CN110446593B - 三维层压金属物品及其制造方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种制造层压三维(3D)金属物品的系统和方法。该方法可以包括:提供多个金属制箔片；用标记试剂标记多个箔片中的一些箔片的一部分，该标记试剂包括电化学势高于金属的材料；将多个已标记箔片结合成块；以及选择性地蚀刻块中不靠近标记试剂的部分。

Description

三维层压金属物品及其制造方法和系统

发明领域

本发明总体上涉及用于制造三维(3D)物品的方法和系统。更具体地，本发明涉及使用箔片(foil)来制造层压3D金属物品。

发明背景

已知的制造三维(3D)金属物品的方法包括从旧工艺到最新的计算机化技术。3D金属物品可以在成型模具中被浇铸，由实心金属块机加工而成，以及由挤压粉末烧结成。现代方法使用3D物品的3D计算机化模型，以提高制造精度、提高效率和降低成本。例如，在铸造和烧结时，可以使用3D模型制造模具，并且可以根据3D模型进行机加工。一些方法使用包括金属粉末和溶剂的墨的3D印刷来形成3D物品，然后通过烧结来加固物品。

所有已知的方法都有其优缺点。铸造允许制造成分不受限制的致密物品，但它消耗能量，不太精确，并且有严格的几何要求。机加工限于可机加工的合金和可加工的几何形状，并且是进一步的材料浪费。通过烧结生产完全致密的物品几乎是不可能的。为了达到高密度，物品必须用热等静压(HIP)处理。对于上述所有方法，要求的精度越高，制造成本就越高。

因此，需要一种新的制造方法，该方法可以以比机加工更低的废物量和比铸造更低的能耗来生产高精度致密3D金属物品。还需要具有最少预处理和后处理阶段的制造方法。

发明概述

本发明的一些方面可以涉及制造层压三维(3D)金属物品的方法。该方法可以包括:提供可以包括金属的多个箔片；用标记试剂来标记多个箔片中至少一些箔片的一部分，标记试剂可包括电化学势高于金属的材料；结合(bond)多个已标记箔片；以及选择性蚀刻未被标记试剂标记的结合块的一部分。

一些实施方式可以进一步包括对多个箔片进行堆叠和固定(tacking)。在一些实施方式中，结合可包括将压力和热量中的至少一个提供到多个已标记箔片。在一些实施方式中，结合可以包括热扩散结合(thermal diffusion bonding)。在一些实施方式中，结合包括在所述箔片中的金属和所述标记试剂中的组分之间形成瞬时液相扩散结合。

在一些实施方式中，标记可以包括包覆多个箔片中的一些箔片的至少一些部分；以及激光烧蚀包覆层的至少一些部分，以从箔片的一部分去除包覆层。在一些实施方式中，标记可以包括将标记试剂选择性地沉积在至少一些所述箔片的表面上。在一些实施方式中，可以根据基于所述金属物品的3D模型确定的图案执行标记。

在一些实施方式中，该方法可以进一步包括将多个已标记箔片修整成固定尺寸。在一些实施方式中，该方法可以进一步包括将多个已标记箔片装盒到盒子中。在一些实施方式中，装盒可以包括在加热盒子中的多个已标记箔片的同时进行压缩。在一些实施方式中，装盒可以包括通过箱子的尖锐前缘修整多个已标记箔片。

在一些实施方式中，该方法可以进一步包括通过梯度加热和施加凸凹板(convexdepression plate)中的至少一种来去除被截留在多个已标记箔片中的箔片之间的气体。

在一些实施方式中，金属可包括铝。在一些实施方式中，电化学势高于金属的材料是铜、金、银和碳中的至少一种。在一些实施方式中，金属可以是可包括按重量计小于0.1％的铜(less than 0.1wt.％copper)的铝合金。在一些实施方式中，标记试剂的厚度比箔片的厚度小至少两个数量级。在一些实施方式中，箔片的厚度可以不超过100μm。在一些实施方式中，已标记部分中的标记试剂的厚度不超过300nm。

在一些实施方式中，该方法可以进一步包括在标记之前，从箔片的表面的至少一部分去除氧化物层。在一些实施方式中，可以通过剥离连续箔片来去除氧化物层。

在一些实施方式中，该方法可以进一步包括在堆叠箔片之前将至少一些箔片转动。

在一些实施方式中，结合可以在惰性气体气氛下进行。在一些实施方式中，选择性蚀刻箔片的一部分可以包括在蚀刻剂存在的情况下选择性蚀刻箔片。

本发明的一些附加方面可以涉及一种用于制造层压三维(3D)金属物品的系统。该系统可以包括堆叠单元，用于堆叠可以包括金属的多个箔片；标记单元，用于用标记试剂标记多个箔片的一部分；结合单元，用于结合标记的多个箔片；和蚀刻槽，该蚀刻槽可以包括被配置为蚀刻多个已标记箔片的一部分的蚀刻溶液。

在一些实施方式中，该系统可以进一步包括表面处理单元，该表面处理单元配置为在标记之前从箔片去除至少一部分氧化物层。

在一些实施方式中，该系统可以进一步包括:控制器，其配置为接收3D物品的至少一个模型；接收以下数据中的至少一个:与箔片的厚度相关的数据和与堆叠的多个箔片的高度相关的数据；以及基于3D模型并且基于箔片的厚度和堆叠的多个箔片的高度中的至少一个来确定标记部分。

在一些实施方式中，该系统可以进一步包括修整单元，该修整单元配置为修整多个已标记箔片的边缘。在一些实施方式中，该系统可以进一步包括固定单元(tackingunit)，该固定单元配置为在至少一个点上固定两个箔片。在一些实施方式中，该系统可以进一步包括装盒单元，该装盒单元配置为将多个已沉积箔片装在盒子中。

