Was ist Laserreinigung? Mechanismen, Vorteile und praktische Anwendungen

In der Industrie und anderen Bereichen dominieren seit langem traditionelle Reinigungsmethoden wie die chemische Reinigung und das maschinelle Schleifen. Bei der chemischen Reinigung entsteht wahrscheinlich eine große Menge chemischer Abfallflüssigkeit, was zu Umweltverschmutzung führt. Außerdem besteht die Gefahr der Korrosion einiger Präzisionskomponenten. Obwohl mechanisches Schleifen undSandstrahlenKann Oberflächenschmutz entfernen, es ist leicht, das Grundmaterial zu beschädigen. Beim Umgang mit Bauteilen mit komplexen Formen ist die Wirkung gering und es entsteht außerdem eine Staubverschmutzung, die eine Gefahr für die Gesundheit der Bediener darstellt. Darüber hinaus ist es schwierig, die Anforderungen einer hochpräzisen Reinigung zu erfüllen. Darüber hinaus ist das Verständnis derVergleich der Ultraschallreinigungund abrasive Methoden verdeutlichen, warum moderne Industrien nach präzisen, berührungslosen Alternativen suchen.

Mit der rasanten Entwicklung hochwertiger Fertigungsindustrien wie der Luft- und Raumfahrt, dem Schienenverkehr und der Schifffahrt werden die Anforderungen an die Komponentenreinigung immer strenger. Die Oberflächenqualität großer und komplexer Komponenten wie Flugzeugtriebwerkseinlässe, Karosserien von Hochgeschwindigkeitszügen und Schiffsluken wirkt sich direkt auf die Produktleistung und Lebensdauer aus. Kritische Operationen wieReinigung der Schweißanschlüsse vor-, Formenentölung und präzise Oberflächenvorbereitung erfordern eine hohe Reinigungsgenauigkeit, Effizienz und Oberflächenintegrität, die herkömmliche Reinigungsmethoden nicht mehr erfüllen können. Diese Komponenten sind nicht nur groß und komplex in der Form, sondern stellen auch extrem hohe Anforderungen an Reinigungsgenauigkeit, Effizienz und Oberflächenintegrität. Herkömmliche Reinigungsmethoden können den Entwicklungsanforderungen moderner Fertigungsindustrien nicht mehr gerecht werden.

Vor dem Hintergrund des wachsenden globalen Bewusstseins für Umweltschutz steht die produzierende Industrie vor dem Druck, Schadstoffemissionen und Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Als umweltfreundliche ReinigungstechnologieLaserreinigungstechnologiebietet Vorteile wie keine chemische Verschmutzung, geringen Energieverbrauch und berührungslose Reinigung. Es kann die durch herkömmliche Reinigungsmethoden verursachten Umweltprobleme effektiv lösen, entspricht der Strategie der nachhaltigen Entwicklung und der Anwendungsbedarf in verschiedenen Bereichen wird immer dringlicher.

Bei der Laserreinigung handelt es sich um eine Technologie, bei der ein Laserstrahl mit hoher -Energiedichte mit der Oberfläche eines Materials interagiert. Dadurch werden Schmutz, Beschichtungen etc. von der Oberfläche des Untergrundes abgelöst oder zersetzt, wodurch der Reinigungszweck erreicht wird.

Der Laserreinigungsprozess umfasst mehrere physikalische Mechanismen wie thermische Ablation, Spannungsvibration, thermische Ausdehnung, Verdampfung, Phasenexplosion, Verdampfungsdruck und Plasmaschock. Diese Mechanismen arbeiten zusammen, um das zu reinigende Objekt vom Untergrund zu trennen und so den Reinigungseffekt zu erzielen.

Je nach Reinigungsmedium lässt sich die Laserreinigung in Laser-Trockenreinigung, Nass-Laserreinigung und Laser-Stoßwellenreinigung unterteilen.

Laser-Trockenreinigung

Die Laser-Trockenreinigung ist derzeit die am weitesten verbreitete Laserreinigungsmethode. Dabei wird die Oberfläche des Substrats direkt mit einem Laserstrahl bestrahlt, wodurch das Substrat eine thermische Ausdehnung erfährt, um die Van-der-Waals-Kraft zu überwinden und so Schmutz zu entfernen.

Laserintensität:Die Änderung der Laserenergiedichte beeinflusst maßgeblich die Reinigungswirkung. Bei niedrigen Energieintensitäten sind Verdampfung und Phasenexplosion die Hauptprozesse. Bei hohen Energiedichten spielen auch Verdampfungsdruck und Schockeffekte eine Rolle, und ultrahohe Energie kann zu Problemen wie der Plasmaerzeugung führen. Üblicherweise wird die Reinigung mit einer relativ geringen Energiedichte durchgeführt, um das Substrat zu schonen.

