Špičková výroba a úspora energie a snižování emisí mají stále naléhavější potřebu pokročilých procesů. V oblasti průmyslových povrchových úprav je naléhavá potřeba komplexní modernizace technologie a procesů. Tradiční průmyslové čisticí procesy, jako je mechanické čištění třením, čištění chemickou korozí, čištění silným nárazem, vysokofrekvenční čištění ultrazvukem, mají nejen dlouhé čisticí cykly, ale je obtížné je automatizovat, mají škodlivé účinky na životní prostředí a nedosahují požadovaný čisticí účinek. Nemůže dobře vyhovět potřebám jemného zpracování.
Se stále výraznějšími rozpory mezi ochranou životního prostředí, vysokou účinností a vysokou přesností jsou však tradiční průmyslové metody čištění velmi zpochybňovány. Současně se objevily různé technologie čištění, které přispívají k ochraně životního prostředí a jsou vhodné pro díly v oblasti ultrafinišování, a technologie laserového čištění je jednou z nich.
Koncepce čištění laserem
Laserové čištění je technologie, která využívá zaostřený laser k působení na povrch materiálu, aby se rychle odpařily nebo odlouply kontaminanty na povrchu, aby se vyčistil povrch materiálu. Ve srovnání s různými tradičními fyzikálními nebo chemickými metodami čištění má laserové čištění vlastnosti bezkontaktní, bez spotřebního materiálu, bez znečištění, vysokou přesností, bez poškození nebo malého poškození a je ideální volbou pro novou generaci technologie průmyslového čištění.
Princip činnosti laserového čisticího stroje
Princip laserový čistící stroj je složitější a může zahrnovat jak fyzikální, tak chemické procesy. V mnoha případech jsou hlavním procesem fyzikální procesy doprovázené některými chemickými reakcemi. Hlavní procesy lze rozdělit do 3 kategorií, včetně procesu zplyňování, šokového procesu a oscilačního procesu.
Proces zplyňování
Když je vysokoenergetický laser ozařován na povrch materiálu, povrch absorbuje laserovou energii a přeměňuje ji na vnitřní energii, takže povrchová teplota rychle stoupá a dosahuje nad teplotu odpařování materiálu, takže znečišťující látky jsou oddělené od povrchu materiálu ve formě páry. K selektivnímu odpařování obvykle dochází, když je rychlost absorpce laserového světla povrchovými kontaminanty výrazně vyšší než u substrátu. Typickým případem použití je čištění nečistot na kamenných plochách. Jak je znázorněno na obrázku níže, znečišťující látky na povrchu kamene mají silnou absorpci laseru a rychle se vypařují. Když jsou znečišťující látky odstraněny a laser je ozářen na povrch kamene, je absorpce slabá, povrchem kamene je rozptýleno více laserové energie, změna teploty povrchu kamene je malá a povrch kamene je chráněn před poškozením.
K typickému chemickému procesu dochází, když se k čištění organických nečistot používá laser v ultrafialovém pásmu, což se nazývá laserová ablace. Ultrafialové lasery mají krátké vlnové délky a vysokou energii fotonů. Například KrF excimerové lasery mají vlnovou délku 248 nm a energii fotonů až 5 eV, což je 40krát více než CO2 energie laserových fotonů (0.12 eV). Takto vysoká fotonová energie stačí ke zničení molekulárních vazeb organické hmoty, takže CC, CH, CO atd. v organických polutantech jsou po pohlcení fotonové energie laseru rozbity, což má za následek pyrolýzní zplyňování a odstranění z povrchu.
