Принципът, видовете и приложенията на технологията за лазерно почистване

Принципът, видовете и приложенията налазерно почистванетехнология

Технологията за лазерно почистване е успешно приложение на лазерната технология в областта на инженерството. Основният ѝ принцип е да използва високата енергийна плътност на лазера за взаимодействие със замърсителите, полепнали по основата на детайла, което води до отделянето им от основата под формата на мигновено термично разширение, топене и изпаряване на газ. Технологията за лазерно почистване се характеризира с висока ефективност, екологичност и енергоспестяване. Тя е успешно приложена в области като почистване на гуми, премахване на боя от каросерии на самолети и реставрация на културни реликви.

Традиционните технологии за почистване включватмеханично почистване с триене(пясъкоструйно почистване, почистване с водна струя под високо налягане и др.), химическо корозионно почистване, ултразвуково почистване, почистване със сух лед и др. Тези технологии за почистване са широко използвани в различни индустрии. Например, пясъкоструйното почистване може да премахне петна от ръжда по метал, метални повърхностни загрубявания и трислоен лак върху печатни платки чрез избор на абразиви с различна твърдост. Технологията за химическо корозионно почистване се използва широко за почистване на маслени петна по повърхности на оборудване, котлен камък в котли и нефтопроводи. Въпреки че тези технологии за почистване са добре развити, те все още имат някои проблеми. Например, пясъкоструйното почистване може лесно да повреди обработваната повърхност, а химическото корозионно почистване може да причини замърсяване на околната среда и корозия на почистената повърхност, ако не се обработва правилно. Появата на лазерната технология за почистване представлява революция в технологията за почистване. Тя се възползва от високата енергийна плътност, високата прецизност и ефективното предаване на лазерната енергия и има очевидни предимства пред традиционните технологии за почистване по отношение на ефективността на почистване, прецизността на почистване и местоположението на почистване. Тя може ефективно да избегне замърсяването на околната среда, причинено от химическо корозионно почистване и други технологии за почистване, и няма да причини увреждане на основата.

Theпринцип на лазерното почистване

И така, какво е лазерно почистване? Лазерното почистване е процес, при който лазерен лъч се използва за отстраняване на материал от повърхността на твърдо вещество (или понякога течност). При нисък лазерен поток материалът се нагрява от абсорбираната лазерна енергия и се изпарява или сублимира. При висок лазерен поток материалът обикновено се превръща в плазма. Обикновено лазерното почистване се отнася до отстраняване на материал с помощта на импулсни лазери, но ако интензитетът на лазера е достатъчно висок, може да се използва лазерен лъч с непрекъсната вълна за аблация на материала. Ексимерният лазер с дълбока ултравиолетова светлина се използва главно за оптична аблация. Дължината на лазерната вълна, използвана за оптична аблация, е приблизително 200 nm. Дълбочината на абсорбция на лазерната енергия и количеството материал, отстранен от един лазерен импулс, зависят от оптичните свойства на материала, както и от дължината на лазерната вълна и продължителността на импулса. Общата маса, аблатирана от целта от всеки лазерен импулс, обикновено се нарича скорост на аблация. Скоростта на сканиране на лазерния лъч и покритието на сканиращата линия и др. ще повлияят значително на процеса на аблация.

Видове технологии за лазерно почистване

1) Лазерно химическо почистване: Сухото лазерно почистване се отнася до директно облъчване на почиствания детайл с импулсен лазер, което кара основата или повърхностните замърсители да абсорбират енергия и да повишат температурата си, което води до термично разширение или термични вибрации на основата, като по този начин двете се разделят. Този метод може грубо да се раздели на два случая: първият е, че повърхностните замърсители абсорбират лазерната енергия и се разширяват; другият е, че основата абсорбира лазерната енергия и генерира термични вибрации. През 1969 г. SM Bedair и др. откриват, че различни методи за обработка на повърхности, като термична обработка, химическа корозия и пясъкоструйно почистване, имат различни недостатъци. В същото време, високата енергийна плътност след лазерно фокусиране може да направи възможно явлението изпаряване на повърхността на материала, което дава възможност за неразрушително почистване на повърхността на материала. Чрез експерименти е установено, че използването на рубинен Q-превключващ лазер с плътност на мощността 30 MW/cm2 може да постигне почистване на повърхностни замърсители от силициев материал, без да се повреди основата, и за първи път е реализирано лазерно химическо почистване на повърхностни замърсители от материал. Общата скорост може да се изрази чрез скоростта на отделяне на фрагменти от филмовия слой, както следва:

Във формулата ε представлява индекса на енергията на лазерния импулс, h представлява индекса на дебелината на замърсяващия филмов слой, а E представлява индекса на модула на еластичност на филмовия слой.

