復合材料制造中的激光清洗技術

激光清洗系統正日益廣泛應用于復合材料部件制造商的生產模具清洗環節，在提升效率、降低成本的同時，顯著改善了企業環保績效與員工工作環境。

復合材料成型模具尺寸與幾何結構差異顯著，材質涵蓋鋼、鋁及因瓦合金等。傳統清洗通常采用人工打磨、介質噴砂或化學溶劑等方式，但這些技術存在固有缺陷：例如打磨會產生粉塵與揮發性物質，危害員工健康，同時可能導致模具表面損傷、過早磨損及殘留物堆積；而噴砂或化學清洗均屬于強侵蝕性工藝，長期使用易造成模具損傷與形變風險。

激光清洗技術提供了一種替代方案，它利用高能激光脈沖以高精度去除樹脂、生產殘留物、脫模劑、氧化物、油污及其他雜質。該技術能確保基材不受損傷，從而顯著延長模具的使用壽命。

英國多切斯特、布里斯托爾和謝菲爾德的Loop Technology公司作為專業集成商，將激光清洗與機器人及龍門系統結合應用，指出市場上已存在多種滿足工業清洗需求的成熟解決方案。例如，自動化激光清洗系統可處理具有復雜表面輪廓的大型結構件，在某些應用場景下清潔速率可達22m2/h。此外，激光清洗還可用于碳纖維增強聚合物（CFRP）板材的粘接前表面處理，以及為無損檢測進行各類零件表面預處理。

激光清洗技術基本原理

激光清洗通過燒蝕作用去除目標表面的材料。系統向待處理材料發射納秒級激光脈沖，通過精確調控波長、脈沖持續時間及能量強度等參數，使雜質或殘留物在基底不受損傷的前提下發生升華剝離。該過程融合了熱燒蝕、光解降解與沖擊波效應。由于不同材料對激光能量的吸收特性存在差異，操作時需根據模具材質調整激光參數。

激光清洗系統主要呈現兩種工作模式：脈沖式激光清洗器以短促、間斷的爆發式脈沖釋放能量，每個脈沖具有特定持續時間且間隔停歇期，適用于需要保護基材的精密清洗或沖擊式清洗任務，如去除基板上的薄膜與殘留物；連續波激光則輸出穩定不間斷的光束，適用于重型清洗作業，例如清除金屬工具表面的銹跡、油漆及其他涂層。

歷經數十年發展，激光器已衍生出多種類型，包括紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體激光器、二氧化碳氣體激光器以及固態光纖激光器等。其中光纖激光器因其卓越性能，在制造業中已獲得廣泛應用。

激光清洗技術的發展歷程

激光技術本身可追溯至1960年，當時西奧多·H·梅曼在美國休斯研究實驗室成功演示了世界上首臺紅寶石激光器，這項成就建立在數十年理論基礎之上，包括阿爾伯特·愛因斯坦1917年提出的受激發射理論。

另一重要里程碑出現在1972年，約翰·阿斯穆斯在用脈沖紅寶石激光分析雕像表面時，意外發現其具備清潔應用的潛力。在早期發展階段，脈沖紅寶石激光器是最常見的清潔工具，但主要局限于研究場景。

隨著領域進步，其他類型激光器相繼問世。例如釹摻雜釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器，其典型輸出波長為1064納米。其中調Q Nd:YAG激光器采用特殊技術調制激光腔儲能與釋能能力，可向表面定向發射短促高能脈沖，如今廣泛應用于精密小型模具清洗或電路板殘留物去除。氣體激光器于20世紀90年代接踵而至，以二氧化碳激光器為例，其通過混合二氧化碳、氮氣和氦氣產生強聚焦紅外光束，可有效清除油漆、油污和銹蝕。然而后續出現的更適用于去污處理的技術逐漸取代了這類氣體激光器。

近年來最具代表性的技術突破是固態光纖激光器的應用。這類激光器采用摻鐿、鉺或釹等稀土元素的柔性細光纖作為增益介質，因其能效較高、功能多樣、結構緊湊且壽命持久等優勢，已成為復合材料制造領域清洗作業的主流選擇。連續光纖激光器常被用于大規模作業場景，例如清除大型船舶結構的油漆與涂層（為檢測或翻新做準備），以及清理制造工廠中的大型模具與機械設備。而脈沖光纖激光器則憑借其精準的材料去除能力，不僅適用于檢測與無損檢測前處理，還能實現精細溫和的清潔作業。

