Vrhunska proizvodnja i očuvanje energije i smanjenje emisija imaju sve hitnije potrebe za naprednim procesima. U smislu industrijske obrade površina, postoji hitna potreba za sveobuhvatnom nadogradnjom tehnologije i procesa. Tradicionalni industrijski procesi čišćenja, kao što su mehaničko čišćenje trenjem, hemijsko čišćenje od korozije, čišćenje jakim udarima, visokofrekventno ultrazvučno čišćenje, ne samo da imaju duge cikluse čišćenja, već ih je teško automatizirati, imaju štetne učinke na okoliš i ne postižu željeni efekat čišćenja. Ne može dobro zadovoljiti potrebe fine obrade.
Precizne mašine za lasersko čišćenje: ometači u industrijskom čišćenju
Međutim, sa sve izraženijim kontradikcijama između zaštite životne sredine, visoke efikasnosti i visoke preciznosti, tradicionalne metode industrijskog čišćenja su u velikoj meri izazovne. Istovremeno su se pojavile različite tehnologije čišćenja koje su pogodne za zaštitu životne sredine i pogodne za delove iz oblasti ultra-završne obrade, a jedna od njih je i tehnologija laserskog čišćenja.
Koncept laserskog čišćenja
Lasersko čišćenje je tehnologija koja koristi fokusirani laser da djeluje na površinu materijala kako bi brzo ispario ili ogulio zagađivače na površini, kako bi se očistila površina materijala. U poređenju sa različitim tradicionalnim fizičkim ili hemijskim metodama čišćenja, lasersko čišćenje ima karakteristike bez kontakta, bez potrošnog materijala, bez zagađenja, visoke preciznosti, bez oštećenja ili malih oštećenja, i idealan je izbor za novu generaciju tehnologije industrijskog čišćenja.
Princip rada mašine za lasersko čišćenje
Princip laserske mašine za čišćenje je složeniji i može uključivati fizičke i hemijske procese. U mnogim slučajevima, fizički procesi su glavni proces, praćen nekim kemijskim reakcijama. Glavni procesi se mogu klasifikovati u tri kategorije, uključujući proces gasifikacije, šok proces i proces oscilovanja.
Proces gasifikacije
Kada se visokoenergetski laser ozrači na površinu materijala, površina apsorbuje lasersku energiju i pretvara je u unutrašnju energiju, tako da temperatura površine brzo raste i dostiže iznad temperature isparavanja materijala, tako da se zagađivači odvojen od površine materijala u obliku pare. Selektivna vaporizacija se obično događa kada je stopa apsorpcije laserske svjetlosti površinskim zagađivačima znatno veća od brzine supstrata. Tipičan slučaj primjene je čišćenje prljavštine na kamenim površinama. Kao što je prikazano na donjoj slici, zagađivači na površini kamena imaju jaku apsorpciju lasera i brzo isparavaju. Kada se zagađivači uklone i laser ozrači na površinu kamena, apsorpcija je slaba, više laserske energije se raspršuje po površini kamena, promjena temperature površine kamena je mala, a površina kamena je zaštićena od oštećenja.
Tipičan proces baziran na kemikalijama događa se kada se laser u ultraljubičastom pojasu koristi za čišćenje organskih zagađivača, što se naziva laserska ablacija. Ultraljubičasti laseri imaju kratke talasne dužine i veliku energiju fotona. Na primjer, KrF ekscimer laseri imaju talasnu dužinu od 248 nm i energiju fotona čak 5 eV, što je 40 puta više od energije fotona CO2 lasera (0,12 eV). Ovako visoka energija fotona je dovoljna da uništi molekularne veze organske materije, tako da se CC, CH, CO, itd. u organskim zagađivačima razbiju nakon apsorpcije energije fotona lasera, što rezultira piroliznim gasifikacijom i uklanjanjem sa površine.
