Az elv, típusok és alkalmazásoklézeres tisztítástechnológia
A lézeres tisztítási technológia a lézertechnológia sikeres alkalmazása a mérnöki területen. Alapelve a lézer nagy energiasűrűségének kihasználása a munkadarab hordozójához tapadó szennyeződésekkel való kölcsönhatásra, aminek következtében azok azonnali hőtágulás, olvadás és gázpárolgás formájában elválnak a hordozótól. A lézeres tisztítási technológiát nagy hatékonyság, környezetbarátság és energiatakarékosság jellemzi. Sikeresen alkalmazzák olyan területeken, mint a gumiabroncs-penész tisztítása, a repülőgép-karosszéria festékének eltávolítása és a kulturális emlékek restaurálása.
A hagyományos tisztítási technológiák közé tartozikmechanikus súrlódásos tisztítás(homokfúvásos tisztítás, nagynyomású vízsugaras tisztítás stb.), kémiai korróziótisztítás, ultrahangos tisztítás, szárazjeges tisztítás stb. Ezeket a tisztítási technológiákat széles körben alkalmazzák különböző iparágakban. Például a homokfúvásos tisztítás különböző keménységű csiszolóanyagok kiválasztásával eltávolíthatja a fém rozsdafoltokat, a fémfelületi sorjákat és a háromrétegű lakkot az áramköri kártyákról. A kémiai korróziótisztítási technológiát széles körben alkalmazzák az olajfoltok tisztítására berendezések felületein, kazánokban és olajvezetékekben lévő vízkő eltávolítására. Bár ezek a tisztítási technológiák jól fejlettek, még mindig vannak problémáik. Például a homokfúvásos tisztítás könnyen károsíthatja a kezelt felületet, a kémiai korróziótisztítás pedig környezetszennyezést és a tisztított felület korrózióját okozhatja, ha nem megfelelően kezelik. A lézeres tisztítási technológia forradalmat jelent a tisztítási technológiában. Kihasználja a lézerenergia nagy energiasűrűségét, nagy pontosságát és hatékony átvitelét, és nyilvánvaló előnyökkel rendelkezik a hagyományos tisztítási technológiákkal szemben a tisztítási hatékonyság, a tisztítási pontosság és a tisztítás helye tekintetében. Hatékonyan elkerülheti a kémiai korróziótisztítás és más tisztítási technológiák által okozott környezetszennyezést, és nem károsítja az aljzatot.
Mi is tehát a lézeres tisztítás? A lézeres tisztítás egy olyan eljárás, amelynek során lézersugarat használnak anyag eltávolítására egy szilárd (vagy néha folyékony) anyag felületéről. Alacsony lézerfluxusnál az anyagot az elnyelt lézerenergia felmelegíti, és elpárolog vagy szublimál. Magas lézerfluxusnál az anyag általában plazmává alakul. A lézeres tisztítás általában impulzuslézerekkel történő anyageltávolítást jelent, de ha a lézerintenzitás elég magas, akkor folyamatos hullámú lézersugárral is eltávolítható az anyag. A mély ultraibolya fény excimer lézerét főként optikai ablációhoz használják. Az optikai ablációhoz használt lézer hullámhossza körülbelül 200 nm. A lézerenergia elnyelésének mélysége és az egyetlen lézerimpulzus által eltávolított anyagmennyiség az anyag optikai tulajdonságaitól, valamint a lézer hullámhosszától és az impulzus hosszától függ. Az egyes lézerimpulzusok által a céltárgyról ablált teljes tömeget általában ablációs sebességnek nevezik. A lézersugár pásztázási sebessége és a pásztázási vonal lefedettsége stb. jelentősen befolyásolja az ablációs folyamatot.
A lézeres tisztítási technológia típusai
1) Lézeres száraztisztítás: A száraz lézeres tisztítás a tisztítandó munkadarab impulzuslézerrel történő közvetlen besugárzását jelenti, ami az alap vagy a felület szennyeződéseinek energiaelnyelését és hőmérséklet-emelkedését okozza, ami az alap hőtágulásához vagy hőrezgéséhez vezet, ezáltal elválasztva a kettőt. Ez a módszer nagyjából két esetre osztható: az egyik, hogy a felületi szennyeződések elnyelik a lézerenergiát és kitágulnak; a másik, hogy az alap elnyeli a lézerenergiát és hőrezgést generál. 1969-ben SM Bedair és munkatársai felfedezték, hogy a különböző felületkezelési módszereknek, mint például a hőkezelésnek, a kémiai korróziónak és a homokfúvásos tisztításnak, mind különböző hátrányaik vannak. Ugyanakkor a lézeres fókuszálás utáni nagy energiasűrűség lehetővé teszi az anyagfelület párolgásának jelenségét, ami lehetővé teszi az anyagfelület roncsolásmentes tisztítását. Kísérletek során azt találták, hogy egy 30 MW/cm2 teljesítménysűrűségű rubin Q-kapcsolású lézerrel a szilícium anyag felületi szennyeződései eltávolíthatók az alap károsítása nélkül, és elsőként valósították meg az anyagfelület szennyeződéseinek lézeres száraztisztítását. Az összsebesség a filmréteg töredékeinek leválási sebességével fejezhető ki a következőképpen:
A képletben ε a lézerimpulzus energiaindexét, h a szennyező filmréteg vastagságindexét, E pedig a filmréteg rugalmassági modulusindexét jelöli.
2) Lézeres nedves tisztítás: Mielőtt a tisztítandó munkadarabot impulzuslézernek tennék ki, egy felületi előbevonatú folyékony filmet visznek fel. A lézer hatására a folyékony film hőmérséklete gyorsan megemelkedik és elpárolog. A párolgás pillanatában egy ütközési hullám keletkezik, amely hat a szennyező részecskékre, és leválását okozza az aljzatról. Ez a módszer megköveteli, hogy az aljzat és a folyékony film ne reagáljon egymással, ami korlátozza az alkalmazható anyagok körét. 1991-ben K. Imen és munkatársai foglalkoztak a félvezető ostyák és fémanyagok felületén maradó szubmikronos részecskeszennyeződés problémájával a hagyományos tisztítási módszerek alkalmazása után, és tanulmányozták egy olyan film bevonat alkalmazását az anyag aljzatának felületére, amely hatékonyan képes elnyelni a lézerenergiát. Ezt követően CO2 lézer segítségével a film elnyelte a lézerenergiát, és gyorsan megemelkedett a hőmérséklete, majd felforrt, robbanásszerű párolgást generálva, amely eltávolította a szennyező anyagokat az aljzat felületéről. Ezt a tisztítási módszert lézeres nedves tisztításnak nevezik.
3) Lézeres plazma lökéshullám tisztítás: A lézeres plazma lökéshullámok akkor keletkeznek, amikor a lézer besugározza a levegő közeget, és gömb alakú plazma lökéshullámot hoz létre. A lökéshullám a tisztítandó munkadarab felületére hat, és energiát szabadít fel a szennyező anyagok eltávolítására. A lézer nem hat az aljzatra, így nem károsítja azt. A lézeres plazma lökéshullám tisztítási technológia ma már több tíz nanométer átmérőjű részecskéket is képes tisztítani, és a lézer hullámhosszára vonatkozóan nincsenek korlátozások. A plazmatisztítás fizikai elve a következőképpen foglalható össze: a) A lézer által kibocsátott lézersugarat a kezelt felületen lévő szennyező réteg elnyeli. b) A nagy mennyiségű abszorpció gyorsan táguló plazmát (erősen ionizált, instabil gázt) hoz létre, és ütközési hullámot generál. c) Az ütközési hullám a szennyező anyagok feldarabolódását és eltávolítását okozza. d) A fényimpulzus impulzusszélességének elég rövidnek kell lennie, hogy elkerülje a hőfelhalmozódást, amely károsíthatja a kezelt felületet. e) Kísérletek kimutatták, hogy amikor oxidok vannak a fém felületén, plazma keletkezik a fém felületén. Plazma csak akkor keletkezik, ha az energiasűrűség meghaladja a küszöbértéket, amely az eltávolított szennyező rétegtől vagy oxidrétegtől függ. Ez a küszöbhatás nagyon fontos a hatékony tisztításhoz, miközben biztosítja az aljzatanyag biztonságát. A plazma megjelenésének van egy második küszöbértéke is. Ha az energiasűrűség meghaladja ezt a küszöbértéket, az aljzatanyag károsodik. A hatékony tisztítás elvégzéséhez, miközben biztosítja az aljzatanyag biztonságát, a lézerparamétereket a helyzetnek megfelelően kell beállítani, hogy a fényimpulzus energiasűrűsége szigorúan a két küszöbérték között legyen. 