El primer láser del mundo fue desarrollado por el científico estadounidense Profesor Theodore Harold Maiman utilizando rubí en 1960. Desde entonces, los láseres se han utilizado en diversos campos, contribuyendo al rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología en el tratamiento médico, la fabricación de equipos, las necesidades de medición y remanufactura. Ingeniería. La promoción de la tecnología láser ha acelerado el ritmo del progreso social y ha dado lugar a logros significativos en el campo de las aplicaciones de limpieza.
En comparación con los métodos de limpieza tradicionales, como la fricción mecánica, la corrosión química y el ultrasonido de alta frecuencia, la limpieza con láser puede lograr un funcionamiento completamente automático con las ventajas de una alta eficiencia en el trabajo, bajo costo, sin contaminación para el medio ambiente, sin daños al sustrato y una amplia gama de materiales aplicables. Cumple plenamente con el concepto de procesamiento de protección ecológica y ambiental, lo que lo convierte en el método de limpieza más confiable y eficaz disponible actualmente.
La limpieza es un requisito previo necesario para detectar y procesar piezas de máquinas usadas. El uso de tecnología de limpieza láser puede controlar eficazmente la morfología y la rugosidad de la superficie del sustrato, al tiempo que mejora el rendimiento del sustrato después de la limpieza. También se puede aplicar a la fabricación, tratamiento de superficies o remanufactura de piezas de gran tamaño.
Aunque la limpieza con láser no ha reemplazado por completo los métodos de limpieza tradicionales, la creciente conciencia nacional sobre la conservación de energía y la reducción de emisiones en la industria manufacturera conducirá a su adopción gradual debido a sus ventajas únicas. Después de 2020, cuando las leyes y regulaciones de protección ambiental de China se volvieron más estrictas y aumentó la conciencia ambiental y de seguridad de la gente, los tipos de productos químicos que se pueden usar en la producción industrial de limpieza han disminuido. Por lo tanto, encontrar un método de limpieza más limpio y no destructivo se ha convertido en una cuestión apremiante.
La limpieza con láser tiene las características de no molienda, sin contacto, sin efecto térmico y es adecuada para todo tipo de objetos. Se considera la solución más confiable y eficaz a este problema. Además, la limpieza con láser puede solucionar problemas que los métodos de limpieza tradicionales no pueden resolver.
Principio de limpieza láser
Introducción
Cuando las partículas contaminantes submicrónicas se adhieren a la superficie de una pieza de trabajo, a menudo se adhieren muy fuertemente, lo que hace imposible eliminarlas con métodos de limpieza convencionales. Sin embargo, limpiar la superficie de la pieza con radiación nanoláser es muy eficaz.
Además, la limpieza con láser es un método de limpieza sin contacto, lo que hace que sea muy seguro limpiar piezas de precisión o sus piezas finas y garantizar su precisión.
Por tanto, la limpieza con láser tiene ventajas únicas en la industria de la limpieza.
Pero, ¿por qué se pueden utilizar láseres para limpiar y por qué no dañan el objeto limpiado? Para responder a estas preguntas, primero debemos comprender la esencia de los láseres.
En definitiva, los láseres no se diferencian de la luz que nos acompaña (luz visible y luz invisible) que nos rodea. Sin embargo, el láser utiliza un resonador para enfocar la luz en la misma dirección, lo que la hace más potente y precisa que la simple longitud de onda y la coordinación.
Por lo tanto, en teoría, se pueden utilizar todas las longitudes de onda de la luz para formar un láser. Sin embargo, en la práctica, hay pocos medios que puedan excitarse, por lo que la fuente de luz láser que puede producir una producción industrial estable y adecuada es bastante limitada.
Los láseres Nd:YAG, los láseres de dióxido de carbono y los láseres excimer se utilizan ampliamente. Los láseres Nd:YAG, en particular, pueden transmitirse a través de fibras ópticas y son los más adecuados para aplicaciones industriales, lo que los hace ampliamente utilizados en la limpieza con láser.
Académicamente, la ablación con láser (el nombre científico de la limpieza con láser) o ablación con luz es un proceso de eliminación de materiales de superficies sólidas (o a veces líquidas) irradiándolos con un rayo láser.
Con un flujo láser bajo, el material se calienta y se evapora o sublima mediante la energía láser absorbida. Con un alto flujo de láser, los materiales a menudo se convierten en plasma. Generalmente, la ablación con láser se refiere a la eliminación de materiales con un láser pulsado, pero si la intensidad del láser es lo suficientemente alta, los materiales se pueden eliminar con un rayo láser de onda continua.
