Le premier laser au monde a été mis au point par un scientifique américain, le professeur Theodore Harold Maiman, à partir de rubis en 1960. Depuis lors, les lasers ont été utilisés dans divers domaines, contribuant au développement rapide de la science et de la technologie dans les traitements médicaux, la fabrication d'équipements, les mesures précises et l'ingénierie de reconditionnement. La promotion de la technologie laser a accéléré le rythme de [...]
Le premier laser au monde a été mis au point par un scientifique américain, le professeur Theodore Harold Maiman, à partir de rubis en 1960. Depuis lors, les lasers ont été utilisés dans divers domaines, contribuant au développement rapide de la science et de la technologie dans les traitements médicaux, la fabrication d'équipements, les mesures précises et l'ingénierie du reconditionnement. La promotion de la technologie laser a accéléré le rythme du progrès social et a conduit à des réalisations significatives dans le domaine des applications de nettoyage.
Par rapport aux méthodes de nettoyage traditionnelles telles que la friction mécanique, la corrosion chimique et les ultrasons à haute fréquence, le nettoyage au laser peut être entièrement automatisé et présente les avantages suivants : efficacité élevée, faible coût, absence de pollution de l'environnement, absence de dommages au substrat et large éventail de matériaux applicables. Il est parfaitement conforme au concept de traitement écologique et de protection de l'environnement, ce qui en fait la méthode de nettoyage la plus fiable et la plus efficace actuellement disponible.
Le nettoyage est une condition préalable à la détection et au traitement des pièces de machines usagées. La technologie de nettoyage au laser permet de contrôler efficacement la morphologie de la surface et la qualité de l'eau. rugosité de la surface du substrat tout en améliorant la performance du substrat après le nettoyage. Il peut également être appliqué à la fabrication, traitement de surfaceou la refabrication de grandes pièces.
Bien que le nettoyage au laser n'ait pas entièrement remplacé les méthodes de nettoyage traditionnelles, la sensibilisation nationale croissante à l'économie d'énergie et à la réduction des émissions dans l'industrie manufacturière conduira à son adoption progressive en raison de ses avantages uniques. Après 2020, lorsque les lois et réglementations chinoises en matière de protection de l'environnement seront devenues plus strictes et que la population sera davantage sensibilisée à l'environnement et à la sécurité, les types de produits chimiques pouvant être utilisés pour le nettoyage de la production industrielle auront diminué. Il est donc devenu urgent de trouver une méthode de nettoyage plus propre et non destructive.
Le nettoyage au laser présente les caractéristiques suivantes : pas de meulage, pas de contact, pas d'effet thermique et convient à toutes sortes d'objets. Il est considéré comme la solution la plus fiable et la plus efficace à ce problème. En outre, le nettoyage au laser peut résoudre des problèmes que les méthodes de nettoyage traditionnelles ne peuvent pas résoudre.
Principe du nettoyage au laser
Lorsque des particules de pollution submicroniques adhèrent à la surface d'une pièce, elles sont souvent très serrées, ce qui rend impossible leur élimination par les méthodes de nettoyage conventionnelles. Cependant, le nettoyage de la surface de la pièce avec des nano le rayonnement laser est très efficace.
En outre, le nettoyage au laser est une méthode de nettoyage sans contact, ce qui rend très sûr le nettoyage des pièces de précision ou de leurs parties fines et garantit leur précision.
Le nettoyage au laser présente donc des avantages uniques dans l'industrie du nettoyage.
Mais pourquoi les lasers peuvent-ils être utilisés pour le nettoyage et pourquoi n'endommagent-ils pas l'objet nettoyé ? Pour répondre à ces questions, il faut d'abord comprendre l'essence des lasers.
En bref, les lasers ne sont pas différents de la lumière qui nous entoure (lumière visible et lumière invisible). Cependant, le laser utilise un résonateur pour concentrer la lumière dans la même direction, ce qui le rend plus puissant et plus précis que la simple longueur d'onde et la coordination.
Par conséquent, en théorie, toutes les longueurs d'onde de la lumière peuvent être utilisées pour former un laser. Cependant, dans la pratique, il y a peu de milieux qui peuvent être excités, de sorte que la source de lumière laser qui peut produire une production industrielle stable et appropriée est assez limitée.
Les lasers Nd : YAG, les lasers à dioxyde de carbone et les lasers à excimère sont largement utilisés. Les lasers Nd : YAG, en particulier, peuvent être transmis par des fibres optiques et conviennent mieux aux applications industrielles, ce qui les rend largement utilisés dans le nettoyage au laser.
