Laserreiniging is de laatste jaren uitgegroeid tot een van de belangrijkste onderzoeksthema's in de industriële productie. Het onderzoek omvat het proces, de theorie, de apparatuur en de toepassingen. In industriële toepassingen is laserreinigingstechnologie in staat gebleken een groot aantal verschillende oppervlakken betrouwbaar te reinigen, waaronder staal, aluminium, titanium, glas en composietmaterialen. Toepassingsgebieden zijn onder andere de lucht- en ruimtevaart, scheepvaart, hogesnelheidstreinen, automobielindustrie, matrijzenbouw, kernenergie en scheepvaart.
Laserreinigingstechnologie, die dateert uit de jaren 60, heeft als voordelen een goed reinigingseffect, een breed scala aan toepassingen, hoge precisie, contactloos gebruik en toegankelijkheid. In de industriële productie, onderhoud en andere sectoren heeft laserreiniging brede toepassingsmogelijkheden en zal naar verwachting de traditionele reinigingsmethoden gedeeltelijk of volledig vervangen, waarmee het de meest veelbelovende groene reinigingstechnologie van de 21e eeuw wordt.
Laserreinigingsmethode
Het laserreinigingsproces is zeer complex en omvat diverse mechanismen voor materiaalverwijdering. Bij een laserreinigingsmethode kunnen tegelijkertijd verschillende mechanismen optreden, die voornamelijk te wijten zijn aan de interactie tussen de laser en het materiaal. Deze mechanismen omvatten onder andere ablatie, ontbinding, ionisatie, degradatie, smelten, verbranding, verdamping, trillingen, sputteren, uitzetting, krimp, explosie, afschilfering en andere fysische en chemische veranderingen aan het materiaaloppervlak.
Momenteel zijn er hoofdzakelijk drie gangbare laserreinigingsmethoden: laserablatie, laserreiniging met vloeistoffilm en laserschokgolfreiniging.
Laserablatie-reinigingsmethode
De belangrijkste methodologische mechanismen zijn thermische uitzetting, verdamping, ablatie en fase-explosie. De laser werkt rechtstreeks in op het te verwijderen materiaal van het oppervlak van het substraat en de omgevingsomstandigheden kunnen lucht, verdund gas of vacuüm zijn. De bedrijfsomstandigheden zijn eenvoudig en de methode wordt het meest gebruikt voor het verwijderen van diverse coatings, verf, deeltjes of vuil. Het onderstaande diagram toont het procesdiagram voor de laserablatie-reinigingsmethode.
Wanneer laserstraling het oppervlak van het materiaal raakt, ondergaan het substraat en het reinigingsmateriaal eerst thermische uitzetting. Naarmate de interactietijd van de laser met het reinigingsmateriaal toeneemt, en de temperatuur lager is dan de cavitatiedrempel van het reinigingsmateriaal, ondergaat het reinigingsmateriaal alleen een fysieke verandering. Het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt tussen het reinigingsmateriaal en het substraat leidt tot druk op het grensvlak, waardoor het reinigingsmateriaal kan knikken, van het substraatoppervlak kan scheuren, barsten kan vertonen, mechanisch kan breken, door trillingen kan worden verbrijzeld, enzovoort. Het reinigingsmateriaal wordt vervolgens door middel van een straal of door afschilfering van het substraatoppervlak verwijderd.
Als de temperatuur hoger is dan de vergassingsdrempeltemperatuur van het reinigingsmateriaal, doen zich twee situaties voor: 1) de ablatiedrempel van het reinigingsmateriaal is lager dan die van het substraat; 2) de ablatiedrempel van het reinigingsmateriaal is hoger dan die van het substraat.
Deze twee vormen van reiniging van materialen zijn smelten, cavitatie en ablatie, en andere fysisch-chemische veranderingen. Het reinigingsmechanisme is complexer en kan, naast thermische effecten, ook het verbreken van moleculaire bindingen tussen reinigingsmaterialen en substraten, ontleding of degradatie van reinigingsmaterialen, fase-explosie, gasvorming, onmiddellijke ionisatie en plasmavorming omvatten.