Shock Process
Udarni proces je niz reakcija koje se javljaju tokom interakcije između lasera i materijala, a zatim se na površini materijala formira udarni val. Pod djelovanjem udarnog vala, površinski zagađivači se razbijaju i postaju prašina ili krhotine koje se oljušte s površine. Postoje mnogi mehanizmi koji uzrokuju udarne valove, uključujući plazmu, paru i brzo termalno širenje i kontrakciju. Koristeći plazma udarne valove kao primjer, moguće je ukratko razumjeti kako šok proces u laserskom čišćenju uklanja površinske zagađivače. Uz primjenu lasera ultra-kratke širine impulsa (ns) i ultra velike vršne snage (107–1010 W/cm2), površinska temperatura će i dalje naglo rasti čak i ako površina lagano apsorbira laser, dostižući temperaturu isparavanja trenutno. Iznad, para se formirala iznad površine materijala, kao što je prikazano u (a) na sljedećoj slici. Temperatura pare može doseći 104 – 105 K, što može jonizirati samu paru ili okolni zrak i formirati plazmu. Plazma će blokirati laser da dosegne površinu materijala, a isparavanje površine materijala može prestati, ali plazma će nastaviti da apsorbira energiju lasera, a temperatura će nastaviti rasti, formirajući lokalizirano stanje ultra-visoke temperature i visokog pritiska, koji stvaraju trenutnih 1-100 kbara na površini materijala. Udar se postepeno prenosi na unutrašnjost materijala, kao što je prikazano na slikama (b) i (c) ispod. Pod djelovanjem udarnog vala, površinski zagađivači se razbijaju na sitnu prašinu, čestice ili fragmente. Kada se laser udalji od položaja zračenja, plazma nestaje i lokalni se stvara negativan pritisak, a čestice ili ostaci kontaminanata se uklanjaju sa površine, kao što je prikazano na slici (d) ispod.
Oscilacioni proces
Pod djelovanjem kratkih impulsa, procesi zagrijavanja i hlađenja materijala su izuzetno brzi. Budući da različiti materijali imaju različite koeficijente toplinske ekspanzije, pod zračenjem kratkog pulsnog lasera, površinski zagađivači i supstrat će biti podvrgnuti visokofrekventnom termičkom širenju i kontrakciji različitih stupnjeva, što će rezultirati oscilacijom, uzrokujući da se zagađivači odlijepe s površine. materijal. Tokom ovog procesa pilinga, možda neće doći do isparavanja materijala, niti se može stvoriti plazma. Umjesto toga, posmična sila nastala na granici zagađivača i podloge pod djelovanjem oscilacije uništava vezu između zagađivača i supstrata. . Istraživanja su pokazala da kada se upadni ugao lasera malo poveća, kontakt između lasera i kontaminacije česticama i sučelja supstrata može se povećati, prag laserskog čišćenja može biti smanjen, efekat oscilovanja je očigledniji i efikasnost čišćenja je veća. Međutim, upadni ugao ne bi trebao biti prevelik. Preveliki upadni kut će smanjiti gustoću energije koja djeluje na površinu materijala i oslabiti sposobnost lasera za čišćenje.
Industrijska primjena laserskih čistača
Mould Industry
Laserski čistač može ostvariti beskontaktno čišćenje kalupa, što je vrlo sigurno za površinu kalupa, može osigurati njegovu točnost i može očistiti submikronske čestice prljavštine koje se ne mogu ukloniti tradicionalnim metodama čišćenja, kao npr. za postizanje istinski bez zagađenja, efikasno i visokokvalitetno čišćenje.
Industrija preciznih instrumenata
Industrija preciznih mašina često treba da ukloni estre i mineralna ulja koja se koriste za podmazivanje i otpornost na koroziju sa delova, obično hemijski, a hemijsko čišćenje često ostavlja ostatke. Laserska deesterifikacija može u potpunosti ukloniti estre i mineralna ulja bez oštećenja površine dijelova. Laser potiče eksplozivnu gasifikaciju tankog oksidnog sloja na površini dijela kako bi se formirao udarni val, što rezultira uklanjanjem zagađivača, a ne mehaničkom interakcijom.
Rail Industry
Trenutno, svo čišćenje tračnica prije zavarivanja uključuje čišćenje brusnih ploča i abrazivnih traka, što uzrokuje ozbiljna oštećenja podloge i ozbiljno zaostalo naprezanje, te troši mnogo potrošnog materijala za brusne ploče svake godine, što je skupo i uzrokuje ozbiljne zagađenje životne sredine prašinom. Lasersko čišćenje može pružiti visokokvalitetnu i efikasnu tehnologiju zelenog čišćenja za proizvodnju brzih željezničkih pruga u mojoj zemlji, riješiti gore navedene probleme, eliminirati defekte zavarivanja kao što su bešavne rupe na šinama i sive mrlje i poboljšati stabilnost i sigurnost visokih -brzinske željeznice.
