Imagine aproveitar o poder da luz para restaurar as superfícies metálicas à sua beleza original. A limpeza a laser está a revolucionar o fabrico, oferecendo uma alternativa precisa e ecológica aos métodos tradicionais. Neste artigo, o nosso experiente engenheiro mecânico irá apresentar-lhe o fascinante mundo da tecnologia de limpeza a laser, explicando os seus princípios, vantagens e diversas aplicações. Prepare-se para descobrir como esta abordagem inovadora está a transformar a forma como mantemos e renovamos os componentes metálicos.
O primeiro laser do mundo foi desenvolvido pelo cientista americano Professor Theodore Harold Maiman utilizando rubi em 1960. Desde então, os lasers têm sido utilizados em vários domínios, contribuindo para o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia no tratamento médico, no fabrico de equipamento, na medição precisa e na engenharia de refabricação. A promoção da tecnologia laser acelerou o ritmo do progresso social e conduziu a realizações significativas no domínio das aplicações de limpeza.
Em comparação com os métodos de limpeza tradicionais, como a fricção mecânica, a corrosão química e os ultra-sons de alta frequência, a limpeza a laser pode alcançar uma operação totalmente automática com as vantagens de uma elevada eficiência de trabalho, baixo custo, sem poluição para o ambiente, sem danos para o substrato e uma vasta gama de materiais aplicáveis. Está totalmente em conformidade com o conceito de processamento de proteção verde e ambiental, tornando-o o método de limpeza mais fiável e eficaz atualmente disponível.
A limpeza é um pré-requisito necessário para a deteção e processamento de resíduos de peças de máquinas. A utilização da tecnologia de limpeza a laser permite controlar eficazmente a morfologia da superfície e rugosidade da superfície do substrato, melhorando simultaneamente o desempenho do substrato após a limpeza. Pode também ser aplicado no fabrico, tratamento de superfícieou o refabrico de grandes peças.
Embora a limpeza a laser não tenha substituído totalmente os métodos de limpeza tradicionais, a crescente sensibilização nacional para a conservação de energia e a redução de emissões na indústria transformadora conduzirá à sua adoção gradual devido às suas vantagens únicas. Após 2020, quando as leis e regulamentos de proteção ambiental da China se tornaram mais rigorosos e a consciência ambiental e de segurança das pessoas aumentou, os tipos de produtos químicos que podem ser utilizados na limpeza da produção industrial diminuíram. Assim, encontrar um método de limpeza mais limpo e não destrutivo tornou-se uma questão premente.
A limpeza a laser tem as características de não moer, não ter contacto, não ter efeito térmico e ser adequada a todos os tipos de objectos. É considerada a solução mais fiável e eficaz para este problema. Para além disso, a limpeza a laser pode resolver problemas que os métodos de limpeza tradicionais não conseguem resolver.
Princípio da limpeza a laser
Quando as partículas de poluição submicrónicas aderem à superfície de uma peça de trabalho, muitas vezes aderem com muita força, tornando impossível removê-las com métodos de limpeza convencionais. No entanto, a limpeza da superfície da peça de trabalho com nano a radiação laser é muito eficaz.
Além disso, a limpeza a laser é um método de limpeza sem contacto, tornando-a muito segura para limpar peças de trabalho de precisão ou as suas partes finas e garantir a sua precisão.
Por conseguinte, a limpeza a laser tem vantagens únicas no sector da limpeza.
Mas porque é que os lasers podem ser utilizados para limpeza e porque é que não danificam o objeto limpo? Para responder a estas questões, precisamos primeiro de compreender a essência dos lasers.
Em suma, os lasers não são diferentes da luz que nos rodeia (luz visível e luz invisível). No entanto, o laser utiliza um ressonador para concentrar a luz na mesma direção, o que o torna mais potente e preciso do que o simples comprimento de onda e a coordenação.
Por conseguinte, teoricamente, todos os comprimentos de onda da luz podem ser utilizados para formar um laser. No entanto, na prática, existem poucos meios que podem ser excitados, pelo que a fonte de luz laser que pode produzir uma produção industrial estável e adequada é bastante limitada.
Os lasers Nd: YAG, os lasers de dióxido de carbono e os lasers de excímero são amplamente utilizados. Os lasers Nd: YAG, em particular, podem ser transmitidos através de fibras ópticas e são mais adequados para aplicações industriais, o que os torna amplamente utilizados na limpeza a laser.
