Negli ultimi anni, la pulizia laser è diventata uno dei principali ambiti di ricerca nel settore della produzione industriale, con studi che spaziano dal processo alla teoria, dalle apparecchiature alle applicazioni. Nelle applicazioni industriali, la tecnologia di pulizia laser si è dimostrata in grado di pulire in modo affidabile un'ampia varietà di superfici, tra cui acciaio, alluminio, titanio, vetro e materiali compositi. I settori di applicazione includono l'industria aerospaziale, aeronautica, navale, ferroviaria ad alta velocità, automobilistica, degli stampi, nucleare e marittima, solo per citarne alcuni.
La tecnologia di pulizia laser, che risale agli anni '60, presenta i vantaggi di un'ottima efficacia pulente, un'ampia gamma di applicazioni, elevata precisione, funzionamento senza contatto e accessibilità. Ha ampie prospettive di applicazione nella produzione industriale, nella manutenzione e in altri settori, e si prevede che possa sostituire parzialmente o completamente i metodi di pulizia tradizionali, diventando la tecnologia di pulizia ecologica più promettente del XXI secolo.
Metodo di pulizia laser
Il processo di pulizia laser è molto complesso e coinvolge una varietà di meccanismi di rimozione del materiale. Per un metodo di pulizia laser, il processo di pulizia può prevedere la coesistenza di diversi meccanismi, principalmente attribuibili all'interazione tra il laser e il materiale, tra cui l'ablazione della superficie del materiale, la decomposizione, l'ionizzazione, la degradazione, la fusione, la combustione, la vaporizzazione, la vibrazione, lo sputtering, l'espansione, la contrazione, l'esplosione, il distacco e altri cambiamenti fisico-chimici.
Attualmente, i metodi di pulizia laser più comuni sono principalmente tre: la pulizia mediante ablazione laser, la pulizia laser assistita da film liquido e la pulizia laser ad onde d'urto.
Metodo di pulizia mediante ablazione laser
I principali meccanismi metodologici sono l'espansione termica, la vaporizzazione, l'ablazione e l'esplosione di fase. Il laser agisce direttamente sul materiale da rimuovere dalla superficie del substrato e le condizioni ambientali possono essere aria, gas rarefatto o vuoto. Le condizioni operative sono semplici e il metodo è ampiamente utilizzato per rimuovere diversi tipi di rivestimenti, vernici, particelle o sporco. Il diagramma seguente mostra lo schema di processo del metodo di pulizia mediante ablazione laser.
Quando il laser irradia la superficie del materiale, il substrato e i materiali di pulizia subiscono inizialmente un'espansione termica. Con l'aumentare del tempo di interazione del laser con il materiale di pulizia, se la temperatura è inferiore alla soglia di cavitazione del materiale di pulizia, quest'ultimo subisce solo una trasformazione fisica. La differenza tra il coefficiente di espansione termica del materiale di pulizia e quello del substrato genera pressione all'interfaccia, provocando deformazioni, strappi, fratture meccaniche, schiacciamenti da vibrazione, ecc., e la rimozione del materiale di pulizia tramite getto o distacco dalla superficie del substrato.
Se la temperatura è superiore alla temperatura di soglia di gassificazione del materiale di pulizia, si verificheranno due situazioni: 1) la soglia di ablazione del materiale di pulizia è inferiore a quella del substrato; 2) la soglia di ablazione del materiale di pulizia è superiore a quella del substrato.
Questi due casi di materiali di pulizia sono fusione, cavitazione e ablazione e altri cambiamenti fisico-chimici, il meccanismo di pulizia è più complesso, oltre agli effetti termici, ma può anche includere la rottura del legame molecolare tra i materiali di pulizia e i substrati, la decomposizione o la degradazione dei materiali di pulizia, l'esplosione di fase, la gassificazione dei materiali di pulizia, l'ionizzazione istantanea, la generazione di plasma.
(1)Pulizia laser assistita da pellicola liquida
Il meccanismo del metodo si basa principalmente sull'ebollizione del film liquido, sulla vaporizzazione e sulla vibrazione, ecc. L'utilizzo richiede la scelta della lunghezza d'onda laser appropriata, in modo da compensare la mancanza di pressione d'impatto nel processo di pulizia mediante ablazione laser, e può essere utilizzato per rimuovere alcuni degli oggetti più difficili da pulire.
