Tehnologie de curățare cu lasereste o aplicație de succes a tehnologiei laser în domeniul ingineriei. Principiul său de bază valorifică densitatea mare de energie a laserelor pentru a permite interacțiunea dintre fasciculele laser și contaminanții care aderă la substraturile pieselor de prelucrat. Contaminanții sunt separați de substraturi prin expansiune termică instantanee, topire, volatilizare a gazelor și alte mecanisme. Având o eficiență ridicată, un respect pentru mediu și o economisire a energiei, tehnologia de curățare cu laser a fost aplicată cu succes în curățarea matrițelor anvelopelor, îndepărtarea vopselei caroseriilor de aeronave, restaurarea relicvelor culturale și alte domenii.
Tehnologiile tradiționale de curățare includ curățarea mecanică prin frecare (sablare, curățarea cu jet de apă de înaltă presiune etc.), curățarea chimică prin coroziune, curățarea cu ultrasunete, curățarea cu gheață carbonică și multe altele. Aceste tehnologii sunt utilizate pe scară largă în diverse industrii. De exemplu, sablarea poate îndepărta petele de rugină metalică, bavurile de suprafață și acoperirile conforme de pe plăcile de circuit prin selectarea abrazivilor de duritate variabilă. Curățarea chimică prin coroziune este adoptată pe scară largă pentru îndepărtarea depunerilor de ulei de la suprafața echipamentelor, curățarea depunerilor de cazane și desfundarea conductelor de petrol. Deși metodele tradiționale mature au dezavantaje notabile: sablarea deteriorează ușor suprafețele tratate, iar curățarea chimică prin coroziune provoacă poluarea mediului și poate coroda substraturile dacă este utilizată necorespunzător. Apariția curățării cu laser marchează o revoluție în tehnologia de curățare. Utilizând densitatea mare de energie, precizia și transmisia eficientă a laserelor, curățarea cu laser depășește metodele tradiționale în ceea ce privește eficiența, precizia și poziționarea curățării. Elimină poluarea mediului cauzată de curățarea chimică și nu provoacă daune substraturilor.
Principiile curățării cu laser
Ce este mai exact curățarea cu laser? Se referă la procesul de îndepărtare a materialelor de pe suprafețe solide (sau ocazional lichide) prin iradiere cu fascicul laser. La fluență laser scăzută, energia laser absorbită încălzește materialele, provocând evaporarea sau sublimarea. La fluență laser mare, materialele se transformă de obicei în plasmă. Curățarea cu laser utilizează de obicei lasere pulsate pentru îndepărtarea materialelor, deși fasciculele laser cu undă continuă pot abla materiale la o intensitate suficientă. Laserele excimeri ultraviolete profunde, cu lungimi de undă în jur de 200 nm, sunt utilizate în principal pentru fotoablație.
Adâncimeaenergie laserAbsorbția și cantitatea de material îndepărtată per impuls depind de proprietățile optice ale materialului, precum și de lungimea de undă a laserului și de durata impulsului. Masa totală ablaționată de pe o țintă per impuls este definită ca rată de ablație. Caracteristicile radiației laser, cum ar fi viteza de scanare și acoperirea liniei, influențează semnificativ procesul de ablație.
Tipuri de tehnologie de curățare cu laser
1) Curățare chimică cu laser
Curățarea chimică cu laser implicăiradiere laser pulsată directă a pieselor de prelucrat. Contaminanții sau substraturile absorb energia laserului, crescându-le temperatura și inducând expansiune termică sau vibrație termică a substratului, care separă contaminanții de substraturi. Aceasta se întâmplă în două scenarii: fie contaminanții de suprafață absorb energia laserului și se extind, fie substraturile absorb energie și vibrează termic.
În 1969, SM Bedair și colab. au descoperit că tratamentele convenționale de suprafață (tratament termic, coroziune chimică, sablare) aveau toate limitări. Aceștia au observat că densitatea mare de energie a laserelor focalizate putea vaporiza materialele de suprafață fără a deteriora substraturile. Experimentele au confirmat că un laser rubin cu comutare Q și o densitate de putere de 30 MW/cm² putea curăța contaminanții de pe suprafețele de siliciu fără a deteriora substratul, marcând prima implementare a curățării chimice cu laser.
