复合材料制造中的激光清洗技术

激光清洗系统正日益广泛应用于复合材料部件制造商的生产模具清洗环节，在提升效率、降低成本的同时，显著改善了企业环保绩效与员工工作环境。

复合材料成型模具尺寸与几何结构差异显著，材质涵盖钢、铝及因瓦合金等。传统清洗通常采用人工打磨、介质喷砂或化学溶剂等方式，但这些技术存在固有缺陷：例如打磨会产生粉尘与挥发性物质，危害员工健康，同时可能导致模具表面损伤、过早磨损及残留物堆积；而喷砂或化学清洗均属于强侵蚀性工艺，长期使用易造成模具损伤与形变风险。

激光清洗技术提供了一种替代方案，它利用高能激光脉冲以高精度去除树脂、生产残留物、脱模剂、氧化物、油污及其他杂质。该技术能确保基材不受损伤，从而显著延长模具的使用寿命。

英国多切斯特、布里斯托尔和谢菲尔德的Loop Technology公司作为专业集成商，将激光清洗与机器人及龙门系统结合应用，指出市场上已存在多种满足工业清洗需求的成熟解决方案。例如，自动化激光清洗系统可处理具有复杂表面轮廓的大型结构件，在某些应用场景下清洁速率可达22m2/h。此外，激光清洗还可用于碳纤维增强聚合物（CFRP）板材的粘接前表面处理，以及为无损检测进行各类零件表面预处理。

激光清洗技术基本原理

激光清洗通过烧蚀作用去除目标表面的材料。系统向待处理材料发射纳秒级激光脉冲，通过精确调控波长、脉冲持续时间及能量强度等参数，使杂质或残留物在基底不受损伤的前提下发生升华剥离。该过程融合了热烧蚀、光解降解与冲击波效应。由于不同材料对激光能量的吸收特性存在差异，操作时需根据模具材质调整激光参数。

激光清洗系统主要呈现两种工作模式：脉冲式激光清洗器以短促、间断的爆发式脉冲释放能量，每个脉冲具有特定持续时间且间隔停歇期，适用于需要保护基材的精密清洗或冲击式清洗任务，如去除基板上的薄膜与残留物；连续波激光则输出稳定不间断的光束，适用于重型清洗作业，例如清除金属工具表面的锈迹、油漆及其他涂层。

历经数十年发展，激光器已衍生出多种类型，包括红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体激光器、二氧化碳气体激光器以及固态光纤激光器等。其中光纤激光器因其卓越性能，在制造业中已获得广泛应用。

激光清洗技术的发展历程

激光技术本身可追溯至1960年，当时西奥多·H·梅曼在美国休斯研究实验室成功演示了世界上首台红宝石激光器，这项成就建立在数十年理论基础之上，包括阿尔伯特·爱因斯坦1917年提出的受激发射理论。

另一重要里程碑出现在1972年，约翰·阿斯穆斯在用脉冲红宝石激光分析雕像表面时，意外发现其具备清洁应用的潜力。在早期发展阶段，脉冲红宝石激光器是最常见的清洁工具，但主要局限于研究场景。

随着领域进步，其他类型激光器相继问世。例如钕掺杂钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器，其典型输出波长为1064纳米。其中调Q Nd:YAG激光器采用特殊技术调制激光腔储能与释能能力，可向表面定向发射短促高能脉冲，如今广泛应用于精密小型模具清洗或电路板残留物去除。气体激光器于20世纪90年代接踵而至，以二氧化碳激光器为例，其通过混合二氧化碳、氮气和氦气产生强聚焦红外光束，可有效清除油漆、油污和锈蚀。然而后续出现的更适用于去污处理的技术逐渐取代了这类气体激光器。

近年来最具代表性的技术突破是固态光纤激光器的应用。这类激光器采用掺镱、铒或钕等稀土元素的柔性细光纤作为增益介质，因其能效较高、功能多样、结构紧凑且寿命持久等优势，已成为复合材料制造领域清洗作业的主流选择。连续光纤激光器常被用于大规模作业场景，例如清除大型船舶结构的油漆与涂层（为检测或翻新做准备），以及清理制造工厂中的大型模具与机械设备。而脉冲光纤激光器则凭借其精准的材料去除能力，不仅适用于检测与无损检测前处理，还能实现精细温和的清洁作业。

