УСТРОЙСТВО ВЛАЖНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОЧИСТКИ ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Предлагаемое устройство влажной лазерной очистки твердых поверхностей относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано в полиграфии для удаления полимерных и органических загрязнений из ячеек и с поверхности растрированных (анилоксовых) валов печатных машин.
Известен метод и аппарат бесконтактного удаления засохшей краски с печатных цилиндров (Pat. №5592879 United States of America, МПК B41F 35/00, Waizmann; appl. 10.12.1993; publ. 14.01.1997). Устройство состоит из лазерного источника, системы зеркал для облучения в заданной плоскости, диафрагмы, объектива, системы подвижек для диафрагмы и зеркал. С помощью системы зеркал лазерное излучение направляется на диафрагму, где происходит модуляция излучения, далее через объектив фокусируется на поверхность печатного вала. В соответствии с указанным методом производят облучение печатных валов лазером, что влечет за собой быстрое тепловое расширение подложки или загрязняющих элементов, которое приводит к удалению частиц с твердой поверхности. Конструктивно устройство состоит из лазерного источника, источника подсветки, оптической системы и электро-механических систем контроля параметров излучения. К основным недостатком можно отнести большое количество отражающих и преломляющих поверхностей, создающих много рассеянного излучения и ухудшающих качество лазерного пучка. Данный метод очистки осуществляется без применения жидкости, что влечет за собой структурные изменения поверхности вала, которые снижают срок службы вала. Также при сухой лазерной очистке на очищенной поверхности образуются углубления, которые можно объяснить локальной лазерной абляцией подложки.
Известно устройство и метод для очистки анилоксовых валов печатных машин (Pat. №6354213 В1 United States of America, МПК В41С 1/05, Method and apparatus for cleaning a metering roll of a printing press / Jenkins; appl. 03.01.2000; publ. 12.03.2002.) Устройство содержит двигатель, вращающий вал вокруг его оси; направляющую, параллельную оси вала и передающую вращение от двигателя к валу; лазер, расположенный на плите, скользящей вдоль этой направляющей при помощи еще одного двигателя; на этой же плите расположен объектив, который фокусирует лазерный луч на поверхность и повышает температуру полимерных загрязнений до уровня их разрушения, вследствие чего происходит их отрыв от поверхности. Под фокусом понимается расстояние, определяемое как точка в пространстве, где пятно становится минимальным. Также в устройстве используется система, которая меняет расстояния между поверхностью вала и объективом. Также в устройстве используется жидкость, находящаяся под давлением, направляемая на ячейки, для удаления полимерных загрязнений, разрушенных лазерным пучком; причем температура жидкости ниже температуры полимерных загрязнений. Недостатком этого устройства является нагрев ячейки с полимерным загрязнением до температур от 204 до 537°С для термического удаления краски, высокая температура может повредить поверхность вала.
7
Наиболее близким к заявляемой полезной модели и принято в качестве прототипа устройство влажной лазерной очистки твердых поверхностей, реализующее способ влажной лазерной очистки твердых поверхностей (Патент РФ №2263567, МПК В23К 26/00, дата приоритета 27.01.2004, дата публикации 10.11.2005). Устройство содержит лазер, зеркало, отклоняющее пучок лазерного излучения, телескопическую систему, увеличивающую диаметр пучка в соответствии с требуемым размером, функциональный узел, модулирующий пучок излучения, на поверхности детали расположенной на координатном столе с шаговым двигателем. Перед облучением на очищаемую поверхность детали распыляется слой жидкости. Пучок излучения лазеpa направляется на зеркало. Отражаясь от него, он попадает в телескопическую систему, после нее попадает на функциональный узел, формирующий модулированное излучение, падает на очищаемую поверхность с нанесенным на нее слоем жидкости. Указанное устройство использует один луч для сканирования поверхности и не позволяет увеличить скорость очистки.
Технической задачей решаемой в заявляемой полезной модели является повышение скорости очистки и повышение ее качества.
