CN114131051A - 一种金属熔融挤出沉积成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属熔融挤出沉积成形装置及方法，该装置包括：容器，顶部设有开口，底部设有底孔；喷嘴，密封安装在底孔处；运动平台，设置于喷嘴的下方，用于放置基板；上盖，密封安装在开口处；活塞杆，贯穿上盖设置，底部设有挤压头；气缸，其气缸推杆与活塞杆的顶部连接；高压气源，用于向气缸或容器提供高压气体，气缸的无杆腔和有杆腔中的一个与高压气源连通，另一个与外部大气连接；真空罐，用于对容器抽真空。本发明基于逐层叠加气动挤出沉积成形原理，使金属熔体在热毛细效应及气压驱动作用下，可控地在基板表面沉积形成金属零件，装置简单，易制造，且制造成本低，沉积成形效率高、沉积成形过程的可控性强。

Description

一种金属熔融挤出沉积成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种金属熔融挤出沉积成形装置及方法。

背景技术

金属增材制造技术发展至今，已经产生了多种比较成熟和典型的工艺技术，例如电子束立体自由成形(Electron Beam Solid Freeform Fabrication, EBF3)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)、电子束熔炼(Electron Beam Melting,EBM)、选择性激光熔覆(Selective laser Melting, SLM)、选择性激光烧结(SelectiveLaser Sintering, SLS)等，其中一些技术已经逐步实现了商业化。但是，传统的商业化金属增材制造设备在材料、效率、精度以及成本等方面还存在问题，例如，大多数金属增材制制造备投资巨大，而且所使用的成形材料需要制成微细粉末或细丝，导致成形价格高。另外，利用前述技术制造的金属零件存在致密度差、尺寸及表面精度不够、机械和冶金性能不好等问题。

发明内容

为解决现有金属增材制造技术存在的设备成本高、制造出的零件致密度差、尺寸及表面精度不够、机械和冶金性能不好等缺陷，本发明提供一种金属熔融挤出沉积成形装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种金属熔体挤出沉积成形装置，包括：

容器，用于盛装熔融的金属熔体，所述容器的顶部设有开口，其底部设有底孔；

喷嘴，密封安装在所述底孔处；

运动平台，设置于所述喷嘴的下方，用于放置基板；

上盖，密封安装在所述开口处；

活塞杆，贯穿所述上盖设置，所述活塞杆的下端位于所述容器内，且底部设有用于打开或关闭所述底孔的挤压头，所述活塞杆的上端伸出容器外设置；

气缸，其气缸推杆与所述活塞杆的顶部连接；

高压气源，用于向气缸或容器提供高压气体；

真空罐，用于对容器抽真空；

工作时，气缸的无杆腔和有杆腔中的一个与高压气源连通，另一个与外部大气连接，当高压气源向无杆腔供气时，高压气体驱动所述活塞杆下降至关闭所述底孔，当高压气源向有杆腔供气时，高压气体驱动所述活塞杆上升打开所述底孔；

当高压气源向容器供气时，高压气体驱使容器内的金属熔体向下挤压并通过喷嘴喷射在基板上，当真空罐对容器抽真空时，金属熔体停止向下流出。

可选的，所述高压气源与气缸之间安装有二位五通阀，所述二位五通阀设有A、B、R、S、P五个开口，其中A开口与气缸的无杆腔连接，B开口与气缸的有杆腔连接，R、S开口均与所述高压气源连接，P开口与大气连接，当A开口与R开口连通时，B开口与P开口连通且与S开口断开连接，当B开口与S开口连通时，A开口与P开口连通且与R开口断开连接。

可选的，该装置还包括换向阀，所述换向阀的两个入口分别与高压气源和真空罐连接，其出口与容器连接。

可选的，该装置还包括盖板和动态密封元件，所述盖板套设于所述活塞杆上且位于所述上盖的上方，所述动态密封元件套设于所述活塞杆上且位于所述盖板与上盖之间，所述盖板与上盖之间通过紧固件连接，通过调节紧固件使盖板向靠近上盖的方向移动，进而压缩所述动态密封元件使其紧密包覆所述活塞杆。

