Vrhunska proizvodnja te očuvanje energije i smanjenje emisija imaju sve hitniju potrebu za naprednim procesima. Što se tiče industrijske površinske obrade, postoji hitna potreba za sveobuhvatnom nadogradnjom tehnologije i procesa. Tradicionalni industrijski procesi čišćenja, kao što je mehaničko čišćenje trenjem, kemijsko čišćenje od korozije, čišćenje jakim udarcima, ultrazvučno čišćenje visoke frekvencije, ne samo da imaju duge cikluse čišćenja, već ih je teško automatizirati, imaju štetne učinke na okoliš i ne uspijevaju postići željeni učinak čišćenja. Ne može zadovoljiti potrebe fine obrade.
Međutim, uz sve izraženija proturječja između zaštite okoliša, visoke učinkovitosti i visoke preciznosti, tradicionalne industrijske metode čišćenja su pod velikim izazovom. Istodobno su se pojavile različite tehnologije čišćenja koje su pogodne za zaštitu okoliša i prikladne za dijelove u području ultra-završne obrade, a jedna od njih je tehnologija laserskog čišćenja.
Koncept laserskog čišćenja
Lasersko čišćenje je tehnologija koja koristi fokusirani laser za djelovanje na površinu materijala kako bi brzo isparila ili oljuštila onečišćenja s površine, kako bi se očistila površina materijala. U usporedbi s raznim tradicionalnim fizičkim ili kemijskim metodama čišćenja, lasersko čišćenje ima karakteristike bez kontakta, bez potrošnog materijala, bez zagađenja, visoke preciznosti, bez oštećenja ili malih oštećenja, te je idealan izbor za novu generaciju industrijske tehnologije čišćenja.
Princip rada stroja za lasersko čišćenje
Načelo odstroj za lasersko čišćenjeje složeniji i može uključivati fizičke i kemijske procese. U mnogim slučajevima, fizički procesi su glavni proces, popraćen nekim kemijskim reakcijama. Glavni procesi mogu se klasificirati u tri kategorije, uključujući proces rasplinjavanja, proces udara i proces oscilacije.
Proces rasplinjavanja
Kada se visokoenergetski laser ozrači na površini materijala, površina apsorbira energiju lasera i pretvara je u unutarnju energiju, tako da površinska temperatura brzo raste i doseže iznad temperature isparavanja materijala, tako da onečišćujuće tvari odvojen od površine materijala u obliku pare. Selektivno isparavanje obično se događa kada je stopa apsorpcije laserskog svjetla od strane površinskih kontaminanata znatno veća od one na supstratu. Tipičan slučaj primjene je čišćenje prljavštine na kamenim površinama. Kao što je prikazano na donjoj slici, zagađivači na površini kamena imaju jaku apsorpciju lasera i brzo isparavaju. Kada se zagađivači uklone i laser ozrači površinu kamena, apsorpcija je slaba, više energije lasera se raspršuje površinom kamena, promjena temperature površine kamena je mala, a površina kamena je zaštićena od oštećenja.
Tipičan proces temeljen na kemikalijama događa se kada se laser u ultraljubičastom pojasu koristi za čišćenje organskih onečišćenja, što se naziva laserska ablacija. Ultraljubičasti laseri imaju kratke valne duljine i visoku energiju fotona. Na primjer, KrF excimer laseri imaju valnu duljinu od 248 nm i energiju fotona čak 5 eV, što je 40 puta više od energije fotona CO2 lasera (0,12 eV). Takva visoka energija fotona dovoljna je da uništi molekularne veze organske tvari, tako da se CC, CH, CO, itd. u organskim zagađivačima razbijaju nakon apsorpcije energije fotona lasera, što rezultira rasplinjavanjem pirolizom i uklanjanjem s površine.
