Zasada, rodzaje i zastosowaniaczyszczenie laserowetechnologia
Technologia czyszczenia laserowego to udane zastosowanie technologii laserowej w inżynierii. Jej podstawową zasadą jest wykorzystanie wysokiej gęstości energii lasera do oddziaływania na zanieczyszczenia przylegające do podłoża przedmiotu obrabianego, powodując ich natychmiastowe oddzielenie od podłoża poprzez rozszerzalność cieplną, topnienie i odparowanie gazu. Technologia czyszczenia laserowego charakteryzuje się wysoką wydajnością, przyjaznością dla środowiska i energooszczędnością. Została z powodzeniem zastosowana w takich dziedzinach jak czyszczenie form opon, usuwanie farby z nadwozi samolotów oraz renowacja zabytków kultury.
Tradycyjne technologie czyszczenia obejmują:mechaniczne czyszczenie cierne(piaskowanie, czyszczenie strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem itp.), chemiczne czyszczenie antykorozyjne, czyszczenie ultradźwiękowe, czyszczenie suchym lodem itp. Te technologie czyszczenia są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Na przykład, piaskowanie może usuwać plamy rdzy na metalu, zadziory na powierzchniach metalowych oraz trójwarstwowy lakier na płytkach drukowanych poprzez dobór materiałów ściernych o różnej twardości. Technologia chemicznego czyszczenia antykorozyjnego jest szeroko stosowana do czyszczenia plam olejowych z powierzchni urządzeń, kamienia kotłowego i rurociągów naftowych. Chociaż te technologie czyszczenia są dobrze rozwinięte, nadal wiążą się z pewnymi problemami. Na przykład, piaskowanie może łatwo uszkodzić obrabianą powierzchnię, a chemiczne czyszczenie antykorozyjne może powodować zanieczyszczenie środowiska i korozję czyszczonej powierzchni, jeśli nie jest odpowiednio obsługiwane. Pojawienie się technologii czyszczenia laserowego stanowi rewolucję w technologii czyszczenia. Wykorzystuje ona wysoką gęstość energii, wysoką precyzję i efektywną transmisję energii laserowej, a także ma oczywiste zalety w porównaniu z tradycyjnymi technologiami czyszczenia pod względem wydajności, precyzji i miejsca czyszczenia. Pozwala skutecznie unikać zanieczyszczenia środowiska spowodowanego chemicznym czyszczeniem antykorozyjnym i innymi technologiami czyszczenia, a także nie powoduje uszkodzeń podłoża.
Tenzasada czyszczenia laserowego
Czym jest czyszczenie laserowe? Czyszczenie laserowe to proces, w którym wiązka laserowa jest używana do usuwania materiału z powierzchni ciała stałego (lub czasami cieczy). Przy niskim strumieniu laserowym materiał jest podgrzewany przez zaabsorbowaną energię lasera i odparowuje lub sublimuje. Przy wysokim strumieniu laserowym materiał zazwyczaj przekształca się w plazmę. Zazwyczaj czyszczenie laserowe odnosi się do usuwania materiału za pomocą laserów impulsowych, ale jeśli intensywność lasera jest wystarczająco wysoka, do ablacji materiału można użyć wiązki laserowej o fali ciągłej. Laser excimerowy głębokiego ultrafioletu jest używany głównie do ablacji optycznej. Długość fali lasera używanego do ablacji optycznej wynosi około 200 nm. Głębokość absorpcji energii lasera i ilość materiału usuniętego pojedynczym impulsem laserowym zależą od właściwości optycznych materiału, a także od długości fali lasera i długości impulsu. Całkowita masa usuwana z celu przez każdy impuls laserowy jest zwykle nazywana szybkością ablacji. Prędkość skanowania wiązki laserowej i zasięg linii skanowania itp. mają znaczący wpływ na proces ablacji.
