การผลิตระดับไฮเอนด์และการอนุรักษ์พลังงานและการลดการปล่อยก๊าซมีความจำเป็นเร่งด่วนมากขึ้นสำหรับกระบวนการขั้นสูง ในแง่ของการรักษาพื้นผิวทางอุตสาหกรรม มีความจำเป็นเร่งด่วนในการอัพเกรดเทคโนโลยีและกระบวนการอย่างครอบคลุม กระบวนการทำความสะอาดทางอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม เช่น การทำความสะอาดด้วยแรงเสียดทานทางกล การทำความสะอาดการกัดกร่อนของสารเคมี การทำความสะอาดด้วยแรงกระแทกที่รุนแรง การทำความสะอาดอัลตราโซนิกความถี่สูง ไม่เพียงแต่มีรอบการทำความสะอาดที่ยาวนาน แต่ยังยากต่อการดำเนินการอัตโนมัติ มีผลกระทบที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม และล้มเหลวในการบรรลุ ผลการทำความสะอาดที่ต้องการ ไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการประมวลผลแบบละเอียดได้
อย่างไรก็ตาม ด้วยความขัดแย้งที่ชัดเจนมากขึ้นระหว่างการปกป้องสิ่งแวดล้อม ประสิทธิภาพสูง และความแม่นยำสูง วิธีการทำความสะอาดทางอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิมจึงถูกท้าทายอย่างมาก ในเวลาเดียวกัน เทคโนโลยีการทำความสะอาดต่างๆ ที่เอื้อต่อการปกป้องสิ่งแวดล้อมและเหมาะสำหรับชิ้นส่วนในสาขาการตกแต่งพิเศษได้ถือกำเนิดขึ้น และเทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ก็เป็นหนึ่งในนั้น
แนวคิดการทำความสะอาดเลเซอร์
การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีที่ใช้เลเซอร์โฟกัสเพื่อทำหน้าที่บนพื้นผิวของวัสดุเพื่อให้ระเหยหรือลอกสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวอย่างรวดเร็ว เพื่อทำความสะอาดพื้นผิวของวัสดุ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทำความสะอาดทางกายภาพหรือทางเคมีแบบดั้งเดิม การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีลักษณะไม่ต้องสัมผัส ไม่มีวัสดุสิ้นเปลือง ไม่มีมลพิษ มีความแม่นยำสูง ไม่มีความเสียหายหรือความเสียหายเล็กน้อย และเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับเทคโนโลยีการทำความสะอาดอุตสาหกรรมยุคใหม่
หลักการทำงานของเครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์
หลักการของเครื่องทำความสะอาดเลเซอร์มีความซับซ้อนกว่าและอาจรวมถึงกระบวนการทางกายภาพและเคมีด้วย ในหลายกรณี กระบวนการทางกายภาพเป็นกระบวนการหลัก ควบคู่ไปกับปฏิกิริยาทางเคมีบางอย่าง กระบวนการหลักสามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท ได้แก่ กระบวนการแปรสภาพเป็นแก๊ส กระบวนการช็อก และกระบวนการออสซิลเลชัน
กระบวนการแปรสภาพเป็นแก๊ส
เมื่อเลเซอร์พลังงานสูงถูกฉายรังสีบนพื้นผิวของวัสดุ พื้นผิวจะดูดซับพลังงานเลเซอร์และแปลงเป็นพลังงานภายใน เพื่อให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและสูงกว่าอุณหภูมิการกลายเป็นไอของวัสดุ เพื่อให้มลพิษอยู่ แยกออกจากพื้นผิวของวัสดุในรูปของไอน้ำ การระเหยแบบเลือกสรรมักเกิดขึ้นเมื่ออัตราการดูดกลืนแสงเลเซอร์จากสารปนเปื้อนบนพื้นผิวสูงกว่าอัตราการดูดซับของแสงเลเซอร์อย่างมีนัยสำคัญ กรณีการใช้งานทั่วไปคือการทำความสะอาดสิ่งสกปรกบนพื้นผิวหิน ดังแสดงในรูปด้านล่าง มลพิษบนพื้นผิวของหินมีการดูดซับเลเซอร์ได้สูงและระเหยไปอย่างรวดเร็ว เมื่อมลพิษถูกกำจัดออกและฉายรังสีเลเซอร์บนพื้นผิวหิน การดูดซับจะอ่อนแอ พลังงานเลเซอร์จะถูกกระจายไปตามพื้นผิวหินมากขึ้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของพื้นผิวหินมีขนาดเล็ก และพื้นผิวหินได้รับการปกป้องจากความเสียหาย