Laserwellenlänge:Die Wellenlänge hängt mit der Energiekopplung des Materials zusammen. Bei kurzen Wellenlängen dominiert die photochemische Ablation, während bei langen Wellenlängen die photothermische Ablation vorherrscht. Darüber hinaus beeinflusst die Wellenlänge die Kraft- und Temperaturverteilung zwischen den Partikeln und dem Substrat und beeinflusst so die Reinigungskraft und -effizienz. Auch der Einfluss der Wellenlänge variiert je nach Reinigungsaufgabe.

Impulsbreite:Die Reinigungsmechanismen von kurzen-und langen-Pulsen sind unterschiedlich. Lange --Pulse haben einen starken Ablationseffekt, aber eine geringe Selektivität, während kurze --Pulse hohe Temperaturen und Stoßwellen erzeugen können, um Verunreinigungen mit weniger Schaden zu entfernen. Bei ultrakurzen Pulsbreiten von - ist der „Ablations“-Mechanismus am Werk.

Einfallswinkel:Wenn der Laser vertikal bestrahlt wird, können Schmutzpartikel den Laser blockieren. Schrägbestrahlung kann die Reinigungseffizienz verbessern.

Mechanismus der Laser-Trockenreinigung und der Einfluss wichtiger Parameter auf den Reinigungseffekt: a) Mechanismus b) Wellenlänge c) Pulsbreite d) Einfallswinkel e) Vorder-/Rückeinfall

Nasse Laserreinigung

Dies wird mit Hilfe eines Flüssigkeitsfilms erreicht. Auf die Oberfläche des zu reinigenden Werkstücks wird vorab ein Flüssigkeitsfilm aufgebracht. Wenn der Laser direkt einstrahlt, erwärmt sich die Flüssigkeit schnell und erzeugt eine starke Aufprallkraft, wodurch Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats entfernt werden.

Mechanismus der Nasslaserreinigung

Laserschock--Wellenreinigung

Die Laserschockwellen-Reinigungstechnologie ist in zwei Kategorien unterteilt: trockene Laserschockwellenreinigung und hybride Laserstoßwellenreinigung.

Bei der trockenen Laserstoßwellenreinigung wird der Laser fokussiert, um ein Plasma zu erzeugen, das auf Partikel trifft. Dadurch können Schäden durch direkte Einstrahlung vermieden werden, allerdings kann es zu toten Winkeln kommen. Sie kann durch Änderung des Einfallswinkels oder Verwendung einer Doppelstrahlreinigung verbessert werden.

Die Hybrid-Laserstoßwellenreinigung umfasst Methoden wie Dampf, Unterwasser und Nasslaserschock. Es nutzt die Wirkungsweise von Flüssigkeiten zur Schmutzentfernung. Es hängt mit Eigenschaften wie der Flüssigkeitsdichte zusammen und bietet ein breites Anwendungsspektrum mit offensichtlichen Vorteilen.

Mechanismus der Laserschock--Wellenreinigung: a) Trockene Laserschock--Wellenreinigung b) Verbesserte trockene Laserschock--Wellenreinigung b1) Einzel---Strahllaser b2) Dual--Strahl-Laser c) Nasse Laserschock--Wellenreinigung.

1. Entfernung von Titanlegierungsoxiden in der Luft- und Raumfahrt -

Es hat eine bemerkenswerte Wirkung, den Oxidfilm auf der Oberfläche des Ansaugkanals aus Titanlegierung mithilfe eines Nanosekunden-Pulslasers zu reinigen. Seine geringe thermische Wirkung kann eine sekundäre Oxidation des Substrats verhindern, was eine bessere Reinigungsmethode darstellt.

Trockenreinigungsmechanismus:
Der Hauptmechanismus ist die Laserablation. Wenn die Laserenergie auf den Oxidfilm einwirkt, absorbiert die Oberfläche eine große Energiemenge. Abhängig von der Energie verändert sich der Ablationsmechanismus und es bilden sich verschiedene morphologische Strukturen auf der Oberfläche.

Wenn die Energie niedrig ist, wird ein Teil des Oxidfilms entfernt, wobei ein kleiner Teil der umgeschmolzenen Fläche zurückbleibt; Bei mäßiger Energie wird der Oxidfilm entfernt und der Schaden ist vernachlässigbar. Wenn die Energie zu hoch ist, kann der Oxidfilm zwar entfernt werden, verursacht jedoch große Schäden am Substrat und es bildet sich eine geriffelte Struktur auf der Oberfläche.

