Viime vuosina laserpuhdistuksesta on tullut yksi teollisen valmistuksen tutkimuksen kuumimmista alueista. Tutkimus kattaa prosessit, teorian, laitteet ja sovellukset. Teollisissa sovelluksissa laserpuhdistusteknologia on pystynyt luotettavasti puhdistamaan suuren määrän erilaisia alustoja, kuten terästä, alumiinia, titaania, lasia ja komposiittimateriaaleja. Sovellusteollisuudenaloja ovat muun muassa ilmailu- ja avaruusteollisuus, ilmailu, laivaliikenne, suurnopeusjunat, autoteollisuus, muottiteollisuus, ydinvoima, merenkulku ja muut alat.
1960-luvulta peräisin olevalla laserpuhdistustekniikalla on etuna hyvä puhdistusteho, laaja sovellusalue, korkea tarkkuus, kosketukseton käsittely ja helppokäyttöisyys. Teollisuuden valmistuksessa, tuotannossa ja kunnossapidossa sekä muilla aloilla sillä on laaja valikoima sovellusmahdollisuuksia, ja sen odotetaan korvaavan osittain tai kokonaan perinteiset puhdistusmenetelmät ja tulevan lupaavimmaksi vihreäksi puhdistustekniikaksi 2000-luvulla.
Laserpuhdistusmenetelmä
Laserpuhdistusprosessi on hyvin monimutkainen ja sisältää useita materiaalinpoistomekanismeja. Laserpuhdistusmenetelmässä puhdistusprosessissa voi olla samanaikaisesti useita mekanismeja, jotka johtuvat pääasiassa laserin ja materiaalin välisestä vuorovaikutuksesta, mukaan lukien materiaalin pinnan ablaatio, hajoaminen, ionisaatio, hajoaminen, sulaminen, palaminen, höyrystyminen, värähtely, sputterointi, laajeneminen, kutistuminen, räjähdys, kuoriutuminen, irtoaminen ja muut fysikaaliset ja kemialliset muutokset prosessissa.
Tällä hetkellä tyypillisiä laserpuhdistusmenetelmiä on pääasiassa kolme: laserablaatiopuhdistus, nestekalvoavusteinen laserpuhdistus ja laseriskuaaltopuhdistusmenetelmät.
Laserablaatiopuhdistusmenetelmä
Tärkeimmät menetelmämekanismit ovat lämpölaajeneminen, höyrystyminen, ablaatio ja faasiräjähdys. Laser vaikuttaa suoraan alustan pinnalta poistettavaan materiaaliin, ja ympäristöolosuhteet voivat olla ilma, harvinainen kaasu tai tyhjiö. Käyttöolosuhteet ovat yksinkertaiset ja niitä käytetään laajalti erilaisten pinnoitteiden, maalien, hiukkasten tai lian poistamiseen. Alla oleva kaavio esittää laserablaatiopuhdistusmenetelmän prosessikaavion.
Kun lasersäteily kohdistetaan materiaalin pintaan, alusta ja puhdistusmateriaalit alkavat lämpölaajenea. Laserin ja puhdistusmateriaalin vuorovaikutusajan kasvaessa, jos lämpötila on alhaisempi kuin puhdistusmateriaalin kavitaatiokynnys, puhdistusmateriaalissa tapahtuu vain fysikaalinen muutosprosessi. Puhdistusmateriaalin ja alustan lämpölaajenemiskertoimen välinen ero johtaa paineeseen rajapinnassa, puhdistusmateriaalin lommahtamiseen, repeämiseen alustan pinnalta, halkeiluun, mekaaniseen murtumaan, tärinän aiheuttamaan murtumiseen jne. Puhdistusmateriaali poistetaan suihkuttamalla tai kuorimalla alustan pinnalta.
Jos lämpötila on korkeampi kuin puhdistusmateriaalin kaasutuksen kynnyslämpötila, on kaksi tilannetta: 1) puhdistusmateriaalin ablaatiokynnys on pienempi kuin substraatin; 2) puhdistusmateriaalin ablaatiokynnys on suurempi kuin substraatin.
Nämä kaksi puhdistusmateriaalien tapausta ovat sulaminen, kavitaatio ja ablaatio sekä muut fysikaalis-kemialliset muutokset. Puhdistusmekanismi on monimutkaisempi lämpövaikutusten lisäksi, mutta se voi sisältää myös puhdistusmateriaalien ja substraattien välisten molekyylisidosten katkeamisen, puhdistusmateriaalien hajoamisen tai hajoamisen, faasiräjähdyksen, puhdistusmateriaalien kaasutuksen, välittömän ionisaation ja plasman muodostumisen.
