تولید پیشرفته و صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار نیاز مبرمی فزاینده ای به فرآیندهای پیشرفته دارد. از نظر تصفیه سطح صنعتی، نیاز مبرمی به ارتقای جامع فناوری و فرآیندها وجود دارد. فرآیندهای نظافت صنعتی سنتی، مانند تمیز کردن اصطکاکی مکانیکی، تمیز کردن خوردگی شیمیایی، تمیز کردن ضربه قوی، تمیز کردن اولتراسونیک با فرکانس بالا، نه تنها دارای چرخه تمیز کردن طولانی هستند، بلکه خودکار کردن آنها دشوار است، اثرات مضری بر محیط زیست دارند و به نتیجه نمی رسند. اثر تمیز کنندگی مورد نظر نمی تواند به خوبی نیازهای پردازش خوب را برآورده کند.
با این حال، با تضادهای برجسته فزاینده بین حفاظت از محیط زیست، راندمان بالا و دقت بالا، روش های سنتی تمیز کردن صنعتی به شدت به چالش کشیده می شوند. در همین زمان، فناوری‌های تمیزکننده مختلفی که برای حفاظت از محیط‌زیست مساعد بوده و برای قطعات در زمینه فوق‌افینینگ مناسب هستند، ظهور کرده‌اند که فناوری پاکسازی لیزری یکی از آنهاست.
مفهوم تمیز کردن لیزر
تمیز کردن لیزری فناوری است که از یک لیزر متمرکز برای عمل بر روی سطح یک ماده استفاده می‌کند تا به سرعت آلودگی‌های روی سطح را تبخیر یا جدا کند تا سطح مواد را تمیز کند. در مقایسه با روش‌های مختلف تمیز کردن فیزیکی یا شیمیایی سنتی، تمیز کردن لیزر دارای ویژگی‌های عدم تماس، بدون مواد مصرفی، بدون آلودگی، دقت بالا، بدون آسیب یا آسیب جزئی است و یک انتخاب ایده‌آل برای نسل جدید فناوری نظافت صنعتی است.
اصل کار دستگاه تمیز کردن لیزر
اصل ازدستگاه شستشوی لیزریپیچیده تر است و ممکن است شامل فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی باشد. در بسیاری از موارد، فرآیندهای فیزیکی فرآیند اصلی هستند که با برخی واکنش های شیمیایی همراه هستند. فرآیندهای اصلی را می توان به سه دسته تقسیم کرد که شامل فرآیند گازی شدن، فرآیند شوک و فرآیند نوسان می شود.
فرآیند گازسازی
هنگامی که لیزر پرانرژی بر روی سطح ماده تابش می شود، سطح انرژی لیزر را جذب کرده و به انرژی داخلی تبدیل می کند، به طوری که دمای سطح به سرعت بالا می رود و به بالاتر از دمای تبخیر مواد می رسد، به طوری که آلاینده ها به صورت بخار از سطح مواد جدا می شود. تبخیر انتخابی معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که میزان جذب نور لیزر توسط آلاینده‌های سطحی به طور قابل‌توجهی بیشتر از سطح جذب شود. یک مورد کاربردی معمولی، تمیز کردن خاک روی سطوح سنگی است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، آلاینده های سطح سنگ دارای جذب قوی لیزر بوده و به سرعت تبخیر می شوند. هنگامی که آلاینده ها حذف می شوند و لیزر بر روی سطح سنگ تابش می کند، جذب ضعیف است، انرژی لیزر بیشتری توسط سطح سنگ پراکنده می شود، تغییر دمای سطح سنگ کم است و سطح سنگ از آسیب محافظت می شود.
