Načelo, vrste in uporabalasersko čiščenjetehnologija
Tehnologija laserskega čiščenja je uspešna uporaba laserske tehnologije na področju inženirstva. Njeno osnovno načelo je uporaba visoke gostote energije laserja za interakcijo z onesnaževalci, ki se oprimejo substrata obdelovanca, zaradi česar se ločijo od substrata v obliki takojšnjega toplotnega raztezanja, taljenja in izhlapevanja plina. Za tehnologijo laserskega čiščenja so značilne visoka učinkovitost, prijaznost do okolja in varčevanje z energijo. Uspešno se uporablja na področjih, kot so čiščenje kalupov pnevmatik, odstranjevanje barve s karoserij letal in restavriranje kulturnih relikvije.
Tradicionalne tehnologije čiščenja vključujejomehansko čiščenje s trenjem(čiščenje s peskanjem, čiščenje z vodnim curkom pod visokim tlakom itd.), kemično čiščenje proti koroziji, ultrazvočno čiščenje, čiščenje s suhim ledom itd. Te tehnologije čiščenja se pogosto uporabljajo v različnih panogah. Na primer, čiščenje s peskanjem lahko odstrani madeže rje na kovini, ostružke kovinskih površin in triplastni lak na tiskanih vezjih z izbiro abrazivov različnih trdot. Tehnologija kemičnega čiščenja proti koroziji se pogosto uporablja pri čiščenju oljnih madežev na površinah opreme, vodnega kamna v kotlih in naftovodih. Čeprav so te tehnologije čiščenja dobro razvite, imajo še vedno nekaj težav. Na primer, čiščenje s peskanjem lahko zlahka poškoduje obdelano površino, kemično čiščenje proti koroziji pa lahko povzroči onesnaženje okolja in korozijo očiščene površine, če se z njo ne ravna pravilno. Pojav tehnologije laserskega čiščenja predstavlja revolucijo v tehnologiji čiščenja. Izkorišča visoko gostoto energije, visoko natančnost in učinkovit prenos laserske energije ter ima očitne prednosti pred tradicionalnimi tehnologijami čiščenja glede učinkovitosti čiščenja, natančnosti čiščenja in lokacije čiščenja. Učinkovito se lahko izogne onesnaženju okolja, ki ga povzroča kemično čiščenje proti koroziji in druge tehnologije čiščenja, in ne bo poškodovala podlage.
Kaj torej je lasersko čiščenje? Lasersko čiščenje je postopek, pri katerem se laserski žarek uporablja za odstranjevanje materiala s površine trdne snovi (ali včasih tekočine). Pri nizkem laserskem pretoku se material segreje zaradi absorbirane laserske energije in izhlapi ali sublimira. Pri visokem laserskem pretoku se material običajno spremeni v plazmo. Običajno se lasersko čiščenje nanaša na odstranjevanje materiala z uporabo pulznih laserjev, če pa je laserska intenzivnost dovolj visoka, se lahko za ablacijo materiala uporabi laserski žarek z neprekinjenim valovanjem. Eksimerni laser globoke ultravijolične svetlobe se uporablja predvsem za optično ablacijo. Valovna dolžina laserja, ki se uporablja za optično ablacijo, je približno 200 nm. Globina absorpcije laserske energije in količina materiala, odstranjenega z enim samim laserskim impulzom, sta odvisni od optičnih lastnosti materiala, pa tudi od valovne dolžine laserja in dolžine impulza. Skupna masa, ki jo vsak laserski impulz odvzame s tarče, se običajno imenuje hitrost ablacije. Hitrost skeniranja laserskega žarka in pokritost skenirne linije itd. bodo pomembno vplivali na postopek ablacije.
Vrste tehnologije laserskega čiščenja
1) Suho lasersko čiščenje: Suho lasersko čiščenje se nanaša na neposredno obsevanje čiščenega obdelovanca s pulznim laserjem, zaradi česar osnova ali površinski onesnaževalci absorbirajo energijo in se temperatura poveča, kar povzroči toplotno raztezanje ali toplotne vibracije osnove, s čimer se oba ločita. To metodo lahko v grobem razdelimo na dva primera: prvi je, da površinski onesnaževalci absorbirajo lasersko energijo in se razširijo; drugi je, da osnova absorbira lasersko energijo in ustvari toplotne vibracije. Leta 1969 so SM Bedair in sodelavci odkrili, da imajo različne metode površinske obdelave, kot so toplotna obdelava, kemična korozija in peskanje, vse svoje pomanjkljivosti. Hkrati lahko visoka gostota energije po laserskem fokusiranju omogoči pojav izhlapevanja površine materiala, kar omogoča nedestruktivno čiščenje površine materiala. S poskusi je bilo ugotovljeno, da lahko z uporabo rubinskega laserja s preklopom Q in gostoto moči 30 MW/cm2 dosežemo čiščenje površinskih onesnaževalcev silicijevega materiala brez poškodb osnove, in prvič smo izvedli suho lasersko čiščenje površinskih onesnaževalcev materiala. Skupno hitrost lahko izrazimo s hitrostjo ločevanja fragmentov filmske plasti, kot sledi:
V formuli ε predstavlja energijski indeks laserskega impulza, h predstavlja indeks debeline plasti onesnaževalnega filma in E predstavlja indeks modula elastičnosti plasti filma.