Rodzaje technologii czyszczenia laserowego
1) Czyszczenie laserowe na sucho: Czyszczenie laserowe na sucho polega na bezpośrednim napromieniowaniu czyszczonego przedmiotu laserem impulsowym, co powoduje absorpcję energii i wzrost temperatury podłoża lub zanieczyszczeń powierzchniowych, co skutkuje rozszerzalnością cieplną lub wibracjami cieplnymi podłoża, a tym samym ich rozdzieleniem. Metodę tę można z grubsza podzielić na dwie sytuacje: po pierwsze, zanieczyszczenia powierzchniowe pochłaniają energię lasera i rozszerzają się; po drugie, podłoże absorbuje energię lasera i generuje wibracje cieplne. W 1969 roku SM Bedair i in. odkryli, że różne metody obróbki powierzchni, takie jak obróbka cieplna, korozja chemiczna i piaskowanie, mają różne wady. Jednocześnie wysoka gęstość energii po ogniskowaniu laserowym umożliwia zjawisko parowania powierzchni materiału, co umożliwia nieniszczące czyszczenie powierzchni materiału. Eksperymentalnie odkryto, że użycie rubinowego lasera Q-switch o gęstości mocy 30 MW/cm² pozwala na oczyszczenie powierzchni materiału krzemowego z zanieczyszczeń bez uszkadzania podłoża, a po raz pierwszy udało się przeprowadzić laserowe czyszczenie na sucho. Całkowitą szybkość można wyrazić jako szybkość odrywania fragmentów warstwy filmu, w następujący sposób:
We wzorze ε oznacza wskaźnik energii impulsu laserowego, h oznacza wskaźnik grubości warstwy zanieczyszczenia, a E oznacza wskaźnik modułu sprężystości warstwy zanieczyszczenia.
2) Czyszczenie laserowe na mokro: Przed wystawieniem czyszczonego przedmiotu na działanie lasera impulsowego, na powierzchnię nakładana jest ciekła powłoka. Pod wpływem lasera temperatura cieczy gwałtownie rośnie i odparowuje. W momencie odparowywania generowana jest fala uderzeniowa, która działa na cząstki zanieczyszczeń i powoduje ich odrywanie od podłoża. Metoda ta wymaga, aby podłoże i warstwa cieczy nie reagowały ze sobą, co ogranicza zakres możliwych do zastosowania materiałów. W 1991 roku K. Imen i in. zajęli się problemem pozostałości zanieczyszczeń o wielkości submikronowych cząstek na powierzchniach płytek półprzewodnikowych i materiałów metalowych po zastosowaniu tradycyjnych metod czyszczenia i badali zastosowanie powłoki na powierzchni podłoża, która może skutecznie absorbować energię lasera. Następnie, za pomocą lasera CO2, warstwa absorbowała energię lasera, gwałtownie rosła i wrzała, generując wybuchowe parowanie, które usuwało zanieczyszczenia z powierzchni podłoża. Ta metoda czyszczenia nazywana jest czyszczeniem laserowym na mokro.
3) Czyszczenie laserowe falą uderzeniową plazmową: Fale uderzeniowe plazmy laserowej powstają, gdy laser napromieniowuje powietrze, powodując powstanie sferycznej fali uderzeniowej. Fala uderzeniowa działa na powierzchnię czyszczonego przedmiotu i uwalnia energię, usuwając zanieczyszczenia. Laser nie działa na podłoże, dzięki czemu nie powoduje jego uszkodzenia. Technologia czyszczenia laserowego falą uderzeniową plazmy laserowej umożliwia obecnie czyszczenie cząstek o średnicy kilkudziesięciu nanometrów, bez ograniczeń długości fali lasera. Zasadę fizyczną czyszczenia plazmowego można streścić następująco: a) Wiązka laserowa emitowana przez laser jest absorbowana przez warstwę zanieczyszczeń na obrabianej powierzchni. b) Duża absorpcja tworzy szybko rozprężającą się plazmę (wysoko zjonizowany, niestabilny gaz) i generuje falę uderzeniową. c) Fala uderzeniowa powoduje fragmentację i usunięcie zanieczyszczeń. d) Szerokość impulsu świetlnego musi być wystarczająco krótka, aby uniknąć akumulacji cieplnej, która mogłaby uszkodzić obrabianą powierzchnię. e) Eksperymenty wykazały, że gdy na powierzchni metalu znajdują się tlenki, na powierzchni metalu wytwarzana jest plazma. Plazma powstaje tylko wtedy, gdy gęstość energii przekracza próg, który zależy od usuniętej warstwy zanieczyszczeń