Los láseres excimer ultravioleta profundo se utilizan principalmente para la ablación óptica. La longitud de onda del láser para la ablación óptica es de unos 200 nm.
La profundidad de absorción de la energía láser y la cantidad de material eliminado por un solo pulso láser dependen de las propiedades ópticas del material, la longitud de onda del láser y la longitud del pulso.
La masa total de cada pulso láser eliminado del objetivo generalmente se denomina tasa de ablación. Las características de la radiación láser, como la velocidad de escaneo del rayo láser y la cobertura de la línea de escaneo, afectarán significativamente el proceso de ablación.
Efecto de la limpieza láser de moldes de neumáticos.
Principio de limpieza láser
A mediados de la década de 1980, científicos como Beklemyshev y Alrn realizaron investigaciones sobre la limpieza con láser, combinando tecnología láser con tecnología de limpieza en respuesta a las necesidades laborales reales. Esto llevó al desarrollo del concepto técnico de limpieza con láser.
Como sabemos, la fuerza de unión entre los contaminantes y la matriz se puede clasificar en enlaces covalentes, dobles dipolos, acción capilar y fuerza de van der Waals. Si esta fuerza puede ser superada o destruida, se puede lograr el efecto de descontaminación.
La limpieza con láser utiliza las características de un rayo láser, como su gran densidad de energía, dirección controlable y fuerte capacidad de convergencia, para destruir la fuerza de unión entre los contaminantes y la matriz o vaporizar directamente los contaminantes. Esto reduce la fuerza de unión entre los contaminantes y la matriz, limpiando así la superficie de la pieza.
El diagrama esquemático de la limpieza con láser se muestra en la Fig.
Cuando el contaminante en la superficie de la pieza absorbe la energía del láser, supera la fuerza entre el contaminante y la superficie del sustrato mediante una gasificación rápida o una expansión térmica instantánea. Como resultado del aumento de la energía térmica, las partículas contaminantes vibran y caen de la superficie del sustrato.
Figura 1 Diagrama esquemático de limpieza con láser.
Todo el proceso de limpieza con láser se divide en cuatro pasos:
- Gasificación y descomposición por láser.
- explosión láser
- Expansión térmica de partículas contaminantes.
- Vibración de la superficie del sustrato y separación de contaminantes.
Al aplicar la tecnología de limpieza láser, es importante considerar el límite de limpieza láser del objeto que se está limpiando y seleccionar la longitud de onda láser adecuada para lograr el mejor efecto de limpieza.
La limpieza con láser no sólo permite cambios en la estructura del grano y la orientación de la superficie del sustrato sin dañarla, sino que también permite controlar la rugosidad de la superficie del sustrato, mejorando las propiedades generales de la superficie.
El efecto de limpieza está influenciado principalmente por las características del rayo láser, los parámetros físicos del sustrato y los materiales sucios, y la capacidad de absorción de la suciedad para irradiar energía.
En la actualidad, la tecnología de limpieza por láser incluye tecnología de limpieza por láser seco, tecnología de limpieza por láser húmedo y tecnología de ondas de choque de plasma láser.
Limpieza láser en seco
La limpieza con láser pulsado es un proceso en el que se dirige un rayo láser a la pieza, aumentando la temperatura de absorción de energía del sustrato o de los contaminantes de la superficie. Esto provoca una expansión térmica o vibración térmica del sustrato, que separa los contaminantes.
Hay dos casos en los que se puede aplicar este método:
Primero, cuando los contaminantes de la superficie absorben el láser y se expanden, se separan del sustrato.
En segundo lugar, cuando el sustrato absorbe el láser, se produce una vibración térmica que provoca la separación de los contaminantes del sustrato.
Limpieza láser húmeda
La limpieza con láser húmedo implica aplicar una película líquida a la superficie antes de irradiar la pieza de trabajo con un láser pulsado. El láser calienta la película líquida, provocando que se vaporice rápidamente.
Durante la vaporización se genera una onda de choque que desaloja las partículas contaminantes del sustrato.
Este método está limitado por el requisito de que la matriz no reaccione con la película líquida, restringiendo así la gama de materiales aplicables.
Onda de choque de plasma láser
La tecnología de limpieza por ondas de choque de plasma láser implica la producción de una onda de choque de plasma esférica al atravesar el medio aéreo durante la irradiación láser.