Сущность заключается в том, что устройство влажной лазерной очистки твердых поверхностей состоит из двухкоординатного стола с приводом от шаговых двигателей, соединенных через согласующий блок с управляющим компьютером, системы вращения анилоксовых валов, включающей центрирующие патроны, электродвигатель постоянного тока, соединенный через управляющий блок с управляющим компьютером и оптической системы, расположенной на координатном столе, при этом оптическая система выполнена двухканальной и состоит из расположенных на одной оптической оси лазерного излучателя, светоделительного куба и пентапризмы, установленной на прецизионной механической каретке. В устройство введены увлажняющие блоки, каждый из которых состоит из двух форсунок, расположенных на координатном столе и направленных на поверхность анилоксового вала в зону воздействия лазерного излучения, соединенные трубопроводом с регулятором давления и насосом и блоки сбора удаляемых загрязнений, состоящие из воздуходувки и соединенного с ней транспортирующего воздухопровода, подведенного в зону очистки.
Используется двухкоординатный стол с приводом от шаговых двигателей подключенных через согласующий блок к управляющему компьютеру. Оптическая система с лазерным источником расположена на координатном столе. Система вращения анилоксовых валов двух типов - с цапфами и пустотелых, включающей в себя центрирующие патроны для установки анилоксовых валов, электродвигатель постоянного тока для вращения валов, а также блок управления электродвигателем постоянного тока, подключенный к управляющему компьютеру. Оптическая система предлагаемого устройства содержит два оптических канала и состоит из лазерного излучателя, формирующего выходной параллельный пучок, светоделительного куба, делящего выходной пучок на два равных потока и преломляющего один из лучей на поверхность анилоксового вала, прецизионной механической каретки, позволяющей менять расстояние между оптическими каналами, в зависимости от размера анилоксового вала, и расположенной на ней пентапризмы, отражающей второй поток лазерного излучения на поверхность анилоксового вала, двух объективов, фокусирующих лазерное излучение на поверхность анилоксового вала. Кроме того, предлагаемое устройство содержит увлажняющие блоки, состоящие из двух распыляющих жидкость форсунок, регулятора давления и насоса для поддержания заданного расхода жидкости, таким образом, данные блоки обеспечивает равномерный слой жидкости на поверхности анилоксового вала, что предотвращает возможность локального разрушения хрупкого покрытия растрированного вала и блоки сбора удаляемых загрязнений, предотвращая осаждение оторвавшейся краски на поверхности анилоксового вала, состоящие из всасывающего и транспортирующего воздухопроводов и воздуходувки, создающей воздушный поток для всасывания и переноса удаляемых загрязнений.
Достижение поставленной задачи обеспечивается реализацией термомеханического режима очистки, что обусловлено подбором параметров лазерного источника.
Для удаления краски необходимо нарушение ее адгезии к поверхности анилоксового вала, что вызывается смещением слоя загрязнителя, происходящим вследствие температурного расширения;
,
где k - коэффициент, учитывающий характер нагрева загрязнителя, hp - толщина слоя загрязнения (глубина ячейки анилокса), р - коэффициент линейного температурного расширения, Т - заданная температура.
Коэффициент k=0,5, так как слой загрязнителя нагревается равномерно по толщине. Значения теплофизических коэффициентов краски можно принять равными значениям физико-химическим константам канифоли, поскольку на дне ячеек засыхают связующее и пигмент красок.
Связующее представляет собой модификацию органических смол, поэтому:
P
-4
α=1,6·10°C
P
P
P
где c, λ, ρ, α - теплоемкость; теплопроводность, плотность, коэффициент линейного термического расширения канифоли соответственно. Температура кипения полиграфической краски составляет примерно 250°С, при этом известно, что за счет термомеханического эффекта отрыв загрязнителя происходит в твердой фазе. Поэтому можно считать заданную температуру Т не более 250°С.;
P
Подставляя Т, найдем смещение частицы по формуле: δ=0,2 мкм, (пределы интегрирования взяты от 0 до 10 мкм, что соответствует толщине удаляемого красочного слоя).
max
max
На основании заданной температуры (250°С) можно сделать оценку максимальной плотности мощности q. Для этого воспользуемся решением одномерного уравнения теплопроводности, выраженного через плотность мощности q:
,
Н
где Т - начальная температура.
Условие одномерности лазерной очистки анилоксовых валов хорошо выполняется для радиуса пятна 50 мкм и длительности импульса τ=100 нс:
,
П
2
где r - размер пятна лазера, мкм; а - температуропроводность, м/с; τ - длительность импульса, нс.
max
7
2
q=3,24·10 Вт/м.
