CHLB ĐỨC – Bảo vệ khí hậu là một chủ đề quan trọng đối với ngành công nghiệp hiện đại và tính bền vững luôn là một phần không thể thiếu của ngành công nghiệp laser. Máy móc được thiết kế có độ bền và khả năng tương thích ngược trong nhiều năm, đồng thời nhà sản xuất cung cấp các bộ phận thay thế trong giai đoạn này. Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, hệ thống laser đã có những đóng góp quan trọng trong việc bảo vệ khí hậu.
Laser trong ngành công nghiệp ô tô Vai trò chính của tia laser được thể hiện qua các ví dụ sau từ ngành công nghiệp ô tô: – Trong quy trình sản xuất thân xe, laser xung ngắn thay thế các ứng dụng hóa học vốn gây hại cho môi trường. – Diode laser (1) được dùng để sấy khô vật liệu trong pin xe điện, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và năng lượng so với các lò nung công nghiệp thông thường. – Quy trình xử lý bằng laser làm giảm đáng kể sự mài mòn của đĩa phanh, do đó lượng bụi thải ra nhỏ hơn. (1) Diode laser: một loại laser có cấu tạo tương tự như một diode. Nó có môi trường kích thích là chất bán dẫn dạng p-n nối tiếp của diode. Diode laser hoạt động gần giống với iốt phát quang.
Các nhà sản xuất ô tô và pin đang phải đối mặt với những thách thức lớn. Sản xuất không chỉ phải xanh mà còn phải giảm chi phí – đồng thời đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng. Laser cho phép ngành công nghiệp ô tô vượt qua những thách thức này.
Quy trình làm sạch ngày nay trong ngành công nghiệp ô tô thường sử dụng hóa chất. Điều này là không cần thiết. Ví dụ, các nhà sản xuất ô tô chỉ cần làm sạch một số khu vực nhất định trên bộ phận dùng keo lạnh.
Làm sạch bằng laser xung ngắn.
Laser xung ngắn được ứng dụng trong quy trình làm sạch. Kết quả là ngành công nghiệp ô tô tiết kiệm nước và chất tẩy rửa hóa học cho các phương pháp làm sạch thông thường. Ngoài ra, các nhà sản xuất ô tô phải chuẩn bị các bề mặt để liên kết lâu dài, ví dụ bằng cách kết hợp các cấu trúc vi mô đặc biệt.
Laser xung ngắn tạo cấu trúc laser bề mặt để chuẩn bị liên kết.
Laser xung ngắn cung cấp một giải pháp thay thế cho việc điêu khắc bằng hóa chất. Ngành công nghiệp laser này được mong đợi rằng, trong vài năm tới sẽ có sự tăng trưởng mạnh về số lượng đơn đặt hàng cho việc xử lý bề mặt bằng laser.
Tia laser đã chứng tỏ tính hữu dụng trong nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xe điện – Electromobility. Một ứng dụng nữa đầy hứa hẹn có liên quan đến việc làm khô màng pin cho xe điện. Ở đây, diode laser có thể truyền nhiệt trực tiếp một cách đồng đều trên toàn bộ chiều dài của màng pin. Đồng thời, diode laser tiêu thụ ít năng lượng hơn và chiếm ít không gian hơn trên dây chuyền sản xuất so với lò nung tiêu chuẩn. Do đó, nhu cầu về hệ thống laser được thúc đẩy thêm nhờ các phương tiện xe điện.
Quá trình phủ đĩa phanh bằng tia laser.
Vào năm 2025, tiêu chuẩn khí thải Euro 7 sẽ có hiệu lực, báo trước những thay đổi mạnh mẽ trong ngành công nghiệp ô tô: Lần đầu tiên, sẽ có quy định ảnh hưởng không chỉ đến lượng khí thải từ động cơ IC (2) mà còn ảnh hưởng đến các hạt phanh – và lượng khí thải bụi mịn phải giảm mạnh trên nhiều mẫu xe. Để đáp lại, các nhà sản xuất thiết bị gốc – OEM(3) và nhà cung cấp phụ tùng đang tìm kiếm một giải pháp mới cho hệ thống phanh, với các phương pháp hiện tại thì đĩa phanh tráng phủ là giải pháp lý tưởng. (2) Động cơ IC (Integrated-Circuit): là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đánh lửa và đốt cháy nhiên liệu xảy ra bên trong chính động cơ. (3) OEM (Original Equipment Manufacturer): là nhà sản xuất thiết bị gốc, chuyên sản xuất các thành phần cho sản phẩm của một công ty khác.