可选的，该装置还包括弹性体组件，所述弹性体组件设置在气缸推杆与活塞杆之间。

可选的，该装置还包括压锻滚轮，用于对沉积在基板上的金属熔体进行滚压。

可选的，该装置还包括控制系统，所述控制系统与运动平台、二位五通阀、换向阀和压锻滚轮之间电连接。

可选的，该装置还包括手套箱，所述容器、运动平台、活塞杆、气缸、高压气源、真空罐均设置于所述手套箱内。

可选的，该装置还包括加热元件，用于将容器内的金属材料加热成熔融的金属熔体。

第二方面，本发明提供一种金属熔体挤出沉积成形方法，包括以下步骤：

S1、提供权利要求1-9中任一项所述的金属熔体挤出沉积成形装置，基板放置于运动平台上，调整基板与喷嘴之间的距离；

S2、若金属材料为熔融的金属熔体，先使高压气源向气缸的无杆腔供气，带动活塞杆下降直至挤压头关闭所述底孔，然后向容器内装入熔融的金属熔体，再使高压气源向容器供气，直至容器内充满高压气体，高压气源停止向容器供气；

若金属材料为金属固体，则向容器内装入金属固体，先使高压气源向容器内充满高压气体，然后使高压气源向无杆腔供气，在高压气体的作用下，所述气缸推杆带动活塞杆下降直至挤压头关闭所述底孔，高压气源停止向容器供气；

S3、启动真空罐对容器抽真空，若金属材料是金属固体，则启动加热元件，使金属材料受热熔化成熔融的金属熔体；

S4、高压气源停止向无杆腔供气，开始向有杆腔供气，高压气体驱动所述活塞杆上升打开所述底孔；

S5、真空罐停止工作，高压气源向容器供气，高压气体驱使容器内的金属熔体向下挤压并通过喷嘴喷射在基板上，基板按照预设速度和轨迹运动，金属熔体在基板表面沉积、冷却，形成一层沉积体；

S6、高压气源停止向有杆腔供气，开始向无杆腔供气，气缸推杆带动活塞杆下降直至挤压头关闭所述底孔，然后，高压气源停止向容器供气，真空罐对容器抽真空；

S7、运动平台带动基板下移，下移距离为一层沉积体的厚度，重复步骤S4-S6，成形下一层沉积体，直至成形所需金属零件。

本发明具有以下有益效果。

本发明第一方面提供的一种金属熔体挤出沉积成形装置，其采用容器盛装熔融的金属熔体，熔体可以是在容器内加热金属材料得到，也可以是在外部加热得到后再导入容器内，不管是哪种方式，成形材料可选择多种类型的金属材料，对成形金属材料的形态要求低，不需要将成形金属材料预先制成丝材或粉材，金属块材即可使用，可以大大降低金属材料的成本，进而降低成形成本；

然后通过活塞杆控制容器底部底孔的开关，再配合高压气体和真空调节，运动平台的移动，实现熔体经喷嘴挤出在基板上沉积成形，最终获得需要的零件形状，具体的，挤出成形前，高压气体进入气缸内腔时，活塞杆下移关闭容器底部的底孔，同时，容器与真空罐连通，容器内处于真空状态，在容器内真空回吸的配合作用下，可以进一步实现熔体止流；挤出成形时，真空罐与气缸内腔连通，使活塞杆升起打开容器底部的底孔，同时，容器与高压气源连通，进入容器内的高压气体向下挤压容器内的金属熔体，使其通过喷嘴喷射在基板上，基板按照预设路径和速度移动，熔体在基板表面沉积、冷却，形成一层沉积体。

本发明基于逐层叠加气动挤出沉积成形原理，使金属熔体在热毛细效应及气压驱动作用下，可控地在基板表面沉积形成金属零件，装置简单，易制造，且制造成本低，沉积成形效率高、沉积成形过程的可控性强；通过高压气源/真空罐控制容器和气缸内腔内的气压状态，实现金属熔体的喷射或止流，控制简单，反应快速，可以实现熔体的快速喷射，达到高效率的增材制造目的。