یک فرآیند معمول مبتنی بر شیمیایی زمانی اتفاق می‌افتد که یک لیزر در باند فرابنفش برای تمیز کردن آلاینده‌های آلی استفاده می‌شود که به آن فرسایش لیزری می‌گویند. لیزرهای فرابنفش طول موج کوتاه و انرژی فوتون بالایی دارند. به عنوان مثال، لیزرهای اگزایمر KrF دارای طول موج 248 نانومتر و انرژی فوتون به اندازه 5 eV است که 40 برابر بیشتر از انرژی فوتون لیزر CO2 (0.12 eV) است. چنین انرژی فوتون بالایی برای از بین بردن پیوندهای مولکولی مواد آلی کافی است، به طوری که CC، CH، CO و غیره در آلاینده‌های آلی پس از جذب انرژی فوتون لیزر شکسته می‌شوند و در نتیجه گازی شدن در اثر حرارت و حذف از سطح رخ می‌دهد.
فرآیند شوک
فرآیند شوک مجموعه ای از واکنش هایی است که در طول برهمکنش بین لیزر و ماده رخ می دهد و سپس موج ضربه ای روی سطح ماده ایجاد می شود. تحت تاثیر موج ضربه، آلاینده های سطح شکسته شده و تبدیل به گرد و غبار یا زباله های جدا شده از سطح می شوند. مکانیسم های زیادی وجود دارد که باعث ایجاد امواج شوک می شود، از جمله پلاسما، بخار، و انبساط و انقباض سریع حرارتی. با استفاده از امواج شوک پلاسما به عنوان مثال، می توان به طور خلاصه درک کرد که چگونه فرآیند شوک در تمیز کردن لیزر، آلودگی های سطح را حذف می کند. با استفاده از لیزرهای عرض پالس بسیار کوتاه (ns) و قدرت پیک فوق العاده بالا (107-1010 W/cm2)، دمای سطح همچنان به شدت افزایش می یابد حتی اگر سطح لیزر را به آرامی جذب کند و فوراً به دمای تبخیر می رسد. در بالا، بخار تشکیل شده در بالای سطح ماده، همانطور که در (الف) در شکل زیر نشان داده شده است. دمای بخار می تواند به 104 تا 105 کلوین برسد که می تواند خود بخار یا هوای اطراف را یونیزه کند و پلاسما تشکیل دهد. پلاسما از رسیدن لیزر به سطح مواد جلوگیری می‌کند و ممکن است تبخیر سطح مواد متوقف شود، اما پلاسما به جذب انرژی لیزر ادامه می‌دهد و دما همچنان بالا می‌رود و حالت موضعی ایجاد می‌کند. دمای فوق العاده بالا و فشار بالا، که 1-100 کیلوبار آنی روی سطح ماده تولید می کند. همانطور که در شکل های (ب) و (ج) زیر نشان داده شده است، ضربه به تدریج به داخل ماده منتقل می شود. تحت تأثیر موج ضربه ای، آلاینده های سطحی به گرد و غبار، ذرات یا قطعات کوچک تجزیه می شوند. هنگامی که لیزر از موقعیت تابش دور می شود، پلاسما ناپدید می شود و فشار منفی به صورت موضعی ایجاد می شود و ذرات یا بقایای آلاینده ها از سطح حذف می شوند، همانطور که در شکل (د) زیر نشان داده شده است.
فرآیند نوسان
تحت تأثیر پالس های کوتاه، فرآیندهای گرمایش و خنک کننده مواد بسیار سریع است. از آنجایی که مواد مختلف دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند، تحت تابش لیزر پالس کوتاه، آلاینده‌های سطحی و زیرلایه تحت انبساط و انقباض حرارتی با فرکانس‌های بالا قرار می‌گیرند و درجات مختلف را متحمل می‌شوند که منجر به نوسان می‌شود و باعث جدا شدن آلاینده‌ها از سطح می‌شود. مواد در طی این فرآیند لایه برداری، ممکن است تبخیر مواد رخ ندهد و پلاسما تولید نشود. در عوض، نیروی برشی ایجاد شده در سطح مشترک آلاینده و بستر تحت اثر نوسان، پیوند بین آلاینده و زیرلایه را از بین می برد. . مطالعات نشان داده اند که وقتی زاویه برخورد لیزر کمی افزایش می یابد، تماس بین لیزر و آلودگی ذرات و سطح مشترک بستر را می توان افزایش داد، آستانه تمیز کردن لیزر را می توان کاهش داد، اثر نوسان آشکارتر است، و راندمان تمیز کردن بالاتر است. با این حال، زاویه برخورد نباید خیلی بزرگ باشد. زاویه برخورد بیش از حد بزرگ باعث کاهش چگالی انرژی بر روی سطح ماده می شود و توانایی تمیز کردن لیزر را ضعیف می کند.
