Für die Fertigung von High-End-Produkten sowie für Energieeinsparung und Emissionsreduzierung wird der Bedarf an fortschrittlichen Verfahren immer dringender. Im Hinblick auf die industrielle Oberflächenbehandlung besteht dringender Bedarf an einer umfassenden Modernisierung von Technologie und Verfahren. Herkömmliche industrielle Reinigungsverfahren wie mechanische Reibungsreinigung, chemische Korrosionsreinigung, starke Aufprallreinigung und Hochfrequenz-Ultraschallreinigung haben nicht nur lange Reinigungszyklen, sondern sind auch schwer zu automatisieren, haben schädliche Auswirkungen auf die Umwelt und erzielen nicht den gewünschten Reinigungseffekt. Sie können den Anforderungen der Feinverarbeitung nicht gut gerecht werden.
Angesichts der immer deutlicher werdenden Widersprüche zwischen Umweltschutz, hoher Effizienz und hoher Präzision werden herkömmliche industrielle Reinigungsmethoden jedoch stark in Frage gestellt. Gleichzeitig sind verschiedene Reinigungstechnologien entstanden, die den Umweltschutz fördern und für Teile im Bereich der Ultra-Finishing geeignet sind, und die Laserreinigungstechnologie ist eine davon.
Laserreinigungskonzept
Bei der Laserreinigung handelt es sich um eine Technologie, bei der ein fokussierter Laser auf die Oberfläche eines Materials einwirkt, um die Verunreinigungen auf der Oberfläche schnell zu verdampfen oder abzulösen und so die Oberfläche des Materials zu reinigen. Im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen physikalischen oder chemischen Reinigungsmethoden zeichnet sich die Laserreinigung durch berührungslosen Betrieb, keine Verbrauchsmaterialien, keine Verschmutzung, hohe Präzision, keine oder nur geringe Beschädigungen aus und ist eine ideale Wahl für eine neue Generation industrieller Reinigungstechnologie.
Funktionsprinzip der Laserreinigungsmaschine
Das Prinzip von Laser-Reinigungsmaschine ist komplizierter und kann sowohl physikalische als auch chemische Prozesse umfassen. In vielen Fällen sind physikalische Prozesse der Hauptprozess, begleitet von einigen chemischen Reaktionen. Die Hauptprozesse können in drei Kategorien eingeteilt werden, darunter Vergasungsprozess, Schockprozess und Schwingungsprozess.
Vergasungsprozess
Wenn ein Hochenergielaser auf eine Materialoberfläche gerichtet wird, absorbiert die Oberfläche die Laserenergie und wandelt sie in innere Energie um, wodurch die Oberflächentemperatur schnell ansteigt und die Verdampfungstemperatur des Materials übersteigt. Dadurch werden die Schadstoffe in Form von Dampf von der Materialoberfläche abgetrennt. Selektive Verdampfung tritt normalerweise auf, wenn die Absorptionsrate des Laserlichts durch Oberflächenverunreinigungen deutlich höher ist als die des Substrats. Ein typischer Anwendungsfall ist das Entfernen von Schmutz auf Steinoberflächen. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, absorbieren die Schadstoffe auf der Steinoberfläche den Laser stark und verdampfen schnell. Wenn die Schadstoffe entfernt sind und der Laser auf die Steinoberfläche gerichtet wird, ist die Absorption schwach, mehr Laserenergie wird von der Steinoberfläche gestreut, die Temperaturänderung der Steinoberfläche ist gering und die Steinoberfläche wird vor Beschädigungen geschützt.
Ein typischer chemischer Prozess findet statt, wenn ein Laser im Ultraviolettband verwendet wird, um organische Verunreinigungen zu entfernen. Dies wird als Laserablation bezeichnet. Ultraviolette Laser haben kurze Wellenlängen und eine hohe Photonenenergie. KrF-Excimerlaser haben beispielsweise eine Wellenlänge von 248 nm und eine Photonenenergie von bis zu 5 eV, was 40-mal höher ist als CO2 Laserphotonenenergie (0.12 eV). Eine so hohe Photonenenergie reicht aus, um die Molekülbindungen organischer Stoffe zu zerstören, sodass CC, CH, CO usw. in organischen Schadstoffen nach Absorption der Photonenenergie des Lasers aufgebrochen werden, was zu einer Pyrolysevergasung und Entfernung von der Oberfläche führt.
