O primeiro laser do mundo foi desenvolvido pelo cientista americano Professor Theodore Harold Maiman usando rubi em 1960. Desde então, os lasers têm sido utilizados em vários campos, contribuindo para o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia em tratamento médico, fabricação de equipamentos, medição precisa e remanufatura. Engenharia. A promoção da tecnologia laser acelerou o ritmo do progresso social e levou a conquistas significativas no campo das aplicações de limpeza.
Em comparação com métodos de limpeza tradicionais, como fricção mecânica, corrosão química e ultrassom de alta frequência, a limpeza a laser pode alcançar uma operação totalmente automática com as vantagens de alta eficiência de trabalho, baixo custo, sem poluição ao meio ambiente, sem danos ao substrato e um ampla gama de materiais aplicáveis. Está totalmente em conformidade com o conceito de processamento de proteção ecológica e ambiental, tornando-o o método de limpeza mais confiável e eficaz atualmente disponível.
A limpeza é um pré-requisito necessário para detectar e processar peças de máquinas usadas. O uso da tecnologia de limpeza a laser pode controlar efetivamente a morfologia e a rugosidade da superfície do substrato, ao mesmo tempo que melhora o desempenho do substrato após a limpeza. Também pode ser aplicado na fabricação, tratamento de superfície ou remanufatura de peças grandes.
Embora a limpeza a laser não tenha substituído inteiramente os métodos de limpeza tradicionais, a crescente consciência nacional sobre a conservação de energia e a redução de emissões na indústria transformadora levará à sua adoção gradual devido às suas vantagens únicas. Depois de 2020, quando as leis e regulamentos de protecção ambiental da China se tornaram mais rigorosas e a consciência ambiental e de segurança das pessoas aumentou, os tipos de produtos químicos que podem ser utilizados na limpeza da produção industrial diminuíram. Assim, encontrar um método de limpeza mais limpo e não destrutivo tornou-se uma questão premente.
A limpeza a laser tem as características de não esmerilhamento, sem contato, sem efeito térmico e adequação para todos os tipos de objetos. É considerada a solução mais confiável e eficaz para este problema. Além disso, a limpeza a laser pode resolver problemas que os métodos de limpeza tradicionais não conseguem resolver.
Princípio da limpeza a laser
Introdução
Quando partículas de poluição submicrométricas aderem à superfície de uma peça de trabalho, elas geralmente aderem com muita força, impossibilitando sua remoção com métodos de limpeza convencionais. No entanto, limpar a superfície da peça com radiação nano laser é muito eficaz.
Além disso, a limpeza a laser é um método de limpeza sem contato, tornando muito seguro limpar peças de precisão ou suas peças finas e garantir sua precisão.
Portanto, a limpeza a laser tem vantagens únicas na indústria de limpeza.
Mas por que os lasers podem ser usados para limpeza e por que eles não danificam o objeto limpo? Para responder a essas perguntas, primeiro precisamos entender a essência dos lasers.
Em suma, os lasers não são diferentes da luz que nos acompanha (luz visível e luz invisível) que nos rodeia. No entanto, o laser usa um ressonador para concentrar a luz na mesma direção, tornando-a mais poderosa e precisa do que o simples comprimento de onda e coordenação.
Portanto, teoricamente, todos os comprimentos de onda da luz podem ser usados para formar um laser. No entanto, na prática, existem poucos meios que podem ser excitados, de modo que a fonte de luz laser que pode produzir uma produção industrial estável e adequada é bastante limitada.
Lasers Nd: YAG, lasers de dióxido de carbono e lasers excimer são amplamente utilizados. Os lasers Nd:YAG, em particular, podem ser transmitidos através de fibras ópticas e são mais adequados para aplicações industriais, tornando-os amplamente utilizados na limpeza a laser.
Academicamente, a ablação a laser (nome científico da limpeza a laser) ou ablação por luz é um processo de remoção de materiais de superfícies sólidas (ou às vezes líquidas), irradiando-as com um feixe de laser.
Com baixo fluxo de laser, o material é aquecido e evaporado ou sublimado pela energia do laser absorvida. Em alto fluxo de laser, os materiais geralmente são convertidos em plasma. Geralmente, a ablação a laser refere-se à remoção de materiais com laser pulsado, mas se a intensidade do laser for alta o suficiente, os materiais podem ser ablacionados com feixe de laser de onda contínua.