應對多樣化模具清潔需求的技術體系

激光清洗技術憑借對金屬、塑料及復合材料的高精度清潔能力，已在工業制造領域獲得廣泛應用。與此同時，市場對高功率激光清洗系統的需求日益增長，環保型非破壞性清潔方法的普及以及混合加工技術的興起，共同推動了自動化解決方案的創新發展。Loop Technology公司正是在這一技術演進過程中持續貢獻著專業力量。

“依托在復合材料、自動化及激光清洗領域的深厚積淀，環路技術正根據行業需求與技術演變，持續優化其激光清洗設備及系統服務體系。”公司市場執行總監Tom Turner指出。

以FibreLINE系統為例，其可集成激光清洗模塊。這套系統是高速率、自動化的端到端復合材料預制解決方案，通過配備多種末端執行器，能對長達20米的大型干碳纖維鋪層及其他復合材料實現切割、分揀、拾取、成型、鋪放、壓實及檢測全流程作業。該系統還可配置自動化激光清洗功能，用于復合材料部件脫模后的模具去污處理，為整個工藝流程再添效率優勢。

激光清洗用于復合材料制造的因瓦合金航空航天模具

另一典型案例是CleanLASER系列設備，該產品線涵蓋多種型號——從低功率（12-100W）到適用于大尺寸厚材料處理的高功率CL 1000及CL 2000機型。無論是小型模具還是大型模具的清潔，CleanLASER系列都能滿足多樣化應用需求，并配備可清除廢屑殘渣的抽吸系統。例如其300W、500W及1000W機型均能實現輪胎模具的高速清潔，通常可在30分鐘內完成作業。該系列設備提供的精準操控性能，使用戶能夠安全清潔微型彈簧排氣孔，并確保碎屑不會堵塞模具氣孔——這一難題在噴砂處理及其他人工清潔方法中時常出現。

LoopCLEAN全自動系統通過RealPATH軟件實現汽車剎車盤的激光清洗，無需進行離線編程
 

自動化激光清洗單元涵蓋LoopCLEAN產品線，該系列提供三級自動化配置。標準型號需操作員通過示教器編程控制機器人運動軌跡；專業型號則實現更高精度與自動化水平——待清潔模具的CAD模型導入系統Robotmaster離線編程軟件后，可對機器人路徑進行模擬優化，再上傳執行激光清洗作業。

此前，公司的某個客戶在電纜制造行業應用LoopCLEAN專業版清潔注塑模具，其清潔效果顯著優于傳統化學劑與磨料處理方式，不僅延長了模具壽命，更帶來環保效益及健康安全保障。該集成系統搭載德國庫卡Agilus機器人、CleanLASER CL 150激光器，配備LoopCLEAN用戶界面與遠程運維模塊。LoopCLEAN系統可兼容更高功率的CleanLASER設備，并采用四級激光安全防護外殼。

據Loop Technology公司介紹，LoopCLEAN全自動型號實現了最高級別的自動化功能。通過RealPATH軟件，系統對需清潔的部件或模具進行三維成像，自動生成激光清洗設備的機器人運動軌跡。該軟件能規避潛在的運動奇點、碰撞風險及超程問題，無需依賴傳統的離線編程流程。最終形成的高效清洗工藝大幅減少了人工干預環節，特別適用于多品種零部件交替作業且缺乏現有CAD數據的行業領域。這種自動生成的機器人激光清洗方案既能最大限度減少設備停機時間，又可避免成本高昂的逆向工程環節。

綜上所述，激光清洗作為一項動態快速發展的技術，正被全球制造商日益廣泛應用。其優勢與應用范圍持續擴展，在清潔工具與部件時展現出卓越的精度與效率。尤其在復合材料制造領域，激光清洗能高效去除環氧樹脂、聚酯、乙烯基酯樹脂以及脫模劑等污染物，同時保護模具基底結構不受損傷。這意味著模具可重復使用多次，生產周期亦能實現更高效率。

作者：Gary Ottley（Loop Technology業務拓展經理）

來源：榮格-《國際工業激光商情》

原創聲明：
本站所有原創內容未經允許，禁止任何網站、微信公眾號等平臺等機構轉載、摘抄，否則榮格工業傳媒保留追責權利。任何此前未經允許，已經轉載本站原創文章的平臺，請立即刪除相關文章。