本发明第二方面提供的一种金属熔体挤出沉积成形方法，其可以直接采用块状金属作为原材料投入容器内，成形前，先将高压气体充满容器，以排出容器内的空气，然后再将高压气体进入气缸内腔使活塞杆封闭容器底部的底孔，此时容器处于密封状态，且内部充满高压气体；然后对容器进行抽真空，启动加热元件将金属材料加热成金属熔体，加热过程中容器内部处于真空状态，可以保护熔滴成型过程中不被氧化；成形时，对气缸有杆腔通高压气体，使活塞杆上升打开容器底部底孔，此时容器内处于负压状态，熔体不会喷出，然后向容器内通入高压气体，高压气体向下挤压熔体使其通过喷嘴喷射再基板上，基板按照预设轨迹运行，熔体在基板表面沉积、冷却，形成一层沉积体；成形后，向气缸无杆腔通高压空气，使活塞杆下降封闭容器底部的底孔，同时对容器内抽真空，回到成形前的状态，此时容器内的熔体在活塞杆封闭底部底孔和容器内真空环境的配合作用下，可以更好更快的实现止流；然后基板下移，重复上述步骤成形下一层沉积体，如此往复即可成形所需金属零件。

本发明提供的方法可以实现多类型金属材料低成本、高效率的增材制造。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的金属熔融挤出沉积成形装置的结构示意图；

图2a是本发明提供的金属熔融挤出沉积成形装置中活塞杆升起位置的示意图；

图2b是本发明提供的金属熔融挤出沉积成形装置中活塞杆降下位置的示意图；

图3是本发明提供的金属熔融挤出沉积成形方法中利用压锻压锻滚轮改善零件力学性能的示意图。

其中，1-控制系统；3-控制阀；4-气缸；5-气缸推杆；6-弹性体组件；7-盖板；8-动态密封；9-上盖；10-活塞杆；11-加热元件；12-喷嘴；13-基板；14-运动平台；15-减压阀；16-调压阀；17-高压气源；18-真空传感器；19-换向阀；20-真空罐；21-真空泵；22-储料腔；23-容器；24-金属熔体；25-底孔；26-保温套；27-沉积体；28-压锻滚轮；29-保护气气阀；30-保护气气源；31-手套箱；32-换气系统；33-挤压头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”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发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上。

下面结合图1-图3描述本发明提供的一种金属熔体挤出沉积成形装置。

如图1、图2所示，本发明提供一种金属熔体挤出沉积成形装置，包括：

容器23，用于盛装熔融的金属熔体24，容器23的顶部设有开口，其底部设有底孔25；

喷嘴12，密封安装在底孔25处，喷嘴12可拆卸，喷嘴12的出口尺寸可调整，喷嘴12还设有与容器23连接的锁紧元件及密封圈；

运动平台14，设置于喷嘴12的下方，用于放置基板13；

上盖9，密封安装在开口处；

活塞杆10，贯穿上盖9设置，活塞杆10的下端位于容器23内，且底部设有用于打开或关闭底孔25的挤压头33，活塞杆10的上端伸出容器23外设置，挤压头33的结构和底孔25的结构形式不限，图示形状仅为较优实施例之一；

气缸4，其气缸推杆5与活塞杆10的顶部连接；

高压气源17，用于向气缸或容器提供高压气体；

真空罐20，用于对容器抽真空；

工作时，气缸的无杆腔和有杆腔中的一个与高压气源连通，另一个与外部大气连接，当高压气源向无杆腔供气时，高压气体驱动活塞杆下降至关闭底孔，当高压气源向有杆腔供气时，高压气体驱动活塞杆上升打开底孔；

当高压气源向容器供气时，高压气体驱使容器内的金属熔体向下挤压并通过喷嘴喷射在基板上，当真空罐对容器抽真空时，金属熔体停止向下流出。

在一个实施例中，如图1所示，高压气源与气缸之间安装有二位五通阀3，二位五通阀3的五个开口可以称为A、B、R、S、P开口，其中A开口与气缸的无杆腔连接，B开口与气缸的有杆腔连接，R、S开口均与高压气源连接，P开口为排气口、与大气连接，当A开口与R开口连通时，B开口与P开口连通且与S开口断开连接，当B开口与S开口连通时，A开口与P开口连通且与R开口断开连接。