Em termos académicos, a ablação por laser (nome científico de limpeza por laser) ou ablação por luz é um processo de remoção de materiais de superfícies sólidas (ou por vezes líquidas) por irradiação com um feixe de laser.
Com um baixo fluxo de laser, o material é aquecido e evaporado ou sublimado pela energia laser absorvida. Com um fluxo laser elevado, os materiais são normalmente convertidos em plasma. Geralmente, a ablação por laser refere-se à remoção de materiais com laser pulsado, mas se a intensidade do laser for suficientemente elevada, os materiais podem ser ablacionados com um feixe de laser de onda contínua.
Os lasers de excímero de ultravioleta profundo são utilizados principalmente para a ablação ótica. O comprimento de onda do laser para ablação ótica é de cerca de 200 nm.
A profundidade de absorção da energia do laser e a quantidade de material removido por um único impulso de laser dependem das propriedades ópticas do material, do comprimento de onda do laser e do comprimento do impulso.
A massa total de cada impulso laser ablacionada do alvo é normalmente referida como a taxa de ablação. As características da radiação laser, como a velocidade de varrimento do feixe laser e a cobertura da linha de varrimento, afectam significativamente o processo de ablação.
Efeito da limpeza a laser do molde do pneu
Em meados da década de 1980, cientistas como Beklemyshev e Alrn realizaram investigação sobre a limpeza por laser, combinando a tecnologia laser com a tecnologia de limpeza, em resposta a necessidades reais de trabalho. Isto levou ao desenvolvimento do conceito técnico de limpeza a laser.
Como sabemos, a força de ligação entre os poluentes e a matriz pode ser classificada em ligações covalentes, dipolos duplos, ação capilar e força de van der Waals. Se esta força puder ser ultrapassada ou destruída, o efeito de descontaminação pode ser alcançado.
A limpeza a laser utiliza as características de um feixe de laser, tais como a sua grande densidade de energia, direção controlável e forte capacidade de convergência, para destruir a força de ligação entre os poluentes e a matriz, ou vaporizar diretamente os poluentes. Isto reduz a força de ligação entre os poluentes e a matriz, limpando assim a superfície da peça de trabalho.
O diagrama esquemático da limpeza a laser é apresentado na Fig. 1.
Quando o poluente na superfície da peça de trabalho absorve a energia do laser, supera a força entre o poluente e a superfície do substrato através da gaseificação rápida ou da expansão térmica instantânea. Como resultado do aumento da energia de aquecimento, as partículas poluentes vibram e caem da superfície do substrato.
Fig. 1 Diagrama esquemático da limpeza a laser
Todo o processo de limpeza a laser divide-se, grosso modo, em quatro fases:
Ao aplicar a tecnologia de limpeza a laser, é importante ter em conta o limiar de limpeza a laser do objeto a limpar e selecionar o comprimento de onda laser adequado para obter o melhor efeito de limpeza.
A limpeza a laser não só permite alterações na estrutura e orientação do grão da superfície do substrato sem o danificar, como também permite o controlo da rugosidade da superfície do substrato, melhorando as propriedades gerais da superfície.
O efeito de limpeza é influenciado principalmente pelas características do feixe laser, pelos parâmetros físicos do substrato e dos materiais de sujidade e pela capacidade de absorção da sujidade pela energia do feixe.
Atualmente, a tecnologia de limpeza a laser inclui a tecnologia de limpeza a laser seco, a tecnologia de limpeza a laser húmido e a tecnologia de ondas de choque de plasma a laser.
A limpeza por laser pulsado é um processo em que um feixe de laser é direcionado para a peça de trabalho, aumentando a temperatura de absorção de energia do substrato ou dos poluentes da superfície. Isto provoca a expansão térmica ou a vibração térmica do substrato, que separa os poluentes.
Há dois casos em que este método pode ser aplicado:
Em primeiro lugar, quando os poluentes da superfície absorvem o laser e se expandem, separam-se do substrato.
Em segundo lugar, quando o substrato absorve o laser, produz vibração térmica, levando à separação dos poluentes do substrato.
A limpeza por laser húmido envolve a aplicação de uma película líquida na superfície antes de irradiar a peça de trabalho com um laser de impulsos. O laser aquece a película líquida, provocando a sua rápida vaporização.
Durante a vaporização, é gerada uma onda de choque que desloca as partículas poluentes do substrato.