Nassreinigungsmechanismus:

Bei einer niedrigeren Energiedichte ist der Reinigungsmechanismus eine laserinduzierte Stoßwelle. Bei einer höheren Energiedichte kommt es hauptsächlich zu Laserablation und Phasenexplosion. Während des Reinigungsprozesses wird die Titanlegierung schnell abgekühlt und erhitzt, um eine martensitische Titanlegierung zu bilden. Wenn die Energiedichte auf einen bestimmten Wert ansteigt, wird die Oberfläche zu einer nano-strukturierten Vorsprungsoberfläche, und diese nano-Struktur ist von großer Bedeutung für die spätere Anwendung von Titanlegierungsmaterialien.

Die Laserreinigungswirkung und der Mechanismus des Oxidfilms auf der Oberfläche des Luft- und Raumfahrt-Titanlegierungs-Ansaugkanals: a) Oberflächenmorphologie der Titanlegierung nach der Reinigung b) Hauptmechanismus der Laser-Trockenreinigung des Titanlegierungs-Oxidfilms c) Hauptmechanismus der Laser-Nassreinigung des Titanlegierungs-Oxidfilms.

2. Entlackung der Karosserie von Hochgeschwindigkeitszügen -

Farbdicke und Reinigungsmethode:

Für die Lackreinigung von Hochgeschwindigkeits-Autokarosserien aus Aluminiumlegierung erfordern unterschiedliche Farben und Lackdicken unterschiedliche geeignete Laserreinigungsmethoden.

3000 W CW-Faserlaser-Reinigungsmaschine

Dünner Lack (Dicke kleiner oder gleich 40 μm): Es ist besser, eine Laserlichtquelle mit einer geringeren Lackabsorptionsrate zu wählen und diese durch thermische Vibration zu entfernen;
Dicker Lack: Es ist notwendig, eine Laserlichtquelle mit einer höheren Lackabsorptionsrate zu wählen und diese mithilfe des Ablationsmechanismus zu entfernen.

Rote Farbe entfernen:
Der Hauptablösemechanismus für rote Farbe ist der Vibrationsmechanismus.

Während des Reinigungsprozesses dringt Laserenergie in das Substrat ein und die durch den Temperaturanstieg des Substrats erzeugte thermische Belastung führt dazu, dass die Farbe abfällt und die gesamte Farbschicht entfernt werden kann, wobei die restliche Farbe auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung eine lockere, netzartige Morphologie aufweist.

Blaue Farbe entfernen:
Bei gleichem Laserenergieeintrag ist die Temperatur von blauem Lack höher als die von rotem Lack, die thermische Belastung des Substrats ist jedoch geringer als die von rotem Lack. Wenn die Lacktemperatur den Siedepunkt erreicht, wird der Lack durch Verdunstung entfernt, und es gibt auch gekoppelte Mechanismen wie Schichtriss, Brennen und Plasmaschock.

Laser-Reinigungseffekt und Mechanismus des Lacks auf der Oberfläche einer Hochgeschwindigkeits-Schienenkarosserie aus Aluminiumlegierung: a) Oberflächenmorphologie der Aluminiumlegierung nach der Reinigung b) Hauptmechanismus der Laser-Trockenreinigung von blauem/rotem Lack auf der Oberfläche einer Aluminiumlegierung.

3. Schiffbau - Rumpfrostentfernung

Trockenreinigung zur Rostentfernung
Bei der Trockenreinigung von Schiffsrümpfen aus hochfestem Stahl ist der Hauptentfernungsmechanismus die Verdampfung des Oxidfilms aufgrund der Energieabsorption. Wenn die Oberflächenoxide verdampfen und verdunsten, wird eine nach unten gerichtete Reaktionskraft erzeugt, die dabei hilft, dickere Oxidfilme zu entfernen.

Flüssigfilm-Unterstützte Laser-Rostentfernung
Der Hauptmechanismus der flüssigkeitsfilmunterstützten Laserrostentfernung ist die Phasenexplosion, die dadurch verursacht wird, dass Tröpfchen Energie absorbieren und eine Aufprallkraft erzeugen, um die Rostschicht zu entfernen.

Der explosive Siedeeffekt des Flüssigkeitsfilms verstärkt die Wirkung des Phasenexplosionsmechanismus auf die Rostentfernung und ermöglicht eine bessere Entfernung von oberflächlichen Oxidfilmen, ist jedoch nicht wirksam bei der Entfernung tiefer vergrabener Oxide.

Verschiedene Mechanismen zur Entfernung der Rostschicht beeinflussen den Fluss des geschmolzenen Metalls auf der Oberfläche. Der durch die Phasenexplosion erzeugte seitliche Schub kann das Fließen der geschmolzenen Schicht fördern und die Oberfläche glatter machen, während der durch den Verdampfungsmechanismus erzeugte Oxiddampf das Füllen von Löchern mit flüssigem Metall beeinflussen kann.

