W ostatnich latach czyszczenie laserowe stało się jednym z najgorętszych tematów badawczych w dziedzinie produkcji przemysłowej. Badania obejmują proces, teorię, sprzęt i zastosowania. W zastosowaniach przemysłowych technologia czyszczenia laserowego pozwala na niezawodne czyszczenie wielu różnych powierzchni, takich jak stal, aluminium, tytan, szkło i materiały kompozytowe, a także w takich branżach jak przemysł lotniczy, lotniczy, żeglugowy, kolejowy dużych prędkości, motoryzacyjny, form wtryskowych, energetyka jądrowa, przemysł morski i inne.
Technologia czyszczenia laserowego, której początki sięgają lat 60. XX wieku, charakteryzuje się wysoką skutecznością czyszczenia, szerokim zakresem zastosowań, wysoką precyzją, bezkontaktowością i dostępnością. W przemyśle wytwórczym, produkcji i utrzymaniu ruchu oraz w innych sektorach technologia ta ma szerokie perspektywy zastosowania. Oczekuje się, że częściowo lub całkowicie zastąpi tradycyjne metody czyszczenia i stanie się najbardziej obiecującą ekologiczną technologią czyszczenia w XXI wieku.
Metoda czyszczenia laserowego
Proces czyszczenia laserowego jest bardzo złożony i obejmuje wiele mechanizmów usuwania materiału. W przypadku metody czyszczenia laserowego proces czyszczenia może przebiegać jednocześnie przy użyciu różnych mechanizmów, co wynika głównie z interakcji między laserem a materiałem, w tym ablacji powierzchni materiału, rozkładu, jonizacji, degradacji, topnienia, spalania, parowania, wibracji, rozpylania, rozszerzania, kurczenia się, wybuchu, łuszczenia, złuszczania i innych zmian fizycznych i chemicznych.
Obecnie stosuje się trzy główne metody czyszczenia laserowego: czyszczenie metodą ablacji laserowej, czyszczenie laserowe wspomagane warstwą cieczy oraz czyszczenie falą uderzeniową laserową.
Metoda czyszczenia metodą ablacji laserowej
Główne mechanizmy metodologiczne to rozszerzalność cieplna, parowanie, ablacja i eksplozja fazowa. Laser działa bezpośrednio na materiał usuwany z powierzchni podłoża, a warunki otoczenia to powietrze, gaz rozrzedzony lub próżnia. Warunki pracy są proste i najczęściej stosowane do usuwania różnorodnych powłok, farb, cząstek lub zanieczyszczeń. Poniższy schemat przedstawia schemat procesu czyszczenia metodą ablacji laserowej.
Podczas naświetlania laserem powierzchni materiału, podłoże i materiały czyszczące ulegają pierwszej rozszerzalności cieplnej. Wraz ze wzrostem czasu interakcji lasera z materiałem czyszczącym, jeśli temperatura jest niższa niż próg kawitacji materiału czyszczącego, materiał czyszczący ulega jedynie zmianom fizycznym. Różnica między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej materiału czyszczącego a podłożem prowadzi do wzrostu ciśnienia na styku, wyboczenia materiału czyszczącego, oderwania od powierzchni podłoża, pęknięć, pęknięć mechanicznych, zgniatania wibracyjnego itp. Materiał czyszczący jest usuwany strumieniem lub zrywany z powierzchni podłoża.
Jeżeli temperatura jest wyższa od temperatury progowej zgazowania materiału czyszczącego, występują dwie sytuacje: 1) próg ablacji materiału czyszczącego jest niższy niż próg ablacji podłoża; 2) próg ablacji materiału czyszczącego jest wyższy niż próg ablacji podłoża.
Te dwa przypadki czyszczenia materiałów to topienie, kawitacja i ablacja oraz inne zmiany fizykochemiczne. Mechanizm czyszczenia jest bardziej złożony, oprócz efektów cieplnych, ale może również obejmować materiały czyszczące i podłoża, takie jak pękanie wiązań molekularnych, rozkład lub degradacja materiałów czyszczących, eksplozja fazowa, gazyfikacja materiałów czyszczących, natychmiastowa jonizacja i generowanie plazmy.
(1)Czyszczenie laserowe wspomagane warstwą cieczy
Mechanizm tej metody polega głównie na wrzeniu, parowaniu i wibracjach filmu ciekłego itp. Wykorzystanie konieczności doboru odpowiedniej długości fali lasera w taki sposób, aby zrekompensować brak ciśnienia uderzeniowego w procesie czyszczenia metodą ablacji laserowej, umożliwia usunięcie niektórych trudniejszych do usunięcia obiektów.
