[发明专利]超声波辅助下的软金属切割

说明书

用于切割软金属的方法，包括使用能够通过超声波振动启动的切割工具。所述方法用于切割在电化学存储设备的制造中使用的部件，例如，锂电池。这些部件包含阳极、阴极、固体电解质、集电器和隔板。所述方法还用于制造和/或表征电化学存储设备的系统中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月13日提交的加拿大申请第3,027,620号的优先权。加拿大申请3,027,620的内容通过引用并入本申请中。

技术领域

本发明总体上涉及一种切割软金属的方法。特别地，本发明涉及一种使用系统的方法，该系统包括通过超声波振动启动的切割刀片，用于切割软金属。根据本发明的方法用于切割在电化学存储设备的制造中使用的部件，例如，锂电池。这些部件包含阳极、阴极、固体电解质、集电器以及隔板。

背景技术

超声波是一种机械弹性波，其通过流体、固体、气体或液体介质传播。超声波的频率范围在16,000到10,000,000赫兹之间。此类频率太高而无法被人耳感知。

超声波有几种工业应用。例如，它用于零件的无损测试。超声波还用于直接影响生物的领域，诸如医学超声、外科手术(动脉疏通、髋关节置换、抽脂等)。超声波的其他应用领域包含混合以其他方式难以混合的流体、清洁零件、烟气除尘、焊接塑料和金属、机械加工[1]。

术语“超声波”也还可用于描述技术援助流程。例如，辅助精密研磨、切割(车削、钻孔、铣削)、电蚀、注射、挤压等。在这些辅助过程中，方法的物理原理保持不变。超声波振动通过减少摩擦条件或通过创造所需的强烈条件来提高性能[1]。

可以用不同的机制将电能转化为机械能，用于超声波发生器的开发。这些机制例如包含电动效应、静电效应、磁效应、磁致伸缩效应、电致伸缩效应、压电效应[1]。

当辅助切割时，超声波可显著降低切割力、改善表面光洁度以及减少所用工具的磨损[1]。此外，材料对所用工具的粘附性较低。

切割是一种用工具(通常称为切割工具)进行尺寸缩小的机械操作，它允许根据精确的几何形状分割固体材料，以获得尺寸缩小的块件，或分离不同的零件[2]。

超声波在诸如焊接和医学成像等非常先进的技术中已经使用了很长时间。超声波技术已经应用于食品的切割，例如，糕点的切割[3]。这项技术在这一领域发展迅速，并且现在为与切割软、粘、耐嚼、易碎和/或异构食品相关的问题提供了多种解决方案[2]。

超声波本身不作为切割工具使用。超声波用于改善切割工具(例如，由裁切机运动驱动的刀片)的性能。因此，超声波被应用于刀片。所述刀片可以具有特定的几何形状。

通常，为了产生超声波，60Hz的电流通过发生器转换成20kHz的电流。该发生器将激发由四层陶瓷组成的压电体。该陶瓷在每秒20,000次的电效应下缩回，将电能转化为机械能，机械能由助推器放大并传输到刀片。通过以高频(20kHz)振动，该刀片产生振幅为50μm至100μm的微位移。然后，刀片线受到大约10⁵g的大机械加速度，这导致刀片下的材料断裂。放大倍数取决于要加工的产品：产品越软，放大倍数越小。与刀片的该振动并行，切割工具下降。因此，切割时不会压缩产品，也不会产生摩擦，这使得即使是非常粘或非常易碎的产品也能获得漂亮的切割表面[2]。

超声波辅助切割技术可以轻松切割难以切割的材料。此类材料包含碳材料、橡胶、热塑性塑料、皮革、织物、非织造布、纸、塑料板等。然而，对于韧性材料(诸如软金属)的切割，利用其他技术(诸如标准切割、电蚀、电化学[1])通常被认为更具成本效益。