激光辅助干冰清洗清理表面的方法

来源 : www.hydrolasers.com   发布时间 : 2020/9/17 4:42:00

Robert Hollan,Robert Veit,以及突驰科技研究中心

前言

技术产品的不同生命周期阶段需要的表面清洁工艺也不同。它们制造和维护过程中的元素回收和再制造很重要。为了满足日益增长的产品耐用性和功能性要求,化合物的使用材料和功能涂层变得更加重要。在这方面,表面清洁是必不可少的过程,确保预处理和涂布过程的可靠性。虽然产品数据很好,已知的或可以在制造和维护期间容易地确定的,但最终的生命周期情况并非如此。管理对污染物的缺乏认识以及处理清除产品上磨损的涂层污染物,需要高度灵活的清洁工艺。清洁过程通常基于传统方法。干冰清洗和激光加工,两种具有不同优点的环保替代品。干冰清洗可用于分层,清洁和预处理,同时激光加工可定义清除涂层或污染物。关于难以清除的污染物和功能性涂层,它们具有技术和经济限制。此外敏感基板材料可能会部分损坏。两种技术的混合组合提供不同的加工策略:激光可以作为能量来源加以应用,干冰清洗的热机制或作为最终的清洁过程。关于材料与独立技术相比,复合机概念的去除率显着提高。

关键词:干冰清洗,激光加工,混合机床概念,拆卸,再利用,再制造,生活循环工程,设备维护,资源回收。

1. 引言

在高价值原材料或高昂的费用的情况下制造产品的回收利用是合理的。回收节省成本和资源。因此它对经济的和生态有利。通常用于回收清洁需要使用机械,化学或含水方法。但这些常规技术通常是耗时耗能的。此外,它们涉及高昂的废物成本处置和人员,同时只提供低灵活性。干冰清洗是一种爆破工艺,使用的是颗粒状的固体二氧化碳作为爆破介质。干冰粒从储存元件送入压缩空气流。压缩空气加速了颗粒通过喷嘴喷射到工件上。激光处理可能适用与二次处理。一个常规聚焦激光,可以作为最终的清洁步骤,而去聚焦激光增加通过加热表面干冰清洗的热效应的样本。与干冰清洗相反,激光加工不会产生额外的液体或固体除去已除去的污染物或涂层。关于特殊情况经济的角度来看这两种技术都各有所长。混合干冰清洗-激光加工的目标是为了增加与面积有关的清洁和脱膜率。这两种技术的结合将扩大它们的范围经济和技术限制。一个简单的可复制的基材清漆组合已被选中各种材料,涂层和污染物。同这个标准的基材-清漆组合的过程每个独立技术的参数都已经有了优化。此后这些调查的结果已经与混合实验的结果进行了比较。

2应用清洁技术

2.1干冰清洗干冰清洗是基于所造成的机械效应受干冰颗粒的影响,热机制由于冲击点处的局部冷却效应并由于部分升华而扩张颗粒。由于这个原因,弹性丧失并且涂层脆弱和萎缩。不同的热膨胀系数的基体和涂层产生裂纹涂层。颗粒和空气的动能流有助于清除。升华的干冰导致因数突然增加800倍。当粘合剂被这种组合的热机械效应破坏涂层脱落。固体二氧化碳用作单向清洗介质,它是由液体二氧化碳转化而来的,也就是说储存在低温罐中,温度为-20°C,压力20 bar或高压罐在+57°C时20°C[5]。当它迅速扩大到大气压力,因为它被冷却到-78.5°C的焦耳-汤姆森效应和固体二氧化碳雪产生]。一个液压按二氧化碳雪通过模具的锥形孔进行最终形成圆柱形干冰颗粒。颗粒参数(密度,硬度,形状)受到的影响在其生产过程中的条件(例如压实程度)。干冰清洗的一个基本优势就是那里没有因干冰升华而留下的残留物。而其他清洁工艺需要复杂的处理或增加处置费用,介体仍然留在工件的结构(例如钻孔和空腔)[2]。不需要特殊的清洁设备空气由于无毒喷砂介质二氧化碳。除去涂层颗粒可能有的被过滤掉。由于非腐蚀性研磨行为不需要后处理工件。干冰清洗可实现柔软的分层,并且即使是敏感或结构化的表面。污染物和保护膜(例如油漆,金属部件)可以通过干冰清洗除去。高度粘附或坚硬的污染物和保护或功能涂层难以去除。通过干冰清洗的生锈是比较难以完全清除的。尽管干冰清洗作为一种清洗程度高,灵活的清洁技术但是也存在缺点。用作爆炸介质的固体二氧化碳升华,并且必须最大限度地被吸走允许工作场所浓度为气态二氧化碳。这些限制取决于。释放的二氧化碳是一种化学物质不同化学合成过程的副产品化学工业(例如氨合成)Haber-Bosch工艺以及氢气和氢气乙醇合成)[6]。因此它不作贡献温室效应。此外,运营商必须注意危险由于寒冷的气温而必须进行特殊的工作安全守则。另一个缺点是高由于高达125 dB(A)的声压级爆破压力。最大限度地发挥机械冲击力颗粒,气流在加速中的速度爆破增加爆破喷嘴压力。操作员必须佩戴适当的听力保护装置,并且进行进一步的安全指示过程的培训。