Come illustrato nella figura sottostante, un sottile strato di liquido (acqua, etanolo o altri liquidi) viene pre-applicato sulla superficie dell'oggetto da pulire, quindi irradiato con un laser. Lo strato di liquido assorbe l'energia laser, provocando una forte esplosione del mezzo liquido. L'esplosione genera un rapido movimento del liquido in ebollizione, trasferendo energia ai materiali da pulire sulla superficie. L'elevata forza esplosiva transitoria è sufficiente a rimuovere lo sporco superficiale e a raggiungere l'obiettivo di pulizia.
Il metodo di pulizia laser assistito da film liquido presenta due svantaggi.
Processo macchinoso e difficile da controllare.
A causa dell'utilizzo di una pellicola liquida, la composizione chimica della superficie del substrato dopo la pulizia tende a modificarsi, generando nuove sostanze.
(1)Metodo di pulizia a onde d'urto laser
L'approccio e il meccanismo del processo sono molto diversi dai primi due: il meccanismo si basa principalmente sulla rimozione della forza d'urto, mentre gli oggetti da pulire sono principalmente particelle, con l'obiettivo principale di rimuovere particelle (sub-microniche o nanometriche). I requisiti del processo sono molto stringenti: bisogna garantire sia la capacità di ionizzare l'aria, sia mantenere una distanza adeguata tra il laser e il substrato per assicurare che la forza d'impatto sulle particelle sia sufficientemente elevata.
Di seguito è riportato lo schema del processo di pulizia a onde d'urto laser. Il laser viene emesso parallelamente alla direzione di incidenza sulla superficie del substrato, senza entrare in contatto con esso. Spostando il pezzo o la testa laser, si regola il fuoco del laser sulla particella in prossimità dell'uscita del laser. Nel punto focale si verifica il fenomeno di ionizzazione dell'aria, che genera onde d'urto. Queste onde d'urto si espandono rapidamente in una forma sferica, raggiungendo il contatto con le particelle. Quando il momento della componente trasversale dell'onda d'urto sulla particella è maggiore del momento della componente longitudinale e della forza di adesione della particella, quest'ultima viene rimossa per rotolamento.
Tecnologia di pulizia laser
Il meccanismo di pulizia laser si basa principalmente sull'assorbimento di energia laser dalla superficie dell'oggetto, o sulla vaporizzazione e volatilizzazione, o sull'espansione termica istantanea per superare l'adsorbimento delle particelle sulla superficie, in modo da rimuovere le impurità dalla superficie dell'oggetto e raggiungere così lo scopo della pulizia.
Riassumendo approssimativamente: 1. decomposizione del vapore laser, 2. rimozione laser, 3. espansione termica delle particelle di sporco, 4. vibrazione della superficie del substrato e vibrazione delle particelle (quattro aspetti)
Rispetto al tradizionale processo di pulizia, la tecnologia di pulizia laser presenta le seguenti caratteristiche.
1. Si tratta di una pulizia "a secco", senza detergenti o altre soluzioni chimiche, e il livello di pulizia è nettamente superiore rispetto ai processi di pulizia chimica.
2. L'ambito di applicazione della rimozione dello sporco e la gamma di substrati applicabili sono molto ampi e
3. Grazie alla regolazione dei parametri del processo laser, non è possibile danneggiare la superficie del substrato, garantendo al contempo un'efficace rimozione dei contaminanti e una superficie come nuova.
4. La pulizia laser può essere facilmente automatizzata.
5. Le apparecchiature di decontaminazione laser possono essere utilizzate a lungo, con bassi costi di esercizio.
6. La tecnologia di pulizia laser è un processo di pulizia ecologico, che elimina i rifiuti sotto forma di polvere solida, di piccole dimensioni, facile da conservare e che sostanzialmente non inquina l'ambiente.