La onda de choque actúa sobre la superficie del sustrato y libera energía para eliminar contaminantes, sin dañar el sustrato, ya que el láser no incide directamente sobre él.
Esta tecnología puede limpiar eficazmente partículas contaminantes tan pequeñas como decenas de nanómetros y no está limitada por la longitud de onda del láser.
En la producción real, se deben seleccionar varios métodos de prueba y parámetros relacionados en función de las necesidades específicas para garantizar una limpieza de alta calidad de las piezas de trabajo.
Durante el proceso de limpieza con láser, evaluar la eficiencia y la calidad de la limpieza de superficies es crucial para determinar la efectividad de la tecnología.
La ventaja es
En comparación con los métodos de limpieza tradicionales, como la limpieza por fricción mecánica, la limpieza contra la corrosión química, la limpieza por impacto líquido-sólido fuerte y la limpieza ultrasónica de alta frecuencia, la limpieza con láser ofrece varias ventajas.
2.1 La limpieza con láser es un método de limpieza "verde" que no requiere el uso de agentes químicos ni soluciones de limpieza. Los residuos que se producen durante la limpieza son principalmente polvo sólido, de pequeño volumen, fácil de almacenar y reciclable. Esto permite combatir la contaminación ambiental provocada por la limpieza química.
2.2 Los métodos de limpieza tradicionales suelen ser limpieza por contacto, que ejerce fuerza mecánica sobre la superficie del objeto limpiado, causando daños a la superficie, o el medio de limpieza se pega a la superficie, causando contaminación secundaria. La limpieza láser sin contacto y sin molienda puede resolver estos problemas.
2.3 Los láseres pueden transmitirse a través de fibra óptica y pueden funcionar junto con un manipulador y un robot para operaciones a larga distancia. Pueden limpiar piezas de difícil acceso utilizando métodos tradicionales, garantizando la seguridad del personal en algunos lugares peligrosos.
2.4 La limpieza con láser puede eliminar varios tipos de contaminantes en la superficie de diversos materiales y lograr un nivel de limpieza que no se puede lograr con los métodos de limpieza convencionales. También puede limpiar selectivamente los contaminantes de la superficie del material sin dañarlo.
2.5 La limpieza con láser es muy eficiente y ahorra tiempo.
2.6 Aunque la inversión única en la compra de un sistema de limpieza láser es alta, el sistema de limpieza se puede utilizar de manera estable durante mucho tiempo con bajos costos operativos y solo cargos de electricidad por hora.
principio p
El proceso de limpieza con láser pulsado Nd:YAG depende de las características del pulso óptico generado por el láser y se basa en la reacción fotofísica resultante de la interacción entre un rayo láser pulsado corto y de alta intensidad y una capa contaminante.
El principio físico se puede resumir de la siguiente manera:
a) El rayo láser emitido es absorbido por la capa contaminada de la superficie a tratar.
b) La absorción de una gran cantidad de energía crea un plasma en rápida expansión (un gas inestable altamente ionizado) que genera ondas de choque.
c) La onda de choque descompone los contaminantes en fragmentos y los elimina.
d) La duración del pulso de la luz debe ser lo suficientemente corta para evitar una acumulación de calor que pueda dañar la superficie tratada.
e) Los experimentos muestran que si hay óxidos en la superficie del metal, se produce plasma en la superficie del metal.
El plasma se genera sólo cuando la densidad de energía excede el umbral, que depende de la capa contaminada o de óxido eliminada.
Si la densidad de energía excede este límite, el material base puede dañarse.
Para limpiar el sustrato de forma eficaz y al mismo tiempo garantizar su seguridad, los parámetros del láser deben ajustarse según la situación para que la densidad de energía del pulso óptico esté estrictamente entre los dos límites.
Cada pulso láser elimina un cierto espesor de la capa contaminante. Para capas de contaminación más gruesas, se requieren múltiples pulsos de limpieza.
La cantidad de pulsos necesarios para limpiar la superficie depende del grado de contaminación de la superficie. Un resultado importante de ambos límites es el autocontrol de la limpieza.
Los pulsos de luz con una densidad de energía mayor que el primer umbral eliminarán los contaminantes hasta alcanzar el material base.