Šokový proces
Rázový proces je série reakcí, ke kterým dochází při interakci mezi laserem a materiálem a následně se na povrchu materiálu vytvoří rázová vlna. Působením rázové vlny se povrchové nečistoty rozbijí a stanou se z nich prach nebo úlomky odloupané z povrchu. Existuje mnoho mechanismů, které způsobují rázové vlny, včetně plazmatu, páry a rychlé tepelné expanze a kontrakce. Na příkladu plazmových rázových vln je možné stručně pochopit, jak šokový proces při laserovém čištění odstraňuje povrchové nečistoty. Při použití laserů s ultrakrátkou šířkou pulsu (ns) a ultravysokým špičkovým výkonem (107–1010 W/cm2) bude povrchová teplota stále prudce stoupat, i když povrch laser lehce pohltí a okamžitě dosáhne odpařovací teploty. Nahoře se pára tvoří nad povrchem materiálu, jak je znázorněno v (a) na následujícím obrázku. Teplota páry může dosáhnout 104 - 105 K, což může ionizovat samotnou páru nebo okolní vzduch za vzniku plazmatu. Plazma bude blokovat laser v dosažení povrchu materiálu a odpařování povrchu materiálu se může zastavit, ale plazma bude i nadále absorbovat energii laseru a teplota bude nadále stoupat, čímž vznikne lokalizovaný stav ultravysoká teplota a vysoký tlak, který vytváří okamžitý tlak 1-100 kbar na povrchu materiálu. Náraz se postupně přenáší do vnitřku materiálu, jak je znázorněno na obrázcích (b) a (c) níže. Působením rázové vlny se povrchové nečistoty rozbijí na drobný prach, částice nebo úlomky. Když se laser oddálí od ozařované polohy, plazma zmizí a lokálně se vytvoří podtlak a částice nebo zbytky kontaminantů jsou odstraněny z povrchu, jak je znázorněno na obrázku (d) níže.
Oscilační proces
Působením krátkých pulzů jsou procesy ohřevu a chlazení materiálu extrémně rychlé. Vzhledem k tomu, že různé materiály mají různé koeficienty tepelné roztažnosti, při ozařování laserem s krátkým pulsem budou povrchové nečistoty a substrát podléhat vysokofrekvenční tepelné expanzi a kontrakci různého stupně, což má za následek oscilaci, která způsobí odlupování nečistot z povrchu materiál. Během tohoto procesu exfoliace nemusí dojít k odpařování materiálu a nemusí se generovat plazma. Místo toho smyková síla vytvořená na rozhraní kontaminantu a substrátu působením oscilace ničí vazbu mezi kontaminantem a substrátem. . Studie ukázaly, že když se úhel dopadu laseru mírně zvětší, kontakt mezi laserem a kontaminací částicemi a rozhraním substrátu se může zvýšit, práh čištění laserem může být snížen, oscilační efekt je zřetelnější a účinnost čištění je vyšší. Úhel dopadu by však neměl být příliš velký. Příliš velký úhel dopadu sníží hustotu energie působící na povrch materiálu a oslabí čistící schopnost laseru.
Průmyslové aplikace laserových čističů
Výroba forem
Laserový čistič dokáže realizovat bezkontaktní čištění formy, které je velmi bezpečné pro povrch formy, může zajistit její přesnost a dokáže vyčistit submikronové částice nečistot, které nelze odstranit tradičními metodami čištění, takže např. k dosažení skutečně účinného a vysoce kvalitního čištění bez znečištění.
Průmysl přesných přístrojů
Průmysl přesných strojů často potřebuje odstranit estery a minerální oleje používané pro mazání a odolnost proti korozi z dílů, obvykle chemicky, a chemické čištění často zanechává zbytky. Laserová deesterifikace dokáže zcela odstranit estery a minerální oleje bez poškození povrchu dílů. Laser podporuje explozivní zplyňování tenké oxidové vrstvy na povrchu dílu za vzniku rázové vlny, která má za následek odstranění kontaminantů spíše než mechanickou interakci.
Železniční průmysl
V současné době veškeré předsvařovací čištění kolejnic využívá čištění brusným kotoučem a brusným pásem, což způsobuje vážné poškození podkladu a vážné zbytkové napětí a každý rok spotřebuje mnoho spotřebního materiálu brusných kotoučů, což je nákladné a způsobuje vážné problémy znečištění životního prostředí prachem. Laserové čištění může poskytnout vysoce kvalitní a efektivní technologii zeleného čištění pro výrobu vysokorychlostních železničních tratí v mé zemi, vyřešit výše uvedené problémy, odstranit vady svařování, jako jsou bezešvé kolejové díry a šedé skvrny, a zlepšit stabilitu a bezpečnost vysokorychlostních kolejí v mé zemi. - provoz rychlostní železnice.
