骤A62：学习者从回放缓冲区中采样经验：学习者从回放缓冲区中采样训练批次，更新策略网络和评估网络的权重；并且学习者使用深度强化学习算法来优化策略网络，使其能够最大化预期累积奖励；

步骤A63：学习者将更新后的策略网络的权重发送给执行器的策略网络副本，使执行器能够使用最新的策略与环境交互；

步骤A64：重复步骤A61-步骤A63，直到执行器的策略网络副本收敛。

3.根据权利要求1所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，其特征在于，至少一个分层结构采用多个处于同一高度且相互邻接的条带，其余的单个分层结构采用单个条带或多个处于同一高度且相互邻接的条带。

4.根据权利要求1所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，其特征在于，在条带由多个单一种类的材料层叠复合而成时，铺设该条带，具体包括：

步骤S11：将初级层材料按照预定设计铺设，作为待铺设基体；

步骤S12：将次级层材料按照预定设计铺设到整个待铺设基体的顶部，层叠复合以得到新的待铺设基体；

步骤S13：重复步骤S12直至铺设预定层数为止；

步骤S14：将初级层材料按照预先设计铺设到待铺设基体的顶部，层叠复合以形成条带。

5.根据权利要求1所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，其特征在于，所述单一种类的材料包括热塑性材料、热固性材料、纤维成分、弹性体、氟塑料、纤维或金属箔带；所述层叠复合的方式包括熔融共挤、热压合/焊接、光固化、及直接能量沉积中一种或多种。

6.根据权利要求1所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将条带逐层铺设的过程中，插入/嵌入条带以外的其他构件部件来组合得到复合构件；

在所述步骤S2中，在铺设每一个分层结构的条带之前，使用激光、红外加热、热风、电磁感应或电热管的方式对已铺设的分层结构的顶部进行预加热，或使用等离子辐照、深紫外辐照、电子束辐照的方式对已铺设的分层结构的顶部进行表面活化；

在所述步骤S2中，在铺设条带之后，将压紧力施加至铺设的条带的顶层上表面；

在所述步骤S2中，条带铺设的操作与熔融沉积技术、数字光处理、光固化成型、直接能量沉积的增材制造方法耦合，或与多轴铣削、多轴磨削、激光切割、水刀切割、等离子切割及超声切割的减材制造方法耦合，以对铺设的条带调整。

7.一种基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造设备，其特征在于，其用于执行根据权利要求1-6任一所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造方法，包括基板、以及与基板相对移动的增材制造装置，所述增材制造装置包括层叠单元，每个层叠单元设置为：在使用时，在基板或待铺设的分层结构的顶层上表面进行单种或多种材料的铺设，以组合形成条带。

8.根据权利要求7所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造设备，其特征在于，所述层叠单元用于在同一时刻仅进行单个条带的铺设或者用于同时铺设多个条带，所述条带由单种或多种材料组合而成；

层叠单元包括至少一个层叠复合单元，所述层叠单元的层叠复合单元的种类包括熔融挤出机构、直接能量沉积机构、自动铺放机构、光固化机构、喷墨机构中一种或多种的组合。

9.根据权利要求7所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造设备，其特征在于，所述增材制造装置还包括前处理单元、压力施加单元和后处理单元；前处理单元包括加热装置和/或活化装置；压力施加单元用于在铺设条带后施加压紧力；所述后处理单元包括检测机构、后处理增材机构和后处理减材机构。

10.根据权利要求7所述的基于尺寸误差补偿的复合材料增材制造设备，其特征在于，所述复合材料增材制造设备还包括温湿度控制装置，所述温湿度控制装置安装于增材制造装置的外部；和/或

复合材料增材制造设备还包括用于实现基板与增材制造装置在多个方向上的相对移动的位移装置，所述位移装置包括龙门系统、工业机器人系统或机器人-龙门的复合协作系统。