在一些实施方式中，蚀刻剂被选择成对结合块的不靠近标记试剂的部分造成电偶腐蚀蚀刻。

在一些实施方式中，结合单元可以包括挤压单元和加热元件中的至少一个。

在一些实施方式中，该系统可以进一步包括截留气体去除单元，该截留气体去除单元包括加热元件和凸凹板中的至少一个。在一些实施方式中，该系统可以进一步包括惰性气氛供应单元。

本发明的一些附加方面可以涉及层压三维(3D)金属部分。这种金属部分可以包括多个层，其可以包括至多100μm的金属；和多个较薄层，其具有至多为300nm的厚度，每个较薄层位于两个层之间。在一些实施方式中，每个较薄层可以包括电化学势高于金属的材料。

在一些实施方式中，较薄层可以包括包含所述金属和所述材料的合金。在一些实施方式中，较薄层可具有共晶微结构。在一些实施方式中，金属可以包括铝或铝合金。在一些实施方式中，铝合金可包括按重量计小于0.1％的铜。在一些实施方式中，材料可以包括铜、银、金和碳中的至少一种。

本发明的一些附加方面可以指层压箔片。层压箔片可以包括箔片，该箔片包括铝合金，该铝合金具有按重量计至少85％的铝和按重量计至多0.1％的铜，箔片的厚度至多为100μm；和层压到箔片的一个表面的至少一部分的至多300nm的层，该层可以包括铜。

在一些实施方式中，该层可以包括铜合金。在一些实施方式中，箔片可以具有5-50μm的厚度。在一些实施方式中，层可以具有至多200nm的厚度。在一些实施方式中，箔片可以进一步包括镁。在一些实施方式中，箔片可以进一步包括锌和硅中的至少一种。在一些实施方式中，层压箔片可具有至少150MPa的屈服强度。

本发明的一些附加方面可以涉及层压箔片。层压箔片可以包括:具有可热处理的铝合金的箔片，该铝合金具有按重量计至少85％的铝和按重量计至多0.1％的附加材料，箔片可以具有至多100μm的厚度；和至多300nm的层，该层包括层压到箔片的一个表面的至少一部分的附加材料。在一些实施方式中，附加材料可以具有高于铝的电化学势，并且施加至所述铝合金的热处理是沉淀硬化。

附图简述

特别地指出了被视为本发明的实施方式的主题并且在说明书的结论部分中清楚地要求保护该主题。然而，当与附图一起被阅读时，本发明的关于组织和操作方法的实施方式连同其目的、特征和优点可参考下面的详细描述被最好地理解，其中：

图1A是根据本发明的一些实施方式的用于制造层压三维(3D)金属物品的系统的上位框图；

图1B是根据本发明的一些实施方式的表面处理单元的图示；

图1C和1D是根据本发明一些实施方式的修整、装盒和结合单元的图示；

图1E-1G是根据本发明的一些实施方式的气体去除单元的图示；

图2A是根据本发明的一些实施方式的制造层压三维3D)金属物品的作方法的流程图；

图2B是根据本发明的一些实施方式的确定每个箔片处的已标记部分的过程的图示；

图3A是根据本发明一些实施方式的层压三维(3D)金属物品(例如，部分)的图示；

图3B是根据本发明一些实施方式的已标记的层压箔片堆叠物的图示，该层压箔片具有3D部分和多个附加废料物品；

图3C是根据本发明一些实施方式的已标记层压箔片堆叠物的图示，该层压箔片具有位于放置在蚀刻槽中的3D笼内的3D部分；和

图4是根据本发明的一些实施方式的层压箔片的图示。

应理解，为了简单和清楚地说明，在附图中示出的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可以相对于其它元件被放大。此外，在认为合适之处，参考数字可以在附图之间重复以指示相应的或类似的元件。

发明详述

在下面的详细描述中，阐述了许多特定的细节，以便提供对本发明的完全理解。然而，本领域中的技术人员将理解，本发明可在没有这些特定的细节的情况下被实施。在其它实例中，未详细描述公知的方法、过程和部件，以便不使本发明含糊。

本发明的一些方面可以涉及制造层压三维(3D)金属物品的系统和方法。根据本发明一些实施方式的3D物品可以由多个箔片生产，每个箔片被标记(例如，被层压、被沉积等)有标记试剂，该标记试剂可以包括电化学势比箔片中所包括的主要金属(例如铝)高的附加材料(例如铜)。根据最终3D物品的3D模型，标记区域可以仅覆盖每个箔片的一部分。在一些实施方式中，已标记箔片可以被挤压和加热以使得箔片的结合。当结合块插入蚀刻槽中时，结合块的不靠近标记试剂的部分可被选择性蚀刻，并且由于标记试剂的较高电化学势，结合的标记部分可被保护免受蚀刻。

在一些实施方式中，这种方法的产品可以是3D层压物品，其包括包含箔片材料的层和包含标记试剂的层的交替结构。

这里使用的术语“箔片”可以指由金属或合金制成的任何薄的片材/膜/箔片，例如铝、铝合金、钛、钛合金及类似物。箔片可以由疏松材料挤出、轧制，或者可以根据本领域已知的任何方法制造。根据本发明一些实施方式的箔片可具有至多100μm的厚度，例如5-50μm。在一些实施方式中，箔片可由可热处理的合金制成，例如沉淀硬化型铝合金形成ASM6xxx和7xxx系列。

这里用到的术语“标记试剂”可以指可使用任何已知方法(例如包覆(clad)、沉积、喷射、喷涂等)被层压、沉积、喷涂、施加、喷射(及类似方式)到箔片表面上的任何材料。标记试剂中包含的至少一种材料可以具有比箔片中包含的金属更高的电化学势。例如，如果箔片包括铝，则标记试剂可以包括铜、金、银、铂或碳(例如石墨)，其电化学势高于铝。

