Princips, veidi un pielietojumslāzera tīrīšanatehnoloģija
Lāzera tīrīšanas tehnoloģija ir veiksmīgs lāzertehnoloģijas pielietojums inženierzinātņu jomā. Tās pamatprincips ir izmantot lāzera augsto enerģijas blīvumu, lai mijiedarbotos ar sagataves substrātam pielipušajiem piesārņotājiem, izraisot to atdalīšanos no substrāta momentānas termiskās izplešanās, kušanas un gāzes iztvaikošanas veidā. Lāzera tīrīšanas tehnoloģijai raksturīga augsta efektivitāte, draudzīgums videi un enerģijas taupīšana. Tā ir veiksmīgi pielietota tādās jomās kā riepu pelējuma tīrīšana, lidmašīnu virsbūves krāsas noņemšana un kultūras pieminekļu restaurācija.
Tradicionālās tīrīšanas tehnoloģijas ietvermehāniskā berzes tīrīšana(tīrīšana ar smilšu strūklu, tīrīšana ar augstspiediena ūdens strūklu utt.), ķīmiskā korozijas tīrīšana, ultraskaņas tīrīšana, tīrīšana ar sauso ledu utt. Šīs tīrīšanas tehnoloģijas ir plaši izmantotas dažādās nozarēs. Piemēram, tīrīšana ar smilšu strūklu var noņemt metāla rūsas plankumus, metāla virsmas asumus un trīskāršu laku uz shēmas platēm, izvēloties dažādas cietības abrazīvus. Ķīmiskās korozijas tīrīšanas tehnoloģija tiek plaši izmantota eļļas traipu tīrīšanā uz iekārtu virsmām, katlakmens nogulsnēs un naftas cauruļvados. Lai gan šīs tīrīšanas tehnoloģijas ir labi attīstītas, tām joprojām ir dažas problēmas. Piemēram, tīrīšana ar smilšu strūklu var viegli sabojāt apstrādāto virsmu, un ķīmiskā korozijas tīrīšana var izraisīt vides piesārņojumu un tīrāmās virsmas koroziju, ja ar to netiek pareizi rīkoties. Lāzera tīrīšanas tehnoloģijas parādīšanās ir revolūcija tīrīšanas tehnoloģijā. Tā izmanto lāzera enerģijas augsto enerģijas blīvumu, augsto precizitāti un efektīvu pārraidi, un tai ir acīmredzamas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām tīrīšanas tehnoloģijām tīrīšanas efektivitātes, tīrīšanas precizitātes un tīrīšanas vietas ziņā. Tā var efektīvi novērst ķīmiskās korozijas tīrīšanas un citu tīrīšanas tehnoloģiju radīto vides piesārņojumu un neradīs bojājumus substrātam.
Tātad, kas ir lāzertīrīšana? Lāzera tīrīšana ir process, kurā lāzera stars tiek izmantots, lai noņemtu materiālu no cietas vielas (vai dažreiz šķidruma) virsmas. Zemā lāzera plūsmā materiāls tiek uzkarsēts ar absorbēto lāzera enerģiju un iztvaiko vai sublimējas. Augstā lāzera plūsmā materiāls parasti pārvēršas plazmā. Parasti lāzertīrīšana attiecas uz materiāla noņemšanu, izmantojot impulsa lāzerus, bet, ja lāzera intensitāte ir pietiekami augsta, materiāla ablācijai var izmantot nepārtraukta viļņa lāzera staru. Dziļās ultravioletās gaismas eksimērlāzers galvenokārt tiek izmantots optiskajai ablācijai. Optiskajai ablācijai izmantotā lāzera viļņa garums ir aptuveni 200 nm. Lāzera enerģijas absorbcijas dziļums un ar vienu lāzera impulsu noņemtā materiāla daudzums ir atkarīgs no materiāla optiskajām īpašībām, kā arī no lāzera viļņa garuma un impulsa garuma. Kopējo masu, ko katrs lāzera impulss ablē no mērķa, parasti sauc par ablācijas ātrumu. Lāzera stara skenēšanas ātrums un skenēšanas līnijas pārklājums utt. būtiski ietekmēs ablācijas procesu.
