1. Sfondo dell'applicazione
Nell'industria e in altri campi, i metodi di pulizia tradizionali come la pulizia chimica e la macinazione meccanica hanno dominato a lungo. È probabile che la pulizia chimica generi una grande quantità di liquidi per rifiuti chimici, causando inquinamento ambientale e vi è anche un rischio di corrosione per alcuni componenti di precisione. Sebbene la macinazione meccanica possa rimuovere lo sporco della superficie, è facile danneggiare il materiale di base. Ha uno scarso effetto quando si tratta di componenti di forme complesse e produrrà anche inquinamento della polvere, rappresentando una minaccia per la salute degli operatori. Inoltre, è difficile soddisfare i requisiti della pulizia ad alta precisione.
Con il rapido sviluppo di industrie manifatturiere di fascia alta come aerospaziale, transito ferroviario e navi marine, i requisiti per la pulizia dei componenti stanno diventando sempre più rigorosi. Componenti di grandi dimensioni e complessi, come interni per motori aeronautici, corpi di auto ferroviari ad alta velocità e coperture di tratteggio delle navi, la loro qualità superficiale influisce direttamente sulle prestazioni del prodotto e sulla durata. Questi componenti non sono solo grandi dimensioni e di forma complessa, ma hanno anche requisiti estremamente elevati per la pulizia, l'efficienza e l'integrità della superficie. I metodi di pulizia tradizionali non possono più soddisfare le esigenze di sviluppo delle moderne industrie manifatturiere.
Sullo sfondo della crescente consapevolezza globale della protezione ambientale, l'industria manifatturiera deve affrontare la pressione di ridurre le emissioni di inquinamento e il consumo di risorse. Come tecnologia di pulizia verde, la tecnologia di pulizia laser presenta vantaggi come l'inquinamento chimico, il basso consumo di energia e la pulizia senza contatto. Può risolvere efficacemente i problemi ambientali causati dai metodi di pulizia tradizionali, conformi alla strategia di sviluppo sostenibile e la domanda di applicazione in vari campi sta diventando sempre più urgente.
2. Tecnologia di pulizia laser: Meccanismo
Pulizia laserè una tecnologia che utilizza un raggio laser con una densità ad alta energia per interagire con la superficie di un materiale. Ciò fa sì che lo sporco, i rivestimenti, ecc. Si staccano o si decompone dalla superficie del substrato, raggiungendo così lo scopo della pulizia.
Il processo di pulizia laser coinvolge molteplici meccanismi fisici, come ablazione termica, vibrazione dello stress, espansione termica, evaporazione, esplosione di fase, pressione di evaporazione e shock al plasma. Questi meccanismi lavorano insieme per separare l'oggetto da pulire dal substrato, raggiungendo l'effetto di pulizia.
Secondo i diversi media di pulizia, la pulizia laser può essere divisa in lavaggio a secco laser, pulizia laser bagnata e pulizia delle onde d'urto laser.
Riscollazione a secco laser
La lavaggio a secco laser è attualmente il metodo di pulizia laser più utilizzato. Utilizza un raggio laser per irradiare direttamente la superficie del substrato, facendo subire l'espansione termica del substrato per superare la forza di van der Waals, rimuovendo così lo sporco.
Intensità laser:Il cambiamento nella densità di energia laser influisce significativamente sull'effetto di pulizia. A basse intensità di energia, l'evaporazione e l'esplosione di fase sono i processi principali. A densità ad alta energia, anche la pressione di evaporazione e gli effetti degli shock entrano in gioco e l'energia ultra alta può portare a problemi come la generazione di plasma. Di solito, la pulizia viene eseguita a una densità di energia relativamente bassa per proteggere il substrato.
Lunghezza d'onda laser:La lunghezza d'onda è correlata all'accoppiamento energetico del materiale. A brevi lunghezze d'onda, l'ablazione fotochimica è dominante, mentre a lunghe lunghezze d'onda, l'ablazione fototermica è dominante. Inoltre, la lunghezza d'onda influenza la forza e la distribuzione della temperatura tra le particelle e il substrato, influenzando così la forza di pulizia e l'efficienza. L'impatto della lunghezza d'onda varia anche per diverse attività di pulizia.
Larghezza del polso:I meccanismi di pulizia di impulsi corti e lunghi sono diversi. Long: gli impulsi hanno un forte effetto di ablazione ma scarsa selettività, mentre gli impulsi corti possono generare alte temperature e onde d'urto per rimuovere i contaminanti con meno danni. Nel caso di larghezze di impulsi ultra brevi, il meccanismo di "ablazione" è al lavoro.
Angolo di incidenza:Quando il laser è irradiato verticalmente, le particelle di contaminanti possono bloccare il laser. L'irradiazione obliqua può migliorare l'efficienza di pulizia.
Meccanismo di lavaggio a secco laser e influenza dei parametri chiave sull'effetto di pulizia: a) meccanismo b) lunghezza d'onda c) larghezza dell'impulso d) angolo di incidenza e) incidenza anteriore/posteriore
Pulizia laser bagnata
Si ottiene attraverso l'assistenza di un film liquido. Un film liquido è pre-colto sulla superficie del pezzo da pulire. Quando il laser irradia direttamente, il liquido si riscalda rapidamente, generando una forte forza di impatto, rimuovendo così i contaminanti sulla superficie del substrato.
