Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại (18/08/2025)

Với mục tiêu nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị laser sợi quang công suất điều chỉnh 5W-30W ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại. Đồng thời làm chủ được công nghệ thiết kế, chế tạo sợi quang công suất cao trên cơ sở tính toán, lựa chọn một số vật tư chính nhập ngoại, từ đó làm cơ sở để thiết kế, chế tạo các hệ laser sợi quang công suất cao hơn. Năm 2022, Công ty TNHH Đầu tư Phát triển Xây dựng Thành Khang được Ủy ban nhân dân thành phố Hải Phòng giao chủ trì thực hiện nhiệm vụ KH&CN cấp thành phố: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại”, đề tài do TS. Nguyễn Hồng Hanh làm chủ nhiệm, đánh giá nghiệm thu năm 2024.

Báo cáo tổng quan cho thấy, theo thời gian lớp bề mặt kim loại thường bị oxi hóa và gỉ sét, dẫn đến các khuyết tật bề mặt và lớp bề mặt của kim loại. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng bề mặt kim loại. Do đó, cần phải loại bỏ lớp oxi hóa và gỉ sét này. Trong công nghiệp có một số công nghệ loại bỏ lớp gỉ sét và các chất hữu cơ bám trên bề mặt là: công nghệ tẩy dầu mỡ bằng hóa chất, bằng điện hóa, công nghệ xử lý bề mặt bằng cơ học, công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm và đặc biệt là công nghệ làm sạch bề mặt kim loại bằng laser. Laser được ứng dụng tẩy gỉ các chất bẩn, khử các lớp ôxít trên bề mặt kim loại, loại bỏ sơn trên bề mặt kim loại, khắc laser. Bên cạnh việc loại bỏ chất dư thừa trên bề mặt kim loại, laser có thể sử dụng để phân tích thành phần hoá học trong khảo cổ học và trong các cổ vật.

Đề tài đã hoàn thiện nghiên cứu thiết kế thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại bao gồm: (1) Nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn các thành phần nhập ngoại phù hợp với tính năng kỹ thuật của sản phẩm. Cụ thể, một số vật tư nhập ngoại chính phục vụ chế tạo như sau: Sợi quang pha tạp Yb, DFB laser diode seeder @ 1064 nm (laser mầm), các bộ kết nối (Combiner), laser bơm (thường dùng laser bơm bán dẫn 976 nm), laser đỏ, bộ cách tử Bragg (gương sợi quang Bragg), bộ quét Gương Galvo và driver đi kèm, đầu connector quang SMA; (2) Tối ưu các tham số hoạt động của thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại; (3) Lựa chọn mua các vật tư để thiết kế nguồn laser bơm với bước sóng 976 nm và công suất 30 W, lựa chọn sợi quang pha tạp Yb và bộ kết hợp laser bơm combiners 3x1, 7x1. Từ đó tính toán các thông số ảnh hưởng đến laser bơm như: công suất hoạt động của laser bơm bán dẫn, nhiệt độ, chiều dài vùng hoạt tính và tốc độ lặp lại. Công suất của laser bơm tỉ lệ gần như tuyến tính với các thông số này. Trên cơ sở đó đã thiết kế nguồn dòng điều khiển laser bơm và phương pháp ghép nối sợi quang cho laser bơm để đạt được hiệu quả cao nhất; (4) Nghiên cứu ghép nối tín hiệu laser bơm vào môi trường sợi quang pha tạp vật liệu hoạt tính. Nghiên cứu tối ưu tham số công suất laser bơm, chiều dài sợi khuếch đại, công suất bơm đầu ra phụ thuộc tuyến tính vào chiều dài bơm. Nghiên cứu, ghép nối laser mầm vào môi trường sợi quang pha tạp vật liệu hoạt tính. Đã nghiên cứu, lựa chọn bộ ghép nối đầu ra, đầu vào sợi quang; bộ lọc băng thông ASE, bộ cách ly, bộ cách tử sợi quang bragg; (5) Đã thiết kế bộ tái phân bố chùm tia laser để tạo vết quét chiếu sáng laser làm sạch bề mặt. Trên cơ sở thiết kế cụm chuẩn trực, cụm mở rộng chùm tia laser và thiết kế thấu kính hội tụ f-theta. Thấu kính f-theta đã được thiết kế mang lại hiệu suất cao nhất trong hệ thống quét laser. Đã lựa chọn bộ quét gương Galvo và thiết bộ điều khiển gương Galvo để quét chùm tia laser giúp làm sạch bề mặt kim loại.

