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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 激光除污機(jī)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 激光清洗作為一種新興的清洗方法，具有節(jié)能、環(huán)保等許多優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展前景。在發(fā)達(dá)國(guó)家該技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱没?，而?guó)內(nèi)還處于實(shí)驗(yàn)階段。本設(shè)備正是為了探索激光清洗實(shí)用化中的一些問(wèn)題而設(shè)計(jì)制造的，主要針對(duì)工業(yè)除漆除銹，使用電光調(diào)QNd:YAG激光器作為光源，用于較薄漆層和銹層的去除，具有非常好的清洗效果，并且清洗效率較高。通過(guò)調(diào)節(jié)激光輸出參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬基底粗糙度的控制，以適應(yīng)工藝要求。
- 詳細(xì)介紹：
- 鋼鐵是大多數(shù)工業(yè)設(shè)備的主要原料，由于電化學(xué)效應(yīng)，鋼鐵本身的腐蝕非常嚴(yán)重，通過(guò)在鋼鐵制品表面噴涂漆層，隔絕內(nèi)部鋼鐵材料與空氣、水分的接觸，是常見(jiàn)但有效的防護(hù)手段。漆層的老化和破損，會(huì)導(dǎo)致防護(hù)作用的喪失，使得內(nèi)部的鋼鐵發(fā)生腐蝕，因此需要使用清洗的手段將老化的漆層和鋼鐵表面生成的銹層進(jìn)行去除，再重新噴漆。 傳統(tǒng)的除漆除銹技術(shù)有機(jī)械法、噴砂法、化學(xué)法、高壓水射流法等。機(jī)械法勞動(dòng)強(qiáng)度大，高壓水射流法易發(fā)生二次腐蝕，化學(xué)法使用的化學(xué)制品會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，同時(shí)化學(xué)法需要對(duì)工件進(jìn)行拆卸，難以處理大型物體，而得到較廣范圍使用的噴砂法，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，巨大的噪聲、漫天的粉塵和固體廢棄物污染，使得這一技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已被禁止，我國(guó)的上海市也已不再允許使用。 激光清洗技術(shù)是一種新型的表面污物去除技術(shù)，包括干式、濕式、沖擊波式等多種具體實(shí)施方式，在鋼鐵行業(yè)、半導(dǎo)體制作業(yè)、文物保護(hù)領(lǐng)域等獲得成功應(yīng)用。對(duì)于漆層的去除，主要是通過(guò)透射過(guò)漆層的脈沖激光引起的金屬基底的振動(dòng)，使漆層脫離；對(duì)于銹層的去除，則通過(guò)脈沖激光燒蝕作用使銹層本身各部分由于受熱不均產(chǎn)生快速膨脹甚至局部爆炸現(xiàn)象從表面脫離；且實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的清洗技術(shù)，激光清洗后的鐵質(zhì)基底會(huì)發(fā)生鈍化現(xiàn)象，形成致密的透明氧化鐵保護(hù)層，提高鐵質(zhì)基底的抗腐蝕性。其最大的優(yōu)勢(shì)在于激光清洗過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何二次污染，清除下來(lái)的只有油漆碎片或銹蝕粉末，并且可回收處理甚至再利用。激光清洗的主要作用機(jī)制是振動(dòng)機(jī)制和燒蝕機(jī)制，而上述兩種去除機(jī)制都只涉及物理變化，清洗過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生影響環(huán)境的化學(xué)成分，且產(chǎn)生的油漆碎片、銹蝕粉末易于使用吸塵裝置進(jìn)行回收，不會(huì)造成固體廢棄物的污染，是真正的綠色環(huán)保的清洗方式。激光清洗技術(shù)相比于傳統(tǒng)的噴砂、高壓水射流方式，由于能量的利用率較高，能耗低。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，激光清洗方式將成為工業(yè)清洗技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。 隨著各個(gè)國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重視程度越來(lái)越高，傳統(tǒng)清洗方式受到了越來(lái)越多的限制，激光清洗相對(duì)傳統(tǒng)的清洗方式的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，有著極為廣闊的應(yīng)用前景。