Princíp, typy a aplikácielaserové čistenietechnológia
Technológia laserového čistenia je úspešnou aplikáciou laserovej technológie v oblasti strojárstva. Jej základným princípom je využitie vysokej hustoty energie laseru na interakciu s nečistotami priľnutými na substráte obrobku, čo spôsobuje ich oddelenie od substrátu vo forme okamžitej tepelnej rozťažnosti, topenia a odparovania plynu. Technológia laserového čistenia sa vyznačuje vysokou účinnosťou, šetrnosťou k životnému prostrediu a úsporou energie. Úspešne sa uplatňuje v oblastiach, ako je čistenie foriem pneumatík, odstraňovanie laku z karosérií lietadiel a reštaurovanie kultúrnych pamiatok.
Medzi tradičné čistiace technológie patriamechanické čistenie trením(čistenie pieskovaním, čistenie vysokotlakovým vodným lúčom atď.), chemické čistenie proti korózii, ultrazvukové čistenie, čistenie suchým ľadom atď. Tieto čistiace technológie sa široko používajú v rôznych odvetviach. Napríklad pieskovanie dokáže odstrániť škvrny od hrdze na kovoch, otrepy na kovových povrchoch a trojvrstvový lak na doskách plošných spojov výberom abrazív rôznej tvrdosti. Technológia chemického čistenia proti korózii sa široko používa na čistenie olejových škvŕn na povrchoch zariadení, vodného kameňa v kotloch a ropovodoch. Hoci sú tieto čistiace technológie dobre vyvinuté, stále majú určité problémy. Napríklad čistenie pieskovaním môže ľahko poškodiť ošetrovaný povrch a chemické čistenie proti korózii môže pri nesprávnom zaobchádzaní spôsobiť znečistenie životného prostredia a koróziu čisteného povrchu. Vznik technológie laserového čistenia predstavuje revolúciu v čistiacej technológii. Využíva vysokú hustotu energie, vysokú presnosť a efektívny prenos laserovej energie a má zjavné výhody oproti tradičným čistiacim technológiám, pokiaľ ide o účinnosť čistenia, presnosť čistenia a miesto čistenia. Dokáže účinne zabrániť znečisteniu životného prostredia spôsobenému chemickým čistením proti korózii a inými čistiacimi technológiami a nespôsobí poškodenie podkladu.
Ten/Tá/Toprincíp laserového čistenia
Čo je teda laserové čistenie? Laserové čistenie je proces, pri ktorom sa laserový lúč používa na odstraňovanie materiálu z povrchu pevnej látky (alebo niekedy kvapaliny). Pri nízkom laserovom toku sa materiál zahrieva absorbovanou laserovou energiou a odparuje sa alebo sublimuje. Pri vysokom laserovom toku sa materiál zvyčajne mení na plazmu. Laserové čistenie sa zvyčajne vzťahuje na odstraňovanie materiálu pomocou pulzných laserov, ale ak je intenzita laseru dostatočne vysoká, na abláciu materiálu sa môže použiť laserový lúč s kontinuálnou vlnou. Excimerový laser s hlbokým ultrafialovým svetlom sa používa hlavne na optickú abláciu. Vlnová dĺžka laseru používaná na optickú abláciu je približne 200 nm. Hĺbka absorpcie laserovej energie a množstvo materiálu odstráneného jedným laserovým impulzom závisia od optických vlastností materiálu, ako aj od vlnovej dĺžky laseru a dĺžky impulzu. Celková hmotnosť ablaovaná z cieľa každým laserovým impulzom sa zvyčajne nazýva ablačná rýchlosť. Rýchlosť skenovania laserového lúča a pokrytie skenovacej čiary atď. významne ovplyvnia proces ablácie.