2.2激光加工

激光加工近来是一个越来越重要技术。激光束通过聚光透镜聚焦激光能量在几微米的焦点上确定激光束的烧蚀,例如,该焦距。扫描仪系统通常由两个组成旋转镜可以加工一个水平面焦距(聚焦)。加工3D形状额外的定位系统的样本或扫描仪系统是必需的。通过这个集中激光应用表面可以清洁,结构化或修改灵活而精确地由激光加工而成参数。能量的受控应用允许a根据情况熔化或升华表面材料,关于污染物的组成和厚度涂层以及激光工艺参数。更多的应用领域是从中去除油漆金属部件(如交换引擎)[8],去除从焊缝[9]的尺度以及尺寸清理铁路,纪念碑和铁塔。通过激光加工进行清洁和去涂层具有重要意义优点。它结合了接触和力量低热和机械加工精度高可以应用于敏感表面的影响。提供选择性清洁去除深度一致的材料很容易控制。因此很高自动化程度,特别是在线控制是可能的。去除厚的污染物和涂层是经济的,有时甚至是技术上的限制的应用程序。参数越具有磨损性激光加工的危险性越高衬底的表面在不一致的涂层下方污染物。对于激光加工也有特殊的安全说明必要。根据类型,波长和功率的激光过程需要适当的屏蔽。此外,工作人员必须佩戴护目镜也就相关方面执行特定的安全说明由于激光源的高电压而导致的危险。

2.3混合干冰清洗-激光加工

磨损的硬涂层,如热喷涂热障燃气轮机部件的涂层(TBC)由于干冰清洗颗粒硬度低很难被清除。由于原材料价值和费用高昂用于燃气轮机的制造过程刀片维护和回收这些部件是很重要的。虽然这种方法[10]也很经济,与常规去除相比,对生态有利。混合概念可以合理减少这种消耗。复杂三维模具的清洗汽车行业可能成为另一个应用领域。由于干冰清洗的敏感材料是限于特定的爆破压力。这两种技术的组合提供了不同的加工策略。根据相对位置的激光和样本激光可以应用聚焦并没有重点。取决于激光和干冰这两种技术都可以应用于冰爆装置同一焦点。两种不同协调中心允许分开重复快速更改通过振荡来处理独立技术运动。因此,他们中没有一个会影响另一个例如否则由于激光,颗粒可能会升华击中表面前的光束。使用相同的焦点两种技术的关键点都会更容易实现。而激光可以应用去加热表面聚焦的激光应用使定义的表面处理。去聚焦激光防止冷却工件。温度越高当干冰粒子撞击时增加热冲击表面和效率得到改善。因此波长必须根据吸收率来选择由衬底的表面决定。专注激光应用使定义的表面结构化或平滑的工件。因此通过干燥初步纯化最后的激光加工可以进行冰清洗清洁步骤。它还允许结合清洁在潜在的预处理过程之后进行处理(例如,实现确定的粗糙度)。两种技术可以在同一个焦点或不同的地方应用联络点。