Este método é limitado pelo requisito de que a matriz não deve reagir com a película líquida, restringindo assim a gama de materiais aplicáveis.
A tecnologia de limpeza por ondas de choque de plasma a laser envolve a produção de uma onda de choque de plasma esférica ao romper o meio de ar durante a irradiação a laser.
A onda de choque actua sobre a superfície do substrato e liberta energia para remover os poluentes, sem danificar o substrato, uma vez que o laser não incide diretamente sobre ele.
Esta tecnologia pode limpar eficazmente partículas poluentes tão pequenas como dezenas de nanómetros, e não está limitada pelo comprimento de onda do laser.
Na produção real, vários métodos de ensaio e parâmetros relacionados devem ser seleccionados com base em necessidades específicas para garantir uma limpeza de alta qualidade das peças de trabalho.
Durante o processo de limpeza a laser, a avaliação da eficiência e da qualidade da limpeza da superfície é crucial para determinar a eficácia da tecnologia.
Em comparação com os métodos de limpeza tradicionais, como a limpeza por fricção mecânica, a limpeza por corrosão química, a limpeza por forte impacto líquido-sólido e a limpeza por ultra-sons de alta frequência, a limpeza por laser oferece várias vantagens.
2.1 A limpeza a laser é um método de limpeza "verde" que não requer a utilização de quaisquer agentes químicos ou soluções de limpeza. Os resíduos produzidos durante a limpeza são principalmente pó sólido, de pequeno volume, fáceis de armazenar e recicláveis. Isto permite resolver o problema da poluição ambiental causada pela limpeza química.
2.2 Os métodos de limpeza tradicionais são muitas vezes a limpeza por contacto, que exerce uma força mecânica na superfície do objeto limpo, causando danos na superfície ou fazendo com que o meio de limpeza fique preso à superfície, o que conduz a uma poluição secundária. A limpeza a laser, que não é abrasiva e não tem contacto, pode resolver estes problemas.
2.3 Os lasers podem ser transmitidos através de fibra ótica e podem trabalhar em conjunto com um manipulador e um robot para operações a longa distância. Podem limpar peças difíceis de alcançar pelos métodos tradicionais, garantindo a segurança do pessoal em alguns locais perigosos.
2.4 A limpeza a laser pode remover vários tipos de poluentes na superfície de vários materiais e atingir um nível de limpeza que não pode ser alcançado pelos métodos de limpeza convencionais. Pode também limpar seletivamente os poluentes na superfície do material sem o danificar.
2.5 A limpeza a laser é altamente eficiente e poupa tempo.
2.6 Embora o investimento único na aquisição de um sistema de limpeza a laser seja elevado, o sistema de limpeza pode ser utilizado de forma estável durante muito tempo, com baixos custos de funcionamento e apenas custos de eletricidade por hora.
O processo de limpeza com laser Nd:YAG pulsado depende das características do impulso ótico gerado pelo laser e baseia-se na reação fotofísica resultante da interação entre um feixe de laser de alta intensidade e pulsação curta e uma camada de poluição.
O princípio físico pode ser resumido da seguinte forma:
a) O raio laser emitido é absorvido pela camada contaminada da superfície a tratar.
b) A absorção de uma grande quantidade de energia cria um plasma em rápida expansão (um gás instável altamente ionizado) que gera ondas de choque.
c) A onda de choque decompõe os poluentes em fragmentos e elimina-os.
d) A largura do impulso da luz deve ser suficientemente curta para evitar a acumulação de calor que poderia danificar a superfície tratada.
e) As experiências mostram que, se houver óxidos na superfície do metal, o plasma ocorre na superfície do metal.
O plasma só é gerado quando a densidade de energia excede o limiar, que depende da camada contaminada ou de óxido removida.
Se a densidade de energia exceder este limiar, o material de base pode ser danificado.
Para limpar eficazmente o substrato, garantindo simultaneamente a sua segurança, os parâmetros do laser devem ser ajustados em função da situação, de modo a que a densidade de energia do impulso ótico se situe estritamente entre os dois limiares.
Cada impulso de laser remove uma determinada espessura da camada de poluição. Para camadas de contaminação mais espessas, são necessários vários impulsos para a limpeza.
O número de impulsos necessários para limpar a superfície depende do grau de contaminação da superfície. Um resultado importante dos dois limiares é o autocontrolo da limpeza.
