Špičková výroba a úspora energie a znižovanie emisií majú čoraz naliehavejšie potreby pokročilých procesov. Z hľadiska priemyselnej povrchovej úpravy je naliehavá potreba komplexnej modernizácie technológie a procesov. Tradičné priemyselné čistiace procesy, ako je mechanické čistenie trením, čistenie chemickou koróziou, silné nárazové čistenie, vysokofrekvenčné ultrazvukové čistenie, majú nielen dlhé čistiace cykly, ale je ťažké ich automatizovať, majú škodlivé účinky na životné prostredie a nedosahujú požadovaný čistiaci účinok. Nemôže dobre spĺňať potreby jemného spracovania.
Avšak s čoraz výraznejšími rozpormi medzi ochranou životného prostredia, vysokou účinnosťou a vysokou presnosťou sú tradičné priemyselné metódy čistenia veľmi náročné. Zároveň sa objavili rôzne čistiace technológie, ktoré vedú k ochrane životného prostredia a sú vhodné pre diely v oblasti ultrafinišovania a jednou z nich je technológia čistenia laserom.
Koncept laserového čistenia
Laserové čistenie je technológia, ktorá využíva zaostrený laser na pôsobenie na povrch materiálu, aby sa rýchlo odparili alebo odlupovali kontaminanty na povrchu, aby sa vyčistil povrch materiálu. V porovnaní s rôznymi tradičnými fyzikálnymi alebo chemickými metódami čistenia má laserové čistenie vlastnosti bez kontaktu, bez spotrebného materiálu, bez znečistenia, s vysokou presnosťou, bez poškodenia alebo malého poškodenia a je ideálnou voľbou pre novú generáciu technológie priemyselného čistenia.
Princíp činnosti laserového čistiaceho stroja
Princíplaserový čistiaci strojje zložitejšia a môže zahŕňať fyzikálne aj chemické procesy. V mnohých prípadoch sú hlavným procesom fyzikálne procesy sprevádzané niektorými chemickými reakciami. Hlavné procesy možno rozdeliť do troch kategórií, vrátane procesu splyňovania, šokového procesu a oscilačného procesu.
Proces splyňovania
Keď sa vysokoenergetický laser ožaruje na povrch materiálu, povrch absorbuje energiu lasera a premieňa ju na vnútornú energiu, takže povrchová teplota rýchlo stúpa a dosahuje nad teplotu odparovania materiálu, takže znečisťujúce látky sú oddelené od povrchu materiálu vo forme pary. K selektívnemu odparovaniu zvyčajne dochádza, keď je rýchlosť absorpcie laserového svetla povrchovými kontaminantmi výrazne vyššia ako rýchlosť substrátu. Typickým prípadom použitia je čistenie nečistôt na kamenných povrchoch. Ako je znázornené na obrázku nižšie, znečisťujúce látky na povrchu kameňa majú silnú absorpciu lasera a rýchlo sa odparujú. Po odstránení škodlivín a ožiarení laserom na povrchu kameňa je absorpcia slabá, povrchom kameňa sa rozptýli viac laserovej energie, zmena teploty povrchu kameňa je malá a povrch kameňa je chránený pred poškodením.
Typický chemický proces nastáva, keď sa laser v ultrafialovom pásme používa na čistenie organických nečistôt, čo sa nazýva laserová ablácia. Ultrafialové lasery majú krátke vlnové dĺžky a vysokú energiu fotónov. Napríklad excimerové lasery KrF majú vlnovú dĺžku 248 nm a energiu fotónov až 5 eV, čo je 40-krát viac ako energia fotónov CO2 lasera (0,12 eV). Takáto vysoká fotónová energia stačí na zničenie molekulárnych väzieb organickej hmoty, takže CC, CH, CO atď. v organických škodlivinách sa po absorpcii fotónovej energie lasera rozbijú, čo vedie k pyrolýznemu splyňovaniu a odstráneniu z povrchu.
