La technologie de nettoyage au laser utilise des lasers à largeur d'impulsion étroite et à haute densité de puissance sur la surface de l'objet à nettoyer.Grâce aux effets combinés des vibrations rapides, de la vaporisation, de la décomposition et du pelage du plasma, les contaminants, les taches de rouille ou les revêtements sur la surface subissent une évaporation et un détachement instantanés, permettant ainsi un nettoyage de la surface.
Le nettoyage au laser offre des avantages tels qu'une précision sans contact, respectueuse de l'environnement, efficace et aucun dommage au substrat, ce qui le rend applicable dans divers scénarios.
Nettoyage au laser
Vert et efficace
L'industrie du pneu, l'industrie des nouvelles énergies et l'industrie des machines de construction, entre autres, appliquent largement le nettoyage au laser.À l'ère des objectifs « double carbone », le nettoyage laser apparaît comme une nouvelle solution sur le marché du nettoyage traditionnel en raison de sa haute efficacité, de sa contrôlabilité précise et de ses caractéristiques respectueuses de l'environnement.
Concept de nettoyage laser :
Le nettoyage au laser consiste à focaliser les faisceaux laser sur la surface du matériau pour vaporiser ou décoller rapidement les contaminants de surface, réalisant ainsi le nettoyage de la surface du matériau.Comparé aux diverses méthodes traditionnelles de nettoyage physique ou chimique, le nettoyage au laser se caractérise par l'absence de contact, l'absence de consommables, l'absence de pollution, une haute précision et des dommages minimes ou nuls, ce qui en fait un choix idéal pour la nouvelle génération de technologie de nettoyage industriel.
Principe du nettoyage laser :
Le principe du nettoyage au laser est complexe et peut impliquer des processus à la fois physiques et chimiques.Dans de nombreux cas, les processus physiques dominent, accompagnés de réactions chimiques partielles.Les principaux processus peuvent être classés en trois types : le processus de vaporisation, le processus de choc et le processus d'oscillation.
Processus de gazéification :
Lorsqu'une irradiation laser à haute énergie est appliquée à la surface d'un matériau, la surface absorbe l'énergie laser et la convertit en énergie interne, provoquant une augmentation rapide de la température de surface.Cette élévation de température atteint ou dépasse la température de vaporisation du matériau, provoquant le détachement des contaminants de la surface du matériau sous forme de vapeur.La vaporisation sélective se produit souvent lorsque le taux d'absorption des contaminants par le laser est nettement supérieur à celui du substrat.Un exemple d'application typique est le nettoyage de la saleté sur les surfaces en pierre.Comme le montre le diagramme ci-dessous, les contaminants présents à la surface de la pierre absorbent fortement le laser et sont rapidement vaporisés.Une fois que les contaminants sont complètement éliminés et que le laser irradie la surface de la pierre, l’absorption est plus faible et davantage d’énergie laser est diffusée par la surface de la pierre.Par conséquent, la température de la surface de la pierre change peu, ce qui la protège des dommages.
Un processus typique impliquant principalement une action chimique se produit lors du nettoyage des contaminants organiques avec des lasers à longueur d'onde ultraviolette, un processus connu sous le nom d'ablation laser.Les lasers ultraviolets ont des longueurs d’onde plus courtes et une énergie photonique plus élevée.Par exemple, un laser excimère KrF d'une longueur d'onde de 248 nm a une énergie photonique de 5 eV, soit 40 fois supérieure à celle des photons laser CO2 (0,12 eV).Une telle énergie photonique élevée est suffisante pour rompre les liaisons moléculaires dans les matériaux organiques, provoquant la fracture des liaisons CC, CH, CO, etc. dans les contaminants organiques lors de l'absorption de l'énergie photonique du laser, conduisant à une gazéification pyrolytique et à une élimination du surface.
Processus de choc dans le nettoyage au laser :
Le processus de choc lors du nettoyage au laser implique une série de réactions qui se produisent lors de l'interaction entre le laser et le matériau, entraînant des ondes de choc impactant la surface du matériau.Sous l’influence de ces ondes de choc, les contaminants de surface se brisent en poussière ou en fragments, se décollant de la surface.Les mécanismes à l’origine de ces ondes de choc sont variés, notamment les phénomènes de plasma, de vapeur et de dilatation et contraction thermiques rapides.
