Чистка лазера 101: основы для начинающих

Первый в мире лазер был разработан американским ученым профессором Теодором Гарольдом Мейманом с использованием рубина в 1960 году. С тех пор лазеры используются в различных областях, способствуя быстрому развитию науки и техники в области медицинского лечения, производства оборудования, точных измерений и восстановительного машиностроения. Продвижение лазерных технологий ускорило темпы социального прогресса и привело к значительным достижениям в области очистки.

По сравнению с традиционными методами очистки, такими как механическое трение, химическая коррозия и высокочастотный ультразвук, лазерная очистка может работать в полностью автоматическом режиме и имеет такие преимущества, как высокая эффективность работы, низкая стоимость, отсутствие загрязнения окружающей среды, отсутствие повреждения подложки и широкий спектр применяемых материалов. Она полностью соответствует концепции экологичности и защиты окружающей среды, что делает ее самым надежным и эффективным методом очистки из всех существующих на сегодняшний день.

Очистка является необходимым условием для обнаружения и обработки отработанных деталей машин. Использование технологии лазерной очистки позволяет эффективно контролировать морфологию поверхности и шероховатость поверхности подложки, улучшая ее характеристики после очистки. Он также может применяться в производстве, обработка поверхностиили повторное изготовление крупных деталей.

Хотя лазерная очистка еще не полностью заменила традиционные методы очистки, растущее национальное осознание необходимости энергосбережения и сокращения выбросов в обрабатывающей промышленности приведет к ее постепенному внедрению благодаря ее уникальным преимуществам. После 2020 года, когда в Китае ужесточились законы и нормы по охране окружающей среды и повысилась осведомленность людей об экологии и безопасности, количество химических веществ, которые можно использовать для очистки промышленного производства, сократилось. Таким образом, поиск более чистого и неразрушающего метода очистки стал актуальной задачей.

Лазерная очистка обладает такими характеристиками, как отсутствие шлифовки, бесконтактность, отсутствие теплового эффекта и пригодность для любых видов объектов. Она считается самым надежным и эффективным решением этой проблемы. Кроме того, лазерная очистка позволяет решить проблемы, которые не под силу традиционным методам очистки.

лазерная очистка

Принцип лазерной очистки

Введение

Когда субмикронные частицы загрязнения прилипают к поверхности заготовки, они часто очень плотно держатся, что делает невозможным их удаление с помощью обычных методов очистки. Однако очистка поверхности заготовки с помощью нано лазерное излучение очень эффективно.

Кроме того, лазерная очистка является бесконтактным методом очистки, что делает ее очень безопасной для очистки прецизионных изделий или их мелких деталей и обеспечивает их точность.

Поэтому лазерная очистка обладает уникальными преимуществами в клининговой индустрии.

Но почему лазеры можно использовать для очистки и почему они не повреждают очищаемый объект? Чтобы ответить на эти вопросы, сначала нужно понять суть лазеров.

Вкратце, лазеры ничем не отличаются от окружающего нас света (видимого и невидимого). Однако лазер использует резонатор для концентрации света в одном направлении, что делает его более мощным и точным, чем простая длина волны и координация.

Поэтому теоретически все длины волн света могут быть использованы для создания лазера. Однако на практике существует не так много сред, которые могут быть возбуждены, поэтому источники лазерного излучения, способные обеспечить стабильное и пригодное для промышленного производства производство, весьма ограничены.

Широко используются Nd: YAG-лазеры, лазеры на углекислом газе и эксимерные лазеры. Nd: YAG-лазеры, в частности, могут передаваться по оптическому волокну и больше подходят для промышленного применения, что позволяет широко использовать их в лазерной очистке.

Лазерная абляция (научное название - лазерная очистка) или световая абляция - это процесс удаления материалов с твердых (или иногда жидких) поверхностей путем облучения их лазерным лучом.

При низком лазерном потоке материал нагревается и испаряется или сублимируется под действием поглощенной лазерной энергии. При высоком лазерном потоке материалы обычно превращаются в плазму. Как правило, лазерная абляция относится к удалению материалов импульсным лазером, но если интенсивность лазера достаточно высока, материалы могут быть аблетированы непрерывным лазерным лучом.