Typy technológií laserového čistenia
1) Suché laserové čistenie: Suché laserové čistenie sa vzťahuje na priame ožarovanie čisteného obrobku pulzným laserom, čo spôsobuje, že podklad alebo povrchové nečistoty absorbujú energiu a zvyšujú sa teploty, čo vedie k tepelnej rozťažnosti alebo tepelným vibráciám podkladu, čím sa tieto dve situácie oddeľujú. Túto metódu možno zhruba rozdeliť na dve situácie: jednou je, že povrchové nečistoty absorbujú laserovú energiu a rozťahujú sa; druhou je, že podklad absorbuje laserovú energiu a generuje tepelné vibrácie. V roku 1969 SM Bedair a kol. zistili, že rôzne metódy povrchovej úpravy, ako je tepelné spracovanie, chemická korózia a pieskovanie, majú všetky svoje nevýhody. Zároveň vysoká hustota energie po laserovom zaostrení umožňuje jav odparovania povrchu materiálu, čo umožňuje nedeštruktívne čistenie povrchu materiálu. Experimentálne sa zistilo, že použitím rubínového Q-spínaného laseru s hustotou výkonu 30 MW/cm2 je možné dosiahnuť čistenie povrchových nečistôt kremíkového materiálu bez poškodenia podkladu a po prvýkrát sa podarilo dosiahnuť suché laserové čistenie povrchových nečistôt materiálu. Celkovú rýchlosť možno vyjadriť rýchlosťou oddeľovania fragmentov filmovej vrstvy takto:
Vo vzorci ε predstavuje index energie laserového impulzu, h predstavuje index hrúbky vrstvy znečisťujúcej fólie a E predstavuje index modulu pružnosti vrstvy fólie.
2) Laserové mokré čistenie: Pred vystavením čisteného obrobku pulznému laseru sa na povrch nanesie tekutý film. Pod vplyvom laseru sa teplota tekutého filmu rýchlo zvýši a odparí sa. V momente odparovania sa generuje nárazová vlna, ktorá pôsobí na častice znečisťujúcich látok a spôsobuje ich oddelenie od substrátu. Táto metóda vyžaduje, aby substrát a tekutý film navzájom nereagovali, čím sa obmedzuje rozsah použiteľných materiálov. V roku 1991 sa K. Imen a kol. zaoberali problémom zvyškových submikrónových častíc znečisťujúcich látok na povrchoch polovodičových doštičiek a kovových materiálov po použití tradičných metód čistenia a študovali nanesenie filmu na povrch materiálu substrátu, ktorý dokáže účinne absorbovať laserovú energiu. Následne pomocou CO2 laseru film absorboval laserovú energiu, rýchlo sa zvýšila jeho teplota a začal variť, čím sa vytvorilo explozívne odparovanie, ktoré odstránilo znečisťujúce látky z povrchu substrátu. Táto metóda čistenia sa nazýva laserové mokré čistenie.
3) Čistenie laserovou plazmovou rázovou vlnou: Laserové plazmové rázové vlny vznikajú, keď laser ožaruje vzduchové médium a spôsobuje vznik sférickej plazmovej rázovej vlny. Rázová vlna pôsobí na povrch čisteného obrobku a uvoľňuje energiu na odstránenie znečisťujúcich látok. Laser nepôsobí na substrát, a preto ho nepoškodzuje. Technológia čistenia laserovou plazmovou rázovou vlnou teraz dokáže čistiť častice s priemerom niekoľkých desiatok nanometrov a neexistujú žiadne obmedzenia týkajúce sa vlnovej dĺžky laseru. Fyzikálny princíp plazmového čistenia možno zhrnúť takto: a) Laserový lúč vyžarovaný laserom je absorbovaný vrstvou kontaminácie na ošetrovanom povrchu. b) Veľké množstvo absorpcie vytvára rýchlo sa rozpínajúcu plazmu (vysoko ionizovaný nestabilný plyn) a generuje nárazovú vlnu. c) Nárazová vlna spôsobuje fragmentáciu a odstránenie znečisťujúcich látok. d) Šírka impulzu svetelného impulzu musí byť dostatočne krátka, aby sa zabránilo tepelnej akumulácii, ktorá by mohla poškodiť ošetrovaný povrch. e) Experimenty ukázali, že keď sú na povrchu kovu oxidy, na povrchu kovu sa generuje plazma. Plazma sa generuje iba vtedy, keď hustota energie prekročí prahovú