Rata generală de curățare poate fi exprimată prin rata de desprindere a resturilor de peliculă, așa cum se arată mai jos:
(Formulă: ε—indicele energiei impulsului laser; h—indicele grosimii peliculei contaminante; E—indicele modulului de elasticitate al peliculei)
2) Curățare umedă cu laser
Înainte de iradierea cu laser pulsat, o peliculă lichidă este pre-acoperită pe suprafața piesei de prelucrat. Energia laserului încălzește și vaporizează rapid pelicula, generând o undă de șoc instantanee care desprinde particulele contaminante de substrat. Această metodă nu necesită nicio reacție chimică între substrat și pelicula lichidă, limitând materialele aplicabile.
În 1991, K. Imen și colab. au studiat contaminanții reziduali submicronici de pe napolitanele și metalele semiconductoare după curățarea convențională. Au acoperit substraturile cu o peliculă absorbantă de laser și au iradiat-o cu un laser CO₂. Pelicula a absorbit energia, s-a încălzit rapid, a fiert și a suferit o vaporizare explozivă, îndepărtând contaminanții de suprafață - aceasta definește curățarea umedă cu laser.
3) Curățare cu plasmă laser cu unde de șoc
Undele de șoc ale plasmei laser se formează atunci când laserele ionizează aerul în unde de șoc sferice ale plasmei în timpul iradierii. Aceste unde de șoc lovesc substraturile, eliberând energie pentru a îndepărta contaminanții fără a deteriora substratul (laserele nu interacționează direct cu substraturile). Această tehnologie curăță particule de până la zeci de nanometri și nu impune restricții asupra lungimii de undă a laserului.
Principiile fizice ale curățării cu plasmă sunt rezumate după cum urmează:
a) Fasciculele laser sunt absorbite de stratul de contaminant de pe suprafața țintă.
b) Absorbția mare de energie formează plasmă în expansiune rapidă (gaz instabil puternic ionizat), generând unde de șoc.
c) Undele de șoc fragmentează și îndepărtează contaminanții.
d) Impulsurile laser trebuie să fie suficient de scurte pentru a evita acumularea de căldură care ar putea deteriora substratul.
e) Experimentele arată că se formează plasmă pe suprafețele metalice atunci când sunt prezenți oxizi.
Generarea de plasmă are loc numai peste un anumit prag al densității de energie, care depinde de contaminantul sau stratul de oxid care trebuie îndepărtat. Există un al doilea prag mai mare, dincolo de care substratul este deteriorat. Pentru a asigura o curățare eficientă fără a afecta substratul, parametrii laserului trebuie ajustați pentru a menține densitatea energiei impulsurilor între cele două praguri.
În 2001, JM Lee și colab. au valorificat undele de șoc plasmatice de la lasere focalizate de mare putere. Un laser pulsat cu o densitate de energie de 2,0 J/cm² (depășind cu mult pragul de deteriorare al siliciului) a iradiat paralel napolitane de siliciu, îndepărtând cu succes particule de tungsten de 1 μm. Strict vorbind, curățarea cu unde de șoc plasmatice laser este un subset al curățării chimice.
Inițial dezvoltate pentru a îndepărta particulele microscopice de pe napolitanele semiconductoare, aceste trei tehnologii de curățare cu laser s-au extins la curățarea matrițelor anvelopelor, îndepărtarea vopselei de pe învelișul aeronavelor, restaurarea relicvelor culturale și multe altele. Gaz inert poate fi suflat pe substraturi în timpul iradierii cu laser pentru a îndepărta instantaneu contaminanții desprinși, prevenind recontaminarea și oxidarea.
Aplicații ale tehnologiei de curățare cu laser
1) Industria semiconductorilor: Curățarea plachetelor semiconductoare și a substraturilor optice
Napolitanele semiconductoare și substraturile optice trec prin etape de procesare identice (tăiere, șlefuire) pentru a forma formele dorite, introducând contaminanți de particule care sunt dificil de îndepărtat și predispuși la recontaminare. Contaminanții de pe napolitane afectează calitatea imprimării circuitelor și scurtează durata de viață a cipurilor. Pe substraturile optice, aceștia degradează performanța dispozitivului optic și a acoperirii, provocând o distribuție inegală a energiei și o durată de viață redusă.
Curățarea chimică cu laser este rar utilizată aici din cauza riscurilor de deteriorare a substratului, în timp ce curățarea umedă și curățarea cu unde de șoc cu plasmă au numeroase aplicații de succes. Xu Chuanyi și colab. au depus vopsea magnetică la scară micronică sub formă de peliculă dielectrică pe substraturi optice ultra-netede, realizând o curățare laser pulsată eficientă. Deși particulele totale de impurități au crescut, dimensiunea și acoperirea acestora au scăzut semnificativ. Zhang Ping a studiat efectele distanței de lucru și ale energiei laserului asupra eficienței curățării pentru particule de diferite dimensiuni. Experimentele au arătat că un laser de 240 mJ a realizat o curățare optimă a particulelor de polistiren pe sticlă conductivă la o distanță de lucru de 1,90 mm. Eficiența curățării s-a îmbunătățit odată cu o energie laser mai mare, iar particulele mai mari au fost mai ușor de îndepărtat.
