1. Contexte d'application
Dans l'industrie et d'autres domaines, les méthodes de nettoyage traditionnelles telles que le nettoyage chimique et le broyage mécanique ont longtemps dominé. Le nettoyage chimique est susceptible de générer une grande quantité de liquide de déchets chimiques, provoquant une pollution de l'environnement, et il existe également un risque de corrosion pour certains composants de précision. Bien que le broyage mécanique puisse éliminer la saleté de surface, il est facile d'endommager le matériau de base. Il a un mauvais effet lorsqu'il s'agit de composants de formes complexes, et il produira également une pollution par la poussière, constituant une menace pour la santé des opérateurs. De plus, il est difficile de répondre aux exigences du nettoyage de haute précision.
Avec le développement rapide des industries manufacturières haut de gamme telles que l'aérospatiale, le transport ferroviaire et les navires marins, les exigences de nettoyage des composants deviennent de plus en plus strictes. Des composants grands et complexes, tels que les entrées du moteur d'avion, les corps de voitures ferroviaires à grande vitesse et les couvercles d'éclosion des navires, leur qualité de surface affecte directement les performances du produit et la durée de vie. Ces composants sont non seulement de grande taille et de forme complexe, mais ont également des exigences extrêmement élevées pour la précision de nettoyage, l'efficacité et l'intégrité de la surface. Les méthodes de nettoyage traditionnelles ne peuvent plus répondre aux besoins de développement des industries manufacturières modernes.
Dans le contexte de la sensibilisation globale croissante à la protection de l'environnement, l'industrie manufacturière fait face à la pression de la réduction des émissions de pollution et de la consommation de ressources. En tant que technologie de nettoyage vert, la technologie de nettoyage au laser présente des avantages tels que aucune pollution chimique, une faible consommation d'énergie et un nettoyage sans contact. Il peut résoudre efficacement les problèmes environnementaux causés par les méthodes de nettoyage traditionnelles, conformes à la stratégie de développement durable, et la demande d'application dans divers domaines devient de plus en plus urgente.
2. Technologie de nettoyage au laser: Mécanisme
Nettoyage au laserest une technologie qui utilise un faisceau laser avec une densité à haute énergie pour interagir avec la surface d'un matériau. Cela fait que la saleté, les revêtements, etc. sont décollées ou décomposées de la surface du substrat, atteignant ainsi le but du nettoyage.
Le processus de nettoyage au laser implique de multiples mécanismes physiques, tels que l'ablation thermique, les vibrations de contrainte, l'expansion thermique, l'évaporation, l'explosion de phase, la pression d'évaporation et le choc du plasma. Ces mécanismes fonctionnent ensemble pour séparer l'objet à nettoyer du substrat, réalisant l'effet de nettoyage.
Selon les différents supports de nettoyage, le nettoyage au laser peut être divisé en nettoyage à sec au laser, nettoyage au laser humide et nettoyage des ondes de choc au laser.
Nettoyage à sec au laser
Le nettoyage à sec au laser est actuellement la méthode de nettoyage au laser la plus utilisée. Il utilise un faisceau laser pour irradier directement la surface du substrat, faisant subir le substrat que le substrat subit une expansion thermique pour surmonter la force de van der Waals, éliminant ainsi la saleté.
Intensité laser:Le changement de densité d'énergie laser affecte considérablement l'effet de nettoyage. Aux faibles intensités d'énergie, l'évaporation et l'explosion de phase sont les principaux processus. À des densités d'énergie élevées, la pression d'évaporation et les effets de choc entrent également en jeu, et une énergie ultra-élevée peut entraîner des problèmes tels que la génération de plasma. Habituellement, le nettoyage est effectué à une densité d'énergie relativement faible pour protéger le substrat.