Os lasers excimer ultravioleta profundo são usados principalmente para ablação óptica. O comprimento de onda do laser para ablação óptica é de cerca de 200 nm.
A profundidade de absorção da energia do laser e a quantidade de material removido por um único pulso de laser dependem das propriedades ópticas do material, do comprimento de onda do laser e do comprimento do pulso.
A massa total de cada pulso de laser removido do alvo é geralmente chamada de taxa de ablação. As características da radiação laser, como a velocidade de varredura do feixe de laser e a cobertura da linha de varredura, afetarão significativamente o processo de ablação.
Efeito da limpeza a laser do molde do pneu
Princípio da limpeza a laser
Em meados da década de 1980, cientistas como Beklemyshev e Alrn conduziram pesquisas sobre limpeza a laser, combinando tecnologia laser com tecnologia de limpeza, em resposta às necessidades reais de trabalho. Isto levou ao desenvolvimento do conceito técnico de limpeza a laser.
Como sabemos, a força de ligação entre os poluentes e a matriz pode ser categorizada em ligações covalentes, dipolos duplos, ação capilar e força de van der Waals. Se esta força puder ser superada ou destruída, o efeito de descontaminação poderá ser alcançado.
A limpeza a laser utiliza as características de um feixe de laser, como sua grande densidade de energia, direção controlável e forte capacidade de convergência, para destruir a força de ligação entre os poluentes e a matriz ou vaporizar diretamente os poluentes. Isto reduz a força de ligação entre os poluentes e a matriz, limpando assim a superfície da peça.
O diagrama esquemático da limpeza a laser é mostrado na Fig.
Quando o poluente na superfície da peça absorve a energia do laser, ele supera a força entre o poluente e a superfície do substrato por meio de gaseificação rápida ou expansão térmica instantânea. Como resultado do aumento da energia de aquecimento, as partículas poluentes vibram e caem da superfície do substrato.
Figura 1 Diagrama esquemático da limpeza a laser
Todo o processo de limpeza a laser é dividido em quatro etapas:
- Gaseificação e decomposição a laser
- decapagem a laser
- Expansão térmica de partículas poluentes
- Vibração da superfície do substrato e separação de poluentes
Ao aplicar a tecnologia de limpeza a laser, é importante considerar o limite de limpeza a laser do objeto que está sendo limpo e selecionar o comprimento de onda do laser apropriado para obter o melhor efeito de limpeza.
A limpeza a laser não só permite alterações na estrutura dos grãos e na orientação da superfície do substrato sem danificá-la, mas também permite o controle da rugosidade da superfície do substrato, melhorando as propriedades gerais da superfície.
O efeito de limpeza é influenciado principalmente pelas características do feixe de laser, pelos parâmetros físicos do substrato e dos materiais sujos e pela capacidade de absorção da sujeira para irradiar energia.
Atualmente, a tecnologia de limpeza a laser inclui tecnologia de limpeza a laser a seco, tecnologia de limpeza a laser úmido e tecnologia de ondas de choque de plasma a laser.
Limpeza a laser a seco
A limpeza a laser pulsado é um processo em que um feixe de laser é direcionado à peça, aumentando a temperatura de absorção de energia do substrato ou dos poluentes superficiais. Isto causa expansão térmica ou vibração térmica do substrato, que separa os poluentes.
Existem dois casos em que este método pode ser aplicado:
Primeiramente, quando os poluentes superficiais absorvem o laser e se expandem, eles se separam do substrato.
Em segundo lugar, quando o substrato absorve o laser, produz vibração térmica, levando à separação dos poluentes do substrato.
Limpeza a laser úmido
A limpeza a laser úmido envolve a aplicação de uma película líquida na superfície antes de irradiar a peça de trabalho com um laser pulsado. O laser aquece o filme líquido, fazendo com que ele vaporize rapidamente.
Durante a vaporização, é gerada uma onda de choque que desaloja as partículas poluentes do substrato.
Este método é limitado pelo requisito de que a matriz não reaja com o filme líquido, restringindo assim a gama de materiais aplicáveis.
Onda de choque de plasma a laser
A tecnologia de limpeza por ondas de choque de plasma a laser envolve a produção de uma onda de choque de plasma esférico ao romper o meio de ar durante a irradiação do laser.