给控制阀3输入不同的电信号，控制阀3内部机构运动，可以实现以下两种状态的转换：当无杆腔与高压气源连接的同时，有杆腔与高压气源之间不通，有杆腔与排气口连通，此时，气缸推杆5在高压气体的驱动下，向下移动，有杆腔中的气体从排气口排入到大气中；当有杆腔与高压气源连接的同时，无杆腔与高压气源之间不通，无杆腔与排气口连通，此时，气缸推杆5在高压气体的驱动下，向上移动，无杆腔中的气体从排气口排入到大气中。

在一个实施例中，如图1所示，该装置还包括换向阀19，换向阀的两个入口分别与高压气源和真空罐连接，其出口与容器连接。换向阀19三个开口，可以称为E、F、G开口，开口E与容器22连接, 开口F与高压气源连接，开口G与真空源连接。给换向阀19输入不同的电信号，换向阀19内部机构发生不同的运动，可以实现以下两种状态的转换：沉积成形工作过程中，在换向阀19内部，E和F连通，E和G不通；沉积成形工作结束，在换向阀19内部，E和F不通，E和G连通；换向阀19内部的结构决定了F和G不会连通。

在一个实施例中，如图1所示，高压气源17的出口处安装有减压阀15，高压气源输出的高压气体经减压阀后减压至设定值。优选的，第二管道上安装有调压阀16，可以调节作用于容器23内的金属熔体24的气体压力大小。

高压气源的气体，经减压阀15减压后，气体压力大小满足二位五通阀3使用要求，但用于驱动金属熔体24的气体压力要求更小，因此，利用调压阀16，可以进一步减小气体压力，以满足驱动金属熔体24的气体压力要求。

在一个实施例中，如图1所示，该装置还包括盖板7和动态密封元件8，盖板7套设于活塞杆10上且位于上盖9的上方，动态密封元件8套设于活塞杆10上且位于盖板7与上盖9之间，盖板7与上盖9之间通过紧固件（图中未示意，紧固件可以采用螺栓）连接，通过调节紧固件使盖板7向靠近上盖9的方向移动，进而压缩动态密封元件8使其紧密包覆活塞杆10。动态密封元件的压缩程度需在工作开始前就调节好，因为沉积工作或者停止沉积工作过程中，容器需要一直保持密封。

在图1中的竖直方向，改变盖板7与上盖9的相对位置，可调节动态密封元件8的受挤压程度，进而调节动态密封元件8对活塞杆10包覆紧贴程度，挤压程度越大，挤压动态密封元件8对活塞杆10包覆越紧，密封效果越好，但越不利于活塞杆10上下运动，故对动态密封元件8的挤压程度需要适中。

在一个实施例中，如图1所示，该装置还包括弹性体组件6，弹性体组件6设置在气缸推杆5与活塞杆10之间。气缸推杆5在驱动气压的作用下，带动弹性体组件6和活塞杆10从图2a所示位置下移至图2b所示位置。当气缸推杆5运动到最大行程极限位置时，如图2b所示，弹性体组件6处于压缩状态，弹性体组件6对活塞杆10施加压力，使得活塞杆10可以紧贴容器23底面，封闭底孔25。确定气缸4型号后，气缸推杆5的行程是固定的，如果没有弹性体组件6，又要求活塞杆10紧贴容器23底面，则对活塞杆10的长度和安装的精度要求很高，加装弹性体组件6后，对活塞杆10的长度和安装的精度要求可明显降低。

在一个实施例中，如图1、图3所示，该装置还包括压锻滚轮28，用于对沉积在基板13上的金属熔体24进行滚压。经过压锻滚轮滚压后，可以改善金属熔体的微观组织结构，提高金属零件致密度、表面精度以及机械和冶金性能等综合性能和质量，从而提升金属零件的整体力学性能，其沉积成形效果优于未使用压锻滚轮的沉积成形的效果。

