การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์คืออะไร? กลไกผลประโยชน์และการใช้งานจริง

1. พื้นหลังแอปพลิเคชัน

ในอุตสาหกรรมและสาขาอื่น ๆ วิธีการทำความสะอาดแบบดั้งเดิมเช่นการทำความสะอาดสารเคมีและการบดเชิงกลมีการครอบงำมานาน การทำความสะอาดสารเคมีมีแนวโน้มที่จะสร้างของเหลวของเสียจากสารเคมีจำนวนมากทำให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมและยังมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนต่อองค์ประกอบที่แม่นยำ แม้ว่าการบดเชิงกลสามารถกำจัดสิ่งสกปรกบนพื้นผิวได้ แต่ง่ายต่อการทำลายวัสดุฐาน มันมีผลไม่ดีเมื่อต้องรับมือกับส่วนประกอบของรูปร่างที่ซับซ้อนและมันจะสร้างมลพิษฝุ่นซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อสุขภาพของผู้ประกอบการ ยิ่งกว่านั้นมันเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการของการทำความสะอาดที่มีความแม่นยำสูง

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมการผลิตระดับสูงเช่นการบินและอวกาศการขนส่งทางรถไฟและเรือทางทะเลข้อกำหนดสำหรับการทำความสะอาดส่วนประกอบกำลังเข้มงวดมากขึ้นเรื่อย ๆ ส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนเช่นทางเข้าเครื่องยนต์เครื่องบินลำตัวรถรางความเร็วสูงและฝาครอบฟักของเรือคุณภาพพื้นผิวของพวกเขาส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์และอายุการใช้งาน ส่วนประกอบเหล่านี้ไม่เพียง แต่มีขนาดใหญ่และมีรูปร่างที่ซับซ้อน แต่ยังมีความต้องการสูงมากสำหรับการทำความสะอาดความแม่นยำประสิทธิภาพและความสมบูรณ์ของพื้นผิว วิธีการทำความสะอาดแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการพัฒนาของอุตสาหกรรมการผลิตที่ทันสมัยได้อีกต่อไป

เมื่อเทียบกับฉากหลังของการรับรู้การคุ้มครองสิ่งแวดล้อมทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นอุตสาหกรรมการผลิตต้องเผชิญกับแรงกดดันในการลดการปล่อยมลพิษและการใช้ทรัพยากร ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีการทำความสะอาดสีเขียวเทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีข้อดีเช่นไม่มีมลพิษทางเคมีการใช้พลังงานต่ำและการทำความสะอาดแบบไม่ติดต่อ มันสามารถแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากวิธีการทำความสะอาดแบบดั้งเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพสอดคล้องกับกลยุทธ์การพัฒนาที่ยั่งยืนและความต้องการแอปพลิเคชันในสาขาต่าง ๆ กำลังเร่งด่วนมากขึ้นเรื่อย ๆ

2. เทคโนโลยีการทำความสะอาดเลเซอร์: กลไก

การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงเพื่อโต้ตอบกับพื้นผิวของวัสดุ สิ่งนี้ทำให้สิ่งสกปรกการเคลือบ ฯลฯ ถูกลอกออกหรือสลายตัวจากพื้นผิวของสารตั้งต้นเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการทำความสะอาด

กระบวนการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เกี่ยวข้องกับกลไกทางกายภาพหลายอย่างเช่นการระเหยด้วยความร้อนการสั่นสะเทือนของความเครียดการขยายตัวทางความร้อนการระเหยการระเบิดเฟสความดันการระเหยและการกระแทกในพลาสมา กลไกเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อแยกวัตถุที่จะทำความสะอาดออกจากพื้นผิวเพื่อให้ได้ผลการทำความสะอาด

จากสื่อทำความสะอาดที่แตกต่างกันการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นการทำความสะอาดแบบแห้งด้วยเลเซอร์การทำความสะอาดเลเซอร์เปียกและการทำความสะอาดคลื่นกระแทกด้วยเลเซอร์

การซักแห้งด้วยเลเซอร์

การทำความสะอาดแบบแห้งด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการทำความสะอาดเลเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด มันใช้ลำแสงเลเซอร์เพื่อฉายรังสีพื้นผิวของพื้นผิวโดยตรงทำให้พื้นผิวผ่านการขยายตัวทางความร้อนเพื่อเอาชนะแรง Van der Waals

ความเข้มของเลเซอร์:การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์มีผลต่อผลการทำความสะอาดอย่างมีนัยสำคัญ ที่ความเข้มของพลังงานต่ำการระเหยและการระเบิดเฟสเป็นกระบวนการหลัก ที่ความหนาแน่นของพลังงานสูงแรงดันการระเหยและผลกระทบช็อตก็เข้ามาเล่นและพลังงานสูงเป็นพิเศษอาจนำไปสู่ปัญหาเช่นการสร้างพลาสมา โดยปกติแล้วการทำความสะอาดจะดำเนินการที่ความหนาแน่นของพลังงานค่อนข้างต่ำเพื่อป้องกันพื้นผิว

ความยาวคลื่นเลเซอร์:ความยาวคลื่นเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อพลังงานของวัสดุ ที่ความยาวคลื่นสั้นการระเหยด้วยแสงโฟโตเคมีนั้นโดดเด่นในขณะที่ความยาวคลื่นยาวการระเหยด้วยแสงความร้อนนั้นโดดเด่น ยิ่งไปกว่านั้นความยาวคลื่นส่งผลกระทบต่อแรงและการกระจายอุณหภูมิระหว่างอนุภาคและสารตั้งต้นซึ่งมีผลต่อแรงทำความสะอาดและประสิทธิภาพ ผลกระทบของความยาวคลื่นก็แตกต่างกันไปตามงานการทำความสะอาดที่แตกต่างกัน

ความกว้างพัลส์:กลไกการทำความสะอาดของพัลส์สั้นและยาวนั้นแตกต่างกัน ยาว - พัลส์มีเอฟเฟกต์การระเหยที่แข็งแกร่ง แต่การเลือกที่ไม่ดีในขณะที่พัลส์สั้นสามารถสร้างอุณหภูมิสูงและคลื่นกระแทกเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนที่มีความเสียหายน้อยลง ในกรณีของความกว้างของพัลส์สั้น ๆ กลไก "การระเหย" กำลังทำงานอยู่

มุมอุบัติการณ์:เมื่อเลเซอร์ถูกฉายรังสีในแนวตั้งอนุภาคสารปนเปื้อนสามารถปิดกั้นเลเซอร์ได้ การฉายรังสีแบบเอียงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำความสะอาด

กลไกการทำความสะอาดแบบแห้งด้วยเลเซอร์และอิทธิพลของพารามิเตอร์สำคัญต่อเอฟเฟกต์การทำความสะอาด: a) กลไก B) ความยาวคลื่น C) ความกว้างพัลส์ d) มุมอุบัติการณ์ e) อุบัติการณ์ด้านหน้า/หลัง

การทำความสะอาดเลเซอร์เปียก

มันประสบความสำเร็จผ่านความช่วยเหลือของฟิล์มเหลว ฟิล์มเหลวจะถูกวางไว้ล่วงหน้าบนพื้นผิวของชิ้นงานที่จะทำความสะอาด เมื่อเลเซอร์ฉายรังสีโดยตรงของเหลวจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วทำให้เกิดแรงกระแทกที่แข็งแกร่งซึ่งจะกำจัดสารปนเปื้อนบนพื้นผิวของสารตั้งต้น

กลไกการทำความสะอาดเลเซอร์เปียก

การทำความสะอาดคลื่นกระแทกด้วยเลเซอร์

เทคโนโลยีการทำความสะอาดคลื่นกระแทกด้วยเลเซอร์แบ่งออกเป็นสองประเภท: การช็อตเลเซอร์แห้ง-การทำความสะอาดคลื่นและการทำความสะอาดคลื่นช็อตเลเซอร์ไฮบริด

ในระหว่างการทำความสะอาดคลื่นกระแทกด้วยเลเซอร์แห้งเลเซอร์มุ่งเน้นที่จะสร้างพลาสมาที่ส่งผลกระทบต่ออนุภาค สิ่งนี้สามารถหลีกเลี่ยงความเสียหายที่เกิดจากการฉายรังสีโดยตรง แต่อาจมีจุดบอด มันสามารถปรับปรุงได้โดยการเปลี่ยนมุมเหตุการณ์หรือใช้การทำความสะอาดลำแสงคู่