A onda de choque atua na superfície do substrato e libera energia para remover poluentes, sem danificar o substrato, pois o laser não o impacta diretamente.
Esta tecnologia pode limpar com eficácia partículas poluentes tão pequenas quanto dezenas de nanômetros e não é limitada pelo comprimento de onda do laser.
Na produção real, vários métodos de teste e parâmetros relacionados devem ser selecionados com base em necessidades específicas para garantir a limpeza de peças de trabalho de alta qualidade.
Durante o processo de limpeza a laser, avaliar a eficiência e a qualidade da limpeza da superfície é crucial para determinar a eficácia da tecnologia.
Avantagemé
Em comparação com os métodos de limpeza tradicionais, como limpeza por fricção mecânica, limpeza por corrosão química, limpeza por forte impacto líquido-sólido e limpeza ultrassônica de alta frequência, a limpeza a laser oferece várias vantagens.
2.1 A limpeza a laser é um método de limpeza “verde” que não requer o uso de quaisquer agentes químicos ou soluções de limpeza. Os resíduos produzidos durante a limpeza são principalmente pó sólido, de pequeno volume, fáceis de armazenar e recicláveis. Isto torna possível enfrentar a poluição ambiental causada pela limpeza química.
2.2 Os métodos tradicionais de limpeza são frequentemente a limpeza por contacto, que exerce força mecânica na superfície do objecto limpo, causando danos à superfície ou o meio de limpeza fica preso à superfície, provocando poluição secundária. A limpeza a laser, sem retificação e sem contato, pode resolver esses problemas.
2.3 Os lasers podem ser transmitidos através de fibra óptica e podem trabalhar em conjunto com um manipulador e um robô para operação a longa distância. Eles podem limpar peças de difícil acesso pelos métodos tradicionais, garantindo a segurança do pessoal em alguns locais perigosos.
2.4 A limpeza a laser pode remover vários tipos de poluentes na superfície de vários materiais e atingir um nível de limpeza que não pode ser alcançado pelos métodos de limpeza convencionais. Também pode limpar seletivamente os poluentes na superfície do material sem danificá-lo.
2.5 A limpeza a laser é altamente eficiente e economiza tempo.
2.6 Embora o investimento único na compra de um sistema de limpeza a laser seja alto, o sistema de limpeza pode ser usado de forma estável por um longo tempo, com baixos custos operacionais e apenas cobranças de eletricidade por hora.
Pprincípio
O processo de limpeza do laser Nd:YAG pulsado depende das características do pulso óptico gerado pelo laser e é baseado na reação fotofísica resultante da interação entre um feixe de laser pulsado curto e de alta intensidade e uma camada de poluição.
O princípio físico pode ser resumido da seguinte forma:
a) O feixe de laser emitido é absorvido pela camada contaminada da superfície a ser tratada.
b) A absorção de uma grande quantidade de energia cria um plasma em rápida expansão (um gás instável altamente ionizado) que gera ondas de choque.
c) A onda de choque decompõe os poluentes em fragmentos e os remove.
d) A largura do pulso da luz deve ser curta o suficiente para evitar acúmulo de calor que possa danificar a superfície tratada.
e) Experimentos mostram que se houver óxidos na superfície do metal, o plasma ocorre na superfície do metal.
O plasma é gerado somente quando a densidade de energia excede o limite, que depende da camada contaminada ou de óxido removida.
Se a densidade de energia exceder este limite, o material de base poderá ser danificado.
Para limpar o substrato de forma eficaz e ao mesmo tempo garantir a sua segurança, os parâmetros do laser devem ser ajustados de acordo com a situação, de modo que a densidade de energia do pulso óptico esteja estritamente entre os dois limites.
Cada pulso de laser remove uma certa espessura da camada de poluição. Para camadas de contaminação mais espessas, são necessários múltiplos pulsos para limpeza.
O número de pulsos necessários para limpar a superfície depende do grau de contaminação da superfície. Um resultado importante dos dois limites é o autocontrole da limpeza.
Pulsos de luz com densidade de energia superior ao primeiro limite removerão contaminantes até que o material base seja alcançado.
No entanto, como a sua densidade de energia é inferior ao limite de falha do material do substrato, o substrato não será danificado.
Paplicação prática
A limpeza a laser é uma técnica versátil que pode remover com eficácia contaminantes orgânicos e inorgânicos, como corrosão metálica, partículas metálicas, poeira, etc. A seguir estão algumas aplicações práticas desta tecnologia, que já atingiu um alto nível de maturidade e é amplamente usado.
4.1. Limpeza de molde:
Todos os anos, os fabricantes de pneus em todo o mundo produzem centenas de milhões de pneus. Durante o processo produtivo, a limpeza dos moldes dos pneus deve ser eficiente e eficaz para minimizar o tempo de inatividade.
Os métodos tradicionais de limpeza, como jateamento de areia, limpeza ultrassônica ou limpeza com dióxido de carbono, exigem que o molde esfrie por várias horas antes de ser transportado para o equipamento de limpeza. Este processo leva muito tempo e pode facilmente comprometer a precisão do molde. Além disso, o uso de solventes químicos e o ruído resultante podem levantar preocupações sobre a segurança e a proteção ambiental.
O método de limpeza a laser oferece uma solução para esses desafios. Como o laser pode ser transmitido através de fibra óptica, possui grande flexibilidade de uso. Além disso, o método de limpeza a laser pode ser combinado com fibra óptica para direcionar a luz para áreas de difícil acesso do molde, facilitando a limpeza. Além disso, o processo de limpeza a laser não gaseifica a borracha, eliminando o risco de emissões de gases tóxicos e garantindo um ambiente de trabalho seguro.
A tecnologia de limpeza a laser para moldes de pneus tem sido amplamente adotada nas indústrias de pneus europeias e americanas.
Efeito da limpeza de pneus a laser
Embora o custo inicial do equipamento de limpeza a laser seja alto, os benefícios da redução do tempo de inatividade, da prevenção de danos ao molde, da melhoria da segurança e da redução do uso de matéria-prima podem compensar rapidamente esse investimento.
De acordo com um teste de limpeza realizado na linha de produção de uma empresa de pneus, um conjunto de moldes de pneus de caminhões grandes pode ser limpo on-line usando o equipamento de limpeza a laser em apenas 2 horas.
Em comparação com os métodos de limpeza tradicionais, os benefícios económicos da utilização da limpeza a laser são claros.
Na indústria alimentícia, o filme elástico antiaderente dos moldes precisa ser substituído regularmente para manter a higiene. A limpeza a laser, que não requer agentes químicos, também é adequada para esta aplicação.
Efeito de limpeza de molde
4.2. Limpeza de armas e equipamentos:
A tecnologia de limpeza a laser é amplamente utilizada na manutenção de armas.
O sistema de limpeza a laser é uma forma eficiente e rápida de remover ferrugem e contaminantes, além de permitir a remoção seletiva, resultando em um processo de limpeza automatizado.
Em comparação com a limpeza química, a limpeza a laser não só proporciona um nível mais elevado de limpeza, mas também minimiza os danos superficiais dos objetos que estão sendo limpos.
Além disso, ajustando diferentes parâmetros, uma película protetora de óxido denso ou uma camada de fusão metálica pode ser formada nas superfícies metálicas, aumentando sua resistência e resistência à corrosão.
Por fim, os resíduos gerados pela limpeza a laser são ecologicamente corretos e o processo pode ser realizado remotamente, reduzindo o risco de riscos à saúde dos operadores.
4.3. Remoção de pintura antiga de aeronaves:
Na Europa, os sistemas de limpeza a laser têm sido amplamente utilizados na indústria da aviação há muito tempo.
As superfícies das aeronaves precisam ser repintadas após um certo período, mas antes que isso aconteça, a tinta antiga deve ser completamente removida.
Os métodos tradicionais de remoção mecânica de tinta podem facilmente danificar a superfície metálica da aeronave e representar uma ameaça à segurança do voo.
No entanto, ao utilizar vários sistemas de limpeza a laser, a camada de tinta na superfície de um Airbus A320 pode ser completamente removida em dois dias sem causar qualquer dano à superfície metálica.
4.4. Limpeza da parede exterior do edifício:
Com o rápido crescimento da economia da China, estão a ser construídos cada vez mais arranha-céus e o desafio de limpar as suas paredes exteriores está a tornar-se cada vez mais predominante. O sistema de limpeza a laser Laserlaste oferece uma solução eficaz para a limpeza de paredes externas de edifícios através de fibras ópticas de até 70 metros de comprimento.
