A fabricação de ponta, a conservação de energia e a redução de emissões têm uma necessidade cada vez mais urgente de processos avançados. Em termos de tratamento de superfícies industriais, existe uma necessidade urgente de uma atualização abrangente de tecnologia e processos. Os processos tradicionais de limpeza industrial, como limpeza por fricção mecânica, limpeza por corrosão química, limpeza por forte impacto, limpeza ultrassônica de alta frequência, não apenas apresentam ciclos de limpeza longos, mas também são difíceis de automatizar, têm efeitos nocivos ao meio ambiente e não conseguem alcançar o efeito de limpeza desejado. Não pode atender bem às necessidades de processamento fino.
No entanto, com as contradições cada vez mais proeminentes entre a protecção ambiental, a elevada eficiência e a elevada precisão, os métodos tradicionais de limpeza industrial enfrentam grandes desafios. Ao mesmo tempo, surgiram várias tecnologias de limpeza que conduzem à proteção ambiental e adequadas para peças na área de ultraacabamento, e a tecnologia de limpeza a laser é uma delas.
Conceito de limpeza a laser
A limpeza a laser é uma tecnologia que utiliza um laser focado para atuar na superfície de um material para vaporizar ou remover rapidamente os contaminantes da superfície, de modo a limpar a superfície do material. Em comparação 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 a escolha ideal para uma nova geração de tecnologia de limpeza industrial.
Princípio de funcionamento da máquina de limpeza a laser
O princípio demáquina de limpeza a laseré mais complicado e pode incluir processos físicos e químicos. Em muitos casos, os processos físicos são o processo principal, acompanhados de algumas reações químicas. Os principais processos podem ser classificados em três 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 aumenta rapidamente e atinge acima da temperatura de vaporização do material, de modo que os poluentes são separado da superfície do material na forma de vapor. A vaporização seletiva geralmente ocorre quando a taxa de absorção da luz laser pelos contaminantes da superfície é significativamente maior que a do substrato. Um caso de aplicação típico é a limpeza de sujidades em superfícies de pedra. Conforme mostrado na figura abaixo, os poluentes na superfície da pedra têm 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 fica protegida contra danos.
Um processo típico de base química 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 de até 5 eV, que é 40 vezes maior que a energia de fótons do laser de CO2 (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 a absorção da energia de fótons do laser, resultando na gaseificação da 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 acção da onda de choque, os contaminantes da superfície são desfeitos e transformam-se em pó ou detritos arrancados 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 superficiais. 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 que a superfície absorva levemente o laser, 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 superficiais são decompostos em pequenas poeiras, partículas ou fragmentos. Quando o laser é afastado 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 em diferentes graus, resultando em oscilação, fazendo com que os contaminantes descasquem a superfície do o material. Durante este processo de esfoliação, pode não ocorrer vaporização do material e não ser gerado plasma. 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 demonstraram que quando o ângulo de incidência do laser é ligeiramente aumentado, o contato entre o laser e a contaminação por partículas e a interface do substrato pode ser aumentado, o limiar de limpeza do laser pode ser reduzido, o efeito de oscilação é mais óbvio e o a eficiência da 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 submicrométricas que não podem ser removidas pelos métodos de limpeza tradicionais, de modo como para conseguir 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 limpeza do tipo rebolo e cinta abrasiva, o que causa sérios danos ao substrato e sérias tensões residuais, e consome muitos consumíveis do rebolo todos os anos, o que é caro e causa graves poluição por poeira para o meio ambiente. A limpeza a laser pode fornecer tecnologia de limpeza verde eficiente e de alta qualidade para a produção de assentamento de trilhos ferroviários de alta velocidade do meu país, resolver os problemas acima, eliminar defeitos de soldagem, como furos ferroviários contínuos e manchas cinzentas, e melhorar a estabilidade e segurança dos altos operação ferroviária de alta velocidade.
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 decapagem no campo da aviação. Este método resulta em uma grande quantidade de resíduos químicos auxiliares e é impossível conseguir 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 nas superfícies da aeronave e é facilmente automatizada para produção. Atualmente, a tecnologia de limpeza a laser tem sido aplicada na manutenção de alguns modelos de última geração.
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 ecológica 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 peça de limpeza para realizar a automação da limpeza. Usando a limpeza a laser, não apenas a limpeza é superior ao 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 denso ou uma camada de fusão de metal na superfície de objetos metálicos para melhorar a resistência superficial e a resistência à corrosão. Os resíduos retirados pelo laser basicamente não poluem o meio ambiente, podendo também ser operados a longa distância, o que reduz efetivamente os danos à saúde do operador.
Exterior do edifício
Cada vez mais arranha-céus estão sendo construídos e o problema de limpeza da construção de paredes externas tornou-se cada vez mais proeminente. O sistema de limpeza a laser limpa bem as paredes externas dos edifícios através de fibras ópticas. A solução com comprimento máximo de 70 metros pode limpar com eficácia diversos poluentes em diversas pedras, metais e vidros, e sua eficiência é muito superior à 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 Eletrônica
A indústria eletrônica utiliza lasers para remover óxidos: A indústria eletrônica exige 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 um 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, sendo necessária apenas uma irradiação a laser para cada agulha.
Usina Nuclear
Os sistemas de limpeza a laser também são utilizados 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 por ser operado à distância, a segurança do pessoal pode ser garantida.
Resumo
A indústria transformadora avançada de hoje tornou-se o ponto alto da concorrência internacional. Como um sistema avançado na fabricação de laser, a máquina de limpeza a laser tem grande potencial de valor de aplicação no desenvolvimento industrial. O desenvolvimento vigoroso da tecnologia de limpeza a laser tem um significado estratégico muito importante para o desenvolvimento económico e social.