Глубокие ультрафиолетовые эксимерные лазеры в основном используются для оптической абляции. Длина волны лазера для оптической абляции составляет около 200 нм.

Глубина поглощения лазерной энергии и количество материала, удаляемого одним лазерным импульсом, зависят от оптических свойств материала, длины волны лазера и длительности импульса.

Общая масса каждого лазерного импульса, вырезанного из мишени, обычно называется скоростью абляции. Характеристики лазерного излучения, такие как скорость сканирования лазерного луча и покрытие линии сканирования, существенно влияют на процесс абляции.

Эффект лазерной очистки формы для шин

Эффект лазерной очистки формы для шин

Принцип лазерной очистки

В середине 1980-х годов такие ученые, как Беклемышев и Алрн, провели исследования в области лазерной очистки, объединив лазерную технологию с технологией очистки в соответствии с реальными потребностями работы. Это привело к разработке технической концепции лазерной очистки.

Как известно, силы связывания между загрязняющими веществами и матрицей можно разделить на ковалентные связи, двойные диполи, капиллярное действие и силы Ван-дер-Ваальса. Если эти силы преодолеть или разрушить, можно добиться эффекта обеззараживания.

Лазерная очистка использует характеристики лазерного луча, такие как большая плотность энергии, контролируемое направление и сильная способность к конвергенции, для разрушения силы связи между загрязняющими веществами и матрицей или прямого испарения загрязняющих веществ. Это уменьшает прочность связи между загрязняющими веществами и матрицей, тем самым очищая поверхность детали.

Принципиальная схема лазерной очистки показана на рис. 1.

Когда загрязняющее вещество на поверхности заготовки поглощает энергию лазера, оно преодолевает силу между загрязняющим веществом и поверхностью подложки за счет быстрого газифицирования или мгновенного теплового расширения. В результате увеличения энергии нагрева частицы загрязнителя вибрируют и отпадают от поверхности подложки.

Схематическая диаграмма лазерной очистки

Рис. 1 Схематическая диаграмма лазерной очистки

Весь процесс лазерной очистки условно делится на четыре этапа:

  • Лазерная газификация и разложение
  • лазерная зачистка
  • Тепловое расширение загрязняющих частиц
  • Вибрация поверхности субстрата и отделение загрязняющих веществ

Применяя технологию лазерной очистки, важно учитывать порог лазерной очистки очищаемого объекта и выбирать соответствующую длину волны лазера для достижения наилучшего эффекта очистки.

Лазерная очистка позволяет не только изменять структуру и ориентацию зерен на поверхности подложки без ее повреждения, но и контролировать шероховатость поверхности подложки, улучшая общие свойства поверхности.

На эффект очистки в первую очередь влияют характеристики лазерного луча, физические параметры материалов подложки и загрязнений, а также способность загрязнений поглощать энергию луча.

В настоящее время технология лазерной очистки включает в себя технологию сухой лазерной очистки, технологию влажной лазерной очистки и технологию лазерной плазменной ударной волны.

Сухая лазерная чистка

Импульсная лазерная очистка - это процесс, в котором лазерный луч направляется на обрабатываемую деталь, повышая температуру поглощения энергии подложкой или поверхностными загрязнениями. Это вызывает тепловое расширение или тепловую вибрацию подложки, которая отделяет загрязнения.

Этот метод можно применить в двух случаях:

Во-первых, когда поверхностные загрязнители поглощают лазерное излучение и расширяются, они отделяются от подложки.

Во-вторых, когда подложка поглощает лазер, она производит тепловые колебания, что приводит к отделению загрязняющих веществ от подложки.

Влажная лазерная очистка

Влажная лазерная очистка предполагает нанесение жидкой пленки на поверхность перед облучением детали импульсным лазером. Лазер нагревает жидкую пленку, заставляя ее быстро испаряться.

При испарении образуется ударная волна, которая отбрасывает частицы загрязнителя от подложки.

Этот метод ограничен требованием, что матрица не должна вступать в реакцию с жидкой пленкой, что ограничивает круг применимых материалов.

Ударная волна лазерной плазмы

Технология лазерной плазменной ударно-волновой очистки предполагает создание сферической плазменной ударной волны путем прорыва через воздушную среду во время лазерного облучения.

Ударная волна воздействует на поверхность подложки и высвобождает энергию для удаления загрязняющих веществ, не повреждая подложку, поскольку лазер не воздействует на нее напрямую.

Эта технология позволяет эффективно очищать загрязняющие частицы размером в десятки нанометров и не ограничивается длиной волны лазера.

В реальном производстве различные методы испытаний и соответствующие параметры должны выбираться исходя из конкретных потребностей, чтобы обеспечить качественную очистку заготовок.

В процессе лазерной очистки оценка эффективности и качества очистки поверхности имеет решающее значение для определения эффективности технологии.

Advantages

По сравнению с традиционными методами очистки, такими как механическая очистка трением, химическая коррозионная очистка, очистка сильным ударом жидкость-твердое тело и высокочастотная ультразвуковая очистка, лазерная очистка обладает рядом преимуществ.

2.1 Лазерная очистка - это "зеленый" метод очистки, который не требует использования химических веществ или чистящих растворов. Отходы, образующиеся в процессе очистки, в основном представляют собой твердый порошок, имеют небольшой объем, легко хранятся и могут быть переработаны. Это позволяет решить проблему загрязнения окружающей среды, вызванную химической очисткой.

2.2 Традиционные методы очистки часто являются контактными, что приводит к механическому воздействию на поверхность очищаемого объекта, вызывая повреждение поверхности или прилипание чистящего средства к поверхности, что приводит к вторичному загрязнению. Лазерная очистка, которая является нешлифовальной и бесконтактной, может решить эти проблемы.

2.3 Лазеры могут передаваться по оптическому волокну и работать вместе с манипулятором и роботом на больших расстояниях. Они могут очищать труднодоступные детали традиционными методами, обеспечивая безопасность персонала в некоторых опасных местах.

2.4 Лазерная очистка может удалять различные виды загрязнений на поверхности различных материалов и достигать уровня чистоты, который невозможно достичь обычными методами очистки. Она также может избирательно очищать загрязнения на поверхности материала, не повреждая его.

2.5 Лазерная очистка очень эффективна и экономит время.

2.6 Хотя единовременные инвестиции в покупку системы лазерной очистки высоки, система очистки может стабильно использоваться в течение длительного времени при низких эксплуатационных расходах и почасовой оплате электроэнергии.

Pпринцип

Процесс импульсной Nd:YAG лазерной очистки основан на характеристиках оптического импульса, генерируемого лазером, и базируется на фотофизической реакции, возникающей при взаимодействии высокоинтенсивного, короткоимпульсного лазерного луча и загрязняющего слоя.

Физический принцип можно кратко описать следующим образом:

a) Излучаемый лазерный луч поглощается загрязненным слоем на обрабатываемой поверхности.

б) Поглощение большого количества энергии создает быстро расширяющуюся плазму (высокоионизированный нестабильный газ), которая порождает ударные волны.

в) Ударная волна разбивает загрязняющие вещества на фрагменты и удаляет их.

d) Длительность импульса света должна быть достаточно короткой, чтобы избежать накопления тепла, которое может повредить обрабатываемую поверхность.

д) Эксперименты показывают, что если на металлическая поверхностьПлазма возникает на поверхности металла.

Плазма образуется только тогда, когда плотность энергии превышает пороговое значение, которое зависит от удаленного загрязненного или оксидного слоя.

Если плотность энергии превысит этот порог, материал основания может быть поврежден.

Чтобы эффективно очистить подложку и при этом обеспечить ее безопасность, необходимо настроить параметры лазера в зависимости от ситуации таким образом, чтобы плотность энергии оптического импульса находилась строго между двумя пороговыми значениями.

Каждый лазерный импульс удаляет слой загрязнения определенной толщины. При более толстом слое загрязнения для очистки требуется несколько импульсов.

Количество импульсов, необходимых для очистки поверхности, зависит от степени ее загрязнения. Важным результатом использования двух порогов является самоконтроль очистки.

Импульсы света с плотностью энергии, превышающей первый порог, будут удалять загрязнения до тех пор, пока не будет достигнут основной материал.

Однако, поскольку плотность энергии ниже порога разрушения материала подложки, подложка не будет повреждена.

Pпрактическое применение

Лазерная очистка - это универсальная технология, которая позволяет эффективно удалять как органические, так и неорганические загрязнения, такие как коррозия металла, металлические частицы, пыль и т. д. Ниже приведены некоторые практические применения этой технологии, которая уже достигла высокого уровня зрелости и широко используется.

4.1. Очистка плесени:

Ежегодно производители шин по всему миру выпускают сотни миллионов шин. В процессе производства очистка шинных форм должна быть эффективной и действенной, чтобы свести к минимуму время простоя.

Традиционные методы очистки, такие как пескоструйная, ультразвуковая или углекислотная очистка, требуют охлаждения пресс-формы в течение нескольких часов перед ее транспортировкой к оборудованию для очистки. Этот процесс занимает значительное количество времени и может легко нарушить точность пресс-формы. Кроме того, использование химических растворителей и возникающий при этом шум могут вызывать опасения по поводу безопасности и защиты окружающей среды.

Метод лазерной очистки предлагает решение этих проблем. Поскольку лазер может передаваться по оптическому волокну, он обладает большой гибкостью в использовании. Кроме того, метод лазерной очистки можно комбинировать с оптическим волокном, чтобы направить свет в труднодоступные места пресс-формы, что облегчает ее очистку. Кроме того, в процессе лазерной очистки резина не газифицируется, что исключает риск выделения токсичных газов и обеспечивает безопасную рабочую среду.

Технология лазерной очистки шинных форм получила широкое распространение в европейской и американской шинной промышленности.

Эффект лазерной очистки шин

Эффект лазерной очистки шин

Хотя первоначальная стоимость оборудования для лазерной очистки высока, выгоды от сокращения времени простоя, предотвращения повреждения пресс-форм, повышения безопасности и снижения расхода сырья быстро компенсируют эти инвестиции.

Согласно результатам испытаний, проведенных на производственной линии шинной компании, комплект форм для больших грузовых шин может быть очищен в режиме онлайн с помощью лазерного оборудования для очистки всего за 2 часа.

По сравнению с традиционными методами очистки экономические преимущества использования лазерной очистки очевидны.

В пищевой промышленности для поддержания гигиены необходимо регулярно заменять антипригарную эластичную пленку на формах. Лазерная очистка, не требующая применения химических средств, хорошо подходит и для этих целей.

Эффект очистки от плесени

Эффект очистки от плесени

4.2. Чистка оружия и снаряжения:

Технология лазерной очистки широко используется при обслуживании оружия.

Лазерная система очистки - это эффективный и быстрый способ удаления ржавчины и загрязнений, а также возможность выборочного удаления, что позволяет автоматизировать процесс очистки.

По сравнению с химической очисткой, лазерная очистка не только обеспечивает более высокий уровень чистоты, но и сводит к минимуму повреждение поверхности очищаемых объектов.

Кроме того, регулируя различные параметры, можно сформировать на металлических поверхностях плотную оксидную защитную пленку или слой плавления металла, что повышает их прочность и устойчивость к коррозии.

Наконец, отходы, образующиеся при лазерной очистке, экологически безопасны, а сам процесс может выполняться удаленно, что снижает риск причинения вреда здоровью операторов.

4.3. Удаление старой краски с самолета:

В Европе лазерные системы очистки уже давно широко используются в авиационной промышленности.

Через определенное время поверхности самолетов необходимо перекрасить, но прежде чем это произойдет, старая краска должна быть полностью удалена.

Традиционные механические методы удаления краски могут легко повредить металлическая поверхность самолета и представляют угрозу для безопасного полета.

Однако с помощью нескольких систем лазерной очистки слой краски на поверхности самолета A320 Airbus может быть полностью удален в течение двух дней без какого-либо ущерба для металлической поверхности.

4.4. Очистка наружной стены здания:

В связи с быстрым ростом экономики Китая строится все больше небоскребов, и проблема очистки их наружных стен становится все более актуальной. Система лазерной очистки Laserlaste предлагает эффективное решение для очистки наружных стен зданий с помощью оптических волокон длиной до 70 метров.

