摘要：复合材料成型工具有各种尺寸和几何形状，由各种材料制成，包括钢、铝和殷钢。传统上，模具是使用手动研磨方法、介质喷砂或化学物质进行清洁的，但这些技术也带来了自身的挑战。例如，研磨清洁可能会产生灰尘和挥发物，对员工健康产生负面影响。它还可能导致模具表面退化、过早磨损
用于清洁复合材料生产模具的激光清洁技术提供了更苛刻、更不友好的方法的替代方案，具有自动化和更高功率清洁等特点。
用于复合材料制造的龙门式激光清洗系统。来源（所有图像）|循环技术
复合材料零件制造商越来越多地使用激光清洁系统来清洁生产模具，提高了效率，降低了成本，同时也改善了这些公司的环境影响和工人条件。
复合材料成型工具有各种尺寸和几何形状，由各种材料制成，包括钢、铝和殷钢。传统上，模具是使用手动研磨方法、介质喷砂或化学物质进行清洁的，但这些技术也带来了自身的挑战。例如，研磨清洁可能会产生灰尘和挥发物，对员工健康产生负面影响。它还可能导致模具表面退化、过早磨损和残留物积聚的可能性。同时，介质爆破或使用化学物质都是苛刻而激进的程序，随着时间的推移，有可能损坏模具并改变其形状。
激光清洗提供了一种替代方案，该方案使用高能光脉冲以高精度去除树脂、生产残留物、脱模剂、氧化物、油和其他不需要的物质。该技术可确保底层基材不受损坏，从而显著延长模具的生命周期。Loop Technology（英国的多切斯特、布里斯托尔和谢菲尔德）是一家将激光清洁与机器人和龙门系统集成在一起的专家，指出市场上已经有多种解决方案可以满足行业清洁需求。例如，对于某些应用，自动激光清洁系统可以以高达22平方米/小时的速度净化具有复杂表面轮廓的非常大的结构。激光清洗也可用于制备碳纤维增强聚合物（CFRP）面板以进行粘合，或用于无损检测的各种零件表面。
01激光清洗基础
激光清洗复合材料制造中使用的由殷钢制成的航空航天模具工具。
激光清洗使用烧蚀从指定表面去除材料。纳秒长的激光脉冲指向目标材料。通过精确控制激光参数，如波长、脉冲持续时间和能量强度，不需要的材料或残留物被升华和去除，而不会损坏底层结构。该过程结合了热烧蚀、光解降解和冲击波。由于不同材料对激光能量的吸收程度不同，因此根据模具材料调整激光参数。
激光清洗系统有两种不同的操作模式。脉冲激光清洁器以短而明显的脉冲或脉冲发射激光能量。每个脉冲都有一个特定的持续时间，并由不发射的时段隔开。这非常适合基于精度或冲击的清洁任务，如从需要保存的基材上去除薄膜和残留物。或者，连续波激光器发出稳定、不间断的光束，非常适合重型清洁任务，如去除金属工具上的铁锈、油漆和其他涂层。
几十年来，许多不同类型的激光器已经发展起来，包括基于红宝石和掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体的设计、CO2气体模型和基于光纤的固态激光器设计。后者在制造商中尤其受欢迎。
02激光清洗技术的发展
激光器本身的发明可以追溯到1960年，当时Theodore H.Maiman在美国休斯研究实验室展示了第一台可工作的红宝石激光器，该激光器建立在前几十年的工作基础上，包括1917年阿尔伯特·爱因斯坦( Albert Einstein)在受激发射方面的工作。另一个重要的里程碑发生在1972年，当时约翰·阿斯穆斯(John Asmus)正在试验脉冲红宝石激光来分析雕像表面，他发现了它作为清洁应用的额外潜力。脉冲红宝石激光器是这些早期用于清洁的最常见类型，主要是在研究环境中进行的。
随着该领域的发展，引入了其他类型的激光器，如Nd:YAG激光器，其产生的光通常波长为1064纳米。调Q ND:YAG激光器是一种独特的技术，可以调节激光腔储存和释放能量的能力，将短而高功率的能量脉冲引导到表面，目前用于清洁小型精密模具或清除电路板上的残留物。气体激光器在20世纪90年代紧随其后。例如， 二氧化碳激光器使用二氧化碳、氮气和氦气的混合物来产生一束强大的聚焦红外光，可以去除油漆、油脂和铁锈。然而，它们后来被证明更适合净化的技术所取代。
其中最新的是固态光纤激光器，它使用掺杂有镱、铒或钕等稀土元素的薄而柔韧的光纤。光纤激光器因其相对高效、通用性、紧凑性和长寿命而被认为是复合材料制造中清洁任务的热门选择。连续光纤激光器通常用于大型工作，如从大型海洋结构物上剥离油漆和涂层，为检查或翻新做准备，以及清洁制造厂的大型模具和机械。这些脉冲激光器是精确去除材料的理想选择，不仅适用于检查和无损检测准备，也适用于温和清洁。
03满足各种模具清洁需求的技术
