En los últimos años, la limpieza láser se ha convertido en uno de los temas de investigación más relevantes en el campo de la fabricación industrial. La investigación abarca el proceso, la teoría, los equipos y las aplicaciones. En aplicaciones industriales, la tecnología de limpieza láser ha demostrado ser capaz de limpiar de forma fiable una gran variedad de superficies, incluyendo objetos de acero, aluminio, titanio, vidrio y materiales compuestos, entre otros. Sus aplicaciones se extienden a sectores como el aeroespacial, la aviación, el transporte marítimo, el ferrocarril de alta velocidad, la automoción, la fabricación de moldes, la energía nuclear y el sector naval, entre otros.
La tecnología de limpieza láser, que data de la década de 1960, ofrece ventajas como un excelente efecto de limpieza, una amplia gama de aplicaciones, alta precisión, limpieza sin contacto y fácil acceso. En la fabricación industrial, la producción, el mantenimiento y otros campos, presenta un amplio abanico de aplicaciones, y se espera que reemplace parcial o totalmente los métodos de limpieza tradicionales, convirtiéndose en la tecnología de limpieza ecológica más prometedora del siglo XXI.
Método de limpieza láser
El proceso de limpieza láser es muy complejo e involucra diversos mecanismos de remoción de material. En un método de limpieza láser, pueden existir simultáneamente varios mecanismos, atribuibles principalmente a la interacción entre el láser y el material, incluyendo la ablación, descomposición, ionización, degradación, fusión, combustión, vaporización, vibración, pulverización catódica, expansión, contracción, explosión, descamación, desprendimiento y otros cambios físicos y químicos de la superficie del material.
En la actualidad, los métodos típicos de limpieza láser son principalmente tres: limpieza por ablación láser, limpieza láser asistida por película líquida y limpieza por ondas de choque láser.
Método de limpieza por ablación láser
Los principales mecanismos metodológicos son la expansión térmica, la vaporización, la ablación y la explosión de fase. El láser actúa directamente sobre el material que se va a eliminar de la superficie del sustrato, y las condiciones ambientales pueden ser aire, gas enrarecido o vacío. Las condiciones de operación son sencillas y se utilizan ampliamente para eliminar diversos recubrimientos, pinturas, partículas o suciedad. El diagrama a continuación muestra el proceso de limpieza por ablación láser.
Cuando la irradiación láser incide sobre la superficie del material, tanto el sustrato como el material de limpieza experimentan una primera expansión térmica. Con el aumento del tiempo de interacción del láser con el material de limpieza, si la temperatura es inferior al umbral de cavitación del material, este solo experimenta un cambio físico. La diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el material de limpieza y el sustrato genera presión en la interfaz, lo que puede provocar el pandeo, el desprendimiento, el agrietamiento, la fractura mecánica o la vibración del material de limpieza, entre otros efectos. El material de limpieza se elimina mediante chorro o se desprende de la superficie del sustrato.
Si la temperatura es superior a la temperatura umbral de gasificación del material de limpieza, se darán dos situaciones: 1) el umbral de ablación del material de limpieza es inferior al del sustrato; 2) el umbral de ablación del material de limpieza es superior al del sustrato.
Estos dos casos de materiales de limpieza son la fusión, la cavitación y la ablación y otros cambios fisicoquímicos, el mecanismo de limpieza es más complejo, además de los efectos térmicos, también puede incluir la ruptura de enlaces moleculares entre los materiales de limpieza y los sustratos, la descomposición o degradación de los materiales de limpieza, la explosión de fase, la ionización instantánea de la gasificación de los materiales de limpieza y la generación de plasma.
(1)Limpieza láser asistida por película líquida
El mecanismo del método se basa principalmente en la ebullición de la película líquida, la vaporización y la vibración, entre otros. El uso requiere la selección de la longitud de onda láser adecuada, de manera que se compense la falta de presión de impacto en el proceso de limpieza por ablación láser, lo que permite eliminar algunos de los objetos de limpieza más difíciles de eliminar.
Como se muestra en la figura siguiente, se aplica una película líquida (agua, etanol u otros líquidos) sobre la superficie del objeto a limpiar, la cual luego se irradia con un láser. La película líquida absorbe la energía del láser, lo que provoca una fuerte explosión del medio líquido. Esta explosión, al ser hirviente, genera un movimiento a alta velocidad. La transferencia de energía a los materiales de limpieza de la superficie produce una fuerza explosiva transitoria suficiente para eliminar la suciedad superficial y lograr la limpieza deseada.
El método de limpieza láser asistida por película líquida tiene dos desventajas.
Proceso engorroso y difícil de controlar.
Debido al uso de la película líquida, la composición química de la superficie del sustrato después de la limpieza tiende a cambiar y a generar nuevas sustancias.
(1)Método de limpieza tipo onda de choque láser
El enfoque y el mecanismo del proceso son muy diferentes a los de los dos primeros. El mecanismo se basa principalmente en la eliminación mediante ondas de choque, y los objetos a limpiar son principalmente partículas (submicrométricas o nanométricas). Los requisitos del proceso son muy estrictos, tanto para garantizar la capacidad de ionizar el aire como para mantener una distancia adecuada entre el láser y el sustrato, asegurando así que la fuerza de impacto sobre las partículas sea lo suficientemente grande.