Schockprozess
Der Schockprozess ist eine Reihe von Reaktionen, die während der Interaktion zwischen dem Laser und dem Material auftreten, und dann wird eine Stoßwelle auf der Oberfläche des Materials gebildet. Unter der Einwirkung der Stoßwelle werden die Oberflächenverunreinigungen aufgebrochen und werden zu Staub oder Schmutz, der von der Oberfläche abgelöst wird. Es gibt viele Mechanismen, die Stoßwellen verursachen, darunter Plasma, Dampf und schnelle thermische Ausdehnung und Kontraktion. Am Beispiel von Plasmastoßwellen kann man kurz verstehen, wie der Schockprozess bei der Laserreinigung Oberflächenverunreinigungen entfernt. Bei der Anwendung von Lasern mit ultrakurzer Pulsbreite (ns) und ultrahoher Spitzenleistung (107–1010 W/cm2) steigt die Oberflächentemperatur auch dann noch stark an, wenn die Oberfläche den Laser leicht absorbiert, und erreicht sofort die Verdampfungstemperatur. Darüber bildet sich der Dampf über der Oberfläche des Materials, wie in (a) in der folgenden Abbildung gezeigt. Die Temperatur des Dampfes kann 104 - 105 K erreichen, was den Dampf selbst oder die umgebende Luft ionisieren kann, um ein Plasma zu bilden. Das Plasma hindert den Laser daran, die Materialoberfläche zu erreichen, und die Verdampfung der Materialoberfläche stoppt möglicherweise, aber das Plasma absorbiert weiterhin die Laserenergie und die Temperatur steigt weiter an, wodurch ein lokaler Zustand ultrahoher Temperatur und hohen Drucks entsteht, der augenblicklich 1–100 kbar auf der Materialoberfläche erzeugt. Der Aufprall wird allmählich in das Innere des Materials übertragen, wie in Abbildung (b) und (c) unten gezeigt. Unter der Einwirkung der Stoßwelle werden die Oberflächenverunreinigungen in winzigen Staub, Partikel oder Fragmente zerkleinert. Wenn der Laser von der Bestrahlungsposition wegbewegt wird, verschwindet das Plasma und es wird lokal ein Unterdruck erzeugt und die Partikel oder Trümmer der Verunreinigungen werden von der Oberfläche entfernt, wie in Abbildung (d) unten gezeigt.
Schwingungsprozess
Unter Einwirkung von Kurzimpulsen laufen die Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse des Materials extrem schnell ab. Da verschiedene Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, erfahren die Oberflächenverunreinigungen und das Substrat unter der Bestrahlung mit Kurzimpulslasern eine hochfrequente thermische Ausdehnung und Kontraktion in unterschiedlichem Ausmaß, was zu Schwingungen führt, wodurch die Verunreinigungen von der Oberfläche des Materials abgelöst werden. Während dieses Ablösungsprozesses kann es zu keiner Verdampfung des Materials kommen und es kann kein Plasma erzeugt werden. Stattdessen zerstört die Scherkraft, die unter Einwirkung der Schwingungen an der Schnittstelle zwischen der Verunreinigung und dem Substrat entsteht, die Bindung zwischen der Verunreinigung und dem Substrat. Studien haben gezeigt, dass bei einer leichten Vergrößerung des Einfallswinkels des Lasers der Kontakt zwischen dem Laser und der Partikelverunreinigung und der Substratschnittstelle erhöht werden kann, die Schwelle der Laserreinigung verringert werden kann, der Schwingungseffekt deutlicher wird und die Reinigungseffizienz höher ist. Der Einfallswinkel sollte jedoch nicht zu groß sein. Ein zu großer Einfallswinkel verringert die auf die Oberfläche des Materials wirkende Energiedichte und schwächt die Reinigungsfähigkeit des Lasers.
Industrielle Anwendungen von Laserreinigern
Formenbau
Mit dem Laserreiniger ist eine berührungslose Reinigung der Form möglich, die sehr sicher für die Oberfläche der Form ist, ihre Genauigkeit gewährleistet und submikronische Schmutzpartikel entfernt, die mit herkömmlichen Reinigungsmethoden nicht entfernt werden können. So wird eine wirklich umweltfreundliche, effiziente und qualitativ hochwertige Reinigung erreicht.
Präzisionsinstrumentenindustrie
In der Präzisionsmaschinenindustrie müssen Ester und Mineralöle, die zur Schmierung und Korrosionsbeständigkeit dienen, häufig chemisch von Teilen entfernt werden. Bei der chemischen Reinigung bleiben häufig Rückstände zurück. Durch die Laserentesterung können Ester und Mineralöle vollständig entfernt werden, ohne die Oberfläche der Teile zu beschädigen. Der Laser fördert die explosionsartige Vergasung der dünnen Oxidschicht auf der Oberfläche des Teils, wodurch eine Stoßwelle entsteht, die zur Entfernung von Verunreinigungen und nicht zu mechanischer Interaktion führt.
Bahnindustrie
Derzeit werden bei der Reinigung von Schienen vor dem Schweißen Schleifscheiben und Schleifbänder verwendet, was zu schweren Schäden am Untergrund und starken Eigenspannungen führt und jedes Jahr viele Schleifscheiben-Verbrauchsmaterialien verbraucht, was kostspielig ist und eine starke Staubbelastung der Umwelt verursacht. Die Laserreinigung kann eine hochwertige und effiziente umweltfreundliche Reinigungstechnologie für die Produktion des Hochgeschwindigkeitsbahnbaus in meinem Land bieten, die oben genannten Probleme lösen, Schweißfehler wie nahtlose Schienenlöcher und graue Flecken beseitigen und die Stabilität und Sicherheit des Hochgeschwindigkeitsbahnbetriebs in meinem Land verbessern.