Šok proces
Proces šoka je niz reakcija koje se događaju tijekom interakcije između lasera i materijala, a zatim se na površini materijala formira udarni val. Pod djelovanjem udarnog vala, površinska onečišćenja se razbijaju i postaju prašina ili krhotine koje se ljušte s površine. Postoje mnogi mehanizmi koji uzrokuju udarne valove, uključujući plazmu, paru i brzo toplinsko širenje i skupljanje. Koristeći plazma udarne valove kao primjer, moguće je ukratko razumjeti kako šok proces u laserskom čišćenju uklanja površinske kontaminante. S primjenom ultrakratke pulsne širine (ns) i ultravisoke vršne snage (107–1010 W/cm2) lasera, površinska temperatura će i dalje naglo porasti čak i ako površina lagano apsorbira laser, trenutno dostižući temperaturu isparavanja. Gore, para se formira iznad površine materijala, kao što je prikazano u (a) na sljedećoj slici. Temperatura pare može doseći 104 – 105 K, što može ionizirati samu paru ili okolni zrak kako bi se stvorila plazma. Plazma će spriječiti laser da dođe do površine materijala, a isparavanje površine materijala može prestati, ali plazma će nastaviti apsorbirati energiju lasera, a temperatura će nastaviti rasti, stvarajući lokalizirano stanje ultravisoke temperature i visokog tlaka, koji trenutno stvaraju 1-100 kbar na površini materijala. Udar se postupno prenosi na unutrašnjost materijala, kao što je prikazano na slikama (b) i (c) u nastavku. Pod djelovanjem udarnog vala, površinska onečišćenja se razbijaju u sitnu prašinu, čestice ili fragmente. Kada se laser odmakne od mjesta ozračivanja, plazma nestaje i lokalno se stvara negativni tlak, a čestice ili ostaci kontaminanata uklanjaju se s površine, kao što je prikazano na slici (d) u nastavku.
Oscilacijski proces
Pod djelovanjem kratkih impulsa procesi zagrijavanja i hlađenja materijala su izuzetno brzi. Budući da različiti materijali imaju različite koeficijente toplinske ekspanzije, pod zračenjem kratkopulsnog lasera, površinski kontaminanti i supstrat će biti podvrgnuti visokofrekventnom toplinskom širenju i skupljanju različitih stupnjeva, što će rezultirati oscilacijama, uzrokujući ljuštenje kontaminanata s površine materijal. Tijekom ovog procesa eksfolijacije možda neće doći do isparavanja materijala i možda neće doći do stvaranja plazme. Umjesto toga, posmična sila nastala na granici onečišćenja i podloge pod djelovanjem oscilacija uništava vezu između onečišćenja i podloge. . Studije su pokazale da kada se upadni kut lasera malo poveća, kontakt između lasera i kontaminacije česticama i sučelja supstrata može se povećati, prag laserskog čišćenja može se smanjiti, učinak oscilacije je očitiji, a učinkovitost čišćenja je veća. Međutim, upadni kut ne smije biti prevelik. Preveliki upadni kut smanjit će gustoću energije koja djeluje na površinu materijala i oslabiti sposobnost čišćenja lasera.
Primjena laserskih čistača u industriji
Industrija plijesni
Laserski čistač može ostvariti beskontaktno čišćenje kalupa, što je vrlo sigurno za površinu kalupa, može osigurati njegovu točnost i može očistiti submikronske čestice prljavštine koje se ne mogu ukloniti tradicionalnim metodama čišćenja, tako da npr. kako bi se postiglo čišćenje bez zagađenja, učinkovito i visokokvalitetno.
Industrija preciznih instrumenata
Industrija preciznih strojeva često mora ukloniti estere i mineralna ulja koja se koriste za podmazivanje i otpornost na koroziju s dijelova, obično kemijski, a kemijsko čišćenje često ostavlja ostatke. Laserska deesterifikacija može potpuno ukloniti estere i mineralna ulja bez oštećenja površine dijelova. Laser potiče eksplozivno rasplinjavanje tankog oksidnog sloja na površini dijela kako bi se stvorio udarni val, što rezultira uklanjanjem onečišćenja, a ne mehaničkom interakcijom.
Željeznička industrija
Trenutačno, svo čišćenje tračnica prije zavarivanja uključuje čišćenje brusnog kotača i abrazivne trake, što uzrokuje ozbiljna oštećenja podloge i ozbiljno zaostalo naprezanje, te troši puno potrošnog materijala za brusno kolo svake godine, što je skupo i uzrokuje ozbiljne zagađenje okoliša prašinom. Lasersko čišćenje može pružiti visokokvalitetnu i učinkovitu tehnologiju zelenog čišćenja za proizvodnju tračnica za brze željeznice u mojoj zemlji, riješiti gore navedene probleme, eliminirati nedostatke zavarivanja kao što su bešavne rupe na tračnicama i sive mrlje, te poboljšati stabilnost i sigurnost visokogradnje u mojoj zemlji - rad brze željeznice.
