Laser-Reinigungsmaschinen: Mechanismus und Parametereinfluss

Die Laserreinigung ist eine wirksame Methode zur Entfernung von Schmutzpartikeln und Filmen unterschiedlicher Materialien und Größen von einer festen Oberfläche.

Durch den Einsatz eines hellen und gut gerichteten kontinuierlichen oder gepulsten Lasers wird nach optischer Fokussierung und Spotformung ein Laserstrahl mit einer bestimmten Spotform und Energieverteilung erzeugt. Der Laserstrahl wird dann auf die zu reinigende Oberfläche des verunreinigten Materials gestrahlt.

Nachdem das auf der Oberfläche angebrachte Schadstoffmaterial die Laserenergie absorbiert hat, durchläuft es eine Reihe komplexer physikalischer und chemischer Prozesse wie Vibration, Schmelzen, Verbrennung und sogar Verdampfung, wodurch sich der Schadstoff schließlich von der Materialoberfläche löst.

Selbst wenn der Laser auf die zu reinigende Oberfläche auftrifft, wird der größte Teil des Laserstrahls reflektiert, ohne das Substrat zu beschädigen, wodurch der Reinigungseffekt erzielt wird.

In der folgenden Abbildung sehen Sie ein Beispiel für die Reinigung einer Aluminiumlegierung mit roter Farbe auf der Oberfläche.

Laser-Reinigung kann nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden. So kann beispielsweise zwischen trockener und nasser Laserreinigung unterschieden werden, je nachdem, ob während des Laserreinigungsprozesses ein Flüssigkeitsfilm auf die Substratoberfläche aufgebracht wird.

Bei der ersten Methode wird die verschmutzte Oberfläche direkt mit Laserstrahlen bestrahlt, während bei der zweiten Methode ein Feuchtigkeits- oder Flüssigkeitsfilm auf die zu reinigende Oberfläche aufgebracht werden muss. Die Nasslaserreinigung ist effizient, erfordert aber ein manuelles Auftragen des Flüssigkeitsfilms, der die Eigenschaften des Substratmaterials nicht verändern darf.

Daher ist der Anwendungsbereich der Nasslaser-Reinigung im Vergleich zur Trockenlaser-Reinigungstechnologie etwas eingeschränkt.

Das trockene Laserreinigungsverfahren ist derzeit das am weitesten verbreitete Laserreinigungsverfahren, bei dem die Oberfläche des Werkstücks direkt mit Laserstrahlen bestrahlt wird, um Partikel und Filme zu entfernen.

Trockene Laserreinigung

Das Grundprinzip der trockenen Laserreinigung besteht darin, dass bei der Bestrahlung der Partikel und des Substrats mit Laserstrahlen die absorbierte Lichtenergie in einem Augenblick in Wärmeenergie umgewandelt wird. Dies führt zu einer sofortigen thermischen Ausdehnung der Partikel, des Substrats oder beider, wodurch eine Beschleunigung zwischen ihnen erzeugt wird.

Die durch diese Beschleunigung erzeugte Kraft überwindet die Adhäsionskraft zwischen den Partikeln und dem Substrat, wodurch sich die Partikel von der Substratoberfläche lösen.

(1) Die trockene Laserreinigung kann in zwei Hauptformen unterteilt werden, die sich durch unterschiedliche Absorptionsmechanismen unterscheiden:

Bei Staubpartikeln mit einem höheren Schmelzpunkt als dem der Matrix (oder mit deutlich unterschiedlichen Laserabsorption Sätze):

Die Absorption der Partikel unter Laserbestrahlung ist stärker (a) oder schwächer (b) als die des Substrats. In diesem Fall wird die absorbierte Laserenergie in Wärmeenergie umgewandelt, was zu einer thermischen Ausdehnung der Partikel führt.

Obwohl der Betrag der thermischen Ausdehnung sehr gering ist, erfolgt sie innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne, was zu einer enormen momentanen Beschleunigung führt, die auf das Substrat zwischen Partikeln und Substrat wirkt.

