Laserreinigingsmachines: Mechanisme en invloed van parameters

Laserreiniging is een effectieve methode om vuile deeltjes en films van verschillende materialen en groottes van een vast oppervlak te verwijderen.

Door gebruik te maken van een krachtige en goed gerichte continue of gepulseerde laser, wordt een laserstraal met een specifieke puntvorm en energiedistributie gevormd na optische focussering en puntvorming. De laserstraal wordt vervolgens bestraald op het oppervlak van het verontreinigde materiaal dat gereinigd moet worden.

Nadat het verontreinigende materiaal op het oppervlak laserenergie heeft geabsorbeerd, ondergaat het een reeks complexe fysische en chemische processen zoals trillen, smelten, verbranden en zelfs verdampen, waardoor het verontreinigende materiaal uiteindelijk loskomt van het materiaaloppervlak.

Zelfs als de laser op het gereinigde oppervlak wordt aangebracht, zal het grootste deel worden gereflecteerd zonder schade aan het substraat te veroorzaken, waardoor het reinigingseffect wordt bereikt.

Zie de volgende afbeelding voor een voorbeeld van het reinigen van een aluminiumlegering met rode verf op het oppervlak.

Laserreiniging kan worden ingedeeld volgens verschillende criteria. Het kan bijvoorbeeld worden onderverdeeld in droge laserreiniging en natte laserreiniging op basis van het feit of er een vloeibare film wordt aangebracht op het substraatoppervlak tijdens het laserreinigingsproces.

Bij de eerste wordt het vervuilende oppervlak rechtstreeks bestraald met laserstralen, terwijl bij de tweede een vocht- of vloeistoffilm moet worden aangebracht op het te reinigen oppervlak. Natte laserreiniging is efficiënt, maar vereist handmatige coating van de vloeibare film, die de eigenschappen van het substraatmateriaal niet mag veranderen.

Daarom is, in vergelijking met droge laserreinigingstechnologie, het toepassingsgebied van natte laserreiniging enigszins beperkt.

Droge laserreiniging is momenteel de meest gebruikte laserreinigingsmethode, waarbij laserstralen worden gebruikt om het oppervlak van het werkstuk direct te bestralen om deeltjes en films te verwijderen.

Droge laserreiniging

Het basisprincipe van droge laserreiniging is dat wanneer de deeltjes en het substraat worden bestraald door laserstralen, de geabsorbeerde lichtenergie in een oogwenk wordt omgezet in warmte-energie. Dit veroorzaakt onmiddellijke thermische uitzetting van de deeltjes, het substraat of beide, waardoor een versnelling tussen hen ontstaat.

De kracht die ontstaat door deze versnelling overwint de adhesiekracht tussen de deeltjes en het substraat, waardoor de deeltjes loskomen van het substraatoppervlak.

(1) Droge laserreiniging kan worden onderverdeeld in twee hoofdvormen op basis van verschillende absorptiemechanismen:

Voor stofdeeltjes met een smeltpunt dat hoger ligt dan dat van de matrix (of met significant verschillende laserabsorptie tarieven):

De absorptie van de deeltjes onder laserstraling is sterker (a) of zwakker (b) dan die van het substraat. In dit geval wordt de geabsorbeerde laserenergie omgezet in thermische energie, waardoor de deeltjes thermisch uitzetten.

Hoewel de hoeveelheid thermische uitzetting erg klein is, gebeurt dit binnen een extreem korte tijdspanne, wat resulteert in een enorme ogenblikkelijke versnelling die inwerkt op het substraat tussen de deeltjes en het substraat.

Ondertussen werkt het substraat ook in op de deeltjes, waardoor de onderlinge adhesiekracht wordt overwonnen en de deeltjes loskomen van het substraat, zoals getoond in Figuur 1.

(2) Voor vuil met een lager kookpunt:

Het vuil aan het oppervlak absorbeert rechtstreeks laserenergie, waardoor het onmiddellijk gaat koken en verdampen bij hoge temperatuur, waardoor het vuil wordt verwijderd door directe verdamping. Het principe wordt getoond in Figuur 2.

Laser nat reinigingsprincipe

Laser nat reinigen, ook bekend als laser damp reiniging, is een methode van laserreiniging waarbij er een dunne vloeibare film of medium film van enkele micrometers op het oppervlak van het gereinigde object zit.

Vergeleken met droge reiniging is er bij natte reiniging sprake van de aanwezigheid van een dergelijke film, die bij bestraling door de laserstraal een onmiddellijke temperatuurstijging ondergaat en een groot aantal bellen genereert die vergassingsreacties veroorzaken.

De impactkracht die wordt gegenereerd door de vergassingsexplosie overwint de adhesiekracht tussen de deeltjes en het substraat.

Afhankelijk van de verschillende absorptiecoëfficiënten van de lasergolflengte door deeltjes, vloeistoffilms en substraten, kan natte reiniging met een laser worden onderverdeeld in drie types.

(1) Wanneer het substraat de laserenergie sterk absorbeert:

Wanneer de laser wordt bestraald op het substraat en de vloeibare film, is de absorptie van het substraat naar de laser veel groter dan die van de vloeibare film.

Daarom treedt er een explosief verdampingsfenomeen op bij de overgang tussen het substraat en de vloeistoffilm, zoals te zien is in de onderstaande figuur. In theorie is het zo dat hoe korter de pulstijd, hoe gemakkelijker het is om oververhitting bij de overgang te veroorzaken, wat resulteert in een grotere explosieve inslagkracht.