2) Лазерно мокро почистване: Преди детайлът, който ще се почиства, да бъде изложен на импулсния лазер, върху повърхността се нанася течен филм. Под действието на лазера температурата на течния филм се повишава бързо и той се изпарява. В момента на изпаряване се генерира ударна вълна, която действа върху замърсяващите частици и ги отделя от основата. Този метод изисква основата и течният филм да не реагират помежду си, като по този начин ограничава обхвата на приложимите материали. През 1991 г. К. Имен и др. разглеждат проблема с остатъчните замърсители от субмикронни частици върху повърхностите на полупроводникови пластини и метални материали след използване на традиционни методи за почистване и изследват нанасянето на филм върху повърхността на материала-основа, който може ефективно да абсорбира лазерната енергия. Впоследствие, използвайки CO2 лазер, филмът абсорбира лазерната енергия, температурата му бързо се повишава и кипи, генерирайки експлозивно изпаряване, което отстранява замърсителите от повърхността на основата. Този метод на почистване се нарича лазерно мокро почистване.

3) Почистване с лазерна плазмена ударна вълна: Лазерните плазмени ударни вълни се генерират, когато лазерът облъчва въздушната среда и предизвиква образуване на сферична плазмена ударна вълна. Ударната вълна действа върху повърхността на почиствания детайл и освобождава енергия за отстраняване на замърсителите. Лазерът не действа върху основата, като по този начин не причинява увреждане на основата. Технологията за почистване с лазерна плазмена ударна вълна вече може да почиства частици с диаметър от няколко десетки нанометра и няма ограничения за дължината на вълната на лазера. Физическият принцип на плазменото почистване може да се обобщи по следния начин: а) Лазерният лъч, излъчван от лазера, се абсорбира от замърсяващия слой върху обработваната повърхност. б) Голямото количество абсорбция образува бързо разширяваща се плазма (силно йонизиран нестабилен газ) и генерира ударна вълна. в) Ударната вълна кара замърсителите да се фрагментират и да се отстранят. г) Ширината на импулса на светлинния импулс трябва да бъде достатъчно кратка, за да се избегне натрупване на топлина, което би могло да повреди обработваната повърхност. д) Експерименти показват, че когато върху металната повърхност има оксиди, върху металната повърхност се генерира плазма. Плазмата се генерира само когато енергийната плътност надвиши прага, който зависи от отстранения слой замърсяване или оксиден слой. Този прагов ефект е много важен за ефективното почистване, като същевременно се гарантира безопасността на материала на субстрата. Появата на плазма има и втори праг. Ако енергийната плътност надвиши този праг, материалът на субстрата ще бъде повреден. За да се извърши ефективно почистване, като същевременно се гарантира безопасността на материала на субстрата, параметрите на лазера трябва да се регулират според ситуацията, за да се гарантира, че енергийната плътност на светлинния импулс е строго между двата прага. През 2001 г. JM Lee и др. използваха характеристиката, че високомощните лазери произвеждат плазмени ударни вълни, когато са фокусирани, и използваха импулсен лазер с енергийна плътност от 2,0 J/cm2 (много по-висока от прага на повреда на силициевите пластини), за да облъчат успоредно на силициевата пластина, като успешно почистиха волфрамови частици с размер 1 μm, адсорбирани върху повърхността на силициевата пластина. Този метод на почистване се нарича лазерно плазмено ударно вълново почистване и, строго погледнато, лазерното плазмено ударно вълново почистване е вид сухо лазерно почистване. Първоначалната цел на тези три технологии за лазерно почистване е била да почистят малките частици по повърхността на полупроводниковите пластини. Може да се каже, че технологията за лазерно почистване се е появила с развитието на полупроводниковите технологии. Въпреки това, тя непрекъснато се прилага и в други области, като почистване на гуми, премахване на боя от обвивката на самолети и възстановяване на артефакти по повърхността. Под въздействието на лазерно лъчение, инертен газ може да бъде издухан върху повърхността на субстрата. Когато замърсителите бъдат отстранени от повърхността, те ще бъдат незабавно отнесени от газа, за да се избегне повторно замърсяване и окисляване на повърхността.