hodnotu, ktorá závisí od odstránenej vrstvy kontaminácie alebo oxidovej vrstvy. Tento prahový efekt je veľmi dôležitý pre účinné čistenie a zároveň zaistenie bezpečnosti materiálu substrátu. Vzhľad plazmy má aj druhú prahovú hodnotu. Ak hustota energie prekročí túto prahovú hodnotu, materiál substrátu sa poškodí. Pre účinné čistenie a zároveň zaistenie bezpečnosti materiálu substrátu je potrebné upraviť parametre laseru podľa situácie, aby sa zabezpečilo, že hustota energie svetelného impulzu je presne medzi týmito dvoma prahovými hodnotami. V roku 2001 JM Lee a kol. využili charakteristiku, že vysokovýkonné lasery pri zaostrení produkujú plazmové rázové vlny, a použili pulzný laser s hustotou energie 2,0 J/cm2 (oveľa vyššia ako prah poškodenia kremíkových doštičiek) na ožarovanie rovnobežne s kremíkovou doštičkou, pričom úspešne vyčistili 1 μm volfrámové častice adsorbované na povrchu kremíkovej doštičky. Táto metóda čistenia sa nazýva laserové plazmové čistenie rázovou vlnou a prísne vzaté, laserové plazmové čistenie rázovou vlnou je typ suchého laserového čistenia. Pôvodným účelom týchto troch technológií laserového čistenia bolo čistenie drobných častíc na povrchu polovodičových doštičiek. Dá sa povedať, že technológia laserového čistenia sa objavila s rozvojom polovodičovej technológie. Technológia laserového čistenia sa však neustále uplatňuje aj v iných oblastiach, ako je čistenie foriem pneumatík, odstraňovanie náterov z poťahov lietadiel a obnova povrchových artefaktov. Pod vplyvom laserového žiarenia sa na povrch substrátu vháňa inertný plyn. Keď sa kontaminanty z povrchu odlúpnu, plyn ich okamžite odfúkne, aby sa zabránilo opätovnému znečisteniu a oxidácii povrchu.
Ten/Tá/Toaplikácia technológie laserového čistenia
1) V oblasti polovodičov zahŕňa čistenie polovodičových doštičiek a optických substrátov rovnaký proces, ktorým je spracovanie surovín do požadovaných tvarov rezaním, brúsením atď. Počas tohto procesu sa zavádzajú častice kontaminantov, ktoré sa ťažko odstraňujú a spôsobujú vážne problémy s opakovanou kontamináciou. Kontaminanty na povrchu polovodičových doštičiek môžu ovplyvniť kvalitu tlače dosiek plošných spojov, čím sa skracuje životnosť polovodičových čipov. Kontaminanty na povrchu optických substrátov môžu ovplyvniť kvalitu optických zariadení a povlakov a môžu viesť k nerovnomernému rozloženiu energie, čím sa skracuje životnosť. Keďže laserové suché čistenie je náchylné na poškodenie povrchu substrátu, táto metóda čistenia sa pri čistení polovodičových doštičiek a optických substrátov používa menej. Laserové mokré čistenie a laserové plazmové čistenie rázovou vlnou majú v tejto oblasti úspešnejšie uplatnenie. Xu Chuanyi a kol. študovali nanášanie špeciálnej magnetickej farby v mikroskopickej mierke na povrch ultra hladkých optických substrátov ako dielektrického filmu a potom na čistenie použili pulzný laser. Čistiaci účinok bol dobrý, hoci sa počet častíc nečistôt na jednotku plochy zvýšil, veľkosť a plocha pokrytia častíc nečistôt sa výrazne znížili. Táto metóda dokáže účinne čistiť mikroskopické častice nečistôt na povrchu ultra hladkých optických substrátov. Zhang Ping študoval vplyv pracovnej vzdialenosti a laserovej energie na čistiaci účinok kontaminantov s rôznymi veľkosťami častíc v technológii laserového plazmového čistenia. Experimentálne výsledky ukázali, že pre polystyrénové častice na vodivých sklenených substrátoch bola optimálna pracovná vzdialenosť pre energiu 240 mJ 1,90 mm. So zvyšujúcou sa laserovou energiou sa čistiaci účinok výrazne zlepšil a kontaminanty s veľkými časticami sa ľahšie čistili.