การทำความสะอาดคลื่นกระแทกด้วยเลเซอร์ไฮบริดรวมถึงวิธีการเช่นไอน้ำใต้น้ำและเลเซอร์เปียก มันใช้ผลกระทบที่เกี่ยวข้องของของเหลวเพื่อกำจัดสิ่งสกปรก มันเกี่ยวข้องกับลักษณะเช่นความหนาแน่นของของเหลวและมีแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายพร้อมข้อได้เปรียบที่ชัดเจน

กลไกการทำความสะอาดคลื่นกระแทกด้วยเลเซอร์: a) การทำความสะอาดคลื่นช็อตเลเซอร์แห้ง b) การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ด้วยเลเซอร์แห้งที่ดีขึ้น B1) เดี่ยว-เลเซอร์ลำแสง B2) เลเซอร์ลำแสงคู่ C) การทำความสะอาดคลื่นช็อตเลเซอร์เปียก

3. การบินและอวกาศ: ฟิล์มออกไซด์บนท่อไอดีไทเทเนียมโลหะผสม

มันมีผลกระทบที่น่าทึ่งในการทำความสะอาดฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของท่อไอดีโลหะผสมไทเทเนียมโดยใช้เลเซอร์ชีพจรนาโนวินาที ลักษณะของเอฟเฟกต์ความร้อนต่ำสามารถป้องกันสารตั้งต้นจากการเกิดออกซิเดชันทุติยภูมิซึ่งเป็นวิธีการทำความสะอาดที่ดีขึ้น

กลไกการซักแห้ง:
กลไกหลักคือการระเหยด้วยเลเซอร์ เมื่อพลังงานเลเซอร์ทำหน้าที่บนฟิล์มออกไซด์พื้นผิวจะดูดซับพลังงานจำนวนมาก กลไกการเปลี่ยนแปลงการเปลี่ยนแปลงและโครงสร้างทางสัณฐานวิทยาต่าง ๆ เกิดขึ้นบนพื้นผิวทั้งนี้ขึ้นอยู่กับพลังงาน

เมื่อพลังงานอยู่ในระดับต่ำส่วนหนึ่งของฟิล์มออกไซด์จะถูกลบออกโดยมีพื้นที่ที่ได้รับการ remelted จำนวนเล็กน้อย เมื่อพลังงานอยู่ในระดับปานกลางฟิล์มออกไซด์จะถูกลบออกและความเสียหายนั้นเล็กน้อย เมื่อพลังงานสูงเกินไปแม้ว่าฟิล์มออกไซด์จะถูกลบออก แต่ก็จะทำให้เกิดความเสียหายอย่างมากต่อสารตั้งต้นและโครงสร้างที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว

กลไกการทำความสะอาดเปียก:

ที่ความหนาแน่นของพลังงานที่ต่ำกว่ากลไกการทำความสะอาดคือคลื่นกระแทกที่เกิดจากเลเซอร์ ที่ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นส่วนใหญ่จะเป็นเลเซอร์ระเหยและการระเบิดเฟส ในระหว่างกระบวนการทำความสะอาดโลหะผสมไทเทเนียมจะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วและร้อนขึ้นเพื่อสร้างโลหะผสมไทเทเนียมมาร์เทนซิติก เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นเป็นค่าที่แน่นอนพื้นผิวจะกลายเป็นพื้นผิวที่ยื่นออกมาจากโครงสร้างนาโนและโครงสร้างนาโนนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประยุกต์ใช้วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมในภายหลัง

เอฟเฟกต์การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์และกลไกของฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของท่อโลหะผสมไทเทเนียมการบินและอวกาศ: a) สัณฐานวิทยาพื้นผิวของโลหะผสมไทเทเนียมหลังจากทำความสะอาด b) กลไกหลักของการทำความสะอาดแห้งเลเซอร์ของฟิล์มไทเทเนียมออกไซด์ออกไซด์

4. รางความเร็วสูง: ทาสีบนตัวถังโลหะอลูมิเนียม
 

ความหนาของสีและวิธีการทำความสะอาด:

สำหรับการทำความสะอาดสีบนร่างกายรถอัลลอยอลูมิเนียมความเร็วสูงสีและความหนาของสีต่างกันต้องใช้วิธีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ที่เหมาะสม

เครื่องทำความสะอาดเลเซอร์ไฟเบอร์ 3000W CW

สีบาง ๆ (ความหนาน้อยกว่าหรือเท่ากับ40μm): เป็นการดีกว่าที่จะเลือกแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีอัตราการดูดซับสีต่ำกว่าและลบออกผ่านการสั่นสะเทือนด้วยความร้อน
สีหนา: จำเป็นต้องเลือกแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีอัตราการดูดซับสีที่สูงขึ้นและลบออกโดยใช้กลไกการระเหย

