Principiul, tipurile și aplicațiilecurățare cu lasertehnologie
Tehnologia de curățare cu laser este o aplicație de succes a tehnologiei laser în domeniul ingineriei. Principiul său de bază este de a utiliza densitatea mare de energie a laserului pentru a interacționa cu contaminanții aderă la substratul piesei de prelucrat, determinându-i să se separe de substrat sub formă de expansiune termică instantanee, topire și evaporare a gazelor. Tehnologia de curățare cu laser se caracterizează prin eficiență ridicată, respect pentru mediu și conservare a energiei. A fost aplicată cu succes în domenii precum curățarea matrițelor anvelopelor, îndepărtarea vopselei caroseriilor de aeronave și restaurarea vestigiilor culturale.
Tehnologiile tradiționale de curățare includcurățare mecanică prin frecare(curățare prin sablare, curățare cu jet de apă de înaltă presiune etc.), curățare chimică prin coroziune, curățare cu ultrasunete, curățare cu gheață carbonică etc. Aceste tehnologii de curățare au fost utilizate pe scară largă în diverse industrii. De exemplu, curățarea prin sablare poate îndepărta petele de rugină metalică, bavurile de pe suprafețele metalice și lacul triplu rezistent de pe plăcile de circuit prin selectarea abrazivilor de diferite durități. Tehnologia de curățare chimică prin coroziune este utilizată pe scară largă în curățarea petelor de ulei de pe suprafețele echipamentelor, a depunerilor de calcar din cazane și conducte de petrol. Deși aceste tehnologii de curățare au fost bine dezvoltate, ele încă prezintă unele probleme. De exemplu, curățarea prin sablare poate provoca cu ușurință deteriorarea suprafeței tratate, iar curățarea chimică prin coroziune poate provoca poluarea mediului și coroziunea suprafeței curățate dacă nu este manipulată corespunzător. Apariția tehnologiei de curățare cu laser reprezintă o revoluție în tehnologia de curățare. Aceasta profită de densitatea mare de energie, precizia ridicată și transmiterea eficientă a energiei laser și are avantaje evidente față de tehnologiile tradiționale de curățare în ceea ce privește eficiența curățării, precizia curățării și locația curățării. Poate evita eficient poluarea mediului cauzată de curățarea chimică prin coroziune și alte tehnologii de curățare și nu va provoca deteriorarea substratului.
Cel/Cea/Cei/Celeprincipiul curățării cu laser
Deci, ce este curățarea cu laser? Curățarea cu laser este un proces în care se utilizează un fascicul laser pentru a îndepărta materialul de pe suprafața unui solid (sau uneori a unui lichid). La un flux laser scăzut, materialul este încălzit de energia laser absorbită și se evaporă sau se sublimează. La un flux laser ridicat, materialul se transformă de obicei în plasmă. De obicei, curățarea cu laser se referă la îndepărtarea materialului folosind lasere pulsate, dar dacă intensitatea laserului este suficient de mare, se poate utiliza un fascicul laser cu undă continuă pentru ablația materialului. Laserul excimer cu lumină ultravioletă profundă este utilizat în principal pentru ablația optică. Lungimea de undă a laserului utilizată pentru ablația optică este de aproximativ 200 nm. Adâncimea de absorbție a energiei laserului și cantitatea de material îndepărtată de un singur impuls laser depind de proprietățile optice ale materialului, precum și de lungimea de undă a laserului și de lungimea impulsului. Masa totală ablaționată de pe țintă de fiecare impuls laser se numește de obicei rată de ablație. Viteza de scanare a fasciculului laser și acoperirea liniei de scanare etc. vor afecta semnificativ procesul de ablație.
