Bei der Laserreinigungstechnologie werden Laser mit schmaler Pulsbreite und hoher Leistungsdichte auf der Oberfläche des zu reinigenden Objekts eingesetzt.Durch die kombinierte Wirkung von schneller Vibration, Verdampfung, Zersetzung und Plasmaablösung werden Verunreinigungen, Rostflecken oder Beschichtungen auf der Oberfläche sofort verdampft und abgelöst, wodurch eine Oberflächenreinigung erreicht wird.
Die Laserreinigung bietet Vorteile wie berührungslose, umweltfreundliche, effiziente Präzision und keine Beschädigung des Substrats, wodurch sie in verschiedenen Szenarien anwendbar ist.
Laserreinigung
Grün und effizient
Unter anderem in der Reifenindustrie, der neuen Energiebranche und der Baumaschinenindustrie wird die Laserreinigung in großem Umfang eingesetzt.Im Zeitalter der „Dual-Carbon“-Ziele entwickelt sich die Laserreinigung aufgrund ihrer hohen Effizienz, präzisen Steuerbarkeit und umweltfreundlichen Eigenschaften zu einer neuen Lösung auf dem traditionellen Reinigungsmarkt.
Konzept der Laserreinigung:
Bei der Laserreinigung werden Laserstrahlen auf die Materialoberfläche fokussiert, um Oberflächenverunreinigungen schnell zu verdampfen oder abzulösen und so eine Reinigung der Materialoberfläche zu erreichen.Im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen physikalischen oder chemischen Reinigungsmethoden zeichnet sich die Laserreinigung durch keinen Kontakt, keine Verbrauchsmaterialien, keine Umweltverschmutzung, hohe Präzision und minimale oder keine Schäden aus, was sie zur idealen Wahl für die neue Generation industrieller Reinigungstechnologie macht.
Prinzip der Laserreinigung:
Das Prinzip der Laserreinigung ist komplex und kann sowohl physikalische als auch chemische Prozesse umfassen.In vielen Fällen dominieren physikalische Prozesse, begleitet von teilweisen chemischen Reaktionen.Die Hauptprozesse können in drei Typen eingeteilt werden: Verdampfungsprozess, Schockprozess und Oszillationsprozess.
Vergasungsprozess:
Wenn die Oberfläche eines Materials mit hochenergetischer Laserstrahlung bestrahlt wird, absorbiert die Oberfläche die Laserenergie und wandelt sie in innere Energie um, wodurch die Oberflächentemperatur schnell ansteigt.Dieser Temperaturanstieg erreicht oder überschreitet die Verdampfungstemperatur des Materials, wodurch sich die Verunreinigungen in Form von Dampf von der Materialoberfläche lösen.Eine selektive Verdampfung tritt häufig auf, wenn die Absorptionsrate der Verunreinigungen durch den Laser deutlich höher ist als die des Substrats.Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Reinigung von Schmutz auf Steinoberflächen.Wie in der Abbildung unten dargestellt, absorbieren Verunreinigungen auf der Steinoberfläche den Laser stark und verdampfen schnell.Sobald die Verunreinigungen vollständig entfernt sind und der Laser die Steinoberfläche bestrahlt, ist die Absorption schwächer und es wird mehr Laserenergie an der Steinoberfläche gestreut.Dadurch ändert sich die Temperatur der Steinoberfläche nur minimal und sie wird so vor Beschädigungen geschützt.
Ein typischer Prozess, der hauptsächlich auf chemischer Wirkung beruht, findet bei der Reinigung organischer Verunreinigungen mit Lasern mit ultravioletter Wellenlänge statt, einem Prozess, der als Laserablation bekannt ist.Ultraviolette Laser haben kürzere Wellenlängen und eine höhere Photonenenergie.Beispielsweise hat ein KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm eine Photonenenergie von 5 eV, was 40-mal höher ist als die von CO2-Laserphotonen (0,12 eV).Eine solch hohe Photonenenergie reicht aus, um die molekularen Bindungen in organischen Materialien aufzubrechen, was dazu führt, dass die CC-, CH-, CO- usw. Bindungen in den organischen Verunreinigungen bei der Absorption der Photonenenergie des Lasers aufbrechen, was zu einer pyrolytischen Vergasung und Entfernung aus dem Material führt Oberfläche.
