เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดสารปนเปื้อนในอุตสาหกรรมใดได้บ้าง

วิธีการ เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ กำจัดสารปนเปื้อน: วิทยาศาสตร์เบื้องหลังกระบวนการกัดกร่อนด้วยเลเซอร์

เทคโนโลยีการกัดกร่อนด้วยเลเซอร์ทำงานอย่างไรกับการกำจัดสารปนเปื้อนบนพื้นผิว

ระบบทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ใช้กระบวนการที่เรียกว่าการผ่าตัดด้วยความร้อนด้วยแสง (photothermal ablation) เพื่อกำจัดสิ่งสกปรกในอุตสาหกรรม โดยหลักการคือ เครื่องจักรเหล่านี้จะปล่อยพลังงานความร้อนที่เข้มข้นออกมาเป็นช่วงสั้นๆ ประมาณ 10 ถึง 100 นาโนวินาที ซึ่งสามารถกำจัดคราบสิ่งสกปรกบนพื้นผิวได้โดยไม่ทำลายชั้นวัสดุที่อยู่ด้านล่าง วัสดุต่างๆ เช่น สนิมและสีเก่าจะดูดซับแสงเลเซอร์ที่ช่วงคลื่นเฉพาะ ประมาณ 1060 ถึง 1070 นาโนเมตร ทำให้เกิดการรับความร้อนอย่างรวดเร็วจนอุณหภูมิสูงถึง 8,000 ถึง 10,000 องศาเซลเซียส ก่อนที่จะสลายตัวจนกลายเป็นพลาสมาหรือก๊าซโดยสมบูรณ์ นักวิจัยจากกลุ่มวิจัยการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ (Laser Ablation Research Group) ได้ค้นพบจากการศึกษาในปี 2022 ว่าสารต่างๆ มีปฏิกิริยาตอบสนองต่อการรักษาด้วยวิธีนี้แตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถปรับแต่งกระบวนการทำงานให้มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยไม่ทำให้เกิดการสัมผัสพื้นผิวใดพื้นผิวหนึ่งมากเกินไป

ประเภทวัสดุ	ค่าการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ขั้นต่ำ (J/cm²)	ความเร็วในการระเหย
สนิม/ออกไซด์	0.5–1.2	0.2 ตารางเมตร/ชั่วโมง
สีทา	0.8–1.5	0.15 ตารางเมตร/ชั่วโมง
คราบไขมัน/น้ำมัน	0.3–0.7	0.3 ตารางเมตร/ชั่วโมง

ปฏิกิริยาระหว่างคลื่นเลเซอร์และชั้นวัสดุที่แตกต่างกัน

กระบวนการนี้ใช้ประโยชน์จากอัตราการดูดซับแสงที่แตกต่างกันระหว่างสิ่งปนเปื้อนและพื้นผิวฐาน ตัวอย่างเช่น สนิมจะดูดซับพลังงานเลเซอร์ที่ 60–80% ที่ความยาวคลื่น 1,064 นาโนเมตร ในขณะที่เหล็กกล้าสะท้อนมากกว่า 70% ความแตกต่างนี้ช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถกำหนดความถี่ของพัลส์เลเซอร์ไว้ที่ 10–100 กิโลเฮิรตซ์ ทะลุผ่านชั้นสิ่งปนเปื้อนที่มีความหนาน้อยกว่า 500 ไมครอน และกำจัดเศษสิ่งสกปรกทีละชั้นในอัตรา 0.05–0.3 มิลลิเมตรต่อรอบ

การดูดซับเฉพาะเจาะจง: เหตุใดสิ่งปนเปื้อนจึงกลายเป็นไอระเหยในขณะที่พื้นผิวฐานยังคงสภาพเดิม

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดสิ่งสกปรกโดยไม่ทำลายพื้นผิวฐานได้ผ่านทาง การดูดซับเฉพาะความยาวคลื่น . สิ่งปนเปื้อนอย่างเช่นคราบยางจะดูดซับพลังงานเลเซอร์ไฟเบอร์ (1,060 นาโนเมตร) ได้ถึง 90% ในขณะที่โลหะสะท้อนพลังงาน 65–85% การสะสมความร้อนที่แตกต่างกันนี้ทำให้สิ่งปนเปื้อนถึงจุดอุณหภูมิที่กลายเป็นไอระเหย—สูงกว่า 3,500 องศาเซลเซียสสำหรับคราบคาร์บอน—ก่อนที่พื้นผิวฐานจะเพิ่มอุณหภูมิเกิน 150 องศาเซลเซียส ช่วยรักษาโลหะผสมที่ไวต่อความร้อนให้คงสภาพดี