Theприложение на технологията за лазерно почистване

1) В областта на полупроводниците, почистването на полупроводникови пластини и оптични субстрати включва един и същ процес, който е обработка на суровините в необходимите форми чрез рязане, шлифоване и др. По време на този процес се въвеждат замърсители от частици, които са трудни за отстраняване и причиняват сериозни проблеми с повтарящо се замърсяване. Замърсителите по повърхността на полупроводниковите пластини могат да повлияят на качеството на печат на платки, като по този начин съкращават живота на полупроводниковите чипове. Замърсителите по повърхността на оптичните субстрати могат да повлияят на качеството на оптичните устройства и покритията и могат да доведат до неравномерно разпределение на енергията, съкращавайки живота им. Тъй като лазерното химическо почистване е склонно да причинява повреди на повърхността на субстрата, този метод на почистване се използва по-рядко при почистване на полупроводникови пластини и оптични субстрати. Лазерното мокро почистване и лазерното плазмено ударно вълново почистване имат по-успешни приложения в тази област. Xu Chuanyi et al. са изследвали отлагането на микромащабна специална магнитна боя върху повърхността на ултрагладки оптични субстрати като диелектричен филм, след което са използвали импулсен лазер за почистване. Ефектът на почистване е бил добър, въпреки че броят на примесните частици на единица площ се е увеличил, размерът и площта на покритие на примесните частици са значително намалени. Този метод може ефективно да почиства микроскопични примесни частици по повърхността на ултрагладки оптични субстрати. Джан Пинг изследва влиянието на работното разстояние и лазерната енергия върху почистващия ефект на замърсители с различни размери на частиците в технологията за лазерно плазмено почистване. Експерименталните резултати показват, че за полистиренови частици върху проводими стъклени субстрати оптималното работно разстояние за енергия от 240 mJ е 1,90 mm. С увеличаване на лазерната енергия, почистващият ефект се подобрява значително и замърсителите с големи частици се почистват по-лесно.

2) В областта на металните материали, почистването на металните повърхности е различно от почистването на полупроводникови пластини и оптични подложки. Замърсителите, които трябва да се почистват, принадлежат към макроскопичната категория. Замърсителите по повърхността на металните материали включват главно оксиден слой (ръжда), слой боя, покритие и други прикрепени елементи и могат да бъдат класифицирани като органични замърсители (като слой боя, покритие) и неорганични замърсители (като слой ръжда). Почистването на замърсители по повърхността на металните материали е основно за да се отговори на изискванията за последваща обработка или употреба, като например премахване на около 10 μm оксиден слой от повърхността на частите от титаниева сплав преди заваряване, премахване на оригиналното покритие от боята върху повърхността на кожата по време на основен ремонт на самолети, за да се улесни повторното пръскане, и редовно почистване на гумените частици, прикрепени към формата на гумената гума, за да се гарантира чистотата на повърхността, качеството и живота на формата. Прагът на повреда на металните материали е по-висок от този на прага на лазерно почистване на повърхностните им замърсители. Чрез избора на подходящ мощен лазер може да се постигне по-добър почистващ ефект. Тази технология е зряло приложена в някои области. Wang Lihua et al. изследва приложението на технологията за лазерно почистване при обработката на оксидни кожи върху повърхности от алуминиеви сплави и титаниеви сплави. Резултатите от изследването показват, че използването на лазер с енергийна плътност от 5,1 J/cm2 може да почисти оксидния слой върху повърхността на алуминиева сплав A5083-111H, като същевременно се запази доброто качество на основата, а използването на импулсен лазер със средна мощност от 100 W по сканиращ начин може ефективно да почисти оксидния слой върху повърхността на титаниевите сплави и да подобри твърдостта на повърхността на материала. Местни компании като Ruike Laser, Daqu Laser и Shenzhen Chuangxin са разработили оборудване за лазерно почистване, което се използва широко за почистване на гумени форми като гуми, метални слоеве от ръжда и маслени петна по повърхността на компонентите.

