Princip, vrste i primjenalasersko čišćenjetehnologija
Tehnologija laserskog čišćenja uspješna je primjena laserske tehnologije u području inženjerstva. Njezin osnovni princip je korištenje visoke gustoće energije lasera za interakciju s onečišćujućim tvarima koje prianjaju na podlogu obratka, uzrokujući njihovo odvajanje od podloge u obliku trenutnog toplinskog širenja, taljenja i isparavanja plina. Tehnologiju laserskog čišćenja karakterizira visoka učinkovitost, ekološka prihvatljivost i ušteda energije. Uspješno se primjenjuje u područjima kao što su čišćenje kalupa za gume, uklanjanje boje s karoserije zrakoplova i restauracija kulturnih ostataka.
Tradicionalne tehnologije čišćenja uključujumehaničko čišćenje trenjem(čišćenje pjeskarenjem, čišćenje mlazom vode pod visokim tlakom itd.), kemijsko čišćenje od korozije, ultrazvučno čišćenje, čišćenje suhim ledom itd. Ove tehnologije čišćenja široko se koriste u raznim industrijama. Na primjer, čišćenje pjeskarenjem može ukloniti mrlje od hrđe na metalu, neravnine na metalnim površinama i troslojni lak na tiskanim pločama odabirom abraziva različite tvrdoće. Tehnologija kemijskog čišćenja od korozije široko se koristi u čišćenju uljnih mrlja na površinama opreme, kamenca u kotlovima i naftovodima. Iako su ove tehnologije čišćenja dobro razvijene, još uvijek imaju neke probleme. Na primjer, čišćenje pjeskarenjem može lako oštetiti tretiranu površinu, a kemijsko čišćenje od korozije može uzrokovati onečišćenje okoliša i koroziju očišćene površine ako se ne rukuje pravilno. Pojava tehnologije laserskog čišćenja predstavlja revoluciju u tehnologiji čišćenja. Koristi visoku gustoću energije, visoku preciznost i učinkovit prijenos laserske energije te ima očite prednosti u odnosu na tradicionalne tehnologije čišćenja u smislu učinkovitosti čišćenja, preciznosti čišćenja i lokacije čišćenja. Može učinkovito izbjeći onečišćenje okoliša uzrokovano kemijskim čišćenjem od korozije i drugim tehnologijama čišćenja, a neće oštetiti podlogu.
Što je dakle lasersko čišćenje? Lasersko čišćenje je proces u kojem se laserska zraka koristi za uklanjanje materijala s površine krute tvari (ili ponekad tekućine). Pri niskom laserskom fluksu, materijal se zagrijava apsorbiranom laserskom energijom i isparava ili sublimira. Pri visokom laserskom fluksu, materijal se obično pretvara u plazmu. Obično se lasersko čišćenje odnosi na uklanjanje materijala pomoću pulsirajućih lasera, ali ako je intenzitet lasera dovoljno visok, za ablaciju materijala može se koristiti kontinuirana laserska zraka. Eksimerski laser dubokog ultraljubičastog svjetla uglavnom se koristi za optičku ablaciju. Valna duljina lasera koja se koristi za optičku ablaciju je približno 200 nm. Dubina apsorpcije laserske energije i količina materijala uklonjenog jednim laserskim pulsom ovise o optičkim svojstvima materijala, kao i o valnoj duljini lasera i duljini pulsa. Ukupna masa ablirana s mete svakim laserskim pulsom obično se naziva brzina ablacije. Brzina skeniranja laserske zrake i pokrivenost linije skeniranja itd. značajno će utjecati na proces ablacije.
Vrste tehnologije laserskog čišćenja
1) Kemijsko lasersko čišćenje: Kemijsko lasersko čišćenje odnosi se na izravno ozračivanje radnog komada koji se čisti pulsirajućim laserom, što uzrokuje apsorpciju energije i povećanje temperature baze ili površinskih onečišćenja, što rezultira toplinskim širenjem ili toplinskim vibracijama baze, čime se to dvoje razdvaja. Ova metoda se može grubo podijeliti na dvije situacije: jedna je da površinska onečišćenja apsorbiraju lasersku energiju i šire se; druga je da baza apsorbira lasersku energiju i generira toplinske vibracije. Godine 1969. SM Bedair i suradnici otkrili su da različite metode površinske obrade poput toplinske obrade, kemijske korozije i čišćenja pjeskarenjem imaju različite nedostatke. Istovremeno, visoka gustoća energije nakon laserskog fokusiranja može omogućiti fenomen isparavanja površine materijala, što omogućuje nerazorno čišćenje površine materijala. Eksperimentima je utvrđeno da se korištenjem rubinskog Q-switched lasera s gustoćom snage od 30 MW/cm2 može postići čišćenje površinskih onečišćenja silicijskog materijala bez oštećenja baze, te je po prvi put ostvareno kemijsko lasersko čišćenje površinskih onečišćenja materijala. Ukupna brzina može se izraziti brzinom odvajanja fragmenata filmskog sloja, kako slijedi:
U formuli, ε predstavlja indeks energije laserskog impulsa, h predstavlja indeks debljine sloja filma zagađivača, a E predstavlja indeks modula elastičnosti sloja filma.
