Nos últimos anos, a limpeza a laser tornou-se um dos principais focos de pesquisa no campo da manufatura industrial, abrangendo o processo, a teoria, os equipamentos e as aplicações. Em aplicações industriais, a tecnologia de limpeza a laser tem se mostrado capaz de limpar de forma confiável uma grande variedade de superfícies de substratos, incluindo aço, alumínio, titânio, vidro e materiais compósitos, entre outros, com aplicações em setores como aeroespacial, aviação, naval, ferroviário de alta velocidade, automotivo, de moldes, energia nuclear e marítimo, entre outros.
A tecnologia de limpeza a laser, que remonta à década de 1960, apresenta vantagens como excelente eficácia de limpeza, ampla gama de aplicações, alta precisão, operação sem contato e acessibilidade. Na indústria de manufatura, produção e manutenção, entre outros campos, possui um amplo leque de aplicações potenciais, com potencial para substituir parcial ou totalmente os métodos de limpeza tradicionais, tornando-se a tecnologia de limpeza ecológica mais promissora do século XXI.
Método de limpeza a laser
O processo de limpeza a laser é muito complexo, envolvendo uma variedade de mecanismos de remoção de material. Para um método de limpeza a laser, podem ocorrer simultaneamente diversos mecanismos, atribuíveis principalmente à interação entre o laser e o material, incluindo ablação da superfície, decomposição, ionização, degradação, fusão, combustão, vaporização, vibração, pulverização catódica, expansão, contração, explosão, descamação, desprendimento e outras alterações físicas e químicas.
Atualmente, os métodos típicos de limpeza a laser são principalmente três: limpeza por ablação a laser, limpeza a laser assistida por película líquida e limpeza por ondas de choque a laser.
Método de limpeza por ablação a laser
Os principais mecanismos metodológicos são a expansão térmica, a vaporização, a ablação e a explosão de fase. O laser atua diretamente sobre o material a ser removido da superfície do substrato, e as condições ambientais podem ser ar, gás rarefeito ou vácuo. As condições de operação são simples e amplamente utilizadas para remover diversos revestimentos, tintas, partículas ou sujeira. O diagrama abaixo ilustra o processo de limpeza por ablação a laser.
Quando o laser incide sobre a superfície do material, tanto o substrato quanto o material de limpeza sofrem expansão térmica. Com o aumento do tempo de interação do laser com o material de limpeza, se a temperatura for inferior ao limiar de cavitação do material, este sofrerá apenas alterações físicas. A diferença entre o coeficiente de expansão térmica do material de limpeza e o do substrato gera pressão na interface, podendo causar flambagem, desprendimento do material de limpeza da superfície do substrato, fissuras, fraturas mecânicas, esmagamento por vibração, etc., resultando na remoção do material de limpeza da superfície do substrato por jato ou arrancamento.
Se a temperatura for superior à temperatura limite de gaseificação do material de limpeza, ocorrerão duas situações: 1) o limite de ablação do material de limpeza será inferior ao do substrato; 2) o limite de ablação do material de limpeza será superior ao do substrato.
Esses dois casos de limpeza de materiais envolvem fusão, cavitação e ablação, além de outras alterações físico-químicas. O mecanismo de limpeza é mais complexo, podendo incluir, além dos efeitos térmicos, a quebra de ligações moleculares entre os materiais de limpeza e os substratos, a decomposição ou degradação dos materiais de limpeza, a explosão de fase, a gaseificação dos materiais de limpeza, a ionização instantânea e a geração de plasma.
(1)limpeza a laser assistida por película líquida
O mecanismo do método envolve principalmente a vaporização por ebulição em película líquida e vibração, entre outros. A utilização requer a escolha do comprimento de onda do laser apropriado, de forma a compensar a falta de pressão de impacto no processo de limpeza por ablação a laser, podendo ser utilizado para remover alguns objetos de difícil remoção.
Conforme ilustrado na figura abaixo, uma película líquida (água, etanol ou outros líquidos) é previamente aplicada na superfície do objeto a ser limpo, sendo então irradiada por um laser. A película líquida absorve a energia do laser, resultando em uma forte explosão do meio líquido. A explosão do líquido em ebulição gera um movimento de alta velocidade, transferindo energia para os materiais a serem limpos na superfície. Essa alta força explosiva transitória é suficiente para remover a sujeira superficial, atingindo o objetivo da limpeza.
O método de limpeza a laser assistido por película líquida apresenta duas desvantagens.
Processo complexo e difícil de controlar.
Devido ao uso de película líquida, a composição química da superfície do substrato após a limpeza se altera facilmente, gerando novas substâncias.
(1)Método de limpeza por ondas de choque a laser
A abordagem e o mecanismo do processo são muito diferentes dos dois primeiros. O mecanismo baseia-se principalmente na remoção por força de onda de choque, sendo os objetos de limpeza principalmente partículas, visando a remoção de partículas (submicrométricas ou nanométricas). Os requisitos do processo são muito rigorosos, tanto para garantir a capacidade de ionização do ar, quanto para manter uma distância adequada entre o laser e o substrato, de modo a assegurar que a força de impacto sobre as partículas seja suficientemente grande.