(1)Laserreiniging met behulp van een vloeistoffilm
Het werkingsmechanisme van de methode omvat hoofdzakelijk vloeistoffilmverdamping, kookprocessen en trillingen. Het is noodzakelijk om de juiste lasergolflengte te kiezen, om zo het gebrek aan impactdruk bij laserablatie te compenseren. Hierdoor kan de methode ook worden toegepast op moeilijk te verwijderen objecten.
Zoals in de onderstaande afbeelding te zien is, wordt een vloeistoffilm (water, ethanol of andere vloeistoffen) aangebracht op het oppervlak van het te reinigen object, waarna deze met een laser wordt bestraald. De vloeistoffilm absorbeert laserenergie, wat resulteert in een krachtige explosie van het vloeibare medium. Door deze explosie beweegt de kokende vloeistof met hoge snelheid en wordt de energie overgedragen op het te reinigen oppervlak. De hoge, kortstondige explosiekracht is voldoende om het vuil van het oppervlak te verwijderen en zo het reinigingsdoel te bereiken.
De laserreinigingsmethode met behulp van een vloeibare film heeft twee nadelen.
Een omslachtig proces dat moeilijk te controleren is.
Door het gebruik van een vloeibare film verandert de chemische samenstelling van het substraatoppervlak na reiniging gemakkelijk en kunnen er nieuwe stoffen ontstaan.
(1)Reinigingsmethode met laserschokgolven
De procesaanpak en het mechanisme verschillen aanzienlijk van de eerste twee. Het mechanisme is voornamelijk gebaseerd op het verwijderen van materiaal door middel van schokgolven. De te reinigen objecten zijn voornamelijk deeltjes, met name deeltjes (submicron of nanometer). De proceseisen zijn zeer streng, zowel om de ionisatie van de lucht te garanderen als om een geschikte afstand tussen de laser en het substraat te bewaren, zodat de impactkracht op de deeltjes groot genoeg is.
Het schematische diagram van het laserreinigingsproces met schokgolven is hieronder weergegeven. De laserstraal wordt parallel aan het substraatoppervlak gericht, zonder dat het substraat ermee in contact komt. Door het werkstuk of de laserkop te bewegen, wordt de laserfocus aangepast aan de deeltjes in de buurt van de laseruitgang. Op het focuspunt treedt luchtionisatie op, wat resulteert in schokgolven. Deze schokgolven breiden zich snel uit in een bolvorm en komen in contact met de deeltjes. Wanneer het moment van de transversale component van de schokgolf op het deeltje groter is dan het moment van de longitudinale component en de adhesiekracht van het deeltje, wordt het deeltje door rollen verwijderd.
Laserreinigingstechnologie
Het mechanisme van laserreiniging is hoofdzakelijk gebaseerd op het feit dat na absorptie van laserenergie, verdamping, vervluchtiging of onmiddellijke thermische uitzetting van de deeltjes op het oppervlak van het object, deze deeltjes loskomen van het oppervlak en zo het reinigingsproces wordt voltooid.
Grofweg samengevat als: 1. laserdampontleding, 2. laserstrippen, 3. thermische uitzetting van vuildeeltjes, 4. trilling van het substraatoppervlak en deeltjestrilling (vier aspecten).
Vergeleken met het traditionele reinigingsproces heeft laserreinigingstechnologie de volgende kenmerken.
1. Het is een "droge" reiniging, zonder reinigingsmiddel of andere chemische oplossingen, en de reinheid is veel hoger dan bij een chemische reiniging.
2. De reikwijdte van de vuilverwijdering en het toepassingsgebied van de ondergrond is zeer breed, en
3. Door de laserprocesparameters te reguleren, kan het oppervlak van het substraat niet beschadigd raken en worden verontreinigingen effectief verwijderd, waardoor het oppervlak er weer als nieuw uitziet.
4. Laserreiniging kan eenvoudig geautomatiseerd worden.
5. Laserdecontaminatieapparatuur kan langdurig worden gebruikt en heeft lage bedrijfskosten.
6. Laserreinigingstechnologie is een milieuvriendelijk reinigingsproces dat afval produceert in de vorm van een vast poeder, klein van formaat, gemakkelijk op te bergen en in principe het milieu niet vervuilt.