(2) Wanneer de vloeistoffilm sterk laserenergie absorbeert:

Dit reinigingsprincipe houdt in dat de vloeistoffilm het grootste deel van de laserenergie absorbeert en een explosieve verdamping aan het oppervlak ondergaat, zoals de onderstaande figuur laat zien.

In dit geval is de efficiëntie van laserreiniging niet zo goed als wanneer het substraat de laser absorbeert, omdat de explosieve impactkracht alleen optreedt aan het oppervlak van de vloeistoffilm.

Wanneer het substraat de laser absorbeert, ontstaan er bellen en explosies op de overgang tussen het substraat en de vloeistoffilm, en de explosieve impactkracht zal de deeltjes eerder wegduwen van het substraatoppervlak. Daarom is het reinigingseffect van substraatabsorptie beter.

(3) Wanneer zowel het substraat als de vloeistoffilm laserenergie absorberen:

In dit geval is de reinigingsefficiëntie laag. Nadat de laser op de vloeistoffilm is bestraald, wordt een deel van de laserenergie geabsorbeerd en wordt de energie door de hele vloeistoffilm verspreid.

De vloeistoffilm kookt om bellen te produceren en de resterende laserenergie wordt geabsorbeerd door het substraat nadat het door de vloeistoffilm is gegaan, zoals weergegeven in de figuur. Deze methode vereist meer laserenergie om kokende bellen en explosies te genereren. Daarom is de efficiëntie van deze methode erg laag.

Bij het gebruik van substraatabsorptie voor natte laserreiniging wordt het grootste deel van de laserenergie geabsorbeerd door het substraat, wat oververhitting veroorzaakt op de overgang tussen de vloeistoffilm en het substraat, waardoor bellen ontstaan op het grensvlak.

Vergeleken met droge reiniging maakt natte reiniging gebruik van de explosieve impactkracht die wordt gegenereerd door de explosie van bellen bij de interface om laserreiniging te bereiken.

Tegelijkertijd kan een bepaalde hoeveelheid chemische stoffen worden toegevoegd aan de vloeibare film om te reageren met vervuilende deeltjes en de hechtkracht tussen de deeltjes en substraatmaterialen te verminderen, waardoor de drempel voor laserreiniging wordt verlaagd.

Daarom kan nat reinigen de reinigingsefficiëntie tot op zekere hoogte verbeteren, maar het heeft ook bepaalde problemen. De introductie van een vloeistoffilm kan leiden tot nieuwe vervuiling en de dikte van de vloeistoffilm is moeilijk te controleren.

Factoren die de kwaliteit van laserreiniging beïnvloeden

Invloed van de lasergolflengte:

Het uitgangspunt van laserreiniging is laserabsorptie, dus bij het selecteren van een laserbron is het noodzakelijk om de lichtabsorptiekenmerken van het gereinigde object te combineren om een laser te kiezen die geschikt is voor de band als laserbron.

Bovendien heeft experimenteel onderzoek door buitenlandse wetenschappers aangetoond dat voor het reinigen van deeltjes met dezelfde eigenschappen, hoe korter de golflengte, hoe sterker het reinigingsvermogen van de laser en hoe lager de reinigingsdrempel.

Om het reinigingseffect en de efficiëntie te verbeteren, moeten daarom lasers met kortere golflengten worden geselecteerd als lichtbronnen voor reiniging, waarbij rekening moet worden gehouden met de lichtabsorptiekenmerken van het materiaal.

Invloed van vermogensdichtheid:

Bij laserreiniging is er een bovengrens voor schade en een ondergrens voor reiniging voor de laservermogen dichtheid. Binnen dit bereik geldt: hoe groter de dichtheid van het laservermogen tijdens het reinigen met een laser, hoe groter het reinigingsvermogen en hoe significanter het reinigingseffect.

Daarom moet de vermogensdichtheid van de laser zo veel mogelijk verhoogd worden zonder het materiaal van het substraat te beschadigen.

Invloed van pulsbreedte:

De laserbron voor laserreiniging kan continu of gepulseerd licht zijn. Gepulseerde lasers kunnen een zeer hoog piekvermogen leveren, waardoor gemakkelijk aan de drempelvereisten kan worden voldaan.

Daarnaast is uit onderzoek gebleken dat gepulseerde lasers een kleinere impact hebben op thermische effecten op substraten tijdens het reinigen, terwijl continue lasers een groter thermisch effectgebied hebben.

Invloed van scansnelheid en frequentie:

Het is duidelijk dat in de proces van laser reiniging, hoe sneller de laserscansnelheid en hoe minder vaak, hoe hoger de reinigingsefficiëntie, maar dit kan resulteren in een afname van de reinigingseffectiviteit.

Daarom moeten bij praktische reinigingstoepassingen de juiste scansnelheid en -frequentie worden gekozen op basis van de materiaaleigenschappen van het gereinigde object en de mate van vervuiling. De overlappingssnelheid tijdens het scannen is ook van invloed op het reinigingseffect.

Invloed van defocus bedrag:

Voor het reinigen van de laser wordt de laser meestal scherpgesteld door een bepaalde combinatie van focuslenzen. Tijdens het eigenlijke laserreinigingsproces wordt het meestal uitgevoerd in een onscherpe toestand.

Hoe groter de defocus, hoe groter de lichtvlek op het materiaal, hoe groter het scangebied en hoe hoger de efficiëntie. Als het totale vermogen constant is, geldt: hoe kleiner de defocus, hoe hoger de dichtheid van het laservermogen en hoe beter het materiaal gereinigd kan worden.