2) Industria metalurgică: Curățarea suprafețelor metalice
Curățarea suprafețelor metalice vizează contaminanții macroscopici: straturi de oxid/rugină, vopsea, acoperiri și alte atașamente, clasificate ca contaminanți organici (vopsea, acoperiri) sau anorganici (rugină). Curățarea îndeplinește cerințele ulterioare de procesare/utilizare: de exemplu, îndepărtarea straturilor de oxid cu grosimea de 10 μm de pe aliajele de titan înainte de sudare, îndepărtarea vopselei de pe învelișurile aeronavelor pentru revopsire și curățarea reziduurilor de cauciuc de pe matrițele de anvelope pentru a asigura calitatea produsului și durata de viață a matriței.
Metalele au praguri de deteriorare mai mari decât pragurile lor de curățare a contaminanților, permițând o curățare eficientă cu lasere cu putere corespunzătoare. Aplicațiile mature includ: Wang Lihua și colab. au demonstrat că un laser de 5,1 J/cm² a îndepărtat straturile de oxid din aliajul de aluminiu A5083-111H, păstrând în același timp calitatea substratului, iar un laser pulsat de 100 W a curățat eficient straturile de oxid din aliajul de titan și a îmbunătățit duritatea suprafeței. Producătorii autohtoni (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) furnizează pe scară largă echipamente de curățare cu laser pentru matrițe de cauciuc, îndepărtarea ruginii metalice și a uleiului din componente.
3) Conservarea relicvelor culturale: Curățarea relicvelor culturale și a artefactelor din hârtie
Relicvele culturale din metal și piatră acumulează murdărie, pete de cerneală și alți contaminanți în timp, necesitând îndepărtarea pentru a restabili aspectul original. Artefactele din hârtie (picturi, caligrafie) dezvoltă mucegai și plăci în timpul depozitării necorespunzătoare, afectându-le grav starea și valoarea culturală/istorică.
Zhao Ying și colab. au verificat curățarea cu laser UV a plăcilor de mucegai de pe hârtia de orez: o singură scanare la 3,2 J/mm² a îndepărtat plăcile subțiri, în timp ce două scanări au realizat îndepărtarea completă; energia laser excesivă a deteriorat hârtia. Zhang Xiaotong a restaurat cu succes un artefact din bronz aurit folosind metoda umedă cu laser. Zhang Licheng a aplicat curățarea cu laser pe o figurină feminină din ceramică pictată din dinastia Han. Yuan Xiaodong și colab. au evaluat eficacitatea curățării cu laser pentru relicvele de piatră, comparând deteriorarea substratului și eficiența de îndepărtare a petelor de cerneală, fum și vopsea de pe gresie.
Concluzie
Curățarea cu laser este o tehnologie avansată cu perspective largi de cercetare și aplicare în industria aerospațială, echipamente militare, electronică și alte domenii de înaltă precizie. Maturizată în multiple industrii datorită eficienței sale, ecologice și rezultatelor superioare de curățare, aplicațiile sale continuă să se extindă. Dincolo de îndepărtarea consacrată a vopselei și a ruginii, progresele recente includ curățarea cu laser a straturilor de oxid de pe firele metalice. Dezvoltarea viitoare depinde de extinderea aplicațiilor existente, intrarea în noi domenii și inovarea echipamentelor:
- Consolidarea cercetării teoretice pentru a ghida aplicațiile practice. Cercetarea actuală se bazează în mare măsură pe experimente, lipsind un cadru teoretic matur. Stabilirea unui astfel de cadru este esențială pentru maturitatea tehnologică.
- Extindeți aplicațiile în domenii existente și noi. Maturizat în îndepărtarea vopselei/ruginii, utilizările emergente includ curățarea oxidului din sârmă metalică, oferind un teren fertil pentru creștere.
- Dezvoltarea de noi echipamente de curățare cu laser, divergând către dispozitive universale multifuncționale (de exemplu, îndepărtarea combinată a vopselei/ruginii) și unelte specializate (de exemplu, dispozitive/fibre personalizate pentru spații restrânse). Automatizarea completă prin integrarea cu roboți industriali este o direcție promițătoare.
Data publicării: 14 mai 2026