3实验设置

一个易于复制的标准被用来分析去除多次涂布的高粘性涂层制造过程中的工件或移除来自使用过的产品的部分剩余涂层。一个涂覆PUR-2组分清漆,厚度为50μm将100μm和200μm定义为标准并应用分两层,一层白色底漆和一层黑色面漆。热浸镀锌钢板与尺寸相同使用150mm×50mm作为基材。此外同样的盘子被用来产生生锈的标本:基质材料暴露于确定的酸性环境保持一定的时间。对于干冰清洗TVM45-V2设备“使用。该设备基于注射原理。对于激光加工“Dilas Diodenlaser1500W“Dilas Diodenlaser GmbH,Mainz被使用。二极管激光器的波长为940±5 nm,a功率输出为1500 W.激光束被聚焦到3.8毫米x 8毫米的领域。激光和干冰清洗喷嘴被调整到相同的焦点,而标本被一个机器人移动了。一台热成像摄像系统“Jade II MWIR”CEDIP被添加到混合清洁设备中进行监控试样的表面温度。相机确定温度从-30°C到1500°C测量从3微米到5微米波长的热辐射。它提供170赫兹到250赫兹的帧速率在30°C时热分辨率低于20 mK。它是重要的是,关于样本的形状热成像相机不得安装在内部激光束的反射角度范围。图1显示了优化混合动力车的最终概念清洁装置。


图1:干式混合清洁设备的概念冰爆喷嘴(A),二极管激光器(B)和热成像相机(C)。根据结果优化的混合清洁设备包括一台热成像相机。

迎角对于90°的干冰清洗和一个爆破距离10毫米导致最佳的去除结果。图1显示了一个激光系统的相对小的迎角。这是因为干冰清洗系统是必要的-否则爆破喷嘴可能受激光影响而喷嘴可能会降低所引起的能量通过激光返回样品。小攻角的激光束是可能的,而标本有足够的吸收率和激光系统提供足够的力量。通过增加干冰清洗的热机制混合动力概念能够减少机械师特定清洁任务的效果。从而允许降低导致爆破压力降低声压级。热成像之间的联系照相机监控样品的表面温度并且激光功率的控制使得有可能自动控制表面温度。这提供热敏性应用的新领域材料被使用。为了测量去除率,检测表面轮廓垂直于机器人的运动。因此触觉测量设“Talysurf-120L”使用了威斯巴登。施加的感测装置的锥尖具有2μm的半径和60°的角度。横截面积(CSA)根据检测结果计算移除的材料个人资料。为了计算软件“Talymap大学。2.0.10“用于图2中。与a相比重量测量应用的方法具有优势关于材料去除的附加信息垂直于机人运动的方向。计算涂层的体积去除率来自CSA和每个人的单独进给速度测试。


图2:基于检测到的CSA的计算垂直于机器人运动的轮廓。

首先对干冰清洗技术进行了优化达到最大材料去除率(爆破压力,爆破喷嘴与表面之间的距离,爆破角度和干冰质量流量)。结果在图3中示例性地示出。


图3:干冰清洗压力的优化:12巴(A),10巴(B),8巴(C),6巴(D),4巴(E)。

对于混合动力技术这些最佳工艺参数由于...的尺寸而无法实现设备。优化的干冰清洗角度为90°必须适应78°以及最佳爆破距离从10毫米到220毫米。合适的进给速度通过光学评估来选择。

4实验结果

干冰清洗参数爆破压力,爆破角度,干冰质量流量和爆破距离是恒定的。首先是独立技术激光(A)和干冰清洗(B)进行比较结果与混合技术(C)具有相同的过程组合技术的参数。除了上面这个测试解释的涂层标准也是应用于生锈的标本。过程参数激光加工,干冰清洗和混合干冰清洗-激光加工如表1所示。

表1:工艺参数进给速度:涂层标本(图3)每分钟60厘米。生锈的标本(图4)每分钟14厘米。激光参数:功率1077 W干冰清洗参数:爆破压力12巴干冰质量流量60公斤/小时爆破距离220毫米迎角78°

