Ces dernières années, le nettoyage laser est devenu un axe de recherche majeur dans le domaine de la fabrication industrielle. Les recherches portent sur les procédés, la théorie, les équipements et les applications. Dans le secteur industriel, cette technologie permet de nettoyer efficacement une grande variété de surfaces, notamment l'acier, l'aluminium, le titane, le verre et les matériaux composites. Ses applications couvrent des secteurs tels que l'aérospatiale, l'aviation, le transport maritime, le ferroviaire à grande vitesse, l'automobile, la fabrication de moules, le nucléaire et le secteur maritime.
La technologie de nettoyage laser, apparue dans les années 1960, présente de nombreux avantages : efficacité de nettoyage, large éventail d’applications, haute précision, absence de contact et grande accessibilité. Dans les secteurs de la fabrication industrielle, de la production, de la maintenance et autres, elle offre de vastes perspectives d’application et devrait remplacer partiellement ou totalement les méthodes de nettoyage traditionnelles, devenant ainsi la technologie de nettoyage écologique la plus prometteuse du XXIe siècle.
méthode de nettoyage laser
Le processus de nettoyage laser est très complexe et implique divers mécanismes d'enlèvement de matière. Pour une méthode de nettoyage laser, plusieurs mécanismes peuvent coexister, principalement dus à l'interaction entre le laser et le matériau, notamment l'ablation de la surface du matériau, la décomposition, l'ionisation, la dégradation, la fusion, la combustion, la vaporisation, la vibration, la pulvérisation, l'expansion, le retrait, l'explosion, le pelage, l'écaillage et d'autres modifications physiques et chimiques.
Actuellement, les méthodes de nettoyage laser typiques sont principalement au nombre de trois : le nettoyage par ablation laser, le nettoyage laser assisté par film liquide et le nettoyage par ondes de choc laser.
méthode de nettoyage par ablation laser
Les principaux mécanismes mis en œuvre sont la dilatation thermique, la vaporisation, l'ablation et l'explosion de phase. Le laser agit directement sur le matériau à éliminer de la surface du substrat, dans un environnement pouvant être constitué d'air, de gaz raréfié ou de vide. Ce procédé, simple d'utilisation, est largement employé pour éliminer divers revêtements, peintures, particules ou saletés. Le schéma ci-dessous illustre le processus de nettoyage par ablation laser.
Lors de l'irradiation laser de la surface du matériau, le substrat et le matériau de nettoyage subissent une première dilatation thermique. Si la température du matériau de nettoyage reste inférieure à son seuil de cavitation et que le temps d'interaction avec le laser augmente, le matériau ne subit qu'une transformation physique. La différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau de nettoyage et le substrat engendre une pression à l'interface, provoquant le flambage, l'arrachement du matériau de nettoyage de la surface du substrat, la fissuration, la rupture mécanique, l'écrasement par vibration, etc. Le matériau de nettoyage est alors arraché de la surface du substrat par projection ou par décollement.
Si la température est supérieure à la température seuil de gazéification du matériau de nettoyage, deux situations peuvent se présenter : 1) le seuil d’ablation du matériau de nettoyage est inférieur à celui du substrat ; 2) le seuil d’ablation du matériau de nettoyage est supérieur à celui du substrat.
Ces deux cas de matériaux de nettoyage sont la fusion, la cavitation et l'ablation et d'autres changements physico-chimiques, le mécanisme de nettoyage est plus complexe, en plus des effets thermiques, mais peut également inclure la rupture de la liaison moléculaire entre les matériaux de nettoyage et les substrats, la décomposition ou la dégradation des matériaux de nettoyage, l'explosion de phase, la gazéification des matériaux de nettoyage, l'ionisation instantanée, la génération de plasma.
(1)Nettoyage laser assisté par film liquide
Le mécanisme de cette méthode repose principalement sur la vaporisation par ébullition d'un film liquide et la vibration, etc. Son utilisation nécessite le choix d'une longueur d'onde laser appropriée afin de compenser le manque de pression d'impact dans le processus de nettoyage par ablation laser, et permet ainsi d'éliminer certains objets plus difficiles à nettoyer.
Comme illustré ci-dessous, un film liquide (eau, éthanol ou autre) est préalablement déposé sur la surface de l'objet à nettoyer, puis irradié par un laser. Le film liquide absorbe l'énergie du laser, provoquant une forte explosion du milieu liquide. L'énergie ainsi générée, projetée à grande vitesse, est transférée au matériau à nettoyer, et la force explosive transitoire est suffisante pour éliminer les saletés et permettre un nettoyage efficace.
La méthode de nettoyage laser assistée par film liquide présente deux inconvénients.
Processus lourd et difficile à contrôler.
Du fait de l'utilisation d'un film liquide, la composition chimique de la surface du substrat après nettoyage est facile à modifier et à générer de nouvelles substances.
(1)méthode de nettoyage par ondes de choc laser
L'approche et le mécanisme du procédé diffèrent considérablement des deux premiers. Il repose principalement sur l'élimination des particules par onde de choc, et vise principalement leur élimination (à l'échelle submicronique ou nanométrique). Les exigences du procédé sont très strictes : il faut garantir l'ionisation de l'air et maintenir une distance adéquate entre le laser et le substrat afin d'assurer une force d'impact suffisante sur les particules.