Meccanismo di pulizia laser bagnata
Pulizia di onde d'urto laser
La tecnologia di pulizia delle onde d'urto laser è divisa in due categorie: shock laser a secco-pulizia delle onde e pulizia ibrida a onda d'urto laser.
Durante la pulizia dell'onda d'urto laser secca, il laser è focalizzato per generare un plasma che ha un impatto sulle particelle. Ciò può evitare danni causati dall'irradiazione diretta, ma potrebbero esserci punti ciechi. Può essere migliorato modificando l'angolo incidente o usando la pulizia a doppia fascia.
La pulizia ibrida a onda di shock laser include metodi come vapore, sott'acqua e shock laser a umido. Utilizza gli effetti rilevanti dei liquidi per rimuovere lo sporco. È correlato a caratteristiche come la densità liquida e ha una vasta gamma di applicazioni con ovvi vantaggi.
Meccanismo della pulizia dell'onda d'urto laser: a) pulizia a onda di shock laser secca B) pulizia a onda di shock a secco migliorata B1) Laser a fascio singolo B2) Laser a doppio raggio C) Pulizia dell'onda di umorago a bassa shock bagnata.
3. Aerospace: film di ossido sul condotto di assunzione in lega di titanio
Ha un effetto notevole per pulire il film di ossido sulla superficie del condotto di assunzione in lega di titanio usando laser a impulsi nanosecondi. La sua caratteristica a basso effetto termico può impedire al substrato di ossidazione secondaria, che è un metodo di pulizia migliore.
Meccanismo di lavaggio a secco:
Il meccanismo principale è l'ablazione laser. Quando l'energia laser agisce sul film di ossido, la superficie assorbe una grande quantità di energia. A seconda dell'energia, il meccanismo di ablazione cambia e si formano varie strutture morfologiche sulla superficie.
Quando l'energia è bassa, parte del film di ossido viene rimossa, con una piccola quantità di area ricordata; Quando l'energia è moderata, il film di ossido viene rimosso e il danno è trascurabile; Quando l'energia è troppo alta, sebbene il film di ossido possa essere rimosso, causerà grandi danni al substrato e una struttura increspata si forma sulla superficie.
Meccanismo di pulizia a umido:
A una minore densità di energia, il meccanismo di pulizia è un'onda d'urto indotta dal laser. A una maggiore densità di energia, è principalmente l'ablazione laser ed esplosione di fase. Durante il processo di pulizia, la lega di titanio viene rapidamente raffreddata e riscaldata per formare la lega di titanio martensitica. Quando la densità di energia aumenta a un certo valore, la superficie diventa una superficie di sporgenza nano-strutturata e questa nano-struttura è di grande significato per la successiva applicazione di materiali in lega di titanio.
L'effetto di pulizia laser e il meccanismo del film di ossido sulla superficie del condotto di assunzione della lega di titanio aerospaziale: A) Morfologia superficiale della lega di titanio dopo la pulizia B) Meccanismo principale della pulizia a secco laser del film di ossido in lega di titanio C) Meccanismo principale del meccanismo di pulizia del titanio in legno in leone.
4. Rinaccia ad alta velocità: vernice su carrozzeria in lega di alluminio
Spessore di vernice e metodo di pulizia:
Per la pulizia della vernice su corpi di auto in lega di alluminio ad alta velocità, diversi colori e spessori di vernice richiedono diversi metodi di pulizia laser adatti.
Cleaning laser in fibra da 3000 W CW
Vernice sottile (spessore inferiore o uguale a 40μm): è meglio scegliere una sorgente di luce laser con una velocità di assorbimento di vernice inferiore e rimuoverla attraverso la vibrazione termica;
Vernice spessa: è necessario scegliere una sorgente di luce laser con una velocità di assorbimento della vernice più elevata e rimuoverla usando il meccanismo di ablazione.
Stripping di vernice rossa:
Il principale meccanismo di stripping per la vernice rossa è il meccanismo di vibrazione.
Durante il processo di pulizia, l'energia laser penetra nel substrato e la sollecitazione termica generata dall'aumento della temperatura del substrato provoca la caduta della vernice e l'intero strato di vernice può essere rimosso, con la vernice residua sulla superficie della lega di alluminio che mostra una morfologia a rete sciolta.
Rimozione della vernice blu:
Sotto lo stesso ingresso di energia laser, la temperatura della vernice blu è superiore a quella della vernice rossa, ma lo stress termico del substrato è inferiore a quello della vernice rossa. Quando la temperatura della vernice raggiunge il punto di ebollizione, la vernice viene rimossa per evaporazione e ci sono anche meccanismi accoppiati come cracking, bruciore e shock al plasma.
Effetto di pulizia laser e meccanismo di vernice sulla superficie del corpo in lega di alluminio in alluminio ad alta velocità: A) Morfologia superficiale della lega di alluminio dopo la pulizia b) Meccanismo principale della lavaggio a secco laser di vernice blu/rossa sulla superficie della lega di alluminio.
5. Ships: ruggine sulla superficie degli scafi della nave in acciaio ad alta resistenza
Pulizia di rimozione della ruggine secca
Nel processo di pulizia di rimozione della ruggine secca per scafi di navi in acciaio ad alta resistenza, il principale meccanismo di rimozione è la vaporizzazione del film di ossido a causa dell'assorbimento di energia. Quando gli ossidi di superficie vaporizzano ed evaporano, viene generata una forza di reazione verso il basso, che aiuta a rimuovere i film di ossido più spessi.
Rimozione di ruggine laser assistita da film liquido
Il meccanismo principale della rimozione della ruggine laser assistita dal film liquido è l'esplosione di fase causata da goccioline che assorbono l'energia, generando una forza di impatto per rimuovere lo strato di ruggine.
L'effetto di ebollizione esplosiva del film liquido migliora l'impatto del meccanismo di esplosione di fase sulla rimozione della ruggine, consentendo una migliore rimozione dei film di ossido di superficie, ma non è efficace nel rimuovere gli ossidi sepolti più in profondità.
Diversi meccanismi di rimozione dello strato di ruggine influenzano il flusso di metallo fuso sulla superficie. La spinta laterale generata dall'esplosione di fase può promuovere il flusso dello strato fuso, rendendo la superficie più fluida, mentre il vapore di ossido prodotto dal meccanismo di vaporizzazione può influire sul riempimento di pozzi da parte del metallo liquido.
Pulizia laser di ruggine sulla superficie di scafi della nave in acciaio ad alta resistenza: a) Morfologia superficiale dell'acciaio ad alta resistenza dopo la pulizia b) Meccanismi principali della pulizia secca/bagnata laser di ruggine sulla superficie degli scafi della nave in acciaio ad alta resistenza.
6. Oceano: microrganismi marini sulle superfici in lega di alluminio
Parametri laser ed effetto di pulizia:
I laser con larghezze di impulsi strette e alta potenza di picco hanno un migliore effetto di pulizia sui microrganismi marini sulle superfici in lega di alluminio.
Meccanismo di rimozione del microrganismo:
I meccanismi di rimozione laser per lo strato di sostanze polimeriche extracellulari (EPS) e il substrato di Barnacle sono la vaporizzazione dell'ablazione e lo stripping delle onde d'urto, rispettivamente. Durante il processo di assorbimento multifotonico, le singole catene di macromolecole microbiche si rompono, decomponendosi per produrre un gran numero di atomi. Dopo la ionizzazione, sotto l'azione combinata dei meccanismi di shock plasmatico e di ablazione, i microrganismi marini possono essere meglio rimossi.
Per sostanze organiche come la vernice e i microrganismi marini, a basse densità di energia laser, le reazioni fotochimiche causano la rottura dei loro legami chimici, manifestando come deterioramento, scolorimento, perdita di attività, ecc. All'aumentare della densità di energia, dei fenomeni come l'ablazione, la vaporizzazione, le fiamme di combustione e lo shock del polso.
Per le sostanze inorganiche come i film di ossido e la ruggine, non ci sono cambiamenti a bassa densità di energia e l'ablazione e la vaporizzazione si verificano dopo l'aumento dell'energia.
Effetto di pulizia laser e meccanismo dei microrganismi marini sulle superfici in lega di alluminio.
7. Pulizia laser di reliquie culturali
I detergenti laser pulsati hanno importanti applicazioni nella protezione delle reliquie culturali, soddisfacendo le esigenze di pulizia non distruttiva e ad alta precisione di reliquie culturali, come artefatti di pietra, carta e metallo.
Cliteri laser pulsati da 200 W portatili
Applicazioni tipiche della pulizia laser pulsata nelle reliquie culturali:
Artefatti in pietra:
A) Ancient Roman Marble Odisseo Scultura: A1) Prima di pulire A2) dopo la pulizia
b) sarcofago di marmo romano: b1) prima della pulizia b2) dopo la pulizia
c) Sculture di soccorso del tempio dell'Acropoli greca
Artefatti di carta:
d) dipinto ad olio del XV secolo "Cristo prima di Pilato": D1) prima di pulire D2) dopo la pulizia
e) pittura a olio moderna del XIX secolo "Scena di caccia": E1) prima di pulire E2) dopo la pulizia
Artefatti in metallo:
f) Scultura di bronzo dell'Università dell'Illinois: F1) prima della pulizia F2) dopo la pulizia
g) Fucile da caccia d'argento: G1) prima della pulizia G2) dopo la pulizia
h) treccia d'oro militare del XIX secolo: H1) prima di pulire H2) completamente pulito H3) troppo pulito
Altri artefatti:
i) telaio in legno dorato del XIX secolo: i1) prima della pulizia i2) dopo la pulizia
j) tappetini africani del XIX secolo: J1) prima di pulire J2) dopo la pulizia
K) Ancient Egitian Glass Reasel: K1) prima della pulizia di K2) dopo la pulizia