Jak pokazano na poniższym rysunku, powierzchnia czyszczonego przedmiotu jest wstępnie pokryta warstwą cieczy (wody, etanolu lub innej cieczy), a następnie naświetlana laserem. Warstwa cieczy absorbuje energię lasera, powodując silną eksplozję cieczy, eksplozję wrzącej cieczy poruszającej się z dużą prędkością, a energia jest przekazywana do powierzchni czyszczonej. Wysoka, przejściowa siła wybuchu jest wystarczająca, aby usunąć zabrudzenia i osiągnąć cel czyszczenia.
Metoda czyszczenia laserowego wspomagana warstwą cieczy ma dwie wady.
Proces uciążliwy i trudny do kontrolowania.
Dzięki zastosowaniu filmu ciekłego, skład chemiczny powierzchni podłoża po czyszczeniu łatwo ulega zmianie i wytwarzają się nowe substancje.
(1)Metoda czyszczenia za pomocą fali uderzeniowej laserowej
Podejście i mechanizm procesu znacznie różnią się od dwóch poprzednich. Mechanizm opiera się głównie na usuwaniu siły fali uderzeniowej, a czyszczone obiekty to głównie cząsteczki, głównie o rozmiarach submikronowych lub nanometrycznych. Wymagania procesowe są bardzo rygorystyczne, zarówno ze względu na konieczność zapewnienia zdolności jonizacji powietrza, jak i utrzymania odpowiedniej odległości między laserem a podłożem, aby siła uderzenia oddziaływała na cząsteczki wystarczająco silnie.
Schemat procesu czyszczenia laserowego falą uderzeniową przedstawiono poniżej. Laser jest skierowany równolegle do kierunku powierzchni podłoża, a podłoże nie styka się z nim. Przesuń obrabiany przedmiot lub głowicę laserową, aby ustawić ognisko lasera tak, aby cząstka znajdowała się w pobliżu wyjścia lasera. W ognisku wystąpi zjawisko jonizacji powietrza, co spowoduje powstanie fal uderzeniowych, które rozprzestrzenią się w kierunku sferycznego rozprężania i zetkną się z cząstkami. Gdy moment składowej poprzecznej fali uderzeniowej na cząstce jest większy niż moment składowej podłużnej i siła adhezji cząstki, cząstka zostanie usunięta poprzez walcowanie.
Technologia czyszczenia laserowego
Mechanizm czyszczenia laserowego opiera się głównie na powierzchni obiektu po absorpcji energii laserowej, odparowywaniu i ulatnianiu się lub natychmiastowej rozszerzalności cieplnej w celu przezwyciężenia adsorpcji cząstek na powierzchni, dzięki czemu obiekt zostaje oderwany od powierzchni, a następnie osiąga się cel czyszczenia.
W skrócie: 1. rozkład par laserowych, 2. usuwanie laserowe, 3. rozszerzalność cieplna cząstek brudu, 4. drgania powierzchni podłoża i drgania cząstek – cztery aspekty
W porównaniu z tradycyjnym procesem czyszczenia, technologia czyszczenia laserowego ma następujące cechy.
1. Jest to czyszczenie „na sucho”, bez użycia środków czyszczących ani innych środków chemicznych, a jakość czyszczenia jest znacznie wyższa niż w przypadku czyszczenia chemicznego.
2. Zakres usuwania zabrudzeń i zakres stosowanych podłoży jest bardzo szeroki,
3. Dzięki regulacji parametrów procesu laserowego, powierzchnia podłoża nie ulega uszkodzeniu, a skuteczne usuwanie zanieczyszczeń sprawia, że powierzchnia jest jak nowa.
4. Czyszczenie laserowe można łatwo zautomatyzować.
5. Sprzęt do dekontaminacji laserowej może być używany przez długi czas, przy niskich kosztach eksploatacji.
6. Technologia czyszczenia laserowego to: ekologiczny proces czyszczenia, który eliminuje odpady. Produkt ma postać stałego proszku, ma niewielkie rozmiary, jest łatwy do przechowywania i zasadniczo nie zanieczyszcza środowiska.