2) Lasersko mokro čiščenje: Preden je obdelovanec, ki ga je treba očistiti, izpostavljen pulznemu laserju, se na površino nanese tekoči film. Pod vplivom laserja se temperatura tekočega filma hitro dvigne in ta upari. V trenutku uparjanja se ustvari udarni val, ki deluje na delce onesnaževal in povzroči, da se ločijo od podlage. Ta metoda zahteva, da podlaga in tekoči film ne reagirata med seboj, kar omejuje paleto uporabnih materialov. Leta 1991 so K. Imen in sodelavci obravnavali problem preostalih submikronskih delcev onesnaževal na površinah polprevodniških rezin in kovinskih materialov po uporabi tradicionalnih metod čiščenja in preučevali nanos filma na površino materiala substrata, ki lahko učinkovito absorbira lasersko energijo. Nato je film z uporabo CO2 laserja absorbiral lasersko energijo, se hitro segrel in zavrel, kar je povzročilo eksplozivno uparjanje, ki je odstranilo onesnaževala s površine substrata. Ta metoda čiščenja se imenuje lasersko mokro čiščenje.
3) Čiščenje z laserskim plazemskim udarnim valovom: Laserski plazemski udarni valovi nastanejo, ko laser obseva zračni medij in povzroči nastanek sferičnega plazemskega udarnega vala. Udarni val deluje na površino obdelovanca, ki ga je treba očistiti, in sprošča energijo za odstranjevanje onesnaževal. Laser ne deluje na substrat, zato ne povzroča poškodb substrata. Tehnologija čiščenja z laserskim plazemskim udarnim valovom lahko zdaj očisti delce s premerom več deset nanometrov, pri čemer ni omejitev glede valovne dolžine laserja. Fizikalno načelo čiščenja s plazmo lahko povzamemo takole: a) Laserski žarek, ki ga oddaja laser, absorbira plast onesnaženja na obdelani površini. b) Velika količina absorpcije tvori hitro ekspandirajočo plazmo (močno ioniziran nestabilen plin) in ustvari udarni val. c) Udarni val povzroči, da se onesnaževala razdrobijo in odstranijo. d) Širina impulza svetlobnega impulza mora biti dovolj kratka, da se prepreči kopičenje toplote, ki bi lahko poškodovalo obdelano površino. e) Poskusi so pokazali, da se na kovinski površini, ko so na kovinski površini oksidi, ustvari plazma. Plazma nastane le, ko gostota energije preseže prag, ki je odvisen od odstranjene plasti kontaminacije ali oksidne plasti. Ta prag je zelo pomemben za učinkovito čiščenje ob hkratnem zagotavljanju varnosti materiala substrata. Pojav plazme ima tudi drugi prag. Če gostota energije preseže ta prag, se bo material substrata poškodoval. Za učinkovito čiščenje ob hkratnem zagotavljanju varnosti materiala substrata je treba parametre laserja prilagoditi glede na situacijo, da se zagotovi, da je gostota energije svetlobnega impulza strogo med obema pragoma. Leta 2001 so JM Lee in sodelavci izkoristili značilnost, da visokozmogljivi laserji pri fokusiranju proizvajajo plazemske udarne valove, in uporabili impulzni laser z gostoto energije 2,0 J/cm2 (veliko višje od praga poškodb silicijevih rezin) za obsevanje vzporedno s silicijevim rezinom, pri čemer so uspešno očistili 1 μm volframovih delcev, adsorbiranih na površini silicijeve rezine. Ta metoda čiščenja se imenuje lasersko plazemsko čiščenje z udarnimi valovi, strogo gledano pa je lasersko plazemsko čiščenje z udarnimi valovi vrsta suhega laserskega čiščenja. Prvotni namen teh treh tehnologij laserskega čiščenja je bil čiščenje drobnih delcev na površini polprevodniških rezin. Lahko rečemo, da se je tehnologija laserskega čiščenja pojavila z razvojem polprevodniške tehnologije. Vendar pa se tehnologija laserskega čiščenja nenehno uporablja tudi na drugih področjih, kot so čiščenje kalupov pnevmatik, odstranjevanje barve z oplate letal in obnova površinskih artefaktov. Med delovanjem laserskega sevanja se lahko na površino substrata vpihuje inertni plin. Ko se onesnaževalci odstranijo s površine, jih plin takoj odpihne s površine, da se prepreči ponovno onesnaženje in oksidacija površine.
Theuporaba tehnologije laserskega čiščenja
1) Na področju polprevodnikov čiščenje polprevodniških rezin in optičnih substratov vključuje isti postopek, ki je obdelava surovin v zahtevane oblike z rezanjem, brušenjem itd. Med tem postopkom se vnesejo delci onesnaževalcev, ki jih je težko odstraniti in povzročajo resne težave s ponavljajočo se kontaminacijo. Onesnaževalci na površini polprevodniških rezin lahko vplivajo na kakovost tiskanja tiskanih vezij in s tem skrajšajo življenjsko dobo polprevodniških čipov. Onesnaževalci na površini optičnih substratov lahko vplivajo na kakovost optičnih naprav in premazov ter lahko povzročijo neenakomerno porazdelitev energije, kar skrajša življenjsko dobo. Ker lasersko kemično čiščenje nagnjeno k poškodbam površine substrata, se ta metoda čiščenja manj uporablja pri čiščenju polprevodniških rezin in optičnih substratov. Lasersko mokro čiščenje in lasersko plazemsko čiščenje z udarnimi valovi imata na tem področju bolj uspešno uporabo. Xu Chuanyi in sodelavci so preučevali nanašanje mikroskopske posebne magnetne barve na površino ultra gladkih optičnih substratov v obliki dielektričnega filma in nato za čiščenje uporabili pulzni laser. Učinek čiščenja je bil dober, čeprav se je število delcev nečistoč na enoto površine povečalo, velikost in površina pokritosti delcev nečistoč pa sta se znatno zmanjšali. Ta metoda lahko učinkovito očisti mikroskopske delce nečistoč na površini ultra gladkih optičnih substratov. Zhang Ping je preučeval vpliv delovne razdalje in laserske energije na čistilni učinek onesnaževalcev različnih velikosti delcev v tehnologiji laserskega plazemskega čiščenja. Eksperimentalni rezultati so pokazali, da je bila za polistirenske delce na prevodnih steklenih substratih optimalna delovna razdalja za energijo 240 mJ 1,90 mm. Z naraščanjem laserske energije se je čistilni učinek znatno izboljšal, onesnaževalce z velikimi delci pa je bilo lažje očistiti.
2) Na področju kovinskih materialov se čiščenje površin kovinskih materialov razlikuje od čiščenja polprevodniških rezin in optičnih substratov. Onesnaževalci, ki jih je treba očistiti, spadajo v makroskopsko kategorijo. Onesnaževalci na površini kovinskih materialov vključujejo predvsem oksidno plast (plast rje), plast barve, premaz in druge dodatke ter jih lahko razvrstimo v organske onesnaževalce (kot so plast barve, premaz) in anorganske onesnaževalce (kot je plast rje). Čiščenje onesnaževalcev na površini kovinskih materialov je namenjeno predvsem izpolnjevanju zahtev nadaljnje obdelave ali uporabe, kot je odstranitev približno 10 μm oksidne plasti s površine delov iz titanove zlitine pred varjenjem, odstranitev originalne barvne prevleke na površini kože med večjimi popravili letal za lažje ponovno brizganje in redno čiščenje gumijastih delcev, pritrjenih na kalup gumijaste pnevmatike, da se zagotovi čistoča površine ter kakovost in življenjska doba kalupa. Prag poškodb kovinskih materialov je višji od praga laserskega čiščenja njihovih površinskih onesnaževalcev. Z izbiro ustreznega laserja moči je mogoče doseči boljši čistilni učinek. Ta tehnologija se na nekaterih področjih uporablja zrelo. Wang Lihua et al. preučevali uporabo tehnologije laserskega čiščenja pri obdelavi oksidnih plasti na površinah aluminijevih in titanovih zlitin. Rezultati raziskave so pokazali, da lahko z laserjem z gostoto energije 5,1 J/cm2 očistimo oksidno plast na površini aluminijeve zlitine A5083-111H, hkrati pa ohranimo dobro kakovost substrata, z uporabo pulznega laserja s povprečno močjo 100 W na način skeniranja pa lahko učinkovito očistimo oksidno plast na površini titanovih zlitin in izboljšamo trdoto površine materiala. Domača podjetja, kot so Ruike Laser, Daqu Laser in Shenzhen Chuangxin, so razvila opremo za lasersko čiščenje, ki se pogosto uporablja za čiščenje gumijastih kalupov, kot so pnevmatike, kovinske rje in oljnih madežev na površini komponent.
