Témata
Reklama

Povrchová úprava materiálů pomocí laseru

Povrchové úpravy materiálů mají značný vliv na užitné vlastnosti zařízení, zejména na jejich životnost. Kvalita povrchových úprav (kovů, polymerů atd.) je obvykle značně ovlivněna přítomností různých látek nacházejících se na povrchu materiálů v důsledku průmyslového zpracování nebo působení okolního prostředí (organická znečištění, koroze, nátěry). Pro další zpracování (např. dobrou adhezi dalšího nátěru) je tedy nezbytné zbavit povrch materiálu přítomných nečistot.

Vývoj nových metod čištění povrchů je důležitý pro různé aplikace z důvodů nejen ekonomických, ale také z pohledu ochrany životního prostředí. Čištění povrchu materiálů laserem (obvykle pulzním) se jeví jako vhodná náhrada čisticích metod založených na použití rozpouštědel, mechanických metod, jako je např. kartáčování a tryskání, nebo jiných čisticích procesů. Na rozdíl od mechanických metod nedochází při čištění laserem k poškození povrchu čištěného materiálu a výhodou laserového čištění je také absence nepříznivého působení na životní prostředí (nejsou nutné další chemikálie, nevznikají kapalné nebo plynné odpady). Nedochází k přímému kontaktu s povrchem materiálu, což vylučuje možnost dalšího znečištění a tento fakt lze využít např. při čištění elektrických součástí pod napětím. Čištění lze také provádět selektivně (odstranění nečistot pouze na některých místech materiálu). Již bylo prokázáno, že laserové čištění je účinnou metodou při odstraňování povrchových oxidů, polymerů, nátěrů či obecně cizorodých částic.
Reklama
Reklama
Reklama

Mechanismus úpravy

Při interakci laserového svazku vhodné intenzity a vlnové délky dochází obecně k absorpci na povrchu a k následnému odpaření materiálu. K dosažení optimálního čisticího efektu je důležité použití takové intenzity (a dalších vhodných hodnot parametrů) laseru, při které dochází k odpaření znečišťujícího materiálu, ale zároveň nedochází k poškození povrchu čištěného materiálu.
V případě adsorbovaných organických nečistot (oleje, tuky) způsobuje laserové záření přímo nebo nepřímo přerušení vazeb mezi adsorbátem a povrchem a následné oddělení nečistot od povrchu. Při použití laseru s vhodnou energií a vlnovou délkou (většinou UV) dochází přednostně k přerušení vazeb mezi nečistotami a povrchem před absorpcí světla povrchem materiálu. Použitím laseru s vlnovou délkou ve viditelné nebo IR oblasti je mechanizmus desorpce odlišný. Po absorpci světla dochází k zahřátí materiálu a lokální zvýšení teploty vede k oddělení a odpuzení adsorbovaných částic. Výběr vlnové délky použitého laseru nebo kombinace použitých laserů v závislosti na vlastnostech odstraňovaných nečistot je důležitý k dosažení co nejvyššího čisticího efektu. Po optimalizaci parametrů čištění (5 pulzů 193nm laserem, 107 W.cm-2 + 5 pulzů 532nm laserem, 108 W.cm-2) je dosaženo 90% odstranění organických nečistot a 75% odstranění Fe částic ze znečištěné oceli.
Při laserovém čištění povrchu materiálů od barev a jiných vrstev (např. polymerů) způsobuje energie dodaná laserem pravděpodobně také odpaření vrstvy polymeru. Pro tento účel je zejména vhodný TEA-CO2 laser (?=10.6 ?m). Při uvedené vlnové délce dochází k absorpci dopadajícího světla vazbami v organických látkách (C-C, C-O) a po odstranění nátěru je dopadající světlo povrchem kovu odráženo a nedochází tak k poškození jeho povrchu.
Mechanismus odstranění vrstvy oxidu z povrchu materiálu závisí většinou na optických vlastnostech systému oxid kovu/kov s ohledem na použitou vlnovou délku použitého laseru. Lze předpokládat dva případy: silně absorbující nebo slabě absorbující vrstva oxidu.
V prvním případě je většina energie laserového pulzu absorbována vrstvou oxidu, dochází k jejímu lokálnímu zahřátí (může dojít i k částečnému nebo úplnému tavení a následnému tuhnutí). Při vhodné energii laseru dochází v důsledku tepelné roztažnosti oxidu ke vzniku trhlin na hranicích osvětlené plochy a na rozhraní oxid/ kov. První pulz způsobuje tvorbu trhlin ve vrstvě oxidu ve směru kolmém k rozhraní. Další pulzy způsobují šíření trhlin ve směru rozhraní oxid/kov. Po čtvrtém pulzu jsou vlivem tepelné roztažnosti částečně oddělené fragmenty odpuzovány od povrchu kovu. Proces fragmentace a následného odtržení fragmentů z povrchu materiálu je závislý na mnoha parametrech (tloušťka vrstvy oxidu, koeficient tepelné roztažnosti, Youngův modul atd.).
Ve druhém případě je většina energie laserového pulzu v několika nanosekundách absorbována na rozhraní oxid/kov. Absorpce vede ke vzniku akustického pulzu vysoké intenzity. Akustický pulz se šíří oběma směry, přičemž odrazem na rozhraní oxid/vzduch se tlaková vlna pulzu mění na tahovou. Při zpětném dopadu akustického pulzu na rozhraní oxid/kov dochází ve vrstvě oxidu k vzniku trhlin, které se mohou šířit po rozhraní a způsobit fragmentaci a odtržení vrstvy oxidu od kovu. V tomto případě hraje vrstva oxidu roli média, ve kterém může také dojít ke zvýšení amplitudy akustické vlny. Také v tomto případě může při absorpci docházet k lokálnímu zahřátí na rozhraní kov/oxid a v důsledku rozdílných tepelných roztažností kovu a oxidu k tvorbě trhlin, které se po rozhraní kov/oxid šíří a způsobují oddělení částí oxidu.