lub tlenku. Ten efekt progowy jest bardzo ważny dla skutecznego czyszczenia przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa materiału podłoża. Pojawienie się plazmy ma również drugi próg. Jeśli gęstość energii przekroczy ten próg, materiał podłoża zostanie uszkodzony. Aby przeprowadzić skuteczne czyszczenie przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa materiału podłoża, parametry lasera muszą być dostosowane do sytuacji, aby zapewnić, że gęstość energii impulsu światła mieści się ściśle między tymi dwoma progami. W 2001 roku JM Lee i in. wykorzystali właściwość, że lasery dużej mocy wytwarzają fale uderzeniowe plazmy po skupieniu i użyli lasera impulsowego o gęstości energii 2,0 J/cm2 (znacznie wyższej niż próg uszkodzenia płytek krzemowych) do napromieniowania równolegle do płytki krzemowej, skutecznie czyszcząc 1 μm cząsteczki wolframu zaadsorbowane na powierzchni płytki krzemowej. Ta metoda czyszczenia nazywa się czyszczeniem laserowo-plazmowym falą uderzeniową, a ściślej mówiąc, jest ona rodzajem suchego czyszczenia laserowego. Pierwotnym celem tych trzech technologii czyszczenia laserowego było czyszczenie drobnych cząsteczek z powierzchni płytek półprzewodnikowych. Można powiedzieć, że technologia czyszczenia laserowego pojawiła się wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowej. Jednakże technologia czyszczenia laserowego jest stale stosowana w innych dziedzinach, takich jak czyszczenie form opon, usuwanie farby z poszycia samolotów i odtwarzanie powierzchni artefaktów. Pod wpływem promieniowania laserowego na powierzchnię podłoża może być nadmuchiwany gaz obojętny. Po oderwaniu zanieczyszczeń od powierzchni, są one natychmiast zdmuchiwane przez gaz, aby zapobiec ponownemu zanieczyszczeniu i utlenianiu powierzchni.
Tenzastosowanie technologii czyszczenia laserowego
1) W dziedzinie półprzewodników czyszczenie płytek półprzewodnikowych i podłoży optycznych obejmuje ten sam proces, który polega na nadaniu surowcom wymaganych kształtów poprzez cięcie, szlifowanie itp. Podczas tego procesu wprowadzane są zanieczyszczenia w postaci cząstek, które są trudne do usunięcia i powodują poważne problemy z powtarzającymi się zanieczyszczeniami. Zanieczyszczenia na powierzchni płytek półprzewodnikowych mogą wpływać na jakość druku płytek drukowanych, skracając tym samym żywotność układów scalonych. Zanieczyszczenia na powierzchni podłoży optycznych mogą wpływać na jakość urządzeń optycznych i powłok oraz prowadzić do nierównomiernego rozkładu energii, skracając żywotność. Ponieważ laserowe czyszczenie na sucho jest podatne na uszkodzenie powierzchni podłoża, ta metoda czyszczenia jest rzadziej stosowana w czyszczeniu płytek półprzewodnikowych i podłoży optycznych. Czyszczenie laserowe na mokro i czyszczenie laserowo-plazmowe falą uderzeniową mają lepsze zastosowania w tej dziedzinie. Xu Chuanyi i in. Zbadano osadzanie mikroskalowej specjalnej farby magnetycznej na powierzchni ultragładkich podłoży optycznych w postaci filmu dielektrycznego, a następnie zastosowano laser impulsowy do czyszczenia. Efekt czyszczenia był dobry, chociaż liczba cząstek zanieczyszczeń na jednostkę powierzchni wzrosła, rozmiar i obszar pokrycia cząstek zanieczyszczeń uległy znacznemu zmniejszeniu. Ta metoda może skutecznie czyścić mikroskalowe cząstki zanieczyszczeń na powierzchni ultragładkich podłoży optycznych. Zhang Ping zbadał wpływ odległości roboczej i energii lasera na efekt czyszczenia zanieczyszczeń o różnej wielkości cząstek w technologii czyszczenia laserowo-plazmowego. Wyniki eksperymentów wykazały, że dla cząstek polistyrenu na przewodzących podłożach szklanych optymalna odległość robocza dla energii 240 mJ wynosiła 1,90 mm. Wraz ze wzrostem energii lasera efekt czyszczenia znacznie się poprawił, a zanieczyszczenia o dużych cząstkach były łatwiejsze do usunięcia.