D'un point de vue académique, l'ablation laser (nom scientifique du nettoyage laser) ou l'ablation par la lumière est un processus d'élimination des matériaux des surfaces solides (ou parfois liquides) en les irradiant avec un faisceau laser.
À faible flux laser, le matériau est chauffé et évaporé ou sublimé par l'énergie laser absorbée. À un flux laser élevé, les matériaux sont généralement transformés en plasma. En général, l'ablation par laser se réfère à l'enlèvement de matériaux avec un laser pulsé, mais si l'intensité du laser est suffisamment élevée, les matériaux peuvent être ablatés avec un faisceau laser à ondes continues.
Les lasers à excimère dans l'ultraviolet profond sont principalement utilisés pour l'ablation optique. La longueur d'onde du laser pour l'ablation optique est d'environ 200 nm.
La profondeur d'absorption de l'énergie laser et la quantité de matière enlevée par une seule impulsion laser dépendent des propriétés optiques du matériau, de la longueur d'onde du laser et de la longueur d'impulsion.
La masse totale de chaque impulsion laser enlevée de la cible est généralement appelée taux d'ablation. Les caractéristiques du rayonnement laser, telles que la vitesse de balayage du faisceau laser et la couverture de la ligne de balayage, affectent considérablement le processus d'ablation.
Effet du nettoyage au laser des moules de pneus
Au milieu des années 1980, des scientifiques tels que Beklemyshev et Alrn ont mené des recherches sur le nettoyage au laser en combinant la technologie laser et la technologie de nettoyage, en réponse à des besoins professionnels réels. C'est ainsi qu'est né le concept technique du nettoyage au laser.
Comme nous le savons, la force de liaison entre les polluants et la matrice peut être classée en liaisons covalentes, doubles dipôles, action capillaire et force de van der Waals. Si cette force peut être surmontée ou détruite, l'effet de décontamination peut être obtenu.
Le nettoyage au laser utilise les caractéristiques d'un faisceau laser, telles que sa grande densité d'énergie, sa direction contrôlable et sa forte capacité de convergence, pour détruire la force d'adhérence entre les polluants et la matrice, ou pour vaporiser directement les polluants. La force d'adhérence entre les polluants et la matrice est ainsi réduite, ce qui permet de nettoyer la surface de la pièce.
Le diagramme schématique du nettoyage au laser est illustré à la figure 1.
Lorsque le polluant à la surface de la pièce absorbe l'énergie du laser, il surmonte la force entre le polluant et la surface du substrat par une gazéification rapide ou une expansion thermique instantanée. Sous l'effet de l'augmentation de l'énergie de chauffage, les particules de polluant vibrent et se détachent de la surface du substrat.
Fig. 1. Schéma du nettoyage au laser
L'ensemble du processus de nettoyage au laser se divise grosso modo en quatre étapes :
Lors de l'application de la technologie de nettoyage laser, il est important de tenir compte du seuil de nettoyage laser de l'objet à nettoyer et de sélectionner la longueur d'onde laser appropriée pour obtenir le meilleur effet de nettoyage.
Le nettoyage au laser permet non seulement de modifier la structure du grain et l'orientation de la surface du substrat sans l'endommager, mais aussi de contrôler la rugosité de la surface du substrat, améliorant ainsi les propriétés globales de la surface.
L'effet de nettoyage est principalement influencé par les caractéristiques du faisceau laser, les paramètres physiques du substrat et des salissures, et la capacité d'absorption des salissures par l'énergie du faisceau.
Actuellement, la technologie de nettoyage par laser comprend la technologie de nettoyage par laser sec, la technologie de nettoyage par laser humide et la technologie d'ondes de choc du plasma laser.
Le nettoyage par laser à impulsion est un processus au cours duquel un faisceau laser est dirigé vers la pièce à usiner, augmentant la température d'absorption de l'énergie du substrat ou des polluants de surface. Cela provoque une expansion thermique ou une vibration thermique du substrat, qui sépare les polluants.
Cette méthode peut être appliquée dans deux cas :
Premièrement, lorsque les polluants de surface absorbent le laser et se dilatent, ils se séparent du substrat.
Deuxièmement, lorsque le substrat absorbe le laser, il produit une vibration thermique qui entraîne la séparation des polluants du substrat.
Le nettoyage par laser humide consiste à appliquer un film liquide sur la surface avant d'irradier la pièce à l'aide d'un laser à impulsions. Le laser chauffe le film liquide, qui se vaporise rapidement.
Lors de la vaporisation, une onde de choc est générée qui déloge les particules polluantes du substrat.
Cette méthode est limitée par le fait que la matrice ne doit pas réagir avec le film liquide, ce qui restreint la gamme des matériaux applicables.