Negli anni '80, il rapido sviluppo dell'industria dei semiconduttori ha posto requisiti sempre più stringenti alle tecnologie di pulizia delle maschere di silicio contaminate da particelle. Il punto cruciale era superare la forte forza di adsorbimento tra le microparticelle e il substrato. I metodi tradizionali di pulizia chimica, meccanica e a ultrasuoni non erano in grado di soddisfare tali esigenze, mentre la pulizia laser si è dimostrata in grado di risolvere questi problemi di contaminazione. Di conseguenza, la ricerca e le applicazioni in questo campo si sono sviluppate rapidamente.
Nel 1987, compare la prima domanda di brevetto sulla pulizia laser. Negli anni '90, Zapka applica con successo la tecnologia di pulizia laser al processo di produzione di semiconduttori per rimuovere le microparticelle dalla superficie delle maschere, realizzando una delle prime applicazioni della tecnologia di pulizia laser in campo industriale. Nel 1995, i ricercatori utilizzano un laser TEA-CO2 da 2 kW per rimuovere con successo la vernice dalla fusoliera di un aereo.
Con l'avvento del XXI secolo e il rapido sviluppo dei laser a impulsi ultracorti, la ricerca e l'applicazione della tecnologia di pulizia laser, sia a livello nazionale che internazionale, sono gradualmente aumentate, concentrandosi sulle superfici dei materiali metallici. Le applicazioni tipiche all'estero includono la rimozione della vernice dalle fusoliere degli aerei, lo sgrassaggio delle superfici degli stampi, la rimozione del carbonio interno dei motori e la pulizia superficiale delle giunzioni prima della saldatura. L'Edison Welding Institute statunitense ha effettuato la pulizia laser del velivolo da guerra FG16, utilizzando una potenza laser di 1 kW e un volume di pulizia di 2,36 cm³ al minuto.
Vale la pena menzionare che la ricerca e l'applicazione della rimozione laser della vernice da componenti in materiale composito avanzato rappresentano un tema di grande attualità. Le pale delle eliche degli elicotteri HG53 e HG56 della Marina statunitense e la coda piatta del caccia F-16, oltre ad altre superfici in materiale composito, sono già state oggetto di applicazioni con rimozione laser della vernice, mentre l'impiego di materiali compositi nell'industria aeronautica in Cina è avvenuto in ritardo, pertanto la ricerca in questo ambito è sostanzialmente incompleta.
Inoltre, l'utilizzo della tecnologia di pulizia laser per il trattamento superficiale dei compositi CFRP prima dell'incollaggio, al fine di migliorarne la resistenza, rappresenta un altro ambito di ricerca attuale. Un'azienda specializzata nell'adattamento di tecnologie laser ha integrato la propria attrezzatura di pulizia laser a fibra nella linea di produzione dell'Audi TT, per rimuovere la pellicola di ossido dalla superficie dei telai delle portiere in lega di alluminio leggera. Rolls-Royce UK ha utilizzato la pulizia laser per rimuovere la pellicola di ossido dalla superficie dei componenti in titanio dei motori aeronautici.
Negli ultimi due anni, la tecnologia di pulizia laser si è sviluppata rapidamente, compiendo grandi progressi sia in termini di parametri e meccanismi di processo, sia per quanto riguarda la ricerca sugli oggetti da pulire e le applicazioni. Dopo un'intensa attività di ricerca teorica, la tecnologia di pulizia laser si sta orientando sempre più verso le applicazioni pratiche, ottenendo risultati promettenti. In futuro, la tecnologia di pulizia laser troverà un impiego sempre più ampio nella tutela dei beni culturali e delle opere d'arte, aprendo un mercato molto vasto. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, l'applicazione della pulizia laser in ambito industriale sta diventando una realtà e il suo campo di applicazione si sta ampliando sempre di più.
L'azienda Maven Laser Automation opera nel settore laser da 14 anni ed è specializzata nella marcatura laser. Offriamo macchine per la pulizia laser di armadi, trolley, zaini e macchine multifunzione (tre in uno). Inoltre, disponiamo anche di saldatrici laser, macchine per il taglio laser e macchine per la marcatura e l'incisione laser. Se siete interessati alle nostre macchine, potete seguirci e contattarci senza esitazione.
Data di pubblicazione: 14 novembre 2022
