Лазерная очистка: движущая сила инноваций в технологиях очистки для различных отраслей промышленности 

Лазерная очистка: движущая сила инноваций в технологиях очистки для различных отраслей промышленности

Первый в мире лазер был создан в 1960 году американским ученым, профессором Теодором Гарольдом Мейманом, с использованием рубинового кристалла. С тех пор появились лазеры, предназначенные для самых разных областей применения. Широкое внедрение лазерных технологий значительно ускорило прогресс в таких сферах, как медицина, производство оборудования, прецизионные измерения и восстановление изделий, тем самым способствуя развитию общества.

В области очистки поверхностей лазерные технологии продемонстрировали впечатляющие результаты. По сравнению с традиционными методами — такими как механическая абразивная обработка, химическое травление и высокочастотная ультразвуковая очистка, — лазерная очистка обеспечивает возможность полной автоматизации процесса. Она обладает такими преимуществами, как высокая эффективность, низкие затраты, отсутствие загрязнения окружающей среды, сохранность обрабатываемой поверхности и совместимость с широким спектром материалов. Полностью отвечая принципам экологически безопасного производства, этот метод в настоящее время считается самым надежным и эффективным способом очистки.

Лазерная очистка создает необходимые условия для контроля качества и дальнейшей обработки механических деталей. Эффективно управляя морфологией и шероховатостью поверхности, она улучшает эксплуатационные характеристики материала после очистки и находит применение в серийном производстве деталей, поверхностной обработке и процессах восстановления изделий. Хотя лазерная очистка пока не полностью вытеснила традиционные методы, растущая обеспокоенность вопросами энергосбережения и снижения выбросов в промышленности позволяет предположить, что благодаря своим уникальным преимуществам она будет все шире внедряться в повседневную производственную практику.

Принципы лазерной очистки

В основе лазерной очистки лежат такие свойства лазерного излучения, как высокая плотность энергии, возможность точного управления направлением луча и способность к сильной фокусировке. При воздействии высокоэнергетического лазерного луча на поверхность изделия разрушаются связи между загрязнением (например, грязью, ржавчиной или покрытиями) и основой, либо происходит прямое испарение загрязняющих веществ. Это ослабляет сцепление загрязнений с поверхностью, обеспечивая эффективную очистку. Схема принципа действия лазерной очистки представлена ​​на рисунке 1. Поглощая энергию лазера, поверхностные загрязнения быстро испаряются или подвергаются мгновенному тепловому расширению, преодолевая силы, удерживающие их на поверхности. По мере роста тепловой энергии частицы загрязнений начинают вибрировать и отделяться от поверхности основы.

Весь процесс лазерной очистки можно условно разделить на четыре стадии: испарение и разложение под действием лазера, лазерная абляция, тепловое расширение частиц загрязнений и вибрация поверхности основы, приводящая к отделению загрязнений. Разумеется, при использовании технологии лазерной очистки необходимо учитывать порог лазерной очистки обрабатываемого объекта и подбирать соответствующую длину волны лазера для достижения оптимальных результатов. Лазерная очистка способна изменять зернистую структуру и ориентацию поверхности подложки, не повреждая сам основной материал; она также позволяет контролировать шероховатость поверхности, тем самым улучшая ее эксплуатационные характеристики. На эффективность очистки в первую очередь влияют такие факторы, как характеристики лазерного луча, физические свойства подложки и загрязнений, а также способность загрязнений поглощать энергию излучения.

В настоящее время технология лазерной очистки включает три основных метода: сухую лазерную очистку, влажную лазерную очистку и очистку с использованием ударной волны лазерной плазмы.

1. Сухая лазерная очистка предполагает прямое облучение детали импульсным лазером. Это приводит к поглощению энергии и нагреву подложки или поверхностных загрязнений, вызывая термическое расширение или тепловые колебания материала, что ведет к их разделению. Данный метод обычно подразделяется на две категории: в первой энергию лазера поглощают и расширяются поверхностные загрязнения, а во второй энергию поглощает подложка, подвергаясь тепловым колебаниям.

