V posledních letech se laserové čištění stalo jedním z výzkumných center v oblasti průmyslové výroby, výzkum zahrnuje procesy, teorii, zařízení a aplikace. V průmyslových aplikacích je technologie laserového čištění schopna spolehlivě čistit velké množství různých povrchů substrátů, čistit předměty včetně oceli, hliníku, titanu, skla a kompozitních materiálů atd. Aplikace se uplatňují v leteckém průmyslu, letectví, lodní dopravě, vysokorychlostní železnici, automobilovém průmyslu, výrobě forem, jaderné energii, námořní dopravě a dalších oblastech.
Technologie laserového čištění, jejíž historie sahá až do 60. let 20. století, má výhody dobrého čisticího účinku, široké škály použití, vysoké přesnosti, bezkontaktního přístupu a dostupnosti. V průmyslové výrobě, údržbě a dalších oblastech má široké uplatnění a očekává se, že částečně nebo úplně nahradí tradiční metody čištění a stane se nejslibnější ekologickou čisticí technologií 21. století.
Metoda laserového čištění
Proces laserového čištění je velmi složitý a zahrnuje řadu mechanismů odstraňování materiálu. U laserové metody čištění může proces čištění probíhat současně s řadou mechanismů, které jsou způsobeny především interakcí mezi laserem a materiálem, včetně ablace povrchu materiálu, rozkladu, ionizace, degradace, tavení, spalování, odpařování, vibrací, naprašování, rozpínání, smršťování, exploze, odlupování, uvolňování a dalších fyzikálních a chemických změn.
V současné době se používají tři typické metody laserového čištění: laserová ablace, laserové čištění s asistencí tekutého filmu a laserové čištění rázovou vlnou.
Metoda čištění laserovou ablací
Hlavními metodologickými mechanismy jsou tepelná roztažnost, odpařování, ablace a fázová exploze. Laser působí přímo na materiál, který má být odstraněn z povrchu substrátu, a okolní podmínky mohou být vzduch, zředěný plyn nebo vakuum. Provozní podmínky jsou jednoduché a nejčastěji se používají k odstraňování různých povlaků, barev, částic nebo nečistot. Níže uvedený diagram znázorňuje procesní schéma metody laserového ablačního čištění.
Když laserové záření dopadne na povrch materiálu, dochází mezi substrátem a čisticím materiálem k první tepelné roztažnosti. S prodlužující se dobou interakce laseru s čisticím materiálem, pokud je teplota nižší než kavitační práh čisticího materiálu, dochází pouze k fyzické změně čisticího materiálu. Rozdíl mezi koeficientem tepelné roztažnosti čisticího materiálu a substrátu vede k tlaku na rozhraní, což vede k deformaci čisticího materiálu, jeho odtržení od povrchu substrátu, praskání, mechanickému lomu, vibračnímu drcení atd. Čisticí materiál je odstraňován tryskou nebo se sloupává z povrchu substrátu.
Pokud je teplota vyšší než prahová teplota zplyňování čisticího materiálu, nastanou dvě situace: 1) ablační práh čisticího materiálu je nižší než teplota substrátu; 2) ablační práh čisticího materiálu je vyšší než teplota substrátu.
Tyto dva případy čisticích materiálů zahrnují tavení, kavitaci a ablaci a další fyzikálně-chemické změny. Čisticí mechanismus je složitější a kromě tepelných účinků může zahrnovat také rozbití molekulárních vazeb mezi čisticími materiály a substráty, rozklad nebo degradaci čisticích materiálů, fázovou explozi, okamžitou ionizaci čisticích materiálů a tvorbu plazmatu.
(1)Laserové čištění s pomocí tekutého filmu
Mechanismus metody spočívá hlavně v odpařování a vibracích kapalného filmu. Použití vyžaduje volbu vhodné vlnové délky laseru, aby se kompenzoval nedostatek nárazového tlaku v procesu laserové ablace, a lze jej použít k odstranění některých obtížněji odstranitelných čištěných předmětů.
Jak je znázorněno na obrázku níže, kapalný film (voda, ethanol nebo jiné kapaliny) je předem pokryt povrchem čištěného předmětu a poté je ozařován laserem. Kapalný film absorbuje laserovou energii, což vede k silné explozi kapalného média, explozi vroucí kapaliny s vysokou rychlostí pohybu, přenosu energie na povrch čistícího materiálu a vysoké přechodové explozivní síly, která je dostatečná k odstranění povrchových nečistot a dosažení čistícího účelu.
Metoda laserového čištění s asistencí tekutého filmu má dvě nevýhody.
Zdlouhavý proces a obtížné ho kontrolovat.
Díky použití tekutého filmu se chemické složení povrchu substrátu po čištění snadno mění a vznikají nové látky.
(1)Metoda čištění laserovou rázovou vlnou
Procesní přístup a mechanismus se velmi liší od prvních dvou. Mechanismus spočívá především v odstraňování rázovou vlnou, čištěné objekty jsou převážně částice, zejména pro odstraňování částic (submikronových nebo nanoměřítek). Procesní požadavky jsou velmi přísné, a to jak pro zajištění schopnosti ionizace vzduchu, tak také pro udržení vhodné vzdálenosti mezi laserem a substrátem, aby se zajistilo, že působení nárazové síly na částice je dostatečně velké.
Schéma procesu čištění laserovou rázovou vlnou je znázorněno níže. Laser je rovnoběžný se směrem dopadu na povrch substrátu a substrát se nedotýká. Pohybem obrobku nebo laserové hlavy upravte zaostření laseru na částice v blízkosti laserového výstupu, čímž dojde k jevu ionizace vzduchu, což má za následek rázové vlny, které se rychle rozpínají do sférické expanze a prodlužují se až do kontaktu s částicemi. Pokud je moment příčné složky rázové vlny na částici větší než moment podélné složky a adhezní síla částic, částice se odvalí.
Technologie laserového čištění
Mechanismus laserového čištění je založen především na absorpci laserové energie povrchem objektu, nebo na odpařování a odpařování, nebo na okamžité tepelné roztažnosti, aby se překonala adsorpce částic na povrchu, čímž se objekt oddělí od povrchu a dosáhne se cíle čištění.
Zhruba shrnuto jako: 1. rozklad laserovou parou, 2. laserové odlupování, 3. tepelná roztažnost částic nečistot, 4. vibrace povrchu substrátu a vibrace částic – čtyři aspekty
Ve srovnání s tradičním čisticím procesem má laserová čisticí technologie následující vlastnosti.
1. Jedná se o „suché“ čištění, bez použití čisticího roztoku nebo jiných chemických roztoků, a čistota je mnohem vyšší než u chemického čištění.
2. Rozsah odstraňování nečistot a použitelný rozsah substrátů je velmi široký a
3. Díky regulaci parametrů laserového procesu nelze povrch substrátu poškodit na základě účinného odstranění kontaminantů, takže povrch je jako nový.
4. Laserové čištění lze snadno automatizovat.
5. Zařízení pro laserovou dekontaminaci lze používat po dlouhou dobu, s nízkými provozními náklady.
6. Technologie laserového čištění je: zelená: čisticí proces, eliminuje odpad, je to pevný prášek, malá velikost, snadno se skladuje, v podstatě neznečišťuje životní prostředí.
V 80. letech 20. století kladl rychlý rozvoj polovodičového průmyslu vyšší požadavky na technologii čištění křemíkových destiček, která maskovala kontaminaci částicemi. Klíčovým bodem bylo překonat kontaminaci mikročásticemi a substrátem v důsledku velké adsorpční síly. Tradiční chemické čištění, mechanické čištění a ultrazvukové metody nedokázaly uspokojit poptávku a laserové čištění mohlo tyto problémy se znečištěním vyřešit. Související výzkum a aplikace se rychle rozvíjely.
V roce 1987 se poprvé objevila patentová přihláška na laserové čištění. V 90. letech 20. století společnost Zapka úspěšně aplikovala technologii laserového čištění v procesu výroby polovodičů k odstranění mikročástic z povrchu masky, čímž se dosáhlo raného využití technologie laserového čištění v průmyslové oblasti. V roce 1995 vědci použili 2kW TEA-CO2 laser k úspěšnému odstranění barvy z trupu letadla.
Po vstupu do 21. století, s vysokorychlostním rozvojem laserů s ultrakrátkými pulzy, se postupně zvyšoval domácí i zahraniční výzkum a aplikace technologie laserového čištění, zaměřené na povrchy kovových materiálů. Typické zahraniční aplikace zahrnují odstraňování nátěrů z trupu letadel, odmašťování povrchu forem, odstraňování uhlíku z vnitřních částí motoru a čištění povrchů spojů před svařováním. Americký Edisonův svářečský institut pro laserové čištění vojenského letadla FG16 při výkonu laseru 1 kW dosáhl objemu čištění 2,36 cm3 za minutu.
Za zmínku stojí, že výzkum a aplikace laserového odstraňování laku z pokročilých kompozitních dílů jsou také důležitým tématem. U amerických námořnictev HG53 a HG56 vrtulových listů a plochých ocasních ploch stíhačky F16 a dalších kompozitních povrchů byly realizovány aplikace laserového odstraňování laku, zatímco čínské aplikace kompozitních materiálů v letadlech jsou pozdní, takže tento výzkum je v podstatě neúspěšný.
Kromě toho je jedním z aktuálních výzkumných zaměření použití technologie laserového čištění k ošetření povrchu spoje z CFRP kompozitu před lepením za účelem zlepšení pevnosti spoje. Společnost adaptovala laser na výrobní linku vozu Audi TT, aby poskytla zařízení pro čištění vláknovým laserem k čištění povrchu oxidového filmu na rámu dveří z lehké hliníkové slitiny. Společnost Rolls G Royce UK použila laserové čištění k čištění oxidového filmu na povrchu titanových součástí leteckých motorů.
Technologie laserového čištění se v posledních dvou letech rychle rozvíjela, ať už se jedná o parametry procesu laserového čištění a mechanismus čištění, výzkum čisticích objektů nebo aplikaci výzkumu, dosáhla velkého pokroku. Technologie laserového čištění se po mnoha teoretických výzkumech neustále zaměřuje na aplikaci výzkumu a slibné výsledky. V budoucnu se technologie laserového čištění bude v ochraně kulturních památek a uměleckých děl používat stále častěji a její trh bude velmi široký. S rozvojem vědy a techniky se aplikace technologie laserového čištění v průmyslu stává realitou a rozsah jejího použití se stále rozšiřuje.
Společnost Maven, která se zabývá laserovou automatizací, se zaměřuje na laserový průmysl již 14 let. Specializujeme se na laserové značení. Nabízíme laserové čisticí stroje na skříně strojů, vozíky, batohy a tři v jednom laserové čisticí stroje. Dále nabízíme také laserové svařovací stroje, řezací stroje a gravírovací stroje. Pokud máte o náš stroj zájem, můžete nás sledovat a neváhejte nás kontaktovat.
Čas zveřejnění: 14. listopadu 2022