在一些实施方式中，在箔片的合金中电化学势高于金属的材料(例如，铜或碳)的量可以受到限制。例如，箔片的任何铝合金中的含铜量可以限制为按重量计不超过0.1％。在一些实施方式中，箔片可以预先层压有标记试剂。

现在参考图1，图1是根据本发明的一些实施方式的用于制造层压三维(3D)金属物品的系统的上位框图。用于制造层压三维金属物品的系统100可以包括:堆叠单元110、标记单元114、结合单元129和蚀刻槽130。在一些实施方式中，系统100可以进一步包括固定单元112、修整单元124、装盒单元126、控制器140、表面处理单元150和截留气体去除单元135。

在一些实施方式中，堆叠单元110可以被配置为堆叠多个箔片，这些箔片可以包括金属，例如铝或钛。箔片的原料(例如，一卷铝合金箔片)可以将箔片供给到堆叠单元110以被切割成片材并通过例如机器人单元或本领域已知的任何其他方法一个堆叠在另一个的顶上。堆叠单元110可以进一步将进料箔片从卷切割成所需长度。

在一些实施方式中，标记单元114可以包括可允许用标记试剂标记多个箔片的一部分的任何装置或系统。在一些实施方式中，标记试剂可以包括电化学势高于金属的材料。在一些实施方式中，箔片可以预先层压有标记试剂(例如，层压箔片400，如图4所示包覆有铜)，并且标记单元114可以包括烧蚀装置(例如，激光烧蚀单元)，用于去除覆层/层压部的一部分以暴露至少一些箔片的部分。在一些实施方式中，箔片可以未层压/覆盖有标记试剂，并且标记单元114可以包括选择性沉积单元(例如，印刷单元)，用于选择性地将标记试剂沉积在一些箔片的至少一些区域上。在一些实施方式中，对包覆箔片的烧蚀或选择性沉积可以根据确定的图案进行。在一些实施方式中，可以从控制器140接收所确定的图案，这将在下面参考图2A和2B进行讨论。

在一些实施方式中，堆叠单元110可以放置箔片以由标记单元114进行标记。堆叠和标记的顺序可以继续进行，直到构建一个或多个3D物品所需的所有箔片被放置和标记。在一些实施方式中，为了允许箔片的精确放置和标记，并防止已标记箔片偏离对准，每两个连续的箔片可以在标记之前在至少一个点通过固定单元112固定到彼此。固定单元112可以包括焊接单元、铜焊/钎焊单元、胶粘单元及类似单元。在一些实施方式中，为了在堆叠/标记过程期间验证箔片堆叠物的高度，系统100可以包括高度传感器116(例如，线性机械探针、激光距离传感器及类似物)，这将参照图2B进行讨论。

在一些实施方式中，附接到箔片的至少一个表面(例如，没有用标记试剂包覆/层压的表面，或者当箔片根本没有预层压时的两个表面)的氧化物层可以由表面处理单元150移除。表面处理单元150可以包括本领域已知的任何装置或系统，其可以允许至少一部分氧化物层从箔片去除。例如，表面处理单元150可以是用于从箔片研磨地剥离氧化物层的装置。该装置可以包括可以进行湿法或干法抛光的任何抛光介质，以及从箔片表面清除被去除和剥离的氧化物层的任何装置。

这种表面处理单元150的非限制性示例在图1B中示出。表面处理单元150可以包括一个或多个研磨滚筒151，其在非氧化溶剂20的浸泡缸153中抵靠移动的箔片15旋转。箔片15可以由卷10供给，并插入密封壳体155中，并通过一个或多个辊158引导至浸泡缸153并从浸泡缸153出来。一个或多个研磨滚筒151可以包括用非氧化溶剂20渗透的多孔研磨材料。非氧化溶剂20的非限制性实例可以是或可以包括:挥发性溶剂，例如丙酮；在水中溶解度低的非氧化挥发性溶剂，以便容易地吸走聚集的水分，例如正己烷；以及不易燃液体，例如四氯乙烯。装置156可以连续冷凝来自壳体155的溶剂20蒸汽，并将冷凝的非氧化溶剂20泵回浸泡缸153。

在一些实施方式中，表面处理单元150可以进一步包括一个或多个传感器154，用于测量研磨滚筒151之前和之后的多点厚度测量值，如将参考图2A所讨论的。在一些实施方式中，表面处理单元150的至少一些部件可以由控制器控制，例如控制器140。在一些实施方式中，控制器140可以在闭环中根据从一个或多个传感器154接收的测量值控制可控元件，例如研磨滚筒151、箔片15的速度和/或张力等。在一些实施方式中，浸泡缸153中的溶剂可以被连续过滤以提取从箔片15的表面剥离的固体，并通过喷嘴157返回浸泡缸153。在一些实施方式中，剥离的箔片15可以通过干燥器159使用任何已知的干燥方法进行干燥。

在一些实施方式中，为了防止在箔片15的剥离表面上重建氧化物层，至少可以将氧化物去除和标记过程在惰性气氛下进行。因此，系统100可以包括惰性气氛供应单元160。惰性气氛供应单元160可以包括被配置为至少将惰性气体(例如氩等)供应到表面处理单元150和标记单元114的任何装置(例如，泵、加压容器等)。在一些实施方式中，为了避免箔片15的再氧化，表面处理单元150可以封装在密封壳体155中。密封壳体155可以包括惰性气氛，例如氩气。在一些实施方式中，表面处理单元150可以包括非氧化液体浸泡缸153，以防止箔片15表面的再氧化或再氮化。在一些实施方式中，表面处理单元150、标记单元114、堆叠单元110和固定单元112都可以被包括或容纳在密封的单个容器(例如，壳体155)中，并且剥离、堆叠、固定和标记过程都可以在惰性气氛下进行。