Nguyên lý làm lạnh cho thiết bị laser.

Kết quả nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển trung tâm, bao gồm: thiết kế mạch giao diện người dùng điều khiển các tham số của laser; Nghiên cứu, lập trình phần mềm giao diện người dùng điều khiển các tham số của laser; Nghiên cứu thiết kế mạch khối điều khiển trung tâm các chương trình quét tạo vết laser với kích thước thay đổi; Nghiên cứu, lập trình phần mềm điều khiển trung tâm các chương trình quét tạo vết laser với kích thước thay đổi; Nghiên cứu thiết kế mạch driver laser đỏ; Hệ làm mát chung cho nguồn phát laser gồm các hệ thống sau: Khoang chứa nước, máy bơm nước, van ống dẫn nước, hệ nén khí, quạt gió, đầu vào, ra của hệ làm mát.

Hoàn thiện thiết kế cơ khí thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại bao gồm: Tính toán thiết kế cơ khí thiết bị laser sợi quang công suất điều chỉnh ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại gồm khung vỏ thiết bị và tay cầm. Xây dựng hồ sơ công nghệ thiết kế thiết bị laser sợi quang công suất điều chỉnh ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại. Hoàn thiện thử nghiệm chế tạo thiết bị laser sợi quang với nguồn dòng điều khiển để nuôi cho laser bơm được chế tạo đã tiến hành hàn, ghép nối với laser bơm bán dẫn 976 nm - 30 W. Sau khi lắp ráp mạch nguồn dòng điều khiển với laser bơm bán dẫn, sử dụng đồng hồ vạn năng AVO để đo giá trị dòng nuôi laser bơm và điện áp cấp cho laser bơm. Đồng thời sử dụng máy đo công suất quang laser New port 842-PE. Kiểm tra bước sóng phát ra của laser mầm sau khi được ghép nối với sợi quang pha tạp Yb bằng máy phân tích quang phổ Advantest Q8384. Kết quả đã thu được hình ảnh phổ phát xạ và năng lượng xung đo được là 16 pJ và độ rộng xung đo được là 39 ps (FWHM); sợi. Thử nghiệm chế tạo được bộ điều khiển gương Galvo cho chùm sáng từ laser sợi. Một bộ điều khiển gương Galvo bao gồm một bộ điều khiển chuyển động, mạch điện tử điều khiển và gương Galvo. Thử nghiệm chế tạo, lắp ráp bảng mạch điện tử điều khiển và nguồn dòng bơm cho laser bơm. Màn hình điều khiển được kết nối với mạch điều khiển và được nối với mạch nguồn dòng bơm cho laser. Để điều khiển thay đổi dòng bơm cho laser bơm, chúng tôi cần thay đổi “Chu kỳ tải” và “Công suất đỉnh” trên giao diện màn hình điều khiển. Khi ấn vào mục “Chu kỳ tải” và “Công suất đỉnh” thì hình ảnh giao diện bàn phím cho phép nhập giá trị thay đổi để thay đổi dòng bơm cho laser từ đó làm thay đổi công suất laser phát ra. Thử nghiệm chế tạo, lắp ráp bảng mạch điện tử khối điều khiển trung tâm các chương trình quét tạo vết laser với kích thước thay đổi. Tiến hành hàn các linh kiện điện tử vào mạch, kết quả cuối cùng thu được mạch điện tử khối điều khiển trung tâm các chương trình quét tạo vết laser với kích thước thay đổi. Nạp chương trình cho mạch điều khiển trung tâm trên phần mềm Attolic TrueStudio và phần mềm kết nối với STM32 là STM32 ST-LINK Utility. Thử nghiệm chế tạo, lắp ráp bảng mạch điện tử driver laser đỏ. Thiết kế mạch in PCB và hàn, lắp linh kiện điện tử lên. Bằng cách kết nối laser đỏ với giắc JP1, nguồn cấp được kết nối với giắc JP2, được kết quả thử nghiệm phát laser đỏ.

