Trong những năm gần đây, làm sạch bằng laser đã trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong ngành sản xuất công nghiệp, bao gồm quy trình, lý thuyết, thiết bị và ứng dụng. Trong ứng dụng công nghiệp, công nghệ làm sạch bằng laser đã chứng minh khả năng làm sạch hiệu quả nhiều bề mặt vật liệu khác nhau, bao gồm thép, nhôm, titan, thủy tinh và vật liệu composite, v.v., với các ngành công nghiệp ứng dụng rộng rãi như hàng không vũ trụ, hàng không, vận tải biển, đường sắt cao tốc, ô tô, khuôn mẫu, năng lượng hạt nhân và hàng hải, cùng nhiều lĩnh vực khác.
Công nghệ làm sạch bằng laser, ra đời từ những năm 1960, có những ưu điểm như hiệu quả làm sạch tốt, phạm vi ứng dụng rộng, độ chính xác cao, không tiếp xúc và dễ tiếp cận. Trong sản xuất công nghiệp, sản xuất và bảo trì cũng như các lĩnh vực khác, công nghệ này có triển vọng ứng dụng rộng rãi, được kỳ vọng sẽ thay thế một phần hoặc hoàn toàn các phương pháp làm sạch truyền thống và trở thành công nghệ làm sạch xanh triển vọng nhất trong thế kỷ 21.
Phương pháp làm sạch bằng laser
Quá trình làm sạch bằng laser rất phức tạp, liên quan đến nhiều cơ chế loại bỏ vật liệu khác nhau. Đối với phương pháp làm sạch bằng laser, quá trình làm sạch có thể đồng thời diễn ra nhiều cơ chế khác nhau, chủ yếu là do sự tương tác giữa laser và vật liệu, bao gồm sự bào mòn bề mặt vật liệu, phân hủy, ion hóa, suy thoái, nóng chảy, cháy, bay hơi, rung động, bắn phá, giãn nở, co lại, nổ, bong tróc, tách lớp và các thay đổi vật lý và hóa học khác.
Hiện nay, các phương pháp làm sạch bằng laser điển hình chủ yếu gồm ba phương pháp: làm sạch bằng cách khắc laser, làm sạch bằng laser có hỗ trợ màng chất lỏng và làm sạch bằng sóng xung kích laser.
Phương pháp làm sạch bằng tia laser
Các cơ chế phương pháp chính bao gồm giãn nở nhiệt, bay hơi, bóc tách và nổ pha. Tia laser tác động trực tiếp lên vật liệu cần loại bỏ khỏi bề mặt chất nền và điều kiện môi trường có thể là không khí, khí loãng hoặc chân không. Điều kiện hoạt động đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất để loại bỏ nhiều loại lớp phủ, sơn, hạt hoặc bụi bẩn. Sơ đồ bên dưới thể hiện quy trình của phương pháp làm sạch bằng bóc tách laser.
Khi chiếu tia laser lên bề mặt vật liệu, chất nền và vật liệu làm sạch sẽ trải qua quá trình giãn nở nhiệt đầu tiên. Khi thời gian tương tác giữa tia laser và vật liệu làm sạch tăng lên, nếu nhiệt độ thấp hơn ngưỡng tạo bọt khí của vật liệu làm sạch, vật liệu làm sạch chỉ trải qua quá trình biến đổi vật lý. Sự khác biệt giữa hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu làm sạch và chất nền dẫn đến áp suất tại giao diện, khiến vật liệu làm sạch bị cong vênh, bong tróc khỏi bề mặt chất nền, nứt vỡ, gãy vỡ cơ học, rung động, v.v., và cuối cùng vật liệu làm sạch bị loại bỏ bằng tia nước hoặc bị bong ra khỏi bề mặt chất nền.
Nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ ngưỡng hóa hơi của vật liệu làm sạch, sẽ có hai trường hợp: 1) ngưỡng mài mòn của vật liệu làm sạch nhỏ hơn ngưỡng mài mòn của chất nền; 2) ngưỡng mài mòn của vật liệu làm sạch lớn hơn ngưỡng mài mòn của chất nền.
Hai trường hợp làm sạch vật liệu này là sự nóng chảy, xâm thực và bào mòn cùng các thay đổi lý hóa khác. Cơ chế làm sạch phức tạp hơn, ngoài tác động nhiệt, còn có thể bao gồm sự phá vỡ liên kết phân tử giữa vật liệu làm sạch và chất nền, sự phân hủy hoặc thoái hóa vật liệu làm sạch, sự nổ pha, sự hóa khí, sự ion hóa tức thời của vật liệu làm sạch và sự hình thành plasma.