En prenant comme exemple les ondes de choc plasma, nous pouvons comprendre brièvement comment le processus de choc lors du nettoyage au laser élimine les contaminants de surface.Avec l'application de lasers à largeur d'impulsion ultra-courte (ns) et à puissance de crête ultra-élevée (107-1010 W/cm2), la température de surface peut augmenter fortement jusqu'aux températures de vaporisation même si l'absorption de surface du laser est faible.Cette augmentation rapide de la température forme de la vapeur au-dessus de la surface du matériau, comme le montre l'illustration (a).La température de la vapeur peut atteindre 104 – 105 K, suffisamment pour ioniser la vapeur elle-même ou l’air ambiant, formant ainsi un plasma.Le plasma empêche le laser d'atteindre la surface du matériau, interrompant éventuellement la vaporisation de la surface.Cependant, le plasma continue d’absorber l’énergie laser, augmentant encore sa température et créant un état localisé de température et de pression extrêmement élevées.Cela génère un impact momentané de 1 à 100 kbar sur la surface du matériau et se transmet progressivement vers l'intérieur, comme le montrent les illustrations (b) et (c).Sous l’impact de l’onde de choc, les contaminants de surface se fracturent en minuscules poussières, particules ou fragments.Lorsque le laser s'éloigne de l'endroit irradié, le plasma disparaît rapidement, créant une pression négative locale, et les particules ou fragments de contaminants sont éliminés de la surface, comme le montre l'illustration (d).
Processus d'oscillation dans le nettoyage laser :
Lors du processus d'oscillation du nettoyage laser, le chauffage et le refroidissement du matériau se produisent extrêmement rapidement sous l'influence de lasers à impulsions courtes.En raison des différents coefficients de dilatation thermique des différents matériaux, les contaminants de surface et le substrat subissent une dilatation et une contraction thermiques à haute fréquence à des degrés divers lorsqu'ils sont exposés à une irradiation laser à impulsions courtes.Cela entraîne un effet oscillatoire qui provoque le décollement des contaminants de la surface du matériau.
Au cours de ce processus de pelage, la vaporisation du matériau peut ne pas se produire et aucun plasma ne se forme nécessairement.Au lieu de cela, le processus repose sur les forces de cisaillement générées à l’interface entre le contaminant et le substrat sous l’action oscillatoire, qui brisent la liaison entre eux.Des études ont montré qu'une légère augmentation de l'angle d'incidence du laser peut améliorer le contact entre le laser, les particules polluantes et l'interface du substrat.Cette approche abaisse le seuil de nettoyage laser, rendant l'effet oscillatoire plus prononcé et améliorant l'efficacité du nettoyage.Cependant, l’angle d’incidence ne doit pas être trop grand, car un angle très élevé peut réduire la densité d’énergie agissant sur la surface du matériau, affaiblissant ainsi la capacité de nettoyage du laser.
Applications industrielles du nettoyage laser :
1 : Industrie du moule
Le nettoyage au laser permet un nettoyage sans contact des moules, garantissant ainsi la sécurité des surfaces des moules.Il garantit la précision et peut nettoyer les particules de saleté inférieures au micron que les méthodes de nettoyage traditionnelles peuvent avoir du mal à éliminer.Cela permet d’obtenir un véritable nettoyage sans pollution, efficace et de haute qualité.
2 : Industrie des instruments de précision
Dans les industries mécaniques de précision, les composants doivent souvent être éliminés des esters et des huiles minérales utilisés pour la lubrification et la résistance à la corrosion.Les méthodes chimiques sont couramment utilisées pour le nettoyage, mais elles laissent souvent des résidus.Le nettoyage au laser permet d'éliminer complètement les esters et les huiles minérales sans endommager la surface des composants.Les explosions de couches d'oxyde induites par laser sur les surfaces des composants génèrent des ondes de choc, provoquant l'élimination des contaminants sans interaction mécanique.
3 : Industrie ferroviaire
Actuellement, le nettoyage des rails avant le soudage utilise principalement le meulage et le ponçage des roues, ce qui entraîne de graves dommages au substrat et des contraintes résiduelles.De plus, il consomme une quantité importante de consommables abrasifs, ce qui entraîne des coûts élevés et une grave pollution par les poussières.Le nettoyage au laser peut fournir une technique de nettoyage de haute qualité, efficace et respectueuse de l'environnement pour la production de voies ferrées à grande vitesse en Chine.Il aborde des problèmes tels que les trous de rail sans soudure, les points gris et les défauts de soudure, améliorant ainsi la stabilité et la sécurité des opérations ferroviaires à grande vitesse.
4 : Industrie aéronautique
Les surfaces des avions doivent être repeintes après un certain temps, mais avant de peindre, l'ancienne peinture doit être complètement enlevée.L'immersion/essuyage chimique est une méthode majeure de décapage de peinture dans le secteur aéronautique, provoquant d'importants déchets chimiques et une incapacité à réaliser un retrait localisé de la peinture pour la maintenance.Le nettoyage au laser permet d’obtenir une élimination de haute qualité de la peinture de la surface du revêtement de l’avion et est facilement adaptable à la production automatisée.Actuellement, cette technologie a commencé à être appliquée à la maintenance de certains modèles d’avions haut de gamme à l’étranger.
5 : Industrie maritime
Le nettoyage de pré-production dans l'industrie maritime utilise couramment des méthodes de sablage, provoquant une grave pollution par la poussière dans l'environnement.L’interdiction progressive du sablage a entraîné une réduction de la production, voire des arrêts pour les entreprises de construction navale.La technologie de nettoyage au laser fournira une solution de nettoyage écologique et non polluante pour le revêtement anticorrosion des surfaces des navires.
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Heure de publication : 16 janvier 2024