A continuación se muestra un diagrama esquemático del proceso de limpieza por ondas de choque láser. El láser se dirige paralelamente a la superficie del sustrato, sin contacto directo con este. Al mover la pieza de trabajo o el cabezal láser, se ajusta el enfoque del láser hacia la partícula cercana a la salida. En el punto focal, se produce el fenómeno de ionización del aire, generando ondas de choque. Estas ondas se expanden rápidamente de forma esférica y se extienden hasta entrar en contacto con las partículas. Cuando el momento de la componente transversal de la onda de choque sobre la partícula supera el momento de la componente longitudinal y la fuerza de adhesión, la partícula se desprende por rodadura.
Tecnología de limpieza láser
El mecanismo de limpieza láser se basa principalmente en la absorción de energía láser, vaporización o volatilización, o expansión térmica instantánea de la superficie del objeto, para superar la adsorción de partículas en la superficie, de modo que el objeto se desprenda de la superficie y se logre así el objetivo de la limpieza.
En resumen, se trata de: 1. descomposición del vapor por láser, 2. decapado por láser, 3. expansión térmica de las partículas de suciedad, 4. vibración de la superficie del sustrato y vibración de las partículas (cuatro aspectos).
En comparación con el proceso de limpieza tradicional, la tecnología de limpieza láser presenta las siguientes características.
1. Se trata de una limpieza en seco, sin soluciones de limpieza ni otros productos químicos, y el nivel de limpieza es mucho mayor que el del proceso de limpieza química.
2. El alcance de la eliminación de suciedad y el rango de sustratos aplicables es muy amplio, y
3. Mediante la regulación de los parámetros del proceso láser, no se daña la superficie del sustrato y, sobre la base de la eliminación eficaz de contaminantes, la superficie queda como nueva.
4. La limpieza láser puede automatizarse fácilmente.
5. Los equipos de descontaminación láser pueden utilizarse durante mucho tiempo y tienen bajos costes operativos.
6. La tecnología de limpieza láser es: ecológica: proceso de limpieza, elimina residuos, es un polvo sólido, de tamaño pequeño, fácil de almacenar, básicamente no contaminará el medio ambiente.
En la década de 1980, el rápido desarrollo de la industria de semiconductores en la superficie de las obleas de silicio planteó mayores exigencias en la tecnología de limpieza de partículas contaminantes. El punto clave era superar la gran fuerza de adsorción entre la contaminación por micropartículas y el sustrato. Los métodos tradicionales de limpieza química, mecánica y ultrasónica no podían satisfacer la demanda, mientras que la limpieza láser podía resolver estos problemas de contaminación, lo que impulsó un rápido desarrollo de la investigación y las aplicaciones relacionadas.
En 1987, se presentó la primera solicitud de patente sobre limpieza láser. En la década de 1990, Zapka aplicó con éxito la tecnología de limpieza láser al proceso de fabricación de semiconductores para eliminar micropartículas de la superficie de las máscaras, logrando así una de las primeras aplicaciones de esta tecnología en el ámbito industrial. En 1995, investigadores utilizaron un láser TEA-CO2 de 2 kW para eliminar con éxito la pintura del fuselaje de aeronaves.
Tras el inicio del siglo XXI, con el rápido desarrollo de los láseres de pulsos ultracortos, la investigación y aplicación de la tecnología de limpieza láser, tanto a nivel nacional como internacional, ha aumentado progresivamente. Las aplicaciones típicas en el extranjero incluyen la eliminación de pintura en fuselajes de aeronaves, el desengrase de superficies de moldes, la eliminación de carbono en el interior de motores y la limpieza de superficies de juntas antes de la soldadura. El Instituto de Soldadura Edison de EE. UU. realizó una limpieza láser del avión de combate FG16, con una potencia láser de 1 kW y un volumen de limpieza de 2,36 cm³ por minuto.
Cabe mencionar que la investigación y aplicación de la eliminación de pintura mediante láser en piezas de materiales compuestos avanzados es también un tema de gran interés. Las hélices de los helicópteros HG53 y HG56 de la Armada de los EE. UU., la cola plana del avión de combate F-16 y otras superficies de materiales compuestos ya han sido sometidas a aplicaciones de eliminación de pintura mediante láser. Sin embargo, en China, la aplicación de materiales compuestos en aeronaves se ha retrasado, por lo que este campo de investigación aún está en desarrollo.
Además, el uso de la tecnología de limpieza láser para el tratamiento superficial de la unión de compuestos de CFRP antes del encolado, con el fin de mejorar la resistencia de la unión, es también uno de los focos de investigación actuales. La empresa adaptó el láser a la línea de producción del Audi TT para proporcionar equipos de limpieza láser de fibra para limpiar la película de óxido de la superficie del marco de la puerta de aleación de aluminio ligero. Rolls-Royce UK utilizó la limpieza láser para limpiar la película de óxido en la superficie de componentes de motores aeronáuticos de titanio.
La tecnología de limpieza láser ha experimentado un rápido desarrollo en los últimos dos años. Tanto en los parámetros del proceso y el mecanismo de limpieza, como en la investigación sobre los objetos a limpiar y su aplicación, se han logrado grandes avances. Tras una intensa investigación teórica, la tecnología de limpieza láser se centra cada vez más en su aplicación práctica, obteniendo resultados prometedores. En el futuro, su uso en la protección del patrimonio cultural y las obras de arte se extenderá, con un mercado muy amplio. Gracias al desarrollo de la ciencia y la tecnología, la aplicación de la limpieza láser en la industria se está convirtiendo en una realidad, y su ámbito de aplicación es cada vez más extenso.
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Fecha de publicación: 14 de noviembre de 2022