O diagrama esquemático do processo de limpeza por ondas de choque a laser é mostrado abaixo. O laser é disparado paralelamente à direção da superfície do substrato, sem entrar em contato com ele. A peça de trabalho ou a cabeça do laser são movidas para ajustar o foco do laser para a partícula próxima à saída do laser. No ponto focal, ocorre o fenômeno de ionização do ar, resultando em ondas de choque. Essas ondas de choque se expandem rapidamente, formando uma esfera, e entram em contato com a partícula. Quando o momento da componente transversal da onda de choque sobre a partícula é maior que o momento da componente longitudinal e a força de adesão da partícula, esta é removida por rolamento.
Tecnologia de limpeza a laser
O mecanismo de limpeza a laser baseia-se principalmente na absorção de energia do laser pela superfície do objeto, ou na sua vaporização e volatilização, ou na expansão térmica instantânea, para superar a adsorção de partículas na superfície, de modo que o objeto se desprenda, atingindo assim o objetivo da limpeza.
Em resumo, os quatro aspectos são: 1. decomposição do vapor por laser, 2. remoção por laser, 3. expansão térmica das partículas de sujeira e 4. vibração da superfície do substrato e vibração das partículas.
Em comparação com o processo de limpeza tradicional, a tecnologia de limpeza a laser apresenta as seguintes características.
1. Trata-se de uma limpeza "a seco", sem o uso de soluções de limpeza ou outros produtos químicos, e o nível de limpeza é muito superior ao dos processos de limpeza química.
2. O alcance da remoção de sujeira e a gama de substratos aplicáveis são muito amplos, e
3. Através da regulação dos parâmetros do processo a laser, é possível remover eficazmente os contaminantes sem danificar a superfície do substrato, deixando-a com aparência de nova.
4. A limpeza a laser pode ser facilmente automatizada.
5. Os equipamentos de descontaminação a laser podem ser usados por um longo período, com baixos custos operacionais.
6. A tecnologia de limpeza a laser é um processo de limpeza ecológico, que elimina resíduos, resultando em um pó sólido de tamanho reduzido, fácil de armazenar e que praticamente não polui o meio ambiente.
Na década de 1980, o rápido desenvolvimento da indústria de semicondutores impôs requisitos mais rigorosos à tecnologia de limpeza de partículas contaminantes na máscara de wafers de silício. O ponto crucial era superar a forte força de adsorção entre as micropartículas contaminantes e o substrato. Os métodos tradicionais de limpeza química, mecânica e ultrassônica não conseguiam atender a essa demanda, e a limpeza a laser surgiu como solução para esses problemas de contaminação. A pesquisa e as aplicações relacionadas se desenvolveram rapidamente.
Em 1987, surgiu o primeiro pedido de patente para limpeza a laser. Na década de 1990, Zapka aplicou com sucesso a tecnologia de limpeza a laser ao processo de fabricação de semicondutores para remover micropartículas da superfície da máscara, concretizando a aplicação pioneira da tecnologia de limpeza a laser no campo industrial. Em 1995, pesquisadores utilizaram um laser TEA-CO2 de 2 kW para realizar com sucesso a remoção da tinta da fuselagem de aeronaves.
Com a entrada no século XXI e o rápido desenvolvimento de lasers de pulso ultracurto, a pesquisa e a aplicação da tecnologia de limpeza a laser aumentaram gradualmente, tanto no mercado nacional quanto internacional, com foco na superfície de materiais metálicos. Aplicações típicas no exterior incluem a remoção de tinta da fuselagem de aeronaves, a desengorduragem de superfícies de moldes, a remoção de carbono interno de motores e a limpeza de superfícies de juntas antes da soldagem. O Instituto de Soldagem Edison dos EUA realizou a limpeza a laser do avião de guerra FG16, utilizando uma potência de laser de 1 kW, com um volume de limpeza de 2,36 cm³ por minuto.
Vale mencionar que a pesquisa e a aplicação da remoção de tinta a laser em peças de compósitos avançados também são um tema de grande interesse. As pás das hélices dos helicópteros HG53 e HG56 da Marinha dos EUA, a cauda plana do caça F-16 e outras superfícies de compósitos já foram alvo de aplicações de remoção de tinta a laser, enquanto que, na China, a aplicação de materiais compósitos em aeronaves é recente, portanto, essa área de pesquisa ainda está praticamente inexplorada.
Além disso, o uso da tecnologia de limpeza a laser para o tratamento da superfície de compósitos de CFRP na junta antes da colagem, visando melhorar a resistência da mesma, também é um dos focos atuais de pesquisa. A empresa Adapt Laser forneceu à linha de produção do Audi TT equipamentos de limpeza a laser de fibra para remover a película de óxido da superfície da estrutura da porta em liga de alumínio leve. A Rolls-Royce do Reino Unido utilizou a limpeza a laser para remover a película de óxido da superfície de componentes de titânio de motores aeronáuticos.
A tecnologia de limpeza a laser desenvolveu-se rapidamente nos últimos dois anos, tanto nos parâmetros do processo e mecanismo de limpeza, quanto na pesquisa sobre os objetos a serem limpos e suas aplicações. Após muita pesquisa teórica, o foco da pesquisa em limpeza a laser tem se voltado constantemente para a aplicação prática, com resultados promissores. No futuro, a tecnologia de limpeza a laser será mais amplamente utilizada na proteção de relíquias culturais e obras de arte, e seu mercado é vasto. Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a aplicação da tecnologia de limpeza a laser na indústria está se tornando uma realidade, e seu escopo de aplicação está se expandindo cada vez mais.
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Data da publicação: 14/11/2022