Šokový proces
Rázový proces je séria reakcií, ktoré sa vyskytujú počas interakcie medzi laserom a materiálom a následne sa na povrchu materiálu vytvorí rázová vlna. Pôsobením rázovej vlny sa povrchové nečistoty rozbijú a stanú sa prachom alebo úlomkami odlúpnutými z povrchu. Existuje mnoho mechanizmov, ktoré spôsobujú rázové vlny, vrátane plazmy, pary a rýchlej tepelnej expanzie a kontrakcie. Pomocou plazmových rázových vĺn ako príkladu je možné stručne pochopiť, ako šokový proces pri laserovom čistení odstraňuje povrchové nečistoty. Pri použití laserov s ultrakrátkou šírkou impulzu (ns) a ultravysokým špičkovým výkonom (107–1010 W/cm2) bude povrchová teplota stále prudko stúpať, aj keď povrch ľahko absorbuje laser a okamžite dosiahne teplotu odparovania. Hore, para vytvorená nad povrchom materiálu, ako je znázornené v (a) na nasledujúcom obrázku. Teplota pary môže dosiahnuť 104 – 105 K, čo môže ionizovať paru samotnú alebo okolitý vzduch za vzniku plazmy. Plazma zablokuje laser v dosiahnutí povrchu materiálu a odparovanie povrchu materiálu sa môže zastaviť, ale plazma bude naďalej absorbovať laserovú energiu a teplota bude naďalej stúpať, čím sa vytvorí lokalizovaný stav ultravysoká teplota a vysoký tlak, ktorý vytvára okamžitý tlak 1-100 kbar na povrchu materiálu. Náraz sa postupne prenáša do vnútra materiálu, ako je znázornené na obrázkoch (b) a (c) nižšie. Pôsobením rázovej vlny sa povrchové nečistoty rozbijú na drobný prach, častice alebo úlomky. Keď sa laser presunie preč z polohy ožarovania, plazma zmizne a lokálne sa vytvorí negatívny tlak a častice alebo úlomky kontaminantov sa odstránia z povrchu, ako je znázornené na obrázku (d) nižšie.
Oscilačný proces
Pôsobením krátkych impulzov sú procesy ohrevu a chladenia materiálu extrémne rýchle. Pretože rôzne materiály majú rôzne koeficienty tepelnej rozťažnosti, pri ožiarení laserom s krátkym impulzom budú povrchové nečistoty a substrát podliehať vysokofrekvenčnej tepelnej rozťažnosti a kontrakcii rôzneho stupňa, čo vedie k oscilácii, ktorá spôsobí odlupovanie nečistôt z povrchu. materiál. Počas tohto procesu exfoliácie nemusí dôjsť k odparovaniu materiálu a nemusí sa vytvárať plazma. Namiesto toho šmyková sila vytvorená na rozhraní kontaminantu a substrátu pôsobením oscilácie ničí väzbu medzi kontaminantom a substrátom. . Štúdie ukázali, že keď sa uhol dopadu lasera mierne zvýši, kontakt medzi laserom a časticami a rozhraním substrátu sa môže zvýšiť, prah čistenia laserom sa môže znížiť, oscilačný efekt je zreteľnejší a účinnosť čistenia je vyššia. Uhol dopadu by však nemal byť príliš veľký. Príliš veľký uhol dopadu zníži hustotu energie pôsobiacej na povrch materiálu a oslabí čistiacu schopnosť lasera.
Priemyselné aplikácie laserových čističov
Formovací priemysel
Laserový čistič dokáže realizovať bezdotykové čistenie formy, ktoré je veľmi bezpečné pre povrch formy, dokáže zabezpečiť jej presnosť a dokáže vyčistiť čiastočky submikrónovej špiny, ktoré sa nedajú odstrániť tradičnými metódami čistenia, napr. na dosiahnutie skutočne čistého, efektívneho a kvalitného čistenia bez znečistenia.
Priemysel presných prístrojov
Odvetvie presných strojov často potrebuje z dielov odstrániť estery a minerálne oleje používané na mazanie a odolnosť proti korózii, zvyčajne chemicky, a chemické čistenie často zanecháva zvyšky. Laserová deesterifikácia dokáže úplne odstrániť estery a minerálne oleje bez poškodenia povrchu dielov. Laser podporuje explozívne splyňovanie tenkej oxidovej vrstvy na povrchu dielu za vzniku rázovej vlny, čo vedie k odstráneniu kontaminantov a nie k mechanickej interakcii.
Železničný priemysel
V súčasnosti sa pri všetkom čistení koľajníc pred zváraním používa čistenie brúsnym kotúčom a brúsnym pásom, čo spôsobuje vážne poškodenie podkladu a vážne zvyškové napätie a každý rok spotrebuje veľa spotrebného materiálu brúsnych kotúčov, čo je nákladné a spôsobuje vážne škody. znečistenie životného prostredia prachom. Laserové čistenie môže poskytnúť vysokokvalitnú a efektívnu technológiu zeleného čistenia pre výrobu vysokorýchlostných železničných tratí v mojej krajine, vyriešiť vyššie uvedené problémy, odstrániť chyby zvárania, ako sú bezšvíkové diery v koľajniciach a sivé škvrny, a zlepšiť stabilitu a bezpečnosť vysokej úrovne mojej krajiny. - prevádzka rýchlostnej železnice.
Letecký priemysel
Povrch lietadla je potrebné po určitom čase prelakovať, no pôvodný starý náter je potrebné pred lakovaním úplne odstrániť. Chemické namáčanie/utieranie je hlavnou metódou odstraňovania náterov v oblasti letectva. Tento spôsob má za následok veľké množstvo chemického pomocného odpadu a nie je možné dosiahnuť lokálnu údržbu a odstraňovanie náterov. Tento proces je ťažký a škodlivý pre zdravie. Laserové čistenie umožňuje kvalitné odstraňovanie náterov z povrchov lietadiel a je ľahko automatizované pre výrobu. V súčasnosti je technológia čistenia laserom aplikovaná na údržbu niektorých špičkových modelov.
Lodný priemysel
V súčasnosti sa pri predvýrobnom čistení lodí používa hlavne metóda pieskovania. Metóda pieskovania spôsobila vážne znečistenie okolitého prostredia prachom a bola postupne zakázaná, čo viedlo k obmedzeniu až pozastaveniu výroby zo strany výrobcov lodí. Laserová technológia čistenia poskytne ekologický čistiaci roztok bez znečistenia pre antikorózny nástrek na povrchy lodí.
Výzbroj
Technológia laserového čistenia sa široko používa pri údržbe zbraní. Laserový čistiaci systém dokáže efektívne a rýchlo odstrániť hrdzu a nečistoty a môže vybrať čistiacu časť na realizáciu automatizácie čistenia. Pri použití laserového čistenia je nielen čistota vyššia ako pri chemickom čistení, ale nedochádza k takmer žiadnemu poškodeniu povrchu predmetu. Nastavením rôznych parametrov môže laserový čistiaci stroj vytvoriť na povrchu kovových predmetov hustú oxidovú ochrannú fóliu alebo vrstvu tavenia kovu, aby sa zlepšila povrchová pevnosť a odolnosť proti korózii. Odpad odstránený laserom v podstate neznečisťuje životné prostredie a je možné ho prevádzkovať aj na veľkú vzdialenosť, čo efektívne znižuje poškodenie zdravia operátora.
Exteriér budovy
Stále viac a viac mrakodrapov sa stavia a problém čistenia vonkajších stien je čoraz dôležitejší. Laserový čistiaci systém dobre čistí vonkajšie steny budov cez optické vlákna. Riešenie s maximálnou dĺžkou 70 metrov dokáže efektívne vyčistiť rôzne škodliviny na rôznych kameňoch, kovoch a skle a jeho účinnosť je oveľa vyššia ako pri bežnom čistení. Dokáže odstrániť aj čierne škvrny a škvrny z rôznych kameňov v budovách. Čistiaci test laserového čistiaceho systému na budovách a kamenných pamiatkach ukazuje, že laserové čistenie má dobrý vplyv na ochranu vzhľadu starobylých budov.
Elektronický priemysel
Elektronický priemysel používa lasery na odstránenie oxidov: Elektronický priemysel vyžaduje vysoko presnú dekontamináciu a laserová deoxidácia je obzvlášť vhodná. Piny komponentov musia byť pred spájkovaním dosky dôkladne deoxidované, aby sa zabezpečil optimálny elektrický kontakt a piny sa nesmú počas procesu dekontaminácie poškodiť. Laserové čistenie môže spĺňať požiadavky použitia a účinnosť je veľmi vysoká a pre každú ihlu je potrebné iba jedno laserové ožarovanie.
Jadrová elektráreň
Laserové čistiace systémy sa používajú aj pri čistení potrubí reaktorov v jadrových elektrárňach. Využíva optické vlákno na zavedenie vysokovýkonného laserového lúča do reaktora na priame odstránenie rádioaktívneho prachu a vyčistený materiál sa ľahko čistí. A keďže sa obsluhuje na diaľku, môže byť zaručená bezpečnosť personálu.
Zhrnutie
Dnešný vyspelý výrobný priemysel sa stal dominantou medzinárodnej konkurencie. Ako pokročilý systém v laserovej výrobe má laserový čistiaci stroj veľký potenciál pre aplikačnú hodnotu v priemyselnom rozvoji. Intenzívne sa rozvíjajúca technológia laserového čistenia má veľmi dôležitý strategický význam pre ekonomický a spoločenský rozvoj.