2) W dziedzinie materiałów metalowych czyszczenie powierzchni metalowych różni się od czyszczenia płytek półprzewodnikowych i podłoży optycznych. Zanieczyszczenia, które należy oczyścić, należą do kategorii makroskopowej. Zanieczyszczenia na powierzchni materiałów metalowych obejmują głównie warstwę tlenków (warstwę rdzy), warstwę farby, powłokę i inne elementy, i można je podzielić na zanieczyszczenia organiczne (takie jak warstwa farby, powłoka) i nieorganiczne (takie jak warstwa rdzy). Czyszczenie powierzchni materiałów metalowych z zanieczyszczeń ma na celu przede wszystkim spełnienie wymagań późniejszego przetwarzania lub użytkowania, takich jak usunięcie około 10 μm warstwy tlenków z powierzchni części ze stopu tytanu przed spawaniem, usunięcie oryginalnej powłoki lakierniczej z powierzchni podczas głównych napraw samolotów w celu ułatwienia ponownego lakierowania oraz regularne czyszczenie cząstek gumy przyczepionych do formy opony gumowej w celu zapewnienia czystości powierzchni oraz jakości i żywotności formy. Próg uszkodzenia materiałów metalowych jest wyższy niż próg laserowego czyszczenia zanieczyszczeń ich powierzchni. Wybierając laser o odpowiedniej mocy, można uzyskać lepszy efekt czyszczenia. Technologia ta została już z powodzeniem zastosowana w niektórych dziedzinach. Wang Lihua i in. badali zastosowanie technologii czyszczenia laserowego w usuwaniu nalotu tlenkowego na powierzchniach stopów aluminium i stopów tytanu. Wyniki badań wykazały, że użycie lasera o gęstości energii 5,1 J/cm² może oczyścić warstwę tlenkową na powierzchni stopu aluminium A5083-111H, zachowując jednocześnie dobrą jakość podłoża, a użycie lasera impulsowego o średniej mocy 100 W w trybie skanowania może skutecznie oczyścić warstwę tlenkową na powierzchni stopów tytanu i poprawić twardość powierzchni materiału. Krajowe firmy, takie jak Ruike Laser, Daqu Laser i Shenzhen Chuangxin, opracowały urządzenia do czyszczenia laserowego, które są szeroko stosowane do czyszczenia form gumowych, takich jak opony, warstw rdzy metalowej i plam oleju na powierzchni komponentów.
3) W dziedzinie zabytków kultury, czyszczenie metalowych i kamiennych reliktów oraz powierzchni papierowych jest niezbędne w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak brud i plamy atramentu, które pojawiają się na ich powierzchniach z powodu ich długiej historii. Zanieczyszczenia te muszą zostać usunięte, aby przywrócić relikwie do pierwotnego stanu. W przypadku prac papierniczych, takich jak kaligrafia i obrazy, niewłaściwe przechowywanie powoduje rozwój pleśni na ich powierzchniach i powstawanie plam. Plamy te poważnie wpływają na oryginalny wygląd papieru, zwłaszcza papieru o wysokiej wartości kulturowej lub historycznej, co wpływa na jego wartość i ochronę. Zhao Ying i in. badali wykonalność zastosowania lasera ultrafioletowego do czyszczenia plam pleśni na zwojach papierowych. Wyniki eksperymentów wykazały, że użycie lasera o gęstości energii 3,2 J/mm² do jednokrotnego skanowania może usunąć cienkie plamy, a dwukrotne skanowanie może całkowicie usunąć plamy. Jednakże, jeśli użyta energia lasera jest zbyt wysoka, może uszkodzić zwój papierowy podczas usuwania plam. Zhang Xiaotong i in. z powodzeniem odrestaurowali pozłacaną relikwię z brązu, stosując metodę pionowego naświetlania laserem ciekłą warstwą. Zhang Licheng i in. zastosowali technologię czyszczenia laserowego do renowacji malowanej figurki ceramicznej kobiety z dynastii Han. Yuan Xiaodong i in. badali wpływ technologii czyszczenia laserowego na czyszczenie reliktów kamiennych i porównali uszkodzenia korpusu piaskowca przed i po czyszczeniu, a także wpływ czyszczenia plam atramentowych, dymu i farby.