Найденное значение плотности мощности легко обеспечивается современными технологическими лазерами. Сущность предлагаемой модели заключается в увеличении скорости очистки поверхности при одновременном уменьшении плотности мощности лазерного излучения. Указанная задача решается в данном устройстве за счет реализации термомеханического режим очистки, а также оптической системы, позволяющей очищать несколькими лучами одновременно.
Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг.1 и фиг.2, на которых представлена блок-схема заявляемого устройства. В устройстве влажной лазерной очистки твердых поверхностей анилоксовый вал 1 цельной или пустотелой (гильзовой) конструкции устанавливается с помощью центрирующих патронов 2 и 3 приводимых во вращение через муфту 4 электродвигателем постоянного тока 5, регулируемый управляющим блоком 6 через управляющий компьютер 7; для сканирования поверхности анилоксового вала, а также настройки фокусного расстояния используется двухкоординатный стол 8, имеющий привод от двух шаговых двигателей 9 и 10, подключенных к управляющему компьютеру 7 через согласующий блок 11, на двухкоординатном столе 8 расположены: лазерный источник 12, излучающий по меньшей мере один лазерный луч, светоделительный куб 13, преломляющий 50% лазерной энергии на поверхность анилоксового вала 1, и пропускающий 50% па пентапризму 14, отражающую лазерное излучение на поверхность апилоксового вала 1. Оба луча фокусируются в пятно нужного размера объективами 15 и 16 для регулировки расстояния между лучами в соответствии с размерами анилоксовых валов, пентапризма 14 установлена на подвижной каретке 17. Увлажняющие блоки 18 и 19, включающие в себя две форсунки 20 и 21 с гибкими шлангами 22 (Spraying Systems Co.), формирующие равномерный слой жидкости на поверхности анилоксового вала 1, регулятор давления 23, запорный клапан 24 и насос 25, обеспечивающие поддержание заданного давления и расхода жидкости, блоки 18, 19 предохраняют вал от растрескивания, блоки сбора удаляемых загрязнений 26 и 27 удаляют остатки загрязнений, предотвращая осаждение оторвавшейся краски на поверхности и состоят из транспортирующего трубопровода 28 и воздуходувки 29, формирующей воздушный поток для удаления загрязнений от области очистки. В устройстве в качестве исходного материала используют загрязненный любыми красками, в том числе ультрафиолетовыми, водными и спиртовыми, а также лаками анилоксовый вал.
Заявляемое устройство влажной лазерной очистки твердых поверхностей работает следующим образом.
Загрязненный любым типом красок анилоксовый вал 1 закрепляют в центрирующих патронах 2 и 3 после чего включают электродвигатель постоянного тока 5 (FL86BLS) через управляющий блок 6, подключенный к управляющему компьютеру 7. Электродвигатель 5 передает вращательное движение через муфту 4 центрирующим патронам 2 и 3 и анилоксовому валу 1. После чего осуществляется настройка фокусного расстояния и сканирование с помощью двухкоординатного стола 8, приводимого в движение от шаговых электродвигателей 9 и 10, подключенных через согласующий блок 11 к управляющему компьютеру 7. При сканировании поверхности анилоксового вала 1 включается лазерный источник 12 (волоконный лазер ИЛИ-1-20 ИРЭ-Полюс), излучающий параллельный пучок, который падает на оптический куб 13 и делит лазерный луч на два равных, один из которых преломляется и фокусируется на поверхность анилоксового вала 1 с помощью объектива 16, второй луч надает на пентапризму 14, которая установлена на подвижной каретке 17 и фокусируется объективом 15, таким образом, осуществляется очистка поверхности вала с помощью двухлучевой системы. Одновременно с началом сканирования включаются увлажняющие блоки 18 и 19, обеспечивающие равномерное смачивание анилоксовых валов жидкостью, а также блоки сбора удаляемых загрязнений 26 и 27, предотвращающие осаждение продуктов очистки вала на его поверхность, что повышает качество очистки.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить скорость и качество очистки твердых поверхностей анилоксовых валов, вследствие чего повышается производительность реализуемого в предлагаемой полезной модели метода лазерной очистки твердых поверхностей.