Tipuri de tehnologie de curățare cu laser
1) Curățare chimică cu laser: Curățarea chimică cu laser se referă la iradierea directă a piesei de lucru curățate cu laser pulsat, determinând baza sau contaminanții de suprafață să absoarbă energie și să crească temperatura, rezultând dilatarea termică sau vibrația termică a bazei, separându-le astfel pe cele două. Această metodă poate fi împărțită aproximativ în două situații: una este aceea că contaminanții de suprafață absorb energia laserului și se extind; cealaltă este aceea că baza absoarbe energia laserului și generează vibrații termice. În 1969, SM Bedair și colab. au descoperit că diverse metode de tratare a suprafeței, cum ar fi tratamentul termic, coroziunea chimică și curățarea prin sablare, au toate dezavantaje diferite. În același timp, densitatea mare de energie după focalizarea cu laser poate face posibil fenomenul de evaporare a suprafeței materialului, ceea ce permite posibilitatea curățării nedistructive a suprafeței materialului. Prin experimente, s-a constatat că utilizarea unui laser cu comutare Q cu rubin cu o densitate de putere de 30 MW/cm2 poate realiza curățarea contaminanților de suprafață a materialului siliciu fără a deteriora baza și, pentru prima dată, a fost realizată curățarea chimică cu laser a contaminanților de suprafață a materialului. Rata globală poate fi exprimată prin rata de desprindere a fragmentelor stratului de film, după cum urmează:
În formulă, ε reprezintă indicele energiei impulsului laser, h reprezintă indicele de grosime al stratului de peliculă poluantă, iar E reprezintă indicele modulului de elasticitate al stratului de peliculă.
2) Curățare umedă cu laser: Înainte ca piesa de prelucrat care urmează să fie curățată să fie expusă la laserul pulsat, se aplică o peliculă lichidă de pre-acoperire a suprafeței. Sub acțiunea laserului, temperatura peliculei lichide crește rapid și se vaporizează. În momentul vaporizării, se generează o undă de impact, care acționează asupra particulelor poluante și le face să se desprindă de substrat. Această metodă necesită ca substratul și pelicula lichidă să nu reacționeze unul cu celălalt, limitând astfel gama de materiale aplicabile. În 1991, K. Imen și colab. au abordat problema poluanților reziduali submicronici de pe suprafețele napolitanelor semiconductoare și ale materialelor metalice după utilizarea metodelor tradiționale de curățare și au studiat aplicarea acoperirii unei pelicule pe suprafața substratului materialului care poate absorbi eficient energia laserului. Ulterior, folosind un laser CO2, pelicula a absorbit energia laserului și a crescut rapid în temperatură și a fiert, generând vaporizare explozivă, care a îndepărtat poluanții de pe suprafața substratului. Această metodă de curățare se numește curățare umedă cu laser.
3) Curățarea cu undă de șoc cu plasmă laser: Undele de șoc cu plasmă laser sunt generate atunci când laserul iradiază mediul de aer și provoacă formarea unei unde de șoc sferice cu plasmă. Unda de șoc acționează asupra suprafeței piesei de prelucrat care urmează să fie curățată și eliberează energie pentru a îndepărta poluanții. Laserul nu acționează asupra substratului, prin urmare, nu provoacă daune substratului. Tehnologia de curățare cu undă de șoc cu plasmă laser poate acum curăța particule cu diametre de câteva zeci de nanometri și nu există restricții privind lungimea de undă a laserului. Principiul fizic al curățării cu plasmă poate fi rezumat după cum urmează: a) Fasciculul laser emis de laser este absorbit de stratul de contaminare de pe suprafața tratată. b) Cantitatea mare de absorbție formează o plasmă cu expansiune rapidă (gaz instabil puternic ionizat) și generează o undă de impact. c) Unda de impact face ca poluanții să se fragmenteze și să fie îndepărtați. d) Lățimea impulsului de lumină trebuie să fie suficient de scurtă pentru a evita acumularea termică care ar putea deteriora suprafața tratată. e) Experimentele au arătat că atunci când există oxizi pe suprafața metalului, se generează plasmă pe suprafața metalului. Plasma este generată doar atunci când densitatea energiei depășește pragul, care