CN106944750B - 用于使陶瓷基质复合物（cmc）板材成形的***与方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于使具有第一表面和第二表面的陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的方法。方法包含接收表示CMC板材的预定形状和类型的输入信号。此外，方法包含基于所接收的输入信号而选择激光束。而且，方法包含将所选择的激光束投射在CMC板材上，以使CMC板材成形为预定形状。

Description

用于使陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的***与方法
背景技术
本说明书的实施例一般涉及陶瓷基质复合物（CMC）板材，并且更特别地，涉及用于以预定形状来使CMC板材成形的***与方法。
由于CMC材料的高抗龟裂性或断裂韧度，它们以板材的形式用来制造复合物结构，例如飞行器机翼、风扇罩以及飞行器机身、汽车工业、航运业以及其它。通常，CMC板材由纤维层（ply）材料制成。在一个示例中，CMC板材用作在复合物结构的表面之上在不同角度的带子（tape），以最大化复合物结构的强度。为了改善该结构的强度和质量，使CMC材料以预定形状设置在该结构上是值得期待的。通常，带子以预定义模式在该结构的表面之上重复地被滚压（roll），从而积累带子的层，直到已在该结构上形成叠层（layup）。
在常规***中，机械工具用来将CMC板材切割成预期用于制造复合物结构的一个或多个预定形状。在一个示例中，金刚石砂轮用作用来切割CMC板材的机械工具。更具体地，金刚石砂轮物理地放置在CMC板材上，并且机械力施加在金刚石砂轮上来对CMC板材进行切割。然而，CMC板材上的这种机械力可引起纤维磨损和/或纤维变形，这进而可引起在从CMC板材切割的预定形状的大小和/或形状中大的以及非期望的变化。在一些情形中，在CMC板材的大小和/或形状中的这种变化可无法满足采用具有CMC板材的预定形状/CMC板材的结构的***的设计容差要求。
发明内容
根据本说明书的方面，提出了一种用于使具有第一表面和第二表面的陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的方法。方法包含接收表示CMC板材的预定形状和类型的输入信号。此外，方法包含基于所接收的输入信号而选择激光束。而且，方法包含将所选择的激光束投射到CMC板材上，以使CMC板材成形为预定形状。
根据本说明书的另外方面，提出了一种用于使陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的激光装置。激光装置包含配置成接收表示CMC板材的预定形状和类型的输入信号的用户接口。此外，激光装置包含耦合到用户接口并且配置成基于所接收的输入信号而选择激光束的处理器。而且，激光装置包含耦合到处理器并且配置成将所选择的激光束投射到CMC板材上来使CMC板材成形为预定形状的束生成单元。
根据本说明书的另一个方面，提出了一种用于以预定形状来使陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的***。***包含配置成支撑具有第一表面和第二表面的CMC板材的基板，其中基板耦合到CMC板材的第二表面。此外，***包含激光装置，激光装置包含配置成接收表示CMC板材的预定形状和类型的输入信号的用户接口。而且，激光装置包含耦合到用户接口并且配置成基于所接收的输入信号而选择激光束的处理器。此外，激光装置包含耦合到处理器并且配置成将所选择的激光束投射到CMC板材的第一表面来以预定形状使CMC板材成形的束生成单元。
本发明提供一组技术方案,如下:
1. 一种用于使具有第一表面和第二表面的陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的方法，所述方法包括：
接收表示所述CMC板材的预定形状和类型的输入信号；
基于所接收的输入信号而选择激光束；以及
将所选择的激光束投射在所述CMC板材上，以使所述CMC板材成形为所述预定形状。
2. 如技术方案1所述的方法，其中所选择的激光束包括具有小于1 µs的宽度的多个短激光脉冲。
3. 如技术方案1所述的方法，其中所述多个短激光脉冲具有在从大约200 nm到大约11000 nm的范围中的波长。
4. 如技术方案1所述的方法，其中选择所述激光束包括：
识别对应于所接收的输入信号的束轮廓；以及
选择包括所识别的束轮廓的所述激光束，其中所识别的束轮廓提供在所述CMC板材上的锐利的切口边缘。