回到图1A，在一些实施方式中，结合单元129可以包括可以允许堆叠物中的已标记箔片结合在一起的装置。例如，结合单元129可以包括至少一个加热元件，该加热元件可以被配置为将已标记箔片加热到促使固态热扩散结合的温度(例如，对于铝合金，大约500℃)或者在箔片中的金属和标记试剂的材料之间形成瞬时液相扩散结合(例如，当箔片包括纯铝并且材料是铜时，温度高于548.2℃)。在一些实施方式中，结合单元129可以进一步包括用于在堆叠的已标记箔片上施加压力的挤压单元(例如，压力机)。例如，挤压单元可以施加10MPa至80MPa之间的压力，以便在加热或不加热已标记箔片的情况下促进结合。

在一些实施方式中，所施加的压力(和热量)可能导致堆叠物变形，特别是在堆叠物的边缘处。因此，在一些实施方式中，在结合之前，已标记箔片可以被修整和装盒，以便在结合期间从所有方向限制堆叠，从而避免变形。修整单元124可以包括允许切割已标记箔片的边缘以便安置到盒子中的任何装置。例如，修整单元124可以包括裁切机刀片(guillotine blade)、铣削单元、碾碎单元、超声波切割单元及类似单元。在一些实施方式中，修整过的箔片可以插入装盒单元126中进行装盒。装盒可以防止堆叠的箔片在结合单元120中的压力/热量施加期间变形。在一些实施方式中，修整单元124和装盒单元126可以包括在单个单元中。因此，在避免箔片和标记部分的任何变形或扭曲的同时，可以在高温下(例如，对铝箔而言是570℃)施加非常高的压力(例如，对铝箔而言是80MPa)，从而保持箔片标记的尺寸的准确性。

在图1C和1D中给出了用于修整、装盒和结合堆叠箔片的单元的非限制性示例。单元170可以包括结合单元(图1A中的129)，该结合单元可以包括压缩板120。根据一些实施方式，单元170还可以包括安装在装盒单元126上的刀片形式的修整单元124，装盒单元126包括盒子以将箔片15封装和固定在盒子中。在一些实施方式中，在单个操作单元170中，可以将箔片15修整、装盒并结合成箔片堆叠物30。在一些实施方式中，箔片15的边缘16可以使用安装在装盒单元126的盒体结构的前缘上的修整单元124的刀片来修整(如图1C所示)。该过程可以持续，直到整个堆叠物30被压入装盒单元126的盒子中(如图1D所示)。在一些实施方式中，来自压缩板120的压力可以在修整和装盒过程期间或之后施加。在一些实施方式中，加热可以与压力同时施加。例如，加热元件可以加热结合单元129的压缩板120、装盒单元126中的盒壁、待放置箔片的构建板180或其任意组合。在结合之后，结合的堆叠物30可以使用任何已知的装置从盒子中取出。

在一些实施方式中，系统100可以进一步包括截留气体去除单元135，用于在堆叠过程期间去除被截留在箔片之间的气体。截留气体去除单元135可以包括例如用于促进被截留的空气分子定向流动的至少一个加热元件、凸凹板及类似物。

图1E-1G中给出这种气体去除单元135的非限制性示例。气体去除单元135可以包括压缩板136和构建板137，压缩板136包括加热元件138，构建板137包括加热元件139。在一些实施方式中，加热元件138和139可以对堆叠物30进行局部加热，以分别形成加热区31和32。如图1G所示，来自加热区31和32的热量可以在堆叠物中传播和碰撞(collide)。在一些实施方式中，加热区域中的金属可以膨胀，因此可以在膨胀的箔片之间产生局部压缩，以推开箔片之间截留的气体。气体可以被推向堆叠物30的较冷区域。当热量从堆叠物30的中心部分向堆叠物的侧面传播时，截留的气体可以被清除。

在一些实施方式中，结合的堆叠物可以被引入蚀刻槽130中，蚀刻槽130包括被配置为蚀刻结合的块的各部分的蚀刻溶液。在一些实施方式中，蚀刻溶液可以被配置为蚀刻不靠近标记试剂的部分。如本文所用，术语“不靠近”可以指可不受标记试剂提供的阴极保护影响的部分，因此可以被蚀刻剂蚀刻。在一些实施方式中，蚀刻剂可以被配置为蚀刻靠近标记试剂的部分。在一些实施方式中，可以选择蚀刻剂，以便在堆叠物的牺牲部分(例如不靠近标记试剂的部分)中引起电偶腐蚀。例如，当使用用铜标记的铝合金箔片时，蚀刻溶液(即蚀刻剂)可以包括氯化钠水溶液，其蚀刻并去除不靠近铜的铝部分。在一些实施方式中，蚀刻剂还可包括酸，例如柠檬酸。铜标记可以保护靠近铜的铝免受电偶腐蚀。

控制器140可以包括处理器142，处理器可以是例如中央处理器单元(CPU)、芯片或任何合适的计算或计算机装置(computing or computational device)、存储器144和输入/输出单元146。存储器144可以是或可以包括，例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SD-RAM)、双数据速率(DDR)存储器芯片、闪存、易失性存储器、非易失性存储器、高速缓冲存储器、缓冲器、短期存储器单元、长期存储器单元或其他合适的存储器单元或存储单元。存储器144可以是或可以包括多个可能不同的存储单元。

存储器144可以存储任何可执行代码，例如应用程序、程序、进程、任务或脚本。可执行代码可以包括操作和控制系统100的至少一些部件的代码，或者用于执行根据本发明实施方式的方法的任何其他代码或指令。在一些实施方式中，控制器140可以被配置为接收至少一个3D物品的3D模型，并且基于3D模型等来控制系统100的操作，如这里参考图2A和2B所公开的。