(1)Làm sạch bằng laser có hỗ trợ màng lỏng
Cơ chế phương pháp chủ yếu bao gồm sự sôi, bay hơi của màng chất lỏng và rung động, v.v. Việc sử dụng phương pháp này đòi hỏi phải lựa chọn bước sóng laser thích hợp, nhằm bù đắp cho sự thiếu hụt áp lực tác động trong quá trình làm sạch bằng laser, có thể được sử dụng để loại bỏ một số vật thể khó loại bỏ hơn.
Như hình minh họa bên dưới, một lớp màng chất lỏng (nước, etanol hoặc các chất lỏng khác) được phủ trước trên bề mặt vật cần làm sạch, sau đó dùng tia laser chiếu vào. Lớp màng chất lỏng hấp thụ năng lượng laser dẫn đến sự nổ mạnh của môi trường chất lỏng, sự nổ của chất lỏng sôi tạo ra chuyển động tốc độ cao, năng lượng được truyền đến vật liệu cần làm sạch trên bề mặt, lực nổ tức thời cao đủ để loại bỏ bụi bẩn trên bề mặt và đạt được mục đích làm sạch.
Phương pháp làm sạch bằng laser có hỗ trợ màng chất lỏng có hai nhược điểm.
Quy trình rườm rà và khó kiểm soát.
Do sử dụng màng lỏng, thành phần hóa học của bề mặt chất nền sau khi làm sạch dễ bị thay đổi và tạo ra các chất mới.
(1)Phương pháp làm sạch bằng sóng xung kích laser
Phương pháp và cơ chế xử lý rất khác so với hai phương pháp đầu tiên, cơ chế chủ yếu là loại bỏ bằng lực sóng xung kích, đối tượng cần làm sạch chủ yếu là các hạt, chủ yếu dùng để loại bỏ các hạt (kích thước dưới micromet hoặc nanomet). Yêu cầu của quy trình rất nghiêm ngặt, vừa phải đảm bảo khả năng ion hóa không khí, vừa phải duy trì khoảng cách thích hợp giữa laser và chất nền để đảm bảo lực tác động lên các hạt đủ lớn.
Sơ đồ quy trình làm sạch bằng sóng xung kích laser được thể hiện bên dưới, tia laser được chiếu song song với bề mặt vật liệu, và vật liệu không tiếp xúc trực tiếp. Di chuyển phôi hoặc đầu laser để điều chỉnh tiêu điểm laser vào hạt gần đầu ra laser, hiện tượng ion hóa không khí tại tiêu điểm sẽ xảy ra, tạo ra sóng xung kích. Sóng xung kích nhanh chóng lan rộng theo hình cầu và tiếp xúc với các hạt. Khi mômen của thành phần ngang của sóng xung kích tác động lên hạt lớn hơn mômen của thành phần dọc và lực bám dính của hạt, hạt sẽ bị loại bỏ bằng cách lăn.
Công nghệ làm sạch bằng laser
Cơ chế làm sạch bằng laser chủ yếu dựa trên việc bề mặt vật thể sau khi hấp thụ năng lượng laser, hoặc sự bay hơi và bốc hơi, hoặc sự giãn nở nhiệt tức thời để khắc phục sự bám dính của các hạt trên bề mặt, nhờ đó loại bỏ các hạt bám trên bề mặt vật thể và đạt được mục đích làm sạch.
Tóm tắt sơ lược như sau: 1. Phân hủy hơi bằng laser, 2. Bóc tách bằng laser, 3. Sự giãn nở nhiệt của các hạt bụi bẩn, 4. Bốn khía cạnh: rung động bề mặt chất nền và rung động hạt.
So với quy trình làm sạch truyền thống, công nghệ làm sạch bằng laser có những đặc điểm sau:
1. Đây là phương pháp giặt khô, không sử dụng dung dịch tẩy rửa hay các hóa chất khác, và độ sạch cao hơn nhiều so với phương pháp giặt bằng hóa chất.
2. Phạm vi loại bỏ bụi bẩn và phạm vi chất nền áp dụng rất rộng, và
3. Thông qua việc điều chỉnh các thông số quy trình laser, không làm hư hại bề mặt chất nền trên cơ sở loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm, giúp bề mặt trở nên như mới.
4. Việc làm sạch bằng laser có thể dễ dàng được tự động hóa.
5. Thiết bị khử trùng bằng laser có thể sử dụng lâu dài, chi phí vận hành thấp.
6. Công nghệ làm sạch bằng laser là một quy trình làm sạch xanh, loại bỏ chất thải dạng bột rắn, kích thước nhỏ, dễ bảo quản, về cơ bản sẽ không gây ô nhiễm môi trường.