在一个实施例中，如图1所示，该装置还包括控制系统1，控制系统1与运动平台14、二位五通阀3、换向阀19和压锻滚轮28之间电连接。可以通过控制系统控制高压气源与容器和气缸之间、真空罐与容器之间的通断，还可以根据零件成形时间预先设定好各程序，实现自动成形。

在一个实施例中，如图1所示，该装置还包括手套箱31，容器23、运动平台14、活塞杆10、气缸4、高压气源17、真空罐20均设置于手套箱31内。

在一个实施例中，如图1所示，该装置还包括加热元件11，用于将容器23内的金属材料加热成熔融的金属熔体24。

相应的，本发明还提供一种金属熔体挤出沉积成形方法，如图1-图2所示，包括以下步骤：

S1、提供上述金属熔体挤出沉积成形装置，基板13放置于运动平台14上，调整基板13与喷嘴12之间的距离；

S2、若金属材料为熔融的金属熔体，先使高压气源17向气缸的无杆腔供气，带动活塞杆10下降直至挤压头关闭底孔25，然后向容器23内装入熔融的金属熔体，再使高压气源17向容器23供气，直至容器内充满高压气体，高压气源停止向容器供气；

若金属材料为金属固体，则向容器23内装入金属固体，先使高压气源17向容器23内充满高压气体，然后使高压气源17向无杆腔供气，在高压气体的作用下，气缸推杆带动活塞杆下降直至挤压头关闭底孔，高压气源停止向容器供气；

对金属材料进行加热前，向容器内充满高压气体是为了排出容器内的空气，防止氧化；

S3、启动真空罐20对容器抽真空，若金属材料是金属固体，则启动加热元件11，使金属材料受热熔化成熔融的金属熔体；

S4、高压气源17停止向无杆腔供气，开始向有杆腔供气，高压气体驱动活塞杆上升打开底孔；

S5、真空罐20停止工作，高压气源17向容器供气，高压气体驱使容器内的金属熔体向下挤压并通过喷嘴喷射在基板上，基板13按照预设速度和轨迹运动，金属熔体在基板表面沉积、冷却，形成一层沉积体27，可选的，当沉积体27凝固成型后，如图3所示，压锻滚轮28沿设定运动轨迹，对当前沉积体27上表面施加压力，滚压第一层沉积体27，增加这一锻造过程，可以改善零件微观组织，提高所得金属零件整体力学性能；

S6、高压气源停止向有杆腔供气，开始向无杆腔供气，气缸推杆带动活塞杆下降直至挤压头关闭所述底孔，然后，高压气源停止向容器供气，真空罐对容器抽真空；

S7、运动平台带动基板下移，下移距离为一层沉积体的厚度，重复步骤S4-S6，成形下一层沉积体，直至成形所需金属零件。

因为真空源比大气压的气压值低约5000-10000Pa，这就是说真空源的负压值较低，在此情况下，容器内的气体向真空罐20流动的速度较慢。因此步骤S2中，向容器内充满高压气体时，利用调压阀16调节，可以使气体的压力较大，能快速地排出容器内的空气。向容器内充高压气体结束，利用调压阀16调节，使气体的压力减小，以满足足驱动金属熔体24的气体压力要求。

沉积工作结束，需要止流，也就是金属熔体不能继续流出。挤压头33下部封闭底孔25，虽然挤压头33圆周面与底孔25壁面和储料腔22底面接触，但因为制造精度误差和安装误差，挤压头33圆周面与底孔25壁面和储料腔22底面之间仍然可能存在微小间隙，为了实现完全止流，需要借助真空源对储料腔22腔内施加负压。挤压头33封闭底孔25，和真空源共同作用，实现及时、完全止流。

