V posledných rokoch sa laserové čistenie stalo jedným z výskumných bodov v oblasti priemyselnej výroby, pričom výskum zahŕňa procesy, teóriu, zariadenia a aplikácie. V priemyselných aplikáciách dokázala technológia laserového čistenia spoľahlivo vyčistiť veľké množstvo rôznych povrchov substrátov, čistiť predmety vrátane ocele, hliníka, titánu, skla a kompozitných materiálov atď., pričom aplikácie sa nachádzajú v leteckom priemysle, letectve, lodnej doprave, vysokorýchlostných železniciach, automobilovom priemysle, výrobe foriem, jadrovej energii, námorníctve a ďalších odvetviach.
Technológia laserového čistenia, ktorá sa datuje do 60. rokov 20. storočia, má výhody dobrého čistiaceho účinku, širokého spektra aplikácií, vysokej presnosti, bezkontaktného čistenia a dostupnosti. V priemyselnej výrobe, údržbe a ďalších oblastiach má široké uplatnenie a očakáva sa, že čiastočne alebo úplne nahradí tradičné metódy čistenia a stane sa najsľubnejšou ekologickou čistiacou technológiou v 21. storočí.
Metóda laserového čistenia
Proces laserového čistenia je veľmi zložitý a zahŕňa rôzne mechanizmy odstraňovania materiálu. Pri laserovom čistení môže súčasne existovať množstvo mechanizmov, ktoré sú spôsobené interakciou medzi laserom a materiálom, vrátane ablácie povrchu materiálu, rozkladu, ionizácie, degradácie, topenia, spaľovania, odparovania, vibrácií, naprašovania, rozpínania, zmršťovania, explózie, odlupovania, odlupovania a iných fyzikálnych a chemických zmien.
V súčasnosti sú typické metódy laserového čistenia hlavne tri: laserové ablačné čistenie, laserové čistenie s asistenciou tekutého filmu a laserové rázové vlny.
Metóda čistenia laserovou abláciou
Hlavnými metodologickými mechanizmami sú tepelná rozťažnosť, odparovanie, ablácia a fázová explózia. Laser pôsobí priamo na materiál, ktorý sa má odstrániť z povrchu substrátu, a okolité podmienky môžu byť vzduch, zriedený plyn alebo vákuum. Prevádzkové podmienky sú jednoduché a najčastejšie sa používajú na odstraňovanie rôznych náterov, farieb, častíc alebo nečistôt. Diagram nižšie znázorňuje procesnú schému metódy laserového ablácie.
Keď laserové ožiarenie pôsobí na povrch materiálu, substrát a čistiaci materiál sú vystavené prvej tepelnej rozťažnosti. S predlžujúcim sa časom interakcie laseru s čistiacim materiálom, ak je teplota nižšia ako prah kavitácie čistiaceho materiálu, čistiaci materiál sa fyzicky mení. Rozdiel medzi koeficientom tepelnej rozťažnosti čistiaceho materiálu a substrátu vedie k tlaku na rozhraní, čo vedie k deformácii čistiaceho materiálu, jeho odtrhnutiu od povrchu substrátu, praskaniu, mechanickému lomu, vibračnému drveniu atď. Čistiaci materiál sa odstraňuje prúdom alebo sa z povrchu substrátu strháva.
Ak je teplota vyššia ako prahová teplota splyňovania čistiaceho materiálu, nastanú dve situácie: 1) prah ablácie čistiaceho materiálu je nižší ako teplota substrátu; 2) prah ablácie čistiaceho materiálu je vyšší ako teplota substrátu.
Tieto dva prípady čistiacich materiálov sú tavenie, kavitácia a ablácia a ďalšie fyzikálno-chemické zmeny. Čistiaci mechanizmus je zložitejší a okrem tepelných účinkov môže zahŕňať aj rozpad molekulárnych väzieb medzi čistiacimi materiálmi a substrátmi, rozklad alebo degradáciu čistiacich materiálov, fázovú explóziu, okamžitú ionizáciu čistiacich materiálov a tvorbu plazmy.
(1)Laserové čistenie s pomocou tekutého filmu
Mechanizmus metódy má hlavne odparovanie a vibrácie kvapalného filmu varom atď. Použitie potreby zvoliť vhodnú vlnovú dĺžku laseru, aby sa kompenzoval nedostatok nárazového tlaku v procese čistenia laserovou abláciou, môže byť použité na odstránenie niektorých ťažšie odstrániteľných čistiacich predmetov.
Ako je znázornené na obrázku nižšie, povrch čisteného predmetu je vopred pokrytý kvapalným filmom (voda, etanol alebo iné kvapaliny) a následne je ožiarený laserom. Kvapalný film absorbuje laserovú energiu, čo vedie k silnej explózii kvapalného média, explózii vriacej kvapaliny s vysokou rýchlosťou pohybu, prenosu energie na povrch čistiaceho materiálu a vysokej prechodovej explozívnej sile, ktorá je dostatočná na odstránenie povrchových nečistôt a dosiahnutie čistiacich cieľov.
Metóda laserového čistenia s pomocou tekutého filmu má dve nevýhody.
Ťažkopádny proces a ťažko sa ho kontroluje.
Vďaka použitiu tekutého filmu sa chemické zloženie povrchu substrátu po očistení ľahko mení a vytvárajú sa nové látky.
(1)Metóda čistenia laserovou rázovou vlnou
Prístup k procesu a mechanizmus sa veľmi líšia od prvých dvoch. Mechanizmus spočíva hlavne v odstraňovaní silou rázovej vlny, čistiace predmety sú prevažne častice, najmä na odstraňovanie častíc (submikrónových alebo nanorozmerných). Požiadavky na proces sú veľmi prísne, aby sa zabezpečila schopnosť ionizácie vzduchu, ale aj aby sa udržala vhodná vzdialenosť medzi laserom a substrátom, aby sa zabezpečilo, že pôsobenie nárazovej sily na častice je dostatočne veľké.
Schéma procesu čistenia laserovou rázovou vlnou je znázornená nižšie. Laser je rovnobežný so smerom dopadu na povrch substrátu a nedotýka sa substrátu. Pohybom obrobku alebo laserovej hlavy upravte zaostrenie laseru na častice v blízkosti laserového výstupu, čím sa vytvorí jav ionizácie vzduchu, čo má za následok rázové vlny, rýchlu expanziu sférickej expanzie a predĺženie, ktoré vedie k kontaktu s časticami. Keď je moment priečnej zložky rázovej vlny na častici väčší ako moment pozdĺžnej zložky a adhézna sila častíc, častice sa odstránia valcovaním.
Technológia laserového čistenia
Mechanizmus laserového čistenia je založený hlavne na tom, že po absorpcii laserovej energie na povrch objektu, alebo odparovaním a volatiláciou, alebo okamžitou tepelnou rozťažnosťou, sa prekoná adsorpcia častíc na povrchu, čím sa predmet oddelí od povrchu a dosiahne sa účel čistenia.
Zhruba zhrnuté ako: 1. rozklad laserovou parou, 2. laserové odstraňovanie, 3. tepelná rozťažnosť častíc nečistôt, 4. vibrácie povrchu substrátu a vibrácie častíc – štyri aspekty
V porovnaní s tradičným čistiacim procesom má technológia laserového čistenia nasledujúce vlastnosti.
1. Ide o „suché“ čistenie, bez čistiaceho roztoku alebo iných chemických roztokov a čistota je oveľa vyššia ako pri chemickom čistení.
2. Rozsah odstraňovania nečistôt a použiteľný rozsah substrátov je veľmi široký a
3. Vďaka regulácii parametrov laserového procesu sa nepoškodí povrch substrátu vďaka účinnému odstráneniu nečistôt a povrch zostane ako nový.
4. Laserové čistenie sa dá ľahko automatizovať.
5. Zariadenie na laserovú dekontamináciu sa môže používať dlhodobo a má nízke prevádzkové náklady.
6. Technológia laserového čistenia je: zelená: proces čistenia, eliminácia odpadu je pevný prášok, malá veľkosť, ľahko sa skladuje, v podstate neznečisťuje životné prostredie.
