背景技術(shù)：

本說明書的實(shí)施例一般涉及陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材，并且更特別地，涉及用于以預(yù)定形狀來使cmc板材成形的系統(tǒng)與方法。

由于cmc材料的高抗龜裂性或斷裂韌度，它們以板材的形式用來制造復(fù)合物結(jié)構(gòu)，例如飛行器機(jī)翼、風(fēng)扇罩以及飛行器機(jī)身、汽車工業(yè)、航運(yùn)業(yè)以及其它。通常，cmc板材由纖維層（ply）材料制成。在一個(gè)示例中，cmc板材用作在復(fù)合物結(jié)構(gòu)的表面之上在不同角度的帶子（tape），以最大化復(fù)合物結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。為了改善該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和質(zhì)量，使cmc材料以預(yù)定形狀設(shè)置在該結(jié)構(gòu)上是值得期待的。通常，帶子以預(yù)定義模式在該結(jié)構(gòu)的表面之上重復(fù)地被滾壓（roll），從而積累帶子的層，直到已在該結(jié)構(gòu)上形成疊層（layup）。

在常規(guī)系統(tǒng)中，機(jī)械工具用來將cmc板材切割成預(yù)期用于制造復(fù)合物結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)定形狀。在一個(gè)示例中，金剛石砂輪用作用來切割cmc板材的機(jī)械工具。更具體地，金剛石砂輪物理地放置在cmc板材上，并且機(jī)械力施加在金剛石砂輪上來對cmc板材進(jìn)行切割。然而，cmc板材上的這種機(jī)械力可引起纖維磨損和/或纖維變形，這進(jìn)而可引起在從cmc板材切割的預(yù)定形狀的大小和/或形狀中大的以及非期望的變化。在一些情形中，在cmc板材的大小和/或形狀中的這種變化可無法滿足采用具有cmc板材的預(yù)定形狀/cmc板材的結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容差要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本說明書的方面，提出了一種用于使具有第一表面和第二表面的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材成形的方法。方法包含接收表示cmc板材的預(yù)定形狀和類型的輸入信號。此外，方法包含基于所接收的輸入信號而選擇激光束。而且，方法包含將所選擇的激光束投射到cmc板材上，以使cmc板材成形為預(yù)定形狀。

根據(jù)本說明書的另外方面，提出了一種用于使陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材成形的激光裝置。激光裝置包含配置成接收表示cmc板材的預(yù)定形狀和類型的輸入信號的用戶接口。此外，激光裝置包含耦合到用戶接口并且配置成基于所接收的輸入信號而選擇激光束的處理器。而且，激光裝置包含耦合到處理器并且配置成將所選擇的激光束投射到cmc板材上來使cmc板材成形為預(yù)定形狀的束生成單元。

根據(jù)本說明書的另一個(gè)方面，提出了一種用于以預(yù)定形狀來使陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材成形的系統(tǒng)。系統(tǒng)包含配置成支撐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，系統(tǒng)包含激光裝置，激光裝置包含配置成接收表示cmc板材的預(yù)定形狀和類型的輸入信號的用戶接口。而且，激光裝置包含耦合到用戶接口并且配置成基于所接收的輸入信號而選擇激光束的處理器。此外，激光裝置包含耦合到處理器并且配置成將所選擇的激光束投射到cmc板材的第一表面來以預(yù)定形狀使cmc板材成形的束生成單元。

本發(fā)明提供一組技術(shù)方案,如下:

1.一種用于使具有第一表面和第二表面的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材成形的方法，所述方法包括：

接收表示所述cmc板材的預(yù)定形狀和類型的輸入信號；

基于所接收的輸入信號而選擇激光束；以及

將所選擇的激光束投射在所述cmc板材上，以使所述cmc板材成形為所述預(yù)定形狀。

2.如技術(shù)方案1所述的方法，其中所選擇的激光束包括具有小于1μs的寬度的多個(gè)短激光脈沖。

3.如技術(shù)方案1所述的方法，其中所述多個(gè)短激光脈沖具有在從大約200nm到大約11000nm的范圍中的波長。

4.如技術(shù)方案1所述的方法，其中選擇所述激光束包括：

識別對應(yīng)于所接收的輸入信號的束輪廓；以及

選擇包括所識別的束輪廓的所述激光束，其中所識別的束輪廓提供在所述cmc板材上的銳利的切口邊緣。

5.如技術(shù)方案4所述的方法，其中所識別的束輪廓包括頂帽束輪廓。

6.如技術(shù)方案1所述的方法，進(jìn)一步包括在將所選擇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應(yīng)用聚合物膜。