输入/输出单元146可以包括允许控制器100从用户接收指令和向用户提供指令的任何单元。例如，输入/输出单元146可以包括屏幕、触摸屏、键盘、鼠标、扬声器、有线或无线网络接口卡(网卡)、调制解调器、打印机或传真机，通用串行总线(USB)装置或外部硬盘驱动器可以包括在输入/输出单元146中。

现在参照图2A，图2A是根据本发明的一些实施方式的制造层压三维(3D)金属物品的方法的流程图。在一些实施方式中，在步骤210中，可以提供可以包括金属的多个箔片(例如，箔片15或箔片400)。箔片可以由卷提供，例如卷10，以切割成箔片(例如，片材)，或者可以作为离散的箔片或片材被提供。箔片可以包括铝合金(例如，来自SAE 2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX和7XXX系列)。在一些实施方式中，箔片可以包括钛合金或任何其他金属合金。在一些实施方式中，箔片中包括的合金可以包含少于预定量的标记试剂。例如，箔片可以包括含铜量按重量计小于0.1％的铝合金。

在一些实施方式中，可以例如通过使用本文讨论的表面处理单元150对连续箔片进行剥离来从箔片的至少一个表面去除氧化物。在一些实施方式中，在步骤220中，例如通过标记单元114，可以用标记试剂标记多个箔片的一部分。在一些实施方式中，标记试剂可以包括电化学势高于该金属的材料。例如，如果箔片可以包括铝合金，则标记试剂可以是铜、碳(例如，石墨)、银、金、铂及类似物。在一些实施方式中，标记可以包括标记试剂的选择性沉积(例如，使用喷墨打印装置)。在一些实施方式中，箔片可以被预先层压/预先包覆有标记试剂(例如，如图4所示包覆在铝合金箔片上的铜)，并且标记可以包括对已包覆箔片的激光烧蚀，以暴露铝箔片的一部分。

在一些实施方式中，为了保护箔片的表面免受氧化，去氧化、堆叠、固定和标记中的至少一个可以在保护气氛下进行，例如氩气。

在一些实施方式中，为了精确地标记箔片，可以首先使用例如堆叠单元110将每个新箔片堆叠在堆叠物的顶部上。在每次的箔片堆叠之后，可以使用任何已知的方法，例如使用固定单元112，将上箔片固定到先前的箔片。可以使用例如点焊、缝焊、超声波焊接、胶粘、凸凹痕(male-female dents)、铜焊、钎焊及类似方式对箔片进行固定。

在一些实施方式中，在箔片之间以及单个箔片的不同区域中(例如平行于箔片的边缘)，箔片可以具有轻微的薄度偏差(thinness deviations)。因此，为了降低存在高度偏差的几率，当所有较厚的边缘堆叠在一起时，箔片可以绕竖直轴线转动。例如，在堆叠之前，至少一些箔片可以转动90°、180°和270°。在一些实施方式中，堆叠物的高度在至少一个点上可以由诸如传感器154的传感器测量，并且控制器140可以基于测量值确定是否需要转动箔片以及以哪个角度转动。

在一些实施方式中，每个箔片的已标记部分可以基于至少一个3D物品的3D结构来确定。控制器140可以例如经由输入/输出单元146接收一个或多个物品的3D模型，例如图3A所示的物品和/或图3B所示的物品。在一些实施方式中，控制器140可以进一步接收以下数据中的至少一个:与箔片的厚度和堆叠的多个箔片的高度(例如，来自高度传感器116)相关的数据。在一些实施方式中，控制器140可以基于3D模型以及箔片的厚度和堆叠的多个箔片的高度中的至少一个来确定标记部分。例如，控制器140可以将3D模型分层，每层具有一个箔片的厚度(例如，50μmμ)，并确定标记部分与所划分的层重叠(例如，箔片上标记的图案与相应的划分的层重叠)。在一些实施方式中，控制器140可以确定箔片的标记部分不包括在3D物品中，使得未标记部分与所划分的层重叠。然而，由于箔片之间可能存在厚度偏差，仅基于箔片的厚度来确定标记部分可能导致累积误差。

因此，控制器140可以基于从传感器116接收的堆叠的多个箔片的高度的测量值来确定标记部分。现在参照图2B，图2B是根据本发明的一些实施方式的确定每个箔片处的标记部分的过程的图示。在一些实施方式中，堆叠物中的当前箔片28的高度(elevation)(高度(height))26可以由传感器116连续测量。在一些实施方式中，控制器140可以初始接收第一箔片的高度/厚度，并基于高度/厚度确定第一标记部分的图案。控制器140可以连续接收高度测量值，例如，每个箔片、每两个箔片或任何预定数量的放置箔片的高度测量值。控制器140然后可以:基于3D模型22处的相应高度26实时确定所需的图案，或者将测量的高度26与3D模型22中具有预定图案的相应层相关联。

在一些实施方式中，当前堆叠物的高度26可以在当前箔片上的一个以上的点测量。如果多次测量值得出堆叠物的当前表面不是水平的或者不是平面的，则控制器140可以通过测量点估计实际的非平面表面，并且进一步使用一个或多个物品的3D模型来确定箔片的要标记的非平面图案。控制器140可以将所确定的非平面表面与3D模型交汇。因此，控制器140可以校正由箔片厚度变化引起的累积误差，同时确保物品可以被精确构建。

回头参考图2A的流程图，在一些实施方式中，在步骤230，多个已标记箔片可以结合在一起。可以通过使用例如结合单元129向多个已标记箔片提供压力和热量中的至少一种，将堆叠物例如堆叠物30结合在一起。在一些实施方式中，结合可以包括热扩散结合，例如，这是由于标记试剂的至少一种组分固态扩散到箔片的合金中，反之亦然。例如，当铝合金包括按重量计少于0.1％的铜时，来自标记试剂的铜可以至少部分扩散到铝合金箔片中。在一些实施方式中，结合可以包括在箔片中的金属和标记试剂中的组分之间形成瞬时液相扩散结合。例如，如果结合温度达到共晶温度，则由于铜在箔片和标记试剂之间的界面中扩散而富含铜的铝合金可能达到共晶成分并熔化。在这种情况下，标记试剂和箔片之间的界面可以具有共晶微结构。