In der Zwischenzeit wirkt auch das Substrat auf die Partikel ein, überwindet die Adhäsionskraft zwischen ihnen und bewirkt, dass sich die Partikel vom Substrat lösen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

(2) Für Schmutz mit niedrigeren Siedepunkten:

Der Oberflächenschmutz absorbiert die Laserenergie direkt, was zu einem sofortigen Hochtemperatursieden und Verdampfen führt, wodurch der Schmutz durch direkte Verdampfung entfernt wird. Das Prinzip ist in Abbildung 2 dargestellt.

Prinzip der Laser-Nassreinigung

Die Lasernassreinigung, auch Laserdampfreinigung genannt, ist eine Methode der Laserreinigung, bei der sich ein dünner Flüssigkeitsfilm oder ein mittlerer Film von einigen Mikrometern auf der Oberfläche des gereinigten Objekts befindet.

Im Vergleich zur Trockenreinigung ist bei der Nassreinigung ein solcher Film vorhanden, der bei der Bestrahlung durch den Laserstrahl einen sofortigen Temperaturanstieg erfährt und eine große Anzahl von Blasen erzeugt, die zu Vergasungsreaktionen führen.

Die durch die Vergasungsexplosion erzeugte Stoßkraft überwindet die Adhäsionskraft zwischen Partikeln und Substrat.

Je nach den unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten der Laserwellenlänge durch Partikel, Flüssigkeitsfilme und Substrate kann die Laser-Nassreinigung in drei Typen unterteilt werden.

(1) Wenn das Substrat die Laserenergie stark absorbiert:

Wenn der Laser auf das Substrat und den Flüssigkeitsfilm gestrahlt wird, ist die Absorption des Substrats für den Laser viel größer als die des Flüssigkeitsfilms.

Daher kommt es an der Verbindungsstelle zwischen dem Substrat und dem Flüssigkeitsfilm zu einer explosiven Verdampfung, wie in der Abbildung unten dargestellt. Theoretisch gilt: Je kürzer die Impulszeit, desto leichter lässt sich eine Überhitzung an der Grenzfläche erzeugen, was zu einer größeren explosiven Schlagkraft führt.

(2) Wenn der Flüssigkeitsfilm die Laserenergie stark absorbiert:

Bei diesem Reinigungsprinzip absorbiert der Flüssigkeitsfilm den größten Teil der Laserenergie und wird an seiner Oberfläche explosionsartig verdampft, wie in der Abbildung unten dargestellt.

In diesem Fall ist die Effizienz der Laserreinigung nicht so gut wie bei der Absorption des Lasers durch das Substrat, da die explosive Stoßkraft nur an der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms auftritt.

Wenn das Substrat den Laser absorbiert, kommt es an der Verbindungsstelle zwischen dem Substrat und dem Flüssigkeitsfilm zu Blasen und Explosionen, und die explosive Aufprallkraft drückt die Partikel eher von der Substratoberfläche weg. Daher ist die Reinigungswirkung der Substratabsorption besser.

(3) Wenn sowohl das Substrat als auch der Flüssigkeitsfilm Laserenergie absorbieren:

In diesem Fall ist die Reinigungsleistung gering. Nachdem der Laser auf den Flüssigkeitsfilm gestrahlt wurde, wird ein Teil der Laserenergie absorbiert, und die Energie verteilt sich über den gesamten Flüssigkeitsfilm.

Der Flüssigkeitsfilm kocht und erzeugt Blasen, und die verbleibende Laserenergie wird vom Substrat absorbiert, nachdem sie den Flüssigkeitsfilm durchdrungen hat, wie in der Abbildung dargestellt. Diese Methode erfordert mehr Laserenergie, um kochende Blasen und Explosionen zu erzeugen. Daher ist die Effizienz dieser Methode sehr gering.

Bei der Verwendung von Substratabsorption für die Laser-Nassreinigung wird der größte Teil der Laserenergie vom Substrat absorbiert, was zu einer Überhitzung an der Grenzfläche zwischen dem Flüssigkeitsfilm und dem Substrat führt und Blasen an der Grenzfläche erzeugt.

Im Vergleich zur Trockenreinigung wird bei der Nassreinigung die durch die Blasenexplosion an der Grenzfläche erzeugte explosive Aufprallkraft genutzt, um eine Laserreinigung zu erreichen.