Sin embargo, como su densidad de energía es inferior al límite de falla del material del sustrato, el sustrato no resultará dañado.
aplicación práctica
La limpieza con láser es una técnica versátil que puede eliminar eficazmente contaminantes orgánicos e inorgánicos como corrosión de metales, partículas metálicas, polvo, etc. A continuación se presentan algunas aplicaciones prácticas de esta tecnología, que ya ha alcanzado un alto nivel de madurez y es ampliamente utilizada.
4.1. Limpieza de moldes:
Cada año, los fabricantes de neumáticos de todo el mundo producen cientos de millones de neumáticos. Durante el proceso de producción, la limpieza de los moldes de neumáticos debe ser eficiente y eficaz para minimizar el tiempo de inactividad.
Los métodos de limpieza tradicionales, como el chorro de arena, la limpieza ultrasónica o la limpieza con dióxido de carbono, requieren que el molde se enfríe durante varias horas antes de ser transportado al equipo de limpieza. Este proceso lleva mucho tiempo y puede comprometer fácilmente la precisión del molde. Además, el uso de disolventes químicos y el ruido resultante pueden generar preocupaciones sobre la seguridad y la protección del medio ambiente.
El método de limpieza láser ofrece una solución a estos desafíos. Como el láser se puede transmitir a través de fibra óptica, tiene una gran flexibilidad de uso. Además, el método de limpieza láser se puede combinar con fibra óptica para dirigir la luz a áreas del molde de difícil acceso, lo que facilita la limpieza. Además, el proceso de limpieza con láser no gasifica el caucho, lo que elimina el riesgo de emisiones de gases tóxicos y garantiza un entorno de trabajo seguro.
La tecnología de limpieza láser para moldes de neumáticos ha sido ampliamente adoptada en las industrias de neumáticos europeas y americanas.
Efecto de la limpieza de neumáticos con láser.
Aunque el costo inicial del equipo de limpieza láser es alto, los beneficios de reducir el tiempo de inactividad, prevenir daños en el molde, mejorar la seguridad y reducir el uso de materia prima pueden compensar rápidamente esta inversión.
Según una prueba de limpieza realizada en la línea de producción de una empresa de neumáticos, un conjunto de moldes de neumáticos de camión grandes se puede limpiar en línea utilizando un equipo de limpieza láser en sólo 2 horas.
En comparación con los métodos de limpieza tradicionales, los beneficios económicos del uso de la limpieza láser son claros.
En la industria alimentaria, la película elástica antiadherente de los moldes debe sustituirse periódicamente para mantener la higiene. Para esta aplicación también es adecuada la limpieza con láser, que no requiere agentes químicos.
Efecto de limpieza del molde
4.2. Limpieza de armas y equipo:
La tecnología de limpieza láser se utiliza ampliamente en el mantenimiento de armas.
El sistema de limpieza láser es una forma eficiente y rápida de eliminar óxido y contaminantes, además de permitir una eliminación selectiva, dando como resultado un proceso de limpieza automatizado.
En comparación con la limpieza química, la limpieza con láser no solo proporciona un mayor nivel de limpieza, sino que también minimiza el daño a la superficie de los objetos que se limpian.
Además, ajustando diferentes parámetros, se puede formar una densa película protectora de óxido o una capa de fusión de metal sobre las superficies metálicas, aumentando su resistencia y resistencia a la corrosión.
Finalmente, los residuos generados por la limpieza con láser son respetuosos con el medio ambiente y el proceso se puede realizar de forma remota, reduciendo el riesgo de riesgos para la salud de los operadores.
4.3. Quitar pintura vieja de aviones:
En Europa, los sistemas de limpieza por láser se utilizan ampliamente en la industria aeronáutica desde hace mucho tiempo.
Las superficies de los aviones deben volverse a pintar después de un cierto período, pero antes de que esto suceda, la pintura vieja debe eliminarse por completo.
Los métodos tradicionales de eliminación mecánica de pintura pueden dañar fácilmente la superficie metálica de la aeronave y representar una amenaza para la seguridad del vuelo.
Sin embargo, mediante el uso de varios sistemas de limpieza láser, la capa de pintura de la superficie de un Airbus A320 se puede eliminar por completo en dos días sin causar ningún daño a la superficie metálica.
4.4. Limpieza de la pared exterior del edificio:
Con el rápido crecimiento de la economía china, cada vez se construyen más rascacielos y el desafío de limpiar sus paredes exteriores es cada vez más frecuente. El sistema de limpieza láser Laserlaste ofrece una solución eficaz para la limpieza de paredes exteriores de edificios utilizando fibras ópticas de hasta 70 metros de largo.