2001-ben JM Lee és munkatársai kihasználták azt a tulajdonságot, hogy a nagy teljesítményű lézerek fókuszáláskor plazma lökéshullámokat keltenek, és egy 2,0 J/cm2 energiasűrűségű impulzuslézert (ami jóval magasabb, mint a szilíciumlapkák károsodási küszöbértéke) használtak a szilíciumlapkával párhuzamos besugárzáshoz, sikeresen megtisztítva a szilíciumlapka felületén adszorbeált 1 μm-es volfrámrészecskéket. Ezt a tisztítási módszert lézeres plazma lökéshullám tisztításnak nevezik, és szigorúan véve a lézeres plazma lökéshullám tisztítás a száraz lézeres tisztítás egyik típusa. E három lézeres tisztítási technológia eredeti célja a félvezető ostyák felületén lévő apró részecskék megtisztítása volt. Elmondható, hogy a lézeres tisztítási technológia a félvezető technológia fejlődésével együtt jelent meg. A lézeres tisztítási technológiát azonban folyamatosan alkalmazzák más területeken is, például a gumiabroncsok penésztisztításában, repülőgépek festékének eltávolításában és a műtárgyak felületének helyreállításában. Lézersugárzás alatt inert gázt fújhatnak az aljzat felületére. Amikor a szennyeződések leválnak a felületről, a gáz azonnal lefújja azokat a felületről, elkerülve az újraszennyeződést és a felület oxidációját.
Alézeres tisztítási technológia alkalmazása
1) A félvezetők területén a félvezető ostyák és az optikai szubsztrátok tisztítása ugyanazt a folyamatot foglalja magában, amely a nyersanyagok kívánt formára feldolgozását jelenti vágással, csiszolással stb. E folyamat során szemcsés szennyeződések kerülnek be, amelyeket nehéz eltávolítani, és súlyos, ismétlődő szennyeződési problémákat okozhatnak. A félvezető ostyák felületén lévő szennyeződések befolyásolhatják az áramköri lap nyomtatásának minőségét, ezáltal lerövidítve a félvezető chipek élettartamát. Az optikai szubsztrátok felületén lévő szennyeződések befolyásolhatják az optikai eszközök és bevonatok minőségét, és egyenetlen energiaeloszláshoz vezethetnek, lerövidítve az élettartamot. Mivel a lézeres száraz tisztítás hajlamos a szubsztrátum felületének károsodására, ezt a tisztítási módszert kevésbé alkalmazzák a félvezető ostyák és az optikai szubsztrátok tisztításában. A lézeres nedves tisztításnak és a lézeres plazma lökéshullámú tisztításnak sikeresebb alkalmazásai vannak ezen a területen. Xu Chuanyi és munkatársai mikroméretű speciális mágneses festék lerakódását vizsgálták ultrasima optikai szubsztrátok felületére dielektromos filmként, majd impulzuslézert használtak a tisztításhoz. A tisztítóhatás jó volt, bár a szennyeződésrészecskék száma egységnyi felületre vetítve nőtt, a szennyeződésrészecskék mérete és lefedettségi területe jelentősen csökkent. Ez a módszer hatékonyan képes eltávolítani a mikroméretű szennyeződés-részecskéket az ultrasima optikai hordozók felületéről. Zhang Ping a lézeres plazma tisztítási technológiában a munkatávolság és a lézerenergia hatását vizsgálta a különböző részecskeméretű szennyeződések tisztítóhatására. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a vezetőképes üveghordozókon lévő polisztirol részecskék esetében a 240 mJ energiájú optimális munkatávolság 1,90 mm volt. A lézerenergia növekedésével a tisztítóhatás jelentősen javult, és a nagyobb részecskeméretű szennyeződések könnyebben tisztíthatók voltak.