depinde de stratul de contaminare sau de stratul de oxid îndepărtat. Acest efect de prag este foarte important pentru o curățare eficientă, asigurând în același timp siguranța materialului substratului. Aspectul plasmei are și un al doilea prag. Dacă densitatea energiei depășește acest prag, materialul substratului va fi deteriorat. Pentru a efectua o curățare eficientă, asigurând în același timp siguranța materialului substratului, parametrii laserului trebuie ajustați în funcție de situație pentru a se asigura că densitatea energiei impulsului luminos se află strict între cele două praguri. În 2001, JM Lee și colab. au utilizat caracteristica conform căreia laserele de mare putere produc unde de șoc plasmatice atunci când sunt focalizate și au folosit un laser cu impulsuri cu o densitate de energie de 2,0 J/cm2 (mult mai mare decât pragul de deteriorare al napolitanelor de siliciu) pentru a iradia paralel cu napolitana de siliciu, curățând cu succes particule de tungsten de 1 μm adsorbite pe suprafața napolitanei de siliciu. Această metodă de curățare se numește curățare cu unde de șoc plasmatice cu laser și, strict vorbind, curățarea cu unde de șoc plasmatice cu laser este un tip de curățare uscată cu laser. Scopul inițial al acestor trei tehnologii de curățare cu laser a fost curățarea particulelor minuscule de pe suprafața napolitanelor semiconductoare. Se poate spune că tehnologia de curățare cu laser a apărut odată cu dezvoltarea tehnologiei semiconductorilor. Cu toate acestea, tehnologia de curățare cu laser a fost aplicată continuu și în alte domenii, cum ar fi curățarea matrițelor anvelopelor, îndepărtarea vopselei de pe învelișurile aeronavelor și restaurarea suprafețelor artefactelor. Sub radiația laser, gazul inert poate fi suflat pe suprafața substratului. Când contaminanții sunt îndepărtați de pe suprafață, aceștia vor fi imediat suflați de pe suprafață de către gaz pentru a evita repoluarea și oxidarea suprafeței.
Cel/Cea/Cei/Celeaplicarea tehnologiei de curățare cu laser
1) În domeniul semiconductorilor, curățarea napolitanelor semiconductoare și a substraturilor optice implică același proces, și anume procesarea materiilor prime în formele necesare prin tăiere, șlefuire etc. În timpul acestui proces, se introduc particule contaminante, care sunt dificil de îndepărtat și cauzează probleme severe de contaminare repetată. Contaminanții de pe suprafața napolitanelor semiconductoare pot afecta calitatea imprimării pe plăcile de circuit, scurtând astfel durata de viață a cipurilor semiconductoare. Contaminanții de pe suprafața substraturilor optice pot afecta calitatea dispozitivelor optice și a acoperirilor și pot duce la o distribuție inegală a energiei, scurtând durata de viață. Deoarece curățarea chimică cu laser este predispusă la deteriorarea suprafeței substratului, această metodă de curățare este mai puțin utilizată în curățarea napolitanelor semiconductoare și a substraturilor optice. Curățarea umedă cu laser și curățarea cu unde de șoc cu plasmă laser au aplicații mai reușite în acest domeniu. Xu Chuanyi și colab. au studiat depunerea de vopsea magnetică specială la scară micro pe suprafața substraturilor optice ultra-netede ca peliculă dielectrică și apoi au utilizat un laser pulsat pentru curățare. Efectul de curățare a fost bun, deși numărul de particule de impuritate pe unitatea de suprafață a crescut, dimensiunea și aria de acoperire a particulelor de impuritate au fost reduse semnificativ. Această metodă poate curăța eficient particulele de impuritate la scară micrometrică de pe suprafața substraturilor optice ultra-netede. Zhang Ping a studiat influența distanței de lucru și a energiei laser asupra efectului de curățare a contaminanților de diferite dimensiuni ale particulelor în tehnologia de curățare cu plasmă laser. Rezultatele experimentale au arătat că, pentru particulele de polistiren pe substraturi de sticlă conductivă, distanța de lucru optimă pentru o energie de 240 mJ a fost de 1,90 mm. Pe măsură ce energia laserului a crescut, efectul de curățare s-a îmbunătățit semnificativ, iar contaminanții cu particule mari au fost mai ușor de curățat.
