A fabricação de ponta e a conservação de energia e redução de emissões têm uma necessidade cada vez mais urgente de processos avançados. Em termos de tratamento de superfície industrial, há uma necessidade urgente de uma atualização abrangente de tecnologia e processos. Os processos tradicionais de limpeza industrial, como limpeza por fricção mecânica, limpeza química de corrosão, limpeza de forte impacto, limpeza ultrassônica de alta frequência, não só têm longos ciclos de limpeza, mas são difíceis de automatizar, têm efeitos prejudiciais ao meio ambiente e não conseguem atingir o efeito de limpeza desejado. Não pode atender bem às necessidades de processamento fino.
No entanto, com as contradições cada vez mais proeminentes entre proteção ambiental, alta eficiência e alta precisão, os métodos tradicionais de limpeza industrial são muito desafiados. Ao mesmo tempo, várias tecnologias de limpeza que são propícias à proteção ambiental e adequadas para peças no campo de ultraacabamento surgiram, e a tecnologia de limpeza a laser é uma delas.
Conceito de limpeza a laser
A limpeza a laser é uma tecnologia que usa um laser focado para atuar na superfície de um material para vaporizar ou descascar rapidamente os contaminantes na superfície, de modo a limpar a superfície do material. Comparada com vários métodos tradicionais de limpeza física ou química, a limpeza a laser tem as características de nenhum contato, nenhum consumível, nenhuma poluição, alta precisão, nenhum dano ou pequeno dano, e é uma escolha ideal para uma nova geração de tecnologia de limpeza industrial.
Princípio de funcionamento da máquina de limpeza a laser
O princípio de máquina de limpeza a laser é mais complicado e pode incluir processos físicos e químicos. Em muitos casos, os processos físicos são o processo principal, acompanhados por algumas reações químicas. Os processos principais podem ser classificados em 3 categorias, incluindo processo de gaseificação, processo de choque e processo de oscilação.
Processo de Gaseificação
Quando o laser de alta energia é irradiado na superfície do material, a superfície absorve a energia do laser e a converte em energia interna, de modo que a temperatura da superfície sobe rapidamente e atinge acima da temperatura de vaporização do material, de modo que os poluentes são separados da superfície do material na forma de vapor. A vaporização seletiva geralmente ocorre quando a taxa de absorção da luz do laser por contaminantes da superfície é significativamente maior do que a do substrato. Um caso de aplicação típico é a limpeza de sujeira em superfícies de pedra. Conforme mostrado na figura abaixo, os poluentes na superfície da pedra têm uma forte absorção do laser e são rapidamente vaporizados. Quando os poluentes são removidos e o laser é irradiado na superfície da pedra, a absorção é fraca, mais energia do laser é espalhada pela superfície da pedra, a mudança de temperatura da superfície da pedra é pequena e a superfície da pedra é protegida contra danos.
Um processo químico típico ocorre quando um laser na banda ultravioleta é usado para limpar contaminantes orgânicos, o que é chamado de ablação a laser. Os lasers ultravioleta têm comprimentos de onda curtos e alta energia de fótons. Por exemplo, os lasers excimer KrF têm um comprimento de onda de 248 nm e energia de fótons tão alta quanto 5 eV, o que é 40 vezes maior do que CO2 energia de fótons do laser (0.12 eV). Essa alta energia de fótons é suficiente para destruir as ligações moleculares da matéria orgânica, de modo que CC, CH, CO, etc. em poluentes orgânicos são quebrados após absorver a energia de fótons do laser, resultando em gaseificação de pirólise e remoção da superfície.