5. 如技术方案4所述的方法，其中所识别的束轮廓包括顶帽束轮廓。
6. 如技术方案1所述的方法，进一步包括在将所选择的激光束投射在所述CMC板材上之前在所述CMC板材的所述第一和第二表面上应用聚合物膜。
7. 如技术方案6所述的方法，其中所述聚合物膜包括具有在从大约0.001英寸到0.004英寸的范围中的厚度的聚酯膜。
8. 如技术方案6所述的方法，进一步包括提供设置成相邻于所述CMC板材的所述第二表面的阻燃剂结构，以最小化在所述CMC板材的所述第二表面处的切口破坏。
9. 如技术方案1所述的方法，其中所述CMC板材在没有在所述CMC板材中的基本热变形的情况下被成形为所述预定形状。
10. 一种激光装置，包括：
用户接口，配置成接收表示陶瓷基质复合物（CMC）板材的预定形状和类型的输入信号；
处理器，耦合到所述用户接口并且配置成基于所接收的输入信号而选择激光束；以及
束生成单元，耦合到所述处理器并且配置成将所选择的激光束投射在所述CMC板材上来使所述CMC板材成形为所述预定形状。
11. 如技术方案10所述的激光装置，进一步包括耦合到所述处理器并且配置成存储多个束轮廓的存储器。
12. 如技术方案11所述的激光装置，其中所述处理器配置成基于所接收的输入信号从所述多个束轮廓选择束轮廓。
13. 如技术方案12所述的激光装置，其中所述束生成单元配置成生成包括所选择的束轮廓的所述激光束以便提供在所述CMC板材上的锐利的切口边缘。
14. 如技术方案10所述的激光装置，进一步包括耦合到所述束生成单元并且配置成在所述CMC板材之上在一个或多个方向上引导所生成的激光束的喷气管。
15. 如技术方案10所述的激光装置，其中所述处理器配置成选择具有在从大约200 nm到大约700 nm的范围中的波长的所述激光束。
16. 如技术方案10所述的激光装置，其中所述处理器选择具有小于1 µs的脉冲持续时间的所述激光束。
17. 一种用于以预定形状使陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的***，所述***包括：
基板，配置成支撑具有第一表面和第二表面的所述CMC板材，其中所述基板耦合到所述CMC板材的所述第二表面；
激光装置，包括：
用户接口，配置成接收表示所述CMC板材的预定形状和类型的输入信号；
处理器，耦合到所述用户接口并且配置成基于所接收的输入信号而选择激光束；以及
束生成单元，耦合到所述处理器并且配置成将所选择的激光束投射在所述CMC板材的所述第一表面上来以所述预定形状使所述CMC板材成形。
18. 如技术方案17所述的***，进一步包括：
阻燃剂结构，定位在所述基板和所述CMC板材之间，并且配置成最小化在所述CMC板材的所述第二表面处的切口破坏。
19. 如技术方案17所述的***，进一步包括：
聚合物膜，设置在所述CMC板材的所述第一表面和所述第二表面的至少一个上，并且配置成避免所述CMC板材的污染。
20. 如技术方案17所述的***，其中所述基板包括排气腔和真空腔的至少一个来收集从所述CMC板材生成的颗粒或烟尘。
附图说明
当参考附图阅读下面详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面、和优点将变得更好理解，在附图中相似的字符在图通篇中表示相似的部分，其中：
图1是根据本说明书的方面的用于使陶瓷基质复合物（CMC）板材成形的基于激光器的***的图解表示；
图2是根据本说明书的一个实施例的用在图1的基于激光器的***中的工作台单元的图解表示；
图3是根据本说明书的另一个实施例的用在图1的基于激光器的***中的工作台单元的图解表示；以及
图4是图示根据本说明书的方面的用于使CMC板材成形的示范方法的流程图。
具体实施方式
如下文中将详细被描述的，提出了用于使由陶瓷基质复合物（CMC）材料制成的板材成形的示范***与方法的各种实施例。CMC材料包含设置在陶瓷基质中的陶瓷纤维。CMC材料也可被称作为“陶瓷纤维增强陶瓷”（CFRC）或“纤维增强陶瓷”（FRC）。特别地，CMC板材以CMC板材的最小或零磨损或变形成形为预定形状。
现在转到图并且参考图1，描绘了根据本说明书的方面的一种用于使陶瓷基质复合物（CMC）板材102成形的基于激光器的***100的图解表示。基于激光器的***100配置成将一个或多个激光束122投射在CMC板材102之上，以使CMC板材102成形或切割为预定形状。可注意到，预定形状可以是由用户所预期的任何形状。在一个示例中，CMC板材102可以是具有多个纤维的碳纤维材料或碳化硅材料。可注意到，术语“CMC板材”以及“CMC层材料”可在本申请通篇中可交换地被使用。在一个实施例中，CMC板材102可被用作用来制造一个或多个复合物结构的预栓（pre-peg）层带子。在一个示例中，CMC板材102可具有在从大约0.005英寸到大约0.010英寸的范围中的厚度。
在当前预期的配置中，基于激光器的***100包含工作台单元104和激光装置106。在操作中，当激光装置106使CMC板材102成形为预定形状时，CMC板材102设置在工作台单元104上。如图1中所描绘的，工作台单元104包含具有一个或多个保持组件（未示出）的基板108。保持组件可用来将CMC板材102固定到基板108。CMC板材102放置在基板108的第一表面110上。在一个示例中，CMC板材102可以是展开或放置在基板108之上的薄带子。除了基板108之外，工作台单元104还可包含排气或真空腔来收集在CMC板材102的成形期间生成的颗粒或烟尘。而且，真空腔用来保持穿过CMC板材102的激光束122的聚焦位置。另外，真空腔可确保CMC板材102在CMC板材102的成形期间停留在喷气管120下的不变的位置中。可注意到，工作台单元104可包含其它组件，例如阻燃剂结构和/或铝（Al）板，这些参考图2和3来更加详细地解释。
此外，激光装置106可定位在离工作台单元104预定义的高度处。激光装置106可包含用户接口112、处理器114、存储器116、束生成单元118以及喷气管120。可注意到，激光装置106可包含其它组件，例如传感器和致动器，并且不被限制于在图1中示出的组件。此外，用户接口112可用来从用户接收一个或多个输入信号。这些输入信号可表示由用户所预期的CMC板材102的预定形状。而且，这些输入信号可表示CMC板材102的类型。在一个示例中，CMC板材102的类型可包含CMC板材102的厚度、CMC板材102的织构(texture)、和/或CMC板材102的硬度。在一个实施例中，用户可使用远程装置或无线装置来发送输入信号到用户接口112。
在某些实施例中，处理器114电耦合到用户接口112，并且配置成从用户接口112接收这些输入信号。处理器114可处理或计算所接收的输入信号，并且基于所接收的输入信号而选择激光束。在一个示例中，存储器116可存储多个束轮廓（profile），其中束轮廓的每一个可关联于CMC板材的类型和/或由用户所预期的CMC板材的预定形状。此外，处理器114可识别对应于输入信号的束轮廓。在图1的实施例中，所识别的束轮廓可包含顶帽（top-hat）束轮廓。在一个示例中，顶帽束轮廓可被称作为具有均匀能量分布以及在激光束的焦斑上的锐利边缘的束轮廓。在一个示例中，激光束可包含具有小于1 µs的宽度的多个短激光脉冲。而且，这些短激光脉冲可具有在从大约200 nm到大约11000 nm的范围中的波长。在一个实施例中，由于绿颜色的激光波长容易被CMC板材102吸收，所以绿激光束用来切割CMC板材102。此外，束生成单元118可生成与所识别的束轮廓相关联的激光束122。在一个示例中，所识别的束轮廓提供在CMC板材102上的锐利的切口边缘，以及对CMC板材102的较少的热破坏。在一个示例中，锐利的切口边缘可被称作为CMC板材102的边缘，边缘在使用激光束122切割CMC板材102之后形成。这些锐利的切口边缘可具有甚至在CMC板材102的一定放大下可忽略的或没有纤维磨损。
束生成单元118可电耦合到处理器114，并且配置成将所生成的激光束投射在CMC板材102上来以预定形状切割CMC板材102或使其成形。特别地，束生成单元118可发送激光束到喷气管120，喷气管120进而将激光束投射在CMC板材102之上。在一个示例中，纤维缆可耦合在束生成单元118和喷气管120之间，以将来自束生成单元118的激光束发送到喷气管120。而且，喷气管120可在CMC板材102之上在一个或多个方向上移动来以预定形状对CMC板材102进行切割。在一个示例中，一个或多个致动器和传感器连同其它支撑结构可用来在CMC板材102之上在一个或多个方向上移动喷气管120。
此外，所投射的激光束可被CMC板材102吸收来创建在CMC板材102上的切口。而且，所投射的激光束可创建在CMC板材102上的锐利的切口边缘。由于激光束用来切割CMC板材102，所以不存在创建在CMC板材102上的机械切割力。而且，借助于激光束，CMC板材102可在没有或可忽略的材料变形、碎屑和/或纤维***被切割，因而将CMC板材102的切割形状保持在紧密容差之内。在一个示例中，激光束配置成在+/-0.002微英寸的大小容差之内将CMC板材切割为预定形状。
在一个实施例中，激光束可用来按照非常高的速率对CMC板材102进行切割。在一个示例中，激光束可按照在从大约0.5 in/s到大约5 in/s的范围中的速率来切割CMC板材102。适当的切割速率是值得期待的，以最小化切割时间并且提高在预定形状中的锐利的切口边缘。在使CMC板材102切割或成形为预定形状时，CMC板材102可从工作台单元104被移除并且可用于一个或多个应用。
有利地，通过采用示范的基于激光器的***100，CMC板材102可在没有任何机械力的情况下被切割为预定形状，由此避免了在CMC板材102中的材料变形、碎屑和/或纤维***。此外，相比于常规的切割工具，示范的基于激光器的***100可在更短的持续时间中使CMC板材成形。作为示例，用于使CMC板材成形所要求的持续时间是常规切割工具的两或三倍。
参考图2，描绘了根据本说明书的一个实施例的工作台单元200的图解表示。工作台单元200类似于图1的工作台单元104，除了阻燃剂结构202定位在基板204和CMC板材206之间外。而且，在图2的实施例中，聚合物膜208应用在CMC板材206的第一表面210和第二表面212上，以最小化或阻止在激光束214投射到CMC板材206上时CMC板材206的非期望移动。此外，CMC板材206上的聚合物膜208配置成阻止在CMC板材206的成形期间CMC板材206的污染。特别地，在使用激光束214切割CMC板材206时，CMC板材206中的纤维可特别是在切口的边缘处被污染。在一个示例中，CMC板材206的这种污染可沉淀（settle）在CMC板材206的第二表面212处。为了最小化或阻止CMC板材206的污染，聚合物膜208应用在CMC板材206的第一表面210和第二表面212上。在一个实施例中，聚合物膜208可包含具有在从大约0.001英寸到大约0.004英寸的范围中的厚度的聚酯膜或塑料膜。在一个示例中，聚酯膜是透明的聚酯树脂（mylar）膜。聚合物膜208可帮助用户在从一个或多个位置加载和/或卸载CMC板材206时保持或移动CMC板材。此外，在使CMC板材206成形和/或卸载之后，聚合物膜208可从CMC板材206的第一表面210和/或第二表面212移除。
在某些实施例中，阻燃剂结构202可设置成相邻于CMC板材206的第二表面212。阻燃剂结构202可用来最小化在CMC板材206的第二表面212处的切口破坏。特别地，阻燃剂结构202是蜂巢结构，其能够承受由激光束生成的急剧加热。在一个示例中，阻燃剂结构202可包含铝（Al）蜂巢结构和/或高熔点芳香族聚酰胺（nomex）蜂巢结构，其用来吸收由激光束生成的热量，由此最小化在CMC板材206的第二表面212处的切口破坏。
参考图3，描绘了根据本说明书的另一个实施例的工作台单元300的图解表示。工作台单元300类似于图2的工作台单元200，除了铝（Al）板302定位在基板304和CMC板材306之间外。可选择地，阻燃剂结构可定位在Al板302的下面。
在示范实施例中，Al板302可具有多个狭缝（slot），该狭缝与关联于CMC板材306的预定形状的切口图案匹配。此外，当激光束314投射在CMC板材306的切口图案之上时，激光束314穿过在Al板302中对应的狭缝，并且到达基板304。而且，由于Al板302是良好的导热体，Al板302可吸收由激光加热的底下蜂巢结构生成的热量。这进而最小化了CMC板材306的污染。而且，Al板302可最小化沿CMC板材306的切口边缘的热破坏。此外，在CMC板材306的处理或成形期间生成的颗粒或烟尘可借助于设置在基板底下的排气或真空腔从基板304被去除或驱散。
参考图4，描绘了图示根据本说明书的方面的用于使CMC板材成形或切割的示范方法400的流程图。为了易于理解，方法400参考图1-3的组件被描述。该方法开始于步骤402，其中表示CMC板材102的预定形状和类型的输入信号被处理器114接收。在一个示例中，CMC板材102的类型可包含CMC板材的厚度、CMC板材的织构、和/或CMC板材的硬度。作为示例，用户可经由用户接口112将表示CMC板材102的预定形状和类型的输入信号发送到处理器114。
随后，在步骤404处，由处理器114基于所接收的输入信号选择激光束。为此，激光装置106中的处理器114可处理所接收的输入信号，并且基于所接收的输入信号而选择激光束。例如，处理器114可识别对应于输入信号的束轮廓。在一个实施例中，所识别的束轮廓可包含顶帽束轮廓。此外，束生成单元118可生成对应于所识别的束轮廓的激光束。在一个示例中，对应于所识别的束轮廓的所生成的激光束提供对CMC板材102的较少的热破坏和锐利的切口边缘。
另外，在步骤406处，所生成的激光束投射在CMC板材102上来使CMC板材102切割或成形为预定形状。为此，束生成单元118用来将所生成的激光束投射在CMC板材102上。特别地，束生成单元118可发送所生成的激光束到喷气管120，喷气管120进而将激光束投射在CMC板材之上。而且，喷气管120可在CMC板材之上的一个或多个方向上移动来以预定形状对CMC板材进行切割。在一个示例中，对应于所识别的束轮廓的激光束提供对CMC板材102的最小的或可忽略的热破坏和锐利的切口边缘。
有利地，在各种实施例中，激光束用于以CMC板材的最小或没有机械磨损或热变形使CMC板材切割或成形为预定形状。此外，使用适当的激光束来使CMC板材成形或切割提供了对CMC板材102的最小的或零热破坏和锐利的切口边缘。而且，要求用于使CMC板材成形的持续时间是常规切割工具的两或三倍。
尽管本发明的仅某些特征已在本文中图示和描述，但本领域中的那些技术人员将想到许多的修改和改变。因此，要理解，随附权利要求意图覆盖如落入本发明的真实精神之内的所有此类修改和改变。

Claims (11)

1.一种用于使具有第一表面和第二表面的陶瓷基质复合物CMC板材成形的方法，所述方法包括：
接收表示所述CMC板材的预定形状和类型的输入信号；
基于所接收的输入信号而选择激光束；
将所选择的激光束投射在所述CMC板材上，以使所述CMC板材成形为所述预定形状；以及
提供设置成相邻于所述CMC板材的所述第二表面的阻燃剂结构以便最小化对所述CMC板材的所述第二表面的切口破坏；其中所述阻燃剂结构包括蜂巢结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中所选择的激光束包括具有小于1 µs的宽度的多个短激光脉冲。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述多个短激光脉冲具有在从200 nm到11000 nm的范围中的波长。
4.如权利要求1所述的方法，其中选择所述激光束包括：
识别对应于所接收的输入信号的束轮廓；以及
选择包括所识别的束轮廓的所述激光束，其中所识别的束轮廓在所述CMC板材上提供锐利的切口边缘。
5.如权利要求4所述的方法，其中所识别的束轮廓包括顶帽束轮廓。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括在将所选择的激光束投射在所述CMC板材上之前在所述CMC板材的所述第一表面和所述第二表面上应用聚合物膜。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述聚合物膜包括具有在从0.001英寸到0.004英寸的范围中的厚度的聚酯膜。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述CMC板材在没有在所述CMC板材中的基本热变形的情况下被成形为所述预定形状。
9.一种用于以预定形状使陶瓷基质复合物CMC板材成形的***，所述***包括：
基板，所述基板配置成支撑具有第一表面和第二表面的所述CMC板材，其中所述基板耦合到所述CMC板材的所述第二表面；
阻燃剂结构，所述阻燃剂结构定位在所述基板和所述CMC板材之间；
激光装置，所述激光装置包括：
用户接口，所述用户接口配置成接收表示所述CMC板材的预定形状和类型的输入信号；
处理器，所述处理器耦合到所述用户接口并且配置成基于所接收的输入信号而选择激光束；以及
束生成单元，所述束生成单元耦合到所述处理器并且配置成将所选择的激光束投射在所述CMC板材的所述第一表面上来以所述预定形状使所述CMC板材成形；
其中所述阻燃剂结构配置成最小化在所述CMC板材的所述第二表面处的切口破坏，并且所述阻燃剂结构包括蜂巢结构。
10.如权利要求9所述的***，进一步包括：
聚合物膜，所述聚合物膜设置在所述CMC板材的所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面上，并且配置成避免所述CMC板材的污染。
11.如权利要求9所述的***，其中所述基板包括排气腔和真空腔中的至少一个腔，所述至少一个腔用来收集从所述CMC板材生成的颗粒或烟尘。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111774737B (zh) * 2020-06-30 2021-03-19 中南大学 SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料智能切割方法和装置