การลอกสีแดง:
กลไกการลอกหลักสำหรับสีแดงคือกลไกการสั่นสะเทือน

ในระหว่างกระบวนการทำความสะอาดพลังงานเลเซอร์แทรกซึมเข้าไปในพื้นผิวและความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของพื้นผิวทำให้สีหลุดออกและชั้นสีทั้งหมดสามารถลบออกได้โดยมีสีตกค้างบนพื้นผิวโลหะผสมอลูมิเนียม

การกำจัดสีฟ้า:
ภายใต้อินพุตพลังงานเลเซอร์เดียวกันอุณหภูมิของสีฟ้าสูงกว่าสีแดง แต่ความเครียดจากความร้อนของสารตั้งต้นต่ำกว่าสีแดง เมื่ออุณหภูมิสีถึงจุดเดือดสีจะถูกลบออกโดยการระเหยและยังมีกลไกคู่เช่นการแตกร้าวของชั้นการเผาไหม้และการกระแทกในพลาสมา

เอฟเฟกต์การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์และกลไกการทาสีบนพื้นผิวของอลูมิเนียมอัลลอยด์อัลลอยด์บนพื้นผิวของโลหะอัลลอยด์อัลลอยด์: a) สัณฐานวิทยาพื้นผิวของโลหะผสมอลูมิเนียมหลังจากทำความสะอาด b) กลไกหลักของการทำความสะอาดเลเซอร์แห้งของสีฟ้า/สีแดงบนพื้นผิวโลหะผสมอลูมิเนียม
 

5. เรือ: สนิมบนพื้นผิวของเรือเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง
 

การทำความสะอาดกำจัดสนิมแห้ง
ในกระบวนการทำความสะอาดกำจัดสนิมแห้งสำหรับลำเรือเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงกลไกการกำจัดหลักคือการระเหยของฟิล์มออกไซด์เนื่องจากการดูดซับพลังงาน เมื่อพื้นผิวออกไซด์ระเหยและระเหยแรงปฏิกิริยาลงจะถูกสร้างขึ้นซึ่งจะช่วยกำจัดฟิล์มออกไซด์ที่หนาขึ้น

การกำจัดสนิมเลเซอร์ที่ช่วยฟิล์มของเหลว
กลไกหลักของการกำจัดสนิมเลเซอร์ที่ใช้ฟิล์มเหลวช่วยคือการระเบิดเฟสที่เกิดจากหยดที่ดูดซับพลังงานทำให้เกิดแรงกระแทกเพื่อกำจัดชั้นสนิม

ผลการเดือดที่ระเบิดได้ของฟิล์มเหลวช่วยเพิ่มผลกระทบของกลไกการระเบิดของเฟสต่อการกำจัดสนิมทำให้การกำจัดฟิล์มออกไซด์ของพื้นผิวดีขึ้น แต่มันไม่ได้มีประสิทธิภาพในการกำจัดออกไซด์ที่ฝังลึกลงไป

กลไกการกำจัดชั้นสนิมที่แตกต่างกันส่งผลกระทบต่อการไหลของโลหะหลอมเหลวบนพื้นผิว แรงขับด้านข้างที่เกิดจากการระเบิดเฟสสามารถส่งเสริมการไหลของชั้นหลอมเหลวทำให้พื้นผิวเรียบเนียนขึ้นในขณะที่ไอออกไซด์ที่เกิดจากกลไกการระเหยกลายเป็นไอสามารถส่งผลต่อการเติมหลุมโดยโลหะเหลว

การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ของการเกิดสนิมบนพื้นผิวของเรือเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง: a) สัณฐานวิทยาพื้นผิวของเหล็กความแข็งแรงสูงหลังจากทำความสะอาด b) กลไกหลักของการทำความสะอาดเลเซอร์แห้ง/เปียกของสนิมบนพื้นผิวของเรือเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง

6. มหาสมุทร: จุลินทรีย์ทางทะเลบนพื้นผิวโลหะผสมอลูมิเนียม

พารามิเตอร์เลเซอร์และเอฟเฟกต์การทำความสะอาด:

เลเซอร์ที่มีความกว้างพัลส์แคบและพลังสูงสุดสูงมีผลการทำความสะอาดที่ดีขึ้นต่อจุลินทรีย์ทางทะเลบนพื้นผิวอลูมิเนียมอัลลอยด์

กลไกการกำจัดจุลินทรีย์:
กลไกการกำจัดเลเซอร์สำหรับชั้นโพลีเมอร์นอกเซลล์ (EPS) ชั้นและสารตั้งต้นของ Barnacle คือการระเหยไอและการลอกคลื่นกระแทกตามลำดับ ในระหว่างกระบวนการดูดซับแบบหลายชั่วโมงโซ่เดี่ยวของ macromolecules จุลินทรีย์จะแตกสลายการย่อยสลายเพื่อผลิตอะตอมจำนวนมาก หลังจากไอออนไนซ์ภายใต้การกระทำรวมของกลไกการช็อกและการระเหยของพลาสมาจุลินทรีย์ทางทะเลสามารถลบออกได้ดีกว่า

สำหรับสารอินทรีย์เช่นสีและจุลินทรีย์ทางทะเลที่ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ต่ำปฏิกิริยาทางเคมีทำให้พันธะเคมีของพวกเขาแตกหักแสดงให้เห็นถึงการเสื่อมสภาพการเปลี่ยนสีการสูญเสียกิจกรรม ฯลฯ เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นปรากฏการณ์เช่นการระเหย

สำหรับสารอนินทรีย์เช่นฟิล์มออกไซด์และสนิมไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำและการระเหยและการระเหยกลายเป็นไอหลังจากพลังงานเพิ่มขึ้น

เอฟเฟกต์การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์และกลไกของจุลินทรีย์ทางทะเลบนพื้นผิวโลหะผสมอลูมิเนียม

7. การทำความสะอาดเลเซอร์ของพระธาตุวัฒนธรรม
 

เครื่องทำความสะอาดเลเซอร์พัลซิ่งมีการใช้งานที่สำคัญในการป้องกันที่ระลึกทางวัฒนธรรมตอบสนองความต้องการสำหรับการทำความสะอาดที่ไม่ทำลายและมีความแม่นยำสูงของพระธาตุทางวัฒนธรรมเช่นหินกระดาษและสิ่งประดิษฐ์โลหะ

เครื่องทำความสะอาดเลเซอร์แบบพกพาแบบพกพา 200W

การใช้งานทั่วไปของการทำความสะอาดเลเซอร์พัลซิ่งในพระธาตุวัฒนธรรม:

สิ่งประดิษฐ์หิน:

A) รูปปั้นหินอ่อนโรมันโรมันโบราณ: A1) ก่อนทำความสะอาด A2) หลังจากทำความสะอาด

b) โลงศพหินอ่อนโรมัน: B1) ก่อนทำความสะอาด b2) หลังจากทำความสะอาด

c) ประติมากรรมการบรรเทาทุกข์ของวัด Parthenon Greek Parthenon

สิ่งประดิษฐ์กระดาษ:
d) ภาพวาดน้ำมันในศตวรรษที่ 15 "พระคริสต์ก่อนปีลาต": D1) ก่อนทำความสะอาด D2) หลังจากทำความสะอาด

e) ภาพวาดน้ำมันสมัยใหม่ในศตวรรษที่ 19 "ฉากล่าสัตว์": E1) ก่อนทำความสะอาด E2) หลังจากทำความสะอาด
 

สิ่งประดิษฐ์โลหะ:
f) รูปปั้นบรอนซ์ของมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์: F1) ก่อนทำความสะอาด F2) หลังจากทำความสะอาด

g) ปืนไรเฟิลล่าเงิน: G1) ก่อนทำความสะอาด G2) หลังจากทำความสะอาด

h) ถักเปียทองคำทหารในศตวรรษที่ 19: H1) ก่อนทำความสะอาด H2) ทำความสะอาด H3 อย่างเต็มที่) ทำความสะอาด

สิ่งประดิษฐ์อื่น ๆ :
i) กรอบไม้ทองคำในศตวรรษที่ 19: i1) ก่อนทำความสะอาด i2) หลังจากทำความสะอาด

j) เสื่อหวายแอฟริกาในศตวรรษที่ 19: J1) ก่อนทำความสะอาด J2) หลังจากทำความสะอาด

K) เรือแก้วอียิปต์โบราณ: K1) ก่อนทำความสะอาด K2) หลังจากทำความสะอาด