Este sistema puede limpiar eficazmente todo tipo de contaminantes de diversas superficies, como piedra, metal y vidrio, lo que da como resultado una eficiencia de limpieza varias veces mayor que los métodos de limpieza convencionales.
También puede eliminar las manchas negras y la decoloración de diversos materiales pétreos utilizados en el exterior de los edificios.
Los experimentos que utilizan el sistema de limpieza láser en edificios y losas de piedra del templo Songshan Shaolin han demostrado que la limpieza láser tiene un efecto muy positivo en la protección de edificios antiguos y la restauración de su apariencia.
4.5. Limpieza en la industria electrónica.
La industria electrónica utiliza tecnología láser para la eliminación de óxido. La descontaminación de precisión es crucial en esta industria, lo que hace que la eliminación de óxido por láser sea una solución ideal.
Antes de soldar una placa de circuito, es necesario eliminar completamente los óxidos de los pines de los componentes para garantizar un contacto eléctrico óptimo. Este proceso no debería dañar los pasadores.
La limpieza con láser es capaz de cumplir estos requisitos y es muy eficiente. De hecho, solo es necesario exponer un solo pin al láser una vez para una descontaminación eficaz.
4.6. Limpieza desengrasante de precisión en la industria de maquinaria de precisión:
En la industria de maquinaria de precisión, a menudo es necesario eliminar los ésteres y aceites minerales utilizados para la lubricación y la resistencia a la corrosión de las piezas. Por lo general, esto se hace mediante métodos químicos, pero la limpieza química a menudo deja residuos.
La deesterificación por láser es una alternativa que puede eliminar completamente los ésteres y aceites minerales sin dañar la superficie de las piezas. Esto se logra mediante el uso de una onda de choque.
La onda de choque se forma por la gasificación explosiva de la fina capa de óxido en la superficie de las piezas, provocando la eliminación de contaminantes y no por interacción mecánica.
Este método de limpieza por láser se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial para la desesterificación completa de piezas mecánicas.
También se puede aplicar al mecanizado de piezas mecánicas para eliminar ésteres de aceite.
4.7. Limpieza de tuberías en reactor de central nuclear:
El sistema de limpieza por láser también se utiliza para limpiar tuberías en reactores de centrales nucleares.
Utilizando fibras ópticas, se introduce un rayo láser de alta potencia en el reactor para eliminar directamente el polvo radiactivo, lo que da como resultado materiales fáciles de limpiar. Además, el funcionamiento remoto garantiza la seguridad del personal.
En conclusión, la limpieza con láser desempeña un papel crucial en muchos campos, incluida la fabricación de automóviles, la limpieza de obleas semiconductoras, el procesamiento y la fabricación de piezas de precisión, la limpieza de equipos militares, la limpieza de paredes exteriores de edificios, la protección de artefactos culturales, la limpieza de placas de circuitos, el procesamiento y la fabricación de piezas de precisión. , limpieza de LCD, eliminación de residuos de chicle y más.
Principales métodos de limpieza.
Existen cuatro métodos principales de limpieza con láser:
① Método de limpieza en seco con láser, también conocido como descontaminación por radiación directa con láser pulsado.
② Método Láser + Película Líquida, que consiste en depositar una capa de película líquida sobre la superficie del sustrato y luego descontaminarla con radiación láser.
③ El método láser + gas inerte, que consiste en soplar gas inerte sobre la superficie del sustrato mientras se aplica radiación láser. Una vez eliminada la suciedad de la superficie, es inmediatamente expulsada por el gas para evitar la nueva contaminación y oxidación.
④ Después de que el láser elimina la suciedad, se limpia con un método químico no corrosivo. Este método sólo se utiliza para limpiar reliquias culturales de piedra.
Los tres primeros métodos son los más utilizados, mientras que el cuarto método sólo se utiliza en casos puntuales.
La tecnología de limpieza láser se aplica internacionalmente a materiales pétreos desde hace más de diez años. En China, la aplicación de la tecnología de limpieza láser a materiales pétreos comenzó más tarde debido al alto coste de los equipos láser.
A pesar del alto costo, la tecnología de limpieza láser tiene muchas ventajas sobre los métodos de limpieza tradicionales y, a medida que la tecnología continúa mejorando y los equipos están más disponibles, se espera que desempeñe un papel importante en la industria de la limpieza de materiales pétreos.