กระบวนการที่ใช้สารเคมีโดยทั่วไปเกิดขึ้นเมื่อใช้เลเซอร์ในแถบอัลตราไวโอเลตเพื่อทำความสะอาดสารปนเปื้อนอินทรีย์ ซึ่งเรียกว่าการระเหยด้วยเลเซอร์ เลเซอร์อัลตราไวโอเลตมีความยาวคลื่นสั้นและมีพลังงานโฟตอนสูง ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ KrF excimer มีความยาวคลื่น 248 นาโนเมตร และพลังงานโฟตอนสูงถึง 5 eV ซึ่งสูงกว่าพลังงานโฟตอนเลเซอร์ CO2 (0.12 eV) ถึง 40 เท่า พลังงานโฟตอนที่สูงดังกล่าวเพียงพอที่จะทำลายพันธะโมเลกุลของอินทรียวัตถุ ดังนั้น CC, CH, CO ฯลฯ ในสารมลพิษอินทรีย์จะถูกทำลายหลังจากการดูดซับพลังงานโฟตอนของเลเซอร์ ส่งผลให้เกิดแก๊สซิฟิเคชั่นแบบไพโรไลซิสและการกำจัดออกจากพื้นผิว
กระบวนการช็อก
กระบวนการช็อกคือชุดของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับวัสดุ จากนั้นจะเกิดคลื่นกระแทกขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุ ภายใต้การกระทำของคลื่นกระแทก สิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวจะแตกตัวและกลายเป็นฝุ่นหรือเศษเล็กเศษน้อยหลุดลอกออกจากพื้นผิว มีกลไกหลายอย่างที่ทำให้เกิดคลื่นกระแทก รวมถึงพลาสมา ไอน้ำ และการขยายตัวและการหดตัวเนื่องจากความร้อนอย่างรวดเร็ว เมื่อใช้คลื่นช็อกพลาสม่าเป็นตัวอย่าง เป็นไปได้ที่จะเข้าใจโดยย่อว่ากระบวนการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ในการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ช่วยขจัดสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวได้อย่างไร ด้วยการใช้เลเซอร์ความกว้างพัลส์สั้นพิเศษ (ns) และกำลังสูงสุดสูงพิเศษ (107–1,010 W/cm2) อุณหภูมิพื้นผิวจะยังคงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วแม้ว่าพื้นผิวจะดูดซับเลเซอร์เบา ๆ จนไปถึงอุณหภูมิการกลายเป็นไอทันที ด้านบน ไอระเหยก่อตัวขึ้นเหนือพื้นผิวของวัสดุ ดังแสดงใน (a) ในรูปต่อไปนี้ อุณหภูมิของไอสามารถสูงถึง 104 – 105 เคลวิน ซึ่งสามารถแตกตัวเป็นไอออนไอระเหยหรืออากาศโดยรอบเพื่อสร้างพลาสมา พลาสมาจะปิดกั้นเลเซอร์ไม่ให้เข้าถึงพื้นผิวของวัสดุ และการกลายเป็นไอของพื้นผิวของวัสดุอาจหยุดลง แต่พลาสมาจะยังคงดูดซับพลังงานเลเซอร์ต่อไป และอุณหภูมิจะยังคงเพิ่มขึ้นต่อไป สร้างสถานะเฉพาะที่ของ อุณหภูมิที่สูงเป็นพิเศษและแรงดันสูง ซึ่งสร้างแรงดัน 1-100 kbar ทันทีบนพื้นผิวของวัสดุ แรงกระแทกจะค่อยๆ ถ่ายโอนไปยังด้านในของวัสดุ ดังแสดงในรูป (b) และ (c) ด้านล่าง ภายใต้การกระทำของคลื่นกระแทก สิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวจะถูกแยกออกเป็นฝุ่น อนุภาค หรือชิ้นส่วนเล็กๆ เมื่อเลเซอร์ถูกเคลื่อนออกจากตำแหน่งการฉายรังสี พลาสมาจะหายไปและเกิดแรงดันลบขึ้นเฉพาะที่ และอนุภาคหรือเศษของสิ่งปนเปื้อนจะถูกกำจัดออกจากพื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ (d) ด้านล่าง
กระบวนการสั่น
ภายใต้การกระทำของพัลส์สั้น กระบวนการทำความร้อนและความเย็นของวัสดุจะดำเนินการอย่างรวดเร็วมาก เนื่องจากวัสดุที่แตกต่างกันมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน ภายใต้การฉายรังสีของเลเซอร์พัลส์สั้น สารปนเปื้อนบนพื้นผิวและสารตั้งต้นจะได้รับการขยายตัวและการหดตัวทางความร้อนความถี่สูงในองศาที่แตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดการสั่น ทำให้สารปนเปื้อนลอกออกจากพื้นผิวของ วัสดุ ในระหว่างกระบวนการขัดผิวนี้ วัสดุอาจไม่เกิดการกลายเป็นไอ และอาจไม่เกิดพลาสมา แรงเฉือนที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของสารปนเปื้อนและซับสเตรตภายใต้การกระทำของการสั่นจะทำลายพันธะระหว่างสารปนเปื้อนและซับสเตรต - การศึกษาพบว่าเมื่อมุมตกกระทบของเลเซอร์เพิ่มขึ้นเล็กน้อย การสัมผัสระหว่างเลเซอร์กับการปนเปื้อนของอนุภาคและส่วนต่อประสานของวัสดุพิมพ์จะเพิ่มขึ้น เกณฑ์การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์จะลดลง เอฟเฟกต์การสั่นจะชัดเจนยิ่งขึ้น และ ประสิทธิภาพการทำความสะอาดจะสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม มุมตกกระทบไม่ควรใหญ่เกินไป มุมตกกระทบที่ใหญ่เกินไปจะลดความหนาแน่นของพลังงานที่ทำบนพื้นผิวของวัสดุ และทำให้ความสามารถในการทำความสะอาดของเลเซอร์ลดลง
การใช้งานในอุตสาหกรรมของเครื่องทำความสะอาดเลเซอร์
อุตสาหกรรมแม่พิมพ์
เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถตระหนักถึงการทำความสะอาดแม่พิมพ์แบบไม่สัมผัสซึ่งปลอดภัยมากสำหรับพื้นผิวของแม่พิมพ์ สามารถมั่นใจได้ถึงความแม่นยำและสามารถทำความสะอาดอนุภาคสิ่งสกปรกขนาดต่ำกว่าไมครอนที่ไม่สามารถกำจัดออกได้ด้วยวิธีการทำความสะอาดแบบดั้งเดิม ดังนั้น เพื่อให้ได้การทำความสะอาดที่ปราศจากมลภาวะ มีประสิทธิภาพและมีคุณภาพสูงอย่างแท้จริง
อุตสาหกรรมเครื่องมือที่มีความแม่นยำ
อุตสาหกรรมเครื่องจักรที่มีความเที่ยงตรงมักจำเป็นต้องกำจัดเอสเทอร์และน้ำมันแร่ที่ใช้สำหรับการหล่อลื่นและความต้านทานการกัดกร่อนออกจากชิ้นส่วน ซึ่งมักจะเป็นทางเคมี และการทำความสะอาดด้วยสารเคมีมักจะทิ้งสารตกค้าง เลเซอร์ดีเอสเทอริฟิเคชั่นสามารถกำจัดเอสเทอร์และน้ำมันแร่ได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่ทำลายพื้นผิวของชิ้นส่วน เลเซอร์ส่งเสริมให้เกิดการระเบิดของแก๊สในชั้นออกไซด์บางๆ บนพื้นผิวของชิ้นส่วนเพื่อสร้างคลื่นกระแทก ซึ่งส่งผลให้เกิดการกำจัดสิ่งปนเปื้อนแทนที่จะเป็นปฏิกิริยาทางกล
อุตสาหกรรมระบบราง
ในปัจจุบัน การทำความสะอาดรางก่อนการเชื่อมทั้งหมดใช้การทำความสะอาดล้อเจียรและสายพานขัด ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายอย่างร้ายแรงต่อพื้นผิวและความเค้นตกค้างอย่างรุนแรง และใช้วัสดุสิ้นเปลืองของล้อเจียรจำนวนมากทุกปี ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูงและทำให้เกิดปัญหาร้ายแรง มลภาวะฝุ่นสู่สิ่งแวดล้อม การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถมอบเทคโนโลยีการทำความสะอาดสีเขียวคุณภาพสูงและมีประสิทธิภาพสำหรับการผลิตการวางรางรถไฟความเร็วสูงในประเทศของฉัน แก้ปัญหาข้างต้น กำจัดข้อบกพร่องในการเชื่อม เช่น รูรางที่ไร้รอยต่อและจุดสีเทา และปรับปรุงเสถียรภาพและความปลอดภัยในพื้นที่สูงของประเทศของฉัน - การดำเนินการรถไฟความเร็ว
อุตสาหกรรมการบิน
พื้นผิวของเครื่องบินจะต้องได้รับการทาสีใหม่หลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง แต่จะต้องลบสีเก่าเดิมออกให้หมดก่อนที่จะทาสี การแช่/เช็ดสารเคมีเป็นวิธีการลอกสีหลักในสาขาการบิน วิธีการนี้ส่งผลให้เกิดของเสียเคมีเสริมจำนวนมาก และเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุการบำรุงรักษาในท้องถิ่นและการลอกสี กระบวนการนี้มีปริมาณงานหนักและเป็นอันตรายต่อสุขภาพ การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ช่วยให้สามารถขจัดสีบนพื้นผิวเครื่องบินคุณภาพสูงได้ และดำเนินการผลิตอัตโนมัติได้อย่างง่ายดาย ปัจจุบันเทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ได้ถูกนำมาใช้กับการบำรุงรักษาโมเดลระดับไฮเอนด์บางรุ่น
อุตสาหกรรมเรือ
ปัจจุบันการทำความสะอาดเรือก่อนการผลิตใช้วิธีการพ่นทรายเป็นหลัก วิธีการพ่นทรายก่อให้เกิดมลพิษฝุ่นร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อมโดยรอบ และถูกห้ามอย่างค่อยเป็นค่อยไป ส่งผลให้ผู้ผลิตเรือลดหรือระงับการผลิตลง เทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์จะมอบโซลูชันการทำความสะอาดที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและปราศจากมลภาวะสำหรับการพ่นป้องกันการกัดกร่อนบนพื้นผิวเรือ