La technologie de nettoyage par ondes de choc du plasma laser implique la production d'une onde de choc sphérique du plasma en brisant le milieu aérien pendant l'irradiation laser.
L'onde de choc agit sur la surface du substrat et libère de l'énergie pour éliminer les polluants, sans endommager le substrat puisque le laser n'a pas d'impact direct sur lui.
Cette technologie peut nettoyer efficacement des particules polluantes aussi petites que des dizaines de nanomètres et n'est pas limitée par la longueur d'onde du laser.
Dans la production réelle, diverses méthodes d'essai et paramètres connexes doivent être sélectionnés en fonction des besoins spécifiques afin de garantir un nettoyage de haute qualité des pièces à usiner.
Pendant le processus de nettoyage au laser, l'évaluation de l'efficacité et de la qualité du nettoyage de la surface est cruciale pour déterminer l'efficacité de la technologie.
Comparé aux méthodes de nettoyage traditionnelles telles que le nettoyage mécanique par friction, le nettoyage chimique par corrosion, le nettoyage par impact liquide-solide et le nettoyage par ultrasons à haute fréquence, le nettoyage au laser offre plusieurs avantages.
2.1 Le nettoyage au laser est une méthode de nettoyage "verte" qui ne nécessite pas l'utilisation d'agents chimiques ou de solutions de nettoyage. Les déchets produits lors du nettoyage sont essentiellement des poudres solides, de faible volume, faciles à stocker et recyclables. Cela permet de lutter contre la pollution de l'environnement causée par le nettoyage chimique.
2.2 Les méthodes de nettoyage traditionnelles sont souvent des méthodes de nettoyage par contact, qui exercent une force mécanique sur la surface de l'objet nettoyé, ce qui endommage la surface ou colle le produit de nettoyage à la surface, entraînant une pollution secondaire. Le nettoyage au laser, qui est sans meulage et sans contact, peut résoudre ces problèmes.
2.3 Les lasers peuvent être transmis par fibre optique et peuvent fonctionner avec un manipulateur et un robot pour des opérations à longue distance. Ils peuvent nettoyer des pièces difficiles à atteindre par les méthodes traditionnelles, assurant ainsi la sécurité du personnel dans certains endroits dangereux.
2.4 Le nettoyage au laser peut éliminer différents types de polluants à la surface de divers matériaux et atteindre un niveau de propreté qui ne peut être obtenu par les méthodes de nettoyage conventionnelles. Il peut également nettoyer sélectivement les polluants à la surface des matériaux sans les endommager.
2.5 Le nettoyage au laser est très efficace et permet de gagner du temps.
2.6 Bien que l'investissement unique pour l'achat d'un système de nettoyage au laser soit élevé, le système de nettoyage peut être utilisé de manière stable pendant une longue période avec des coûts d'exploitation faibles et seulement des frais d'électricité par heure.
Le processus de nettoyage au laser Nd:YAG pulsé repose sur les caractéristiques de l'impulsion optique générée par le laser et est basé sur la réaction photophysique résultant de l'interaction entre un faisceau laser de haute intensité et de courte durée et une couche de pollution.
Le principe physique peut être résumé comme suit :
a) Le faisceau laser émis est absorbé par la couche contaminée de la surface à traiter.
b) L'absorption d'une grande quantité d'énergie crée un plasma en expansion rapide (un gaz instable hautement ionisé) qui génère des ondes de choc.
c) L'onde de choc décompose les polluants en fragments et les élimine.
d) La durée d'impulsion de la lumière doit être suffisamment courte pour éviter l'accumulation de chaleur qui pourrait endommager la surface traitée.
e) Les expériences montrent que s'il y a des oxydes à la surface du métal, le plasma se produit à la surface du métal.
Le plasma n'est généré que lorsque la densité d'énergie dépasse le seuil, qui dépend de la couche contaminée ou d'oxyde enlevée.
Si la densité d'énergie dépasse ce seuil, le matériau de base peut être endommagé.
Pour nettoyer efficacement le substrat tout en assurant sa sécurité, les paramètres du laser doivent être ajustés en fonction de la situation afin que la densité d'énergie de l'impulsion optique soit strictement comprise entre les deux seuils.
Chaque impulsion laser élimine une certaine épaisseur de la couche de pollution. Pour les couches de contamination plus épaisses, plusieurs impulsions sont nécessaires pour le nettoyage.
Le nombre d'impulsions nécessaires pour nettoyer la surface dépend du degré de contamination de la surface. Un résultat important des deux seuils est l'autocontrôle du nettoyage.