Gleichzeitig kann dem Flüssigkeitsfilm eine bestimmte Menge an chemischen Substanzen zugesetzt werden, die mit den Schadstoffpartikeln reagieren und die Adhäsionskraft zwischen Partikeln und Substratmaterialien verringern, wodurch die Schwelle für die Laserreinigung gesenkt wird.

Daher kann die Nassreinigung die Reinigungsleistung bis zu einem gewissen Grad verbessern, hat aber auch gewisse Schwierigkeiten. Die Einführung eines Flüssigkeitsfilms kann zu neuer Verschmutzung führen, und die Dicke des Flüssigkeitsfilms ist schwer zu kontrollieren.

Faktoren, die die Qualität der Laserreinigung beeinflussen

Einfluss der Laserwellenlänge:

Die Voraussetzung für die Laserreinigung ist die Laserabsorption. Bei der Auswahl einer Laserquelle müssen daher die Lichtabsorptionseigenschaften des zu reinigenden Objekts berücksichtigt werden, um einen für das Band geeigneten Laser als Laserquelle zu wählen.

Darüber hinaus haben experimentelle Untersuchungen ausländischer Wissenschaftler gezeigt, dass bei der Reinigung von Partikeln mit den gleichen Eigenschaften die Reinigungsleistung des Lasers umso stärker ist, je kürzer die Wellenlänge ist, und je niedriger die Reinigungsschwelle ist.

Unter der Voraussetzung, dass die Lichtabsorptionseigenschaften des Materials erfüllt sind, sollten daher Laser mit kürzeren Wellenlängen als Reinigungslichtquellen gewählt werden, um die Reinigungswirkung und Effizienz zu verbessern.

Einfluss der Leistungsdichte:

Bei der Laserreinigung gibt es einen oberen Grenzwert für die Beschädigung und einen unteren Grenzwert für die Reinigung des Laserleistung Dichte. Innerhalb dieses Bereichs gilt: Je höher die Laserleistungsdichte bei der Laserreinigung ist, desto größer ist die Reinigungsleistung und desto stärker ist der Reinigungseffekt.

Daher sollte die Laserleistungsdichte so weit wie möglich erhöht werden, ohne das Substratmaterial zu beschädigen.

Einfluss der Impulsbreite:

Die Laserquelle für die Laserreinigung kann aus kontinuierlichem oder gepulstem Licht bestehen. Gepulste Laser können eine sehr hohe Spitzenleistung liefern, so dass die Schwellenwertanforderungen leicht erfüllt werden können.

Darüber hinaus haben Untersuchungen ergeben, dass gepulste Laser während der Reinigung einen geringeren Einfluss auf die thermischen Auswirkungen auf die Substrate haben, während kontinuierliche Laser eine größere thermische Wirkungsfläche haben.

Einfluss von Abtastgeschwindigkeit und -frequenz:

Offensichtlich ist in der Prozess der Laser Je schneller die Laserscangeschwindigkeit und je geringer die Anzahl der Scanvorgänge, desto höher ist die Reinigungseffizienz, aber dies kann zu einer Verringerung der Reinigungswirkung führen.

Bei praktischen Reinigungsanwendungen sollten daher die geeignete Scangeschwindigkeit und -frequenz entsprechend den Materialeigenschaften des zu reinigenden Objekts und dem Verschmutzungsgrad gewählt werden. Die Überlappungsrate während des Scannens wirkt sich ebenfalls auf den Reinigungseffekt aus.

Einfluss von defokussieren Betrag:

Vor der Laserreinigung wird der Laser normalerweise durch eine bestimmte Kombination von Fokussierlinsen fokussiert. Während des eigentlichen Laserreinigungsprozesses wird er im Allgemeinen defokussiert durchgeführt.

Je größer der Defokussierungsgrad, desto größer der Lichtfleck auf dem Material, desto größer der Scanbereich und desto höher der Wirkungsgrad. Wenn die Gesamtleistung konstant ist, ist die Leistungsdichte des Lasers umso höher, je kleiner der Defokus ist und je stärker die Reinigungsleistung ist.