Để áp dụng các hệ thống phủ khác nhau theo quy trình an toàn và hiệu quả trong sản xuất quy mô lớn, lắng đọng kim loại bằng laser là giải pháp lý tưởng cho lớp phủ đĩa phanh.
Từ năm 2025, tiêu chuẩn khí thải cho tất cả các phương tiện mới là 7 miligam bụi mịn trên mỗi km, vậy mà trong hiện tại một chiếc ô tô du lịch lại thải ra từ 5 đến 40 miligam bụi mịn, tùy loại xe. Đây là một thách thức lớn đối với các nhà sản xuất, đặc biệt vì phanh là bộ phận an toàn quan trọng có thiết kế rất phức tạp đến từng chi tiết. Do đó, đĩa phanh được phủ sơn mang đến một giải pháp: đĩa phanh cần có một lớp phủ mới, để giúp bảo vệ chống ăn mòn, mài mòn và bụi mịn.
Phương pháp lắng đọng kim loại bằng laser trên đĩa phanh là lý tưởng cho vấn đề này và là một giải pháp sản xuất tiết kiệm chi phí, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn, đáng tin cậy và linh hoạt, vì nó có thể được áp dụng cho rất nhiều sự kết hợp giữa vật liệu phủ và vật liệu tráng.
Trong máy laser, một ống dẫn bột phủ đưa bột kết hợp với bề mặt của đĩa ở nhiệt độ hàn. Tại đây, tốc độ xử lý là 5 m2 mỗi giờ và độ dày lớp phủ tối đa là 0,01 mm.
Diode laser và ứng dụng của nó So với tất cả các nguồn chùm tia laser khác, diode laser có hiệu quả nhất trong việc chuyển đổi điện thành ánh sáng laser. Diode laser biến đổi dòng điện trực tiếp thành photon, tức là ánh sáng. Ngược lại, tất cả các nguồn chùm tia khác đều yêu cầu môi trường hoạt động bổ sung, chẳng hạn như đĩa hoặc sợi quang cho đĩa hoặc laser sợi quang tương ứng. Môi trường bổ sung này tác động đến hiệu suất điện, có thể giảm tới 30% so với hiệu suất của diode laser. Diode laser ngày nay, đặc biệt là các nguồn chùm tia diode laser trực tiếp, có hiệu suất điện cao tới 55% và do đó độc lập trong việc chuyển đổi điện thành ánh sáng.
Tuy nhiên, chất lượng chùm tia của chúng không làm cho diode laser phù hợp với mọi ứng dụng. Diode laser trực tiếp kết hợp các chất bán dẫn, có thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc – MTTF (mean time to failure) (4) rất cao trong nhiều ứng dụng, lên tới vài trăm nghìn giờ. Do đó, diode laser thường được sử dụng, ví dụ như trong ngành công nghiệp ôtô, với tuổi thọ sử dụng lên tới 14 năm. (5) MTTF: Thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc là thời gian trôi qua được dự đoán giữa các lần hỏng hóc vốn có của hệ thống cơ khí hoặc điện tử trong quá trình vận hành bình thường của hệ thống .
Diode laser không phù hợp với tất cả các ứng dụng, nhưng những ứng dụng mà nó phù hợp có thể hưởng lợi rất nhiều từ tính bền vững của nó.
Khi phủ, diode laser hoạt động như một nguồn nhiệt tuyệt vời, có thể tập trung, làm nóng chảy bề mặt của chất nền và vật liệu phủ, được cung cấp dưới dạng bột hoặc sợi, chỉ trong một thao tác. Những lớp phủ này có thể bảo vệ bề mặt tiếp xúc của các bộ phận khỏi bị mài mòn và ăn mòn, đồng thời kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng rất nhiều. Một ví dụ từ lĩnh vực sơn phủ là việc sửa chữa các bộ phận như con lăn, bánh răng, dụng cụ, v.v. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng và tiết kiệm chi phí; các vết nứt và lớp bảo vệ bị hư hỏng có thể được hàn lại hoặc sửa chữa; những phần bị gãy có thể được lắp ráp lại; và cuối cùng thành phần kim loại đã được khôi phục lại đầy đủ chức năng của nó.