若不使用挤压头33（即活塞杆10），只依靠真空源，虽然也可以最终实现完全止流，但要求真空源的负压值较大，这导致出现以下问题：沉积工作开始前，储料腔22内的气压值和真空源的气压值相等，均为较大负压，而沉积工作正常进行，要求储料腔22内的气压值为正压（也就是气压值大于大气压），但又不能太大，沉积工作开始信号发出，在沉积工作所要求的气压作用下，容器内的气压值从较大的负压转变为正压，需要较长时间；沉积工作结束，容器内的气压值从正压转变为较大的负压，需要花费一定时间，不能及时止流。因此需要活塞杆和负压共同配合实现止流。

在具体应用时，本发明提供的一种金属熔体挤出沉积成形装置可以包括金属材料加热熔化单元、气压控制与驱动单元、运动平台和气氛保护单元。气压控制与驱动单元通过气体管道与金属材料加热熔化单元连接，喷嘴安装于金属材料加热熔化单元下端，运动平台位于喷嘴下方。金属材料受热熔化，形成金属熔体。金属熔体在基板表面沉积冷却，得到沉积体。

以下对各单元进行详细说明。

如图1所示，金属材料加热熔化单元包括：盖板7、动态密封元件8、上盖9、活塞杆10、加热元件11、喷嘴12、容器23、保温套26；活塞杆10从盖板7、动态密封元件8和上盖9的中心穿过；盖板7与上盖9共同作用，可挤压动态密封元件8，使动态密封元件8紧密包覆活塞杆10；上盖9与容器23连接，接触处设置有密封圈，上盖9下端面与容器23内侧底面、容器23内侧侧面共同围成的空间形成储料腔22；喷嘴12安装于容器23下部的底孔25处；保温套26安装于容器23下端面，并与喷嘴12表面紧贴，保温套26可拆卸；金属材料加热熔化、保温套26保温所需的热量来源可以是电阻、电感加热或微波加热，具体发热元件是加热元件11，加热元件11包覆容器23。

如图1所示，气压控制与驱动单元包括：高压气源17、减压阀15、调压阀16、换向阀19、二位五通阀3、气缸4、气缸推杆5、弹性体组件6、真空罐20、真空传感器18、真空泵21；二位五通阀3和换向阀19的工作动作由控制系统1控制，控制系统可采用计算机，实现气路方向切换；高压气源17经减压阀15减压后，分别向二位五通阀3和调压阀16供气；利用调压阀16，可以调节作用于容器23内的金属熔体24的气体压力大小；二位五通阀3连通后向气缸4的有杆腔或无杆腔供气，可使气缸推杆5带动弹性体组件6和活塞杆10上移或者下移；对真空传感器18预先设置真空度值范围，真空传感器18实时测量真空罐20内的真空度，根据真空度设置值范围和实时测量值，真空传感器18控制真空泵21的启动与停止；真空泵21用于对真空罐20抽真空。

气压控制与驱动单元和金属材料加热熔化单元连接处设置有密封圈及隔热部件。气缸推杆5、弹性体组件6和活塞杆10依次连接，气缸推杆5、弹性体组件6、活塞杆10可相互分离，活塞杆10下端封闭底孔25是通过气缸推杆5和弹性体组件6对活塞杆10施加压力实现的。气缸推杆5在驱动气压作用下，带动弹性体组件6和活塞杆10上下运动。盖板7、动态密封元件8、上盖9、活塞杆10可相互分离。上盖9与容器23可拆卸连接。在活塞杆10穿过盖板7、动态密封元件8和上盖9的运动过程中，对活塞杆10的密封是通过盖板7和上盖9共同挤压动态密封元件8使动态密封元件8紧贴包覆活塞杆10实现的。

真空罐20内的真空度维持由真空传感器18和真空泵21共同完成，真空罐20的体积远大于容器23的体积，容器23体积较小，实际要求的真空罐20内的真空度较小，若真空罐20与容器23体积相当，真空泵21开始工作，真空罐20内的真空度增加很快，这导致真空罐20内的真空度波动幅度较大，不能维持在设定范围内。当真空罐20的体积远大于容器23的体积时，真空泵21开始工作后，真空罐20内的真空度缓慢变化，真空度波动幅度较小，可使真空度维持在设定范围内。