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將激光清洗這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域，達(dá)到了實(shí)用化水平。目前北美、歐洲多個(gè)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)了多家專(zhuān)業(yè)的激光清洗公司，已有成品的激光清洗裝置出售，并搶先申請(qǐng)了眾多的專(zhuān)利保護(hù)。而國(guó)內(nèi)對(duì)于激光清洗的研究起步較晚，研究的方向有限，并且多停留在理論研究的階段，與國(guó)外差距較大。而因此我們將研究重點(diǎn)放在激光除漆、除銹等工業(yè)領(lǐng)域需求較大的實(shí)用方向，希望通過(guò)我們的研究能夠探索、解決激光清洗技術(shù)在實(shí)用化中的一些問(wèn)題。 本設(shè)備正是為了激光清洗實(shí)用化研究而設(shè)計(jì)制造的，主要針對(duì)漆層與較薄銹層的去除。參考國(guó)外成品激光清洗機(jī)的一些資料，自主制作了第一代激光清洗機(jī)，該機(jī)型使用電光調(diào)QNd:YAG激光器作為光源、導(dǎo)光臂作為光束傳輸裝置、三維平臺(tái)作為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)以柱面鏡為主要元件的光束整形系統(tǒng)將圓狀光斑整形成長(zhǎng)矩形光斑。對(duì)于漆層的去除，具有非常好的清洗效果，對(duì)于較薄的漆層，具有較高的清洗效率；對(duì)于較厚漆層和銹層的去除，清洗效率會(huì)較大幅度的降低，需多次往復(fù)掃描，能夠?qū)⑵釋雍弯P層去除；通過(guò)調(diào)節(jié)激光輸出參數(shù)，清洗的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗后金屬基底粗糙度的控制，從而滿(mǎn)足不同工藝的要求。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的 除漆除銹是工業(yè)上常用的工藝，傳統(tǒng)方法有機(jī)械法、噴砂法、化學(xué)法、高壓水射流法等，都存在污染問(wèn)題，并且使用上有所限制。其中使用最廣范的噴砂法，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，巨大的噪聲、漫天的粉塵和固體廢棄物污染，使得這一技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已被禁止。 激光清洗作為一種新興的清洗方法，具有節(jié)能、環(huán)保等許多優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展前景。在發(fā)達(dá)國(guó)家該技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱没?，出現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)的激光清洗公司，并推出了一些激光清洗設(shè)備，其價(jià)格非常昂貴，而國(guó)內(nèi)還處于實(shí)驗(yàn)階段。本設(shè)備正是為了探索激光清洗實(shí)用化中的一些問(wèn)題而設(shè)計(jì)制造的，主要針對(duì)工業(yè)除漆除銹，希望通過(guò)我們的工作能夠?yàn)榧す馇逑醇夹g(shù)在工業(yè)中的實(shí)用化積累一些經(jīng)驗(yàn)。 創(chuàng)新點(diǎn) 我們?cè)O(shè)計(jì)制作的激光除污機(jī)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)工業(yè)除漆除銹用激光清洗設(shè)備的空白，其創(chuàng)新性在于： 1、綠色環(huán)保 2、能耗低 3、無(wú)消耗物 4、維護(hù)成本低 5、操作簡(jiǎn)單安全 6、結(jié)構(gòu)緊湊 技術(shù)關(guān)鍵 1、實(shí)現(xiàn)激光光束參數(shù)的靈活可調(diào) 2、線性光斑整形 3、保護(hù)措施完善 4、自動(dòng)清洗、手動(dòng)清洗兼具 5、激光傳輸密封、靈活 6、穩(wěn)定性強(qiáng) 主要技術(shù)指標(biāo) Nd3+：YAG脈沖激光器 激光波長(zhǎng)：1064nm； 激光脈沖寬度：200μs，10ns； 激光單脈沖能量：1J（自由運(yùn)轉(zhuǎn)），600mJ（調(diào)Q，10 Hz）； 激光工作頻率：2、10、30、60Hz；