2) V oblasti kovových materiálov sa čistenie povrchov kovových materiálov líši od čistenia polovodičových doštičiek a optických substrátov. Čistené kontaminanty patria do makroskopickej kategórie. Kontaminanty na povrchu kovových materiálov zahŕňajú najmä oxidovú vrstvu (vrstvu hrdze), vrstvu farby, povlak a ďalšie pripojené časti a možno ich rozdeliť na organické kontaminanty (ako je vrstva farby, povlak) a anorganické kontaminanty (ako je vrstva hrdze). Čistenie povrchových kontaminantov kovových materiálov slúži najmä na splnenie požiadaviek následného spracovania alebo použitia, ako je odstránenie približne 10 μm oxidovej vrstvy z povrchu dielov z titánovej zliatiny pred zváraním, odstránenie pôvodného náteru farby z povrchu poťahu počas väčších opráv lietadla na uľahčenie opätovného striekania a pravidelné čistenie gumových častíc prichytených na gumenú formu pneumatiky, aby sa zabezpečila čistota povrchu a kvalita a životnosť formy. Prah poškodenia kovových materiálov je vyšší ako prah laserového čistenia ich povrchových kontaminantov. Výberom vhodného výkonového laseru je možné dosiahnuť lepší čistiaci účinok. Táto technológia sa v niektorých oblastiach už dlho uplatňuje. Wang Lihua a kol. skúmali aplikáciu technológie laserového čistenia pri úprave oxidových vrstiev na povrchoch hliníkových zliatin a titánových zliatin. Výsledky výskumu ukázali, že použitie laseru s hustotou energie 5,1 J/cm2 dokázalo vyčistiť oxidovú vrstvu na povrchu hliníkovej zliatiny A5083-111H pri zachovaní dobrej kvality substrátu a použitie pulzného laseru s priemerným výkonom 100 W skenovacím spôsobom dokázalo účinne vyčistiť oxidovú vrstvu na povrchu titánových zliatin a zlepšiť tvrdosť povrchu materiálu. Domáce spoločnosti ako Ruike Laser, Daqu Laser a Shenzhen Chuangxin vyvinuli laserové čistiace zariadenia, ktoré sa široko používajú na čistenie gumových foriem, ako sú pneumatiky, vrstvy hrdze a olejové škvrny na povrchu súčiastok.
3) V oblasti kultúrnych pamiatok je čistenie kovových a kamenných pamiatok a papierových povrchov nevyhnutné na odstránenie nečistôt, ako sú nečistoty a škvrny od atramentu, ktoré sa objavujú na ich povrchu v dôsledku ich dlhej histórie. Tieto nečistoty je potrebné odstrániť, aby sa pamiatky obnovili. Pri papierových dielach, ako sú kaligrafie a maľby, pri nesprávnom skladovaní rastie na ich povrchu pleseň a vytvára sa na nich škvrny. Tieto škvrny vážne ovplyvňujú pôvodný vzhľad papiera, najmä papiera s vysokou kultúrnou alebo historickou hodnotou, čo ovplyvní jeho ocenenie a ochranu. Zhao Ying a kol. študovali uskutočniteľnosť použitia ultrafialového laseru na čistenie škvŕn od plesne na papierových zvitkoch. Experimentálne výsledky ukázali, že použitie laseru s hustotou energie 3,2 J/mm2 na jedno skenovanie by mohlo odstrániť tenké škvrny a dvojité skenovanie by mohlo škvrny úplne odstrániť. Ak je však použitá laserová energia príliš vysoká, pri odstraňovaní škvŕn sa papierový zvitok poškodí. Zhang Xiaotong a kol. úspešne obnovili pozlátenú bronzovú pamiatku pomocou metódy laserového vertikálneho ožarovania kvapalinovým filmom. Zhang Licheng a kol. použili technológiu laserového čistenia pri reštaurovaní maľovanej ženskej keramickej figúrky z dynastie Chan. Yuan Xiaodong a kol. skúmali vplyv laserovej čistiacej technológie pri čistení kamenných relikvií a porovnávali poškodenie pieskovcového telesa pred a po čistení, ako aj čistiace účinky škvŕn od atramentu, znečistenia dymom a znečistenia farbou.
