Wysokiej klasy produkcja oraz oszczędzanie energii i redukcja emisji powodują coraz pilniejsze zapotrzebowanie na zaawansowane procesy. W zakresie przemysłowej obróbki powierzchni istnieje pilna potrzeba kompleksowej modernizacji technologii i procesów. Tradycyjne przemysłowe procesy czyszczenia, takie jak mechaniczne czyszczenie cierne, chemiczne czyszczenie antykorozyjne, czyszczenie silnymi uderzeniami, czyszczenie ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości, mają nie tylko długie cykle czyszczenia, ale są trudne do zautomatyzowania, mają szkodliwy wpływ na środowisko i nie zapewniają osiągnięcia wymaganej jakości. pożądany efekt czyszczenia. Nie może dobrze zaspokoić potrzeb dokładnego przetwarzania.
Precyzyjne maszyny do czyszczenia laserowego: zakłócenia w czyszczeniu przemysłowym
Jednakże w obliczu coraz wyraźniejszych sprzeczności pomiędzy ochroną środowiska, wysoką wydajnością i wysoką precyzją, tradycyjne metody czyszczenia przemysłowego stają przed wielkim wyzwaniem. Jednocześnie pojawiły się różne technologie czyszczenia, które sprzyjają ochronie środowiska i nadają się do części w zakresie ultrawykańczania, a jedną z nich jest technologia czyszczenia laserowego.
Koncepcja czyszczenia laserowego
Czyszczenie laserowe to technologia wykorzystująca skupiony laser działający na powierzchnię materiału w celu szybkiego odparowania lub usunięcia zanieczyszczeń z powierzchni w celu oczyszczenia powierzchni 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 niewielkich uszkodzeń i jest idealnym wyborem dla nowej generacji technologii czyszczenia przemysłowego.
Zasada działania maszyny do czyszczenia laserowego
Zasada działania laserowej maszyny czyszczącej jest bardziej skomplikowana i może obejmować zarówno procesy fizyczne, jak i chemiczne. W wielu przypadkach głównym procesem są procesy fizyczne, którym towarzyszą pewne reakcje chemiczne. Główne procesy można podzielić na trzy kategorie, w tym proces zgazowania, proces szokowy i proces oscylacji.
Proces zgazowania
Kiedy wysokoenergetyczny laser jest naświetlany na powierzchnię materiału, powierzchnia pochłania energię lasera i przekształca ją w energię wewnętrzną, dzięki czemu temperatura powierzchni gwałtownie rośnie i osiąga powyżej temperatury parowania materiału, dzięki czemu zanieczyszczenia są usuwane oddziela się od powierzchni materiału w postaci pary. Waporyzacja selektywna występuje zwykle wtedy, gdy stopień absorpcji światła lasera przez zanieczyszczenia powierzchniowe jest znacznie wyższy niż przez podłoże. Typowym przypadkiem zastosowania jest czyszczenie brudu z powierzchni kamiennych. Jak pokazano na poniższym rysunku, zanieczyszczenia znajdujące się na powierzchni kamienia silnie absorbują laser i szybko odparowują. Po usunięciu zanieczyszczeń i napromieniowaniu laserem powierzchni 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 do czyszczenia zanieczyszczeń organicznych używa się lasera w paśmie ultrafioletowym, co nazywa się ablacją laserową. Lasery ultrafioletowe mają krótkie fale i wysoką energię fotonów. Na przykład lasery ekscymerowe KrF mają długość fali 248 nm i energię fotonów sięgającą 5 eV, czyli 40 razy większą niż energia fotonów lasera CO2 (0,12 eV). Tak wysoka energia fotonów wystarczy, aby zniszczyć wiązania molekularne materii organicznej, tak że CC, CH, CO itp. w zanieczyszczeniach organicznych rozbijają się po pochłonięciu energii fotonów lasera, co powoduje zgazowanie pirolityczne i usunięcie ich z powierzchni.