Lāzera tīrīšanas tehnoloģiju veidi
1) Lāzera ķīmiskā tīrīšana: Sausā lāzera tīrīšana attiecas uz tīrīšanas detaļas tiešu apstarošanu ar impulsa lāzeru, kā rezultātā pamatnes vai virsmas piesārņotāji absorbē enerģiju un paaugstina temperatūru, kā rezultātā pamatne termiski izplešas vai termiski vibrē, tādējādi atdalot abas. Šo metodi var aptuveni iedalīt divās situācijās: viena ir tāda, ka virsmas piesārņotāji absorbē lāzera enerģiju un izplešas; otra ir tāda, ka pamatne absorbē lāzera enerģiju un rada termisku vibrāciju. 1969. gadā SM Bedair et al. atklāja, ka dažādām virsmas apstrādes metodēm, piemēram, termiskajai apstrādei, ķīmiskajai korozijai un smilšu strūklas tīrīšanai, ir dažādi trūkumi. Tajā pašā laikā augstais enerģijas blīvums pēc lāzera fokusēšanas var radīt materiāla virsmas iztvaikošanas fenomenu, kas ļauj veikt materiāla virsmas nesagraujošo tīrīšanu. Eksperimentu rezultātā tika atklāts, ka, izmantojot rubīna Q pārslēdzamo lāzeru ar jaudas blīvumu 30 MW/cm2, var panākt silīcija materiāla virsmas piesārņotāju tīrīšanu, nebojājot pamatni, un pirmo reizi tika realizēta materiāla virsmas piesārņotāju lāzera ķīmiskā tīrīšana. Kopējo ātrumu var izteikt ar plēves slāņa fragmentu atdalīšanās ātrumu šādi:
Formulā ε apzīmē lāzera impulsa enerģijas indeksu, h apzīmē piesārņotāja plēves slāņa biezuma indeksu un E apzīmē plēves slāņa elastības moduļa indeksu.
2) Lāzera mitrā tīrīšana: Pirms apstrādājamā priekšmeta pakļaušanas impulsa lāzeram, uz tā tiek uzklāta virsmas iepriekšēja pārklājuma šķidruma plēve. Lāzera iedarbības rezultātā šķidruma plēves temperatūra strauji paaugstinās un tā iztvaiko. Iztvaikošanas brīdī tiek ģenerēts trieciena vilnis, kas iedarbojas uz piesārņojuma daļiņām un izraisa to atdalīšanos no substrāta. Šī metode prasa, lai substrāts un šķidruma plēve nereaģētu viens ar otru, tādējādi ierobežojot pielietojamo materiālu klāstu. 1991. gadā K. Imens un līdzautori pievērsās atlikušo submikronu daļiņu piesārņojuma problēmai uz pusvadītāju plākšņu un metāla materiālu virsmām pēc tradicionālo tīrīšanas metožu izmantošanas un pētīja plēves uzklāšanu uz materiāla substrāta virsmas, kas var efektīvi absorbēt lāzera enerģiju. Pēc tam, izmantojot CO2 lāzeru, plēve absorbēja lāzera enerģiju, strauji paaugstinājās temperatūra un uzvārījās, radot sprādzienbīstamu iztvaikošanu, kas noņēma piesārņotājus no substrāta virsmas. Šo tīrīšanas metodi sauc par lāzera mitro tīrīšanu.