W latach 80. XX wieku szybki rozwój przemysłu półprzewodnikowego w zakresie zanieczyszczeń powierzchni masek płytek krzemowych w technologii czyszczenia wymusił wyższe wymagania. Kluczowym punktem jest przezwyciężenie zanieczyszczeń mikrocząstkami i podłożem. Duża siła adsorpcji. Tradycyjne metody czyszczenia chemicznego, mechanicznego i ultradźwiękowego nie są w stanie sprostać zapotrzebowaniu. Czyszczenie laserowe może rozwiązać takie problemy z zanieczyszczeniami. Szybko rozwinęły się związane z tym badania i zastosowania.
W 1987 roku pojawił się pierwszy wniosek patentowy dotyczący czyszczenia laserowego. W latach 90. XX wieku firma Zapka z powodzeniem zastosowała technologię czyszczenia laserowego w procesie produkcji półprzewodników, aby usunąć mikrocząsteczki z powierzchni maski, co zapoczątkowało wczesne zastosowanie technologii czyszczenia laserowego w przemyśle. W 1995 roku naukowcy wykorzystali laser TEA-CO2 o mocy 2 kW do skutecznego oczyszczenia kadłuba samolotu z farby.
Wraz z nadejściem XXI wieku, wraz z szybkim rozwojem laserów o ultrakrótkich impulsach, badania i zastosowania technologii czyszczenia laserowego w kraju i za granicą stopniowo wzrosły, koncentrując się na powierzchni materiałów metalowych. Typowe zastosowania zagraniczne obejmują usuwanie farby z kadłubów samolotów, odtłuszczanie powierzchni form, usuwanie nagaru z wnętrza silników oraz czyszczenie powierzchni spoin przed spawaniem. Amerykański Instytut Spawalniczy Edison przeprowadził laserowe czyszczenie samolotu bojowego FG16, przy mocy lasera 1 kW i objętości czyszczenia 2,36 cm³ na minutę.
Warto wspomnieć, że badania i zastosowanie laserowego usuwania farby z zaawansowanych elementów kompozytowych również stanowią gorący temat. Łopaty śmigieł HG53 i HG56 w marynarce wojennej USA oraz płaskie usterzenie myśliwca F16 i inne powierzchnie kompozytowe zostały już poddane laserowemu usuwaniu farby, podczas gdy chińskie materiały kompozytowe w zastosowaniach lotniczych są dopiero na wczesnym etapie rozwoju, więc badania w tym zakresie są praktycznie nieaktualne.
Ponadto, jednym z aktualnych kierunków badań jest zastosowanie technologii czyszczenia laserowego do obróbki powierzchni kompozytów CFRP przed klejeniem, w celu zwiększenia wytrzymałości połączenia. Firma Adapt Laser Company, współpracując z linią produkcyjną samochodów Audi TT, dostarcza sprzęt do czyszczenia laserem światłowodowym, który oczyszcza powierzchnię lekkiej aluminiowej ramy drzwi z warstwy tlenkowej. Firma Rolls G Royce UK wykorzystała czyszczenie laserowe do czyszczenia warstwy tlenkowej na powierzchni tytanowych elementów silników lotniczych.
Technologia czyszczenia laserowego dynamicznie rozwinęła się w ciągu ostatnich dwóch lat. Poczyniono ogromne postępy w zakresie parametrów procesu czyszczenia laserowego i mechanizmu czyszczenia, badań nad obiektami czyszczącymi, a także w zakresie zastosowań naukowych. Technologia czyszczenia laserowego, po licznych badaniach teoretycznych, koncentruje się na zastosowaniach naukowych i obiecujących wynikach. W przyszłości technologia czyszczenia laserowego w ochronie zabytków i dzieł sztuki będzie coraz szerzej wykorzystywana, a jej rynek zbytu jest bardzo szeroki. Wraz z rozwojem nauki i technologii, zastosowanie technologii czyszczenia laserowego w przemyśle staje się rzeczywistością, a zakres jej zastosowań staje się coraz szerszy.
Firma Maven Laser Automation od 14 lat zajmuje się branżą laserową. Specjalizujemy się w znakowaniu laserowym. Posiadamy w ofercie urządzenia do czyszczenia laserowego szaf maszynowych, urządzenia do czyszczenia laserowego walizek na kółkach, urządzenia do czyszczenia laserowego plecaków oraz urządzenia do czyszczenia laserowego typu „3 w 1”. Ponadto posiadamy również urządzenia do spawania laserowego, urządzenia do cięcia laserowego oraz urządzenia do znakowania i grawerowania laserowego. Jeśli są Państwo zainteresowani naszymi urządzeniami, prosimy o kontakt z nami.
Czas publikacji: 14-11-2022