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 漆層與金屬基底之間通過(guò)范德瓦爾斯力相粘和，是結(jié)合較為緊密的相互作用；對(duì)于較薄的漆層，部分激光能夠透射到漆層以下的金屬基底上，使基底受熱，發(fā)生快速的熱膨脹，膨脹引起的彈性力當(dāng)能夠克服漆層與基底之間的粘附力時(shí)，激光的作用就使漆層在激光光斑照射的邊緣發(fā)生斷裂，從基底表面脫離，這種去除機(jī)制我們稱(chēng)之為振動(dòng)機(jī)制；對(duì)于較厚的漆層和銹層，這兩層物質(zhì)對(duì)于入射激光而言都無(wú)法透過(guò)，振動(dòng)機(jī)制無(wú)法發(fā)揮作用，激光能量被漆層或銹層的表層物質(zhì)吸收，通過(guò)燒蝕作用，使得表層物質(zhì)受熱不均勻發(fā)生爆發(fā)性的熱膨脹，逐層的燒蝕作用最終能夠?qū)⑵釋雍弯P層完全去除，這種去除機(jī)制我們稱(chēng)之為燒蝕機(jī)制。無(wú)論是使用振動(dòng)機(jī)制還是使用燒蝕機(jī)制將表層物質(zhì)去除，去除過(guò)程都是物理變化，沒(méi)有產(chǎn)生會(huì)影響環(huán)境的化學(xué)成分，清洗產(chǎn)物為片狀的油漆和粉末狀的銹蝕，易于使用吸塵裝置進(jìn)行回收。 相比于噴砂、高壓水射流等傳統(tǒng)清洗方法，激光清洗能耗大大降低且無(wú)資源消耗、低噪音、對(duì)人體無(wú)傷害，是一種綠色環(huán)保、低能耗的清洗方式，是工業(yè)清洗發(fā)展的趨勢(shì)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年——上海人和清洗有限公司購(gòu)買(mǎi)了本產(chǎn)品的第一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)產(chǎn)品性能給出了使用報(bào)告； 2011年——總裝備部軍械技術(shù)研究所使用本產(chǎn)品進(jìn)行了清洗實(shí)驗(yàn)，并對(duì)產(chǎn)品性能給出了自己的評(píng)價(jià)；
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開(kāi)發(fā)
作品可展示的形式
- 展板、視頻、實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 利用激光清洗技術(shù)除漆除銹，效果良好；設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，保護(hù)措施齊全，使得清洗機(jī)使用更加安全，使用壽命更長(zhǎng)；整機(jī)多處考慮了減震，可有效降低意外振動(dòng)對(duì)激光輸出功率的影響，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境；節(jié)能環(huán)保，無(wú)排放物，無(wú)需水等清洗介質(zhì)；操作簡(jiǎn)單、安全可靠。 適用范圍和推廣前景： 可用于船舶表面的外漆清洗、金屬物品表面漆層的清洗、中等程度以下的鋼鐵制品的銹層清洗等。 傳統(tǒng)的工業(yè)除漆除銹方法高污染高能耗，并且對(duì)操作工人的身體健康有損害，因此必然會(huì)逐漸淘汰。而激光清洗作為一種新興技術(shù)，環(huán)保節(jié)能，對(duì)人體沒(méi)有損害，具有極為廣闊的推廣前景。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)預(yù)測(cè)： 目前國(guó)外成品激光清洗機(jī)價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)用于工業(yè)除漆除白的激光清洗設(shè)備還屬空白；由于傳統(tǒng)除漆除銹方式的使用將越來(lái)越多的受到限制，所以綠色環(huán)保、低能耗的激光清洗機(jī)用于除漆除銹將會(huì)受到越來(lái)越多的重視。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 國(guó)外： 從本世紀(jì)初開(kāi)始，國(guó)外對(duì)激光清洗的研究從理論、實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為實(shí)際應(yīng)用，出現(xiàn)了許多激光清洗方面的專(zhuān)利申請(qǐng)，傳統(tǒng)的激光行業(yè)公司紛紛推出了自己的用于激光清洗的激光器，同時(shí)在北美和西歐出現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)的激光清洗公司，如美國(guó)的adapt laser、法國(guó)的quantel公司等。但這些公司在除漆方面更多的關(guān)注于飛機(jī)蒙皮的清除，對(duì)鋼鐵制品的除銹涉及的很少，對(duì)于船舶修造等重工行業(yè)的鋼鐵制品除漆除白沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)明確的應(yīng)用案例。同時(shí)國(guó)外清洗設(shè)備在價(jià)格上非常昂貴，中等功率的激光清洗設(shè)備的銷(xiāo)售價(jià)格超過(guò)百萬(wàn)元人民幣，這使得國(guó)內(nèi)需要該技術(shù)的企業(yè)能以承受。 國(guó)內(nèi)： 國(guó)內(nèi)開(kāi)展激光清洗較晚，只有少數(shù)高校、研究所和一些激光方面的公司開(kāi)展了一些激光清洗方面的研究，目前國(guó)內(nèi)用于工業(yè)除漆除銹的激光清洗設(shè)備在我們的第一臺(tái)激光清洗機(jī)推出之前尚屬空白。