(1)Nestemäinen kalvoavusteinen laserpuhdistus
Menetelmämekanismi perustuu pääasiassa nestekalvon kiehumiseen höyrystämiseen ja värähtelyyn. Sopivan laseraallonpituuden valitsemisen tarpeen avulla voidaan kompensoida laserablaatiopuhdistusprosessin iskupaineen puutetta ja poistaa vaikeampia puhdistettavia kohteita.
Kuten alla olevassa kuvassa näkyy, puhdistettavan kohteen pinnalle levitetään nestemäinen kalvo (vesi, etanoli tai muu neste), jota lasersäteilee. Nestemäinen kalvo absorboi lasersäteilyn energiaa, mikä johtaa nestemäisen väliaineen voimakkaaseen räjähdykseen ja kiehuvan nesteen nopeaan liikkeeseen. Energia siirtyy puhdistusmateriaalien pinnalle, jolloin suuri ohimenevä räjähdysvoima riittää poistamaan pinnan lian puhdistustarkoituksessa.
Nestemäisellä kalvolla avusteisella laserpuhdistusmenetelmällä on kaksi haittapuolta.
Hankala prosessi ja sitä on vaikea hallita.
Nestemäisen kalvon käytön ansiosta alustan pinnan kemiallinen koostumus puhdistuksen jälkeen on helppo muuttaa ja tuottaa uusia aineita.
(1)Laser-iskuaaltotyyppinen puhdistusmenetelmä
Prosessimenetelmä ja -mekanismi eroavat suuresti kahdesta ensimmäisestä. Mekanismi on pääasiassa iskuaaltovoiman poistaminen, ja puhdistuskohteet ovat pääasiassa hiukkasia, jotka on tarkoitettu pääasiassa hiukkasten (alimikronin tai nanomittakaavan) poistamiseen. Prosessivaatimukset ovat erittäin tiukat sekä ilman ionisointikyvyn varmistamiseksi että sopivan etäisyyden ylläpitämiseksi laserin ja substraatin välillä, jotta iskuvoiman vaikutus hiukkasiin on riittävän suuri.
Laser-iskuaallon puhdistusprosessin kaavio on esitetty alla. Laser on suunnattu yhdensuuntaisesti substraatin pinnan kanssa, eikä substraatti kosketa sitä. Siirrä työkappaletta tai laserpäätä säätääksesi laserin tarkennusta hiukkaseen lähellä lasersädettä. Ilman ionisaatioilmiö tapahtuu, mikä johtaa iskuaaltoon. Paineaalto laajenee nopeasti ja ulottuu kosketukseen hiukkasten kanssa. Kun iskuaallon poikittaisen komponentin momentti hiukkaseen on suurempi kuin pitkittäisen komponentin momentti ja hiukkasen tarttumisvoima, hiukkanen irtoaa valssaamalla.
Laserpuhdistustekniikka
Laserpuhdistusmekanismi perustuu pääasiassa kohteen pintaan laserenergian imeytymisen tai höyrystymisen ja haihtumisen tai välittömän lämpölaajenemisen jälkeen hiukkasten adsorboitumisen voittamiseksi pinnalle, jotta kohde irtoaa pinnalta ja saavuttaa sitten puhdistustarkoituksen.
Karkeasti tiivistettynä seuraavasti: 1. laserhöyryn hajoaminen, 2. laserstrippaus, 3. likahiukkasten lämpölaajeneminen, 4. alustan pinnan värähtely ja hiukkasten värähtely, neljä näkökohtaa
Verrattuna perinteiseen puhdistusprosessiin, laserpuhdistustekniikalla on seuraavat ominaisuudet.
1. Se on "kuiva" puhdistus, ei puhdistusliuosta tai muita kemiallisia liuoksia, ja puhtaus on paljon korkeampi kuin kemiallisessa puhdistusprosessissa.
2. Lian poiston laajuus ja soveltuvat alustat ovat erittäin laajat, ja
3. Laserprosessiparametrien säätelyn avulla ei voida vahingoittaa alustan pintaa epäpuhtauksien tehokkaan poiston perusteella, onko pinta uudenveroinen.
4. Laserpuhdistus voidaan helposti automatisoida.
5. Laserpuhdistuslaitteita voidaan käyttää pitkään, ja käyttökustannukset ovat alhaiset.
6. Laserpuhdistustekniikka on: vihreä: puhdistusprosessi, jätteen poistaminen on kiinteää jauhetta, pienikokoista, helppo varastoida, eikä se pohjimmiltaan saastuta ympäristöä.