Processo de choque
O processo de choque é uma série de reações que ocorrem durante a interação entre o laser e o material, e então uma onda de choque é formada na superfície do material. Sob a ação da onda de choque, os contaminantes da superfície são quebrados e se tornam poeira ou detritos descascados da superfície. Existem muitos mecanismos que causam ondas de choque, incluindo plasma, vapor e rápida expansão e contração térmica. Usando ondas de choque de plasma como exemplo, é possível entender brevemente como o processo de choque na limpeza a laser remove contaminantes da superfície. Com a aplicação de lasers de largura de pulso ultracurta (ns) e potência de pico ultra-alta (107–1010 W/cm2), a temperatura da superfície ainda aumentará acentuadamente mesmo se a superfície absorver o laser levemente, atingindo a temperatura de vaporização instantaneamente. Acima, o vapor formado acima da superfície do material, conforme mostrado em (a) na figura a seguir. A temperatura do vapor pode atingir 104 - 105 K, o que pode ionizar o próprio vapor ou o ar circundante para formar um plasma. O plasma bloqueará o laser de atingir a superfície do material, e a vaporização da superfície do material pode parar, mas o plasma continuará a absorver a energia do laser, e a temperatura continuará a subir, formando um estado localizado de temperatura ultra-alta e alta pressão, que produz 1-100 kbar instantâneos na superfície do material. O impacto é gradualmente transferido para o interior do material, conforme mostrado nas Figuras (b) e (c) abaixo. Sob a ação da onda de choque, os contaminantes da superfície são quebrados em pequenas poeiras, partículas ou fragmentos. Quando o laser é movido para longe da posição de irradiação, o plasma desaparece e uma pressão negativa é gerada localmente, e as partículas ou detritos de contaminantes são removidos da superfície, conforme mostrado na Figura (d) abaixo.
Processo de oscilação
Sob a ação de pulsos curtos, os processos de aquecimento e resfriamento do material são extremamente rápidos. Como diferentes materiais têm diferentes coeficientes de expansão térmica, sob a irradiação do laser de pulso curto, os contaminantes da superfície e o substrato sofrerão expansão e contração térmica de alta frequência de diferentes graus, resultando em oscilação, fazendo com que os contaminantes descasquem da superfície do material. Durante esse processo de esfoliação, a vaporização do material pode não ocorrer e o plasma pode não ser gerado. Em vez disso, a força de cisalhamento formada na interface do contaminante e do substrato sob a ação da oscilação destrói a ligação entre o contaminante e o substrato. . Estudos mostraram que quando o ângulo de incidência do laser é ligeiramente aumentado, o contato entre o laser e a contaminação de partículas e a interface do substrato pode ser aumentado, o limite de limpeza a laser pode ser reduzido, o efeito de oscilação é mais óbvio e a eficiência de limpeza é maior. No entanto, o ângulo de incidência não deve ser muito grande. Um ângulo de incidência muito grande reduzirá a densidade de energia que atua na superfície do material e enfraquecerá a capacidade de limpeza do laser.
Aplicações industriais de limpadores a laser
Indústria de Moldes
O limpador a laser pode realizar a limpeza sem contato do molde, o que é muito seguro para a superfície do molde, pode garantir sua precisão e pode limpar as partículas de sujeira submicrônicas que não podem ser removidas pelos métodos de limpeza tradicionais, de modo a obter uma limpeza verdadeiramente livre de poluição, eficiente e de alta qualidade.
Indústria de instrumentos de precisão
A indústria de máquinas de precisão muitas vezes precisa remover ésteres e óleos minerais usados para lubrificação e resistência à corrosão das peças, geralmente de forma química, e a limpeza química geralmente deixa resíduos. A desesterificação a laser pode remover completamente ésteres e óleos minerais sem danificar a superfície das peças. O laser promove a gaseificação explosiva da fina camada de óxido na superfície da peça para formar uma onda de choque, que resulta na remoção de contaminantes em vez de interação mecânica.
Indústria Ferroviária
Atualmente, toda a limpeza pré-soldagem de trilhos adota a limpeza do tipo rebolo e lixa de correia abrasiva, o que causa sérios danos ao substrato e estresse residual sério, e consome muitos consumíveis de rebolo todos os anos, o que é caro e causa séria poluição de poeira ao meio ambiente. A limpeza a laser pode fornecer tecnologia de limpeza verde de alta qualidade e eficiente para a produção de trilhos ferroviários de alta velocidade do meu país, resolver os problemas acima, eliminar defeitos de soldagem, como furos de trilhos sem costura e pontos cinzas, e melhorar a estabilidade e a segurança da operação ferroviária de alta velocidade do meu país.
