V zadnjih letih je lasersko čiščenje postalo ena od raziskovalnih žarišč na področju industrijske proizvodnje, raziskave pa zajemajo procese, teorijo, opremo in aplikacije. V industrijskih aplikacijah je tehnologija laserskega čiščenja zanesljivo očistila veliko število različnih površin substratov, vključno z jeklom, aluminijem, titanom, steklom in kompozitnimi materiali itd., aplikacije pa se uporabljajo v vesoljski, letalski, ladijski, hitri železnici, avtomobilski industriji, plesni, jedrski energetiki, pomorstvu in drugih panogah.
Tehnologija laserskega čiščenja, ki sega v šestdeseta leta prejšnjega stoletja, ima prednosti dobrega čistilnega učinka, širokega nabora uporabe, visoke natančnosti, brezkontaktnosti in dostopnosti. V industrijski proizvodnji, proizvodnji in vzdrževanju ter na drugih področjih ima širok spekter možnosti uporabe in naj bi delno ali v celoti nadomestila tradicionalne metode čiščenja ter postala najbolj obetavna zelena tehnologija čiščenja v 21. stoletju.
Metoda laserskega čiščenja
Postopek laserskega čiščenja je zelo zapleten in vključuje različne mehanizme odstranjevanja materiala. Pri laserskem čiščenju lahko hkrati obstaja več različnih mehanizmov, ki so predvsem posledica interakcije med laserjem in materialom, vključno z ablacijo površine materiala, razgradnjo, ionizacijo, degradacijo, taljenjem, zgorevanjem, uparjanjem, vibracijami, naprševanjem, raztezanjem, krčenjem, eksplozijo, luščenjem, odkruševanjem in drugimi fizikalnimi in kemičnimi spremembami.
Trenutno so tipične metode laserskega čiščenja predvsem tri: lasersko ablacijsko čiščenje, lasersko čiščenje s pomočjo tekočega filma in lasersko čiščenje z udarnimi valovi.
Metoda čiščenja z lasersko ablacijo
Glavni metodološki mehanizmi so toplotno raztezanje, uparjanje, ablacija in fazna eksplozija. Laser deluje neposredno na material, ki ga je treba odstraniti s površine substrata, okoljski pogoji pa so lahko zrak, redek plin ali vakuum. Delovni pogoji so preprosti in se najpogosteje uporabljajo za odstranjevanje različnih premazov, barv, delcev ali umazanije. Spodnji diagram prikazuje procesni diagram za metodo laserskega ablacijskega čiščenja.
Ko lasersko sevanje vpliva na površino materiala, se substrat in čistilni material najprej toplotno raztezata. Z naraščajočim časom interakcije laserja s čistilnim materialom, če je temperatura nižja od praga kavitacije čistilnega materiala, se čistilni material fizično spremeni. Razlika med koeficientom toplotnega raztezanja čistilnega materiala in substrata povzroči tlak na vmesniku, kar povzroči upogibanje čistilnega materiala, trganje s površine substrata, razpoke, mehanske lome, vibracijsko drobljenje itd. Čistilni material se odstrani s curkom ali s površine substrata.
Če je temperatura višja od praga uplinjanja čistilnega materiala, se zgodita dve situaciji: 1) prag ablacije čistilnega materiala je nižji od substrata; 2) prag ablacije čistilnega materiala je višji od substrata.
Ta dva primera čistilnih materialov sta taljenje, kavitacija in ablacija ter druge fizikalno-kemijske spremembe. Mehanizem čiščenja je bolj zapleten in poleg toplotnih učinkov lahko vključuje tudi pretrganje molekularnih vezi med čistilnimi materiali in substrati, razgradnjo ali degradacijo čistilnih materialov, fazno eksplozijo, uplinjanje čistilnih materialov, takojšnjo ionizacijo in nastanek plazme.
(1)Čiščenje z laserjem s pomočjo tekočega filma
Metoda mehanizma ima predvsem uparjanje in vibracije s tekočim filmom, ki vre, itd. Uporaba potrebuje izbiro ustrezne laserske valovne dolžine, da se nadomesti pomanjkanje udarnega tlaka v procesu čiščenja z lasersko ablacijo, kar se lahko uporabi za odstranitev nekaterih težje odstranljivih čistilnih predmetov.
Kot je prikazano na spodnji sliki, je tekoči film (voda, etanol ali druge tekočine) predhodno prekrit s površino čiščenega predmeta, nato pa se uporabi lasersko sevanje. Tekoči film absorbira lasersko energijo, kar povzroči močno eksplozijo tekočega medija, eksplozijo vrele tekočine z veliko hitrostjo, prenos energije na površino čistilnega materiala, visoka prehodna eksplozivna sila pa je zadostna za odstranitev površinske umazanije za doseganje ciljev čiščenja.
Metoda laserskega čiščenja s pomočjo tekočega filma ima dve pomanjkljivosti.
Zapleten postopek in težko ga je nadzorovati.
Zaradi uporabe tekočega filma se kemična sestava površine substrata po čiščenju enostavno spremeni in ustvari nove snovi.
(1)Metoda čiščenja z laserskim udarnim valovom
Postopek in mehanizem se zelo razlikujeta od prvih dveh. Mehanizem temelji predvsem na odstranjevanju z udarnim valom, čistilni predmeti pa so predvsem delci, predvsem za odstranjevanje delcev (submikronskih ali nanoskalnih). Postopek je zelo strog, tako zaradi zagotavljanja sposobnosti ionizacije zraka kot tudi zaradi vzdrževanja ustrezne razdalje med laserjem in podlago, da se zagotovi dovolj velika udarna sila na delce.
Spodaj je prikazan shematski diagram postopka čiščenja z laserskim udarnim valovom, pri čemer je laser usmerjen vzporedno s smerjo udarca na površino substrata in se ne dotika substrata. Premaknite obdelovanec ali lasersko glavo, da nastavite laserski fokus na delce v bližini laserskega izhoda, kar bo povzročilo pojav ionizacije zraka, kar bo povzročilo udarne valove, ki se bodo hitro razširili do sferične širitve in se razširili do stika z delci. Ko je moment prečne komponente udarnega vala na delcu večji od momenta vzdolžne komponente in sile adhezije delcev, se delci odstranijo z valjanjem.
Tehnologija laserskega čiščenja
Mehanizem laserskega čiščenja temelji predvsem na absorpciji laserske energije s površine predmeta, bodisi z uparjanjem in izhlapevanjem bodisi s takojšnjim toplotnim raztezanjem, da se premaga adsorpcija delcev na površini, tako da se predmet odstrani s površine in nato doseže namen čiščenja.
Grobo povzeto kot: 1. razgradnja laserske pare, 2. lasersko odstranjevanje, 3. toplotno raztezanje delcev umazanije, 4. vibracije površine substrata in vibracije delcev - štirje vidiki
V primerjavi s tradicionalnim postopkom čiščenja ima laserska tehnologija čiščenja naslednje značilnosti.
1. Gre za "suho" čiščenje, brez čistilne raztopine ali drugih kemičnih raztopin, čistoča pa je veliko višja kot pri kemičnem čiščenju.
2. Obseg odstranjevanja umazanije in ustrezni razpon substratov je zelo širok in
3. Z regulacijo parametrov laserskega procesa se površina substrata ne poškoduje zaradi učinkovitega odstranjevanja onesnaževalcev, površina pa je kot nova.
4. Lasersko čiščenje je mogoče enostavno avtomatizirati.
5. Oprema za lasersko dekontaminacijo se lahko uporablja dolgo časa, nizki obratovalni stroški.
6. Tehnologija laserskega čiščenja je: zelena: postopek čiščenja, odstranjevanje odpadkov je trdni prah, majhna velikost, enostavno shranjevanje, v bistvu ne bo onesnaževal okolja.
