Produkcja wysokiej klasy, oszczędzanie energii i redukcja emisji wymagają coraz bardziej zaawansowanych procesów. Jeśli chodzi o przemysłową obróbkę powierzchni, istnieje pilna potrzeba kompleksowej modernizacji technologii i procesów. Tradycyjne procesy czyszczenia przemysłowego, takie jak czyszczenie tarciem mechanicznym, czyszczenie korozją chemiczną, czyszczenie silnym uderzeniem, czyszczenie ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości, nie tylko mają długie cykle czyszczenia, ale są trudne do zautomatyzowania, mają szkodliwy wpływ na środowisko i nie osiągają pożądanego efektu czyszczenia. Nie mogą dobrze sprostać potrzebom obróbki precyzyjnej.
Jednak wraz ze wzrastającymi sprzecznościami między ochroną środowiska, wysoką wydajnością i wysoką precyzją, tradycyjne metody czyszczenia przemysłowego są poważnie kwestionowane. Jednocześnie pojawiły się różne technologie czyszczenia sprzyjające ochronie środowiska i odpowiednie dla części w dziedzinie ultra-wykańczania, a technologia czyszczenia laserowego jest jedną z nich.
Koncepcja czyszczenia laserowego
Czyszczenie laserowe to technologia, która wykorzystuje skupiony laser do działania na powierzchni materiału, aby szybko odparować lub złuszczyć zanieczyszczenia na powierzchni, tak aby oczyścić powierzchnię materiału. W porównaniu z różnymi tradycyjnymi metodami czyszczenia fizycznego lub chemicznego, czyszczenie laserowe charakteryzuje się brakiem kontaktu, brakiem materiałów eksploatacyjnych, brakiem zanieczyszczeń, wysoką precyzją, brakiem uszkodzeń lub niewielkimi uszkodzeniami i jest idealnym wyborem dla nowej generacji technologii czyszczenia przemysłowego.
Zasada działania maszyny do czyszczenia laserowego
Zasada maszyna do czyszczenia laserowego jest bardziej skomplikowany i może obejmować zarówno procesy fizyczne, jak i chemiczne. W wielu przypadkach procesy fizyczne są głównym procesem, któremu towarzyszą pewne reakcje chemiczne. Główne procesy można podzielić na 3 kategorie, w tym proces zgazowania, proces szokowy i proces oscylacji.
Proces zgazowania
Gdy laser o wysokiej energii jest napromieniowywany na powierzchnię materiału, powierzchnia pochłania energię lasera i zamienia ją na energię wewnętrzną, tak że temperatura powierzchni szybko wzrasta i osiąga temperaturę powyżej temperatury parowania materiału, tak że zanieczyszczenia są oddzielane od powierzchni materiału w postaci pary. Selektywne parowanie występuje zwykle, gdy szybkość absorpcji światła lasera przez zanieczyszczenia powierzchniowe jest znacznie wyższa niż w przypadku podłoża. Typowym przypadkiem zastosowania jest czyszczenie brudu z powierzchni kamienia. Jak pokazano na poniższym rysunku, zanieczyszczenia na powierzchni kamienia mają silną absorpcję lasera i są szybko odparowywane. Gdy zanieczyszczenia zostaną usunięte, a laser zostanie napromieniowany na powierzchnię kamienia, absorpcja jest słaba, więcej energii lasera jest rozpraszane przez powierzchnię kamienia, zmiana temperatury powierzchni kamienia jest niewielka, a powierzchnia kamienia jest chroniona przed uszkodzeniem.
Typowy proces chemiczny ma miejsce, gdy laser w paśmie ultrafioletowym jest używany do czyszczenia zanieczyszczeń organicznych, co nazywa się ablacją laserową. Lasery ultrafioletowe mają krótkie długości fal i wysoką energię fotonów. Na przykład lasery excimerowe KrF mają długość fali 248 nm i energię fotonów aż 5 eV, co jest 40 razy więcej niż CO2 energia fotonów lasera (0.12 eV). Tak wysoka energia fotonów wystarcza, aby zniszczyć wiązania cząsteczkowe materii organicznej, tak że CC, CH, CO itp. w zanieczyszczeniach organicznych ulegają rozbiciu po pochłonięciu energii fotonów lasera, co skutkuje pirolizą, gazyfikacją i usunięciem z powierzchni.