Indústria da aviação
A superfície da aeronave precisa ser repintada após um certo período de tempo, mas a tinta antiga original precisa ser completamente removida antes da pintura. A imersão/limpeza química é o principal método de remoção de tinta no campo da aviação. Este método resulta em uma grande quantidade de resíduos auxiliares químicos, e é impossível obter manutenção local e remoção de tinta. Este processo é uma carga de trabalho pesada e prejudicial à saúde. A limpeza a laser permite a remoção de tinta de alta qualidade em superfícies de pele de aeronaves e é facilmente automatizada para produção. Atualmente, a tecnologia de limpeza a laser tem sido aplicada à manutenção de alguns modelos de ponta.
Indústria Naval
Atualmente, a limpeza pré-produção de navios adota principalmente o método de jato de areia. O método de jateamento de areia causou grave poluição por poeira no meio ambiente e foi gradualmente proibido, resultando na redução ou mesmo suspensão da produção pelos fabricantes de navios. A tecnologia de limpeza a laser fornecerá uma solução de limpeza verde e livre de poluição para pulverização anticorrosiva em superfícies de navios.
Armamento
A tecnologia de limpeza a laser tem sido amplamente utilizada na manutenção de armas. O sistema de limpeza a laser pode remover ferrugem e contaminantes de forma eficiente e rápida, e pode selecionar a parte de limpeza para realizar a automação da limpeza. Usando a limpeza a laser, não só a limpeza é maior do que o processo de limpeza química, mas também quase não causa danos à superfície do objeto. Ao definir parâmetros diferentes, a máquina de limpeza a laser também pode formar uma película protetora de óxido densa ou camada de fusão de metal na superfície de objetos de metal para melhorar a resistência da superfície e a resistência à corrosão. Os resíduos removidos pelo laser basicamente não poluem o meio ambiente e também podem ser operados a longa distância, o que reduz efetivamente os danos à saúde do operador.
Exterior do edifício
Mais e mais arranha-céus estão sendo construídos, e o problema de limpeza das paredes externas dos edifícios tem se tornado cada vez mais proeminente. O sistema de limpeza a laser limpa bem as paredes externas dos edifícios por meio de fibras ópticas. A solução com um comprimento máximo de 70 metros pode limpar efetivamente vários poluentes em várias pedras, metais e vidros, e sua eficiência é muito maior do que a da limpeza convencional. Também pode remover manchas pretas e manchas de várias pedras em edifícios. O teste de limpeza do sistema de limpeza a laser em edifícios e monumentos de pedra mostra que a limpeza a laser tem um bom efeito na proteção da aparência de edifícios antigos.
Indústria de eletrônicos
A indústria eletrônica usa lasers para remover óxidos: A indústria eletrônica requer descontaminação de alta precisão, e a desoxidação a laser é particularmente adequada. Os pinos dos componentes devem ser completamente desoxidados antes de soldar a placa para garantir o contato elétrico ideal e os pinos não devem ser danificados durante o processo de descontaminação. A limpeza a laser pode atender aos requisitos de uso, e a eficiência é muito alta, e apenas uma irradiação a laser é necessária para cada agulha.
Usina nuclear
Os sistemas de limpeza a laser também são usados na limpeza de tubos de reatores em usinas nucleares. Ele usa uma fibra óptica para introduzir um feixe de laser de alta potência no reator para remover diretamente a poeira radioativa, e o material limpo é fácil de limpar. E como é operado à distância, a segurança da equipe pode ser garantida.
Resumo
A indústria de manufatura avançada de hoje se tornou o ápice da competição internacional. Como um sistema avançado na manufatura a laser, a máquina de limpeza a laser tem grande potencial para valor de aplicação no desenvolvimento industrial. O desenvolvimento vigoroso da tecnologia de limpeza a laser tem um significado estratégico muito importante para o desenvolvimento econômico e social.
