Aukštos klasės gamybai, energijos taupymui ir išmetamųjų teršalų mažinimui vis labiau reikia pažangių procesų. Kalbant apie pramoninį paviršių apdorojimą, reikia skubiai atnaujinti technologijas ir procesus. Tradiciniai pramoniniai valymo procesai, tokie kaip mechaninis trinties valymas, cheminis valymas nuo korozijos, stipraus smūgio valymas, aukšto dažnio ultragarsinis valymas, ne tik turi ilgus valymo ciklus, bet ir yra sunkiai automatizuojami, daro žalingą poveikį aplinkai ir nepasiekia norimo valymo efekto. Jie negali gerai patenkinti smulkaus apdorojimo poreikių.
Tačiau dėl vis ryškėjančių prieštaravimų tarp aplinkos apsaugos, didelio efektyvumo ir didelio tikslumo tradiciniai pramoniniai valymo metodai susiduria su dideliais iššūkiais. Tuo pačiu metu atsirado įvairių valymo technologijų, kurios yra palankios aplinkai ir tinka ultraapdailos srities detalėms, ir lazerinio valymo technologija yra viena iš jų.
Lazerinio valymo koncepcija
Lazerinis valymas – tai technologija, kurios metu fokusuotas lazeris veikia medžiagos paviršių ir greitai išgarina arba pašalina nuo paviršiaus esančius teršalus, taip nuvalydamas medžiagos paviršių. Palyginti su įvairiais tradiciniais fizikiniais ar cheminiais valymo metodais, lazerinis valymas pasižymi tuo, kad nėra sąlyčio, nėra eksploatacinių medžiagų, nėra taršos, yra labai tikslus, nepadaro žalos ar smulkių pažeidimų, todėl tai idealus pasirinkimas naujos kartos pramoninio valymo technologijoms.
Lazerinio valymo mašinos veikimo principas
Principas lazerio valymo mašina yra sudėtingesnis ir gali apimti tiek fizikinius, tiek cheminius procesus. Daugeliu atvejų fizikiniai procesai yra pagrindinis procesas, lydimas kai kurių cheminių reakcijų. Pagrindinius procesus galima suskirstyti į 3 kategorijas: dujofikacijos procesą, smūginį procesą ir osciliacijos procesą.
Dujinimo procesas
Kai medžiagos paviršius apšvitinamas didelės energijos lazeriu, paviršius sugeria lazerio energiją ir paverčia ją vidine energija, todėl paviršiaus temperatūra greitai pakyla ir pasiekia aukštesnę nei medžiagos garavimo temperatūra, todėl teršalai nuo medžiagos paviršiaus atsiskiria garų pavidalu. Selektyvus garinimas paprastai įvyksta, kai lazerio šviesos sugerties greitis paviršiaus teršaluose yra žymiai didesnis nei pagrindo. Tipiškas taikymo atvejis yra nešvarumų valymas nuo akmens paviršių. Kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, teršalai akmens paviršiuje stipriai sugeria lazerio šviesą ir greitai išgaruoja. Kai teršalai pašalinami ir lazeris apšvitinamas akmens paviršiumi, absorbcija yra silpna, daugiau lazerio energijos išsklaido akmens paviršius, akmens paviršiaus temperatūros pokytis yra mažas, o akmens paviršius yra apsaugotas nuo pažeidimų.
Tipiškas cheminis procesas vyksta, kai ultravioletinių spindulių juostos lazeriu valomi organiniai teršalai, tai vadinama lazerine abliacija. Ultravioletiniai lazeriai turi trumpus bangos ilgius ir didelę fotonų energiją. Pavyzdžiui, KrF eksimerinių lazerių bangos ilgis yra 248 nm, o fotonų energija siekia net 5 eV, tai yra 40 kartų daugiau nei... CO2 Lazerio fotonų energija (0.12 eV). Tokios didelės fotonų energijos pakanka organinių medžiagų molekuliniams ryšiams suardyti, todėl organiniuose teršaluose esantys CC, CHXNUMX, COir kt., absorbavę lazerio fotonų energiją, nutrūksta, dėl to vyksta pirolizės dujofikacija ir pašalinimas nuo paviršiaus.