Kết quả thử nghiệm lắp ráp, hoàn thiện chế tạo thiết bị laser sợi quang công suất điều chỉnh: Sau khi lắp ráp đầy đủ hệ laser bơm, hệ laser sợi quang, hệ tái phân bố chùm tia laser và tay cầm, các mạch điện tử, màn hình của hệ điều khiển, hệ làm mát chung cho nguồn phát laser và lắp các chi tiết cơ khí vào khung vỏ cơ khí. Kiểm tra kỹ càng các vị trí cần ghép nối, các mối hàn và các vị trí cần bắt ốc cố định an toàn, lúc này mới cho phép bật nút nguồn điện tổng cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị laser sợi quang. Sau đó bật nguồn khởi động tia laser. Trong khi cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị, quan sát và nghe thiết bị xem thiết bị laser sợi quang có hoạt động ổn định hay không, có tiếng kêu bất thường nào hay không, động cơ quạt của hệ thống làm mát chạy có phát tiếng kêu bất thường hay không do lắp sai chi tiết hay chưa đúng quy trình lắp máy. Sau một thời gian kiểm tra không nghe thấy bất thường, thiết bị hoạt động trong tình trạng không tải, cho thiết bị chạy 1 lúc rồi dừng máy để kiểm tra toàn bộ máy của thiết bị lại một lần nữa. Các nội dung về thử nghiệm chế tạo thiết bị đều đạt 100% so với yêu cầu thuyết minh dự án được duyệt.

Đề tài đã hoàn thiện thử nghiệm làm sạch bề mặt kim loại băng thiết bị laser sợi quang đạt 100% yêu cầu thuyết minh đề ra: đề xuất qui trình làm sạch bề mặt kim loại sử dụng thiết bị laser sợi quang công suất điều chỉnh. Xây dựng bộ thông số làm việc tối ưu của thiết bị sử dụng làm sạch các bề mặt kim loại mẫu. Đã thử nghiệm làm sạch bề mặt bằng thiết bị laser sợi quang và đánh giá chất lượng các bề mặt kim loại sau khi làm sạch. Hoàn thiện qui trình làm sạch bề mặt kim loại sử dụng thiết bị laser sợi quang. Đã xây dựng qui trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị và đánh giá được hiệu quả của thiết bị.

Kết quả nghiên cứu đã chế tạo thành công 01 thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại với công suất điều chỉnh 5W-30W, với các thông số sau:  Laser sợi quang với bước sóng 1070 ±10 nm; Công suất quang thay đổi: 5 + 30W; Chiều rộng vết làm sạch: 5 + 50mm; Nguồn phát laser ≤ 950 x 500 x 950 mm; + Tay cầm ≤ 400 x 150 x 100 mm;  Khối lượng ≤ 65 kg; Điều kiện làm việc: 5 + 40⁰c. Thiết bị laser sợi quang thử nghiệm vận hành tốt, an toàn đảm bảo các tính năng, thông số theo thuyết minh phê duyệt. So sánh giá thành của một thiết bị laser làm sạch bề mặt kim loại ở nước ngoài với một thiết bị laser làm sạch bề mặt kim loại ở trong nước cho thấy: Một thiết bị xuất xứ từ Trung Quốc sử dụng laser bước sóng 1064nm để làm sạch bề mặt kim loại công suất 30W có giá từ 9605 $ ÷ 10000 $ tương đương 238.650.000 đồng ÷ 248.455.000 đồng. Chưa kể đến chi phí vận chuyển và thuế nhập khẩu. Trong khi đó, với một thiết bị laser được chế tạo trong nước sẽ có giá thành khoảng 200 triệu với máy laser có công suất 5W-30W. Ngoài ra, ta có thể tùy chỉnh thay đổi công suất laser theo từng loại vật liệu cần làm sạch trong quá trình sản xuất và chế tạo.

Đề tài thành công góp phần thúc đẩy quá trình sản xuất công nghiệp xử lý bề mặt kim loại nhằm phát triển Thành phố. Sản phẩm đề tài khi bàn giao cho đơn vị sử dụng sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm chi phí lao động thủ công. Đề tài cũng góp phần vào thực hiện mục tiêu hiện đại hóa và phát triển khoa học công nghệ của thành phố.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ thông tin và truyền thông Hải Phòng.