Vào những năm 1980, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp bán dẫn đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với công nghệ làm sạch các hạt gây ô nhiễm trên bề mặt tấm silicon. Điểm mấu chốt là phải khắc phục lực hút lớn giữa các hạt vi mô và chất nền, các phương pháp làm sạch hóa học, cơ học và siêu âm truyền thống không đáp ứng được nhu cầu, và làm sạch bằng laser có thể giải quyết được vấn đề ô nhiễm này, các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đã phát triển nhanh chóng.
Năm 1987, đơn xin cấp bằng sáng chế đầu tiên về làm sạch bằng laser xuất hiện. Vào những năm 1990, Zapka đã ứng dụng thành công công nghệ làm sạch bằng laser vào quy trình sản xuất chất bán dẫn để loại bỏ các hạt siêu nhỏ khỏi bề mặt mặt nạ, hiện thực hóa ứng dụng ban đầu của công nghệ làm sạch bằng laser trong lĩnh vực công nghiệp. Năm 1995, các nhà nghiên cứu đã sử dụng laser TEA-CO2 2 kW để làm sạch thành công lớp sơn trên thân máy bay.
Sau khi bước sang thế kỷ 21, với sự phát triển nhanh chóng của laser xung cực ngắn, nghiên cứu và ứng dụng công nghệ làm sạch bằng laser trong và ngoài nước ngày càng tăng, tập trung vào bề mặt vật liệu kim loại. Các ứng dụng tiêu biểu ở nước ngoài bao gồm loại bỏ sơn trên thân máy bay, tẩy dầu mỡ trên bề mặt khuôn mẫu, loại bỏ carbon bên trong động cơ và làm sạch bề mặt các mối nối trước khi hàn. Viện Hàn Edison của Mỹ đã sử dụng laser để làm sạch máy bay chiến đấu FG16, với công suất laser 1 kW, thể tích làm sạch đạt 2,36 cm³ mỗi phút.
Điều đáng chú ý là nghiên cứu và ứng dụng phương pháp loại bỏ sơn bằng laser trên các bộ phận composite tiên tiến cũng là một điểm nóng quan trọng. Các cánh quạt trực thăng HG53, HG56 của Hải quân Mỹ và đuôi phẳng của máy bay chiến đấu F16 cùng nhiều bề mặt composite khác đã được ứng dụng phương pháp loại bỏ sơn bằng laser, trong khi đó, vật liệu composite trong ngành hàng không của Trung Quốc lại khá chậm chân, do đó nghiên cứu về lĩnh vực này về cơ bản vẫn còn bỏ ngỏ.
Ngoài ra, việc sử dụng công nghệ làm sạch bằng laser để xử lý bề mặt mối nối composite CFRP trước khi dán nhằm cải thiện độ bền của mối nối cũng là một trong những trọng tâm nghiên cứu hiện nay. Công ty Adapt Laser đã cung cấp thiết bị làm sạch bằng laser sợi quang cho dây chuyền sản xuất ô tô Audi TT để làm sạch lớp màng oxit trên bề mặt khung cửa hợp kim nhôm nhẹ. Hãng Rolls-Royce Anh Quốc cũng đã sử dụng công nghệ làm sạch bằng laser để làm sạch lớp màng oxit trên bề mặt các bộ phận động cơ máy bay bằng titan.
Công nghệ làm sạch bằng laser đã phát triển nhanh chóng trong hai năm qua, từ các thông số quy trình làm sạch bằng laser và cơ chế làm sạch, nghiên cứu đối tượng cần làm sạch cho đến nghiên cứu ứng dụng đều đã đạt được những tiến bộ vượt bậc. Sau nhiều nghiên cứu lý thuyết, trọng tâm nghiên cứu về công nghệ làm sạch bằng laser ngày càng hướng đến nghiên cứu ứng dụng, và đã cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn. Trong tương lai, công nghệ làm sạch bằng laser sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong việc bảo tồn các di tích văn hóa và tác phẩm nghệ thuật, và thị trường của nó rất rộng lớn. Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, việc ứng dụng công nghệ làm sạch bằng laser trong công nghiệp đang trở thành hiện thực, và phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng.
Công ty tự động hóa laser Maven đã tập trung vào ngành công nghiệp laser trong 14 năm, chúng tôi chuyên về khắc laser, chúng tôi có máy làm sạch laser dạng tủ, máy làm sạch laser dạng vali kéo, máy làm sạch laser dạng ba lô và máy làm sạch laser 3 trong 1, ngoài ra, chúng tôi cũng có máy hàn laser, máy cắt laser và máy khắc laser. Nếu bạn quan tâm đến máy móc của chúng tôi, bạn có thể theo dõi chúng tôi và liên hệ với chúng tôi bất cứ lúc nào.
Thời gian đăng bài: 14/11/2022