1980-luvulla puolijohdeteollisuuden nopea kehitys asetti korkeammat vaatimukset piikiekkojen pinnoille ja hiukkasten aiheuttamalle kontaminaatiolle puhdistusteknologiassa. Keskeistä oli mikrohiukkasten ja substraatin välisen kontaminaation voittaminen suuren adsorptiovoiman avulla. Perinteiset kemialliset, mekaaniset ja ultraäänipuhdistusmenetelmät eivät kyenneet vastaamaan kysyntään. Laserpuhdistus voi ratkaista tällaiset saasteongelmat. Aiheeseen liittyvää tutkimusta ja sovelluksia on kehitetty nopeasti.
Vuonna 1987 jätettiin ensimmäinen laserpuhdistusta koskeva patenttihakemus. 1990-luvulla Zapka sovelsi onnistuneesti laserpuhdistustekniikkaa puolijohteiden valmistusprosessiin mikrohiukkasten poistamiseksi maskin pinnalta, mikä oli laserpuhdistustekniikan varhaisen soveltamisen mahdollistava tekijä teollisuudessa. Vuonna 1995 tutkijat käyttivät 2 kW:n TEA-CO2-laseria onnistuneesti poistaakseen maalipinnan lentokoneiden rungoista.
2000-luvulle tultuamme ultralyhyiden pulssien lasereiden nopean kehityksen myötä kotimainen ja ulkomainen laserpuhdistusteknologian tutkimus ja soveltaminen lisääntyivät vähitellen keskittyen metallimateriaalien pintoihin. Tyypillisiä ulkomaisia sovelluksia ovat lentokoneiden rungon maalinpoisto, muotin pinnan rasvanpoisto, moottorin sisäisen hiilen poisto ja hitsausliitosten pinnan puhdistus. Yhdysvaltain Edison Welding Institute suoritti FG16-sotakoneen laserpuhdistuksen 1 kW:n laserteholla ja 2,36 cm3:n puhdistustilavuudella minuutissa.
On syytä mainita, että lasermaalinpoiston tutkimus ja soveltaminen edistyneissä komposiittiosissa on myös merkittävä kuuma aihe. Yhdysvaltain laivaston HG53- ja HG56-helikoptereiden potkurien lavat sekä F16-hävittäjän tasainen pyrstö ja muut komposiittipinnat on toteutettu lasermaalinpoistosovelluksissa, kun taas Kiinan komposiittimateriaalien käyttö lentokoneissa on vasta myöhässä, joten tällainen tutkimus on pohjimmiltaan tyhjää.
Lisäksi yksi tämänhetkisistä tutkimuskohteista on laserpuhdistustekniikan käyttö CFRP-komposiittipintojen liimausta edeltävässä liitoksen lujuuden parantamisessa. Yritys on mukauttanut laserin Audi TT -auton tuotantolinjalle toimittaakseen kuitulaserpuhdistuslaitteita kevyen alumiiniseoksesta valmistetun ovenkarmien oksidikalvon pinnan puhdistamiseen. Rolls G Royce UK käytti laserpuhdistusta titaanista valmistettujen lentokonemoottoreiden osien oksidikalvon puhdistamiseen.
Laserpuhdistustekniikka on kehittynyt nopeasti viimeisten kahden vuoden aikana, olipa kyse sitten laserpuhdistusprosessin parametreista ja puhdistusmekanismeista, puhdistuskohteiden tutkimuksesta tai tutkimuksen soveltamisesta. Laserpuhdistustekniikan tutkimuksen painopiste on paljon teoreettisen tutkimuksen jälkeen jatkuvasti painottunut tutkimuksen soveltamiseen ja lupaavien tulosten soveltamiseen. Tulevaisuudessa laserpuhdistustekniikkaa käytetään laajemmin kulttuuriperintöjen ja taideteosten suojelussa, ja sen markkinat ovat erittäin laajat. Tieteen ja teknologian kehittyessä laserpuhdistustekniikan soveltaminen teollisuudessa on tulossa todellisuudeksi, ja sen sovellusala laajenee yhä enemmän.
Maven-laserautomaatioyritys on keskittynyt laserteollisuuteen 14 vuoden ajan. Olemme erikoistuneet lasermerkintään. Meillä on konekaappien laserpuhdistuskoneita, kärryjen laserpuhdistuskoneita, reppulasercuskoneita ja kolmitoimisia laserpuhdistuskoneita. Lisäksi meillä on laserhitsauskoneita, laserleikkauskoneita ja lasermerkintäkaiverruskoneita. Jos olet kiinnostunut koneistamme, voit seurata meitä ja ottaa meihin yhteyttä.
Julkaisun aika: 14.11.2022