3) Lāzera plazmas triecienviļņu tīrīšana: Lāzera plazmas triecienviļņi rodas, kad lāzers apstaro gaisu un izraisa sfēriska plazmas triecienviļņa veidošanos. Triecienvilnis iedarbojas uz tīrāmās sagataves virsmu un atbrīvo enerģiju piesārņotāju noņemšanai. Lāzers neiedarbojas uz substrātu, tādējādi neradot tam bojājumus. Lāzera plazmas triecienviļņu tīrīšanas tehnoloģija tagad var notīrīt daļiņas ar vairāku desmitu nanometru diametru, un lāzera viļņa garumam nav ierobežojumu. Plazmas tīrīšanas fizikālo principu var apkopot šādi: a) Lāzera izstaroto lāzera staru absorbē apstrādājamās virsmas piesārņojuma slānis. b) Lielais absorbcijas daudzums veido strauji izplešanās plazmu (ļoti jonizētu nestabilu gāzi) un ģenerē trieciena vilni. c) Trieciena vilnis izraisa piesārņotāju fragmentāciju un noņemšanu. d) Gaismas impulsa impulsa platumam jābūt pietiekami īsam, lai izvairītos no termiskās uzkrāšanās, kas varētu sabojāt apstrādājamo virsmu. e) Eksperimenti ir parādījuši, ka, ja uz metāla virsmas ir oksīdi, uz metāla virsmas rodas plazma. Plazma tiek ģenerēta tikai tad, kad enerģijas blīvums pārsniedz slieksni, kas ir atkarīgs no noņemtā piesārņojuma slāņa vai oksīda slāņa. Šis sliekšņa efekts ir ļoti svarīgs efektīvai tīrīšanai, vienlaikus nodrošinot substrāta materiāla drošību. Arī plazmas izskatam ir otrs slieksnis. Ja enerģijas blīvums pārsniedz šo slieksni, substrāta materiāls tiks bojāts. Lai veiktu efektīvu tīrīšanu, vienlaikus nodrošinot substrāta materiāla drošību, lāzera parametri ir jāpielāgo atbilstoši situācijai, lai nodrošinātu, ka gaismas impulsa enerģijas blīvums stingri atrodas starp abiem sliekšņiem. 2001. gadā JM Lee et al. izmantoja raksturlielumu, ka lieljaudas lāzeri fokusējot rada plazmas triecienviļņus, un izmantoja impulsa lāzeru ar enerģijas blīvumu 2,0 J/cm2 (daudz augstāks par silīcija plākšņu bojājumu slieksni), lai apstarotu paralēli silīcija plāksnei, veiksmīgi notīrot 1 μm volframa daļiņas, kas adsorbētas uz silīcija plāksnītes virsmas. Šo tīrīšanas metodi sauc par lāzera plazmas triecienviļņu tīrīšanu, un, stingri sakot, lāzera plazmas triecienviļņu tīrīšana ir sausās lāzera tīrīšanas veids. Šo trīs lāzera tīrīšanas tehnoloģiju sākotnējais mērķis bija notīrīt sīkās daļiņas uz pusvadītāju plākšņu virsmas. Var teikt, ka lāzera tīrīšanas tehnoloģija parādījās līdz ar pusvadītāju tehnoloģijas attīstību. Tomēr lāzera tīrīšanas tehnoloģija ir nepārtraukti pielietota arī citās jomās, piemēram, riepu pelējuma tīrīšanā, lidmašīnu virsbūves krāsas noņemšanā un artefaktu virsmas atjaunošanā. Lāzera starojuma ietekmē uz substrāta virsmas var uzpūst inertu gāzi. Kad piesārņotāji ir noņemti no virsmas, gāze tos nekavējoties nopūš, lai novērstu atkārtotu piesārņojumu un virsmas oksidēšanos.