کاربردهای صنعتی پاک کننده های لیزری
صنعت قالب
پاک کننده لیزری می تواند تمیز کردن بدون تماس قالب را که برای سطح قالب بسیار ایمن است متوجه شود، می تواند از دقت آن اطمینان حاصل کند و می تواند ذرات کثیفی زیر میکرونی را که با روش های تمیز کردن سنتی حذف نمی شوند، تمیز کند. برای دستیابی به تمیز کردن واقعاً بدون آلودگی، کارآمد و با کیفیت بالا.
صنعت ابزار دقیق
صنعت ماشین‌آلات دقیق اغلب نیاز به حذف استرها و روغن‌های معدنی مورد استفاده برای روان‌کاری و مقاومت در برابر خوردگی از قطعات، معمولاً شیمیایی دارد، و تمیز کردن شیمیایی اغلب بقایایی بر جای می‌گذارد. استریفیکاسیون لیزری می تواند استرها و روغن های معدنی را بدون آسیب رساندن به سطح قطعات به طور کامل حذف کند. لیزر باعث افزایش گازی شدن لایه نازک اکسید بر روی سطح قطعه می شود و موج ضربه ای را تشکیل می دهد که منجر به حذف آلاینده ها به جای تعامل مکانیکی می شود.
صنعت ریلی
در حال حاضر، تمام تمیز کردن ریل های قبل از جوشکاری از نوع تمیز کردن چرخ سنگ زنی و تسمه ساینده استفاده می کنند که باعث آسیب جدی به بستر و تنش پسماند جدی می شود و هر ساله مقدار زیادی از مواد مصرفی چرخ سنگ زنی را مصرف می کند که هزینه بر است و باعث جدی می شود. آلودگی گرد و غبار به محیط زیست تمیز کردن لیزری می تواند فناوری تمیز کردن سبز با کیفیت بالا و کارآمد را برای تولید خطوط راه آهن پرسرعت کشور من فراهم کند، مشکلات فوق را حل کند، عیوب جوشکاری مانند سوراخ های ریل بدون درز و لکه های خاکستری را از بین ببرد و ثبات و ایمنی خطوط ریلی کشور من را بهبود بخشد. - بهره برداری از راه آهن سریع
صنعت هوانوردی
سطح هواپیما پس از مدت زمان مشخصی نیاز به رنگ آمیزی مجدد دارد، اما قبل از رنگ آمیزی باید رنگ قدیمی اصلی به طور کامل پاک شود. خیساندن/پاک کردن شیمیایی روش اصلی پاکسازی رنگ در زمینه هوانوردی است. این روش منجر به مقدار زیادی ضایعات شیمیایی کمکی می شود و دستیابی به تعمیر و نگهداری محلی و پاکسازی رنگ غیرممکن است. این فرآیند حجم کار سنگینی دارد و برای سلامتی مضر است. تمیز کردن لیزر امکان حذف رنگ با کیفیت بالا را روی سطوح پوست هواپیما فراهم می کند و به راحتی برای تولید خودکار می شود. در حال حاضر، فناوری تمیز کردن لیزر برای تعمیر و نگهداری برخی از مدل‌های پیشرفته استفاده شده است.