图4示例性地示出了材料去除的结果图5显示了涂覆试样的测试结果一个生锈的标本的清洁测试的结果。该工艺参数相同,只是进料速度适应不同种类的标本。


图4:涂层清洁结果的比较通过激光加工(A),干冰标本爆破(B)和混合处理(C)。


图5:生锈的清洁结果比较通过激光加工(A),干冰标本爆破(B)和混合处理(C)。

随后结果为PUR-2组分清漆示例性地示出了厚度为200μm的标准。单体材料去除的比较干冰清洗和混合激光辅助干冰清洗如图6所示。涂层的体积去除率材料被用作指示器。


图6:激光加工的体积去除率(A),干冰清洗(B)和混合处理(C)涂覆试样的涂层材料。

图6中的图表显示了该改进混合工艺的体积去除率与之相比独立技术干冰清洗。材料还显示去除散焦激光加工证明了组合技术的协同效应。干冰清洗量的去除率比较平均混合过程体积去除率6.9,改善近600%。这些结果强调这种混合组合的潜力。关于图5,这些结果显示出了很大的改进生锈的标本的清洁过程。尽管如此,很难彻底清除锈蚀。去除最后一部分的铁锈是无效的因此在经济上不可取。在这方面的过程参数必须适应或专门过程必须被添加。这可以通过集中激光应用。干冰的组合爆破和Nd:YAG激光加工是最近的一部分调查[11]。虽然材料的改进聚焦Nd:YAG激光辅助干冰的去除率聚焦激光应用的爆破明显较低适合这最后的清洁步骤。

5总结

干冰清洗是传统的生态替代方案机械,化学或水性清洁方法。它适合高度粘合或硬涂层和污染物。通过结合这种技术与去聚焦激光应用材料去除定义的测试标准的速率增加了与优化的独立技术相比达到600%。如果优化参数需要研究的独立方法也是理想的参数的混合组合。计划优化散焦的处理策略激光应用于混合组合两种技术。特别是清洁和装饰敏感表面将受益于此。进一步测试被指定研究未聚焦的组合并采用干冰清洗技术进行激光聚焦。第一个工艺步骤可用于初步纯化去除大部分涂层污染物而第二道工序将确保高纯度级别。致谢我们衷心感谢山东突驰科技。调查进行了在由TOOICE突驰科技资助。此外,我们衷心感谢所有贡献者准备说明。

参考[1]Striegel,G.,Kreisel,G.,Grün,R.,1999,Verfahrender Teilereinigung ganzheitlich betrachtet bilanzieren,Metalloberfl?che mo 53/4:19-23.[2]Uhlmann,E.,El Mernissi,A.,Dittberner,J.,Berlin2004,Blasting Techniques for Disassembly andRemanufacturing,Proc.Global Conference on SustainableProduct Development and Life Cycle Engineering:217-223.[3]Uhlmann,E.,El Mernissi,A.,Dittberner,J.,Berlin,2003,Influence of Blasting Mediums on the Result inCompresses Air Blasting,Proc.Colloquium eecologicalManufacturing:161-166.[4]Krieg,M.,06/2005,Trockeneisstrahlen–mit Schneeoder mit Pellets?,JOT:50-55.[5]Air Liquide,2002,Safety Data Sheet Carbon Dioxide,Version 1.01[6]Spur,G.,Uhlmann,E.,Elbing,F.,Luxembourg,1999,Process Study and Optimisation for Cleaningof Metal and Plastic Parts by Dry Ice Blasting,WFK39th International Conference:297-300[7]Elbing,F.,M?ller,D.,Ulbricht,M.,St.John’s,2001,Fog Dissipation by Dry Ice Blasting:Technology andApplications,Proc.2nd International Conference onFog Collection.[8]Uhlmann,E.,El Mernissi,A.,Dittberner,J.,Athen,2004,Dry Ice Blasting and Laser for Cleaning,ProcessOptimization and Application,Proc.IFAC-MIMConference on Manufacturing,Modelling,Managementand Control.[9]Büchter,E.,1998,Reinigen und Entschichten mitdem Laser,Metalloberfl?che mo 52/12:944-945.[10]Bublath,B.,Elbing,F.,Krieg,M.,Reich,G.,Settegast,S.,2001,European Patent Office,EP 1 450987 B1,Method and Device for polishing the surfaceof a Gas Turbine Blade.[11]Uhlmann,E.,Hollan,R.,El Mernissi,A.,Piran,2005,Hybrid Dry Ice Blasting-Laser Processing:Nd-YAGLaserassisted Dry Ice Blasting for De-Coating,Proc.8th International Conference on MIT’2005:163-166.

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引用:http://www.tooice.net

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