Laserreinigung von Rost auf der Oberfläche von Schiffsrümpfen aus hochfestem Stahl: a) Oberflächenmorphologie von hochfestem Stahl nach der Reinigung b) Hauptmechanismen der Laser-Trocken-/Nassreinigung von Rost auf der Oberfläche von Schiffsrümpfen aus hochfestem Stahl.

4. Entfernung von Biofouling im Meer -

Laserparameter und Reinigungseffekt:

Laser mit schmalen Pulsbreiten und hoher Spitzenleistung haben eine bessere Reinigungswirkung auf Meeresmikroorganismen auf Aluminiumlegierungsoberflächen.

Mechanismus zur Entfernung von Mikroorganismen:
Die Laserentfernungsmechanismen für die Schicht der extrazellulären Polymersubstanzen (EPS) und das Seepockensubstrat sind Ablationsverdampfung bzw. Stoßwellenentfernung. Beim Multiphotonenabsorptionsprozess brechen die einzelnen Ketten mikrobieller Makromoleküle und zerfallen in eine große Anzahl von Atomen. Nach der Ionisierung können Meeresmikroorganismen durch die kombinierte Wirkung von Plasmaschock- und Ablationsmechanismen besser entfernt werden.

Bei organischen Substanzen wie Farbe und Meeresmikroorganismen führen photochemische Reaktionen bei niedrigen Laserenergiedichten zum Aufbrechen der chemischen Bindungen, was sich in Zersetzung, Verfärbung, Aktivitätsverlust usw. äußert. Mit zunehmender Energiedichte treten Phänomene wie Ablation, Verdampfung, Verbrennungsflammen und Plasmaschock auf.

Bei anorganischen Stoffen wie Oxidschichten und Rost gibt es bei niedrigen Energiedichten keine Veränderungen, und nach Energieerhöhung kommt es zu Ablation und Verdampfung.

Laserreinigungseffekt und Mechanismus mariner Mikroorganismen auf Oberflächen aus Aluminiumlegierungen.

Gepulste Laserreiniger haben wichtige Anwendungen beim Schutz kultureller Relikte und erfüllen die Anforderungen an die zerstörungsfreie und hochpräzise Reinigung kultureller Relikte wie Stein-, Papier- und Metallartefakte.

Tragbarer gepulster Laserreiniger mit 200 W

Typische Anwendungen der gepulsten Laserreinigung in Kulturdenkmälern:

Steinartefakte:

a) Antike römische Odysseus-Skulptur aus Marmor: a1) Vor der Reinigung, a2) Nach der Reinigung

b) Römischer Marmorsarkophag: b1) Vor der Reinigung, b2) Nach der Reinigung

c) Reliefskulpturen des Parthenon-Tempels der griechischen Akropolis

Papierartefakte:
d) Ölgemälde „Christus vor Pilatus“ aus dem 15.-Jahrhundert: d1) Vor der Reinigung d2) Nach der Reinigung

e) Modernes Ölgemälde „Jagdszene“ aus dem 19.-Jahrhundert: e1) Vor der Reinigung e2) Nach der Reinigung
 

Metallartefakte:
f) Bronzeskulptur der University of Illinois: f1) Vor der Reinigung f2) Nach der Reinigung

g) Silbernes Jagdgewehr: g1) Vor der Reinigung g2) Nach der Reinigung

h) Militärgoldgeflecht aus dem 19.-Jahrhundert: h1) Vor der Reinigung h2) Vollständig gereinigt h3) Über-gereinigt

Andere Artefakte:
i) Vergoldeter Holzrahmen aus dem 19.-Jahrhundert: i1) Vor der Reinigung i2) Nach der Reinigung

j) Afrikanische Rattanmatte aus dem 19.-Jahrhundert: j1) Vor der Reinigung j2) Nach der Reinigung

k) Altägyptisches Glasgefäß: k1) Vor der Reinigung k2) Nach der Reinigung

Da die industrielle Automatisierung voranschreitet und sich die Umweltvorschriften verschärfen, ersetzt die Laserreinigung schnell das traditionelle Schleifen, chemische Bäder und Sandstrahlen. Die Auswahl des richtigen Lasersystems hängt von Ihrem Zielmaterial, Ihrer Reinigungsgeschwindigkeit, Ihrer Laserleistung und Ihren Mobilitätsanforderungen ab. Schauen Sie sich unseren umfassenden Leitfaden anCheckliste für die Auswahl einer Laserreinigungsmaschineum die beste Nennleistung und Einrichtung des optischen Scanners für Ihre Fertigungslinie zu ermitteln.

Kontaktieren Sie noch heute die technischen Ingenieure von King's Laserum eine individuelle Lösung zur Oberflächenvorbereitung anzufordern, einen Probereinigungstest zu vereinbaren oder ein schnelles Angebot für Ihre Einrichtung zu erhalten!