2) În domeniul materialelor metalice, curățarea suprafețelor materialelor metalice este diferită de curățarea plachetelor semiconductoare și a substraturilor optice. Contaminanții care trebuie curățați aparțin categoriei macroscopice. Contaminanții de pe suprafața materialelor metalice includ în principal stratul de oxid (stratul de rugină), stratul de vopsea, stratul de acoperire și alte atașamente și pot fi clasificați în contaminanți organici (cum ar fi stratul de vopsea, stratul de acoperire) și contaminanți anorganici (cum ar fi stratul de rugină). Curățarea contaminanților de pe suprafața materialelor metalice are ca scop principal îndeplinirea cerințelor prelucrării sau utilizării ulterioare, cum ar fi îndepărtarea a aproximativ 10 μm de strat de oxid de pe suprafața pieselor din aliaj de titan înainte de sudare, îndepărtarea stratului de vopsea original de pe suprafața pielii în timpul reparațiilor majore ale aeronavei pentru a facilita re-pulverizarea și curățarea regulată a particulelor de cauciuc atașate de matrița anvelopei de cauciuc pentru a asigura curățenia suprafeței și calitatea și durata de viață a matriței. Pragul de deteriorare a materialelor metalice este mai mare decât pragul de curățare cu laser al contaminanților de suprafață. Prin selectarea unui laser de putere adecvat, se poate obține un efect de curățare mai bun. Această tehnologie a fost aplicată cu maturitate în anumite domenii. Wang Lihua și colab. a studiat aplicarea tehnologiei de curățare cu laser în tratarea peliculelor de oxid de pe suprafețele aliajelor de aluminiu și aliajelor de titan. Rezultatele cercetării au arătat că utilizarea unui laser cu o densitate de energie de 5,1 J/cm2 poate curăța stratul de oxid de pe suprafața aliajului de aluminiu A5083-111H, menținând în același timp calitatea bună a substratului, iar utilizarea unui laser pulsat cu o putere medie de 100 W în mod de scanare poate curăța eficient stratul de oxid de pe suprafața aliajelor de titan și poate îmbunătăți duritatea suprafeței materialului. Companii autohtone precum Ruike Laser, Daqu Laser și Shenzhen Chuangxin au dezvoltat echipamente de curățare cu laser care au fost utilizate pe scară largă pentru curățarea matrițelor de cauciuc, cum ar fi anvelopele, a straturilor de rugină metalică și a petelor de ulei de pe suprafața componentelor.
3) În domeniul relicvelor culturale, curățarea relicvelor din metal și piatră și a suprafețelor de hârtie este necesară pentru a îndepărta contaminanții precum murdăria și petele de cerneală care apar pe suprafețele lor datorită istoriei lor îndelungate. Acești contaminanți trebuie îndepărtați pentru a restaura relicvele. În cazul lucrărilor pe hârtie, cum ar fi caligrafia și picturile, atunci când sunt depozitate necorespunzător, mucegaiul crește pe suprafețele lor și formează pete. Aceste pete afectează serios aspectul original al hârtiei, în special în cazul hârtiei cu valoare culturală sau istorică ridicată, ceea ce va afecta aprecierea și protejarea acesteia. Zhao Ying și colab. au studiat fezabilitatea utilizării laserului ultraviolete pentru curățarea petelor de mucegai de pe sulurile de hârtie. Rezultatele experimentale au arătat că utilizarea unui laser cu o densitate de energie de 3,2 J/mm2 pentru o scanare o dată ar putea îndepărta petele subțiri, iar scanarea de două ori ar putea îndepărta complet petele. Cu toate acestea, dacă energia laser utilizată este prea mare, aceasta va deteriora sulul de hârtie în timp ce îndepărtează petele. Zhang Xiaotong și colab. au restaurat cu succes o relicvă din bronz aurit folosind metoda peliculei lichide cu iradiere verticală cu laser. Zhang Licheng și colab. au folosit tehnologia de curățare cu laser în restaurarea unei figurine feminine din ceramică pictată din Dinastia Han. Yuan Xiaodong și colab. a studiat efectul tehnologiei de curățare cu laser în curățarea relictelor de piatră și a comparat deteriorarea corpului de gresie înainte și după curățare, precum și efectele de curățare ale petelor de cerneală, poluării cu fum și poluării cu vopsea.