Longueur d'onde laser:La longueur d'onde est liée au couplage énergétique du matériau. Aux courtes longueurs d'onde, l'ablation photochimique est dominante, tandis qu'à de longues longueurs d'onde, l'ablation photothermique est dominante. De plus, la longueur d'onde affecte la force et la distribution de la température entre les particules et le substrat, influençant ainsi la force de nettoyage et l'efficacité. L'impact de la longueur d'onde varie également pour différentes tâches de nettoyage.
Largeur d'impulsion:Les mécanismes de nettoyage des impulsions courts et longs sont différents. Les impulsions longues ont un fort effet d'ablation mais une mauvaise sélectivité, tandis que les impulsions courtes peuvent générer des températures élevées et des ondes de choc pour éliminer les contaminants avec moins de dégâts. Dans le cas des largeurs d'impulsions ultra-courtes, le mécanisme "d'ablation" est à l'œuvre.
Angle d'incidence:Lorsque le laser est irradié verticalement, les particules de contaminants peuvent bloquer le laser. L'irradiation oblique peut améliorer l'efficacité de nettoyage.
Mécanisme de nettoyage à sec au laser et l'influence des paramètres clés sur l'effet de nettoyage: a) Mécanisme b) Longueur d'onde C) Largeur d'impulsion D) angle d'incidence e) Incidence avant / arrière
Nettoyage laser humide
Il est réalisé grâce à l'aide d'un film liquide. Un film liquide est pré-placé à la surface de la pièce pour être nettoyée. Lorsque le laser irrade directement, le liquide se réchauffe rapidement, générant une forte force d'impact, éliminant ainsi les contaminants à la surface du substrat.
Mécanisme de nettoyage au laser humide
Nettoyage au laser à ondes de choc
La technologie de nettoyage des ondes de choc au laser est divisée en deux catégories: Choc laser sec - Nettoyage des vagues et nettoyage hybride des ondes de choc laser.
Pendant le nettoyage sec des ondes de choc au laser, le laser se concentre pour générer un plasma qui a un impact sur les particules. Cela peut éviter les dommages causés par l'irradiation directe, mais il peut y avoir des angles morts. Il peut être amélioré en modifiant l'angle incident ou en utilisant un nettoyage à double faisceau.
Le nettoyage hybride des ondes de choc au laser comprend des méthodes telles que la vapeur, le sous-marin et le choc laser humide. Il utilise les effets pertinents des liquides pour éliminer la saleté. Il est lié à des caractéristiques telles que la densité liquide et possède un large éventail d'applications avec des avantages évidents.
Mécanisme du nettoyage des ondes de choc au laser: a) Nettoyage sec au laser au laser b) Amélioration du nettoyage à ondes de choc laser sèche B1) laser à faisceau à faisceau B2) laser à double poutre C) Nettoyage à ondes de choc laser humide.
3. Aerospace: film d'oxyde sur le conduit d'admission en alliage en titane
Il a un effet remarquable pour nettoyer le film d'oxyde à la surface du canal d'admission en alliage de titane en utilisant le laser à impulsion nanoseconde. Sa caractéristique à faible effet thermique peut empêcher le substrat d'oxydation secondaire, ce qui est une meilleure méthode de nettoyage.
Mécanisme de nettoyage à sec:
Le principal mécanisme est l'ablation laser. Lorsque l'énergie laser agit sur le film d'oxyde, la surface absorbe une grande quantité d'énergie. Selon l'énergie, le mécanisme d'ablation change et diverses structures morphologiques se forment à la surface.
Lorsque l'énergie est faible, une partie du film d'oxyde est retirée, avec une petite quantité de zone relancée; Lorsque l'énergie est modérée, le film d'oxyde est retiré et les dommages sont négligeables; Lorsque l'énergie est trop élevée, bien que le film d'oxyde puisse être éliminé, il causera de grands dommages au substrat et une structure striée se forme à la surface.
