In den letzten Jahren hat sich die Laserreinigung zu einem der Forschungsschwerpunkte im Bereich der industriellen Fertigung entwickelt. Die Forschung umfasst den Prozess, die Theorie, die Ausrüstung und die Anwendungen. In industriellen Anwendungen ist die Laserreinigungstechnologie in der Lage, eine große Anzahl verschiedener Substratoberflächen zuverlässig zu reinigen und Objekte wie Stahl, Aluminium, Titan, Glas und Verbundwerkstoffe usw. zu reinigen. Die Anwendungsbranchen umfassen Luft- und Raumfahrt, Luftfahrt, Schifffahrt und Hochgeschwindigkeitsanwendungen Schienen-, Automobil-, Formenbau-, Kernkraft-, Schifffahrts- und andere Bereiche.
Die Laserreinigungstechnologie stammt aus den 1960er Jahren und zeichnet sich durch eine gute Reinigungswirkung, ein breites Anwendungsspektrum, eine hohe Präzision, Berührungslosigkeit und Zugänglichkeit aus. In der industriellen Fertigung, Produktion und Wartung sowie in anderen Bereichen gibt es vielfältige Anwendungsaussichten, es wird erwartet, dass sie die traditionellen Reinigungsmethoden teilweise oder vollständig ersetzen und zur vielversprechendsten umweltfreundlichen Reinigungstechnologie des 21. Jahrhunderts werden.
Laserreinigungsmethode
Der Laserreinigungsprozess ist sehr komplex und umfasst eine Vielzahl von Mechanismen zur Materialentfernung. Bei einer Laserreinigungsmethode kann der Reinigungsprozess gleichzeitig eine Vielzahl von Mechanismen umfassen, die hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen Laser und Material zurückzuführen sind Ablation, Zersetzung, Ionisierung, Abbau, Schmelzen, Verbrennung, Verdampfung, Vibration, Sputtern, Ausdehnung, Schrumpfung, Explosion, Abblättern, Ablösen der Materialoberfläche und andere physikalische und chemische Veränderungen der Materialoberfläche. Verfahren.
Derzeit gibt es hauptsächlich drei typische Laserreinigungsverfahren: Laserablationsreinigung, flüssigkeitsfilmunterstützte Laserreinigung und Laserstoßwellenreinigungsverfahren.
Reinigungsmethode durch Laserablation
Die wichtigsten methodischen Mechanismen sind Wärmeausdehnung, Verdampfung, Ablation und Phasenexplosion. Der Laser wirkt direkt auf das von der Oberfläche des Substrats zu entfernende Material und die Umgebungsbedingungen können Luft, verdünntes Gas oder Vakuum sein. Die Betriebsbedingungen sind einfach und werden am häufigsten zum Entfernen einer Vielzahl von Beschichtungen, Farben, Partikeln oder Schmutz verwendet. Das folgende Diagramm zeigt das Prozessdiagramm für die Laserablations-Reinigungsmethode.
Wenn die Laserbestrahlung auf die Oberfläche des Materials, des Substrats und der Reinigungsmaterialien erfolgt, kommt es zunächst zu einer Wärmeausdehnung. Wenn mit zunehmender Laserinteraktionszeit mit dem Reinigungsmaterial die Temperatur niedriger als die Kavitationsschwelle des Reinigungsmaterials ist, verändert sich das Reinigungsmaterial nur physikalisch, und der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Reinigungsmaterials und des Substrats führt zu Druck an der Grenzfläche B. Knicken des Reinigungsmaterials, Abreißen von der Oberfläche des Substrats, Rissbildung, mechanischer Bruch, Vibrationszerkleinerung usw., wird das Reinigungsmaterial durch einen Strahl entfernt oder von der Substratoberfläche abgestreift.
Wenn die Temperatur höher ist als die Vergasungsschwellentemperatur des Reinigungsmaterials, gibt es zwei Situationen: 1) die Ablationsschwelle des Reinigungsmaterials ist niedriger als die des Substrats; 2) Die Ablationsschwelle des Reinigungsmaterials ist größer als die des Substrats.
Diese beiden Fälle von Reinigungsmaterialien sind Schmelzen, Kavitation und Ablation sowie andere physikalisch-chemische Veränderungen. Der Reinigungsmechanismus ist zusätzlich zu thermischen Effekten komplexer, kann aber auch den Bruch der molekularen Bindung zwischen Reinigungsmaterialien und Substraten, die Zersetzung oder den Abbau von Reinigungsmaterialien und die Phasen umfassen Explosion, Reinigungsmittel, Vergasung, sofortige Ionisation, Erzeugung von Plasma.
(1)Flüssigkeitsfilmunterstützte Laserreinigung
Der Mechanismus der Methode besteht hauptsächlich aus Flüssigkeitsfilm-Siedeverdampfung und Vibration usw. Die Notwendigkeit, die geeignete Laserwellenlänge zu wählen, um den fehlenden Aufpralldruck beim Laserablations-Reinigungsprozess auszugleichen, kann zur Entfernung verwendet werden einige der schwierigeren Entfernung des Reinigungsobjekts.
Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird der Flüssigkeitsfilm (Wasser, Ethanol oder andere Flüssigkeiten) zuvor auf die Oberfläche des Reinigungsobjekts aufgetragen und dann mit dem Laser bestrahlt. Der Flüssigkeitsfilm absorbiert Laserenergie, was zu einer starken Explosion des flüssigen Mediums, der Explosion kochender Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit, der Energieübertragung auf die Oberflächenreinigungsmaterialien und einer hohen vorübergehenden Explosionskraft führt, die ausreicht, um den Oberflächenschmutz zu entfernen und Reinigungszwecke zu erreichen.
Die flüssigkeitsfilmunterstützte Laserreinigungsmethode hat zwei Nachteile.
Umständlicher Prozess und schwierig zu kontrollieren.
Durch die Verwendung eines Flüssigfilms kann sich die chemische Zusammensetzung der Substratoberfläche nach der Reinigung leicht verändern und neue Substanzen entstehen.
(1)Reinigungsmethode mit Laserstoßwellen
Der Prozessansatz und -mechanismus unterscheidet sich stark von den ersten beiden. Der Mechanismus besteht hauptsächlich in der Entfernung von Stoßwellenkräften und das Reinigen von Objekten besteht hauptsächlich aus Partikeln, hauptsächlich zur Entfernung von Partikeln (im Submikron- oder Nanobereich). Die Prozessanforderungen sind sehr streng, sowohl um sicherzustellen, dass die Luft ionisiert werden kann, als auch um einen geeigneten Abstand zwischen dem Laser und dem Substrat einzuhalten, um sicherzustellen, dass die Wirkung der Aufprallkraft auf die Partikel groß genug ist.
Das schematische Diagramm des Laserstoßwellenreinigungsprozesses ist unten dargestellt. Der Laser schießt parallel zur Richtung der Substratoberfläche und kommt nicht mit dem Substrat in Kontakt. Bewegen Sie das Werkstück oder den Laserkopf, um den Laserfokus auf das Partikel in der Nähe des Laserausgangs einzustellen. Der Brennpunkt des Luftionisationsphänomens tritt auf, was zu Stoßwellen führt, Stoßwellen führen zu einer schnellen Ausdehnung der sphärischen Ausdehnung und werden bis zum Kontakt verlängert mit den Teilchen. Wenn das Moment der Querkomponente der Stoßwelle auf das Partikel größer ist als das Moment der Längskomponente und die Adhäsionskraft des Partikels, wird das Partikel durch Rollen entfernt.
Laserreinigungstechnologie
Der Laserreinigungsmechanismus basiert hauptsächlich darauf, dass die Oberfläche des Objekts nach der Absorption von Laserenergie oder Verdampfung und Verflüchtigung oder sofortiger Wärmeausdehnung die Adsorption von Partikeln auf der Oberfläche überwindet, so dass das Objekt von der Oberfläche entfernt wird und dann erreicht wird Zweck der Reinigung.
Grob zusammengefasst: 1. Laserdampfzersetzung, 2. Laserentfernung, 3. Wärmeausdehnung von Schmutzpartikeln, 4. Substratoberflächenvibration und Partikelvibration, vier Aspekte
Im Vergleich zum herkömmlichen Reinigungsverfahren weist die Laserreinigungstechnologie die folgenden Eigenschaften auf.
1. Es handelt sich um eine „trockene“ Reinigung, keine Reinigungslösung oder andere chemische Lösungen, und die Sauberkeit ist viel höher als beim chemischen Reinigungsprozess.
2. Der Umfang der Schmutzentfernung und der einsetzbare Untergrund ist sehr breit gefächert
3. Durch die Regulierung der Laserprozessparameter kann die Oberfläche des Substrats aufgrund der effektiven Entfernung von Verunreinigungen nicht beschädigt werden, die Oberfläche ist so gut wie neu.