Concluzie: Tehnologia de curățare cu laser este o tehnică relativ avansată, cu perspective largi de cercetare și aplicare în domenii de înaltă precizie, cum ar fi industria aerospațială, echipamentele militare și ingineria electronică și electrică. În prezent, tehnologia de curățare cu laser a fost aplicată cu succes în anumite domenii, datorită eficienței, ecologicității și performanței sale excelente de curățare. Domeniile sale de aplicare se extind treptat. Dezvoltarea tehnologiei de curățare cu laser nu numai că a fost aplicată cu maturitate în domenii precum îndepărtarea vopselei și îndepărtarea ruginii, dar au existat și rapoarte despre utilizarea laserului pentru curățarea stratului de oxid de pe firele metalice în ultimii ani. Extinderea domeniilor de aplicare existente și dezvoltarea de noi domenii stau la baza dezvoltării tehnologiei de curățare cu laser. Cercetarea și dezvoltarea de noi echipamente de curățare cu laser și dezvoltarea de noi echipamente de curățare cu laser vor demonstra diferențiere, rezultând diverse funcții. În viitor, este posibilă și realizarea unei curățări cu laser complet automate prin cooperarea cu roboți industriali. Tendința de dezvoltare a tehnologiei de curățare cu laser este următoarea:
(1) Consolidarea cercetării privind teoria curățării cu laser pentru a ghida aplicarea tehnologiei de curățare cu laser. În urma analizării unui număr mare de documente, s-a constatat că nu există un sistem teoretic matur care să susțină tehnologia de curățare cu laser, iar majoritatea studiilor se bazează pe experimente. Stabilirea unui sistem teoretic de curățare cu laser este fundamentul pentru dezvoltarea și maturizarea ulterioară a tehnologiei de curățare cu laser.
(2) Extinderea domeniilor de aplicare existente și dezvoltarea de noi domenii de aplicare. Tehnologia de curățare cu laser a fost aplicată cu succes în domenii precum îndepărtarea vopselei și a ruginii, iar în ultimii ani au existat rapoarte despre utilizarea laserului pentru curățarea stratului de oxid de pe firele metalice. Extinderea domeniilor de aplicare existente și dezvoltarea de noi domenii reprezintă un teren fertil pentru dezvoltarea tehnologiei de curățare cu laser.
(3) Cercetarea și dezvoltarea de noi echipamente de curățare cu laser. Dezvoltarea de noi echipamente de curățare cu laser va demonstra diferențiere. Un tip este format din echipamente cu o anumită universalitate care acoperă mai multe domenii de aplicare, cum ar fi un dispozitiv care poate realiza simultan funcții de îndepărtare a vopselei și de îndepărtare a ruginii. Celălalt tip este format din echipamente specializate pentru nevoi specifice, cum ar fi proiectarea de corpuri de iluminat specifice sau fibre optice pentru a îndeplini funcția de curățare a poluanților în spații mici. Prin cooperarea cu roboții industriali, curățarea complet automată cu laser este, de asemenea, o direcție de aplicare populară.
Data publicării: 17 iulie 2025