Mécanisme de nettoyage humide:
À une densité d'énergie plus faible, le mécanisme de nettoyage est une onde de choc induite par le laser. À une densité d'énergie plus élevée, il s'agit principalement d'ablation laser et d'explosion de phase. Pendant le processus de nettoyage, l'alliage de titane est rapidement refroidi et chauffé pour former un alliage de titane martensitique. Lorsque la densité d'énergie augmente à une certaine valeur, la surface devient une surface de saillie nano-structurée, et cette nano-structure est d'une grande importance pour l'application ultérieure de matériaux en alliage de titane.
L'effet de nettoyage au laser et le mécanisme du film d'oxyde à la surface du conduit d'admission en alliage d'alliage en titane aérospatial: a) Morphologie de surface de l'alliage de titane après nettoyage b) Mécanisme principal du nettoyage à sec laser du film d'oxyde d'alliage en titane c) Mécanisme principal du nettoyage humide laser du film d'oxyde d'alliage en titane.
4. Rail à grande vitesse: peinture sur la carrosserie de la voiture en alliage en aluminium
Méthode d'épaisseur et de nettoyage de la peinture:
Pour le nettoyage de la peinture sur les corps de voiture en alliage en aluminium à haute vitesse, différentes couleurs et épaisseurs de peinture nécessitent différentes méthodes de nettoyage au laser appropriées.
Machine de nettoyage laser à fibre CW 3000W
Peinture mince (épaisseur inférieure ou égale à 40 μm): il est préférable de choisir une source de lumière laser avec un taux d'absorption de peinture plus faible et de le retirer par vibration thermique;
Peinture épaisse: il est nécessaire de choisir une source de lumière laser avec un taux d'absorption de peinture plus élevé et de le retirer en utilisant le mécanisme d'ablation.
Dépouillage de la peinture rouge:
Le principal mécanisme de décapage pour la peinture rouge est le mécanisme de vibration.
Pendant le processus de nettoyage, l'énergie du laser pénètre dans le substrat et la contrainte thermique générée par l'élévation de la température du substrat provoque la baisse de la peinture, et la couche de peinture entière peut être retirée, la peinture résiduelle sur la surface de l'alliage en aluminium montrant une morphologie de filet lâche.
Retrait de la peinture bleue:
Sous la même entrée d'énergie laser, la température de la peinture bleue est supérieure à celle de la peinture rouge, mais la contrainte thermique du substrat est inférieure à celle de la peinture rouge. Lorsque la température de la peinture atteint le point d'ébullition, la peinture est éliminée par évaporation, et il existe également des mécanismes couplés tels que la fissuration de la couche, la brûlure et le choc plasma.
Effet de nettoyage au laser et mécanisme de peinture à la surface de la carrosserie de la voiture en alliage en aluminium à haute vitesse: A) Morphologie de surface de l'alliage d'aluminium après nettoyage b) Mécanisme principal du nettoyage à sec au laser de la peinture bleu / rouge sur la surface de l'alliage en aluminium.
5. Navires: rouille à la surface des coques de navires en acier à haute résistance
Nettoyage d'élimination de la rouille sèche
Dans le processus de nettoyage d'élimination de la rouille sèche pour les coques de navires en acier à haute résistance, le mécanisme d'élimination principal est la vaporisation du film d'oxyde due à l'absorption d'énergie. Lorsque les oxydes de surface se vaporisent et s'évaporent, une force de réaction vers le bas est générée, ce qui aide à éliminer les films d'oxyde plus épais.
Élimination de la rouille laser assistée par un film liquide
Le principal mécanisme de l'élimination de la rouille laser assistée par le film liquide est l'explosion de phase causée par les gouttelettes absorbant l'énergie, générant une force d'impact pour éliminer la couche de rouille.
L'effet d'ébullition explosif du film liquide améliore l'impact du mécanisme d'explosion de phase sur l'élimination de la rouille, permettant une meilleure élimination des films d'oxyde de surface, mais il n'est pas efficace pour éliminer les oxydes enterrés plus profondément.