Luftfahrtindustrie
Die Oberfläche des Flugzeugs muss nach einer bestimmten Zeit neu lackiert werden, aber die ursprüngliche alte Farbe muss vor dem Lackieren vollständig entfernt werden. Chemisches Einweichen/Abwischen ist die gängigste Methode zum Entfernen von Farbe in der Luftfahrt. Bei dieser Methode entsteht eine große Menge an chemischen Hilfsabfällen, und eine lokale Wartung und Entfernung der Farbe ist nicht möglich. Dieser Vorgang ist arbeitsintensiv und gesundheitsschädlich. Die Laserreinigung ermöglicht eine qualitativ hochwertige Entfernung von Farbe auf Flugzeugaußenflächen und lässt sich für die Produktion leicht automatisieren. Derzeit wird die Laserreinigungstechnologie bei der Wartung einiger High-End-Modelle eingesetzt.
Schiffsindustrie
Derzeit wird bei der Reinigung von Schiffen vor der Produktion hauptsächlich das Sandstrahlverfahren eingesetzt. Das Sandstrahlverfahren hat zu einer erheblichen Staubbelastung der Umgebung geführt und wurde nach und nach verboten, was zu einer Reduzierung oder sogar Einstellung der Produktion durch Schiffshersteller führte. Die Laserreinigungstechnologie wird eine umweltfreundliche und schadstofffreie Reinigungslösung für das Korrosionsschutzsprühen auf Schiffsoberflächen bieten.
Waffen
Laserreinigungstechnologie wird häufig bei der Waffenwartung eingesetzt. Das Laserreinigungssystem kann Rost entfernen und Verunreinigungen effizient und schnell entfernen und den Reinigungsteil auswählen, um die Automatisierung der Reinigung zu realisieren. Bei der Laserreinigung ist nicht nur die Sauberkeit höher als beim chemischen Reinigungsprozess, sondern es kommt auch zu nahezu keiner Beschädigung der Objektoberfläche. Durch Einstellen verschiedener Parameter kann die Laserreinigungsmaschine auch einen dichten Oxidschutzfilm oder eine Metallschmelzschicht auf der Oberfläche von Metallobjekten bilden, um die Oberflächenfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Der vom Laser entfernte Abfall verschmutzt die Umwelt grundsätzlich nicht und kann auch über große Entfernungen betrieben werden, was die Gesundheitsschäden des Bedieners wirksam verringert.
Gebäude außen
Es werden immer mehr Wolkenkratzer gebaut, und das Problem der Reinigung der Außenwände von Gebäuden wird immer wichtiger. Das Laserreinigungssystem reinigt die Außenwände von Gebäuden gut durch optische Fasern. Die Lösung mit einer maximalen Länge von 70 Metern kann verschiedene Schadstoffe auf verschiedenen Steinen, Metallen und Glas effektiv reinigen, und ihre Effizienz ist viel höher als die der herkömmlichen Reinigung. Sie kann auch schwarze Flecken und Verfärbungen von verschiedenen Steinen in Gebäuden entfernen. Der Reinigungstest des Laserreinigungssystems an den Gebäuden und Steindenkmälern zeigt, dass die Laserreinigung eine gute Wirkung auf den Schutz des Erscheinungsbilds alter Gebäude hat.
Elektronik-Industrie
Die Elektronikindustrie verwendet Laser zum Entfernen von Oxiden: Die Elektronikindustrie erfordert eine hochpräzise Dekontamination, und die Laserdesoxidation ist besonders geeignet. Die Bauteilstifte müssen vor dem Löten der Platine gründlich desoxidiert werden, um einen optimalen elektrischen Kontakt zu gewährleisten, und die Stifte dürfen während des Dekontaminationsprozesses nicht beschädigt werden. Die Laserreinigung kann die Anforderungen der Verwendung erfüllen, und die Effizienz ist sehr hoch, und für jede Nadel ist nur eine Laserbestrahlung erforderlich.
Kernkraftwerk
Laserreinigungssysteme werden auch bei der Reinigung von Reaktorrohren in Kernkraftwerken eingesetzt. Dabei wird ein Hochleistungslaserstrahl über eine Glasfaser in den Reaktor geleitet, um radioaktiven Staub direkt zu entfernen. Das gereinigte Material lässt sich leicht reinigen. Und da das System aus der Ferne bedient wird, ist die Sicherheit des Personals gewährleistet.
Zusammenfassung
Die moderne Fertigungsindustrie ist heute die führende Größe im internationalen Wettbewerb. Als fortschrittliches System in der Laserfertigung hat die Laserreinigungsmaschine ein großes Potenzial für den Anwendungswert in der industriellen Entwicklung. Die energische Entwicklung der Laserreinigungstechnologie hat eine sehr wichtige strategische Bedeutung für die wirtschaftliche und soziale Entwicklung.