Wnioski: Technologia czyszczenia laserowego jest stosunkowo zaawansowaną techniką, z szerokimi perspektywami badawczymi i zastosowania w dziedzinach wymagających wysokiej precyzji, takich jak przemysł lotniczy i kosmiczny, sprzęt wojskowy oraz elektrotechnika i elektrotechnika. Obecnie technologia czyszczenia laserowego jest z powodzeniem stosowana w niektórych obszarach, dzięki swojej wydajności, przyjazności dla środowiska i doskonałej wydajności czyszczenia. Jej obszary zastosowań stopniowo się rozszerzają. Rozwój technologii czyszczenia laserowego znalazł zastosowanie nie tylko w takich dziedzinach jak usuwanie farby i rdzy, ale w ostatnich latach pojawiły się również doniesienia o wykorzystaniu lasera do czyszczenia warstwy tlenków na drutach metalowych. Rozszerzenie istniejących obszarów zastosowań i rozwój nowych stanowią fundament rozwoju technologii czyszczenia laserowego. Badania i rozwój nowych urządzeń do czyszczenia laserowego oraz rozwój nowych urządzeń do czyszczenia laserowego będą się różnić, co przełoży się na różnorodne funkcje. W przyszłości możliwe będzie również osiągnięcie w pełni zautomatyzowanego czyszczenia laserowego poprzez współpracę z robotami przemysłowymi. Trend rozwoju technologii czyszczenia laserowego jest następujący:
(1) Wzmocnienie badań nad teorią czyszczenia laserowego w celu ukierunkowania stosowania technologii czyszczenia laserowego. Po przeanalizowaniu dużej liczby dokumentów stwierdzono, że nie istnieje żaden dojrzały system teoretyczny wspierający technologię czyszczenia laserowego, a większość badań opiera się na eksperymentach. Stworzenie teoretycznego systemu czyszczenia laserowego stanowi fundament dalszego rozwoju i dojrzałości technologii czyszczenia laserowego.
(2) Rozszerzenie istniejących i nowych obszarów zastosowań. Technologia czyszczenia laserowego została z powodzeniem zastosowana w takich obszarach jak usuwanie farby i rdzy, a w ostatnich latach pojawiły się doniesienia o wykorzystaniu lasera do czyszczenia warstwy tlenku na drutach metalowych. Rozszerzenie istniejących i rozwój nowych obszarów zastosowań stanowią żyzny grunt dla rozwoju technologii czyszczenia laserowego.
(3) Badania i rozwój nowych urządzeń do czyszczenia laserowego. Rozwój nowych urządzeń do czyszczenia laserowego będzie się różnił. Jednym z typów urządzeń jest sprzęt o pewnej uniwersalności, obejmujący wiele obszarów zastosowań, na przykład jedno urządzenie może jednocześnie usuwać farbę i rdzę. Drugim typem jest sprzęt specjalistyczny, przeznaczony do konkretnych potrzeb, na przykład do projektowania specjalnych opraw lub światłowodów, które umożliwiają czyszczenie zanieczyszczeń w małych przestrzeniach. Dzięki współpracy z robotami przemysłowymi, w pełni automatyczne czyszczenie laserowe jest również popularnym kierunkiem zastosowań.
Czas publikacji: 17 lipca 2025 r.