Os impulsos de luz com uma densidade de energia superior ao primeiro limiar removerão os contaminantes até ser atingido o material de base.
No entanto, como a sua densidade de energia é inferior ao limiar de falha do material do substrato, este não será danificado.
A limpeza a laser é uma técnica versátil que pode remover eficazmente contaminantes orgânicos e inorgânicos, como a corrosão de metais, partículas metálicas, poeiras, etc. De seguida, apresentam-se algumas aplicações práticas desta tecnologia, que já atingiu um elevado nível de maturidade e é amplamente utilizada.
Todos os anos, os fabricantes de pneus em todo o mundo produzem centenas de milhões de pneus. Durante o processo de produção, a limpeza dos moldes de pneus deve ser eficiente e eficaz para minimizar o tempo de inatividade.
Os métodos de limpeza tradicionais, como o jato de areia, a limpeza por ultra-sons ou a limpeza com dióxido de carbono, exigem que o molde arrefeça durante várias horas antes de ser transportado para o equipamento de limpeza. Este processo leva uma quantidade significativa de tempo e pode facilmente comprometer a precisão do molde. Além disso, a utilização de solventes químicos e o ruído resultante podem suscitar preocupações em termos de segurança e proteção ambiental.
O método de limpeza a laser oferece uma solução para estes desafios. Como o laser pode ser transmitido através de fibra ótica, tem uma grande flexibilidade de utilização. Além disso, o método de limpeza a laser pode ser combinado com fibra ótica para direcionar a luz para áreas de difícil acesso do molde, facilitando a limpeza. Além disso, o processo de limpeza a laser não gaseifica a borracha, eliminando o risco de emissões de gases tóxicos e garantindo um ambiente de trabalho seguro.
A tecnologia de limpeza a laser para moldes de pneus foi amplamente adoptada nas indústrias europeia e americana de pneus.
Efeito da limpeza a laser do pneu
Embora o custo inicial do equipamento de limpeza a laser seja elevado, os benefícios da redução do tempo de inatividade, da prevenção de danos nos moldes, da melhoria da segurança e da redução da utilização de matérias-primas podem compensar rapidamente este investimento.
De acordo com um teste de limpeza realizado na linha de produção de uma empresa de pneus, um conjunto de moldes de pneus de camião de grandes dimensões pode ser limpo em linha utilizando o equipamento de limpeza a laser em apenas 2 horas.
Em comparação com os métodos de limpeza tradicionais, as vantagens económicas da utilização da limpeza a laser são evidentes.
Na indústria alimentar, a película elástica anti-aderente dos moldes tem de ser substituída regularmente para manter a higiene. A limpeza a laser, que não necessita de agentes químicos, também é adequada para esta aplicação.
Efeito de limpeza de bolor
A tecnologia de limpeza a laser é amplamente utilizada na manutenção de armas.
O sistema de limpeza a laser é uma forma eficiente e rápida de remover ferrugem e contaminantes, e também permite a remoção selectiva, resultando num processo de limpeza automatizado.
Em comparação com a limpeza química, a limpeza a laser não só proporciona um nível de limpeza mais elevado, como também minimiza os danos na superfície dos objectos a limpar.
Além disso, ajustando diferentes parâmetros, pode formar-se uma película protetora de óxido denso ou uma camada de fusão de metal nas superfícies metálicas, aumentando a sua força e resistência à corrosão.
Finalmente, os resíduos gerados pela limpeza a laser são amigos do ambiente e o processo pode ser efectuado remotamente, reduzindo o risco de perigos para a saúde dos operadores.
Na Europa, os sistemas de limpeza a laser têm sido amplamente utilizados no sector da aviação há muito tempo.
As superfícies das aeronaves precisam de ser repintadas após um determinado período de tempo, mas antes disso, a tinta antiga tem de ser completamente removida.
Os métodos mecânicos tradicionais de remoção de tinta podem facilmente danificar a superfície metálica da aeronave e constituir uma ameaça à segurança do voo.
No entanto, utilizando vários sistemas de limpeza a laser, a camada de tinta na superfície de um Airbus A320 pode ser completamente removida em dois dias sem causar qualquer dano à superfície metálica.