Vazduhoplovna industrija
Površinu aviona je potrebno prefarbati nakon određenog vremena, ali je potrebno potpuno ukloniti originalnu staru boju prije farbanja. Kemijsko namakanje/brisanje je glavna metoda skidanja boje u oblasti avijacije. Ova metoda rezultira velikom količinom hemijskog pomoćnog otpada, te je nemoguće postići lokalno održavanje i skidanje boje. Ovaj proces je težak posao i štetan po zdravlje. Lasersko čišćenje omogućava visokokvalitetno uklanjanje boje na površini aviona i lako se automatizuje za proizvodnju. Trenutno se tehnologija laserskog čišćenja primjenjuje na održavanje nekih vrhunskih modela.
Industrija brodova
Trenutno, predproizvodno čišćenje brodova uglavnom usvaja metodu pjeskarenja. Metoda pjeskarenja izazvala je ozbiljno zagađenje okoline prašinom i postepeno je zabranjena, što je rezultiralo smanjenjem ili čak obustavom proizvodnje od strane proizvođača brodova. Tehnologija laserskog čišćenja pružit će zeleno rješenje za čišćenje bez zagađenja za antikorozivno prskanje na površini broda.
Oružje
Tehnologija laserskog čišćenja se široko koristi u održavanju oružja. Laserski sistem za čišćenje može efikasno i brzo ukloniti rđu i zagađivače, te može odabrati dio za čišćenje kako bi se realizirala automatizacija čišćenja. Koristeći lasersko čišćenje, ne samo da je čistoća veća nego kod hemijskog čišćenja, već gotovo da nema oštećenja na površini predmeta. Postavljanjem različitih parametara, mašina za lasersko čišćenje također može formirati gustu oksidnu zaštitnu foliju ili sloj za topljenje metala na površini metalnih predmeta kako bi se poboljšala površinska čvrstoća i otpornost na koroziju. Otpad koji se uklanja laserom u osnovi ne zagađuje okolinu, a može se raditi i na velikoj udaljenosti, čime se efikasno smanjuje šteta po zdravlje operatera.
Eksterijer zgrade
Gradi se sve više nebodera, a problem čišćenja vanjskih zidova postaje sve izraženiji. Laserski sistem za čišćenje dobro čisti vanjske zidove zgrada kroz optička vlakna. Rješenje maksimalne dužine od 70 metara može efikasno očistiti različite zagađivače na raznom kamenju, metalu i staklu, a njegova efikasnost je mnogo veća od one kod konvencionalnog čišćenja. Također može ukloniti crne mrlje i mrlje sa raznog kamenja u zgradama. Test čišćenja laserskog sistema za čišćenje objekata i kamenih spomenika pokazuje da lasersko čišćenje dobro utiče na zaštitu izgleda antičkih građevina.
Elektronska industrija
Elektronska industrija koristi lasere za uklanjanje oksida: Elektronska industrija zahtijeva dekontaminaciju visoke preciznosti, a laserska deoksidacija je posebno prikladna. Igle komponente moraju biti temeljno deoksidirane prije lemljenja ploče kako bi se osigurao optimalan električni kontakt i pinovi se ne smiju oštetiti tokom procesa dekontaminacije. Lasersko čišćenje može zadovoljiti zahtjeve upotrebe, a efikasnost je vrlo visoka, a potrebno je samo jedno lasersko zračenje za svaku iglu.
Nuklearna elektrana
Laserski sistemi za čišćenje se također koriste u čišćenju cijevi reaktora u nuklearnim elektranama. Koristi optičko vlakno za uvođenje laserskog snopa velike snage u reaktor za direktno uklanjanje radioaktivne prašine, a očišćeni materijal se lako čisti. A pošto se njime upravlja na daljinu, sigurnost osoblja može biti zagarantovana.
Rezime
Današnja napredna proizvodna industrija postala je zapovjedna visina međunarodne konkurencije. Kao napredni sistem u proizvodnji lasera, mašina za lasersko čišćenje ima veliki potencijal za primenu u industrijskom razvoju. Tehnologija laserskog čišćenja koja se snažno razvija ima veoma važan strateški značaj za ekonomski i društveni razvoj.