Vrhunska proizvodnja ter varčevanje z energijo in zmanjševanje emisij vse bolj potrebujejo napredne procese. Na področju industrijske površinske obdelave je nujna celovita nadgradnja tehnologije in procesov. Tradicionalni industrijski postopki čiščenja, kot so mehansko čiščenje s trenjem, kemično korozijsko čiščenje, močno udarno čiščenje, visokofrekvenčno ultrazvočno čiščenje, nimajo le dolgih čistilnih ciklov, ampak jih je težko avtomatizirati, imajo škodljive učinke na okolje in ne dosegajo želeni učinek čiščenja. Ne more zadovoljiti potreb fine obdelave.
Vendar pa so tradicionalne industrijske metode čiščenja zaradi vse bolj izrazitih nasprotij med varovanjem okolja, visoko učinkovitostjo in visoko natančnostjo velik izziv. Hkrati so se pojavile različne tehnologije čiščenja, ki so okolju prijazne in primerne za dele na področju ultrafiniširanja, med njimi je tudi tehnologija laserskega čiščenja.
Koncept laserskega čiščenja
Lasersko čiščenje je tehnologija, ki uporablja fokusirani laser za delovanje na površini materiala, da hitro izhlapi ali odlušči onesnaževalce s površine in tako očisti površino materiala. V primerjavi z različnimi tradicionalnimi fizikalnimi ali kemičnimi metodami čiščenja ima lasersko čiščenje značilnosti brez kontakta, brez potrošnega materiala, brez onesnaženja, visoke natančnosti, brez poškodb ali majhnih poškodb in je idealna izbira za novo generacijo industrijske čistilne tehnologije.
Načelo delovanja stroja za lasersko čiščenje
Načelolaserski čistilni strojje bolj zapleten in lahko vključuje fizikalne in kemične procese. V mnogih primerih so fizični procesi glavni proces, ki ga spremljajo nekatere kemične reakcije. Glavne procese lahko razvrstimo v tri kategorije, vključno s postopkom uplinjanja, postopkom udarca in postopkom nihanja.
Postopek uplinjanja
Ko visokoenergijski laser obseva površino materiala, površina absorbira lasersko energijo in jo pretvori v notranjo energijo, tako da površinska temperatura hitro naraste in doseže temperaturo izhlapevanja materiala, tako da se onesnaževala ločeno od površine materiala v obliki pare. Selektivno uparjanje se običajno pojavi, ko je stopnja absorpcije laserske svetlobe s površinskimi kontaminanti znatno višja od stopnje absorpcije substrata. Tipičen primer uporabe je čiščenje umazanije na kamnitih površinah. Kot je prikazano na spodnji sliki, onesnaževalci na površini kamna močno absorbirajo laser in hitro izhlapijo. Ko se onesnaževala odstranijo in laser obseva na površini kamna, je absorpcija šibka, površina kamna razprši več laserske energije, temperaturna sprememba površine kamna je majhna in površina kamna je zaščitena pred poškodbami.
Tipičen kemični proces se pojavi, ko se laser v ultravijoličnem pasu uporablja za čiščenje organskih onesnaževalcev, kar se imenuje laserska ablacija. Ultravijolični laserji imajo kratke valovne dolžine in visoko energijo fotonov. Na primer, KrF excimer laserji imajo valovno dolžino 248 nm in energijo fotona kar 5 eV, kar je 40-krat več od energije fotona CO2 laserja (0,12 eV). Tako visoka fotonska energija je dovolj, da uniči molekularne vezi organske snovi, tako da se CC, CH, CO itd. v organskih onesnaževalcih po absorpciji fotonske energije laserja razgradijo, kar povzroči pirolizno uplinjanje in odstranitev s površine.