Schockprozess bei der Laserreinigung:
Der Schockprozess bei der Laserreinigung umfasst eine Reihe von Reaktionen, die während der Wechselwirkung zwischen Laser und Material auftreten und dazu führen, dass Stoßwellen auf die Oberfläche des Materials treffen.Unter dem Einfluss dieser Stoßwellen zerfallen Oberflächenverunreinigungen in Staub oder Fragmente und lösen sich von der Oberfläche.Die Mechanismen, die diese Stoßwellen verursachen, sind vielfältig und umfassen Plasma-, Dampf- und schnelle thermische Expansions- und Kontraktionsphänomene.
Am Beispiel von Plasmaschockwellen können wir kurz verstehen, wie der Schockprozess bei der Laserreinigung Oberflächenverunreinigungen entfernt.Bei der Anwendung von Lasern mit ultrakurzer Pulsbreite (ns) und ultrahoher Spitzenleistung (107–1010 W/cm2) kann die Oberflächentemperatur stark auf Verdampfungstemperaturen ansteigen, selbst wenn die Oberflächenabsorption des Lasers schwach ist.Durch diesen schnellen Temperaturanstieg entsteht Dampf über der Materialoberfläche, wie in der Abbildung (a) dargestellt.Die Dampftemperatur kann 104 – 105 K erreichen, was ausreicht, um den Dampf selbst oder die umgebende Luft zu ionisieren und ein Plasma zu bilden.Das Plasma verhindert, dass der Laser die Materialoberfläche erreicht, wodurch möglicherweise die Oberflächenverdampfung gestoppt wird.Das Plasma absorbiert jedoch weiterhin Laserenergie, wodurch seine Temperatur weiter ansteigt und ein örtlicher Zustand extrem hoher Temperatur und Druck entsteht.Dies erzeugt einen kurzzeitigen Stoß von 1–100 kbar auf der Materialoberfläche und überträgt sich zunehmend nach innen, wie in den Abbildungen (b) und (c) dargestellt.Unter dem Einfluss der Stoßwelle zerfallen Oberflächenverunreinigungen in winzigen Staub, Partikel oder Fragmente.Wenn sich der Laser von der bestrahlten Stelle entfernt, verschwindet das Plasma sofort, wodurch ein lokaler Unterdruck entsteht und die Partikel oder Fragmente der Verunreinigungen von der Oberfläche entfernt werden, wie in Abbildung (d) gezeigt.
Oszillationsprozess bei der Laserreinigung:
Beim Oszillationsprozess der Laserreinigung erfolgt unter dem Einfluss von Kurzpulslasern sowohl die Erwärmung als auch die Abkühlung des Materials äußerst schnell.Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien unterliegen die Oberflächenverunreinigungen und das Substrat einer hochfrequenten Wärmeausdehnung und -kontraktion unterschiedlichen Ausmaßes, wenn sie einer Kurzpulslaserbestrahlung ausgesetzt werden.Dadurch kommt es zu einem Schwingungseffekt, der dazu führt, dass sich die Verunreinigungen von der Materialoberfläche ablösen.
Während dieses Schälvorgangs kommt es möglicherweise nicht zu einer Materialverdampfung und es entsteht auch nicht notwendigerweise ein Plasma.Stattdessen beruht der Prozess auf den Scherkräften, die an der Grenzfläche zwischen der Verunreinigung und dem Substrat unter der Schwingungswirkung erzeugt werden und die Bindung zwischen ihnen aufbrechen.Studien haben gezeigt, dass eine leichte Vergrößerung des Lasereinfallswinkels den Kontakt zwischen dem Laser, den Partikelverunreinigungen und der Grenzfläche des Substrats verbessern kann.Dieser Ansatz senkt die Schwelle für die Laserreinigung, wodurch der Oszillationseffekt ausgeprägter wird und die Reinigungseffizienz verbessert wird.Allerdings sollte der Einfallswinkel nicht zu groß sein, da ein sehr großer Winkel die auf die Materialoberfläche wirkende Energiedichte verringern und dadurch die Reinigungsfähigkeit des Lasers schwächen kann.