2. Влажная лазерная очистка предусматривает предварительное нанесение на поверхность детали слоя жидкости (жидкой пленки) перед воздействием импульсного лазера. Под действием лазера жидкая пленка быстро нагревается и испаряется; мгновенное испарение генерирует ударную волну, которая воздействует на частицы загрязнений, отрывая их от подложки. Этот метод требует отсутствия химической реакции между подложкой и жидкой пленкой, что ограничивает спектр применяемых материалов.

3. Очистка с использованием ударной волны лазерной плазмы основана на возникновении пробоя воздушной среды при лазерном облучении, что приводит к образованию сферической ударной волны плазмы. Эта ударная волна воздействует на поверхность подложки и высвобождает энергию для удаления загрязнений; поскольку лазер не взаимодействует с подложкой напрямую, основной материал не повреждается. Технология очистки ударной волной лазерной плазмы позволяет удалять частицы загрязнений размером в десятки нанометров и не накладывает ограничений на используемую длину волны лазера.

В производственной практике для обеспечения высокого качества очистки необходимо подбирать конкретные методы испытаний и параметры процесса с учетом предъявляемых требований. Эффективность очистки поверхности и оценка качества являются ключевыми критериями при анализе результативности технологии лазерной очистки. Тенденции развития технологий лазерной очистки

На фоне целей по достижению «пика выбросов углерода» и «углеродной нейтральности» лазерная очистка завоевывает признание на рынке как экологичный и эффективный метод, становясь важным трендом в глобальной индустрии очистки. Согласно отчету аналитической компании Mordor Intelligence, объем мирового рынка лазерной очистки, по прогнозам, достигнет 780 млн долларов США в 2024 году и вырастет до 1,53 млрд долларов к 2029 году; среднегодовой темп роста (CAGR) за этот период составит 14,61%. Эта тенденция обусловлена ​​уникальными преимуществами, присущими технологии лазерной очистки. По сравнению с традиционными методами промышленной очистки, лазерная очистка обладает рядом ключевых достоинств:

(1) Экологичность: удаляемые в процессе загрязнения представляют собой твердый порошок (незначительный по объему), практически не загрязняющий окружающую среду. Кроме того, процесс не требует использования чистящих жидкостей или иных химических растворов, обеспечивая при этом уровень чистоты, значительно превосходящий результаты химических методов;
(2) Отсутствие физического контакта: в отличие от традиционной механической контактной очистки, здесь нет прямого воздействия лазера на очищаемый объект, что сводит к минимуму повреждение обрабатываемой поверхности;
(3) Высокая эффективность очистки;
(4) Возможность автоматизации и низкие эксплуатационные расходы: при интеграции с роботизированными манипуляторами технология позволяет выполнять очистку дистанционно, гибко и с высокой точностью;
(5) Универсальность: подходит для удаления широкого спектра загрязнений с различных материалов.

Сферы применения лазерной очистки

По мере роста требований к экологичности, точности и эффективности процессов очистки, исследования и практическое применение технологий лазерной очистки привлекают все большее внимание. В настоящее время эта технология используется в таких отраслях, как микроэлектроника, железнодорожный транспорт, авиация, реставрация объектов культурного наследия и энергетика (в частности, сектор новых источников энергии). Далее рассматривается применение лазерной очистки (а именно текстурирование корпусов) при производстве аккумуляторных батарей для новой энергетики.

Обработка поверхности является важнейшим этапом производства аккумуляторов. Ранее применялась технология оклейки «синей пленкой», требовавшая расхода пластиковых материалов; поскольку такой пластик горюч, пленка могла способствовать распространению огня при возгорании аккумулятора, снижая уровень безопасности.

В результате модернизации технологических процессов для обеспечения надежной изоляции, защиты от коррозии и термостойкости стали применяться специальные напыляемые покрытия. Однако перед нанесением покрытия поверхность аккумулятора необходимо текстурировать для обеспечения лучшей адгезии. Этот процесс осуществляется методом лазерного скрайбирования. Лазерное текстурирование позволяет гибко управлять характером обработки поверхности и дает возможность маскировать зоны контактов. На рисунке ниже показан процесс лазерного текстурирования литиевых аккумуляторов: