1. רקע יישום
בתעשייה ובתחומים אחרים, שיטות ניקוי מסורתיות כמו ניקוי כימי וטחינה מכנית שולטות זה מכבר. ניקוי כימי עשוי ליצור כמות גדולה של נוזל פסולת כימי, ולגרום לזיהום סביבתי, וקיים גם סיכון לקורוזיה לחלק מהרכיבים המדויקים. למרות שחיקה מכנית יכולה להסיר לכלוך משטח, קל לפגוע בחומר הבסיס. יש לו השפעה ירודה כאשר עוסקים ברכיבים של צורות מורכבות, והוא גם ייצור זיהום אבק, המהווה איום על בריאות המפעילים. יתר על כן, קשה לעמוד בדרישות של ניקוי-בדיוק גבוה.
עם ההתפתחות המהירה של-תעשיות ייצור מתקדמים כגון תעופה וחלל, תחבורה מסילות וספינות ימיות, הדרישות לניקוי רכיבים נעשות מחמירות יותר ויותר. רכיבים גדולים ומורכבים, כגון פתחי מנועי מטוסים, מרכבי רכבת- במהירות גבוהה וכיסויי פתחי ספינה, איכות פני השטח שלהם משפיעה ישירות על ביצועי המוצר וחיי השירות. רכיבים אלו הם לא רק גדולים בגודלם ומורכבים בצורתם, אלא יש להם גם דרישות גבוהות ביותר לדיוק ניקוי, יעילות ושלמות פני השטח. שיטות ניקוי מסורתיות אינן יכולות עוד לענות על צורכי הפיתוח של תעשיות ייצור מודרניות.
על רקע המודעות העולמית הגוברת לשמירה על הסביבה, תעשיית הייצור מתמודדת עם הלחץ של הפחתת פליטת הזיהום וצריכת המשאבים. כטכנולוגיית ניקוי ירוקה,טכנולוגיית ניקוי בלייזריש יתרונות כגון ללא זיהום כימי, צריכת אנרגיה נמוכה וניקוי ללא מגע. זה יכול לפתור ביעילות את הבעיות הסביבתיות הנגרמות על ידי שיטות ניקוי מסורתיות, תואם את אסטרטגיית הפיתוח בר-קיימא, והדרישה ליישום בתחומים שונים הופכת דחופה יותר ויותר.
2. טכנולוגיית ניקוי בלייזר: מנגנון
ניקוי בלייזר היא טכנולוגיה המשתמשת בקרן לייזר עם צפיפות-אנרגיה גבוהה כדי ליצור אינטראקציה עם פני השטח של חומר. הדבר גורם ללכלוך, ציפויים וכו' להתקלף או להתפרק מפני השטח של התשתית, ובכך להשיג את מטרת הניקוי.
תהליך ניקוי הלייזר כולל מנגנונים פיזיים מרובים, כגון אבלציה תרמית, רטט מתח, התפשטות תרמית, אידוי, פיצוץ פאזה, לחץ אידוי והלם פלזמה. מנגנונים אלו פועלים יחד כדי להפריד בין האובייקט לניקוי מהמצע, ולהשיג את אפקט הניקוי.
על פי אמצעי הניקוי השונים, ניתן לחלק את ניקוי הלייזר לניקוי יבש בלייזר, ניקוי לייזר רטוב וניקוי גלי הלם- בלייזר.
ניקוי יבש בלייזר
ניקוי יבש בלייזר היא כיום שיטת ניקוי הלייזר הנפוצה ביותר. הוא משתמש בקרן לייזר כדי להקרין ישירות את פני המצע, מה שגורם למצע לעבור התפשטות תרמית כדי להתגבר על כוח ואן דר ואלס, ובכך להסיר לכלוך.
עוצמת לייזר:השינוי בצפיפות אנרגיית הלייזר משפיע באופן משמעותי על אפקט הניקוי. בעוצמות אנרגיה נמוכות, אידוי ופיצוץ פאזה הם התהליכים העיקריים. בצפיפות אנרגיה גבוהה, לחץ אידוי והשפעות זעזועים באים לידי ביטוי, ואנרגיה גבוהה במיוחד עשויה להוביל לבעיות כגון יצירת פלזמה. בדרך כלל, הניקוי מתבצע בצפיפות אנרגיה נמוכה יחסית כדי להגן על המצע.