Les impulsions lumineuses dont la densité énergétique est supérieure au premier seuil éliminent les contaminants jusqu'à ce que le matériau de base soit atteint.
Cependant, comme sa densité d'énergie est inférieure au seuil de rupture du matériau du substrat, ce dernier ne sera pas endommagé.
Le nettoyage au laser est une technique polyvalente qui permet d'éliminer efficacement les contaminants organiques et inorganiques, tels que la corrosion des métaux, les particules métalliques, la poussière, etc. Voici quelques applications pratiques de cette technologie, qui a déjà atteint un haut niveau de maturité et est largement utilisée.
Chaque année, les fabricants de pneus du monde entier produisent des centaines de millions de pneus. Au cours du processus de production, le nettoyage des moules à pneus doit être efficace et efficient afin de minimiser les temps d'arrêt.
Les méthodes de nettoyage traditionnelles, telles que le sablage, le nettoyage par ultrasons ou le nettoyage au dioxyde de carbone, exigent que le moule refroidisse pendant plusieurs heures avant d'être transporté vers l'équipement de nettoyage. Ce processus prend beaucoup de temps et peut facilement compromettre la précision du moule. En outre, l'utilisation de solvants chimiques et le bruit qui en résulte peuvent poser des problèmes de sécurité et de protection de l'environnement.
La méthode de nettoyage au laser offre une solution à ces problèmes. Le laser pouvant être transmis par fibre optique, il offre une grande souplesse d'utilisation. En outre, la méthode de nettoyage au laser peut être combinée à la fibre optique pour diriger la lumière vers les zones difficiles d'accès du moule, ce qui facilite le nettoyage. En outre, le processus de nettoyage au laser ne gazéifie pas le caoutchouc, ce qui élimine le risque d'émissions de gaz toxiques et garantit un environnement de travail sûr.
La technologie de nettoyage au laser des moules de pneus a été largement adoptée par les industries européennes et américaines du pneumatique.
Effet du nettoyage au laser du pneu
Bien que le coût initial de l'équipement de nettoyage au laser soit élevé, les avantages liés à la réduction des temps d'arrêt, aux dommages évités aux moules, à l'amélioration de la sécurité et à la réduction de l'utilisation des matières premières peuvent rapidement compenser cet investissement.
Selon un test de nettoyage effectué sur la chaîne de production d'une entreprise de pneumatiques, un ensemble de moules de pneus de gros camions peut être nettoyé en ligne à l'aide de l'équipement de nettoyage au laser en seulement deux heures.
Par rapport aux méthodes de nettoyage traditionnelles, les avantages économiques du nettoyage au laser sont évidents.
Dans l'industrie alimentaire, le film élastique anti-adhérent des moules doit être régulièrement remplacé pour maintenir l'hygiène. Le nettoyage au laser, qui ne nécessite pas d'agents chimiques, est également bien adapté à cette application.
Effet de nettoyage des moisissures
La technologie de nettoyage au laser est largement utilisée dans l'entretien des armes.
Le système de nettoyage au laser est un moyen efficace et rapide d'éliminer la rouille et les contaminants, et il permet également une élimination sélective, ce qui se traduit par un processus de nettoyage automatisé.
Comparé au nettoyage chimique, le nettoyage au laser permet non seulement d'atteindre un niveau de propreté plus élevé, mais aussi de minimiser les dommages causés à la surface des objets nettoyés.
En outre, en ajustant différents paramètres, un film protecteur d'oxyde dense ou une couche de fusion métallique peut être formé sur les surfaces métalliques, améliorant ainsi leur solidité et leur résistance à la corrosion.
Enfin, les déchets générés par le nettoyage au laser sont respectueux de l'environnement et le processus peut être réalisé à distance, ce qui réduit les risques pour la santé des opérateurs.
En Europe, les systèmes de nettoyage au laser sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique depuis longtemps.
Les surfaces des avions doivent être repeintes après une certaine période, mais avant cela, l'ancienne peinture doit être complètement enlevée.
Les méthodes mécaniques traditionnelles de décapage de la peinture peuvent facilement endommager la surface métallique de l'aéronef et menacer la sécurité du vol.
Cependant, en utilisant plusieurs systèmes de nettoyage au laser, la couche de peinture sur la surface d'un Airbus A320 peut être complètement enlevée en deux jours sans causer de dommages à la surface métallique.
Avec la croissance rapide de l'économie chinoise, de plus en plus de gratte-ciel sont construits, et le défi du nettoyage de leurs murs extérieurs devient de plus en plus important. Le système de nettoyage laser Laserlaste offre une solution efficace pour nettoyer les murs extérieurs des bâtiments à l'aide de fibres optiques d'une longueur pouvant atteindre 70 mètres.