อาวุธ
เทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบำรุงรักษาอาวุธ ระบบทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถขจัดสนิมและสิ่งปนเปื้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็ว และสามารถเลือกชิ้นส่วนทำความสะอาดเพื่อให้การทำความสะอาดเป็นแบบอัตโนมัติ การใช้การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ไม่เพียงแต่ความสะอาดจะสูงกว่ากระบวนการทำความสะอาดด้วยสารเคมีเท่านั้น แต่ยังแทบไม่สร้างความเสียหายให้กับพื้นผิวของวัตถุอีกด้วย ด้วยการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถสร้างฟิล์มป้องกันออกไซด์หนาแน่นหรือชั้นหลอมโลหะบนพื้นผิวของวัตถุโลหะ เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงของพื้นผิวและความต้านทานการกัดกร่อน โดยทั่วไปแล้วของเสียที่ถูกกำจัดออกด้วยเลเซอร์จะไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม และยังสามารถดำเนินการได้ในระยะไกล ซึ่งช่วยลดความเสียหายต่อสุขภาพของผู้ปฏิบัติงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ภายนอกอาคาร
มีการสร้างตึกระฟ้ามากขึ้นเรื่อยๆ และปัญหาการทำความสะอาดผนังด้านนอกของอาคารก็มีความโดดเด่นมากขึ้นเรื่อยๆ ระบบทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ทำความสะอาดผนังด้านนอกของอาคารได้ดีผ่านใยแก้วนำแสง โซลูชันที่มีความยาวสูงสุด 70 เมตรสามารถทำความสะอาดมลพิษต่างๆ บนหิน โลหะ และแก้วต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และประสิทธิภาพยังสูงกว่าการทำความสะอาดทั่วไปมาก อีกทั้งยังสามารถขจัดรอยดำและคราบหินต่างๆในอาคารได้อีกด้วย การทดสอบการทำความสะอาดระบบทำความสะอาดด้วยเลเซอร์บนอาคารและอนุสาวรีย์หินแสดงให้เห็นว่าการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีผลดีต่อการปกป้องรูปลักษณ์ของอาคารโบราณ
อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ใช้เลเซอร์ในการกำจัดออกไซด์: อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ต้องการการปนเปื้อนที่มีความแม่นยำสูง และการกำจัดออกซิเดชันด้วยเลเซอร์มีความเหมาะสมอย่างยิ่ง หมุดส่วนประกอบจะต้องได้รับการกำจัดออกซิไดซ์อย่างละเอียดก่อนที่จะบัดกรีบอร์ดเพื่อให้แน่ใจว่าหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าเหมาะสมที่สุด และหมุดจะต้องไม่เสียหายในระหว่างกระบวนการกำจัดการปนเปื้อน การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถตอบสนองความต้องการในการใช้งาน และมีประสิทธิภาพสูงมาก และแต่ละเข็มต้องใช้การฉายรังสีเลเซอร์เพียงครั้งเดียว
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ระบบทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ยังใช้ในการทำความสะอาดท่อเครื่องปฏิกรณ์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์อีกด้วย ใช้ใยแก้วนำแสงเพื่อนำลำแสงเลเซอร์กำลังสูงเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อกำจัดฝุ่นกัมมันตภาพรังสีโดยตรง และวัสดุที่ทำความสะอาดก็ทำความสะอาดง่าย และเนื่องจากควบคุมจากระยะไกลจึงสามารถรับประกันความปลอดภัยของพนักงานได้
สรุป
อุตสาหกรรมการผลิตขั้นสูงในปัจจุบันได้กลายเป็นจุดสำคัญของการแข่งขันระดับนานาชาติ ในฐานะระบบขั้นสูงในการผลิตเลเซอร์ เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีศักยภาพสูงสำหรับมูลค่าการใช้งานในการพัฒนาอุตสาหกรรม การพัฒนาเทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์อย่างจริงจังมีความสำคัญเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญมากสำหรับการพัฒนาเศรษฐกิจและสังคม