如图1所示，基板13放置于运动平台14之上，运动平台14的运动轨迹由控制系统1控制完成。运动平台14带动基板13作平面运动，运动平台14也可以通过上下运动，调节基板13表面与喷嘴12出口间的距离。

如图1所示，气氛保护单元包括：保护气气阀29、保护气气源30、手套箱31和换气系统32组。金属材料加热熔化单元、气压控制与驱动单元、运动平台、基板均安放在手套箱31内部。

高压驱动气源17和保护气气源30的气体种类为氮气、惰性气体、还原性气体或者还原性混合气体。

相应的，具体应用时，一种金属熔体挤出沉积成形方法，包括以下步骤：

第一步：如图1所示，将金属材料放入容器23，安装气缸推杆5、弹性体组件6、盖板7、动态密封元件8；如图2a所示，活塞杆10处于升起状态，将上盖9安装于容器23之上，使上盖9封闭容器23；

第二步：打开保护气气阀29，同时换气系统32启动，将手套箱31内的空气用保护气气源30的气体替换，使金属材料加热熔化单元、气压控制与驱动单元、运动平台14及基板13均处于保护气气氛环境；打开真空泵21和真空传感器18，让真空罐20内的真空度达到设定范围；

第三步：通过换向阀19，使容器23与高压气源17之间连通，同时，容器23与真空罐20之间封闭；利用减压阀15调节输送给二位五通阀3和调压阀16的供气气压，利用调压阀16调节通入容器23的供气气压；

第四步：向容器23内充入氮气或惰性气体，充气时间根据容器23体积和充气气压计算得到；

第五步：向容器23充气的工作结束时，使高压气源17与气缸无杆腔连通，在高压气体的作用下，如图2b所示，活塞杆10降下，封闭底孔25，同时，利用换向阀19，使容器23与高压气源17之间断开；

第六步：通过换向阀使容器23与真空罐20之间连通，真空罐20对容器23抽真空，加热元件11开始工作，金属材料受热熔化形成金属熔体24；

第七步：断开高压气源17与气缸无杆腔之间的连通，使其与有杆腔连通，如图2a所示，活塞杆10升起，打开底孔，然后利用换向阀19使容器23与真空罐20之间封闭，容器23与高压气源17之间连通；金属熔体24在高压气体的作用下，从喷嘴12的开口流出，同时，运动平台14带动基板13沿着由控制系统1控制的运动轨迹运动，金属熔体24在基板13表面沉积、冷却，形成第一层沉积体27；当沉积体27凝固成型后，如图3所示，压锻滚轮28沿前述运动轨迹，对第一层沉积体27上表面施加压力，滚压第一层沉积体27，增加这一锻造过程，可以改善零件微观组织，提高所得金属零件整体力学性能，压锻滚轮28的运动轨迹由控制系统1控制；

第八步：第一层沉积体27沉积成形结束，高压气源与气缸有杆腔之间断开，与无杆腔之间连通，高压气体驱动活塞杆10降下，封闭底孔25，同时，利用换向阀19使高压气源17与容器23之间断开，真空罐20与容器23之间连通，真空罐20对容器23抽真空，真空罐20内的真空可快速释放高压气体对金属熔体24的气动压力，此时，由于活塞杆10封闭底孔25，同时容器23与真空罐20连通，依靠活塞杆10的封闭和负压共同作用可以实现喷嘴12出口的止流；

第九步：运动平台14带动基板13下移，下移距离等于第一层沉积体厚度；重复第七步和第八步的沉积成形过程，直到成形所需金属零件。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，包括：

容器，用于盛装熔融的金属熔体，所述容器的顶部设有开口，其底部设有底孔；

喷嘴，密封安装在所述底孔处；

运动平台，设置于所述喷嘴的下方，用于放置基板；

上盖，密封安装在所述开口处；

活塞杆，贯穿所述上盖设置，所述活塞杆的下端位于所述容器内，且底部设有用于打开或关闭所述底孔的挤压头，所述活塞杆的上端伸出容器外设置；

气缸，其气缸推杆与所述活塞杆的顶部连接；

高压气源，用于向气缸或容器提供高压气体；

真空罐，用于对容器抽真空；

工作时，气缸的无杆腔和有杆腔中的一个与高压气源连通，另一个与外部大气连接，当高压气源向无杆腔供气时，高压气体驱动所述活塞杆下降至关闭所述底孔，当高压气源向有杆腔供气时，高压气体驱动所述活塞杆上升打开所述底孔；

当高压气源向容器供气时，高压气体驱使容器内的金属熔体向下挤压并通过喷嘴喷射在基板上，当真空罐对容器抽真空时，金属熔体停止向下流出。

2.根据权利要求1所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，所述高压气源与气缸之间安装有二位五通阀，所述二位五通阀设有A、B、R、S、P五个开口，其中A开口与气缸的无杆腔连接，B开口与气缸的有杆腔连接，R、S开口均与所述高压气源连接，P开口与大气连接，当A开口与R开口连通时，B开口与P开口连通且与S开口断开连接，当B开口与S开口连通时，A开口与P开口连通且与R开口断开连接。

3.根据权利要求1所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，该装置还包括换向阀，所述换向阀的两个入口分别与高压气源和真空罐连接，其出口与容器连接。

4.根据权利要求1所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，该装置还包括盖板和动态密封元件，所述盖板套设于所述活塞杆上且位于所述上盖的上方，所述动态密封元件套设于所述活塞杆上且位于所述盖板与上盖之间，所述盖板与上盖之间通过紧固件连接，通过调节紧固件使盖板向靠近上盖的方向移动，进而压缩所述动态密封元件使其紧密包覆所述活塞杆。

5.根据权利要求1或4所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，该装置还包括弹性体组件，所述弹性体组件设置在气缸推杆与活塞杆之间。

6.根据权利要求1所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，该装置还包括压锻滚轮，用于对沉积在基板上的金属熔体进行滚压。

7.根据权利要求1或2或3或6所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，该装置还包括控制系统，所述控制系统与运动平台、二位五通阀、换向阀和压锻滚轮之间电连接。

8.根据权利要求1所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，该装置还包括手套箱，所述容器、运动平台、活塞杆、气缸、高压气源、真空罐均设置于所述手套箱内。

9.根据权利要求1所述的金属熔体挤出沉积成形装置，其特征在于，该装置还包括加热元件，用于将容器内的金属材料加热成熔融的金属熔体。

10.一种金属熔体挤出沉积成形方法，包括以下步骤：

S1、提供权利要求1-9中任一项所述的金属熔体挤出沉积成形装置，基板放置于运动平台上，调整基板与喷嘴之间的距离；

S2、若金属材料为熔融的金属熔体，先使高压气源向气缸的无杆腔供气，带动活塞杆下降直至挤压头关闭所述底孔，然后向容器内装入熔融的金属熔体，再使高压气源向容器供气，直至容器内充满高压气体，高压气源停止向容器供气；

若金属材料为金属固体，则向容器内装入金属固体，先使高压气源向容器内充满高压气体，然后使高压气源向无杆腔供气，在高压气体的作用下，所述气缸推杆带动活塞杆下降直至挤压头关闭所述底孔，高压气源停止向容器供气；

S3、启动真空罐对容器抽真空，若金属材料是金属固体，则启动加热元件，使金属材料受热熔化成熔融的金属熔体；

S4、高压气源停止向无杆腔供气，开始向有杆腔供气，高压气体驱动所述活塞杆上升打开所述底孔；

S5、真空罐停止工作，高压气源向容器供气，高压气体驱使容器内的金属熔体向下挤压并通过喷嘴喷射在基板上，基板按照预设速度和轨迹运动，金属熔体在基板表面沉积、冷却，形成一层沉积体；

S6、高压气源停止向有杆腔供气，开始向无杆腔供气，气缸推杆带动活塞杆下降直至挤压头关闭所述底孔，然后，高压气源停止向容器供气，真空罐对容器抽真空；

S7、运动平台带动基板下移，下移距离为一层沉积体的厚度，重复步骤S4-S6，成形下一层沉积体，直至成形所需金属零件。

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