激光清洗能够精确清洁金属、塑料和复合材料，这推动了其在工业制造中的广泛应用。 此外，对高功率激光清洗系统的需求不断增加，向环保和无损清洗方法以及混合加工技术的转变，也催生了更多的自动化解决方案。这就是Loop Technology为进一步发展做出贡献的地方。
Loop Technology的营销主管汤姆·特纳(Tom Turner)表示：“Loop Technology凭借其在复合材料、自动化和激光清洗方面的经验，根据行业需求和不断发展的技术，不断优化其激光清洗和系统服务范围。”。
一个例子是FibreLINE，它可以包括激光清洗。该系统是一种高速自动化的端到端复合材料预成型解决方案。它提供大型干燥碳纤维层和其他复合材料的切割、分类、拾取、成型、放置、固结和检查，长度可达20米，并通过一套末端执行器实现。它具有自动激光清洗功能，可在复合材料零件脱模后对模具进行去污，为工艺提高了另一个效率水平。
这种龙门式激光清洗系统非常适合净化大型结构
另一个例子是CleanLASER系列，它有几种型号—低功率单元（12-100瓦）到高功率CL 1000和CL 2000型号，用于处理大面积和较厚的材料。无论是小型还是大型模具清洁，CleanLASER系列都适用于许多应用，并且还有用于去除废物和碎屑的提取系统。例如，300、500和1000瓦的装置都可以高速清洁轮胎模具，通常在30分钟内。它们提供的精度使用户能够安全地清洁微弹簧通风口，并确保碎屑不会进入模具通风口，这是介质喷砂和其他手动清洁方法可能遇到的挑战。
自动激光清洗单元包括三级自动化的LoopCLEAN产品线。在标准模型中，操作员对机器人进行编程，并通过悬架控制其运动范围。Pro型号提供了更高的精度和自动化水平。将待清洗模具的CAD模型导入系统的Robotmaster离线编程软件，并在上传进行激光清洗操作之前模拟和优化机器人路径。LoopCLEAN Pro最近被Loop Technology的一位客户用于清洁电缆制造行业的注塑模具。它为所使用的传统化学品和磨料提供了高水平的清洁，并延长了其模具的生命周期，带来了环境、健康和安全效益。该系统使用KUKA（德国奥格斯堡）Agilus机器人、CleanLASER CL 150，并配有LoopCLEAN用户界面和用于服务和支持的远程连接模块。LoopCLEAN系统可以与更强大的CleanLASER单元集成，并采用4级激光防护。
LoopCLEAN Auto使用RealPATH软件清洁汽车制动盘，无需离线编程
根据Loop Technology的说法，LoopCLEAN Auto提供了最高水平的自动化。使用RealPATH软件，系统对用户想要清洁的零件或模具工具进行3D成像，并自动生成机器人路径供激光清洁器遵循。该软件消除了潜在的奇异性、冲突和遥不可及的问题，并绕过了传统的离线编程需求。这最终提供了一个更快的清洁过程，操作员的参与要少得多。自动生成的机器人激光清洗非常适合有多个不同零件且没有现有CAD数据可供使用的行业。它最大限度地减少了机器人的停机时间，并消除了对昂贵的逆向工程的需求。
激光清洗是一种动态且快速增长的技术，越来越多地被世界各地的制造商使用。其优势和应用范围广泛，并在不断发展，在清洁工具和组件时能够实现高度的精度和效率。特别是在复合材料制造中，激光清洗可以有效地去除环氧树脂、聚酯、乙烯基酯树脂以及脱模剂和其他污染物，从而保护模具的底层结构，这意味着工具可以多次重复使用，生产周期可以变得更加高效。
04新的激光应用
激光是工业4.0的关键设备，研究人员正在继续学习如何在制造过程中更有效地使用它们，包括更快的速度。
例如，2018年，美国国家标准与技术研究院（NIST）制造了一种激光器，其脉冲速度比传统超快激光器快100倍（脉冲持续千万亿分之一秒）。此外，德国科学家正在试验将微型激光器直接集成到硅芯片中，以提高处理速度。
另一个研究领域是使用人工智能（AI）来创建智能激光器，以“理解”正在加工的材料以及加工过程何时完成。德国机械制造商通快正在开发一种激光系统，该系统使用人工智能来确定为汽车行业制造铜线圈的最佳焊接点。
随着越来越多的公司拥抱工业4.0，包括人工智能、传感器技术和增材制造，激光将在现代制造业中发挥越来越大的作用。
原文，1.《 Laser cleaning in composites manufacturing 》2025.5.7
2.《7 Top Applications of Lasers in Manufacturing》2023.1.13
杨超凡 2025.5.9
来源：小园科技园地