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 (03/02/2025)

Việc ứng dụng laser trong công nghiệp ngày càng rộng rãi đã thu hút nhiều nhà đầu tư nghiên cứu các ứng dụng tiềm năng của laser trong các lĩnh vực khác nhau ở nhiều ngành công nghiệp. Với sự linh hoạt và tiện lợi, laser có thể được sử dụng trong việc tẩy rửa, làm sạch bề mặt, khắc laser, bảo tồn di tích,... Nghiên cứu các ưu điểm và tính tiện dụng của laser là một chủ đề quan trọng trong ứng dụng làm sạch bề mặt nói chung. Với sự tiến bộ của công nghệ trong những năm gần đây, việc làm sạch bề mặt bằng laser được đặc biệt quan tâm trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ đến các ứng dụng công nghiệp nói chung. Trước thực tế đó, Công ty TNHH Đầu tư phát triển xây dựng Thành Khang chủ trì thực hiện đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại, TS. Nguyễn Hồng Hanh làm chủ nhiệm. Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại (làm sạch gỉ trên bề mặt kim loại thép), từ đó xây dựng và tối ưu hóa cấu hình laser sợi quang trên cơ sở tích hợp những thành phần nhập ngoại trên để chế tạo laser sợi quang ứng dụng làm sạch lớp gỉ trên bên mặt kim loại thép.

Hình ảnh mẫu sau khi làm sạch.

Bên cạnhtổng quan tài liệu và những vấn đề lý thuyết có liên quan, nhóm tác giả đề tài đã hoàn thiện nghiên cứu thiết kế thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại, gồm: Nghiên cứu các yêu cầu đối với tính toán thiết kế hệ laser ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại; Nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn các thành phần nhập ngoại phù hợp với tính năng kỹ thuật của sản phẩm như: sợi quang pha tạp Yb, DFB laser diode seeder @ 1064nm (laser mầm), các bộ kết nối (Combiner), laser bơm (thường dùng laser bơm bán dẫn 976nm), laser đỏ, bộ cách tử Bragg (gương sợi quang Bragg), bộ quét Gương Galvo và driver đi kèm, đầu connector quang SMA,... Bên cạnh đó tiến hành nghiên cứu tối ưu các tham số hoạt động của thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại. Trong đó, việc nghiên cứu tính toán mode quang lan truyền trong sợi quang đã cho thấy các mode hoạt động trong sợi quang khi có sóng truyền qua. Các mode này thay đổi, cường độ mạnh lên, yếu đi hoặc biến mất đều phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi. Nghiên cứu tính toán các tham số hoạt động của laser sợi cấu hình ring và laser sợi cấu hình linear đều cho thấy sự phụ thuộc của độ phản xạ trong gương đầu ra R, chiều dài sợi quang L và công suất đầu ra Pout. Tính toán hệ số khuếch đại cấu hình bơm lõi sợi quang cho thấy độ khuếch đại lớn nhất ứng với bước sóng khoảng 1530nm khi tiến hành chiều dài vùng tích cực là từ 5 đến 12,5m với dải công suất bơm thử nghiệm từ 50 đến 120mW. Về đặc trưng công suất quang lối ra phụ thuộc vào chiều dài sợi khuếch đại, khi chiều dài sợi tăng từ 0 đến 1.000cm thì công suất lối ra cũng tăng dần lên. Công suất quang bơm dọc theo chiều dài sợicho công suất đầu ra lớn khi chiều dài vùng tích cực tăng từ 0 đến 8.000cm thì công suất đầu ra giảm dần trong điều kiện ban đầu là độ phản xạ của gương đầu ra là 50% và mất mát suy hao là 6dB. Công suất đầu ra nhỏ khi chiều dài vùng tích cực tăng từ 0 đến 1.500cm thì công suất đầu ra tăng dần trong điều kiện ban đầu là độ phản xạ của gương đầu ra là 50% và mất mát suy hao là 6dB. Với các bước sóng khác nhau thì sự phụ thuộc này cũng khác nhau, tuy nhiên với bước sóng 1.530nm, tỉ lệ cường độ công suất quang phát ra/cường độ công suất bơm là lớn nhất ứng với việc giá trị khuếch đại của nó là lớn nhất trong các thử nghiệm mô phỏng tính toán. Với bộ khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm 976nm cho hiệu quả tốt hơn đối với bước sóng tín hiệu đang được dùng phổ biến hiện nay là 1.064nm… Nhóm nghiên cứu cũng tính toán thiết kế cấu hình laser bơm với bước sóng 976nm và công suất 30W, 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. 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. Tiến hành nghiên cứu thiết kế module laser sợi quang với việc ghép nối tín hiệu laser bơm vào môi trường sợi quang pha tạp vật liệu hoạt tính. Nghiên cứu thiết kế bộ tái phân bố chùm laser để tạo vết quét chiếu sáng laser làm sạch bề mặt, trong đó 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.

Bộ thông số laser điều chỉnh tham khảo cho từng loại bề mặt cần làm sạch.

Từ kết quả nghiên cứu trên, nhóm tác giả hoàn thiện nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển trung tâm, gồm: Nghiên cứu thiết kế mạch giao diện người dùng điều khiển các tham số của laser (màn hình hiển thị, mạch hiển thị); Nghiên cứu, lập trình phần mềm giao diện người dùng điều khiển các tham số của laser, trong đó đã thiết kế giao diện điều khiển ta sẽ sử dụng phần mềm CM HMI với ngôn ngữ tiếng Anh, cho phép xây dựng giao diện cho màn hình MT6070H; 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; Nghiên cứu thiết kế hệ làm mát chung cho nguồn phát laser. Bên cạnh đó đã hoàn thiện nghiên cứu thiết kế cơ khí thiết bị laser sợi quang ứng dụng làm sạch bề mặt kim loại (Tính toán thiết kế cơ khí thiết bị laser sợi quang công suất điều chỉnh ứng
dụng làm sạch bề mặt kim loại; Thiết kế 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). Đề tài cũng đã hoàn thiện thử nghiệm chế tạo thiết bị với hệ thống laser bơm, laser sợi quang, thử nghiệm chế tạo hệ tái phân bố chùm laser, thử nghiệm chế tạo hệ điều khiển. Việc thử nghiệm chế tạo, lắp ráp, hoàn thiện thiết bị laser sợi quang và vận hành thử nghiệm không tải, hiệu chỉnh thiết bị cho kết quả thiết bị đạt 100% yêu cầu. Trong đó, nhóm nghiên cứu đã đề xuất được quy trình làm sạch bề mặt kim loại sử dụng thiết bị laser sợi quang công suất điều chỉnh (chuẩn bị, thiết lập thiết bị laser, thực hiện làm sạch, kiểm tra sau làm sạch, kết thúc vận hành); xây dựng bộ thông số làm việc tối ưu của thiết bị sử dụng làm sạch các bề mặt kim loại mẫu; 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 quy trình làm sạch bề mặt kim loại sử dụng thiết bị laser sợi quang; xây dựng quy trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị và đánh giá đươc hiệu quả của thiết bị.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Thông tin, Thống kê khoa học và công nghệ Hải Phòng./.