7.如技術(shù)方案6所述的方法，其中所述聚合物膜包括具有在從大約0.001英寸到0.004英寸的范圍中的厚度的聚酯膜。

8.如技術(shù)方案6所述的方法，進(jìn)一步包括提供設(shè)置成相鄰于所述cmc板材的所述第二表面的阻燃劑結(jié)構(gòu)，以最小化在所述cmc板材的所述第二表面處的切口破壞。

9.如技術(shù)方案1所述的方法，其中所述cmc板材在沒有在所述cmc板材中的基本熱變形的情況下被成形為所述預(yù)定形狀。

10.一種激光裝置，包括：

用戶接口，配置成接收表示陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材的預(yù)定形狀和類型的輸入信號；

處理器，耦合到所述用戶接口并且配置成基于所接收的輸入信號而選擇激光束；以及

束生成單元，耦合到所述處理器并且配置成將所選擇的激光束投射在所述cmc板材上來使所述cmc板材成形為所述預(yù)定形狀。

11.如技術(shù)方案10所述的激光裝置，進(jìn)一步包括耦合到所述處理器并且配置成存儲多個(gè)束輪廓的存儲器。

12.如技術(shù)方案11所述的激光裝置，其中所述處理器配置成基于所接收的輸入信號從所述多個(gè)束輪廓選擇束輪廓。

13.如技術(shù)方案12所述的激光裝置，其中所述束生成單元配置成生成包括所選擇的束輪廓的所述激光束以便提供在所述cmc板材上的銳利的切口邊緣。

14.如技術(shù)方案10所述的激光裝置，進(jìn)一步包括耦合到所述束生成單元并且配置成在所述cmc板材之上在一個(gè)或多個(gè)方向上引導(dǎo)所生成的激光束的噴氣管。

15.如技術(shù)方案10所述的激光裝置，其中所述處理器配置成選擇具有在從大約200nm到大約700nm的范圍中的波長的所述激光束。

16.如技術(shù)方案10所述的激光裝置，其中所述處理器選擇具有小于1μs的脈沖持續(xù)時(shí)間的所述激光束。

17.一種用于以預(yù)定形狀使陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材成形的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

基板，配置成支撐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；

激光裝置，包括：

用戶接口，配置成接收表示所述cmc板材的預(yù)定形狀和類型的輸入信號；

處理器，耦合到所述用戶接口并且配置成基于所接收的輸入信號而選擇激光束；以及

束生成單元，耦合到所述處理器并且配置成將所選擇的激光束投射在所述cmc板材的所述第一表面上來以所述預(yù)定形狀使所述cmc板材成形。

18.如技術(shù)方案17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括：

阻燃劑結(jié)構(gòu)，定位在所述基板和所述cmc板材之間，并且配置成最小化在所述cmc板材的所述第二表面處的切口破壞。

19.如技術(shù)方案17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括：

聚合物膜，設(shè)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個(gè)上，并且配置成避免所述cmc板材的污染。

20.如技術(shù)方案17所述的系統(tǒng)，其中所述基板包括排氣腔和真空腔的至少一個(gè)來收集從所述cmc板材生成的顆?；驘焿m。

附圖說明

當(dāng)參考附圖閱讀下面詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些及其它特征、方面、和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中相似的字符在圖通篇中表示相似的部分，其中：

圖1是根據(jù)本說明書的方面的用于使陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材成形的基于激光器的系統(tǒng)的圖解表示；

圖2是根據(jù)本說明書的一個(gè)實(shí)施例的用在圖1的基于激光器的系統(tǒng)中的工作臺單元的圖解表示；

圖3是根據(jù)本說明書的另一個(gè)實(shí)施例的用在圖1的基于激光器的系統(tǒng)中的工作臺單元的圖解表示；以及

圖4是圖示根據(jù)本說明書的方面的用于使cmc板材成形的示范方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