אורך גל לייזר:אורך הגל קשור לצימוד האנרגיה של החומר. באורכי גל קצרים, אבלציה פוטו-כימית היא הדומיננטית, ואילו באורכי גל ארוכים, אבלציה פוטו-תרמית היא הדומיננטית. יתרה מכך, אורך הגל משפיע על חלוקת הכוח והטמפרטורה בין החלקיקים למצע, ובכך משפיע על כוח הניקוי ויעילותו. השפעת אורך הגל משתנה גם עבור משימות ניקוי שונות.
רוחב דופק:מנגנוני הניקוי של פולסים קצרים-וארוכים- שונים. לפולסים ארוכים של - יש אפקט אבלציה חזק אך סלקטיביות ירודה, בעוד לפולסים קצרים- יכולים ליצור טמפרטורות גבוהות וגלי הלם כדי להסיר מזהמים עם פחות נזק. במקרה של רוחבי דופק קצרים במיוחד -, מנגנון ה"אבלציה" פועל.
זווית נפילה:כאשר הלייזר מוקרן אנכית, חלקיקים מזהמים יכולים לחסום את הלייזר. הקרנה אלכסונית יכולה לשפר את יעילות הניקוי.
מנגנון של ניקוי יבש בלייזר והשפעת פרמטרים מרכזיים על אפקט הניקוי: א) מנגנון ב) אורך גל ג) רוחב דופק ד) זווית נפילה ה) שכיחות קדמית/אחורית
ניקוי בלייזר רטוב
זה מושג באמצעות סיוע של סרט נוזלי. סרט נוזלי מונח מראש-על פני השטח של חומר העבודה לניקוי. כאשר הלייזר מקרין ישירות, הנוזל מתחמם במהירות, יוצר כוח פגיעה חזק, ובכך מסיר מזהמים על פני המצע.
מנגנון של ניקוי בלייזר רטוב
הלם לייזר-ניקוי גלים
טכנולוגיית ניקוי גלי הלם-בלייזר מחולקת לשתי קטגוריות: ניקוי גלי זעזועים בלייזר יבש - וניקוי גלי הלם בלייזר היברידי-.
במהלך ניקוי גלי הלם לייזר יבש-, הלייזר ממוקד כדי ליצור פלזמה שפוגעת בחלקיקים. זה יכול למנוע נזק הנגרם מהקרנה ישירה, אבל ייתכנו כתמים עיוורים. ניתן לשפר אותו על ידי שינוי זווית האירוע או שימוש בניקוי קרן כפול-.
ניקוי גלי זעזועים בלייזר היברידי- כולל שיטות כגון קיטור, זעזועים מתחת למים והלם לייזר רטוב. הוא מנצל את ההשפעות הרלוונטיות של נוזלים כדי להסיר לכלוך. זה קשור למאפיינים כמו צפיפות נוזלים, ויש לו מגוון רחב של יישומים עם יתרונות ברורים.
מנגנון של הלם לייזר-ניקוי גל: א) הלם לייזר יבש-ניקוי גל ב) הלם לייזר יבש משופר-ניקוי גל ב1) לייזר קרן - יחיד ב2) כפול-לייזר קרן ג) ניקוי גלים בלייזר רטוב{{7}.
3. תעופה וחלל: סרט תחמוצת על צינור צריכת סגסוגת טיטניום
יש לו השפעה יוצאת דופן לנקות את סרט התחמוצת על פני צינור צריכת סגסוגת טיטניום באמצעות לייזר דופק ננו-שניות. מאפיין האפקט התרמי הנמוך שלו יכול למנוע מהמצע חמצון משני, שזו שיטת ניקוי טובה יותר.
מנגנון ניקוי יבש:
המנגנון העיקרי הוא אבלציה בלייזר. כאשר אנרגיית הלייזר פועלת על סרט התחמוצת, המשטח סופג כמות גדולה של אנרגיה. בהתאם לאנרגיה, מנגנון האבלציה משתנה, ונוצרים מבנים מורפולוגיים שונים על פני השטח.
כאשר האנרגיה נמוכה, חלק מסרט התחמוצת מוסר, עם כמות קטנה של אזור נמס מחדש; כאשר האנרגיה מתונה, סרט התחמוצת מוסר והנזק זניח; כאשר האנרגיה גבוהה מדי, למרות שניתן להסיר את סרט התחמוצת, זה יגרום נזק רב למצע, ונוצר מבנה מרוכס על פני השטח.