In de jaren tachtig stelde de snelle ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie hogere eisen aan de reinigingstechnologie voor de oppervlakteverontreiniging van siliciumwafelmaskers. De belangrijkste uitdaging was het overwinnen van de sterke adsorptiekracht tussen microdeeltjes en het substraat. Traditionele methoden zoals chemische reiniging, mechanische reiniging en ultrasone reiniging voldeden niet aan deze eisen. Laserreiniging bood echter een oplossing voor dit verontreinigingsprobleem, wat leidde tot een snelle ontwikkeling in onderzoek en toepassingen op dit gebied.
In 1987 verscheen de eerste octrooiaanvraag voor laserreiniging. In de jaren negentig paste Zapka laserreinigingstechnologie met succes toe in het halfgeleiderproductieproces om microdeeltjes van het oppervlak van maskers te verwijderen, waarmee de vroege toepassing van laserreinigingstechnologie in de industriële sector werd gerealiseerd. In 1995 gebruikten onderzoekers een 2 kW TEA-CO2-laser om met succes de verf van vliegtuigrompen te verwijderen.
Na de intrede in de 21e eeuw, met de snelle ontwikkeling van ultrakorte pulslasers, nam het onderzoek naar en de toepassing van laserreinigingstechnologie in binnen- en buitenland gestaag toe. De focus lag daarbij op het reinigen van metalen oppervlakken. Typische buitenlandse toepassingen zijn het verwijderen van verf van vliegtuigrompen, het ontvetten van mallen, het verwijderen van koolstofafzettingen in motoren en het reinigen van lasnaden. Het Amerikaanse Edison Welding Institute reinigde bijvoorbeeld met een laser een FG16-gevechtsvliegtuig, waarbij het laservermogen 1 kW bedroeg en het reinigingsvolume 2,36 cm³ per minuut bedroeg.
Het is de moeite waard om te vermelden dat onderzoek naar en toepassing van laserverfverwijdering op geavanceerde composietonderdelen ook een belangrijk onderzoeksgebied is. Zo zijn er al toepassingen voor laserverfverwijdering gerealiseerd op de propellerbladen van de HG53- en HG56-helikopters van de Amerikaanse marine en op de vlakke staart van het F16-gevechtsvliegtuig, naast andere composietoppervlakken. In China loopt de toepassing van composietmaterialen in de luchtvaart echter achter, waardoor dit onderzoek zich grotendeels nog in een beginstadium bevindt.
Daarnaast is het gebruik van laserreinigingstechnologie voor de oppervlaktebehandeling van CFRP-composietverbindingen vóór het lijmen, om de sterkte van de verbinding te verbeteren, een van de huidige onderzoeksgebieden. Adapt Laser Company leverde bijvoorbeeld fiberlaserreinigingsapparatuur aan de productielijn van de Audi TT om de oxidefilm op het oppervlak van de lichtgewicht aluminium deurkozijnen te verwijderen. Rolls-Royce UK gebruikte laserreiniging om oxidefilm te verwijderen van het oppervlak van titanium vliegtuigmotoronderdelen.
De laserreinigingstechnologie heeft zich de afgelopen twee jaar razendsnel ontwikkeld. Zowel op het gebied van procesparameters en reinigingsmechanismen als onderzoek naar te reinigen objecten en toepassingen is grote vooruitgang geboekt. Na veel theoretisch onderzoek verschuift de focus van laserreinigingstechnologie steeds meer naar de praktische toepassingen, met veelbelovende resultaten. In de toekomst zal laserreinigingstechnologie steeds vaker worden ingezet voor de bescherming van cultureel erfgoed en kunstwerken, en de markt hiervoor is zeer breed. Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie wordt de toepassing van laserreinigingstechnologie in de industrie steeds meer werkelijkheid en breidt het toepassingsgebied zich steeds verder uit.
Maven Laser Automation Company is al 14 jaar actief in de laserindustrie. Wij zijn gespecialiseerd in lasermarkering en beschikken over laserreinigingsmachines voor machinekasten, trolleykoffers, rugzakken en drie-in-één machines. Daarnaast hebben we ook laserlasmachines, lasersnijmachines en lasergraveermachines. Heeft u interesse in onze machines? Volg ons dan gerust of neem contact met ons op.
Geplaatst op: 14 november 2022