Šoko procesas
Smūginis procesas – tai reakcijų serija, vykstanti lazerio ir medžiagos sąveikos metu, po kurios medžiagos paviršiuje susidaro smūginė banga. Smūginės bangos veikimo metu paviršiaus teršalai susmulkinami ir virsta dulkėmis arba šiukšlėmis, kurios nulupamos nuo paviršiaus. Yra daug mechanizmų, sukeliančių smūgines bangas, įskaitant plazmą, garus ir greitą šiluminį plėtimąsi bei susitraukimą. Naudojant plazmos smūgines bangas kaip pavyzdį, galima trumpai suprasti, kaip lazerinio valymo smūginis procesas pašalina paviršiaus teršalus. Taikant itin trumpo impulso pločio (ns) ir itin didelės maksimalios galios (107–1010 W/cm2) lazerius, paviršiaus temperatūra vis tiek staigiai pakils, net jei paviršius lengvai sugers lazerį, akimirksniu pasiekdama garavimo temperatūrą. Aukščiau, virš medžiagos paviršiaus susidarė garai, kaip parodyta (a) paveikslėlyje toliau. Garų temperatūra gali siekti 104–105 K, kurie gali jonizuoti pačius garus arba aplinkinį orą ir sudaryti plazmą. Plazma neleis lazeriui pasiekti medžiagos paviršiaus, ir medžiagos paviršiaus garavimas gali sustoti, tačiau plazma toliau sugers lazerio energiją, o temperatūra toliau kils, susidarant lokalizuotai itin aukštos temperatūros ir aukšto slėgio būsenai, kuri akimirksniu sukuria 1–100 kbar slėgį medžiagos paviršiuje. Smūgis palaipsniui perduodamas į medžiagos vidų, kaip parodyta (b) ir (c) paveiksluose žemiau. Veikiant smūginei bangai, paviršiaus teršalai susmulkinami į smulkias dulkes, daleles ar fragmentus. Kai lazeris perkeliamas iš apšvitinimo pozicijos, plazma išnyksta ir lokaliai susidaro neigiamas slėgis, o teršalų dalelės ar nuolaužos pašalinamos iš paviršiaus, kaip parodyta (d) paveiksle žemiau.
Osciliacijos procesas
Veikiant trumpais impulsais, medžiagos kaitinimo ir aušinimo procesai yra itin greiti. Kadangi skirtingos medžiagos turi skirtingus šiluminio plėtimosi koeficientus, apšvitinant trumpų impulsų lazeriu, paviršiaus teršalai ir substratas patiria skirtingo laipsnio aukšto dažnio šiluminį plėtimąsi ir susitraukimą, dėl ko atsiranda virpesiai, dėl kurių teršalai nulupami nuo medžiagos paviršiaus. Šio šveitimo proceso metu medžiaga gali neišgaruoti ir nesusidaryti plazma. Vietoj to, virpesių veikiama teršalo ir substrato sąsajoje susidariusi šlyties jėga sunaikina ryšį tarp teršalo ir substrato. Tyrimai parodė, kad šiek tiek padidinus lazerio kritimo kampą, galima padidinti lazerio, užterštų dalelių ir substrato sąsajos sąlytį, sumažinti lazerio valymo slenkstį, labiau pastebimas virpesių efektas ir didesnis valymo efektyvumas. Tačiau kritimo kampas neturėtų būti per didelis. Per didelis kritimo kampas sumažins medžiagos paviršių veikiančio energijos tankį ir susilpnins lazerio valymo galimybes.
Lazerinių valiklių pramoninis pritaikymas
Liejimo pramonė
Lazerinis valiklis gali atlikti bekontakčio pelėsio valymą, kuris yra labai saugus pelėsio paviršiui, užtikrina jo tikslumą ir gali išvalyti submikronines nešvarumų daleles, kurių negalima pašalinti tradiciniais valymo metodais, kad būtų pasiektas tikrai be taršos, efektyvus ir aukštos kokybės valymas.
Tiksliųjų prietaisų pramonė
Tiksliųjų mašinų pramonėje dažnai reikia pašalinti esterius ir mineralines alyvas, naudojamas tepimui ir atsparumui korozijai, iš detalių, dažniausiai cheminiu būdu, o cheminis valymas dažnai palieka likučių. Lazerinis deesterifikavimas gali visiškai pašalinti esterius ir mineralines alyvas nepažeidžiant detalių paviršiaus. Lazeris skatina sprogstamąjį plono oksido sluoksnio, esančio detalės paviršiuje, dujofikavimą, sukurdamas smūginę bangą, dėl kurios pašalinami teršalai, o ne mechaninė sąveika.
Geležinkelių pramonė
Šiuo metu prieš suvirinimą bėgiai valomi šlifavimo diskais ir abrazyviniais diržais, kurie daro didelę žalą pagrindui ir sukuria didelį liekamąjį įtempį, be to, kasmet sunaudojama daug šlifavimo diskų eksploatacinių medžiagų, kurios yra brangios ir smarkiai teršia aplinką dulkėmis. Lazerinis valymas gali užtikrinti aukštos kokybės ir efektyvią ekologišką valymo technologiją greitųjų geležinkelių bėgių tiesimo gamybai šalyje, išspręsti minėtas problemas, pašalinti suvirinimo defektus, tokius kaip besiūlės bėgių skylės ir pilkos dėmės, bei pagerinti greitųjų geležinkelių eksploatavimo stabilumą ir saugumą šalyje.