Industrielle Anwendungen der Laserreinigung:
1: Formenbau
Die Laserreinigung ermöglicht die berührungslose Reinigung von Formen und gewährleistet so die Sicherheit der Formoberflächen.Es garantiert Präzision und kann Schmutzpartikel im Submikrometerbereich reinigen, die mit herkömmlichen Reinigungsmethoden möglicherweise nur schwer zu entfernen sind.Dadurch wird eine wirklich schadstofffreie, effiziente und qualitativ hochwertige Reinigung erreicht.
2: Präzisionsinstrumentenindustrie
In der Präzisionsmechanikindustrie müssen Komponenten häufig von Estern und Mineralölen befreit werden, die zur Schmierung und Korrosionsbeständigkeit verwendet werden.Zur Reinigung werden üblicherweise chemische Methoden eingesetzt, die jedoch häufig Rückstände hinterlassen.Durch die Laserreinigung können Ester und Mineralöle vollständig entfernt werden, ohne die Oberfläche der Bauteile zu beschädigen.Durch laserinduzierte Explosionen von Oxidschichten auf den Bauteiloberflächen entstehen Stoßwellen, die eine Entfernung von Verunreinigungen ohne mechanische Wechselwirkung bewirken.
3: Bahnindustrie
Derzeit erfolgt die Schienenreinigung vor dem Schweißen überwiegend durch Schleif- und Schleifscheiben, was zu schweren Untergrundschäden und Eigenspannungen führt.Darüber hinaus werden erhebliche Mengen abrasiver Verbrauchsmaterialien verbraucht, was zu hohen Kosten und einer erheblichen Staubbelastung führt.Die Laserreinigung kann eine hochwertige, effiziente und umweltfreundliche Reinigungstechnik für die Produktion von Hochgeschwindigkeitsbahnschienen in China darstellen.Es befasst sich mit Problemen wie nahtlosen Schienenlöchern, grauen Stellen und Schweißfehlern und verbessert so die Stabilität und Sicherheit des Hochgeschwindigkeitsbahnbetriebs.
4: Luftfahrtindustrie
Flugzeugoberflächen müssen nach einer gewissen Zeit neu lackiert werden, allerdings muss vor dem Lackieren der alte Lack vollständig entfernt werden.Das Eintauchen/Wischen mit Chemikalien ist eine wichtige Entlackungsmethode in der Luftfahrtbranche, die erhebliche Chemikalienabfälle verursacht und eine örtliche Entfernung der Farbe für Wartungszwecke unmöglich macht.Mit der Laserreinigung kann eine qualitativ hochwertige Entfernung von Lack von der Flugzeughautoberfläche erreicht werden und lässt sich leicht an die automatisierte Produktion anpassen.Derzeit wird diese Technologie bei der Wartung einiger High-End-Flugzeugmodelle im Ausland eingesetzt.
5: Maritime Industrie
Bei der Reinigung vor der Produktion in der Schifffahrtsindustrie werden häufig Sandstrahlverfahren eingesetzt, was zu einer starken Staubbelastung der Umgebung führt.Da das Sandstrahlen nach und nach verboten wird, hat dies zu Produktionsrückgängen oder sogar Stillständen bei Schiffbauunternehmen geführt.Die Laserreinigungstechnologie wird eine umweltfreundliche und schadstofffreie Reinigungslösung für die Korrosionsschutzbeschichtung von Schiffsoberflächen bieten.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. Januar 2024