激光輔助干冰清洗清理表面的方法

來源 : www.comp-geeks.com   發布時間 : 2020/9/17 4:42:00

Robert Hollan,Robert Veit,以及突馳科技研究中心

前言

技術產品的不同生命周期階段需要的表面清潔工藝也不同。它們制造和維護過程中的元素回收和再制造很重要。為了滿足日益增長的產品耐用性和功能性要求,化合物的使用材料和功能涂層變得更加重要。在這方面,表面清潔是必不可少的過程,確保預處理和涂布過程的可靠性。雖然產品數據很好,已知的或可以在制造和維護期間容易地確定的,但最終的生命周期情況并非如此。管理對污染物的缺乏認識以及處理清除產品上磨損的涂層污染物,需要高度靈活的清潔工藝。清潔過程通;趥鹘y方法。干冰清洗和激光加工,兩種具有不同優點的環保替代品。干冰清洗可用于分層,清潔和預處理,同時激光加工可定義清除涂層或污染物。關于難以清除的污染物和功能性涂層,它們具有技術和經濟限制。此外敏感基板材料可能會部分損壞。兩種技術的混合組合提供不同的加工策略:激光可以作為能量來源加以應用,干冰清洗的熱機制或作為最終的清潔過程。關于材料與獨立技術相比,復合機概念的去除率顯著提高。

關鍵詞:干冰清洗,激光加工,混合機床概念,拆卸,再利用,再制造,生活循環工程,設備維護,資源回收。

1. 引言

在高價值原材料或高昂的費用的情況下制造產品的回收利用是合理的;厥展澥〕杀竞唾Y源。因此它對經濟的和生態有利。通常用于回收清潔需要使用機械,化學或含水方法。但這些常規技術通常是耗時耗能的。此外,它們涉及高昂的廢物成本處置和人員,同時只提供低靈活性。干冰清洗是一種爆破工藝,使用的是顆粒狀的固體二氧化碳作為爆破介質。干冰粒從儲存元件送入壓縮空氣流。壓縮空氣加速了顆粒通過噴嘴噴射到工件上。激光處理可能適用與二次處理。一個常規聚焦激光,可以作為最終的清潔步驟,而去聚焦激光增加通過加熱表面干冰清洗的熱效應的樣本。與干冰清洗相反,激光加工不會產生額外的液體或固體除去已除去的污染物或涂層。關于特殊情況經濟的角度來看這兩種技術都各有所長;旌细杀逑-激光加工的目標是為了增加與面積有關的清潔和脫膜率。這兩種技術的結合將擴大它們的范圍經濟和技術限制。一個簡單的可復制的基材清漆組合已被選中各種材料,涂層和污染物。同這個標準的基材-清漆組合的過程每個獨立技術的參數都已經有了優化。此后這些調查的結果已經與混合實驗的結果進行了比較。

2應用清潔技術

2.1干冰清洗干冰清洗是基于所造成的機械效應受干冰顆粒的影響,熱機制由于沖擊點處的局部冷卻效應并由于部分升華而擴張顆粒。由于這個原因,彈性喪失并且涂層脆弱和萎縮。不同的熱膨脹系數的基體和涂層產生裂紋涂層。顆粒和空氣的動能流有助于清除。升華的干冰導致因數突然增加800倍。當粘合劑被這種組合的熱機械效應破壞涂層脫落。固體二氧化碳用作單向清洗介質,它是由液體二氧化碳轉化而來的,也就是說儲存在低溫罐中,溫度為-20°C,壓力20 bar或高壓罐在+57°C時20°C[5]。當它迅速擴大到大氣壓力,因為它被冷卻到-78.5°C的焦耳-湯姆森效應和固體二氧化碳雪產生]。一個液壓按二氧化碳雪通過模具的錐形孔進行最終形成圓柱形干冰顆粒。顆粒參數(密度,硬度,形狀)受到的影響在其生產過程中的條件(例如壓實程度)。干冰清洗的一個基本優勢就是那里沒有因干冰升華而留下的殘留物。而其他清潔工藝需要復雜的處理或增加處置費用,介體仍然留在工件的結構(例如鉆孔和空腔)[2]。不需要特殊的清潔設備空氣由于無毒噴砂介質二氧化碳。除去涂層顆?赡苡械谋贿^濾掉。由于非腐蝕性研磨行為不需要后處理工件。干冰清洗可實現柔軟的分層,并且即使是敏感或結構化的表面。污染物和保護膜(例如油漆,金屬部件)可以通過干冰清洗除去。高度粘附或堅硬的污染物和保護或功能涂層難以去除。通過干冰清洗的生銹是比較難以完全清除的。盡管干冰清洗作為一種清洗程度高,靈活的清潔技術但是也存在缺點。用作爆炸介質的固體二氧化碳升華,并且必須最大限度地被吸走允許工作場所濃度為氣態二氧化碳。這些限制取決于。釋放的二氧化碳是一種化學物質不同化學合成過程的副產品化學工業(例如氨合成)Haber-Bosch工藝以及氫氣和氫氣乙醇合成)[6]。因此它不作貢獻溫室效應。此外,運營商必須注意危險由于寒冷的氣溫而必須進行特殊的工作安全守則。另一個缺點是高由于高達125 dB(A)的聲壓級爆破壓力。最大限度地發揮機械沖擊力顆粒,氣流在加速中的速度爆破增加爆破噴嘴壓力。操作員必須佩戴適當的聽力保護裝置,并且進行進一步的安全指示過程的培訓。

2.2激光加工

激光加工近來是一個越來越重要技術。激光束通過聚光透鏡聚焦激光能量在幾微米的焦點上確定激光束的燒蝕,例如,該焦距。掃描儀系統通常由兩個組成旋轉鏡可以加工一個水平面焦距(聚焦)。加工3D形狀額外的定位系統的樣本或掃描儀系統是必需的。通過這個集中激光應用表面可以清潔,結構化或修改靈活而精確地由激光加工而成參數。能量的受控應用允許a根據情況熔化或升華表面材料,關于污染物的組成和厚度涂層以及激光工藝參數。更多的應用領域是從中去除油漆金屬部件(如交換引擎)[8],去除從焊縫[9]的尺度以及尺寸清理鐵路,紀念碑和鐵塔。通過激光加工進行清潔和去涂層具有重要意義優點。它結合了接觸和力量低熱和機械加工精度高可以應用于敏感表面的影響。提供選擇性清潔去除深度一致的材料很容易控制。因此很高自動化程度,特別是在線控制是可能的。去除厚的污染物和涂層是經濟的,有時甚至是技術上的限制的應用程序。參數越具有磨損性激光加工的危險性越高襯底的表面在不一致的涂層下方污染物。對于激光加工也有特殊的安全說明必要。根據類型,波長和功率的激光過程需要適當的屏蔽。此外,工作人員必須佩戴護目鏡也就相關方面執行特定的安全說明由于激光源的高電壓而導致的危險。

2.3混合干冰清洗-激光加工

磨損的硬涂層,如熱噴涂熱障燃氣輪機部件的涂層(TBC)由于干冰清洗顆粒硬度低很難被清除。由于原材料價值和費用高昂用于燃氣輪機的制造過程刀片維護和回收這些部件是很重要的。雖然這種方法[10]也很經濟,與常規去除相比,對生態有利;旌细拍羁梢院侠頊p少這種消耗。復雜三維模具的清洗汽車行業可能成為另一個應用領域。由于干冰清洗的敏感材料是限于特定的爆破壓力。這兩種技術的組合提供了不同的加工策略。根據相對位置的激光和樣本激光可以應用聚焦并沒有重點。取決于激光和干冰這兩種技術都可以應用于冰爆裝置同一焦點。兩種不同協調中心允許分開重復快速更改通過振蕩來處理獨立技術運動。因此,他們中沒有一個會影響另一個例如否則由于激光,顆?赡軙A擊中表面前的光束。使用相同的焦點兩種技術的關鍵點都會更容易實現。而激光可以應用去加熱表面聚焦的激光應用使定義的表面處理。去聚焦激光防止冷卻工件。溫度越高當干冰粒子撞擊時增加熱沖擊表面和效率得到改善。因此波長必須根據吸收率來選擇由襯底的表面決定。專注激光應用使定義的表面結構化或平滑的工件。因此通過干燥初步純化最后的激光加工可以進行冰清洗清潔步驟。它還允許結合清潔在潛在的預處理過程之后進行處理(例如,實現確定的粗糙度)。兩種技術可以在同一個焦點或不同的地方應用聯絡點。

3實驗設置

一個易于復制的標準被用來分析去除多次涂布的高粘性涂層制造過程中的工件或移除來自使用過的產品的部分剩余涂層。一個涂覆PUR-2組分清漆,厚度為50μm將100μm和200μm定義為標準并應用分兩層,一層白色底漆和一層黑色面漆。熱浸鍍鋅鋼板與尺寸相同使用150mm×50mm作為基材。此外同樣的盤子被用來產生生銹的標本:基質材料暴露于確定的酸性環境保持一定的時間。對于干冰清洗TVM45-V2設備“使用。該設備基于注射原理。對于激光加工“Dilas Diodenlaser1500W“Dilas Diodenlaser GmbH,Mainz被使用。二極管激光器的波長為940±5 nm,a功率輸出為1500 W.激光束被聚焦到3.8毫米x 8毫米的領域。激光和干冰清洗噴嘴被調整到相同的焦點,而標本被一個機器人移動了。一臺熱成像攝像系統“Jade II MWIR”CEDIP被添加到混合清潔設備中進行監控試樣的表面溫度。相機確定溫度從-30°C到1500°C測量從3微米到5微米波長的熱輻射。它提供170赫茲到250赫茲的幀速率在30°C時熱分辨率低于20 mK。它是重要的是,關于樣本的形狀熱成像相機不得安裝在內部激光束的反射角度范圍。圖1顯示了優化混合動力車的最終概念清潔裝置。


圖1:干式混合清潔設備的概念冰爆噴嘴(A),二極管激光器(B)和熱成像相機(C)。根據結果優化的混合清潔設備包括一臺熱成像相機。

迎角對于90°的干冰清洗和一個爆破距離10毫米導致最佳的去除結果。圖1顯示了一個激光系統的相對小的迎角。這是因為干冰清洗系統是必要的-否則爆破噴嘴可能受激光影響而噴嘴可能會降低所引起的能量通過激光返回樣品。小攻角的激光束是可能的,而標本有足夠的吸收率和激光系統提供足夠的力量。通過增加干冰清洗的熱機制混合動力概念能夠減少機械師特定清潔任務的效果。從而允許降低導致爆破壓力降低聲壓級。熱成像之間的聯系照相機監控樣品的表面溫度并且激光功率的控制使得有可能自動控制表面溫度。這提供熱敏性應用的新領域材料被使用。為了測量去除率,檢測表面輪廓垂直于機器人的運動。因此觸覺測量設“Talysurf-120L”使用了威斯巴登。施加的感測裝置的錐尖具有2μm的半徑和60°的角度。橫截面積(CSA)根據檢測結果計算移除的材料個人資料。為了計算軟件“Talymap大學。2.0.10“用于圖2中。與a相比重量測量應用的方法具有優勢關于材料去除的附加信息垂直于機人運動的方向。計算涂層的體積去除率來自CSA和每個人的單獨進給速度測試。


圖2:基于檢測到的CSA的計算垂直于機器人運動的輪廓。

首先對干冰清洗技術進行了優化達到最大材料去除率(爆破壓力,爆破噴嘴與表面之間的距離,爆破角度和干冰質量流量)。結果在圖3中示例性地示出。


圖3:干冰清洗壓力的優化:12巴(A),10巴(B),8巴(C),6巴(D),4巴(E)。

對于混合動力技術這些最佳工藝參數由于...的尺寸而無法實現設備。優化的干冰清洗角度為90°必須適應78°以及最佳爆破距離從10毫米到220毫米。合適的進給速度通過光學評估來選擇。

4實驗結果

干冰清洗參數爆破壓力,爆破角度,干冰質量流量和爆破距離是恒定的。首先是獨立技術激光(A)和干冰清洗(B)進行比較結果與混合技術(C)具有相同的過程組合技術的參數。除了上面這個測試解釋的涂層標準也是應用于生銹的標本。過程參數激光加工,干冰清洗和混合干冰清洗-激光加工如表1所示。

表1:工藝參數進給速度:涂層標本(圖3)每分鐘60厘米。生銹的標本(圖4)每分鐘14厘米。激光參數:功率1077 W干冰清洗參數:爆破壓力12巴干冰質量流量60公斤/小時爆破距離220毫米迎角78°

圖4示例性地示出了材料去除的結果圖5顯示了涂覆試樣的測試結果一個生銹的標本的清潔測試的結果。該工藝參數相同,只是進料速度適應不同種類的標本。


圖4:涂層清潔結果的比較通過激光加工(A),干冰標本爆破(B)和混合處理(C)。


圖5:生銹的清潔結果比較通過激光加工(A),干冰標本爆破(B)和混合處理(C)。

隨后結果為PUR-2組分清漆示例性地示出了厚度為200μm的標準。單體材料去除的比較干冰清洗和混合激光輔助干冰清洗如圖6所示。涂層的體積去除率材料被用作指示器。


圖6:激光加工的體積去除率(A),干冰清洗(B)和混合處理(C)涂覆試樣的涂層材料。

圖6中的圖表顯示了該改進混合工藝的體積去除率與之相比獨立技術干冰清洗。材料還顯示去除散焦激光加工證明了組合技術的協同效應。干冰清洗量的去除率比較平均混合過程體積去除率6.9,改善近600%。這些結果強調這種混合組合的潛力。關于圖5,這些結果顯示出了很大的改進生銹的標本的清潔過程。盡管如此,很難徹底清除銹蝕。去除最后一部分的鐵銹是無效的因此在經濟上不可取。在這方面的過程參數必須適應或專門過程必須被添加。這可以通過集中激光應用。干冰的組合爆破和Nd:YAG激光加工是最近的一部分調查[11]。雖然材料的改進聚焦Nd:YAG激光輔助干冰的去除率聚焦激光應用的爆破明顯較低適合這最后的清潔步驟。

5總結

干冰清洗是傳統的生態替代方案機械,化學或水性清潔方法。它適合高度粘合或硬涂層和污染物。通過結合這種技術與去聚焦激光應用材料去除定義的測試標準的速率增加了與優化的獨立技術相比達到600%。如果優化參數需要研究的獨立方法也是理想的參數的混合組合。計劃優化散焦的處理策略激光應用于混合組合兩種技術。特別是清潔和裝飾敏感表面將受益于此。進一步測試被指定研究未聚焦的組合并采用干冰清洗技術進行激光聚焦。第一個工藝步驟可用于初步純化去除大部分涂層污染物而第二道工序將確保高純度級別。致謝我們衷心感謝山東突馳科技。調查進行了在由TOOICE突馳科技資助。此外,我們衷心感謝所有貢獻者準備說明。

參考[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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