Letecký průmysl
Povrch letadla je potřeba po určité době přelakovat, ale původní starý nátěr je potřeba před lakováním zcela odstranit. Chemické namáčení/stírání je hlavní metodou odstraňování nátěrů v oblasti letectví. Tato metoda má za následek velké množství chemického pomocného odpadu a není možné dosáhnout lokální údržby a odstraňování nátěrů. Tento proces je náročný na práci a zdraví škodlivý. Laserové čištění umožňuje vysoce kvalitní odstranění barvy na površích letadel a je snadno automatizováno pro výrobu. V současné době je technologie laserového čištění aplikována na údržbu některých špičkových modelů.
Lodní průmysl
V současné době se předvýrobní čištění lodí používá hlavně metodou pískování. Metoda pískování způsobila vážné znečištění okolního prostředí prachem a byla postupně zakázána, což vedlo k omezení nebo dokonce pozastavení výroby výrobců lodí. Technologie laserového čištění poskytne ekologický čisticí roztok bez znečištění pro antikorozní nástřik na povrchy lodí.
Zbraně
Technologie laserového čištění byla široce používána při údržbě zbraní. Laserový čisticí systém může odstranit rzi a znečišťujících látek efektivně a rychle a může vybrat čisticí část pro realizaci automatizace čištění. Při použití laserového čištění je nejen čistota vyšší než u chemického procesu čištění, ale také nedochází k téměř žádnému poškození povrchu předmětu. Nastavením různých parametrů může laserový čisticí stroj také vytvořit na povrchu kovových předmětů hustý oxidový ochranný film nebo vrstvu tavení kovu pro zlepšení povrchové pevnosti a odolnosti proti korozi. Odpad odstraněný laserem v podstatě neznečišťuje životní prostředí a lze jej provozovat i na velkou vzdálenost, což účinně snižuje poškození zdraví operátora.
Exteriér budovy
Staví se stále více mrakodrapů a problém čištění venkovních zdí je stále výraznější. Laserový čisticí systém dobře čistí vnější stěny budov prostřednictvím optických vláken. Řešení o maximální délce 70 metrů dokáže efektivně vyčistit různé škodliviny na různých kamenech, kovech a skle a jeho účinnost je mnohem vyšší než u běžného čištění. Dokáže také odstranit černé skvrny a skvrny z různých kamenů v budovách. Test čištění laserového čisticího systému na budovách a kamenných památkách ukazuje, že laserové čištění má dobrý vliv na ochranu vzhledu starobylých budov.
Elektronický průmysl
Elektronický průmysl používá k odstranění oxidů lasery: Elektronický průmysl vyžaduje vysoce přesnou dekontaminaci a laserová deoxidace je obzvláště vhodná. Piny součástek musí být před pájením desky důkladně deoxidovány, aby byl zajištěn optimální elektrický kontakt a piny nesmí být poškozeny během procesu dekontaminace. Laserové čištění může splňovat požadavky použití a účinnost je velmi vysoká a pro každou jehlu je zapotřebí pouze jedno laserové ozáření.
Jaderná elektrárna
Laserové čisticí systémy se používají také při čištění potrubí reaktorů v jaderných elektrárnách. Využívá optické vlákno k zavedení vysoce výkonného laserového paprsku do reaktoru k přímému odstranění radioaktivního prachu a vyčištěný materiál se snadno čistí. A protože se obsluhuje na dálku, lze zaručit bezpečnost personálu.
Shrnutí
Dnešní vyspělý zpracovatelský průmysl se stal dominantou mezinárodní konkurence. Jako pokročilý systém v laserové výrobě má laserový čisticí stroj velký potenciál pro aplikační hodnotu v průmyslovém rozvoji. Intenzivně se rozvíjející technologie laserového čištění má velmi důležitý strategický význam pro ekonomický a společenský rozvoj.