如下文中將詳細(xì)被描述的，提出了用于使由陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）材料制成的板材成形的示范系統(tǒng)與方法的各種實(shí)施例。cmc材料包含設(shè)置在陶瓷基質(zhì)中的陶瓷纖維。cmc材料也可被稱作為“陶瓷纖維增強(qiáng)陶瓷”（cfrc）或“纖維增強(qiáng)陶瓷”（frc）。特別地，cmc板材以cmc板材的最小或零磨損或變形成形為預(yù)定形狀。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖并且參考圖1，描繪了根據(jù)本說明書的方面的一種用于使陶瓷基質(zhì)復(fù)合物（cmc）板材102成形的基于激光器的系統(tǒng)100的圖解表示?；诩す馄鞯南到y(tǒng)100配置成將一個(gè)或多個(gè)激光束122投射在cmc板材102之上，以使cmc板材102成形或切割為預(yù)定形狀。可注意到，預(yù)定形狀可以是由用戶所預(yù)期的任何形狀。在一個(gè)示例中，cmc板材102可以是具有多個(gè)纖維的碳纖維材料或碳化硅材料?？勺⒁獾?，術(shù)語“cmc板材”以及“cmc層材料”可在本申請通篇中可交換地被使用。在一個(gè)實(shí)施例中，cmc板材102可被用作用來制造一個(gè)或多個(gè)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的預(yù)栓（pre-peg）層帶子。在一個(gè)示例中，cmc板材102可具有在從大約0.005英寸到大約0.010英寸的范圍中的厚度。

在當(dāng)前預(yù)期的配置中，基于激光器的系統(tǒng)100包含工作臺單元104和激光裝置106。在操作中，當(dāng)激光裝置106使cmc板材102成形為預(yù)定形狀時(shí)，cmc板材102設(shè)置在工作臺單元104上。如圖1中所描繪的，工作臺單元104包含具有一個(gè)或多個(gè)保持組件（未示出）的基板108。保持組件可用來將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。在一個(gè)示例中，cmc板材102可以是展開或放置在基板108之上的薄帶子。除了基板108之外，工作臺單元104還可包含排氣或真空腔來收集在cmc板材102的成形期間生成的顆?；驘焿m。而且，真空腔用來保持穿過cmc板材102的激光束122的聚焦位置。另外，真空腔可確保cmc板材102在cmc板材102的成形期間停留在噴氣管120下的不變的位置中。可注意到，工作臺單元104可包含其它組件，例如阻燃劑結(jié)構(gòu)和/或鋁（al）板，這些參考圖2和3來更加詳細(xì)地解釋。

此外，激光裝置106可定位在離工作臺單元104預(yù)定義的高度處。激光裝置106可包含用戶接口112、處理器114、存儲器116、束生成單元118以及噴氣管120?？勺⒁獾?，激光裝置106可包含其它組件，例如傳感器和致動器，并且不被限制于在圖1中示出的組件。此外，用戶接口112可用來從用戶接收一個(gè)或多個(gè)輸入信號。這些輸入信號可表示由用戶所預(yù)期的cmc板材102的預(yù)定形狀。而且，這些輸入信號可表示cmc板材102的類型。在一個(gè)示例中，cmc板材102的類型可包含cmc板材102的厚度、cmc板材102的織構(gòu)(texture)、和/或cmc板材102的硬度。在一個(gè)實(shí)施例中，用戶可使用遠(yuǎn)程裝置或無線裝置來發(fā)送輸入信號到用戶接口112。

在某些實(shí)施例中，處理器114電耦合到用戶接口112，并且配置成從用戶接口112接收這些輸入信號。處理器114可處理或計(jì)算所接收的輸入信號，并且基于所接收的輸入信號而選擇激光束。在一個(gè)示例中，存儲器116可存儲多個(gè)束輪廓（profile），其中束輪廓的每一個(gè)可關(guān)聯(lián)于cmc板材的類型和/或由用戶所預(yù)期的cmc板材的預(yù)定形狀。此外，處理器114可識別對應(yīng)于輸入信號的束輪廓。在圖1的實(shí)施例中，所識別的束輪廓可包含頂帽（top-hat）束輪廓。在一個(gè)示例中，頂帽束輪廓可被稱作為具有均勻能量分布以及在激光束的焦斑上的銳利邊緣的束輪廓。在一個(gè)示例中，激光束可包含具有小于1μs的寬度的多個(gè)短激光脈沖。而且，這些短激光脈沖可具有在從大約200nm到大約11000nm的范圍中的波長。在一個(gè)實(shí)施例中，由于綠顏色的激光波長容易被cmc板材102吸收，所以綠激光束用來切割cmc板材102。此外，束生成單元118可生成與所識別的束輪廓相關(guān)聯(lián)的激光束122。在一個(gè)示例中，所識別的束輪廓提供在cmc板材102上的銳利的切口邊緣，以及對cmc板材102的較少的熱破壞。在一個(gè)示例中，銳利的切口邊緣可被稱作為cmc板材102的邊緣，邊緣在使用激光束122切割cmc板材102之后形成。這些銳利的切口邊緣可具有甚至在cmc板材102的一定放大下可忽略的或沒有纖維磨損。