V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je hiter razvoj polprevodniške industrije na površini silicijevih rezin povzročil višje zahteve glede tehnologije čiščenja, ki je zaščita pred onesnaženjem delcev. Ključna točka je bila premagovanje onesnaženja mikrodelcev in substrata zaradi velike adsorpcijske sile. Tradicionalno kemično čiščenje, mehansko čiščenje in ultrazvočno čiščenje niso zadostile povpraševanju, lasersko čiščenje pa lahko reši takšne težave z onesnaženjem. S tem povezane raziskave in aplikacije so se hitro razvile.
Leta 1987 se je prvič pojavila patentna prijava za lasersko čiščenje. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja je Zapka uspešno uporabil tehnologijo laserskega čiščenja v procesu izdelave polprevodnikov za odstranjevanje mikrodelcev s površine maske, kar je pomenilo zgodnjo uporabo tehnologije laserskega čiščenja v industriji. Leta 1995 so raziskovalci z 2 kW TEA-CO2 laserjem uspešno očistili trup letala in odstranili barvo.
Po vstopu v 21. stoletje so se z hitrim razvojem ultrakratkih impulznih laserjev domače in tuje raziskave in uporaba tehnologije laserskega čiščenja postopoma povečevale, s poudarkom na površinah kovinskih materialov. Tipične tuje aplikacije so odstranjevanje barve s trupa letala, razmaščevanje površin kalupov, odstranjevanje ogljika iz notranjosti motorja in čiščenje površin spojev pred varjenjem. Ameriški Edisonov varilski inštitut je lasersko čiščenje vojnega letala FG16 pri moči laserja 1 kW opravil čistilni volumen 2,36 cm3 na minuto.
Omeniti velja, da so raziskave in uporaba laserskega odstranjevanja barve iz naprednih kompozitnih delov prav tako pomembna tema. Pri ameriški mornarici HG53 in propelerskih lopaticah helikopterjev HG56 ter ravnem repu in drugih kompozitnih površinah so bile realizirane aplikacije laserskega odstranjevanja barve, medtem ko je kitajska uporaba kompozitnih materialov v letalstvu pozno, zato so takšne raziskave v bistvu prazne.
Poleg tega je uporaba tehnologije laserskega čiščenja za obdelavo površine spoja s CFRP kompozitom pred lepljenjem za izboljšanje trdnosti spoja prav tako eno od trenutnih raziskovalnih področij. Podjetje je prilagodilo laser proizvodni liniji avtomobila Audi TT, da bi zagotovilo opremo za čiščenje z vlaknenim laserjem za čiščenje površine oksidnega filma okvirja vrat iz lahke aluminijeve zlitine. Rolls G Royce UK je uporabil lasersko čiščenje za čiščenje oksidnega filma na površini titanovih komponent letalskih motorjev.
Tehnologija laserskega čiščenja se je v zadnjih dveh letih hitro razvila, tako pri parametrih procesa laserskega čiščenja in mehanizmih čiščenja, raziskavah čistilnih objektov kot tudi pri uporabi raziskav. Po številnih teoretičnih raziskavah se je fokus raziskav laserskega čiščenja nenehno usmerjal k uporabi raziskav in obetavnim rezultatom. V prihodnosti se bo laserska čistilna tehnologija pri zaščiti kulturnih relikvij in umetniških del uporabljala vse bolj pogosto, njen trg pa je zelo širok. Z razvojem znanosti in tehnologije postaja uporaba laserske čistilne tehnologije v industriji resničnost, področje uporabe pa se vse bolj širi.
Podjetje za lasersko avtomatizacijo Maven se že 14 let osredotoča na lasersko industrijo. Specializirani smo za lasersko označevanje. Imamo laserski čistilni stroj za omare strojev, laserski čistilni stroj za kovčke za vozičke, laserski čistilni stroj za nahrbtnike in trivtočkovni laserski čistilni stroj. Poleg tega imamo tudi laserski varilni stroj, laserski rezalni stroj in laserski gravirni stroj. Če vas zanima naš stroj, nas lahko spremljate in nas kontaktirate.
Čas objave: 14. november 2022
