Ласерско чистење: Механизам, карактеристики и примена

Позадина на апликацијата

Во индустриските и другите области, традиционалните методи на чистење како што се хемиското чистење и механичкото брусење долго време доминираат. Хемиското чистење има тенденција да генерира голема количина на хемиски отпадни течности, предизвикувајќи загадување на животната средина и може да претставува ризик од корозија за одредени прецизни компоненти. Иако механичкото брусење може да ги отстрани површинските загадувачи, тоа е склоно кон оштетување на подлогата, постигнува лоши резултати при обработка на компоненти со сложена форма, создава загадување од прашина што го загрозува здравјето на операторите и се бори да ги исполни барањата за високопрецизно чистење.

Со брзиот развој на висококвалитетните производствени индустрии како што се воздухопловството, железничкиот транзит и морските бродови, барањата за чистење на компонентите стануваат сè построги. Квалитетот на површината на големите и сложени компоненти - како што се влезовите за воздух на моторите на авионите, каросериите на брзите железнички вагони и капаците на отворите на бродовите - директно влијае на перформансите на производот и неговиот век на траење. Овие компоненти не само што се одликуваат со големи димензии и сложени форми, туку бараат и исклучително висока прецизност, ефикасност и површински интегритет на чистењето. Традиционалните методи на чистење повеќе не можат да ги задоволат потребите за развој на модерното производство.

Во услови на растечка глобална еколошка свест, производствената индустрија се соочува со притисок да ги намали емисиите на загадувачи и потрошувачката на ресурси. Како технологија за зелено чистење, ласерското чистење нуди предности, вклучувајќи без хемиско загадување, ниска потрошувачка на енергија и бесконтактно чистење. Ефикасно се справува со еколошките проблеми предизвикани од традиционалните методи, се усогласува со стратегиите за одржлив развој и доживува итен пораст на побарувачката за примена во различни области.

Технологија за ласерско чистење: Механизам

Ласерското чистење е технологија која користи ласерски зраци со висока густина на енергија за интеракција со површините на материјалите, предизвикувајќи лупење или распаѓање на загадувачите или премазите од подлогата, со што се постигнува чистење. Процесот на ласерско чистење вклучува повеќе физички механизми, како што се термичка аблација, вибрации на стрес, термичка експанзија, испарување, фазна експлозија, притисок на испарување и плазма шок. Овие механизми работат заедно за да ја одделат целта за чистење од подлогата за ефикасно чистење. Врз основа на медиумот за чистење, ласерското чистење може да се подели на суво ласерско чистење, влажно ласерско чистење иласерско чистење со ударни бранови.

Суво ласерско чистење

Сувото ласерско чистење е моментално најшироко користениот метод на ласерско чистење. Тој користи ласерски зраци за директно зрачење на површината на подлогата, предизвикувајќи термичка експанзија на подлогата за да се надминат ван дер Валсовите сили и да се отстранат загадувачите.

Интензитет на ласер: Значајните промени во густината на енергијата на ласерот влијаат на резултатите од чистењето. При ниски енергетски интензитети, доминираат испарувањето и фазната експлозија; при високи енергетски густини, притисокот на испарувањето и ефектите на шок исто така играат улога. Ултра високата енергија може да доведе до проблеми поврзани со плазмата. Чистењето обично се изведува при пониски енергетски густини за да се заштити подлогата.
Бранова должина на ласер: Брановата должина е поврзана со спојувањето на енергијата на материјалот. Кратките бранови должини се доминирани од фотохемиската аблација, додека долгите бранови должини се доминирани од фототермалната аблација. Брановата должина, исто така, влијае на силите и распределбата на температурата помеѓу честичките и подлогата, со што влијае на силата и ефикасноста на чистењето, со различни ефекти врз различните материјали.
Ширина на пулсот: Кратките и долгите пулси имаат различни механизми за чистење. Долгите пулси имаат силни ефекти на аблација, но слаба селективност; кратките пулси можат да генерираат високи температури и ударни бранови за отстранување на загадувачите со минимално оштетување. Ултра брзите ласерски пулси работат на механизам на „ладна аблација“.
Упаден агол: Вертикалното зрачење предизвикува честичките од загадувачи да го блокираат ласерот; косото зрачење ја подобрува ефикасноста на чистењето.

Влажно ласерско чистење

Влажното ласерско чистење се постигнува со помош на течен филм. Течен филм се нанесува претходно на површината на работниот дел што треба да се исчисти, а директното ласерско зрачење брзо ја загрева течноста, генерирајќи силни ударни сили за отстранување на површинските загадувачи од подлогата.

Ласерско чистење со ударни бранови

Чистењето со ласерски ударни бранови е класифицирано во суво ласерско чистење со ударни бранови и хибридно ласерско чистење со ударни бранови. При сувото ласерско чистење со ударни бранови, фокусирањето со ласерот генерира плазма за да ги удри честичките, избегнувајќи оштетување од директно зрачење, но оставајќи слепи точки - ова може да се подобри со прилагодување на аголот на инцидентот или со користење на чистење со двоен зрак. Чистењето со хибриден ласерски ударни бранови вклучува методи на удар со помош на пареа, подводни и влажен ласерски шок. Користи ефекти поврзани со течности за отстранување на загадувачи, што е поврзано со својства на течноста како што е густината, и има широка примена со значајни предности.