Použití

Jak již bylo uvedeno, čištění povrchu materiálů za použití laserů má několik výhod, a proto jsou lasery v současnosti již používány např. při čištění povrchů v mikroelektronice, restaurování uměleckých děl, čištění forem při výrobě skla a gumových výrobků (např. pneumatik), odstraňování nátěrů z letadel, izolace na drátech atd. Povrchová předúprava kovů je důležitou fází při aplikaci nátěrů. Zajímavou aplikací je rovněž využití laserového čištění při odstraňování spadaného listí z kolejnic; touto metodou se již podařilo dosáhnout rychlosti čištění až 70 km/h. Jistou nevýhodou laserového čištění zůstává prozatím zejména pořizovací cena vhodného laseru; lze ale předpokládat, že s masovým rozšířením poklesnou i pořizovací náklady, a zvýší se tak dostupnost této technologie.
Ing. J. Jedelský, Ing. P. Němec, Ing. D. Veselý, Doc. P. Kalenda
Univerzita Pardubice
Všechny obrázky, tabulky a grafy naleznete v tištěné podobě časopisu.
Reklama
Vydání #4
Kód článku: 50440
Datum: 13. 04. 2005
Rubrika: Odborná příloha / Povrchové úpravy
Autor:
Firmy
Související články
Perfektní povrchová úprava

Ten, kdo vytváří povlaky, může dosáhnout bezvadných výsledků pouze důkladnou předpřípravou povlakovaného povrchu. Také za tímto účelem investovala firma Bot Oberflächentechnik z Kulmbachu do nového zařízení – a dosáhla tak nakonec fascinujících výsledků.

Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Související články
Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Zvýšení výkonu u tribo stříkání

Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

Kompaktní řešení Zapoj a spusť

Surffinisher je inovační metoda inline omílání vysoce kvalitních, geometricky složitých součástí během výrobního cyklu , která otevírá nové možnosti pro automatizované, vysoce přesné obrábění definovaných ploch jednotlivých součástí. Kompaktní omílací systém Zapoj a spusť lze snadno integrovat do výrobních linek.

Vývoj epoxidových barev na konstrukce

Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

Jak zefektivnit proces stříkání práškovými barvami?

Jak již název článku uvádí, bude se v něm pojednávat o aplikaci práškových barev. Konkrétně se jedná o méně známou a využívanou možnost automatizace a mechanizace stříkání, kterou jsou postřikové stěny.

Maskování pro povrchové úpravy

Před mnoha lety, než jsem se začal zabývat povrchovými úpravami a maskováním, jsem netušil, jak komplexní obor to je a co všechno zahrnuje. Problematika je natolik obsáhlá a speciální, že by si zasloužila samostatný studijní obor na univerzitě. Zkusím proto v tomto článku popsat alespoň část svých dosavadních zkušeností a poznatků z mojí univerzity života.

Čištění energetických zařízení

Vnitřní povrchy otopných a chladicích systémů jsou během svého provozu postupně pokrývány, vlivem chemických a fyzikálně chemických reakcí, pevnými úsadami nečistot, minerálů a korozních produktů. Vzniklé látky jsou tepelným izolantem a brání přestupu tepla. To má za následek omezení účinnosti systémů, zvýšení energetických a tlakových ztrát ale i omezení možnosti regulace a celkově snížení účinnosti těchto systémů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit