Tehnologija laserskega čiščenjaje uspešna uporaba laserske tehnologije na področju inženirstva. Njeno osnovno načelo izkorišča visoko energijsko gostoto laserjev, ki omogoča interakcijo med laserskimi žarki in onesnaževalci, ki se oprimejo substratov obdelovancev. Onesnaževalci se od substratov ločijo s takojšnjim toplotnim raztezanjem, taljenjem, izhlapevanjem plinov in drugimi mehanizmi. Tehnologija laserskega čiščenja se ponaša z visoko učinkovitostjo, okolju prijaznostjo in varčevanjem z energijo ter se uspešno uporablja pri čiščenju kalupov pnevmatik, odstranjevanju barve s karoserij letal, restavriranju kulturnih relikvije in na drugih področjih.
Tradicionalne tehnologije čiščenja vključujejo mehansko čiščenje s trenjem (peskanje, čiščenje z vodnim curkom pod visokim pritiskom itd.), kemično čiščenje pred korozijo, ultrazvočno čiščenje, čiščenje s suhim ledom in druge. Te tehnologije se pogosto uporabljajo v različnih panogah. Peskanje lahko na primer odstrani kovinske madeže rje, površinske zarobke in konformne premaze na tiskanih vezjih z izbiro abrazivov različnih trdot. Kemično čiščenje pred korozijo se pogosto uporablja za odstranjevanje oljnega kamna s površine opreme, čiščenje kotlov in odmašitev naftovodov. Čeprav so tradicionalne metode zrele, imajo znatne pomanjkljivosti: peskanje zlahka poškoduje obdelane površine, kemično čiščenje pred korozijo pa povzroča onesnaževanje okolja in lahko povzroči korozijo substratov, če se z njimi nepravilno upravlja. Pojav laserskega čiščenja pomeni revolucijo v tehnologiji čiščenja. Z uporabo visoke energijske gostote, natančnosti in učinkovitega prenosa laserjev lasersko čiščenje prekaša tradicionalne metode v učinkovitosti čiščenja, natančnosti in pozicioniranju. Odpravlja onesnaževanje okolja zaradi kemičnega čiščenja in ne poškoduje substratov.
Načela laserskega čiščenja
Kaj točno je lasersko čiščenje? Nanaša se na postopek odstranjevanja materialov s trdnih (ali občasno tekočih) površin z obsevanjem z laserskim žarkom. Pri nizki laserski fluenci absorbirana laserska energija segreva materiale, kar povzroči izhlapevanje ali sublimacijo. Pri visoki laserski fluenci se materiali običajno pretvorijo v plazmo. Lasersko čiščenje običajno uporablja impulzne laserje za odstranjevanje materiala, čeprav lahko laserski žarki z neprekinjenim valovanjem ablacijo materiale z zadostno intenzivnostjo. Globoko ultravijolični eksimerni laserji z valovnimi dolžinami okoli 200 nm se uporabljajo predvsem za fotoablacijo.
Globinalaserska energijaAbsorpcija in količina materiala, odstranjenega na impulz, sta odvisni od optičnih lastnosti materiala, pa tudi od valovne dolžine laserja in trajanja impulza. Skupna masa, odvzeta s tarče na impulz, je definirana kot hitrost ablacije. Značilnosti laserskega sevanja, kot sta hitrost skeniranja in pokritost črte, pomembno vplivajo na proces ablacije.
Vrste tehnologije laserskega čiščenja
1) Lasersko kemično čiščenje
Lasersko kemično čiščenje vključujeneposredno impulzno lasersko obsevanje obdelovancev. Onesnaževalci ali substrati absorbirajo lasersko energijo, kar zviša njihovo temperaturo in povzroči toplotno raztezanje ali toplotne vibracije substrata, kar loči onesnaževalce od substratov. Pojavi se v dveh scenarijih: bodisi površinski onesnaževalci absorbirajo lasersko energijo in se razširijo bodisi substrati absorbirajo energijo in toplotno vibrirajo.
Leta 1969 so SM Bedair in sodelavci ugotovili, da imajo vse običajne površinske obdelave (toplotna obdelava, kemična korozija, peskanje) omejitve. Opazili so, da lahko visoka gostota energije fokusiranih laserjev upari površinske materiale, ne da bi pri tem poškodovali substrate. Poskusi so potrdili, da lahko rubinski laser s preklopom Q in gostoto moči 30 MW/cm² očisti onesnaževalce s silicijevih površin, ne da bi pri tem poškodoval substrat, kar je pomenilo prvo izvedbo laserskega kemičnega čiščenja.
Skupno stopnjo čiščenja lahko izrazimo s stopnjo ločevanja ostankov filma, kot je prikazano spodaj:
(Formula: ε – energijski indeks laserskega impulza; h – indeks debeline filma onesnaževalca; E – indeks elastičnega modula filma)
2) Lasersko mokro čiščenje
Pred pulznim laserskim obsevanjem se na površino obdelovanca nanese tekoči film. Laserska energija film hitro segreje in upari, kar ustvari takojšen udarni val, ki od substrata loči delce onesnaževal. Ta metoda ne zahteva kemične reakcije med substratom in tekočim filmom, kar omejuje njeno uporabnost v materialih.
Leta 1991 so K. Imen in sodelavci obravnavali ostanke submikronskih onesnaževalcev na polprevodniških rezinah in kovinah po običajnem čiščenju. Podlage so premazali z lasersko absorbirajočo folijo in jo obsevali s CO₂ laserjem. Folija je absorbirala energijo, se hitro segrela, zavrela in eksplozivno uparila, pri čemer je odstranila površinske onesnaževalce – to definira lasersko mokro čiščenje.
3) Čiščenje z lasersko plazemsko udarno valovno tehnologijo
Udarni valovi laserske plazme nastanejo, ko laserji med obsevanjem ionizirajo zrak v sferične udarne valove plazme. Ti udarni valovi udarijo ob substrate in sprostijo energijo za odstranjevanje onesnaževalcev, ne da bi pri tem poškodovali substrat (laserji ne interagirajo neposredno s substrati). Ta tehnologija čisti delce, majhne kot desetine nanometrov, in ne nalaga omejitev laserske valovne dolžine.
Fizikalna načela plazemskega čiščenja so povzeta takole:
a) Laserske žarke absorbira plast onesnaževalca na ciljni površini.
b) Visoka absorpcija energije tvori hitro ekspandirajočo plazmo (močno ioniziran nestabilen plin), ki ustvarja udarne valove.
c) Udarni valovi fragmentirajo in odstranjujejo onesnaževalce.
d) Laserski impulzi morajo biti dovolj kratki, da se prepreči kopičenje toplote, ki bi lahko poškodovala podlago.
e) Poskusi kažejo, da se na kovinskih površinah tvori plazma, ko so prisotni oksidi.
Do nastajanja plazme pride le nad pragom gostote energije, ki je odvisen od onesnaževalca ali oksidne plasti, ki jo je treba odstraniti. Obstaja še drugi višji prag, nad katerim se substrat poškoduje. Za zagotovitev učinkovitega čiščenja brez poškodb substrata je treba prilagoditi parametre laserja tako, da se gostota energije impulza ohranja med obema pragoma.
Leta 2001 so JM Lee in sodelavci izkoristili plazemske udarne valove iz visokozmogljivih fokusiranih laserjev. Impulzni laser z gostoto energije 2,0 J/cm² (ki daleč presega prag poškodb silicija) je vzporedno obseval silicijeve rezine in uspešno odstranil 1 μm volframovih delcev. Strogo gledano je čiščenje z laserskimi plazemskimi udarnimi valovi podmnožica kemičnega čiščenja.
Te tri tehnologije laserskega čiščenja, ki so bile prvotno razvite za odstranjevanje mikroskopskih delcev iz polprevodniških rezin, so se razširile na čiščenje kalupov pnevmatik, odstranjevanje barve z obloge letal, restavriranje kulturnih reliktov in še več. Med laserskim obsevanjem se lahko na podlage vpihuje inertni plin, ki takoj odstrani odtrgane onesnaževalce, s čimer se prepreči ponovna kontaminacija in oksidacija.
Uporaba tehnologije laserskega čiščenja
1) Polprevodniška industrija: Čiščenje polprevodniških rezin in optičnih substratov
Polprevodniške rezine in optični substrati so podvrženi enakim korakom obdelave (rezanje, brušenje), da se oblikujejo v želene oblike, pri čemer se vnesejo delci onesnaževal, ki jih je težko odstraniti in so nagnjeni k ponovni kontaminaciji. Onesnaževalci na rezinah poslabšajo kakovost tiskanja vezij in skrajšajo življenjsko dobo čipov. Na optičnih substratih poslabšajo delovanje optičnih naprav in premazov, kar povzroča neenakomerno porazdelitev energije in skrajšano življenjsko dobo.
Lasersko kemično čiščenje se tukaj redko uporablja zaradi tveganja poškodb substrata, medtem ko imata mokro čiščenje in čiščenje s plazemskimi udarnimi valovi številne uspešne aplikacije. Xu Chuanyi in sodelavci so na ultra gladke optične substrate nanesli mikronsko magnetno barvo kot dielektrični film in dosegli učinkovito pulzno lasersko čiščenje. Čeprav se je skupna količina nečistočnih delcev povečala, se je njihova velikost in pokritost znatno zmanjšala. Zhang Ping je preučeval vpliv delovne razdalje in laserske energije na učinkovitost čiščenja delcev različnih velikosti. Poskusi so pokazali, da je laser z močjo 240 mJ dosegel optimalno čiščenje polistirenskih delcev na prevodnem steklu pri delovni razdalji 1,90 mm. Učinkovitost čiščenja se je izboljšala z višjo lasersko energijo, večje delce pa je bilo lažje odstraniti.
2) Kovinska industrija: Čiščenje kovinskih površin
Čiščenje kovinskih površin je namenjeno odstranjevanju makroskopskih onesnaževalcev: oksidnih/rjenih plasti, barve, premazov in drugih nanosov, razvrščenih kot organski (barva, premazi) ali anorganski (rja) onesnaževalci. Čiščenje izpolnjuje nadaljnje zahteve glede obdelave/uporabe: npr. odstranjevanje 10 μm debelih oksidnih plasti iz titanovih zlitin pred varjenjem, odstranjevanje barve z oblog letal za ponovno barvanje in čiščenje ostankov gume iz kalupov za pnevmatike, da se zagotovi kakovost izdelka in življenjska doba kalupa.
Kovine imajo višje pragove poškodb kot pragove čiščenja onesnaževalcev, kar omogoča učinkovito čiščenje z ustrezno močnimi laserji. Med zrele aplikacije spadajo: Wang Lihua in sodelavci so pokazali, da je laser z močjo 5,1 J/cm² odstranil oksidne plasti iz aluminijeve zlitine A5083-111H, hkrati pa ohranil kakovost substrata, pulzni laser z močjo 100 W pa je učinkovito očistil oksidne plasti titanove zlitine in izboljšal trdoto površine. Domači proizvajalci (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) široko dobavljajo opremo za lasersko čiščenje gumijastih kalupov, kovinske rje in odstranjevanje olja z delov.
3) Konzerviranje kulturnih relikvije: Čiščenje kulturnih relikvije in papirnatih artefaktov
Kovinske in kamnite kulturne relikvije sčasoma nabirajo umazanijo, madeže črnila in druge onesnaževalce, ki jih je treba odstraniti, da se jim povrne prvotni videz. Papirnati artefakti (slike, kaligrafija) se med nepravilnim shranjevanjem nabirajo plesen in plaki, kar močno poslabša njihovo stanje in kulturno/zgodovinsko vrednost.
Zhao Ying in sodelavci so potrdili čiščenje plesnivih oblog na riževem papirju z UV laserjem: z enim samim skeniranjem pri 3,2 J/mm² so odstranili tanke obloge, medtem ko sta dva skeniranja dosegla popolno odstranitev; prekomerna laserska energija je poškodovala papir. Zhang Xiaotong je uspešno restavriral pozlačen bronasti artefakt z lasersko mokro metodo. Zhang Licheng je lasersko čiščenje uporabil za poslikano žensko lončeno figurico iz dinastije Han. Yuan Xiaodong in sodelavci so ocenili učinkovitost laserskega čiščenja kamnitih relikvij, pri čemer so primerjali poškodbe substrata in učinkovitost odstranjevanja madežev črnila, dima in barve na peščenjaku.
Zaključek
Lasersko čiščenje je napredna tehnologija s širokimi raziskovalnimi in uporabnimi možnostmi v vesoljski, vojaški opremi, elektroniki in drugih področjih visoke natančnosti. Zaradi svoje učinkovitosti, prijaznosti do okolja in vrhunskih rezultatov čiščenja je bila uveljavljena v številnih panogah, njena uporaba pa se še naprej širi. Poleg uveljavljenega odstranjevanja barve in rje nedavni dosežki vključujejo lasersko čiščenje oksidnih plasti na kovinskih žicah. Prihodnji razvoj je odvisen od širitve obstoječih aplikacij, vstopa na nova področja in inovativne opreme:
- Okrepiti teoretične raziskave za usmerjanje praktičnih aplikacij. Trenutne raziskave se močno zanašajo na eksperimente in nimajo zrelega teoretičnega okvira. Vzpostavitev takšnega okvira je ključnega pomena za tehnološko zrelost.
- Razširite uporabo na obstoječih in novih področjih. Zrel na področju odstranjevanja barve/rje, nove uporabe vključujejo čiščenje kovinskih žic z oksidi, kar zagotavlja plodna tla za rast.
- Razvoj nove opreme za lasersko čiščenje, ki se bo razvejala v večnamenske univerzalne naprave (npr. kombinirano odstranjevanje barve/rje) in specializirana orodja (npr. prilagojene napeljave/vlakna za zaprte prostore). Popolna avtomatizacija z integracijo z industrijskimi roboti je obetavna smer.
Čas objave: 14. maj 2026