2) A fémes anyagok területén a fémes anyagok felületeinek tisztítása eltér a félvezető ostyák és optikai szubsztrátok tisztításától. A tisztítandó szennyeződések a makroszkopikus kategóriába tartoznak. A fémes anyagok felületén található szennyeződések főként oxidréteget (rozsdaréteg), festékréteget, bevonatot és egyéb tapadórétegeket tartalmaznak, és szerves szennyeződésekre (például festékréteg, bevonat) és szervetlen szennyeződésekre (például rozsdaréteg) oszthatók. A fémes anyagok felületi szennyeződéseinek tisztítása főként a későbbi feldolgozás vagy felhasználás követelményeinek kielégítésére szolgál, például a titánötvözet alkatrészek felületéről körülbelül 10 μm oxidréteg eltávolítására hegesztés előtt, az eredeti festékbevonat eltávolítására a bőr felületéről repülőgépek nagyobb javításai során az újrafestés megkönnyítése érdekében, valamint a gumiabroncs formájához tapadó gumirészecskék rendszeres tisztítására a felület tisztaságának, valamint a forma minőségének és élettartamának biztosítása érdekében. A fémes anyagok károsodási küszöbértéke magasabb, mint a felületi szennyeződések lézeres tisztítási küszöbértéke. Megfelelő teljesítményű lézer kiválasztásával jobb tisztítóhatás érhető el. Ezt a technológiát egyes területeken már éretten alkalmazzák. Wang Lihua és munkatársai. vizsgálta a lézeres tisztítási technológia alkalmazását az alumíniumötvözetek és titánötvözetek felületén lévő oxidrétegek kezelésében. A kutatási eredmények azt mutatták, hogy egy 5,1 J/cm2 energiasűrűségű lézerrel megtisztítható az A5083-111H alumíniumötvözet felületén lévő oxidréteg, miközben megőrzi az aljzat jó minőségét, és egy 100 W átlagos teljesítményű impulzuslézerrel pásztázó módon hatékonyan tisztítható a titánötvözetek felületén lévő oxidréteg, és javítható az anyagfelület keménysége. Hazai cégek, mint például a Ruike Laser, a Daqu Laser és a Shenzhen Chuangxin, olyan lézeres tisztítóberendezéseket fejlesztettek ki, amelyeket széles körben használnak gumiformák, például gumiabroncsok, fém rozsdarétegek és olajfoltok tisztítására az alkatrészek felületén.