صنعت کشتی
در حال حاضر، تمیز کردن پیش از تولید کشتی ها عمدتاً از روش انفجار شنی استفاده می کند. روش سند بلاست باعث آلودگی شدید محیط اطراف گرد و غبار شده و به تدریج ممنوع شده است و در نتیجه باعث کاهش یا حتی توقف تولید توسط کشتی سازان شده است. فن آوری تمیز کردن لیزر یک محلول تمیز کننده سبز و بدون آلودگی برای پاشش ضد خوردگی روی سطوح کشتی ارائه می دهد.
سلاح
فناوری تمیز کردن لیزر به طور گسترده در تعمیر و نگهداری سلاح استفاده شده است. سیستم تمیز کردن لیزر می تواند زنگ زدگی و آلودگی ها را به طور موثر و سریع حذف کند و می تواند قسمت تمیز کننده را برای تحقق اتوماسیون تمیز کردن انتخاب کند. با استفاده از تمیز کردن لیزر، نه تنها تمیزی بالاتر از فرآیند تمیز کردن شیمیایی است، بلکه تقریباً هیچ آسیبی به سطح جسم وارد نمی کند. با تنظیم پارامترهای مختلف، دستگاه تمیز کننده لیزر می تواند یک فیلم محافظ اکسید متراکم یا لایه ذوب فلز را روی سطح اجسام فلزی تشکیل دهد تا استحکام سطح و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشد. ضایعات حذف شده توسط لیزر اساساً محیط را آلوده نمی کند و همچنین می توان آن را در مسافت طولانی کار کرد که به طور موثر آسیب به سلامت اپراتور را کاهش می دهد.
نمای بیرونی ساختمان
آسمان خراش های بیشتری ساخته می شود و مشکل تمیز کردن دیوارهای بیرونی به طور فزاینده ای برجسته شده است. سیستم تمیز کننده لیزری دیوارهای خارجی ساختمان ها را به خوبی از طریق فیبرهای نوری تمیز می کند. محلول با حداکثر طول 70 متر می تواند به طور موثر آلاینده های مختلف را بر روی سنگ ها، فلزات و شیشه های مختلف تمیز کند و کارایی آن بسیار بالاتر از تمیز کردن معمولی است. همچنین می تواند لکه ها و لکه های سیاه را از سنگ های مختلف ساختمان ها پاک کند. تست نظافت سیستم پاکسازی لیزری بر روی ساختمان ها و بناهای سنگی نشان می دهد که تمیزکاری لیزری تاثیر خوبی در حفاظت از نمای ساختمان های باستانی دارد.
صنعت الکترونیک
صنعت الکترونیک از لیزر برای حذف اکسیدها استفاده می کند: صنعت الکترونیک نیاز به آلودگی زدایی با دقت بالا دارد و اکسید زدایی با لیزر به ویژه مناسب است. پین های اجزاء باید قبل از لحیم کاری تخته کاملاً اکسیده شوند تا از تماس الکتریکی بهینه اطمینان حاصل شود و پین ها در طول فرآیند ضد آلودگی آسیب نبینند. تمیز کردن لیزر می تواند الزامات استفاده را برآورده کند و راندمان بسیار بالا است و برای هر سوزن فقط یک تابش لیزر لازم است.
نیروگاه هسته ای
سیستم های تمیز کننده لیزری نیز در تمیز کردن لوله های راکتور در نیروگاه های هسته ای استفاده می شود. از یک فیبر نوری برای وارد کردن پرتو لیزر پرقدرت به راکتور استفاده می کند تا به طور مستقیم گرد و غبار رادیواکتیو را حذف کند و مواد تمیز شده به راحتی تمیز می شوند. و چون از راه دور کار می کند، ایمنی کارکنان را می توان تضمین کرد.
خلاصه
صنعت ساخت پیشرفته امروزی به قله های برتر رقابت بین المللی تبدیل شده است. به عنوان یک سیستم پیشرفته در تولید لیزر، دستگاه تمیز کننده لیزر پتانسیل زیادی برای ارزش کاربردی در توسعه صنعتی دارد. توسعه شدید فناوری تمیز کردن لیزر اهمیت استراتژیک بسیار مهمی برای توسعه اقتصادی و اجتماعی دارد.