Záver: Technológia laserového čistenia je relatívne pokročilá technika so širokými výskumnými a aplikačnými perspektívami vo vysoko presných oblastiach, ako je letecký priemysel, vojenské zariadenia a elektronika a elektrotechnika. V súčasnosti sa technológia laserového čistenia úspešne uplatňuje v niektorých oblastiach vďaka svojej efektívnosti, šetrnosti k životnému prostrediu a vynikajúcemu čistiacemu výkonu. Jej oblasti použitia sa postupne rozširujú. Vývoj technológie laserového čistenia sa nielen zrelo uplatňuje v oblastiach, ako je odstraňovanie náterov a hrdze, ale v posledných rokoch sa objavili aj správy o použití laseru na čistenie oxidovej vrstvy na kovových drôtoch. Rozšírenie existujúcich oblastí použitia a vývoj nových oblastí sú základom rozvoja technológie laserového čistenia. Výskum a vývoj nových zariadení na laserové čistenie a vývoj nových zariadení na laserové čistenie sa bude diferencovať, čo povedie k rôznym funkciám. V budúcnosti je možné dosiahnuť aj plne automatické laserové čistenie prostredníctvom spolupráce s priemyselnými robotmi. Trend vývoja technológie laserového čistenia je nasledovný:
(1) Posilnenie výskumu teórie laserového čistenia s cieľom usmerniť aplikáciu technológie laserového čistenia. Po preskúmaní veľkého množstva dokumentov sa zistilo, že neexistuje žiadny vyspelý teoretický systém podporujúci technológiu laserového čistenia a väčšina štúdií je založená na experimentoch. Vytvorenie teoretického systému laserového čistenia je základom pre ďalší rozvoj a vyspelosť technológie laserového čistenia.
(2) Rozšírenie existujúcich oblastí použitia a nové oblasti použitia. Technológia laserového čistenia sa úspešne aplikovala v oblastiach, ako je odstraňovanie náterov a hrdze, a v posledných rokoch sa objavili správy o použití laseru na čistenie oxidovej vrstvy na kovových drôtoch. Rozšírenie existujúcich oblastí použitia a rozvoj nových oblastí sú úrodnou pôdou pre rozvoj technológie laserového čistenia.
(3) Výskum a vývoj nových laserových čistiacich zariadení. Vývoj nových laserových čistiacich zariadení sa bude odvíjať od rôznych oblastí použitia. Jedným typom sú zariadenia s určitou univerzálnosťou, ktoré pokrývajú viacero oblastí použitia, napríklad jedno zariadenie dokáže súčasne odstraňovať farby a hrdzu. Druhým typom sú špecializované zariadenia pre špecifické potreby, ako je navrhovanie špecifických prípravkov alebo optických vlákien na dosiahnutie funkcie čistenia znečisťujúcich látok v malých priestoroch. Vďaka spolupráci s priemyselnými robotmi je plne automatické laserové čistenie tiež obľúbeným aplikačným smerom.
Čas uverejnenia: 17. júla 2025