3) A kulturális ereklyék területén a fém- és kőereklyék, valamint a papírfelületek tisztítása szükséges a felületükön hosszú múltjuk miatt megjelenő szennyeződések, például a szennyeződések és a tintafoltok eltávolításához. Ezeket a szennyeződéseket el kell távolítani az ereklyék restaurálásához. A papírmunkák, például a kalligráfia és a festmények esetében a nem megfelelő tárolás esetén penész nő a felületükön, és foltokat képez. Ezek a foltok komolyan befolyásolják a papír eredeti megjelenését, különösen a magas kulturális vagy történelmi értékű papírok esetében, ami befolyásolhatja azok megbecsülését és védelmét. Zhao Ying és munkatársai ultraibolya lézerrel tisztíthatják a penészfoltokat a papírtekercseken. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy egy 3,2 J/mm2 energiasűrűségű lézerrel egyszeri szkenneléssel eltávolíthatók a vékony foltok, kétszeri szkenneléssel pedig a foltok teljesen eltávolíthatók. Ha azonban a használt lézerenergia túl magas, a foltok eltávolítása során károsíthatja a papírtekercset. Zhang Xiaotong és munkatársai sikeresen restauráltak egy aranyozott bronz ereklyét lézeres függőleges besugárzásos folyékony film módszerrel. Zhang Licheng és munkatársai lézeres tisztítási technológiát alkalmaztak egy Han-dinasztia korabeli festett női kerámiafigura restaurálásakor. Yuan Xiaodong és munkatársai... vizsgálta a lézeres tisztítási technológia hatását a kőemlékek tisztításában, és összehasonlította a homokkő test károsodását a tisztítás előtt és után, valamint a tintafoltok, a füstszennyezés és a festékszennyezés tisztító hatásait.
Következtetés: A lézeres tisztítási technológia egy viszonylag fejlett technika, széleskörű kutatási és alkalmazási lehetőségekkel a nagy precíziós területeken, mint például a repülőgépipar, a katonai felszerelések, valamint az elektronikai és elektrotechnika. Jelenleg a lézeres tisztítási technológiát sikeresen alkalmazzák egyes területeken hatékony, környezetbarát és kiváló tisztítási teljesítményének köszönhetően. Alkalmazási területei fokozatosan bővülnek. A lézeres tisztítási technológia fejlesztése nemcsak olyan területeken terjedt el éretten, mint a festék eltávolítása és a rozsda eltávolítása, hanem az elmúlt években a lézer használatáról is beszámoltak a fémhuzalok oxidrétegének tisztítására. A meglévő alkalmazási területek bővülése és az új területek fejlesztése képezi a lézeres tisztítási technológia fejlesztésének alapját. Az új lézeres tisztítóberendezések kutatása és fejlesztése, valamint az új lézeres tisztítóberendezések fejlesztése differenciálódást mutat, ami különféle funkciókat eredményez. A jövőben a teljesen automatikus lézeres tisztítás megvalósítása ipari robotokkal való együttműködés révén is megvalósítható. A lézeres tisztítási technológia fejlődési trendje a következő:
(1) A lézeres tisztítás elméletével kapcsolatos kutatások megerősítése a lézeres tisztítási technológia alkalmazásának irányítása érdekében. Számos dokumentum áttekintése után megállapították, hogy nincs kiforrott elméleti rendszer a lézeres tisztítási technológia alátámasztására, és a legtöbb tanulmány kísérleteken alapul. A lézeres tisztítás elméleti rendszerének létrehozása az alapja a lézeres tisztítási technológia további fejlesztésének és kiforrottságának.
(2) A meglévő alkalmazási területek bővítése és új alkalmazási területek. A lézeres tisztítási technológiát sikeresen alkalmazták olyan területeken, mint a festékeltávolítás és a rozsdaeltávolítás, és az elmúlt években jelentések érkeztek a lézer használatáról fémhuzalok oxidrétegének tisztítására. A meglévő alkalmazási területek bővítése és az új területek fejlesztése termékeny talajt jelent a lézeres tisztítási technológia fejlesztéséhez.
(3) Új lézertisztító berendezések kutatása és fejlesztése. Az új lézertisztító berendezések fejlesztése differenciáltságot fog mutatni. Az egyik típus bizonyos univerzalitással rendelkező berendezés, amely több alkalmazási területet fed le, például egyetlen eszköz képes egyidejűleg festék- és rozsdaeltávolítási funkciókat ellátni. A másik típus speciális igényekre szabott berendezések, például speciális szerelvények vagy optikai szálak tervezése a kis terekben lévő szennyeződések tisztítására. Az ipari robotokkal való együttműködés révén a teljesen automatikus lézertisztítás szintén népszerű alkalmazási irány.
Közzététel ideje: 2025. július 17.