Zrakoplovna industrija
Površinu letjelice nakon određenog vremena potrebno je prelakirati, ali prije bojanja potrebno je potpuno ukloniti originalnu staru boju. Kemijsko natapanje/brisanje glavna je metoda skidanja boje u području zrakoplovstva. Ovom metodom nastaje velika količina pomoćnog kemijskog otpada, te je nemoguće postići lokalno održavanje i skidanje boje. Ovaj proces predstavlja veliko opterećenje i štetan je za zdravlje. Lasersko čišćenje omogućuje visokokvalitetno uklanjanje boje s površina letjelice i jednostavno se automatizira za proizvodnju. Trenutačno se tehnologija laserskog čišćenja primjenjuje za održavanje nekih vrhunskih modela.
Brodska industrija
Trenutačno se čišćenje brodova prije proizvodnje uglavnom primjenjuje metodom pjeskarenja. Metoda pjeskarenja uzrokovala je ozbiljno onečišćenje okoliša prašinom i postupno je zabranjena, što je rezultiralo smanjenjem ili čak obustavom proizvodnje od strane proizvođača brodova. Tehnologija laserskog čišćenja pružit će zeleno rješenje za čišćenje bez zagađenja za prskanje brodskih površina od korozije.
Oružje
Tehnologija laserskog čišćenja naširoko se koristi u održavanju oružja. Laserski sustav za čišćenje može učinkovito i brzo ukloniti hrđu i onečišćenja i može odabrati dio za čišćenje kako bi se ostvarila automatizacija čišćenja. Korištenjem laserskog čišćenja, ne samo da je čistoća veća od procesa kemijskog čišćenja, već i nema gotovo nikakve štete na površini predmeta. Postavljanjem različitih parametara, stroj za lasersko čišćenje također može formirati gusti oksidni zaštitni film ili sloj za taljenje metala na površini metalnih predmeta kako bi se poboljšala čvrstoća površine i otpornost na koroziju. Otpad koji uklanja laser u osnovi ne zagađuje okoliš, a može se raditi i na velikim udaljenostima, čime se učinkovito smanjuje šteta po zdravlje operatera.
Vanjski izgled zgrade
Gradi se sve više nebodera, a problem čišćenja vanjskih zidova postaje sve izraženiji. Laserski sustav za čišćenje dobro čisti vanjske zidove zgrada putem optičkih vlakana. Rješenje maksimalne duljine od 70 metara može učinkovito očistiti različite zagađivače na raznim kamenima, metalima i staklu, a njegova učinkovitost je puno veća od one kod klasičnog čišćenja. Također može ukloniti crne mrlje i mrlje s raznih kamenja u zgradama. Test čišćenja sustava laserskog čišćenja na zgradama i kamenim spomenicima pokazuje da lasersko čišćenje ima dobar učinak na zaštitu izgleda starih građevina.
Elektronička industrija
Elektronička industrija koristi lasere za uklanjanje oksida: Elektronička industrija zahtijeva visoko preciznu dekontaminaciju, a laserska deoksidacija je posebno prikladna. Igle komponenti moraju biti temeljito deoksidirane prije lemljenja ploče kako bi se osigurao optimalan električni kontakt, a igle se ne smiju oštetiti tijekom procesa dekontaminacije. Lasersko čišćenje može zadovoljiti zahtjeve korištenja, a učinkovitost je vrlo visoka, a potrebno je samo jedno lasersko zračenje za svaku iglu.
Nuklearna elektrana
Laserski sustavi za čišćenje također se koriste u čišćenju cijevi reaktora u nuklearnim elektranama. Koristi optičko vlakno za uvođenje laserske zrake velike snage u reaktor za izravno uklanjanje radioaktivne prašine, a očišćeni materijal lako se čisti. A budući da se njime upravlja s udaljenosti, sigurnost osoblja može biti zajamčena.
Sažetak
Današnja napredna proizvodna industrija postala je vrh međunarodne konkurencije. Kao napredni sustav u laserskoj proizvodnji, stroj za lasersko čišćenje ima veliki potencijal za primjenu u industrijskom razvoju. Tehnologija laserskog čišćenja koja se snažno razvija ima vrlo važan strateški značaj za gospodarski i društveni razvoj.