2) Mokro lasersko čišćenje: Prije nego što se obradak koji se čisti izloži pulsirajućem laseru, na površinu se nanosi tekući film. Pod djelovanjem lasera, temperatura tekućeg filma brzo raste i on isparava. U trenutku isparavanja generira se udarni val koji djeluje na čestice onečišćujućih tvari i uzrokuje njihovo odvajanje od podloge. Ova metoda zahtijeva da podloga i tekući film ne reagiraju međusobno, čime se ograničava raspon primjenjivih materijala. Godine 1991. K. Imen i suradnici bavili su se problemom zaostalih submikronskih čestica onečišćujućih tvari na površinama poluvodičkih pločica i metalnih materijala nakon korištenja tradicionalnih metoda čišćenja te su proučavali nanošenje filma na površinu materijala podloge koji može učinkovito apsorbirati lasersku energiju. Nakon toga, korištenjem CO2 lasera, film je apsorbirao lasersku energiju, brzo se zagrijao i prokuhao, stvarajući eksplozivno isparavanje, što je uklonilo onečišćujuće tvari s površine podloge. Ova metoda čišćenja naziva se mokro lasersko čišćenje.
3) Čišćenje udarnim valom laserske plazme: Udarni valovi laserske plazme nastaju kada laser ozračuje zračni medij i uzrokuje stvaranje sfernog udarnog vala plazme. Udarni val djeluje na površinu obratka koji se čisti i oslobađa energiju za uklanjanje onečišćujućih tvari. Laser ne djeluje na podlogu, stoga ne uzrokuje oštećenje podloge. Tehnologija čišćenja udarnim valom laserske plazme sada može čistiti čestice promjera od nekoliko desetaka nanometara, a nema ograničenja valne duljine lasera. Fizički princip čišćenja plazmom može se sažeti na sljedeći način: a) Laserska zraka koju emitira laser apsorbira se slojem onečišćenja na tretiranoj površini. b) Velika količina apsorpcije stvara brzo šireću plazmu (visoko ionizirani nestabilni plin) i generira udarni val. c) Udarni val uzrokuje fragmentiranje i uklanjanje onečišćujućih tvari. d) Širina impulsa svjetlosnog impulsa mora biti dovoljno kratka kako bi se izbjeglo nakupljanje topline koje bi moglo oštetiti tretiranu površinu. e) Eksperimenti su pokazali da kada na metalnoj površini postoje oksidi, na metalnoj površini se stvara plazma. Plazma se generira samo kada gustoća energije prijeđe prag, koji ovisi o uklonjenom sloju onečišćenja ili sloju oksida. Ovaj prag je vrlo važan za učinkovito čišćenje uz osiguranje sigurnosti materijala podloge. Pojava plazme također ima drugi prag. Ako gustoća energije prijeđe ovaj prag, materijal podloge će biti oštećen. Kako bi se provelo učinkovito čišćenje uz osiguranje sigurnosti materijala podloge, parametri lasera moraju se prilagoditi prema situaciji kako bi se osiguralo da je gustoća energije svjetlosnog impulsa strogo između dva praga. Godine 2001. JM Lee i suradnici iskoristili su karakteristiku da laseri velike snage proizvode plazma udarne valove kada su fokusirani i koristili su pulsni laser s gustoćom energije od 2,0 J/cm2 (mnogo više od praga oštećenja silicijskih pločica) za ozračivanje paralelno sa silicijskom pločicom, uspješno čisteći čestice volframa od 1 μm adsorbirane na površini silicijske pločice. Ova metoda čišćenja naziva se lasersko plazma čišćenje udarnim valovima, a strogo govoreći, lasersko plazma čišćenje udarnim valovima je vrsta suhog laserskog čišćenja. Izvorna svrha ove tri tehnologije laserskog čišćenja bila je čišćenje sitnih čestica na površini poluvodičkih pločica. Može se reći da se tehnologija laserskog čišćenja pojavila s razvojem poluvodičke tehnologije. Međutim, tehnologija laserskog čišćenja kontinuirano se primjenjuje i u drugim područjima, kao što su čišćenje kalupa za gume, uklanjanje boje s oplate zrakoplova i restauracija površinskih artefakata. Pod utjecajem laserskog zračenja, inertni plin može se ispuhati na površinu podloge. Kada se onečišćujuće tvari uklone s površine, plin će ih odmah otpuhati s površine kako bi se izbjeglo ponovno onečišćenje i oksidacija površine.