V 80. rokoch 20. storočia rýchly rozvoj polovodičového priemyslu kladie vyššie požiadavky na technológiu čistenia povrchu kremíkových doštičiek, ktorá maskuje kontamináciu časticami. Kľúčovým bodom je prekonať kontamináciu mikročastíc a substrátu silnou adsorpčnou silou. Tradičné chemické čistenie, mechanické čistenie a ultrazvukové metódy nedokážu uspokojiť dopyt a laserové čistenie dokáže vyriešiť takéto problémy so znečistením. Súvisiaci výskum a aplikácie sa rýchlo rozvíjajú.
V roku 1987 sa prvýkrát objavila patentová prihláška na laserové čistenie. V 90. rokoch 20. storočia spoločnosť Zapka úspešne aplikovala technológiu laserového čistenia v procese výroby polovodičov na odstránenie mikročastíc z povrchu masky, čím dosiahla skoré uplatnenie technológie laserového čistenia v priemyselnej oblasti. V roku 1995 výskumníci použili 2 kW TEA-CO2 laser na úspešné dosiahnutie čistenia a odstraňovania farby z trupu lietadla.
Po vstupe do 21. storočia, s rýchlym rozvojom ultrakrátkych pulzných laserov, sa postupne zvyšoval domáci aj zahraničný výskum a aplikácia technológie laserového čistenia, so zameraním na povrch kovových materiálov. Typické zahraničné aplikácie sú odstraňovanie farby z trupu lietadla, odmasťovanie povrchu foriem, odstraňovanie uhlíka z vnútorných častí motora a čistenie povrchov spojov pred zváraním. Americký Edisonov zváračský inštitút pri laserovom čistení bojového lietadla FG16 dosiahol pri výkone laseru 1 kW čistiaci objem 2,36 cm3 za minútu.
Za zmienku stojí, že výskum a aplikácia laserového odstraňovania farby z pokročilých kompozitných dielov je tiež dôležitou oblasťou. Americké námorníctvo už realizovalo aplikácie laserového odstraňovania farby na lopatkách vrtulí vrtuľníkov HG53 a HG56, ako aj na plochých chvostových plochách stíhačiek F16 a iných kompozitných povrchoch, zatiaľ čo Čína s aplikáciami kompozitných materiálov v lietadlách mešká, takže tento výskum je v podstate neúspešný.
Okrem toho je jedným z aktuálnych výskumných zameraní aj použitie technológie laserového čistenia na povrchovú úpravu spoja z uhlíkových vlákien (CFRP) pred lepením s cieľom zlepšiť pevnosť spoja. Spoločnosť adaptovala laserové čistenie na výrobnú linku automobilu Audi TT, aby poskytla zariadenie na čistenie vláknovým laserom na čistenie povrchu oxidového filmu na ráme dverí z ľahkej hliníkovej zliatiny. Spoločnosť Rolls G Royce UK použila laserové čistenie na čistenie oxidového filmu na povrchu titánových komponentov leteckých motorov.
Technológia laserového čistenia sa v posledných dvoch rokoch rýchlo rozvíja, či už ide o parametre procesu laserového čistenia a mechanizmy čistenia, výskum čistiacich objektov alebo aplikácie výskumu, dosiahla veľký pokrok. Po mnohých teoretických výskumoch sa technológia laserového čistenia neustále zameriava na aplikáciu výskumu a sľubné výsledky. V budúcnosti sa technológia laserového čistenia bude čoraz viac využívať pri ochrane kultúrnych pamiatok a umeleckých diel a jej trh bude veľmi široký. S rozvojom vedy a techniky sa aplikácia technológie laserového čistenia v priemysle stáva realitou a rozsah jej použitia sa čoraz viac rozširuje.
Spoločnosť Maven zaoberajúca sa laserovou automatizáciou sa už 14 rokov zameriava na laserový priemysel a špecializujeme sa na laserové značenie. Máme laserové čistiace stroje na skrinky strojov, kufre na vozíky, batohy a tri v jednom laserové čistiace stroje. Okrem toho máme aj laserové zváracie stroje, laserové rezacie stroje a laserové gravírovacie stroje. Ak máte záujem o náš stroj, môžete nás sledovať a neváhajte nás kontaktovať.
Čas uverejnenia: 14. novembra 2022