3) Na področju kulturnih relikvij je čiščenje kovinskih in kamnitih relikvij ter papirnatih površin nujno za odstranitev onesnaževalcev, kot so umazanija in madeži črnila, ki se pojavijo na njihovih površinah zaradi njihove dolge zgodovine. Te onesnaževalce je treba odstraniti za obnovo relikvij. Pri papirnatih delih, kot sta kaligrafija in slike, se ob nepravilnem shranjevanju na njihovih površinah pojavi plesen, ki tvori madeže. Te madeže resno vplivajo na prvotni videz papirja, zlasti pri papirju z visoko kulturno ali zgodovinsko vrednostjo, kar vpliva na njegovo cenjenje in zaščito. Zhao Ying in sodelavci so preučevali izvedljivost uporabe ultravijoličnega laserja za čiščenje madežev plesni na papirnatih zvitkih. Eksperimentalni rezultati so pokazali, da lahko z laserjem z gostoto energije 3,2 J/mm2 za enkratno skeniranje odstranite tanke madeže, z dvojnim skeniranjem pa lahko madeže popolnoma odstranite. Če pa je uporabljena laserska energija previsoka, se bodo madeži poškodovali na papirnatem zvitku. Zhang Xiaotong in sodelavci so uspešno obnovili pozlačeno bronasto relikvijo z metodo laserskega navpičnega obsevanja s tekočim filmom. Zhang Licheng in sodelavci so uporabili tehnologijo laserskega čiščenja pri obnovi poslikane ženske lončene figurice iz dinastije Han. Yuan Xiaodong in sodelavci... preučevali učinek tehnologije laserskega čiščenja pri čiščenju kamnitih relikvij in primerjali poškodbe peščenjakovega telesa pred in po čiščenju, pa tudi učinke čiščenja zaradi madežev črnila, onesnaženja z dimom in onesnaženja z barvo.
Zaključek: Tehnologija laserskega čiščenja je relativno napredna tehnika s širokimi raziskovalnimi in uporabnimi možnostmi na področjih visoke natančnosti, kot so vesoljska in vesoljska industrija, vojaška oprema ter elektronika in elektrotehnika. Trenutno se tehnologija laserskega čiščenja uspešno uporablja na nekaterih področjih zaradi svoje učinkovite, okolju prijazne in odlične čistilne učinkovitosti. Njena področja uporabe se postopoma širijo. Razvoj tehnologije laserskega čiščenja se ni zrelo uporabljal le na področjih, kot sta odstranjevanje barve in rje, temveč so v zadnjih letih poročali tudi o uporabi laserja za čiščenje oksidne plasti na kovinskih žicah. Širitev obstoječih področij uporabe in razvoj novih področij sta temelj razvoja tehnologije laserskega čiščenja. Raziskave in razvoj nove opreme za lasersko čiščenje ter razvoj nove opreme za lasersko čiščenje se bodo razlikovali, kar bo imelo za posledico različne funkcije. V prihodnosti je mogoče doseči tudi popolnoma avtomatsko lasersko čiščenje s sodelovanjem z industrijskimi roboti. Trend razvoja tehnologije laserskega čiščenja je naslednji:
(1) Okrepitev raziskav teorije laserskega čiščenja za usmerjanje uporabe tehnologije laserskega čiščenja. Po pregledu velikega števila dokumentov je bilo ugotovljeno, da ni zrelega teoretičnega sistema, ki bi podpiral tehnologijo laserskega čiščenja, in da večina študij temelji na poskusih. Vzpostavitev teoretičnega sistema laserskega čiščenja je temelj za nadaljnji razvoj in zrelost tehnologije laserskega čiščenja.
(2) Širitev obstoječih področij uporabe in nova področja uporabe. Tehnologija laserskega čiščenja se je uspešno uporabljala na področjih, kot sta odstranjevanje barve in rje, v zadnjih letih pa so poročali tudi o uporabi laserja za čiščenje oksidne plasti na kovinskih žicah. Širitev obstoječih področij uporabe in razvoj novih področij sta plodna tla za razvoj tehnologije laserskega čiščenja.
(3) Raziskave in razvoj nove opreme za lasersko čiščenje. Razvoj nove opreme za lasersko čiščenje bo pokazal diferenciacijo. Ena vrsta je oprema z določeno univerzalnostjo, ki pokriva več področij uporabe, na primer ena naprava lahko hkrati opravlja funkcije odstranjevanja barve in rje. Druga vrsta je specializirana oprema za posebne potrebe, kot je načrtovanje posebnih napeljav ali optičnih vlaken za doseganje funkcije čiščenja onesnaževal v majhnih prostorih. S sodelovanjem z industrijskimi roboti je priljubljena smer uporabe tudi popolnoma avtomatsko lasersko čiščenje.
Čas objave: 17. julij 2025