Le schéma du procédé de nettoyage par ondes de choc laser est présenté ci-dessous. Le laser est dirigé parallèlement à la surface du substrat, sans contact direct avec celui-ci. En déplaçant la pièce ou la tête laser, on ajuste la focalisation du laser sur la particule proche de la sortie du faisceau. L'ionisation de l'air au point focal génère des ondes de choc qui se propagent rapidement et prennent une forme sphérique, jusqu'à entrer en contact avec les particules. Lorsque le moment de la composante transversale de l'onde de choc sur la particule est supérieur à celui de la composante longitudinale et à la force d'adhérence de la particule, celle-ci est détachée par roulement.
technologie de nettoyage laser
Le mécanisme de nettoyage laser repose principalement sur le fait que, après absorption de l'énergie laser par la surface de l'objet, celle-ci subit une vaporisation et une volatilisation, ou une expansion thermique instantanée pour surmonter l'adsorption des particules sur la surface, de sorte que l'objet se détache de la surface, et que le nettoyage soit ainsi réalisé.
En résumé : 1. décomposition de la vapeur par laser, 2. décapage laser, 3. dilatation thermique des particules de saleté, 4. vibration de la surface du substrat et vibration des particules (quatre aspects).
Comparée au procédé de nettoyage traditionnel, la technologie de nettoyage laser présente les caractéristiques suivantes.
1. Il s'agit d'un nettoyage « à sec », sans solution de nettoyage ni autres solutions chimiques, et le niveau de propreté est bien supérieur à celui des procédés de nettoyage chimiques.
2. Le champ d'application du nettoyage et la gamme de supports applicables sont très larges, et
3. Grâce à la régulation des paramètres du processus laser, il est possible de ne pas endommager la surface du substrat tout en éliminant efficacement les contaminants, la surface étant comme neuve.
4. Le nettoyage laser peut être facilement automatisé.
5. Les équipements de décontamination laser peuvent être utilisés pendant longtemps et leurs coûts d'exploitation sont faibles.
6. La technologie de nettoyage laser est un procédé de nettoyage écologique qui élimine les déchets sous forme de poudre solide, de petite taille, facile à stocker et qui ne pollue pratiquement pas l'environnement.
Dans les années 1980, le développement rapide de l'industrie des semi-conducteurs a imposé des exigences plus élevées aux technologies de nettoyage des particules contaminantes présentes à la surface des masques de plaquettes de silicium. L'enjeu principal était de surmonter la forte force d'adsorption des microparticules contaminantes sur le substrat. Les méthodes traditionnelles de nettoyage chimique, mécanique et ultrasonique ne répondaient pas à cette exigence, tandis que le nettoyage laser permettait de résoudre ces problèmes de pollution. Les recherches et applications connexes se sont rapidement développées.
En 1987, une première demande de brevet relative au nettoyage laser est déposée. Dans les années 1990, Zapka applique avec succès cette technologie au processus de fabrication des semi-conducteurs pour éliminer les microparticules de la surface des masques, réalisant ainsi la première application industrielle du nettoyage laser. En 1995, des chercheurs utilisent un laser TEA-CO2 de 2 kW pour décaper avec succès la peinture du fuselage d'un avion.
Avec l'avènement du XXIe siècle et le développement rapide des lasers à impulsions ultracourtes, la recherche et l'application de la technologie de nettoyage laser se sont progressivement intensifiées, tant au niveau national qu'international. L'accent a été mis sur le traitement des surfaces métalliques. À l'étranger, on peut citer comme applications typiques le décapage de la peinture des fuselages d'avions, le dégraissage des moules, l'élimination des dépôts de carbone à l'intérieur des moteurs et le nettoyage des joints avant soudage. Aux États-Unis, l'Edison Welding Institute a procédé au nettoyage laser d'un avion de combat FG16 avec une puissance laser de 1 kW, atteignant un volume de nettoyage de 2,36 cm³ par minute.
Il convient de mentionner que la recherche et l'application du décapage laser de la peinture sur des pièces composites de pointe constituent un axe de recherche majeur. Les pales d'hélices des hélicoptères HG53 et HG56 de l'US Navy, ainsi que l'empennage plat du chasseur F16 et d'autres surfaces composites, ont déjà bénéficié d'applications de décapage laser. En Chine, en revanche, l'utilisation des matériaux composites dans l'aéronautique est plus tardive, et ce domaine de recherche reste donc largement inexploré.
Par ailleurs, l'utilisation du nettoyage laser pour le traitement de surface des composites CFRP avant collage, afin d'améliorer la résistance de l'assemblage, constitue un axe de recherche actuel. Une entreprise spécialisée dans les lasers a fourni à l'Audi TT, sur sa chaîne de production, un équipement de nettoyage laser à fibre optique pour éliminer la couche d'oxyde présente sur les cadres de porte en alliage d'aluminium léger. Rolls-Royce UK a également eu recours au nettoyage laser pour éliminer la couche d'oxyde sur les composants en titane de ses moteurs d'avion.
La technologie de nettoyage laser a connu un développement rapide ces deux dernières années. Qu'il s'agisse des paramètres et du mécanisme du procédé, de la recherche sur les objets à nettoyer ou de ses applications, des progrès considérables ont été réalisés. Après de nombreuses études théoriques, la recherche sur le nettoyage laser s'oriente de plus en plus vers la recherche appliquée, avec des résultats prometteurs. À l'avenir, cette technologie sera largement utilisée pour la protection du patrimoine culturel et des œuvres d'art, et son marché est très vaste. Avec le développement scientifique et technologique, l'application du nettoyage laser dans l'industrie devient une réalité et son champ d'application ne cesse de s'étendre.
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Date de publication : 14 novembre 2022
