В останні роки лазерне очищення стало одним з актуальних напрямків досліджень у галузі промислового виробництва, дослідження охоплюють процес, теорію, обладнання та застосування. У промисловому застосуванні технологія лазерного очищення дозволила надійно очистити велику кількість різних поверхонь підкладок, очищуючи об'єкти, включаючи сталь, алюміній, титан, скло та композитні матеріали тощо, застосовуючи її в аерокосмічній, авіаційній, судноплавній, високошвидкісній залізниці, автомобільній, прес-формовій, ядерній енергетиці, морському та інших галузях.
Технологія лазерного очищення, що бере свій початок у 1960-х роках, має такі переваги, як хороший ефект очищення, широкий спектр застосування, висока точність, безконтактність та доступність. Вона має широкі перспективи застосування в промисловому виробництві, виробництві та обслуговуванні, а також в інших галузях, і очікується, що вона частково або повністю замінить традиційні методи очищення та стане найперспективнішою екологічно чистою технологією очищення у 21 столітті.
Метод лазерного очищення
Процес лазерного очищення є дуже складним і включає різноманітні механізми видалення матеріалу. Для методу лазерного очищення одночасно можуть існувати різні механізми, що головним чином пов'язані з взаємодією між лазером та матеріалом, включаючи абляцію поверхні матеріалу, розкладання, іонізацію, деградацію, плавлення, горіння, випаровування, вібрацію, розпилення, розширення, усадку, вибух, відшаровування, осипання та інші фізичні та хімічні зміни.
Наразі типовими методами лазерного очищення є три: лазерна абляція, лазерне очищення за допомогою рідкої плівки та лазерне ударно-хвильове очищення.
Метод очищення лазерною абляцією
Основними методологічними механізмами є теплове розширення, випаровування, абляція та фазовий вибух. Лазер впливає безпосередньо на матеріал, який потрібно видалити з поверхні підкладки, а навколишні умови можуть бути повітрям, розрідженим газом або вакуумом. Робочі умови прості та найчастіше використовуються для видалення різноманітних покриттів, фарб, частинок або бруду. На діаграмі нижче показано схему процесу лазерного абляційного очищення.
Під час лазерного опромінення поверхні матеріалу, підкладка та очищувальні матеріали зазнають першого теплового розширення. Зі збільшенням часу взаємодії лазера з очищувальним матеріалом, якщо температура нижче порогу кавітації очищувального матеріалу, очищувальний матеріал змінюється лише фізично, а різниця між коефіцієнтом теплового розширення очищувального матеріалу та підкладки призводить до тиску на межі розділу, деформації очищувального матеріалу, відривання від поверхні підкладки, розтріскування, механічного руйнування, вібраційного дроблення тощо, очищувальний матеріал видаляється струменем або знімається з поверхні підкладки.
Якщо температура вища за поріг газифікації мийного матеріалу, виникнуть дві ситуації: 1) поріг абляції мийного матеріалу нижчий, ніж підкладка; 2) поріг абляції мийного матеріалу вищий, ніж підкладка.
Ці два випадки очищення матеріалів - це плавлення, кавітація та абляція, а також інші фізико-хімічні зміни. Механізм очищення є більш складним, окрім теплових ефектів, але також може включати розрив молекулярних зв'язків між очисними матеріалами та субстратами, розкладання або деградацію очисних матеріалів, фазовий вибух, газифікацію та миттєву іонізацію очисних матеріалів, а також утворення плазми.
(1)Лазерне очищення за допомогою рідкої плівки
Механізм методу в основному передбачає випаровування та вібрацію рідкої плівки за допомогою кипіння тощо. Використання необхідної довжини хвилі лазера, щоб компенсувати відсутність ударного тиску в процесі лазерної абляції, може бути використано для видалення деяких складніших для видалення об'єктів очищення.
Як показано на рисунку нижче, рідка плівка (вода, етанол або інші рідини) попередньо покривається поверхнею об'єкта очищення, а потім використовується лазер для її опромінення. Рідка плівка поглинає лазерну енергію, що призводить до сильного вибуху рідкого середовища, вибуху киплячої рідини з високою швидкістю руху, передачі енергії на поверхню очищувального матеріалу, високої перехідної вибухової сили достатньо для видалення поверхневого бруду для досягнення цілей очищення.
Метод лазерного очищення за допомогою рідкої плівки має два недоліки.
Громіздкий процес та складний для контролю.
Завдяки використанню рідкої плівки, хімічний склад поверхні підкладки після очищення легко змінюється та утворює нові речовини.
(1)Метод очищення лазерним ударно-хвильовим методом
Підхід до процесу та механізм дуже відрізняються від перших двох, механізм полягає в основному в видаленні ударною хвилею, об'єкти очищення - це переважно частинки, головним чином для видалення частинок (субмікронних або нанорозмірних). Вимоги до процесу дуже суворі, як для забезпечення здатності іонізації повітря, так і для підтримки відповідної відстані між лазером та підкладкою, щоб гарантувати, що дія ударної сили на частинки є достатньо великою.
Нижче показано схему процесу лазерного ударного очищення, при цьому лазер спрямований паралельно напрямку польоту поверхні підкладки, і підкладка не контактує з нею. Переміщуючи заготовку або лазерну головку, сфокусуйте лазерний промінь на частинці поблизу лазерного випромінювання, що призведе до виникнення явища іонізації повітря, що призведе до швидкого розширення ударної хвилі, сферичного розширення та подальшого контакту з частинками. Коли момент поперечної складової ударної хвилі на частинці перевищує момент поздовжньої складової та силу адгезії частинок, частинка видаляється коченням.
Технологія лазерного очищення
Механізм лазерного очищення головним чином базується на тому, що поверхня об'єкта після поглинання лазерної енергії або випаровування та випаровування, або миттєве теплове розширення подолає адсорбцію частинок на поверхні, таким чином об'єкт відокремлюється від поверхні та досягає мети очищення.
Приблизно підсумовано як: 1. лазерне розкладання паром, 2. лазерне видалення забруднень, 3. теплове розширення частинок бруду, 4. вібрація поверхні підкладки та вібрація частинок: чотири аспекти
Порівняно з традиційним процесом очищення, технологія лазерного очищення має такі характеристики.
1. Це «сухе» чищення, без використання мийних засобів чи інших хімічних розчинів, а чистота набагато вища, ніж під час хімічного чищення.
2. Діапазон видалення бруду та застосовний діапазон основи дуже широкий, і
3. Завдяки регулюванню параметрів лазерного процесу, поверхня підкладки не пошкоджується завдяки ефективному видаленню забруднень, що робить її як новою.
4. Лазерне очищення можна легко автоматизувати.
5. Обладнання для лазерної дезактивації може використовуватися протягом тривалого часу, низькі експлуатаційні витрати.
6. Технологія лазерного очищення – це: зелений процес очищення, усунення відходів – це твердий порошок, невеликий розмір, легко зберігається, в основному не забруднює навколишнє середовище.
У 1980-х роках швидкий розвиток напівпровідникової промисловості висунув вищі вимоги до технології очищення поверхні кремнієвих пластин, що маскує частинки забруднення. Ключовим моментом є подолання забруднення мікрочастинок та підкладки внаслідок великої адсорбційної сили. Традиційне хімічне очищення, механічне очищення та ультразвукове очищення не справляються з попитом, а лазерне очищення може вирішити такі проблеми забруднення. Відповідні дослідження та застосування швидко розвиваються.
У 1987 році вперше з'явилася патентна заявка на лазерне очищення. У 1990-х роках Zapka успішно застосувала технологію лазерного очищення у процесі виробництва напівпровідників для видалення мікрочастинок з поверхні маски, що стало раннім застосуванням технології лазерного очищення в промисловій галузі. У 1995 році дослідники використали 2-кіловатний TEA-CO2-лазер для успішного очищення фюзеляжу літака від фарби.
З початком 21 століття, завдяки високошвидкісному розвитку лазерів з надкороткими імпульсами, вітчизняні та зарубіжні дослідження та застосування технології лазерного очищення поступово зростали, зосереджуючись на поверхні металевих матеріалів. Типовими зарубіжними застосуваннями є видалення фарби з фюзеляжу літаків, знежирення поверхні прес-форм, видалення вуглецю з внутрішньої частини двигуна та очищення поверхні з'єднань перед зварюванням. Американський інститут зварювання Едісона проводив лазерне очищення військового літака FG16, при потужності лазера 1 кВт об'єм очищення становив 2,36 см3 за хвилину.
Варто зазначити, що дослідження та застосування лазерного видалення фарби з передових композитних деталей також є важливою темою. Застосування лазерного видалення фарби на лопатях гвинтів гелікоптерів HG53 та HG56 ВМС США, а також на плоскому хвості винищувача F16 та інших композитних поверхнях вже було реалізовано, тоді як застосування композитних матеріалів у Китаї в літаках відбувається із запізненням, тому такі дослідження поки що поки що не реалізовані.
Крім того, використання технології лазерного очищення для обробки поверхні з'єднання вуглепластиковим композитом перед склеюванням з метою покращення міцності з'єднання також є одним із напрямків поточних досліджень. Компанія адаптувала лазер до виробничої лінії автомобілів Audi TT, щоб забезпечити обладнання для очищення волоконним лазером поверхні оксидної плівки дверної рами з легкого алюмінієвого сплаву. Rolls G Royce UK використовувала лазерне очищення для очищення оксидної плівки на поверхні титанових компонентів авіаційних двигунів.
Технологія лазерного очищення швидко розвивалася протягом останніх двох років, незалежно від того, чи йдеться про параметри процесу лазерного очищення та механізм очищення, дослідження об'єктів очищення чи застосування досліджень, вони досягли значного прогресу. Технологія лазерного очищення після численних теоретичних досліджень постійно зосереджується на застосуванні досліджень та застосуванні багатообіцяючих результатів. У майбутньому технологія лазерного очищення для захисту культурних реліквій та творів мистецтва буде використовуватися ширше, а її ринок дуже широкий. З розвитком науки і техніки застосування технології лазерного очищення в промисловості стає реальністю, а сфера застосування стає все більш широкою.
Компанія з лазерної автоматизації Maven вже 14 років спеціалізується на лазерному маркуванні. У нас є лазерна машина для очищення шаф машин, машина для очищення корпусів візків, машина для очищення рюкзаків та тривка лазерна машина для очищення. Крім того, у нас також є лазерний зварювальний апарат, машина для лазерного різання та машина для лазерного маркування та гравірування. Якщо вас цікавить наша машина, ви можете слідкувати за нами та не соромтеся звертатися до нас.
Час публікації: 14 листопада 2022 р.