Šok proces
Šok proces je niz reakcij, ki se zgodijo med interakcijo med laserjem in materialom, nato pa na površini materiala nastane udarni val. Pod delovanjem udarnega vala se površinski onesnaževalci razgradijo in postanejo prah ali ostanki, ki se odluščijo s površine. Obstaja veliko mehanizmov, ki povzročajo udarne valove, vključno s plazmo, paro ter hitrim toplotnim raztezanjem in krčenjem. Na primeru plazemskih udarnih valov je mogoče na kratko razumeti, kako šok proces pri laserskem čiščenju odstrani površinske onesnaževalce. Z uporabo laserjev z ultrakratko impulzno širino (ns) in ultravisoko konično močjo (107–1010 W/cm2) se bo površinska temperatura še vedno močno dvignila, tudi če površina rahlo absorbira laser in takoj doseže temperaturo uparjanja. Zgoraj je nastala para nad površino materiala, kot je prikazano v (a) na naslednji sliki. Temperatura hlapov lahko doseže 104 – 105 K, kar lahko ionizira samo hlape ali okoliški zrak, da nastane plazma. Plazma bo laserju preprečila, da bi dosegel površino materiala, in uparjanje površine materiala se lahko ustavi, vendar bo plazma še naprej absorbirala lasersko energijo, temperatura pa bo še naprej naraščala, kar bo povzročilo lokalizirano stanje ultravisoke temperature in visokega tlaka, ki povzroči trenutni 1-100 kbar na površini materiala. Udarec se postopoma prenese v notranjost materiala, kot je prikazano na slikah (b) in (c) spodaj. Pod delovanjem udarnega vala se površinska onesnaženja razbijejo v droben prah, delce ali drobce. Ko se laser premakne stran od položaja obsevanja, plazma izgine in lokalno se ustvari podtlak, delci ali ostanki kontaminantov pa se odstranijo s površine, kot je prikazano na sliki (d) spodaj.
Nihajni proces
Pod delovanjem kratkih impulzov sta procesa segrevanja in ohlajanja materiala izjemno hitra. Ker imajo različni materiali različne koeficiente toplotnega raztezanja, bodo pod obsevanjem laserja s kratkimi impulzi površinski onesnaževalci in podlaga izpostavljeni visokofrekvenčnemu toplotnemu raztezanju in krčenju različnih stopenj, kar povzroči nihanje, zaradi česar se onesnaževalci odluščijo s površine. material. Med tem postopkom luščenja morda ne bo prišlo do izhlapevanja materiala in morda ne bo nastajala plazma. Namesto tega strižna sila, ki nastane na meji onesnaževala in podlage pod delovanjem nihanja, uniči vez med onesnaževalom in podlago. . Študije so pokazale, da se lahko, ko se vpadni kot laserja rahlo poveča, poveča stik med laserjem in kontaminacijo delcev ter vmesnikom substrata, zmanjša se lahko prag laserskega čiščenja, učinek nihanja je bolj očiten in učinkovitost čiščenja je večja. Vendar vpadni kot ne sme biti prevelik. Prevelik vpadni kot bo zmanjšal energijsko gostoto, ki deluje na površino materiala, in oslabil čistilno sposobnost laserja.
Uporaba laserskih čistilnikov v industriji
Industrija plesni
Laserski čistilec lahko izvaja brezkontaktno čiščenje kalupa, ki je zelo varno za površino kalupa, lahko zagotovi njegovo natančnost in lahko očisti submikronske delce umazanije, ki jih ni mogoče odstraniti s tradicionalnimi metodami čiščenja, tako kot za dosego resnično brez onesnaževanja, učinkovitega in visokokakovostnega čiščenja.
Industrija preciznih instrumentov
Industrija natančnih strojev mora pogosto odstraniti estre in mineralna olja, ki se uporabljajo za mazanje in odpornost proti koroziji, z delov, običajno kemično, kemično čiščenje pa pogosto pušča ostanke. Laserska deesterifikacija lahko popolnoma odstrani estre in mineralna olja, ne da bi poškodovala površino delov. Laser spodbuja eksplozivno uplinjanje tanke oksidne plasti na površini dela, da nastane udarni val, ki povzroči odstranitev onesnaževalcev in ne mehansko interakcijo.
Železniška industrija
Trenutno vse čiščenje tirnic pred varjenjem vključuje čiščenje brusnega kolesa in abrazivnega traku, kar povzroča resne poškodbe podlage in resno preostalo napetost ter vsako leto porabi veliko potrošnega materiala za brusilna kolesa, kar je drago in povzroča resne onesnaževanje okolja s prahom. Lasersko čiščenje lahko zagotovi visokokakovostno in učinkovito tehnologijo zelenega čiščenja za proizvodnjo polaganja železniških tirov za visoke hitrosti v moji državi, reši zgornje težave, odpravi napake pri varjenju, kot so brezšivne luknje v tirnicah in sive lise, ter izboljša stabilnost in varnost visoke - obratovanje hitre železnice.