Lớp phủ sửa chữa được áp dụng bằng diode laser chỉ yêu cầu đầu vào nhiệt vừa phải, có bề mặt không lỗ rỗng và tạo điều kiện cho việc sửa chữa dễ dàng và nhanh chóng ngay cả trên các bộ phận chạm khắc. Laser xanh phù hợp cho việc hàn và sản xuất bồi đắp bằng đồng và các hợp kim của nó. Một thách thức lớn đối với việc sử dụng laser hồng ngoại (IR – infrared) do sự hấp thụ năng lượng thấp của các kim loại có độ phản chiếu cao như đồng và vàng khi tiếp xúc với phạm vi bước sóng 1 µm. Cường độ ban đầu cao làm cho kim loại nóng chảy mạnh và bắn tung tóe. Nhiều giải pháp đã được ra để khắc phục những vấn đề gặp phải với laser hồng ngoại, dẫn đến việc tạo ra chùm tia phức tạp, nhiều trong số đó dựa trên máy quét. Hợp kim đồng hấp thụ ánh sáng xanh tốt hơn mười lần, do đó, diode laser xanh mang lại kết quả xuất sắc, dễ dàng và đáng tin cậy, với mức tiêu thụ năng lượng ít hơn nhiều so với các phương pháp khác.
Xử lý bằng diode laser xanh.
Trong sản xuất chồng lớp, diode laser xanh có thể mang lại tốc độ lắng đọng IR cao hơn năm lần với cùng công suất laser, đồng thời đạt được hiệu suất bột lớn hơn 80% – một hiệu suất tuyệt vời trên các linh kiện bằng đồng. Ví dụ này minh họa cách lựa chọn đúng nguồn chùm tia có thể nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm thiểu việc sử dụng tài nguyên để góp phần đáng kể vào việc bảo vệ chúng.
Làm cứng bằng diode laser Hầu hết các quy trình làm cứng áp dụng cho các bộ phận bằng thép thuộc một trong hai loại: làm cứng cảm ứng (*) và làm cứng bằng laser. Các công nghệ dựa trên diode laser mang lại nhiều kết quả thuyết phục và mức tiêu thụ năng lượng. Làm cứng cảm ứng thường làm nóng các khu vực trên bề mặt của bộ phận không cần phải làm nóng. Ngoài ra, các bộ phận được làm nóng phải được sử dụng vòi sen hoặc bồn tắm làm mát, việc này cũng cần năng lượng. Và cần gia công cơ khí thêm để khôi phục lại hình dạng ban đầu. (*) Làm cứng cảm ứng: Là một quá trình gia nhiệt sau đó làm nguội nhanh để tăng độ cứng và độ bền cơ học của thép.
Kết hợp với hệ thống quang học có thể lấy nét chính xác, chùm tia laser tự ứng dụng phương pháp xử lý nhiệt có chọn lọc chỉ đối với những vùng bề mặt của bộ phận có liên quan đến quá trình đông cứng. Và đặc tính tự làm nguội có thể giúp cắt giảm chi phí năng lượng bổ sung cần thiết cho các biện pháp làm mát. Và nhờ lượng nhiệt đầu vào có tính cục bộ cao và thấp, việc xử lý sau một cách cơ học thường trở nên không cần thiết. Trong một số trường hợp, phương pháp laser có thể tiết kiệm 90% năng lượng cần thiết cho quá trình cảm ứng.
Sử dụng laser cho lĩnh vực đóng gói Laser có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau, không chỉ trong gia công kim loại mà còn trong sản xuất bao bì. Rất nhiều hộp được làm từ vật liệu gọi là bìa cứng carton gợn sóng. Đó là một vật liệu tốt vì nhiều lý do. Trước hết, nó có thể tái chế. Nó cũng có thể tái tạo được. Nó được làm từ bột gỗ có thể được trồng và thu hoạch bền vững – và không có nguồn gốc từ hóa dầu. Carton gợn sóng cũng có khả năng phân hủy sinh học. Ngoài ra, nó còn nhẹ – giúp giảm thiểu lượng nhiên liệu vận chuyển.
Để làm những chiếc hộp này, họ dùng những tấm bìa cứng gợn sóng lớn, phẳng. Các tấm giấy được cắt ra và gấp lại để tạo thành chiếc hộp hoàn thiện. Việc cắt thường được thực hiện bằng khuôn cơ học – về cơ bản là một miếng gỗ có gắn nhiều miếng kim loại sắc nhọn để cắt theo mẫu mong muốn. Việc cắt khuôn có tác dụng tốt nhưng chỉ tiết kiệm chi phí khi bạn làm một số lượng khá lớn các hộp giống hệt nhau. Và điều này có nghĩa là những công ty chỉ cần số lượng nhỏ sẽ khó tiếp cận những lợi ích xanh của hộp carton gợn sóng. Hoặc thậm chí với các công ty lớn hơn, những người đôi khi muốn sản xuất một số mặt hàng đặc biệt từ bìa cứng gợn sóng – như quầy trưng bày tại điểm mua hàng. Tất nhiên, ai đó cần số lượng hộp vận chuyển nhỏ có thể chỉ cần mua hộp kích thước tiêu chuẩn sẵn có. Nhưng trừ khi họ gặp may mắn và chiếc hộp tiêu chuẩn đó có kích thước chính xác phù hợp với họ, nếu không sẽ là sự lãng phí. Bởi vì nếu chiếc hộp quá lớn, họ sẽ phải lấp đầy khoảng trống bằng màng bọc bong bóng hoặc thứ gì khác. Điều đó thật lãng phí. Và việc sử dụng một hộp lớn hơn mức cần thiết có nghĩa là có thể chứa ít hộp hơn trong một khu vực nhất định. Điều đó dẫn đến lãng phí nhiên liệu, vì cần nhiều phương tiện hơn để phân phối một số lượng sản phẩm nhất định.