Différents mécanismes d'élimination de la couche de rouille affectent l'écoulement du métal fondu sur la surface. La poussée latérale générée par l'explosion de phase peut favoriser l'écoulement de la couche fondue, ce qui rend la surface plus lisse, tandis que la vapeur d'oxyde produite par le mécanisme de vaporisation peut affecter le remplissage des puits par le métal liquide.
Nettoyage au laser de la rouille à la surface des coques de navire en acier à haute résistance: a) Morphologie de surface de l'acier à haute résistance après le nettoyage b) Mécanismes principaux du nettoyage laser sec / humide de la rouille à la surface des coques de navire en acier à haute résistance.
6. Océan: Micro-organismes marins sur les surfaces en alliage en aluminium
Paramètres laser et effet de nettoyage:
Les lasers avec des largeurs d'impulsions étroites et une puissance de pointe élevée ont un meilleur effet de nettoyage sur les micro-organismes marins sur les surfaces en alliage en aluminium.
Mécanisme d'élimination des micro-organismes:
Les mécanismes d'élimination du laser pour la couche extracellulaire de substances polymères (EPS) et le substrat de la bernacle sont respectivement la vaporisation de l'ablation et le décapage des ondes de choc. Pendant le processus d'absorption multiphoton, les chaînes uniques de macromolécules microbiennes se cassent, décomposant pour produire un grand nombre d'atomes. Après l'ionisation, sous l'action combinée des mécanismes de choc et d'ablation plasmatiques, les micro-organismes marins peuvent être mieux éliminés.
Pour les substances organiques telles que la peinture et les micro-organismes marins, à de faibles densités d'énergie laser, les réactions photochimiques provoquent la rupture de leurs liaisons chimiques, se manifestant à mesure que la détérioration, la décoloration, la perte d'activité, etc. à mesure que la densité d'énergie augmente, des phénomènes tels que l'ablation, la vaporisation, les fautes de combustion et le choc du plasma se produisent.
Pour les substances inorganiques telles que les films d'oxyde et la rouille, il n'y a pas de changements à faible densités d'énergie, et l'ablation et la vaporisation se produisent après l'augmentation de l'énergie.
Effet de nettoyage au laser et mécanisme des micro-organismes marins sur les surfaces en alliage en aluminium.
7. Nettoyage au laser des reliques culturelles
Les nettoyeurs laser pulsés ont des applications importantes dans la protection culturelle de la relique, répondant aux besoins de nettoyage non destructif et de haute précision des reliques culturelles, telles que la pierre, le papier et les artefacts métalliques.
Nettoyer laser pulsé portable 200W
Applications typiques du nettoyage laser pulsé dans les reliques culturelles:
Artefacts en pierre:
a) ancienne sculpture d'Odysses du marbre romain: a1) avant le nettoyage a2) après le nettoyage
b) Sarcophage du marbre romain: b1) avant le nettoyage b2) après le nettoyage
c) sculptures de relève du temple de l'Acropole grecque Parthénon
Artefacts papier:
d) peinture à l'huile du XVe siècle "Christ avant Pilate": D1) avant le nettoyage D2) après le nettoyage
e) peinture à l'huile moderne du XIXe siècle "Scène de chasse": E1) avant le nettoyage E2) après le nettoyage
Artefacts métalliques:
f) Sculpture en bronze de l'Université de l'Illinois: F1) avant le nettoyage F2) après le nettoyage
g) Fusil de chasse à l'argent: G1) avant de nettoyer G2) après le nettoyage
h) Trad d'or militaire du XIXe siècle: H1) Avant de nettoyer H2) nettoyée entièrement H3) sur-nettoyée
Autres artefacts:
i) Cadre en bois doré du XIXe siècle: i1) avant le nettoyage i2) après le nettoyage
j) Mat de rotin africain du XIXe siècle: J1) avant le nettoyage j2) après le nettoyage
k) Vessel en verre égyptien ancien: k1) avant le nettoyage k2) après le nettoyage