CN114248003B (zh) * 2021-12-31 2024-01-16 普聚智能***（苏州）有限公司 一种微零件激光加工的工艺方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006136913A (ja) * 2004-11-11 2006-06-01 Tdk Corp セラミックグリーンシート用レーザ加工装置及びグリーンシート用レーザ加工方法
US20060121265A1 (en) * 2004-12-02 2006-06-08 Siemens Westinghouse Power Corporation Stacked laminate CMC turbine vane
CN101048256A (zh) * 2004-06-08 2007-10-03 豪雅公司 包含有采用飞秒激光烧蚀步骤的生产微米级或纳米级机械零件的方法
CN103492118A (zh) * 2012-03-16 2014-01-01 松下电器产业株式会社 激光加工装置及激光加工方法
CN104025251A (zh) * 2011-09-21 2014-09-03 雷蒂安斯公司 切割材料的***和过程
CN105073317A (zh) * 2013-03-08 2015-11-18 株式会社Ihi 陶瓷基复合材料的加工方法

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3809693A1 (de) 1988-03-23 1989-10-12 Hoechst Ceram Tec Ag Verfahren zur herstellung von keramikfoliengiessmassen fuer duennfilmschaltungen
JPH0679486A (ja) * 1992-08-25 1994-03-22 Rohm Co Ltd インクジェットヘッドの加工方法
JPH06170822A (ja) 1992-12-02 1994-06-21 Ngk Spark Plug Co Ltd シート加工品及びその製造方法
JP3028741B2 (ja) 1994-12-20 2000-04-04 日立電線株式会社 基板材料の切断方法及びその装置
US5779833A (en) * 1995-08-04 1998-07-14 Case Western Reserve University Method for constructing three dimensional bodies from laminations
JP2000165017A (ja) * 1998-11-25 2000-06-16 Taiyo Yuden Co Ltd セラミックグリーンシートの加工方法及びその装置
DE60038400T2 (de) * 1999-04-02 2009-04-23 Murata Mfg. Co., Ltd., Nagaokakyo-shi Laserverfahren zur Bearbeitung von Löchern nur in einer keramischen Grünfolie mit einem Trägerfilm
US6441341B1 (en) 2000-06-16 2002-08-27 General Electric Company Method of forming cooling holes in a ceramic matrix composite turbine components
JP2002248593A (ja) 2000-12-21 2002-09-03 Hitachi Metals Ltd シート部材のレーザ加工治具及び加工方法
US7189342B2 (en) 2002-05-09 2007-03-13 Harmonics, Inc. Tapecast electro-conductive cermets for high temperature resistive heating systems
ATE553638T1 (de) 2003-12-25 2012-04-15 Nitto Denko Corp Verfahren zur herstellung durch laser werkstücke
US20080127598A1 (en) * 2005-07-21 2008-06-05 Maestroshield Ip Holdings,Llc Mesh system
US20070075455A1 (en) * 2005-10-04 2007-04-05 Siemens Power Generation, Inc. Method of sealing a free edge of a composite material