מנגנון ניקוי רטוב:
בצפיפות אנרגיה נמוכה יותר, מנגנון הניקוי הוא גל הלם-מושר באמצעות לייזר. בצפיפות אנרגיה גבוהה יותר, זה בעיקר אבלציה בלייזר ופיצוץ פאזה. במהלך תהליך הניקוי, סגסוגת טיטניום מקוררת ומחוממת במהירות ליצירת סגסוגת טיטניום מרטנסיטית. כאשר צפיפות האנרגיה עולה לערך מסוים, המשטח הופך למשטח בולט-ננו, ולמבנה הננו- הזה יש משמעות רבה ליישום שלאחר מכן של חומרים מסגסוגת טיטניום.
אפקט ניקוי הלייזר ומנגנון סרט התחמוצת על פני צינור כניסת סגסוגת טיטניום לתעופה וחלל: א) מורפולוגיה של פני השטח של סגסוגת טיטניום לאחר ניקוי ב) מנגנון עיקרי של ניקוי יבש בלייזר של סרט תחמוצת מסגסוגת טיטניום ג) מנגנון עיקרי של ניקוי רטוב בלייזר של סרט תחמוצת סגסוגת טיטניום.
4. מסילה במהירות גבוהה-: צבע על מרכב רכב מסגסוגת אלומיניום
עובי צבע ושיטת ניקוי:
לניקוי צבע על-מרכבי רכבות מסגסוגת אלומיניום במהירות גבוהה, צבעים ועובי צבע שונים דורשים שיטות ניקוי מתאימות שונות בלייזר.
מכונת ניקוי סיבי לייזר CW 3000W
צבע דק (עובי פחות או שווה ל-40μm): עדיף לבחור במקור אור לייזר עם קצב ספיגת צבע נמוך יותר ולהסיר אותו באמצעות רטט תרמי;
צבע עבה: יש צורך לבחור במקור אור לייזר בעל קצב ספיגת צבע גבוה יותר ולהסיר אותו באמצעות מנגנון האבלציה.
הפשטת צבע אדום:
מנגנון ההפשטה העיקרי של צבע אדום הוא מנגנון הרטט.
במהלך תהליך הניקוי, אנרגיית הלייזר חודרת לתוך המצע, והמתח התרמי שנוצר מעליית הטמפרטורה של המצע גורם לצבע ליפול, וניתן להסיר את כל שכבת הצבע, כאשר שאריות הצבע על משטח סגסוגת האלומיניום מראה רשת רופפת-כמו מורפולוגיה.
הסרת צבע כחול:
תחת אותה קלט אנרגית לייזר, הטמפרטורה של צבע כחול גבוהה מזו של צבע אדום, אך הלחץ התרמי של המצע נמוך מזה של צבע אדום. כאשר טמפרטורת הצבע מגיעה לנקודת הרתיחה, הצבע מוסר על ידי אידוי, וישנם גם מנגנונים צמודים כמו פיצוח שכבה, שריפה והלם פלזמה.
אפקט ניקוי הלייזר ומנגנון הצבע על פני השטח של מרכב רכבת מסגסוגת אלומיניום במהירות גבוהה-: א) מורפולוגיה של פני השטח של סגסוגת אלומיניום לאחר ניקוי ב) מנגנון ראשי של ניקוי יבש בלייזר של צבע כחול/אדום על משטח סגסוגת אלומיניום.
5. ספינות: חלודה על פני השטח של ספינות פלדה-גבוהות
ניקוי הסרת חלודה יבשה
בתהליך של ניקוי הסרת חלודה יבשה עבור ספינות פלדה- בחוזק גבוה, מנגנון ההסרה העיקרי הוא אידוי של סרט התחמוצת עקב ספיגת אנרגיה. כאשר תחמוצות פני השטח מתאדות ומתאדות, נוצר כוח תגובה כלפי מטה, אשר עוזר להסיר סרטי תחמוצת עבים יותר.
סרט נוזלי-הסרת חלודה בלייזר
המנגנון העיקרי של -הסרת חלודה בלייזר בעזרת סרט נוזלי הוא פיצוץ הפאזה הנגרם על ידי טיפות הסופגות אנרגיה, ויוצרות כוח פגיעה להסרת שכבת החלודה.
השפעת הרתיחה הנפיצה של הסרט הנוזל מגבירה את השפעת מנגנון פיצוץ הפאזות על הסרת חלודה, ומאפשרת הסרה טובה יותר של סרטי תחמוצת פני השטח, אך היא אינה יעילה בהסרת תחמוצות קבורות עמוק יותר.