Proces szoku
Proces uderzeniowy to szereg reakcji zachodzących podczas oddziaływania lasera z materiałem, po czym na powierzchni materiału powstaje fala uderzeniowa. Pod wpływem fali uderzeniowej zanieczyszczenia powierzchniowe ulegają rozbiciu i stają się pyłem lub gruzem odrywanym od powierzchni. Istnieje wiele mechanizmów powodujących fale uderzeniowe, w tym plazma, para wodna oraz szybka rozszerzalność i kurczenie się cieplne. Na przykładzie plazmowych fal uderzeniowych można pokrótce zrozumieć, w jaki sposób proces uderzeniowy podczas czyszczenia laserowego usuwa zanieczyszczenia powierzchniowe. Przy zastosowaniu laserów o ultrakrótkiej szerokości impulsu (ns) i ultrawysokiej mocy szczytowej (107–1010 W/cm2) temperatura powierzchni nadal gwałtownie wzrośnie, 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 sięgać 104 – 105 K, co może jonizować samą parę lub otaczające powietrze, tworząc plazmę. Plazma będzie blokować dotarcie lasera do powierzchni materiału i parowanie powierzchni materiału może ustać, ale plazma będzie nadal absorbować energię lasera, a temperatura będzie nadal rosła, tworząc miejscowy stan bardzo wysoka temperatura i wysokie ciśnienie, które wytwarza chwilowe ciśnienie 1-100 kbar na powierzchni materiału. Uderzenie stopniowo przenosi się do wnętrza materiału, jak pokazano na rysunkach (b) i (c) poniżej. Pod wpływem fali uderzeniowej zanieczyszczenia powierzchniowe rozbijają się na drobny pył, cząstki lub fragmenty. Kiedy laser zostanie odsunięty od miejsca napromieniania, plazma znika i lokalnie wytwarza się podciśnienie, a cząstki lub resztki zanieczyszczeń 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 napromieniowaniem lasera krótkoimpulsowego zanieczyszczenia powierzchniowe i podłoże ulegną rozszerzaniu i kurczeniu termicznemu o wysokiej częstotliwości o różnym stopniu, powodując oscylacje, powodując odklejanie się zanieczyszczeń z powierzchni materiał. Podczas procesu złuszczania może nie dojść do odparowania materiału i wytworzenia plazmy. Zamiast tego siła ścinająca powstająca na styku zanieczyszczenia i podłoża pod wpływem oscylacji niszczy wiązanie pomiędzy zanieczyszczeniem a podłożem. . Badania wykazały, że nieznacznie zwiększając kąt padania lasera, można zwiększyć kontakt między laserem a zanieczyszczeniami cząstek a powierzchnią podłoża, zmniejszyć próg czyszczenia laserowego, efekt oscylacji jest bardziej widoczny, a skuteczność 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 środków czyszczących laserowych
Przemysł pleśniowy
Czyszczarka laserowa umożliwia bezkontaktowe czyszczenie formy, które jest bardzo bezpieczne dla powierzchni formy, może zapewnić jej dokładność oraz czyścić submikronowe cząsteczki brudu, których nie można usunąć tradycyjnymi metodami czyszczenia, tak jak aby osiągnąć naprawdę wolne od zanieczyszczeń, wydajne i wysokiej jakości czyszczenie.
Przemysł instrumentów precyzyjnych
Przemysł maszyn precyzyjnych często musi usuwać z części estry i oleje mineralne stosowane do smarowania i zapewniania odporności na korozję, zwykle chemicznie, a czyszczenie chemiczne często pozostawia pozostałości. Deestryfikacja laserowa może całkowicie usunąć estry i oleje mineralne bez uszkadzania powierzchni części. Laser wspomaga wybuchowe zgazowanie cienkiej warstwy tlenku na powierzchni części, tworząc falę uderzeniową, która powoduje usunięcie zanieczyszczeń, a nie interakcję mechaniczną.
Przemysł kolejowy
Obecnie do wszystkich czynności czyszczenia szyn przed spawaniem stosuje się czyszczenie ściernicą i taśmą ścierną, co powoduje poważne uszkodzenie podłoża i poważne naprężenia szczątkowe, a także powoduje zużycie wielu materiałów eksploatacyjnych do ściernic każdego roku, co jest kosztowne i powoduje poważne zanieczyszczenie pyłem środowiska. Czyszczenie laserowe może zapewnić wysokiej jakości i wydajną ekologiczną technologię czyszczenia dla produkcji układania torów kolejowych 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 wysokich torów w moim kraju -eksploatacja kolei szybkiej.