4. Die Laserreinigung kann leicht automatisiert werden.
5. Laser-Dekontaminationsgeräte können über einen langen Zeitraum und mit geringen Betriebskosten verwendet werden.
6. Laser-Reinigungstechnologie ist ein: Grün: Reinigungsprozess, Beseitigung von Abfall ist ein festes Pulver, klein, leicht zu lagern, im Grunde wird es die Umwelt nicht verschmutzen.
In den 1980er Jahren stellte die rasante Entwicklung der Halbleiterindustrie auf der Oberfläche der Siliziumwafermaske Kontaminationspartikel an die Reinigungstechnologie und stellte höhere Anforderungen. Der entscheidende Punkt besteht darin, die Kontamination von Mikropartikeln und dem Substrat zwischen der großen Adsorptionskraft zu überwinden Da die herkömmliche chemische Reinigung, die mechanische Reinigung und die Ultraschallreinigungsmethoden den Bedarf nicht decken können und die Laserreinigung solche Verschmutzungsprobleme lösen kann, wurden entsprechende Forschungen und Anwendungen rasch entwickelt.
1987 erschien erstmals die Patentanmeldung zur Laserreinigung. In den 1990er Jahren wandte Zapka erfolgreich die Laserreinigungstechnologie im Halbleiterfertigungsprozess an, um Mikropartikel von der Oberfläche der Maske zu entfernen, und realisierte damit die frühe Anwendung der Laserreinigungstechnologie im industriellen Bereich. 1995 setzten Forscher einen 2-kW-TEA-CO2-Laser ein, um erfolgreich die Reinigung des Flugzeugrumpfes und die Entfernung von Farbe zu erreichen.
Nach Beginn des 21. Jahrhunderts, mit der Hochgeschwindigkeitsentwicklung von Ultrakurzpulslasern, nahmen die in- und ausländische Forschung und Anwendung der Laserreinigungstechnologie allmählich zu und konzentrierten sich auf die Oberfläche von Metallmaterialien. Typische ausländische Anwendungen sind die Entfernung von Flugzeugrumpflackierung und Schimmel Oberflächenentfettung, Entfernung von Kohlenstoff im Motorinneren und Oberflächenreinigung der Verbindungen vor dem Schweißen. US Edison Welding Institute Laserreinigung des FG16-Kampfflugzeugs, wenn die Laserleistung 1 kW beträgt, beträgt das Reinigungsvolumen 2,36 cm3 pro Minute.
Es ist erwähnenswert, dass die Forschung und Anwendung der Laserlackentfernung von fortschrittlichen Verbundwerkstoffteilen ebenfalls ein wichtiger Hotspot ist. Die Propellerblätter der Hubschrauber HG53 und HG56 der US-Marine sowie das flache Heck des F16-Kampfflugzeugs und andere Verbundwerkstoffoberflächen wurden für Anwendungen zur Entfernung von Laserlackierung realisiert, während Verbundwerkstoffe in China erst spät in Flugzeuganwendungen eingesetzt werden, so dass diese Forschung im Grunde noch nicht abgeschlossen ist.
Darüber hinaus ist der Einsatz der Laserreinigungstechnologie zur Oberflächenbehandlung der CFK-Verbundverbindung vor dem Kleben zur Verbesserung der Festigkeit der Verbindung einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte. Passen Sie das Laserunternehmen an die Produktionslinie des Audi TT an, um Faserlaser-Reinigungsgeräte zum Reinigen der Oberfläche des leichten Oxidfilms des Türrahmens aus Aluminiumlegierung bereitzustellen. Rolls G Royce UK nutzte die Laserreinigung, um Oxidfilme auf der Oberfläche von Titan-Flugzeugtriebwerkskomponenten zu entfernen.
Die Laserreinigungstechnologie hat sich in den letzten zwei Jahren rasant weiterentwickelt, unabhängig davon, ob es sich um die Parameter und den Reinigungsmechanismus des Laserreinigungsprozesses handelt, ob die Forschung zu Reinigungsobjekten oder die Anwendung der Forschung große Fortschritte gemacht hat. Nach vielen theoretischen Untersuchungen liegt der Fokus der Laserreinigungstechnologie ständig auf der Anwendung der Forschung und der Anwendung vielversprechender Ergebnisse. Zukünftig wird die Laserreinigungstechnologie beim Schutz von Kulturdenkmälern und Kunstwerken stärker zum Einsatz kommen und ihr Markt ist sehr breit. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wird der Einsatz der Laserreinigungstechnologie in der Industrie immer realer und der Anwendungsbereich wird immer umfangreicher.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. November 2022