3) В областта на културните реликви, почистването на метални и каменни реликви и хартиени повърхности е необходимо, за да се премахнат замърсители като мръсотия и петна от мастило, които се появяват по повърхностите им поради дългата им история. Тези замърсители трябва да бъдат отстранени, за да се възстановят реликвиите. При хартиени произведения като калиграфия и картини, когато се съхраняват неправилно, по повърхностите им расте мухъл и образува петна. Тези петна сериозно влияят на оригиналния вид на хартията, особено на хартия с висока културна или историческа стойност, което ще повлияе на нейното оценяване и защита. Джао Ин и др. са изследвали възможността за използване на ултравиолетов лазер за почистване на петна от мухъл върху хартиени свитъци. Експерименталните резултати показват, че използването на лазер с енергийна плътност от 3,2 J/mm2 за еднократно сканиране може да премахне тънки петна, а двукратното сканиране може да премахне напълно петната. Ако обаче използваната лазерна енергия е твърде висока, тя ще повреди хартиения свитък, докато премахва петната. Джан Сяотун и др. успешно са реставрирали позлатена бронзова реликва, използвайки метода на вертикално лазерно облъчване с течен филм. Джан Личен и др. са използвали технология за лазерно почистване при реставрацията на рисувана женска керамична фигурка от династията Хан. Юан Сяодун и др. изследва ефекта на лазерната технология за почистване при почистването на каменни реликви и сравнява щетите върху пясъчниковото тяло преди и след почистване, както и ефектите от почистването от петна от мастило, замърсяване с дим и замърсяване с боя.

Заключение: Технологията за лазерно почистване е сравнително напреднала техника с широки перспективи за изследвания и приложение във високопрецизни области като аерокосмическа индустрия, военно оборудване, електроника и електротехника. В момента технологията за лазерно почистване се прилага успешно в някои области, благодарение на нейната ефикасност, екологичност и отлични почистващи характеристики. Областите ѝ на приложение постепенно се разширяват. Развитието на технологията за лазерно почистване не само е зряло приложено в области като премахване на боя и ръжда, но през последните години има съобщения за използване на лазер за почистване на оксидния слой върху метални проводници. Разширяването на съществуващите области на приложение и разработването на нови области са в основата на развитието на технологията за лазерно почистване. Изследванията и разработването на ново оборудване за лазерно почистване и разработването на ново оборудване за лазерно почистване ще покажат диференциация, което ще доведе до различни функции. В бъдеще е възможно да се постигне напълно автоматично лазерно почистване чрез сътрудничество с промишлени роботи. Тенденцията за развитие на технологията за лазерно почистване е следната:

(1) Засилване на изследванията върху теорията за лазерното почистване, за да се насочи приложението на технологията за лазерно почистване. След преглед на голям брой документи се установява, че няма зряла теоретична система в подкрепа на технологията за лазерно почистване и повечето изследвания се основават на експерименти. Създаването на теоретична система за лазерно почистване е основата за по-нататъшното развитие и зрялост на технологията за лазерно почистване.

(2) Разширяване на съществуващите области на приложение и нови области на приложение. Технологията за лазерно почистване е успешно приложена в области като премахване на боя и премахване на ръжда, а през последните години има съобщения за използване на лазер за почистване на оксидния слой върху метални проводници. Разширяването на съществуващите области на приложение и разработването на нови области са плодородна почва за развитието на технологията за лазерно почистване.

(3) Изследване и разработване на ново оборудване за лазерно почистване. Разработването на ново оборудване за лазерно почистване ще покаже диференциация. Единият вид е оборудване с определена универсалност, обхващащо множество области на приложение, като например едно устройство може едновременно да изпълнява функции за премахване на боя и премахване на ръжда. Другият вид е специализирано оборудване за специфични нужди, като например проектиране на специфични приспособления или оптични влакна за постигане на функцията за почистване на замърсители в малки пространства. Чрез сътрудничество с промишлени роботи, напълно автоматичното лазерно почистване също е популярна насока на приложение.