Letalska industrija
Površino letala je potrebno po določenem času prebarvati, vendar je potrebno pred barvanjem popolnoma odstraniti prvotno staro barvo. Kemično namakanje/brisanje je glavna metoda odstranjevanja barve na področju letalstva. Posledica te metode je velika količina pomožnih kemičnih odpadkov in nemogoče je doseči lokalno vzdrževanje in odstranjevanje barve. Ta proces je zelo obremenjen in škodljiv za zdravje. Lasersko čiščenje omogoča kakovostno odstranjevanje barve s površin letala in je enostavno avtomatizirano za proizvodnjo. Trenutno se tehnologija laserskega čiščenja uporablja za vzdrževanje nekaterih vrhunskih modelov.
Ladijska industrija
Trenutno čiščenje ladij pred proizvodnjo večinoma uporablja metodo peskanja. Metoda peskanja je povzročila resno onesnaženje okolice s prahom in je bila postopoma prepovedana, kar je povzročilo zmanjšanje ali celo prekinitev proizvodnje s strani proizvajalcev ladij. Tehnologija laserskega čiščenja bo zagotovila zeleno in okolju prijazno čistilno rešitev za protikorozijsko pršenje površin ladij.
Orožje
Tehnologija laserskega čiščenja se pogosto uporablja pri vzdrževanju orožja. Laserski čistilni sistem lahko učinkovito in hitro odstrani rjo in onesnaževalce ter lahko izbere čistilni del za avtomatizacijo čiščenja. Z uporabo laserskega čiščenja ni samo čistoča višja kot pri kemičnem čiščenju, ampak tudi skoraj ni poškodovana površina predmeta. Z nastavitvijo različnih parametrov lahko laserski čistilni stroj na površini kovinskih predmetov ustvari tudi gosto oksidno zaščitno folijo ali talilno plast kovine, da izboljša površinsko trdnost in odpornost proti koroziji. Z laserjem odstranjeni odpadki načeloma ne onesnažujejo okolja, z njim pa se lahko upravlja tudi na velike razdalje, kar učinkovito zmanjša škodo za zdravje operaterja.
Zunanjost stavbe
Gradi se vse več nebotičnikov, problem čiščenja zunanjih sten pa postaja vse bolj v ospredju. Laserski čistilni sistem preko optičnih vlaken dobro očisti zunanje stene zgradb. Rešitev z največjo dolžino 70 metrov lahko učinkovito očisti različne onesnaževalce na različnih kamnih, kovinah in steklu, njena učinkovitost pa je veliko večja kot pri klasičnem čiščenju. Prav tako lahko odstrani črne lise in madeže z različnih kamnov v zgradbah. Test čiščenja laserskega čistilnega sistema na zgradbah in kamnitih spomenikih kaže, da lasersko čiščenje dobro vpliva na zaščito videza starodavnih zgradb.
Elektronska industrija
Elektronska industrija uporablja laserje za odstranjevanje oksidov: elektronska industrija zahteva visoko natančno dekontaminacijo, še posebej primerna je laserska deoksidacija. Zatiči komponent morajo biti pred spajkanjem plošče temeljito deoksidirani, da se zagotovi optimalen električni stik, zatiči pa se med postopkom dekontaminacije ne smejo poškodovati. Lasersko čiščenje lahko zadosti zahtevam uporabe, učinkovitost pa je zelo visoka, za vsako iglo pa je potrebno le eno lasersko obsevanje.
Jedrska elektrarna
Laserski čistilni sistemi se uporabljajo tudi pri čiščenju reaktorskih cevi v jedrskih elektrarnah. Uporablja optična vlakna za uvajanje laserskega žarka visoke moči v reaktor za neposredno odstranjevanje radioaktivnega prahu, očiščen material pa je enostaven za čiščenje. In ker se upravlja na daljavo, je lahko zagotovljena varnost osebja.
Povzetek
Današnja napredna predelovalna industrija je postala vodilni vrh mednarodne konkurence. Kot napreden sistem v laserski proizvodnji ima laserski čistilni stroj velik potencial za uporabo v industrijskem razvoju. Hitro razvijajoča se tehnologija laserskega čiščenja ima zelo pomemben strateški pomen za gospodarski in družbeni razvoj.