Эта система может эффективно очищать все типы загрязнений с различных поверхностей, таких как камень, металл и стекло, что позволяет добиться эффективности очистки, в несколько раз превышающей традиционные методы.

Он также может удалить черные пятна и обесцвечивание с различных каменных материалов, используемых в экстерьере зданий.

Эксперименты с использованием системы лазерной очистки зданий и каменных табличек в храме Суншань Шаолинь показали, что лазерная очистка оказывает положительное влияние на защиту древних зданий и восстановление их внешнего вида.

4.5. Очистка в электронной промышленности

В электронной промышленности для удаления оксидов используется лазерная технология. Точное обеззараживание имеет решающее значение в этой отрасли, поэтому лазерное удаление оксидов является идеальным решением.

Перед сваркой печатной платы необходимо полностью удалить окислы с выводов компонентов, чтобы обеспечить оптимальный электрический контакт. Этот процесс не должен повредить контакты.

Лазерная очистка отвечает этим требованиям и отличается высокой эффективностью. Фактически, для эффективного обеззараживания достаточно один раз облучить лазером один штифт.

4.6. Прецизионная обезжиривающая очистка в прецизионном машиностроении:

В прецизионном машиностроении часто требуется удалить с деталей эфиры и минеральные масла, используемые для смазки и защиты от коррозии. Обычно это делается с помощью химических методов, но химическая очистка часто оставляет остатки.

Лазерная деэтерификация - это альтернатива, которая позволяет полностью удалить эфиры и минеральные масла, не повреждая поверхность деталей. Это достигается за счет использования ударной волны.

Ударная волна образуется в результате взрывной газификации тонкого оксидного слоя на поверхности деталей, что приводит к удалению загрязняющих веществ, а не в результате механического взаимодействия.

Этот метод лазерной очистки широко используется в аэрокосмической промышленности для тщательного обезжиривания механических деталей.

Он также может применяться при обработке механических деталей для удаления масляных эфиров.

4.7. Очистка трубопровода в реакторе атомной электростанции:

Лазерная система очистки также используется для очистки труб в реакторах атомных электростанций.

С помощью оптических волокон в реактор подается мощный лазерный луч, который непосредственно удаляет радиоактивную пыль, в результате чего получаются легко очищаемые материалы. Кроме того, дистанционное управление обеспечивает безопасность персонала.

В заключение следует отметить, что лазерная очистка играет важную роль во многих областях, включая автомобилестроение, очистку полупроводниковых пластин, обработку и производство прецизионных деталей, очистку военной техники, очистку наружных стен зданий, защиту культурных артефактов, очистку печатных плат, обработку и производство прецизионных деталей, очистку ЖК-дисплеев, удаление остатков жевательной резинки и многое другое.

Основные методы очистки

Существует четыре основных метода лазерной очистки:

① Метод лазерной химчистки, также известный как прямая радиационная дезактивация импульсным лазером.

② Метод "лазер + жидкая пленка", который предполагает нанесение слоя жидкой пленки на поверхность подложки, а затем ее обеззараживание с помощью лазерного излучения.

③ Метод "лазер + инертный газ", при котором на поверхность подложки подается инертный газ, в то время как лазерное излучение наносится. Как только грязь удалена с поверхности, она немедленно сдувается газом, чтобы предотвратить повторное загрязнение и окисление.

④ После того как грязь разрыхлена лазером, она очищается с помощью некорродирующего химического метода. Этот метод используется только для очистки каменных культурных реликвий.

Первые три метода являются наиболее распространенными, а четвертый используется только в особых случаях.

Технология лазерной очистки каменных материалов применяется во всем мире уже более десяти лет. В Китае технология лазерной очистки каменных материалов начала применяться позже из-за высокой стоимости лазерного оборудования.

Несмотря на высокую стоимость, технология лазерной очистки имеет множество преимуществ перед традиционными методами очистки, и по мере совершенствования технологии и распространения оборудования ожидается, что она будет играть значительную роль в индустрии очистки каменных материалов.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.