Este sistema pode limpar eficazmente todos os tipos de poluentes de diversas superfícies, como pedra, metal e vidro, resultando numa eficiência de limpeza várias vezes superior à dos métodos de limpeza convencionais.
Também pode remover manchas pretas e descoloração de vários materiais de pedra usados em exteriores de edifícios.
Experimentos usando o sistema de limpeza a laser em edifícios e placas de pedra no Templo Songshan Shaolin mostraram que a limpeza a laser tem um efeito altamente positivo na proteção de edifícios antigos e na restauração de sua aparência.
4.5. Limpeza na indústria eletrônica
A indústria eletrônica utiliza tecnologia laser para remoção de óxido. A descontaminação de precisão é crucial nesta indústria, tornando a remoção de óxido de laser uma solução ideal.
Antes de soldar uma placa de circuito, é necessário remover completamente quaisquer óxidos dos pinos do componente para garantir um contato elétrico ideal. Este processo não deve danificar os pinos.
A limpeza a laser é capaz de atender a esses requisitos e é altamente eficiente. Na verdade, um único pino só precisa ser exposto ao laser uma vez para uma descontaminação eficaz.
4.6. Limpeza desengordurante de precisão na indústria de máquinas de precisão:
Na indústria de máquinas de precisão, muitas vezes é necessário remover ésteres e óleos minerais usados para lubrificação e resistência à corrosão das peças. Isso normalmente é feito por meio de métodos químicos, mas a limpeza química geralmente deixa resíduos.
A desesterificação a laser é uma alternativa que consegue remover completamente ésteres e óleos minerais sem danificar a superfície das peças. Isto é conseguido através do uso de uma onda de choque.
A onda de choque é formada pela gaseificação explosiva da fina camada de óxido na superfície das peças, levando à remoção de poluentes e não por interação mecânica.
Este método de limpeza a laser é amplamente utilizado na indústria aeroespacial para desesterificação completa de peças mecânicas.
Também pode ser aplicado na usinagem de peças mecânicas para remoção de ésteres de óleo.
4.7. Limpeza de dutos no reator de usina nuclear:
O sistema de limpeza a laser também é utilizado na limpeza de tubulações em reatores de usinas nucleares.
Usando fibras ópticas, um feixe de laser de alta potência é introduzido no reator para remover diretamente a poeira radioativa, resultando em materiais fáceis de limpar. Além disso, a operação remota garante a segurança do pessoal.
Concluindo, a limpeza a laser desempenha um papel crucial em muitos campos, incluindo fabricação de automóveis, limpeza de wafers semicondutores, processamento e fabricação de peças de precisão, limpeza de equipamentos militares, limpeza de paredes externas de edifícios, proteção de artefatos culturais, limpeza de placas de circuito, processamento e fabricação de peças de precisão, Limpeza de LCD, remoção de resíduos de goma de mascar e muito mais.
Principais métodos de limpeza
Existem quatro métodos principais de limpeza a laser:
① Método de Lavagem a Seco a Laser, também conhecido como Descontaminação por Radiação Direta por Laser Pulsado.
② Método Laser + Filme Líquido, que envolve depositar uma camada de filme líquido na superfície do substrato e depois descontamina-lo com radiação laser.
③ O Método Laser + Gás Inerte, que envolve soprar gás inerte na superfície do substrato enquanto a radiação laser está sendo aplicada. Uma vez que a sujeira é removida da superfície, ela é imediatamente expelida pelo gás para evitar repoluição e oxidação.
④ Após a sujeira ser removida pelo laser, ela é limpa com um método químico não corrosivo. Este método é usado apenas para limpar relíquias culturais de pedra.
Os três primeiros métodos são os mais utilizados, enquanto o quarto método é utilizado apenas em casos específicos.
A tecnologia de limpeza a laser tem sido aplicada internacionalmente a materiais pétreos há mais de dez anos. Na China, a aplicação da tecnologia de limpeza a laser em materiais pétreos começou mais tarde devido ao alto custo do equipamento a laser.
Apesar do alto custo, a tecnologia de limpeza a laser tem muitas vantagens sobre os métodos de limpeza tradicionais e, à medida que a tecnologia continua a melhorar e os equipamentos se tornam mais amplamente disponíveis, espera-se que desempenhe um papel significativo na indústria de limpeza de materiais pétreos.