Laser có thể thay đổi toàn bộ quá trình này. Cụ thể, máy cắt kỹ thuật số bằng tia laser có thể thay thế công nghệ cắt khuôn và thực hiện sản xuất ngắn hạn các hộp có kích thước tùy chỉnh, bao bì sản phẩm hoặc các mặt hàng đặc biệt khác một cách tiết kiệm và thiết thực. Giống như trong nhiều ứng dụng xử lý vật liệu dựa trên laser khác, mẫu cắt được cung cấp kỹ thuật số cho các máy này, cho phép máy cắt bất kỳ mẫu nào cần thiết mà không cần dụng cụ vật lý hoặc mất nhiều thời gian thiết lập. Chất liệu bìa cứng gợn sóng thường dày khoảng 3 mm. Và nó phải được cắt nhanh chóng. Laser CO2 (*) thực sự là giải pháp duy nhất có thể đáp ứng được yêu cầu chuyển đổi số cho bìa carton gợn sóng. Điều này là do nó tạo ra ánh sáng hồng ngoại trung bình, được bìa cứng hấp thụ tốt hơn nhiều so với các bước sóng ngắn hơn. Điều này làm cho việc cắt rất hiệu quả và cho phép cắt các chi tiết dày hơn. Công suất laser quyết định phần lớn công suất tối đa của công cụ chuyển đổi kỹ thuật số. Ngoài ra, kiểu chuyển đổi kỹ thuật số này cũng yêu cầu công suất tương đối cao – như ở phạm vi kilowatt hoặc nhiều kilowatt. Laser CO2 tấm công suất cao có chất lượng chùm tia tuyệt vời và độ ổn định hướng cho phép các bộ chuyển đổi tạo ra bao bì được tối ưu hóa theo yêu cầu của khách hàng. Họ cũng có thể dễ dàng tùy chỉnh hoặc cá nhân hóa sản phẩm bằng cách thêm các tính năng như logo hoặc các hình cắt chuyên dụng. Trên thực tế, cắt laser mang lại khả năng tạo ra các tính năng chi tiết cao hơn so với cắt khuôn cơ học. Điều này làm cho bao bì trở nên hấp dẫn hơn đối với khách hàng, vì giờ đây họ có thể sử dụng nó cho mục đích xây dựng thương hiệu. (*) Laser CO2: Laser carbon dioxide là hệ thống laser tạo ra các chùm ánh sáng cực mạnh bằng khí carbon dioxide với điện.
Các ứng dụng khác Cắt kính bằng laser đã thay thế phương pháp cơ học trong nhiều ngành công nghiệp. Nó thường tạo ra một bề mặt hoàn thiện mịn mà không cần xử lý thêm. Điều này giúp loại bỏ quá trình mài cơ học hoặc các bước xử lý sau sử dụng năng lượng và tạo ra các mảnh vụn cần phải xử lý.
Đánh dấu bằng laser đã thay thế việc in mực hoặc khắc hóa chất trong nhiều ứng dụng. Tia laser giúp giảm vật tư và loại bỏ nhu cầu xử lý hóa chất.
Tia laser đôi khi được sử dụng để loại bỏ lớp sơn hoặc lớp phủ khác khỏi bề mặt. Điều này có thể thay thế việc sử dụng các dung môi hóa học nguy hiểm.
Các ví dụ ứng dụng cho thấy tia laser ngày nay đã đóng góp quan trọng như thế nào vào việc bảo vệ khí hậu. Một mặt, laser là công cụ mang lại hiệu quả cao nhất, đồng thời, công nghệ laser mở ra nhiều ứng dụng khác nhau để sản xuất bền vững. Vì vậy, chúng tôi mời bạn tìm hiểu thêm về điều này tại EMO Hannover. Hơn 90 nhà sản xuất laser sẽ trưng bày sản phẩm và giải pháp của họ ở đó.
Để xem các tin bài khác về “Laser công nghiệp”, hãy nhấn vào đây.
(Nguồn: EMO-Hannover)