在一些实施方式中，在结合之前，该方法可以进一步包括例如使用修整单元124将多个已标记箔片修整成固定的尺寸。在一些实施方式中，可以进行修整以切断箔片的边缘，迫使堆叠物与盒子相配。在一些实施方式中，修整可以使用:裁切机，如刀片(例如，如图1C所示)、铣削、碾碎及类似方式进行。在一些实施方式中，修整后的堆叠物可以由装盒单元126装在盒子中。在一些实施方式中，修整和装盒过程可以由单个单元进行，例如图1C和1D所示的单元170。在这种情况下，装盒可以包括通过盒子的尖锐前缘修整多个已标记箔片。在一些实施方式中，如上文所讨论的，结合也可以由单元170进行。因此，在堆叠物被装在盒子中时向箔片的堆叠物施加压力和热量可以允许减少甚至消除在压力期间可能发生的变形和扭曲。特别是在加热箔片时施加高压可能会导致大范围的塑性变形。因此，如果在盒子中至少有一个开口的情况下，压力和热量将被施加到堆叠物，则来自箔片堆叠的材料将在压力下流出，并通过这些开口漏出。那么层压可以塑性变形，从而使标记部分的3D几何形状变形。

在一些实施方式中，在堆叠之后和结合之前，该方法可以包括通过以下至少一种方式去除在多个已标记箔片中的箔片之间截留的气体:使用例如截留气体去除单元135进行梯度加热和施加凸凹板。在图1E-1G中给出了这种单元的非限制性示例和用于去除截留在多个已标记箔片之间的气体的过程。

在一些实施方式中，可以在步骤240中选择性地蚀刻结合块的一部分，例如不靠近标记试剂的部分或靠近标记试剂的部分。在一些实施方式中，结合块(例如，堆叠物30)可以被插入蚀刻槽130中，以便选择性地蚀刻该块的一部分以创建一个或多个3D物品，例如，关于图3A示出和讨论的物品300。在一些实施方式中，每个块可以包括多个3D物品，例如，一个或多个物品，例如关于图3B示出和讨论的部分300和多个废料物品350。

在一些实施方式中，为了确保对堆叠物30中所有牺牲部分(例如，未标记部分)的完全蚀刻，一些牺牲材料应该保留在槽中，直到所有3D物品被完全创建。添加的牺牲材料可以作为临时附加部分被添加到至少一些3D物品的几何形状中。附加部分可以允许保留一定量的未标记合金，至少直到3D物品周围的所有未标记部分被完全蚀刻。这种附加部分可以包括由已标记合金制成的外壳和由未标记合金制成的核。外壳可以包括允许蚀刻剂进入核的路径。在一些实施方式中，壳可以尽可能薄。到达核的蚀刻剂可以蚀刻掉核中未标记的合金，留下中空的壳。附加部分的核可以被设计成以比蚀刻堆叠物30的所有其他未标记部分所需更长的时间段来完全蚀刻。在使用任何已知的方法完成该过程之后，中空壳体可以从3D物品机械地移除。

在一些实施方式中，3D物品可以根据本领域已知的任何方法进一步清洗、清洁和干燥

现在参照图3A，图3A是根据本发明的一些实施方式的层压3D金属部分的图示。部分300可以包括多个层310，层310可以包括至多100μm的金属，例如5μm、10μm、20μm、40μm、50μm、60μm、70μm和80μm。例如，层310可以包括铝合金，例如来自SAE 2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX和7XXX系列的铝合金。在一些实施方式中，铝合金可以包括按重量计小于0.1％的铜。部分300还可以包括厚度至多为300nm的多个薄层320，每个薄层位于两个层310之间。例如，较薄层320可以具有10nm、30nm、50nm、100nm、150nm、200nm等的厚度。在一些实施方式中，每个较薄层可以包括电化学势高于金属的材料，例如铜、碳(例如石墨)、银、金及类似物。在一些实施方式中，较薄层320可以包括合金，该合金可以包括金属和所述材料，例如具有按重量计大于0.1％的铜的铝合金。在一些实施方式中，3D部分300可以是本文公开的过程的部分。

在一些实施方式中，一个以上的3D部分可以被包括在堆叠物中，例如，一个或多个部分300和多个废料物品350，如图3B所示。废料物品350可以被回收，并重新熔化以生产其他铝产品。因此，在堆叠物30中具有尽可能多的废料物品350的总体积可能是有益的。然而，蚀刻过程需要蚀刻剂自由进入被配置为牺牲或蚀刻的部分。因此，废料物品350的尺寸、几何形状和位置必须预先确定，以允许有效的蚀刻过程。

在一些实施方式中，随着蚀刻的进行和牺牲部分360中的材料溶解，3D物品(300和350)可能由于它们的重量而塌陷到彼此上，并且它们之间的蚀刻剂通道可能被部分或完全堵塞。因此，需要允许蚀刻剂在3D物品之间自由流动，即使牺牲部分360被溶解时。在一些实施方式中，为了防止在塌陷的3D物品之间的大接触面积，废料物品350可以包括小凸起355。小凸起355可以用作在不同废料物品350之间的、以及废料物品350和部分300之间的机械分离器。机械分离器可以允许向牺牲部分360连续提供蚀刻剂。