ออกไซด์โลหะและสนิม: การกำจัดด้วยเทคโนโลยีเลเซอร์บนพื้นผิวเหล็กอย่างมีประสิทธิภาพ

กลไกการกำจัดสนิมด้วยเลเซอร์บนพื้นผิวเหล็กและโลหะ

ระบบการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดสนิมและออกไซด์โลหะอื่น ๆ ได้โดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าการกัดเซาะด้วยแสงแบบเลือกจำเพาะ (selective photoablation) โดยหลักการแล้ว เครื่องจักรเหล่านี้จะปล่อยแสงที่เข้มข้นออกมาเป็นช่วงสั้น ๆ ซึ่งจะทำให้สิ่งสกปรกหลุดออกไป โดยที่ไม่กระทบต่อเนื้อโลหะด้านล่างเลย หลักการทางวิทยาศาสตร์ของมันก็น่าสนใจไม่น้อย เมื่อพิจารณาสารประกอบออกไซด์ของเหล็ก เช่น FeO หรือ Fe2O3 สารเหล่านี้สามารถดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้ประมาณ 60 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเลเซอร์ทำงานที่ความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตร ส่วนเหล็กกล้าธรรมดาจะมีแนวโน้มสะท้อนพลังงานกลับไปมากกว่า 70 เปอร์เซ็นต์ สิ่งที่เกิดขึ้นต่อไปนั้นฉลาดมาก เพราะความแตกต่างในการตอบสนองของวัสดุทั้งสองชนิดนี้ กระบวนการจะหยุดลงโดยธรรมชาติเมื่อมันกำจัดชั้นสนิมออกไปแล้ว สนิมที่มีความหนาประมาณ 0.1 มิลลิเมตรจะหายไปโดยสมบูรณ์ภายในเวลาเพียง 8 วินาทีต่อพื้นที่หนึ่งตารางเมตร และพื้นผิวที่อยู่ด้านล่างจะคงสภาพเดิมไว้ได้อย่างสมบูรณ์

ประสิทธิภาพในการเปรียบเทียบ: เลเซอร์กับการขัดด้วยทรายสำหรับการกำจัดสนิม

เมื่อเทียบกับการขัดด้วยทราย ระบบเลเซอร์สามารถลดเวลาในการเตรียมพื้นผิวได้ 40% และกำจัดค่าใช้จ่ายในการกำจัดของเสียจากสารกัดกร่อน ขณะที่การขัดด้วยทรายมีความเสี่ยงที่อนุภาคทรายจะฝังตัวในโลหะอ่อน ในทางตรงกันข้าม การกัดพื้นผิวด้วยเลเซอร์สามารถรักษาระดับความหยาบของพื้นผิว (Ra) ให้อยู่ต่ำกว่า 1.6 ไมครอน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญต่อการยึดเกาะของเคลือบผิวในสภาพแวดล้อมทางทะเล

กรณีศึกษา: การกำจัดสนิมในโครงสร้างทางทะเลแบบนอกชายฝั่งโดยใช้เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์

โครงการนอกชายฝั่งสามารถกำจัดสนิมได้ 95% จากชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนของแท่นขุดเจาะโดยใช้เลเซอร์แบบพัลส์ 500 วัตต์ พนักงานสามารถทำความสะอาดได้ในอัตรา 12 ตารางเมตรต่อชั่วโมงในสภาพแวดล้อมเกลือที่กัดกร่อน โดยไม่ทำให้เกิดรอยบุ๋มหรือการบิดงอจากความร้อนบนพื้นผิวชิ้นงาน ซึ่งเหนือกว่าวิธีการใช้ปืนเข็มถึง 300% ในบริเวณที่ต้องการความแม่นยำสูง

สี สารเคลือบ และโพลิเมอร์: การลอกออกอย่างแม่นยำด้วยผลกระทบขั้นต่ำต่อพื้นผิวฐาน

การลอกสีและสารเคลือบโพลิเมอร์หลายชั้นแบบไม่ทำลายพื้นผิว

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ใช้การดูดซับพลังงานแบบเลือกสรรเพื่อทำให้ชั้นสีระเหิดโดยไม่ต้องใช้สารเคมีทำละลายหรือสารกัดกร่อน เลเซอร์แบบพัลส์สามารถลอกชั้นเคลือบได้พร้อมกันถึงห้าชั้น ให้ประสิทธิภาพการลอกออกสูงถึง 99.2% บนเหล็กกล้า โดยไม่กัดเซาะผิวโลหะฐานเลยแม้แต่ระดับไมครอน ซึ่งสูงกว่าการทรายบลาสต์แบบดั้งเดิม

การควบคุมความแม่นยำสูงในชิ้นส่วนการบินโดยใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ลอกสี

ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การกัดสลายด้วยเลเซอร์สามารถลอกชั้นเคลือบโพลียูรีเทนและอีพ็อกซีจากใบพัดเทอร์ไบน์ได้ด้วยความแม่นยำระดับ ±30 ไมครอน ช่วยรักษาสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ วิธีการแบบไม่สัมผัสนี้ยังช่วยป้องกันรอยขีดข่วนจิ๋วที่เกิดจากการลอกด้วยมือ ซึ่งตามข้อมูลมาตรฐานอุตสาหกรรมช่วยลดอัตราการปฏิเสธชิ้นส่วนอลูมิเนียมลงได้ถึง 67%

ความท้าทายที่เกิดขึ้นกับวัสดุที่ไวต่อความร้อนระหว่างกระบวนการกัดสลายด้วยเลเซอร์

สำหรับพอลิเมอร์ที่ไวต่อความร้อน การตั้งค่าระยะเวลาพัลส์ต่ำกว่า 15 นาโนวินาทีจะช่วยป้องกันการบิดงอของวัสดุ ระบบใหม่ล่าสุดยังมีการผนวกรวมเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิสูงสุดลงได้ถึง 40% ในระหว่างการประมวลผลวัสดุคอมโพสิต เมื่อเปรียบเทียบกับโมเดลรุ่นก่อน

เศษสารอนินทรีย์และอินทรีย์: น้ำมัน, คราบไข, ตะกอนจากการเชื่อม, และฝุ่นละออง

การทำให้ตกเป็นไอของสารตกค้างที่มีไฮโดรคาร์บอนด้วยเทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดน้ำมันและคราบไขได้โดย การสลายตัวทางความร้อนแบบเลือกจำเพาะด้วยแสง , โดยการใช้พัลส์สั้น (10–100 นาโนวินาที) ทำให้สายโซ่ไฮโดรคาร์บอนกลายเป็นไอโดยไม่ทำให้โลหะชั้นล่างรับความร้อน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการกำจัดสูงถึง 2 ตารางเมตรต่อชั่วโมงสำหรับคราบสารหล่อลื่นหนาแน่น โดยอาศัยการดูดซับมลสารที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า

ประสิทธิภาพในการกำจัดน้ำมันและคราบไขออกจากชิ้นส่วนเครื่องยนต์

ในงานบำรุงรักษาอุตสาหกรรมยานยนต์ ระบบเลเซอร์สามารถกำจัดคราบไขเครื่องยนต์ที่เกาะแน่นได้ 99.7% ที่กำลังไฟ 150–300 วัตต์ ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีการใช้สารเคมีที่อาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อข้อต่อรับซีล งานวิจัยปี 2023 พบว่าเพลาข้อเหวี่ยงที่ผ่านการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์นั้นต้องการ การขัดเงาซ้ำลดลงถึง 60% ซึ่งช่วยลดปริมาณขยะอันตรายได้อย่างมาก

การกำจัดตะกอนจากการเชื่อมและคราบหมองคล้ำในกระบวนการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม

การทำลายด้วยเลเซอร์ทำความสะอาดรอยเชื่อมได้เร็วกว่าการขัดด้วยมือถึงสามเท่า โดยยังรักษาพื้นผิวที่ต้านทานการกัดกร่อนไว้ โดยการปรับความยาวคลื่นที่ 1064 นาโนเมตร ระบบสามารถทำลายออกไซด์ของเหล็กและกำจัดตะกรันได้ ขณะที่ยังคงค่าความหยาบ Ra ต่ำกว่า 0.8 ไมครอน

การกำจัดอนุภาคปนเปื้อนในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์และเครื่องมือ

สถานที่ปฏิบัติการนิวเคลียร์ใช้การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เพื่อกำจัดฝุ่นกัมมันตรังสีออกโดย ไม่มีของเสียในรูปของของเหลว , สามารถทำให้เกิดปัจจัยการกำจัดปนเปื้อนที่ระดับ 10´–10µ ในอุตสาหกรรมเครื่องมือความแม่นยำ เลเซอร์ไฟเบอร์ 50 วัตต์สามารถกำจัดอนุภาคอะลูมินาขนาดเล็กจิ๋วออกจากอุปกรณ์เครื่องจักรกลได้ ช่วยป้องกันการปนเปื้อนข้ามระหว่างล็อตสินค้า

การใช้งานเฉพาะทางในอุตสาหกรรม: การทำความสะอาดแม่พิมพ์และการบำรุงรักษาชิ้นส่วนความแม่นยำสูง

กระบวนการการทำลายด้วยเลเซอร์สำหรับการกำจัดสารปนเปื้อน เช่น ราและโพลิเมอร์ในกระบวนการผลิตยาง