Theprimjena tehnologije laserskog čišćenja
1) U području poluvodiča, čišćenje poluvodičkih pločica i optičkih podloga uključuje isti proces, a to je obrada sirovina u potrebne oblike rezanjem, brušenjem itd. Tijekom ovog procesa unose se čestice onečišćenja koje je teško ukloniti i uzrokuju ozbiljne probleme s ponovljenim onečišćenjem. Onečišćenja na površini poluvodičkih pločica mogu utjecati na kvalitetu ispisa tiskanih pločica, čime se skraćuje vijek trajanja poluvodičkih čipova. Onečišćenja na površini optičkih podloga mogu utjecati na kvalitetu optičkih uređaja i premaza te mogu dovesti do neravnomjerne raspodjele energije, skraćujući vijek trajanja. Budući da je lasersko kemijsko čišćenje sklono oštećivanju površine podloge, ova metoda čišćenja se manje koristi u čišćenju poluvodičkih pločica i optičkih podloga. Lasersko mokro čišćenje i lasersko plazma čišćenje udarnim valovima imaju uspješniju primjenu u ovom području. Xu Chuanyi i suradnici proučavali su taloženje mikrorazmjerne posebne magnetske boje na površini ultra glatkih optičkih podloga kao dielektričnog filma, a zatim su koristili pulsirajući laser za čišćenje. Učinak čišćenja bio je dobar, iako se broj čestica nečistoća po jedinici površine povećao, veličina i površina pokrivenosti čestica nečistoća značajno su smanjene. Ova metoda može učinkovito očistiti mikroskopske čestice nečistoća na površini ultra glatkih optičkih podloga. Zhang Ping proučavao je utjecaj radne udaljenosti i laserske energije na učinak čišćenja onečišćujućih tvari različitih veličina čestica u tehnologiji laserskog plazma čišćenja. Eksperimentalni rezultati pokazali su da je za čestice polistirena na vodljivim staklenim podlogama optimalna radna udaljenost za energiju od 240 mJ bila 1,90 mm. Kako se energija lasera povećavala, učinak čišćenja se značajno poboljšavao, a onečišćujuće tvari velikih čestica bilo je lakše čistiti.
2) U području metalnih materijala, čišćenje površina metalnih materijala razlikuje se od čišćenja poluvodičkih pločica i optičkih podloga. Nečistoće koje treba očistiti pripadaju makroskopskoj kategoriji. Nečistoće na površini metalnih materijala uglavnom uključuju oksidni sloj (sloj hrđe), sloj boje, premaz i druge dodatke, a mogu se klasificirati u organske onečišćujuće tvari (kao što su sloj boje, premaz) i anorganske onečišćujuće tvari (kao što je sloj hrđe). Čišćenje površinskih onečišćujućih tvari metalnog materijala uglavnom se provodi kako bi se zadovoljili zahtjevi naknadne obrade ili upotrebe, kao što je uklanjanje oko 10 μm oksidnog sloja s površine dijelova titanijeve legure prije zavarivanja, uklanjanje originalnog premaza boje s površine oplate tijekom većih popravaka zrakoplova radi lakšeg ponovnog prskanja i redovito čišćenje gumenih čestica pričvršćenih na kalup gumene gume kako bi se osigurala čistoća površine te kvaliteta i vijek trajanja kalupa. Prag oštećenja metalnih materijala viši je od praga laserskog čišćenja njihovih površinskih onečišćujućih tvari. Odabirom odgovarajuće snage lasera može se postići bolji učinak čišćenja. Ova tehnologija je zrelo primijenjena u nekim područjima. Wang Lihua i sur. proučavali su primjenu tehnologije laserskog čišćenja u obradi oksidnih slojeva na površinama aluminijskih legura i titanovih legura. Rezultati istraživanja pokazali su da korištenje lasera s gustoćom energije od 5,1 J/cm2 može očistiti oksidni sloj na površini aluminijske legure A5083-111H uz održavanje dobre kvalitete podloge, a korištenje pulsirajućeg lasera s prosječnom snagom od 100 W na način skeniranja može učinkovito očistiti oksidni sloj na površini titanovih legura i poboljšati tvrdoću površine materijala. Domaće tvrtke poput Ruike Lasera, Daqu Lasera i Shenzhen Chuangxina razvile su opremu za lasersko čišćenje koja se široko koristi za čišćenje gumenih kalupa poput guma, slojeva metalne hrđe i mrlja od ulja na površini komponenti.