现在参考图3C，图3C是根据本发明一些实施方式的已标记层压箔片的堆叠物的图示，其具有位于放置在蚀刻槽中的3D笼状物内的一个或多个3D部分。根据本发明一些实施方式的方法和系统可以允许在“笼状物”物品380内部制造一个或多个3D部分300，使得在蚀刻(例如，步骤240)3D部分300之后，3D部分300被笼状物隐藏并且不可见。因此，制造商可能看不到一个或多个部分300，并且这些部分可能仅暴露给授权用户。

在一些实施方式中，由标记试剂标记的3D物品可以包括笼状物品380和一个或多个标记的部分300，使得在对堆叠物中的未标记部分蚀刻时，一个或多个部分300被创建为位于笼状物品380内。笼状物品380可以包括由间隙386分隔开的多个遮蔽部384(间隙386中的材料未标记)，使得当堆叠物放置在槽130中时，蚀刻剂60可以首先蚀刻在间隙386中的牺牲材料，然后能够穿透、流动和蚀刻一个或多个物品300周围的牺牲材料。蚀刻剂60的流动可以根据图3C所示的虚线箭头。因此，在步骤240结束时，一个或多个部分300可以“被截留”在笼状物品380内。

现在参照图4，图4是根据本发明的一些实施方式的层压箔片的图示。层压箔片400可以包括箔片410，箔片410可以包括具有按重量计至少85％铝和按重量计至多0.1％的附加材料，例如铜，箔片410可以具有至多100μm的厚度。层压箔片400可以进一步包括层压到箔片410的一个表面的至多300nm的层420，层420可以包括附加材料，例如铜。在一些实施方式中，附加材料可以具有高于铝的电化学势。在一些实施方式中，箔片410可以包括可热处理的铝合金(例如，可通过沉淀硬化进行热处理，这在本领域中也称为老化)，例如SAE 6XXX和7XXX系列。在一些实施方式中，箔片410中可以包括本文公开的其他铝合金。在一些实施方式中，箔片410可以具有5-50μm的厚度。在一些实施方式中，较薄层420可以具有至多200nm的厚度，例如5-100nm。

在一些实施方式中，箔片410中的铝合金可以包括镁。在一些实施方式中，箔片410中的铝合金可以进一步包括锌和硅中的至少一种。在一些实施方式中，层压箔片400可以具有至少150MPa的屈服强度，例如250MPa、400MPa或更多。用于箔片410的铝合金的一些示例在表1中给出。

表1

合金/元素

A

B

C

D

E

F

Al

89.0wt.％

90.7wt.％

90.6wt.％

95.2wt.％

97.5wt.％

96.6wt.％

Mg

1.0wt.％

1.2wt.％

0.5wt.％

0.6wt.％

0.4wt.％

0.4wt.％

Si

0.7wt.％

0.6wt.％

0.5wt.％

Zn

6.6wt.％

5.0wt.％

5.0wt.％

Zr

0.1wt.％

0.08wt.％

0.05wt.％

Mn

0.4wt.％

虽然在本文中已经图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域中的普通技术人员现在应会想到很多改变、替换、变化和等效形式。因此应理解，所附权利要求旨在涵盖落在本发明的真实精神内的所有这样的改变和变化。

Claims (44)

1.一种制造层压的3D金属物品的方法，包括:

提供多个金属箔片，每个金属箔片由固体金属制成；

用固体的标记试剂来标记至少一些所述金属箔片的一部分以产生已标记箔片，其中，所述标记试剂包括具有比所述金属箔片中的金属高的电化学势的材料，并且其中，所述固体的标记试剂的材料具有小于300nm的厚度；

将所述金属箔片装盒到盒子中，以在加热盒子中的所述金属箔片时压缩所述金属箔片；

将包括所述已标记箔片的金属箔片熔合结合成固体块，其中所述熔合结合包括将所述标记试剂固态扩散到所述固体块中，以增加所述固体块的至少一定体积部分的电化学势；和

选择性蚀刻所述熔合结合的块的未被所述标记试剂标记的部分。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括:对所述多个金属箔片进行堆叠和固定。

3.根据权利要求1所述的方法，其中熔合结合包括:将压力和热量中的至少一个提供到所述已标记箔片。

4.根据权利要求3所述的方法，其中熔合结合包括热扩散结合。

5.根据权利要求3所述的方法，其中熔合结合包括在所述金属箔片中的金属和所述标记试剂中的组分之间形成瞬时液相扩散结合。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述标记包括：

用所述标记试剂包覆所述金属箔片的金属；和

激光烧蚀包覆层的至少一部分以露出所述金属箔片的一部分。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述标记包括：

通过将所述标记试剂选择性地沉积在相应的金属箔片的表面上以产生已标记箔片。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中根据基于所述层压的3D金属物品的给定的3D模型确定的图案执行所述标记。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，还包括:将所述已标记箔片修整至固定的尺寸。

10.根据权利要求1所述的方法，其中装盒包括通过所述盒子的尖锐前缘修整所述已标记箔片。

11.根据权利要求1至5和10中任一项所述的方法，还包括：

通过梯度加热和施加凸凹板中的至少一种来去除被截留在所述已标记箔片中的至少一些箔片之间的气体。

12.根据权利要求1-5和10中任一项所述的方法，其中所述金属包括铝。

13.根据权利要求12所述的方法，其中具有比所述金属箔片中的金属高的电化学势的所述材料是铜、金、银和碳中的至少一种。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述金属是包括按重量计小于0.1％的铜的铝合金。

15.根据权利要求1-5、10和13-14中任一项所述的方法，其中所述标记试剂的材料的厚度比所述箔片的厚度小至少两个数量级。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述金属箔片的厚度不超过100μm。

17.根据权利要求1-5、10、13-14和16中任一项所述的方法，还包括：

在所述标记之前，从所述金属箔片的表面的至少一部分去除氧化物层。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述去除所述氧化物层是通过剥离所述金属箔片中的一个箔片来实现的。

19.根据权利要求1-5、10、13-14、16和18中任一项所述的方法，还包括转动所述金属箔片中的至少一些箔片。

20.根据权利要求1-5、10、13-14、16和18中任一项所述的方法，其中，所述熔合结合是在惰性气体气氛下进行的。

21.根据权利要求1-5、10、13-14、16和18中任一项所述的方法，其中所述选择性蚀刻包括在蚀刻剂存在的情况下选择性蚀刻所述熔合结合的块。

22.一种用于制造层压的3D金属物品的系统，包括:

堆叠单元，所述堆叠单元用于堆叠由固体金属制成的多个金属箔片；

标记单元，所述标记单元用于用固体的标记试剂标记所述金属箔片中的至少一些箔片的一部分以产生已标记箔片，其中，所述标记试剂包括具有比所述金属箔片中的金属高的电化学势的材料，并且其中，所述固体的标记试剂的材料具有小于300nm的厚度；

装盒单元，所述装盒单元配置为将所述金属箔片装盒在盒子中，以在加热盒子中的所述金属箔片时压缩所述金属箔片；

熔合结合单元，所述熔合结合单元用于将包括所述已标记箔片的金属箔片结合成固体块，其中所述熔合结合包括将所述标记试剂固态扩散到所述固体块中，以增加所述固体块的至少一定体积部分的电化学势；和

蚀刻槽，所述蚀刻槽包括蚀刻溶液，所述蚀刻溶液被配置为选择性地蚀刻所述熔合结合的块的未被所述标记试剂标记的部分。

23.根据权利要求22所述的系统，还包括:表面处理单元，所述表面处理单元被配置为在所述标记之前从所述金属箔片去除至少一部分氧化物层。

24.根据权利要求22所述的系统，还包括：

控制器，所述控制器被配置为：

接收所述3D金属物品的至少一个模型；

接收以下数据中的至少一个:与所述金属箔片的厚度相关的数据和与堆叠的多个金属箔片的高度相关的数据；和

基于所述3D模型并且基于所述金属箔片的厚度和所述堆叠的多个金属箔片的高度中的至少一个来确定用于通过所述标记单元来标记的部分。

25.根据权利要求22-24中任一项所述的系统，还包括:修整单元，其配置为修整所述已标记箔片的边缘。

26.根据权利要求22-24中任一项所述的系统，还包括:固定单元，其配置为在至少一个点固定两个箔片。

27.根据权利要求22-24中任一项所述的系统，其中所述蚀刻溶液被选择成对所述熔合结合的块的不靠近所述标记试剂的部分造成电偶腐蚀蚀刻。

28.根据权利要求22-24中任一项所述的系统，其中，所述熔合结合单元包括挤压单元和加热元件中的至少一个。

29.根据权利要求22-24中任一项所述的系统，还包括：

截留气体去除单元，所述截留气体去除单元包括加热元件和凸凹板中的至少一个。

30.根据权利要求22-24中任一项所述的系统，还包括：

惰性气氛供应单元。

31.一种层压的3D金属物品，包括:

多个金属层，其包括至多100μm厚度的金属；和

多个较薄的标记层，其具有至多为300nm的厚度，每个较薄的标记层位于所述金属层中的两个层之间，其中每个较薄的标记层包括电化学势高于所述金属的电化学势的材料，

其中，所述金属层被装盒在盒子中，以在加热盒子中的所述金属层时压缩所述金属层，

其中，所述3D金属物品由所述金属层和所述标记层融合结合，以促进标记材料固态扩散到由这些层制成的固体块中，以增加所述固体块的至少一定体积部分的电化学势，并且

其中，所述3D金属物品的部分被选择性地蚀刻，以去除未被所述标记材料标记的部分。

32.根据权利要求31所述的层压的3D金属物品，其中所述较薄的标记层包括合金，所述合金包括所述金属和所述标记材料。

33.根据权利要求32所述的层压的3D金属物品，其中所述较薄的标记层具有共晶微结构。

34.根据权利要求31-33中任一项所述的层压的3D金属物品，其中，所述金属包括铝或铝合金。

35.根据权利要求34所述的层压的3D金属物品，其中所述铝合金包括按重量计小于0.1％的铜。

36.根据权利要求34所述的层压的3D金属物品，其中所述标记材料包括铜、银、金和碳中的至少一种。

37.一种用于制造根据权利要求31所述的层压的3D金属物品的层压箔片，包括:

金属层，其包括铝合金，所述铝合金具有按重量计至少85％的铝和按重量计至多0.1％的铜，所述金属层的厚度至多为100μm；和

至多300nm的标记层，其层压到所述金属层的一个表面的至少一部分，所述标记层包括铜。

38.根据权利要求37所述的层压箔片，其中所述标记层包括铜合金。

39.根据权利要求37所述的层压箔片，其中所述金属层具有5-50μm的厚度。

40.根据权利要求37所述的层压箔片，其中所述标记层具有至多200nm的厚度。

41.根据权利要求37-40中任一项所述的层压箔片，其中所述金属层还包括镁。

42.根据权利要求41所述的层压箔片，其中所述金属层还包括锌和硅中的至少一种。

43.根据权利要求37-40中任一项所述的层压箔片，具有至少150MPa的屈服强度。

44.一种用于制造根据权利要求31所述的层压的3D金属物品的层压箔片，包括:

金属层，所述金属层包括热处理的铝合金，所述铝合金具有按重量计至少85％的铝和按重量计至多0.1％的附加材料，所述金属层的厚度至多为100μm；和

至多300nm的标记层，其包括层压到所述金属层的一个表面的至少一部分的附加材料，

其中所述附加材料具有高于铝的电化学势，

并且其中施加至所述铝合金的热处理是沉淀硬化。

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