Com o rápido crescimento da economia chinesa, estão a ser construídos cada vez mais arranha-céus e o desafio de limpar as suas paredes exteriores está a tornar-se cada vez mais preponderante. O sistema de limpeza a laser Laserlaste fornece uma solução eficaz para a limpeza de paredes exteriores de edifícios através de fibras ópticas com até 70 metros de comprimento.
Este sistema pode limpar eficazmente todos os tipos de poluentes de várias superfícies, como pedra, metal e vidro, resultando numa eficiência de limpeza que é várias vezes superior aos métodos de limpeza convencionais.
Também pode remover manchas pretas e descoloração de vários materiais de pedra utilizados em exteriores de edifícios.
As experiências realizadas com o sistema de limpeza a laser em edifícios e placas de pedra no Templo Songshan Shaolin demonstraram que a limpeza a laser tem um efeito altamente positivo na proteção de edifícios antigos e na recuperação do seu aspeto.
A indústria eletrónica utiliza a tecnologia laser para a remoção de óxidos. A descontaminação de precisão é crucial nesta indústria, tornando a remoção de óxido por laser uma solução ideal.
Antes de soldar uma placa de circuitos, é necessário remover completamente os óxidos dos pinos dos componentes para garantir um contacto elétrico ótimo. Este processo não deve danificar os pinos.
A limpeza a laser é capaz de satisfazer estes requisitos e é altamente eficiente. De facto, um único pino só precisa de ser exposto ao laser uma vez para uma descontaminação eficaz.
Na indústria de maquinaria de precisão, é frequentemente necessário remover ésteres e óleos minerais utilizados para lubrificação e resistência à corrosão das peças. Isto é normalmente efectuado através de métodos químicos, mas a limpeza química deixa frequentemente resíduos.
A desesterificação a laser é uma alternativa que pode remover completamente os ésteres e os óleos minerais sem danificar a superfície das peças. Isto é conseguido através da utilização de uma onda de choque.
A onda de choque é formada pela gaseificação explosiva da fina camada de óxido na superfície das peças, levando à remoção de poluentes, e não por interação mecânica.
Este método de limpeza a laser é amplamente utilizado na indústria aeroespacial para a desesterificação completa de peças mecânicas.
Também pode ser aplicado na maquinagem de peças mecânicas para remover ésteres de óleo.
O sistema de limpeza a laser também é utilizado na limpeza de tubos em reactores de centrais nucleares.
Através da utilização de fibras ópticas, um feixe de laser de alta potência é introduzido no reator para remover diretamente as poeiras radioactivas, resultando em materiais fáceis de limpar. Além disso, a operação remota garante a segurança do pessoal.
Em conclusão, a limpeza a laser desempenha um papel crucial em muitos domínios, incluindo o fabrico de automóveis, a limpeza de bolachas semicondutoras, o processamento e fabrico de peças de precisão, a limpeza de equipamento militar, a limpeza de paredes exteriores de edifícios, a proteção de artefactos culturais, a limpeza de placas de circuitos, o processamento e fabrico de peças de precisão, a limpeza de LCD, a remoção de resíduos de pastilha elástica e muitos outros.
① O Método de Limpeza a Seco a Laser, também conhecido como Descontaminação por Radiação Direta por Laser Pulsado.
② O método Laser + Película Líquida, que consiste em depositar uma camada de película líquida na superfície do substrato e depois descontaminá-la com radiação laser.
③ Método do laser + gás inerte, que consiste em soprar gás inerte na superfície do substrato enquanto o a radiação laser é que está a ser aplicado. Uma vez removida a sujidade da superfície, esta é imediatamente soprada pelo gás para evitar a re-poluição e a oxidação.
④ Depois de a sujidade ser solta pelo laser, é limpa utilizando um método químico não corrosivo. Este método é utilizado apenas para a limpeza de relíquias culturais em pedra.
Os três primeiros métodos são os mais utilizados, enquanto o quarto método só é utilizado em casos específicos.
A tecnologia de limpeza a laser tem sido aplicada a materiais pétreos a nível internacional há mais de dez anos. Na China, a aplicação da tecnologia de limpeza a laser em materiais pétreos começou mais tarde devido ao elevado custo do equipamento laser.
Apesar do custo elevado, a tecnologia de limpeza a laser tem muitas vantagens sobre os métodos de limpeza tradicionais e, à medida que a tecnologia continua a melhorar e o equipamento se torna mais amplamente disponível, espera-se que desempenhe um papel significativo na indústria de limpeza de materiais em pedra.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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