การทำลายด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดสิ่งสะสมที่เป็นอินทรีย์บนแม่พิมพ์ยางได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่กระทบต่อค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ ในปี 2023 วารสารวิศวกรรมพื้นผิว การศึกษาพบว่า เลเซอร์แบบพัลส์สามารถกำจัดสารปล่อยที่มีส่วนประกอบของซัลเฟอร์ได้ถึง 99.8% ภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาที ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าตัวทำละลายทางเคมีที่มีความเสี่ยงทำให้ชิ้นงานบวม ความยาวคลื่น 1,064 นาโนเมตรสามารถกำหนดเป้าหมายตกค้างของโพลิเมอร์สีเข้มขณะที่สะท้อนออกจากพื้นผิวแม่พิมพ์โลหะ

การทำความสะอาดแม่พิมพ์แบบแม่นยำโดยไม่ทำให้พื้นผิวสึกหรอ

ในการผลิตจำนวนมาก การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถรักษาความแม่นยำระดับไมครอนในการบำรุงรักษาแม่พิมพ์ ต่างจากการขัดทำความสะอาดที่ทำให้อุปกรณ์เสื่อมสภาพ เลเซอร์สามารถกำจัดกาวและพลาสติกที่คาร์บอไนซ์ได้โดยมีการสูญเสียวัสดุเพียง ¥3 ไมครอน (ตามมาตรฐาน ASTM E2921-21) ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนแม่พิมพ์ได้สูงสุดถึง 70% ในโรงงานอุตสาหกรรมยานยนต์

กรณีศึกษา: การกำจัดชั้นเคลือบโพลีอไมด์ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์การบินด้วยเครื่องทำความสะอาดแบบเลเซอร์

การประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเมื่อเร็ว ๆ นี้เกี่ยวข้องกับการลอกฉนวนโพลีไมด์ออกจากตัวเชื่อมต่อของดาวเทียม การใช้สารเคมีแบบจุ่มดั้งเดิมก่อให้เกิดความเสียหายกับขั้วต่อที่ชุบด้วยทองคำใน 12% ของกรณีที่เกิดขึ้น (รายงานการวิเคราะห์ความล้มเหลวของ NASA ปี 2022) การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดสารเคลือบได้ 100% โดยใช้เวลาเพียง 45 วินาทีต่อรอบการทำงานโดยไม่ทำให้พื้นผิวฐานเกิดความเสียหาย ช่วยให้สามารถนำโมดูล RF ที่มีราคาสูงถึง 18,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อหน่วยกลับมาใช้ใหม่ได้

คำถามที่พบบ่อย

การผุพังแบบโฟโตเทอร์มอล (Photothermal ablation) ในการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์คืออะไร?

การผุพังแบบโฟโตเทอร์มอลเป็นกระบวนการที่เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ใช้ในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนโดยไม่ทำลายพื้นผิวชั้นใต้ดิน มันประกอบด้วยการยิงพลังงานในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่เข้มข้นเพื่อให้ความร้อนและสลายวัสดุบนพื้นผิวให้กลายเป็นพลาสมาหรือก๊าซ

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์กำหนดเป้าหมายไปที่สิ่งปนเปื้อนอย่างไร?

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ใช้การดูดซับที่เฉพาะเจาะจงตามความยาวคลื่นเพื่อกำหนดเป้าหมายไปที่สิ่งปนเปื้อน วัสดุที่แตกต่างกันสามารถดูดซับแสงเลเซอร์ได้แตกต่างกัน ช่วยให้เลเซอร์สามารถทำให้วัสดุที่ไม่ต้องการเป็นไอระเหยได้ โดยที่ไม่ทำอันตรายต่อวัสดุอื่น ๆ

ข้อดีของการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เมื่อเทียบกับวิธีการดั้งเดิมอย่างเช่นการพ่นทรายคืออะไร?

การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีความรวดเร็วและลดต้นทุนการกำจัดของเสียเมื่อเทียบกับวิธีการดั้งเดิม เช่น การพ่นทราย นอกจากนี้ยังหลีกเลี่ยงการฝังอนุภาคที่เป็นสารกัดกร่อนในวัสดุที่อ่อนกว่า และรักษารอยหยาบผิวที่จำเป็นบนพื้นผิวเพื่อให้เกิดการยึดเกาะของเคลือบผิว

เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดสีหรือเคลือบผิวหลายชั้นได้หรือไม่

ได้ เครื่องทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สามารถกำจัดสีหรือเคลือบผิวหลายชั้นพร้อมกันได้ ให้ประสิทธิภาพการกำจัดสูง โดยไม่ทำให้พื้นผิวฐานเกิดความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญ

การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีผลต่อวัสดุที่ไวต่อความร้อนอย่างไร

ระบบเลเซอร์รุ่นใหม่ใช้พัลส์สั้นและเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ เพื่อป้องกันการให้ความร้อนมากเกินไปและป้องกันความเสียหายต่อวัสดุที่ไวต่อความร้อนในระหว่างกระบวนการทำความสะอาด