CN101032832B (zh) 2006-03-08 2013-04-17 河北勇龙邦大新材料有限公司 激光三维加工陶瓷坯体方法与装置
FR2909297B1 (fr) * 2006-11-30 2010-03-05 Snecma Procede de percage laser d'une piece en materiau composite a matrice ceramique, trou obtenu par ce procede, piece en materiau composite a matrice ceramique le comportant, turboreacteur comportant une telle piece.
EP2489505A1 (en) * 2007-10-22 2012-08-22 Flexible Ceramics, Inc. Fire resistant flexible ceramic resin blend and composite products formed therefrom
EP2253413A1 (en) * 2009-05-15 2010-11-24 National University of Ireland Galway Method for laser ablation
DE102010008296A1 (de) * 2010-02-17 2011-08-18 Carl Zeiss NTS GmbH, 73447 Laserbearbeitungssystem, Objekthalter und Laserbearbeitungsverfahren
CN202114403U (zh) 2011-02-21 2012-01-18 深圳市木森科技有限公司 红外激光切割陶瓷的装置
US10239160B2 (en) 2011-09-21 2019-03-26 Coherent, Inc. Systems and processes that singulate materials
US8980156B2 (en) * 2012-02-23 2015-03-17 Nike, Inc. System and method for making golf balls
US20130315999A1 (en) 2012-04-20 2013-11-28 The General Hospital Corporation Compositions and methods comprising energy absorbing compoundfs for follicular delivery
US20140075754A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-20 United Technologies Corporation System method for machining aircraft components
CN204747780U (zh) * 2015-04-23 2015-11-11 深圳光韵达激光应用技术有限公司 一种用于激光切割设备的陶瓷吸附平台

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101048256A (zh) * 2004-06-08 2007-10-03 豪雅公司 包含有采用飞秒激光烧蚀步骤的生产微米级或纳米级机械零件的方法
JP2006136913A (ja) * 2004-11-11 2006-06-01 Tdk Corp セラミックグリーンシート用レーザ加工装置及びグリーンシート用レーザ加工方法
US20060121265A1 (en) * 2004-12-02 2006-06-08 Siemens Westinghouse Power Corporation Stacked laminate CMC turbine vane
CN104025251A (zh) * 2011-09-21 2014-09-03 雷蒂安斯公司 切割材料的***和过程
CN103492118A (zh) * 2012-03-16 2014-01-01 松下电器产业株式会社 激光加工装置及激光加工方法
CN105073317A (zh) * 2013-03-08 2015-11-18 株式会社Ihi 陶瓷基复合材料的加工方法

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