应对多样化模具清洁需求的技术体系

激光清洗技术凭借对金属、塑料及复合材料的高精度清洁能力，已在工业制造领域获得广泛应用。与此同时，市场对高功率激光清洗系统的需求日益增长，环保型非破坏性清洁方法的普及以及混合加工技术的兴起，共同推动了自动化解决方案的创新发展。Loop Technology公司正是在这一技术演进过程中持续贡献着专业力量。

“依托在复合材料、自动化及激光清洗领域的深厚积淀，环路技术正根据行业需求与技术演变，持续优化其激光清洗设备及系统服务体系。”公司市场执行总监Tom Turner指出。

以FibreLINE系统为例，其可集成激光清洗模块。这套系统是高速率、自动化的端到端复合材料预制解决方案，通过配备多种末端执行器，能对长达20米的大型干碳纤维铺层及其他复合材料实现切割、分拣、拾取、成型、铺放、压实及检测全流程作业。该系统还可配置自动化激光清洗功能，用于复合材料部件脱模后的模具去污处理，为整个工艺流程再添效率优势。

激光清洗用于复合材料制造的因瓦合金航空航天模具

另一典型案例是CleanLASER系列设备，该产品线涵盖多种型号——从低功率（12-100W）到适用于大尺寸厚材料处理的高功率CL 1000及CL 2000机型。无论是小型模具还是大型模具的清洁，CleanLASER系列都能满足多样化应用需求，并配备可清除废屑残渣的抽吸系统。例如其300W、500W及1000W机型均能实现轮胎模具的高速清洁，通常可在30分钟内完成作业。该系列设备提供的精准操控性能，使用户能够安全清洁微型弹簧排气孔，并确保碎屑不会堵塞模具气孔——这一难题在喷砂处理及其他人工清洁方法中时常出现。

LoopCLEAN全自动系统通过RealPATH软件实现汽车刹车盘的激光清洗，无需进行离线编程
 

自动化激光清洗单元涵盖LoopCLEAN产品线，该系列提供三级自动化配置。标准型号需操作员通过示教器编程控制机器人运动轨迹；专业型号则实现更高精度与自动化水平——待清洁模具的CAD模型导入系统Robotmaster离线编程软件后，可对机器人路径进行模拟优化，再上传执行激光清洗作业。

此前，公司的某个客户在电缆制造行业应用LoopCLEAN专业版清洁注塑模具，其清洁效果显著优于传统化学剂与磨料处理方式，不仅延长了模具寿命，更带来环保效益及健康安全保障。该集成系统搭载德国库卡Agilus机器人、CleanLASER CL 150激光器，配备LoopCLEAN用户界面与远程运维模块。LoopCLEAN系统可兼容更高功率的CleanLASER设备，并采用四级激光安全防护外壳。

据Loop Technology公司介绍，LoopCLEAN全自动型号实现了最高级别的自动化功能。通过RealPATH软件，系统对需清洁的部件或模具进行三维成像，自动生成激光清洗设备的机器人运动轨迹。该软件能规避潜在的运动奇点、碰撞风险及超程问题，无需依赖传统的离线编程流程。最终形成的高效清洗工艺大幅减少了人工干预环节，特别适用于多品种零部件交替作业且缺乏现有CAD数据的行业领域。这种自动生成的机器人激光清洗方案既能最大限度减少设备停机时间，又可避免成本高昂的逆向工程环节。

综上所述，激光清洗作为一项动态快速发展的技术，正被全球制造商日益广泛应用。其优势与应用范围持续扩展，在清洁工具与部件时展现出卓越的精度与效率。尤其在复合材料制造领域，激光清洗能高效去除环氧树脂、聚酯、乙烯基酯树脂以及脱模剂等污染物，同时保护模具基底结构不受损伤。这意味着模具可重复使用多次，生产周期亦能实现更高效率。

作者：Gary Ottley（Loop Technology业务拓展经理）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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