Ce système peut nettoyer efficacement tous les types de polluants sur différentes surfaces telles que la pierre, le métal et le verre, ce qui se traduit par une efficacité de nettoyage plusieurs fois supérieure à celle des méthodes de nettoyage conventionnelles.
Il peut également éliminer les taches noires et la décoloration de divers matériaux en pierre utilisés à l'extérieur des bâtiments.
Les expériences menées avec le système de nettoyage au laser sur les bâtiments et les tablettes de pierre du temple Shaolin de Songshan ont montré que le nettoyage au laser a un effet très positif sur la protection des bâtiments anciens et la restauration de leur apparence.
L'industrie électronique utilise la technologie laser pour l'élimination des oxydes. La précision de la décontamination est cruciale dans cette industrie, ce qui fait de l'élimination de l'oxyde par laser une solution idéale.
Avant de souder un circuit imprimé, il est nécessaire d'éliminer complètement les oxydes des broches des composants afin de garantir un contact électrique optimal. Ce processus ne doit pas endommager les broches.
Le nettoyage au laser répond à ces exigences et est très efficace. En effet, il suffit d'exposer une seule fois une broche au laser pour que la décontamination soit efficace.
Dans l'industrie des machines de précision, il est souvent nécessaire d'éliminer les esters et les huiles minérales utilisés pour la lubrification et la résistance à la corrosion des pièces. Cette opération est généralement réalisée par des méthodes chimiques, mais le nettoyage chimique laisse souvent des résidus.
La désestérification au laser est une alternative qui permet d'éliminer complètement les esters et les huiles minérales sans endommager la surface des pièces. Ce résultat est obtenu grâce à l'utilisation d'une onde de choc.
L'onde de choc est formée par la gazéification explosive de la fine couche d'oxyde à la surface des pièces, ce qui entraîne l'élimination des polluants plutôt que par une interaction mécanique.
Cette méthode de nettoyage au laser est largement utilisée dans l'industrie aérospatiale pour la désestérification complète des pièces mécaniques.
Il peut également être utilisé dans l'usinage de pièces mécaniques pour éliminer les esters d'huile.
Le système de nettoyage au laser est également utilisé pour le nettoyage des tuyaux dans les réacteurs des centrales nucléaires.
Grâce à l'utilisation de fibres optiques, un faisceau laser de forte puissance est introduit dans le réacteur pour éliminer directement la poussière radioactive, ce qui permet d'obtenir des matériaux faciles à nettoyer. En outre, le fonctionnement à distance garantit la sécurité du personnel.
En conclusion, le nettoyage au laser joue un rôle crucial dans de nombreux domaines, notamment la construction automobile, le nettoyage des plaquettes de semi-conducteurs, le traitement et la fabrication de pièces de précision, le nettoyage des équipements militaires, le nettoyage des murs extérieurs des bâtiments, la protection des objets culturels, le nettoyage des circuits imprimés, le traitement et la fabrication de pièces de précision, le nettoyage des écrans LCD, l'élimination des résidus de chewing-gum, et bien d'autres encore.
① La méthode de nettoyage à sec au laser, également connue sous le nom de décontamination directe par laser pulsé.
② La méthode laser + film liquide, qui consiste à déposer une couche de film liquide sur la surface du substrat, puis à la décontaminer à l'aide d'un rayonnement laser.
③ La méthode laser + gaz inerte, qui consiste à souffler un gaz inerte sur la surface du substrat pendant que le laser est utilisé. le rayonnement laser est l'épandage. Une fois la saleté décollée de la surface, elle est immédiatement soufflée par le gaz afin d'éviter une nouvelle pollution et une oxydation.
④ Une fois la saleté détachée par le laser, elle est nettoyée à l'aide d'une méthode chimique non corrosive. Cette méthode n'est utilisée que pour le nettoyage des reliques culturelles en pierre.
Les trois premières méthodes sont les plus couramment utilisées, tandis que la quatrième n'est utilisée que dans des cas spécifiques.
La technologie de nettoyage au laser est appliquée aux matériaux en pierre depuis plus de dix ans au niveau international. En Chine, l'application de la technologie de nettoyage au laser aux matériaux en pierre a commencé plus tard en raison du coût élevé de l'équipement laser.
Malgré son coût élevé, la technologie de nettoyage au laser présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de nettoyage traditionnelles et, à mesure que la technologie s'améliore et que l'équipement se démocratise, elle devrait jouer un rôle important dans l'industrie du nettoyage des matériaux en pierre.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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