束生成單元118可電耦合到處理器114，并且配置成將所生成的激光束投射在cmc板材102上來以預(yù)定形狀切割cmc板材102或使其成形。特別地，束生成單元118可發(fā)送激光束到噴氣管120，噴氣管120進(jìn)而將激光束投射在cmc板材102之上。在一個(gè)示例中，纖維纜可耦合在束生成單元118和噴氣管120之間，以將來自束生成單元118的激光束發(fā)送到噴氣管120。而且，噴氣管120可在cmc板材102之上在一個(gè)或多個(gè)方向上移動來以預(yù)定形狀對cmc板材102進(jìn)行切割。在一個(gè)示例中，一個(gè)或多個(gè)致動器和傳感器連同其它支撐結(jié)構(gòu)可用來在cmc板材102之上在一個(gè)或多個(gè)方向上移動噴氣管120。

此外，所投射的激光束可被cmc板材102吸收來創(chuàng)建在cmc板材102上的切口。而且，所投射的激光束可創(chuàng)建在cmc板材102上的銳利的切口邊緣。由于激光束用來切割cmc板材102，所以不存在創(chuàng)建在cmc板材102上的機(jī)械切割力。而且，借助于激光束，cmc板材102可在沒有或可忽略的材料變形、碎屑和/或纖維分裂被切割，因而將cmc板材102的切割形狀保持在緊密容差之內(nèi)。在一個(gè)示例中，激光束配置成在+/-0.002微英寸的大小容差之內(nèi)將cmc板材切割為預(yù)定形狀。

在一個(gè)實(shí)施例中，激光束可用來按照非常高的速率對cmc板材102進(jìn)行切割。在一個(gè)示例中，激光束可按照在從大約0.5in/s到大約5in/s的范圍中的速率來切割cmc板材102。適當(dāng)?shù)那懈钏俾适侵档闷诖模宰钚』懈顣r(shí)間并且提高在預(yù)定形狀中的銳利的切口邊緣。在使cmc板材102切割或成形為預(yù)定形狀時(shí)，cmc板材102可從工作臺單元104被移除并且可用于一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用。

有利地，通過采用示范的基于激光器的系統(tǒng)100，cmc板材102可在沒有任何機(jī)械力的情況下被切割為預(yù)定形狀，由此避免了在cmc板材102中的材料變形、碎屑和/或纖維分裂。此外，相比于常規(guī)的切割工具，示范的基于激光器的系統(tǒng)100可在更短的持續(xù)時(shí)間中使cmc板材成形。作為示例，用于使cmc板材成形所要求的持續(xù)時(shí)間是常規(guī)切割工具的兩或三倍。

參考圖2，描繪了根據(jù)本說明書的一個(gè)實(shí)施例的工作臺單元200的圖解表示。工作臺單元200類似于圖1的工作臺單元104，除了阻燃劑結(jié)構(gòu)202定位在基板204和cmc板材206之間外。而且，在圖2的實(shí)施例中，聚合物膜208應(yīng)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上時(shí)cmc板材206的非期望移動。此外，cmc板材206上的聚合物膜208配置成阻止在cmc板材206的成形期間cmc板材206的污染。特別地，在使用激光束214切割cmc板材206時(shí)，cmc板材206中的纖維可特別是在切口的邊緣處被污染。在一個(gè)示例中，cmc板材206的這種污染可沉淀（settle）在cmc板材206的第二表面212處。為了最小化或阻止cmc板材206的污染，聚合物膜208應(yīng)用在cmc板材206的第一表面210和第二表面212上。在一個(gè)實(shí)施例中，聚合物膜208可包含具有在從大約0.001英寸到大約0.004英寸的范圍中的厚度的聚酯膜或塑料膜。在一個(gè)示例中，聚酯膜是透明的聚酯樹脂（mylar）膜。聚合物膜208可幫助用戶在從一個(gè)或多個(gè)位置加載和/或卸載cmc板材206時(shí)保持或移動cmc板材。此外，在使cmc板材206成形和/或卸載之后，聚合物膜208可從cmc板材206的第一表面210和/或第二表面212移除。