מנגנוני הסרת שכבת חלודה שונים משפיעים על זרימת המתכת המותכת על פני השטח. הדחף לרוחב שנוצר על ידי פיצוץ פאזה יכול לקדם את זרימת השכבה המותכת, מה שהופך את פני השטח לחלקים יותר, בעוד שאדי התחמוצת המיוצרים על ידי מנגנון האידוי יכולים להשפיע על מילוי בורות על ידי מתכת נוזלית.
ניקוי חלודה בלייזר על פני השטח של ספינות פלדה בעלות חוזק- גבוה: א) מורפולוגיה של פני השטח של פלדה בעוצמה גבוהה- לאחר ניקוי ב) מנגנונים עיקריים של ניקוי יבש/רטוב בלייזר של חלודה על פני השטח של ספינות פלדה בעלות חוזק גבוה-.
6. אוקיינוס: מיקרואורגניזמים ימיים על משטחי סגסוגת אלומיניום
פרמטרי לייזר והשפעת הניקוי:
ללייזרים עם רוחבי פולסים צרים והספק שיא גבוה יש אפקט ניקוי טוב יותר על מיקרואורגניזמים ימיים על משטחי סגסוגת אלומיניום.
מנגנון להסרת מיקרואורגניזמים:
מנגנוני הסרת הלייזר עבור שכבת החומרים הפולימריים החוץ-תאיים (EPS) ומצע הברנקל הם אידוי אבלציה והפשטת גלי הלם, בהתאמה. במהלך תהליך קליטת הרב-פוטונים, השרשראות הבודדות של מקרומולקולות מיקרוביאליות נשברות, ומתפרקות לייצור מספר רב של אטומים. לאחר יינון, תחת הפעולה המשולבת של מנגנוני הלם פלזמה ואבלציה, ניתן להסיר טוב יותר מיקרואורגניזמים ימיים.
עבור חומרים אורגניים כגון צבע ומיקרואורגניזמים ימיים, בצפיפות אנרגית לייזר נמוכה, תגובות פוטוכימיות גורמות לקשרים הכימיים שלהם להישבר, המתבטאת בהידרדרות, שינוי צבע, אובדן פעילות וכו'. ככל שצפיפות האנרגיה עולה, מתרחשות תופעות כמו אבלציה, אידוי, להבות בעירה והלם פלזמה.
עבור חומרים אנאורגניים כגון סרטי תחמוצת וחלודה, אין שינויים בצפיפות אנרגיה נמוכה, אבלציה ואיוד מתרחשים לאחר עליית האנרגיה.
אפקט ניקוי לייזר ומנגנון של מיקרואורגניזמים ימיים על משטחי סגסוגת אלומיניום.
7. ניקוי שרידי תרבות בלייזר
לניקוי לייזר פעימות יש יישומים חשובים בהגנה על שרידים תרבותיים, העונים על הצרכים של ניקוי לא-הרסני ודיוק- גבוה של שרידי תרבות, כגון חפצי אבן, נייר ומתכת.
יישומים אופייניים של ניקוי בלייזר פועם בשרידים תרבותיים:
חפצי אבן:
א) פסל אודיסאוס בשיש רומי עתיק: א1) לפני הניקוי א2) לאחר הניקוי
ב) סרקופג שיש רומי: ב1) לפני הניקוי ב2) לאחר הניקוי
ג) פסלי תבליט של מקדש אקרופוליס פרתנון היווני
חפצי נייר:
ד) ציור שמן מהמאה ה-15- "משיח לפני פילטוס": ד1) לפני הניקוי ד2) לאחר הניקוי
ה) ציור שמן מודרני מהמאה ה-19- "סצנת ציד": e1) לפני הניקוי e2) לאחר הניקוי
חפצי מתכת:
ו) פסל ברונזה של אוניברסיטת אילינוי: f1) לפני ניקוי f2) לאחר ניקוי
ז) רובה ציד כסף: g1) לפני ניקוי g2) לאחר ניקוי
ח) צמת זהב צבאי-המאה ה-19: h1) לפני ניקוי h2) ניקוי מלא h3) ניקוי יתר-
חפצים אחרים:
i) מסגרת עץ מוזהבת-המאה ה-19: i1) לפני הניקוי i2) לאחר הניקוי
j) מחצלת ראטן אפריקאית-המאה ה-19: j1) לפני הניקוי j2) לאחר הניקוי
יא) כלי זכוכית מצרי קדום: k1) לפני הניקוי k2) לאחר הניקוי