Przemysł lotniczy
Powierzchnię samolotu należy po pewnym czasie przemalować, jednak przed malowaniem należy całkowicie usunąć starą, oryginalną farbę. Główną metodą usuwania farby w lotnictwie jest chemiczne namaczanie/wycieranie. W wyniku tej metody powstaje duża ilość pomocniczych odpadów chemicznych i niemożliwa jest lokalna konserwacja i usuwanie 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 w produkcji. Obecnie w niektórych modelach z najwyższej półki zastosowano technologię czyszczenia laserowego.
Przemysł okrętowy
Obecnie w przedprodukcyjnym czyszczeniu statków stosuje się głównie metodę piaskowania. Metoda piaskowania spowodowała poważne zanieczyszczenie pyłem otaczającego środowiska i została stopniowo zakazana, co spowodowało ograniczenie lub nawet wstrzymanie produkcji przez producentów statków. Technologia czyszczenia laserowego zapewni ekologiczne i wolne od zanieczyszczeń rozwiązanie do czyszczenia antykorozyjnego powierzchni statków.
Uzbrojenie
Technologia czyszczenia laserowego jest szeroko stosowana w konserwacji broni. Laserowy system czyszczenia może skutecznie i szybko usuwać rdzę i zanieczyszczenia, a także może wybrać część czyszczącą w celu automatyzacji czyszczenia. Dzięki czyszczeniu laserowemu nie tylko czystość jest wyższa niż w przypadku procesu czyszczenia chemicznego, ale także prawie nie dochodzi do uszkodzeń powierzchni przedmiotu. Ustawiając różne parametry, laserowa maszyna czyszcząca może również utworzyć gęstą warstwę ochronną tlenku lub warstwę topienia metalu na powierzchni metalowych przedmiotów, aby poprawić wytrzymałość powierzchni i odporność na korozję. Odpady usuwane laserem w zasadzie nie zanieczyszczają środowiska, a ponadto można nim operować na dużą odległość, co skutecznie ogranicza uszczerbek na zdrowiu operatora.
Budynek na zewnątrz
Buduje się coraz więcej drapaczy chmur, a problem czyszczenia ścian zewnętrznych budynków staje się coraz bardziej widoczny. Laserowy system czyszczenia dobrze czyści zewnętrzne ściany budynków poprzez światłowody. Rozwiązanie o maksymalnej długości 70 metrów może skutecznie oczyścić różne zanieczyszczenia z różnych kamieni, metali i szkła, a jego skuteczność jest znacznie wyższa niż w przypadku konwencjonalnego czyszczenia. Może również usuwać czarne plamy i plamy z różnych kamieni w budynkach. Test czyszczenia laserowego systemu czyszczenia budynków i kamiennych pomników pokazuje, że czyszczenie laserowe ma dobry wpływ na ochronę wyglądu zabytkowych budynków.
Przemysł elektroniczny
Przemysł elektroniczny wykorzystuje lasery do usuwania tlenków. Przemysł elektroniczny wymaga bardzo precyzyjnego odkażania, a odtlenianie laserowe jest szczególnie odpowiednie. Styki komponentów muszą zostać dokładnie odtlenione przed lutowaniem płytki, aby zapewnić optymalny kontakt elektryczny, a piny nie mogą zostać uszkodzone podczas procesu odkażania. Czyszczenie laserowe może spełnić wymagania użytkowania, a wydajność jest bardzo wysoka, a na każdą igłę wymagane jest tylko jedno napromienianie laserem.
Elektrownia Jądrowa
Laserowe systemy czyszczące znajdują także zastosowanie przy czyszczeniu rur reaktorów w elektrowniach jądrowych. Wykorzystuje światłowód do wprowadzenia do reaktora wiązki lasera o dużej mocy, która bezpośrednio usuwa radioaktywny pył, a oczyszczony materiał jest łatwy do czyszczenia. A ponieważ można nim sterować na odległość, można zagwarantować bezpieczeństwo personelu.
Streszczenie
Dzisiejszy zaawansowany przemysł wytwórczy stał się szczytem międzynarodowej konkurencji. Jako zaawansowany system w produkcji laserowej, laserowa maszyna czyszcząca ma ogromny potencjał zastosowania w rozwoju przemysłu. Prężnie rozwijająca się technologia czyszczenia laserowego ma bardzo ważne znaczenie strategiczne dla rozwoju gospodarczego i społecznego.