在某些實(shí)施例中，阻燃劑結(jié)構(gòu)202可設(shè)置成相鄰于cmc板材206的第二表面212。阻燃劑結(jié)構(gòu)202可用來最小化在cmc板材206的第二表面212處的切口破壞。特別地，阻燃劑結(jié)構(gòu)202是蜂巢結(jié)構(gòu)，其能夠承受由激光束生成的急劇加熱。在一個(gè)示例中，阻燃劑結(jié)構(gòu)202可包含鋁（al）蜂巢結(jié)構(gòu)和/或高熔點(diǎn)芳香族聚酰胺（nomex）蜂巢結(jié)構(gòu)，其用來吸收由激光束生成的熱量，由此最小化在cmc板材206的第二表面212處的切口破壞。

參考圖3，描繪了根據(jù)本說明書的另一個(gè)實(shí)施例的工作臺單元300的圖解表示。工作臺單元300類似于圖2的工作臺單元200，除了鋁（al）板302定位在基板304和cmc板材306之間外?？蛇x擇地，阻燃劑結(jié)構(gòu)可定位在al板302的下面。

在示范實(shí)施例中，al板302可具有多個(gè)狹縫（slot），該狹縫與關(guān)聯(lián)于cmc板材306的預(yù)定形狀的切口圖案匹配。此外，當(dāng)激光束314投射在cmc板材306的切口圖案之上時(shí)，激光束314穿過在al板302中對應(yīng)的狹縫，并且到達(dá)基板304。而且，由于al板302是良好的導(dǎo)熱體，al板302可吸收由激光加熱的底下蜂巢結(jié)構(gòu)生成的熱量。這進(jìn)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的切口邊緣的熱破壞。此外，在cmc板材306的處理或成形期間生成的顆粒或煙塵可借助于設(shè)置在基板底下的排氣或真空腔從基板304被去除或驅(qū)散。

參考圖4，描繪了圖示根據(jù)本說明書的方面的用于使cmc板材成形或切割的示范方法400的流程圖。為了易于理解，方法400參考圖1-3的組件被描述。該方法開始于步驟402，其中表示cmc板材102的預(yù)定形狀和類型的輸入信號被處理器114接收。在一個(gè)示例中，cmc板材102的類型可包含cmc板材的厚度、cmc板材的織構(gòu)、和/或cmc板材的硬度。作為示例，用戶可經(jīng)由用戶接口112將表示cmc板材102的預(yù)定形狀和類型的輸入信號發(fā)送到處理器114。

隨后，在步驟404處，由處理器114基于所接收的輸入信號選擇激光束。為此，激光裝置106中的處理器114可處理所接收的輸入信號，并且基于所接收的輸入信號而選擇激光束。例如，處理器114可識別對應(yīng)于輸入信號的束輪廓。在一個(gè)實(shí)施例中，所識別的束輪廓可包含頂帽束輪廓。此外，束生成單元118可生成對應(yīng)于所識別的束輪廓的激光束。在一個(gè)示例中，對應(yīng)于所識別的束輪廓的所生成的激光束提供對cmc板材102的較少的熱破壞和銳利的切口邊緣。

另外，在步驟406處，所生成的激光束投射在cmc板材102上來使cmc板材102切割或成形為預(yù)定形狀。為此，束生成單元118用來將所生成的激光束投射在cmc板材102上。特別地，束生成單元118可發(fā)送所生成的激光束到噴氣管120，噴氣管120進(jìn)而將激光束投射在cmc板材之上。而且，噴氣管120可在cmc板材之上的一個(gè)或多個(gè)方向上移動來以預(yù)定形狀對cmc板材進(jìn)行切割。在一個(gè)示例中，對應(yīng)于所識別的束輪廓的激光束提供對cmc板材102的最小的或可忽略的熱破壞和銳利的切口邊緣。

有利地，在各種實(shí)施例中，激光束用于以cmc板材的最小或沒有機(jī)械磨損或熱變形使cmc板材切割或成形為預(yù)定形狀。此外，使用適當(dāng)?shù)募す馐鴣硎筩mc板材成形或切割提供了對cmc板材102的最小的或零熱破壞和銳利的切口邊緣。而且，要求用于使cmc板材成形的持續(xù)時(shí)間是常規(guī)切割工具的兩或三倍。

盡管本發(fā)明的僅某些特征已在本文中圖示和描述，但本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員將想到許多的修改和改變。因此，要理解，隨附權(quán)利要求意圖覆蓋如落入本發(fā)明的真實(shí)精神之內(nèi)的所有此類修改和改變。