Proces szokowy
Proces uderzeniowy to seria reakcji, które zachodzą podczas interakcji między laserem a materiałem, a następnie na powierzchni materiału powstaje fala uderzeniowa. Pod wpływem fali uderzeniowej zanieczyszczenia powierzchniowe rozbijają się i stają się pyłem lub zanieczyszczeniami odrywanymi od powierzchni. Istnieje wiele mechanizmów, które powodują fale uderzeniowe, w tym plazma, para oraz szybkie rozszerzanie i kurczenie się cieplne. Używając fal uderzeniowych plazmy jako przykładu, można pokrótce zrozumieć, w jaki sposób proces uderzeniowy w czyszczeniu laserowym usuwa zanieczyszczenia powierzchniowe. Dzięki zastosowaniu laserów o ultrakrótkiej szerokości impulsu (ns) i ultrawysokiej mocy szczytowej (107–1010 W/cm2) temperatura powierzchni nadal będzie gwałtownie wzrastać, nawet jeśli powierzchnia lekko pochłonie laser, osiągając natychmiast temperaturę parowania. Powyżej, para utworzyła się nad powierzchnią materiału, jak pokazano w (a) na poniższym rysunku. Temperatura pary może osiągnąć 104–105 K, co może jonizować samą parę lub otaczające powietrze, tworząc plazmę. Plazma zablokuje laserowi dotarcie do powierzchni materiału, a parowanie powierzchni materiału może się zatrzymać, ale plazma będzie nadal absorbować energię lasera, a temperatura będzie nadal rosła, tworząc lokalny stan ultrawysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia, który wytwarza natychmiastowe ciśnienie 1-100 kbar na powierzchni materiału. Uderzenie jest stopniowo przenoszone do wnętrza materiału, jak pokazano na rysunkach (b) i (c) poniżej. Pod wpływem fali uderzeniowej zanieczyszczenia powierzchniowe są rozbijane na drobny pył, cząstki lub fragmenty. Gdy laser zostanie odsunięty od pozycji napromieniowania, plazma znika i lokalnie wytwarzane jest ujemne ciśnienie, a cząstki lub zanieczyszczenia są usuwane z powierzchni, jak pokazano na rysunku (d) poniżej.
Proces oscylacji
Pod wpływem krótkich impulsów procesy nagrzewania i chłodzenia materiału są niezwykle szybkie. Ponieważ różne materiały mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej, pod wpływem napromieniowania laserem krótkoimpulsowym zanieczyszczenia powierzchni i podłoże ulegną wysokiej częstotliwości rozszerzalności cieplnej i kurczliwości o różnym stopniu, co spowoduje oscylację, powodując odklejanie się zanieczyszczeń od powierzchni materiału. Podczas tego procesu złuszczania może nie dojść do odparowania materiału i plazma może nie zostać wytworzona. Zamiast tego siła ścinająca utworzona na styku zanieczyszczenia i podłoża pod wpływem oscylacji niszczy wiązanie między zanieczyszczeniem a podłożem. Badania wykazały, że gdy kąt padania lasera zostanie nieznacznie zwiększony, kontakt między laserem a zanieczyszczeniem cząstkowym i stykiem podłoża może zostać zwiększony, próg czyszczenia laserowego może zostać zmniejszony, efekt oscylacji jest bardziej oczywisty, a wydajność czyszczenia jest wyższa. Jednak kąt padania nie powinien być zbyt duży. Zbyt duży kąt padania zmniejszy gęstość energii działającej na powierzchnię materiału i osłabi zdolność czyszczącą lasera.
Zastosowania przemysłowe urządzeń czyszczących laserowo
Przemysł form
Urządzenie czyszczące laserowe umożliwia bezkontaktowe czyszczenie formy, co jest bardzo bezpieczne dla jej powierzchni, gwarantuje dokładność i może oczyścić cząsteczki brudu o wielkości submikronowej, których nie można usunąć tradycyjnymi metodami czyszczenia, zapewniając w ten sposób prawdziwie wolne od zanieczyszczeń, wydajne i wysokiej jakości czyszczenie.
Przemysł instrumentów precyzyjnych
Przemysł maszyn precyzyjnych często musi usuwać estry i oleje mineralne stosowane do smarowania i ochrony antykorozyjnej z części, zwykle chemicznie, a czyszczenie chemiczne często pozostawia pozostałości. Deestryfikacja laserowa może całkowicie usunąć estry i oleje mineralne bez uszkadzania powierzchni części. Laser wspomaga wybuchową gazyfikację cienkiej warstwy tlenku na powierzchni części, tworząc falę uderzeniową, która powoduje usuwanie zanieczyszczeń, a nie oddziaływanie mechaniczne.
Przemysł kolejowy
Obecnie wszystkie wstępne czyszczenie szyn przed spawaniem odbywa się za pomocą ściernicy i ściernicy pasowej, co powoduje poważne uszkodzenia podłoża i poważne naprężenia szczątkowe oraz zużywa wiele materiałów eksploatacyjnych do ściernicy każdego roku, co jest kosztowne i powoduje poważne zanieczyszczenie środowiska pyłem. Czyszczenie laserowe może zapewnić wysokiej jakości i wydajną technologię ekologicznego czyszczenia dla produkcji torów kolei dużych prędkości w moim kraju, rozwiązać powyższe problemy, wyeliminować wady spawalnicze, takie jak bezszwowe otwory w szynach i szare plamy, a także poprawić stabilność i bezpieczeństwo eksploatacji kolei dużych prędkości w moim kraju.