3) U području kulturnih relikvija, čišćenje metalnih i kamenih relikvija te papirnatih površina potrebno je kako bi se uklonile onečišćujuće tvari poput prljavštine i mrlja od tinte koje se pojavljuju na njihovim površinama zbog njihove duge povijesti. Ove onečišćujuće tvari potrebno je ukloniti kako bi se relikvije relikvije relikvije relikvije relikvije. Kod papirnatih radova poput kaligrafije i slika, kada se nepravilno skladište, plijesan raste na njihovim površinama i stvara mrlje. Ove mrlje ozbiljno utječu na izvorni izgled papira, posebno kod papira s visokom kulturnom ili povijesnom vrijednošću, što će utjecati na njegovo uvažavanje i zaštitu. Zhao Ying i suradnici proučavali su izvedivost korištenja ultraljubičastog lasera za čišćenje mrlja od plijesni na papirnatim svitcima. Eksperimentalni rezultati pokazali su da korištenje lasera s gustoćom energije od 3,2 J/mm2 za jedno skeniranje može ukloniti tanke mrlje, a dvostruko skeniranje može potpuno ukloniti mrlje. Međutim, ako je korištena laserska energija previsoka, oštetit će papirnati svitak prilikom uklanjanja mrlja. Zhang Xiaotong i suradnici uspješno su restaurirali pozlaćenu brončanu relikviju koristeći metodu laserskog vertikalnog ozračivanja tekućim filmom. Zhang Licheng i suradnici koristili su tehnologiju laserskog čišćenja u restauraciji oslikane ženske keramičke figurice iz dinastije Han. Yuan Xiaodong i suradnici proučavali su učinak tehnologije laserskog čišćenja u čišćenju kamenih ostataka i usporedili oštećenja pješčenjaka prije i nakon čišćenja, kao i učinke čišćenja mrljama od tinte, onečišćenja dimom i onečišćenja bojom.
Zaključak: Tehnologija laserskog čišćenja relativno je napredna tehnika sa širokim istraživačkim i primjenskim mogućnostima u područjima visoke preciznosti kao što su zrakoplovstvo, vojna oprema te elektronika i elektrotehnika. Trenutno se tehnologija laserskog čišćenja uspješno primjenjuje u nekim područjima, zahvaljujući svojim učinkovitim, ekološki prihvatljivim i izvrsnim performansama čišćenja. Njena područja primjene postupno se šire. Razvoj tehnologije laserskog čišćenja nije samo zrelo primijenjen u područjima kao što su uklanjanje boje i hrđe, već su posljednjih godina zabilježena i izvješća o korištenju lasera za čišćenje oksidnog sloja na metalnim žicama. Proširenje postojećih područja primjene i razvoj novih područja temelj su razvoja tehnologije laserskog čišćenja. Istraživanje i razvoj nove opreme za lasersko čišćenje te razvoj nove opreme za lasersko čišćenje pokazat će diferencijaciju, što će rezultirati različitim funkcijama. U budućnosti je također moguće postići potpuno automatsko lasersko čišćenje suradnjom s industrijskim robotima. Trend razvoja tehnologije laserskog čišćenja je sljedeći:
(1) Jačanje istraživanja teorije laserskog čišćenja kako bi se usmjerila primjena tehnologije laserskog čišćenja. Nakon pregleda velikog broja dokumenata, utvrđeno je da ne postoji zreo teorijski sustav koji podržava tehnologiju laserskog čišćenja, a većina studija temelji se na eksperimentima. Uspostavljanje teorijskog sustava laserskog čišćenja temelj je za daljnji razvoj i zrelost tehnologije laserskog čišćenja.
(2) Proširenje postojećih područja primjene i nova područja primjene. Tehnologija laserskog čišćenja uspješno je primijenjena u područjima kao što su uklanjanje boje i hrđe, a posljednjih godina bilo je izvješća o korištenju lasera za čišćenje oksidnog sloja na metalnim žicama. Proširenje postojećih područja primjene i razvoj novih područja plodno su tlo za razvoj tehnologije laserskog čišćenja.
(3) Istraživanje i razvoj nove opreme za lasersko čišćenje. Razvoj nove opreme za lasersko čišćenje pokazat će diferencijaciju. Jedna vrsta je oprema s određenom univerzalnošću koja pokriva više područja primjene, kao što je jedan uređaj koji može istovremeno postići funkcije uklanjanja boje i uklanjanja hrđe. Druga vrsta je specijalizirana oprema za specifične potrebe, kao što je projektiranje specifičnih uređaja ili optičkih vlakana za postizanje funkcije čišćenja onečišćujućih tvari u malim prostorima. Suradnjom s industrijskim robotima, potpuno automatsko lasersko čišćenje također je popularan smjer primjene.
Vrijeme objave: 17. srpnja 2025.