Aviacijos pramonė
Orlaivio paviršių reikia perdažyti po tam tikro laiko, tačiau prieš dažymą reikia visiškai pašalinti senus dažus. Cheminis mirkymas/valymas yra pagrindinis dažų šalinimo metodas aviacijos srityje. Taikant šį metodą susidaro didelis kiekis cheminių pagalbinių atliekų, todėl neįmanoma atlikti vietinės priežiūros ir pašalinti dažų. Šis procesas yra labai darbo krūvis ir kenksmingas sveikatai. Lazerinis valymas leidžia kokybiškai pašalinti dažus nuo orlaivio paviršiaus ir yra lengvai automatizuojamas gamybai. Šiuo metu lazerinio valymo technologija taikoma kai kurių aukščiausios klasės modelių priežiūrai.
Laivų pramonė
Šiuo metu laivų valymas prieš gamybą daugiausia atliekamas smėliasrove. Smėliasrove smarkiai užteršia aplinką dulkėmis ir yra palaipsniui uždrausta, todėl laivų gamintojai sumažino arba net sustabdė gamybą. Lazerinio valymo technologija suteiks ekologišką ir neteršiantį valymo sprendimą, skirtą laivų paviršių antikoroziniam purškimui.
Ginklas
Lazerinio valymo technologija buvo plačiai naudojama ginklų priežiūroje. Lazerinio valymo sistema gali pašalinti rūdis ir teršalus efektyviai ir greitai, ir gali pasirinkti valymo dalį, kad būtų galima automatizuoti valymą. Naudojant lazerinį valymą, ne tik švara yra aukštesnė nei cheminio valymo proceso, bet ir beveik nepažeidžiamas objekto paviršius. Nustatant skirtingus parametrus, lazerinio valymo mašina taip pat gali suformuoti tankią oksido apsauginę plėvelę arba metalo lydymo sluoksnį ant metalinių objektų paviršiaus, kad pagerintų paviršiaus stiprumą ir atsparumą korozijai. Lazerio pašalintos atliekos iš esmės neteršia aplinkos, be to, ją galima valdyti dideliu atstumu, o tai veiksmingai sumažina operatoriaus sveikatos žalą.
Pastato išorė
Statoma vis daugiau dangoraižių, o pastatų išorinių sienų valymo problema tampa vis aktualesnė. Lazerinė valymo sistema gerai valo pastatų išorines sienas per optinius pluoštus. Maksimalus 70 metrų ilgio sprendimas gali efektyviai išvalyti įvairius teršalus nuo įvairių akmenų, metalų ir stiklo, o jo efektyvumas yra daug didesnis nei įprasto valymo. Jis taip pat gali pašalinti juodas dėmes ir dėmes nuo įvairių akmenų pastatuose. Lazerinės valymo sistemos valymo bandymai ant pastatų ir akmens paminklų rodo, kad lazerinis valymas gerai veikia senovinių pastatų išvaizdą.
Elektronikos pramonė
Elektronikos pramonėje oksidams šalinti naudojami lazeriai: elektronikos pramonei reikalingas didelio tikslumo dezaktyvavimas, todėl lazerinis deoksidavimas tam ypač tinka. Prieš lituojant plokštę, komponentų kaiščiai turi būti kruopščiai deoksiduoti, kad būtų užtikrintas optimalus elektrinis kontaktas, o kaiščiai dezaktyvavimo proceso metu neturi būti pažeisti. Lazerinis valymas gali atitikti naudojimo reikalavimus, o efektyvumas yra labai didelis, ir kiekvienai adatai reikia tik vieno lazerio spinduliavimo.
Atominė jėgainė
Lazerinio valymo sistemos taip pat naudojamos atominių elektrinių reaktorių vamzdžių valymui. Jose naudojamas optinis pluoštas, skirtas didelės galios lazerio spinduliui į reaktorių įvesti, kad būtų tiesiogiai pašalintos radioaktyviosios dulkės, o išvalytą medžiagą lengva valyti. Kadangi sistema valdoma per atstumą, galima užtikrinti darbuotojų saugumą.
Santrauka
Šiandieninė pažangi gamybos pramonė tapo tarptautinės konkurencijos lydere. Lazerinio valymo mašina, kaip pažangi lazerinės gamybos sistema, turi didelį pritaikymo potencialą pramonės plėtrai. Energingai besivystanti lazerinio valymo technologija turi labai svarbią strateginę reikšmę ekonominei ir socialinei plėtrai.