Апликации

Аерокосмичка индустрија: Оксидни филмови на влезови за воздух од титаниумска легура

Наносекундарното пулсно ласерско чистење постигнува извонредни резултати во отстранувањето на оксидните филмови од површините за влез на воздух од титанска легура. Неговиот низок термички ефект спречува секундарна оксидација на подлогата, што го прави супериорен метод на чистење.

Механизам за хемиско чистење: Термичката аблација е примарен механизам. Кога ласерската енергија дејствува на оксидниот филм, површината апсорбира голема количина на енергија, менувајќи го механизмот за аблација врз основа на интензитетот на енергијата и формирајќи различни површински морфологии. При ниска енергија, оксидниот филм е делумно отстранет со минимални повторно стопени површини; при умерена енергија, оксидниот филм е целосно отстранет со занемарливо оштетување; при висока енергија, иако оксидниот филм е отстранет, се јавува значително оштетување на подлогата, формирајќи површински структури слични на гребени.
Механизам за влажно чистење: При ниски енергетски густини, главниот механизам се ласерски индуцирани ударни бранови; при високи енергетски густини, доминираат термичка аблација и фазна експлозија. За време на чистењето, брзото ладење и загревање на титаниумската легура формира мартензитна титанска легура. Кога енергетската густина ќе достигне специфична вредност, површината се трансформира во наноструктурирана испакната површина, што е од големо значење за понатамошната примена на материјали од титански легури.

Брза железница: Боење на каросерии од алуминиумски легури

Дебелина на бојата и методи за чистење: За чистење на бојата на каросериите на автомобили од алуминиумска легура на брзи железници, соодветните методи за ласерско чистење варираат во зависност од бојата и дебелината на бојата.

Тенка боја (дебелина ≤ 40 μm): Ласерските извори на светлина со бранови должини со ниска стапка на апсорпција на боја постигнуваат подобри резултати преку термички вибрации.
Густа боја: Потребни се извори на ласерска светлина со бранови должини со висока стапка на апсорпција на боја, со користење на механизам за аблација за отстранување.
Отстранување на црвена боја: Примарниот механизам за отстранување на црвената боја е вибрацијата. За време на чистењето, ласерската енергија продира во подлогата, а термичкиот стрес генериран од зголемувањето на температурата на подлогата предизвикува лупење на бојата. Целиот слој на боја може да се отстрани, оставајќи лабава мрежеста морфологија на остатоци од боја на површината на алуминиумската легура.
Отстранување на сина боја: Под ист влез на ласерска енергија, сината боја достигнува повисока температура од црвената боја, но предизвикува помал термички стрес на подлогата. Кога температурата на бојата ќе ја достигне точката на вриење, таа се отстранува преку испарување, придружено со поврзани механизми како што се деламинација, согорување и плазма шок.

Морски бродови: 'Рѓа на површини на трупот од челик со висока цврстина

Хемиско чистење за отстранување на 'рѓа: Главниот механизам за отстранување за време на хемиското чистење на 'рѓа на трупови од челик со висока цврстина е испарување на оксидниот филм по апсорпција на енергија. Силата на реакција надолу генерирана за време на испарувањето на површинските оксиди помага во отстранувањето на подебелите оксидни филмови.
Ласерско отстранување на 'рѓа со помош на течен филм: Примарниот механизам е фазна експлозија на течни капки по апсорпција на енергија, генерирајќи ударни сили за отстранување на слоевите 'рѓа. Експлозивното вриење на течниот филм го подобрува ефектот на механизмот на фазна експлозија врз отстранувањето на 'рѓата, овозможувајќи подобро отстранување на површинските оксидни филмови, но се бори со длабоко вградени оксиди. Различните механизми за отстранување на слоевите 'рѓа влијаат на протокот на површинскиот стопен метал: страничниот потисок од фазната експлозија го поттикнува протокот на стопениот слој за порамна површина, додека оксидната пареа од испарувањето го спречува течниот метал да ги пополни јамите.

Морска средина: Морски микроорганизми на површини од алуминиумски легури

Параметри на ласер и ефекти на чистење: Ласерите со тесна ширина на импулсот и висока врвна моќност постигнуваат одлични резултати за чистење на морските микроорганизми на површини од алуминиумски легури.
Механизам за отстранување на микроорганизми: Механизмите за ласерско отстранување на слојот од екстрацелуларна полимерна супстанција (EPS) и супстратите од школки се аблациска испарување и отстранување на ударни бранови, соодветно. Единечните синџири на микробни макромолекули се кинат за време на мултифотонската апсорпција, распаѓајќи се во голем број атоми. Под комбинираното дејство на механизмите за плазматски шок и аблација, морските микроорганизми ефикасно се отстрануваат.
За органски супстанции како што се бои и морски микроорганизми: При ниска густина на енергија на ласерот, фотохемиските ефекти ги раскинуваат хемиските врски, што резултира со влошување, промена на бојата или губење на активноста. Со зголемување на густината на енергијата, се јавуваат феномени како што се аблација, испарување, пламен од согорување и плазма шок. За неоргански супстанции како што се оксидни филмови и 'рѓа: Не се случуваат промени при ниска густина на енергија; аблацијата и испарувањето се појавуваат како што се зголемува енергијата.
Ласерско чистење на културно наследство

Пулсирачките ласери играат клучна улога во зачувувањето на културното наследство, исполнувајќи ги барањата за недеструктивно и високопрецизно чистење на културни реликвии како што се камени артефакти, хартиени артефакти и метални артефакти.