Przemysł lotniczy
Powierzchnia samolotu musi zostać ponownie pomalowana po pewnym czasie, ale oryginalna stara farba musi zostać całkowicie usunięta przed malowaniem. Namaczanie/wycieranie chemiczne to główna metoda usuwania farby w lotnictwie. Ta metoda powoduje dużą ilość odpadów chemicznych i nie jest możliwe przeprowadzenie lokalnej konserwacji i usuwania farby. Proces ten jest bardzo pracochłonny i szkodliwy dla zdrowia. Czyszczenie laserowe umożliwia wysokiej jakości usuwanie farby z powierzchni poszycia samolotu i jest łatwo zautomatyzowane do produkcji. Obecnie technologia czyszczenia laserowego została zastosowana do konserwacji niektórych modeli high-end.
Przemysł okrętowy
Obecnie czyszczenie statków przed produkcją odbywa się głównie metodą piaskowania. Metoda piaskowania spowodowała poważne zanieczyszczenie pyłem otaczającego środowiska i została stopniowo zakazana, co doprowadziło do ograniczenia lub nawet zawieszenia produkcji przez producentów statków. Technologia czyszczenia laserowego zapewni ekologiczne i wolne od zanieczyszczeń rozwiązanie czyszczące do natryskiwania antykorozyjnego powierzchni statków.
Broń
Technologia czyszczenia laserowego jest szeroko stosowana w konserwacji broni. System czyszczenia laserowego może usunąć rdzę i zanieczyszczeń wydajnie i szybko, a także może wybrać część czyszczącą, aby zrealizować automatyzację czyszczenia. Używając czyszczenia laserowego, nie tylko czystość jest wyższa niż w przypadku procesu czyszczenia chemicznego, ale także prawie nie ma uszkodzeń powierzchni obiektu. Poprzez ustawienie różnych parametrów, maszyna czyszcząca laserowa może również utworzyć gęstą warstwę ochronną z tlenku lub warstwę topienia metalu na powierzchni przedmiotów metalowych, aby poprawić wytrzymałość powierzchni i odporność na korozję. Odpady usuwane przez laser zasadniczo nie zanieczyszczają środowiska, a także można go obsługiwać z dużej odległości, co skutecznie zmniejsza szkody dla zdrowia operatora.
Na zewnątrz budynku
Coraz więcej wieżowców się buduje, a problem czyszczenia zewnętrznych ścian budynków staje się coraz bardziej widoczny. System czyszczenia laserowego dobrze czyści zewnętrzne ściany budynków za pomocą światłowodów. Rozwiązanie o maksymalnej długości 70 metrów może skutecznie czyścić różne zanieczyszczenia na różnych kamieniach, metalach i szkle, a jego wydajność jest znacznie wyższa niż w przypadku konwencjonalnego czyszczenia. Może również usuwać czarne plamy i plamy z różnych kamieni w budynkach. Test czyszczenia systemem czyszczenia laserowego na budynkach i kamiennych pomnikach pokazuje, że czyszczenie laserowe ma dobry wpływ na ochronę wyglądu starożytnych budowli.
Branża elektroniczna
Przemysł elektroniczny używa laserów do usuwania tlenków: Przemysł elektroniczny wymaga precyzyjnej dekontaminacji, a deoksydacja laserowa jest szczególnie odpowiednia. Piny komponentów muszą być dokładnie odtlenione przed lutowaniem płytki, aby zapewnić optymalny kontakt elektryczny, a piny nie mogą zostać uszkodzone podczas procesu dekontaminacji. Czyszczenie laserowe może spełnić wymagania użytkowe, a wydajność jest bardzo wysoka, a dla każdej igły wymagane jest tylko jedno napromieniowanie laserowe.
Elektrownia jądrowa
Systemy czyszczenia laserowego są również stosowane do czyszczenia rur reaktora w elektrowniach jądrowych. Wykorzystują światłowód do wprowadzania wiązki lasera o dużej mocy do reaktora w celu bezpośredniego usuwania pyłu radioaktywnego, a oczyszczony materiał jest łatwy do czyszczenia. A ponieważ jest obsługiwany z odległości, można zagwarantować bezpieczeństwo personelu.
Podsumowanie
Dzisiejszy zaawansowany przemysł wytwórczy stał się dominującym szczytem międzynarodowej konkurencji. Jako zaawansowany system w produkcji laserowej, maszyna do czyszczenia laserowego ma duży potencjał dla wartości użytkowej w rozwoju przemysłowym. Energicznie rozwijająca się technologia czyszczenia laserowego ma bardzo ważne znaczenie strategiczne dla rozwoju gospodarczego i społecznego.