Thelāzera tīrīšanas tehnoloģijas pielietošana
1) Pusvadītāju jomā pusvadītāju plākšņu un optisko substrātu tīrīšana ietver vienu un to pašu procesu, proti, izejvielu apstrādi nepieciešamajās formās, izmantojot griešanu, slīpēšanu utt. Šī procesa laikā tiek ievadīti daļiņu piesārņotāji, kurus ir grūti noņemt un kas rada nopietnas atkārtotas piesārņojuma problēmas. Piesārņotāji uz pusvadītāju plākšņu virsmas var ietekmēt shēmas plates drukas kvalitāti, tādējādi saīsinot pusvadītāju mikroshēmu kalpošanas laiku. Piesārņotāji uz optisko substrātu virsmas var ietekmēt optisko ierīču un pārklājumu kvalitāti un var izraisīt nevienmērīgu enerģijas sadalījumu, saīsinot kalpošanas laiku. Tā kā lāzera ķīmiskā tīrīšana var sabojāt substrāta virsmu, šī tīrīšanas metode pusvadītāju plākšņu un optisko substrātu tīrīšanā tiek izmantota retāk. Lāzera mitrajai tīrīšanai un lāzera plazmas triecienviļņu tīrīšanai šajā jomā ir veiksmīgāki pielietojumi. Sju Čuanji un līdzautori pētīja mikromēroga speciālas magnētiskās krāsas nogulsnēšanos uz īpaši gludu optisko substrātu virsmas kā dielektrisku plēvi un pēc tam tīrīšanai izmantoja impulsa lāzeru. Tīrīšanas efekts bija labs, lai gan piemaisījumu daļiņu skaits uz laukuma vienību palielinājās, piemaisījumu daļiņu izmērs un pārklājuma laukums ievērojami samazinājās. Šī metode var efektīvi notīrīt mikromēroga piemaisījumu daļiņas uz īpaši gludu optisko substrātu virsmas. Džans Pins pētīja darba attāluma un lāzera enerģijas ietekmi uz dažāda izmēra piesārņotāju tīrīšanas efektu lāzera plazmas tīrīšanas tehnoloģijā. Eksperimentālie rezultāti parādīja, ka polistirola daļiņām uz vadošiem stikla substrātiem optimālais darba attālums 240 mJ enerģijai bija 1,90 mm. Palielinoties lāzera enerģijai, tīrīšanas efekts ievērojami uzlabojās, un lielu daļiņu piesārņotājus bija vieglāk notīrīt.
2) Metāla materiālu jomā metāla materiālu virsmu tīrīšana atšķiras no pusvadītāju plākšņu un optisko substrātu tīrīšanas. Tīrāmie piesārņotāji pieder pie makroskopiskās kategorijas. Piesārņotāji uz metāla materiālu virsmas galvenokārt ietver oksīda slāni (rūsas slāni), krāsas slāni, pārklājumu un citus piestiprinājumus, un tos var klasificēt organiskajos piesārņotājos (piemēram, krāsas slānis, pārklājums) un neorganiskajos piesārņotājos (piemēram, rūsas slānis). Metāla materiālu virsmas piesārņotāju tīrīšana galvenokārt paredzēta, lai izpildītu turpmākās apstrādes vai lietošanas prasības, piemēram, pirms metināšanas noņemtu aptuveni 10 μm oksīda slāni no titāna sakausējuma detaļu virsmas, noņemtu sākotnējo krāsas pārklājumu no ādas virsmas lidmašīnu kapitālremonta laikā, lai atvieglotu atkārtotu krāsošanu, un regulāri notīrītu gumijas daļiņas, kas piestiprinātas pie gumijas riepu veidnes, lai nodrošinātu virsmas tīrību, kā arī veidnes kvalitāti un kalpošanas laiku. Metāla materiālu bojājumu slieksnis ir augstāks nekā to virsmas piesārņotāju lāzera tīrīšanas slieksnis. Izvēloties atbilstošas jaudas lāzeru, var panākt labāku tīrīšanas efektu. Šī tehnoloģija ir nobriedusi pielietota dažās jomās. Vans Lihua et al. pētīja lāzera tīrīšanas tehnoloģijas pielietojumu oksīda kārtiņu apstrādē uz alumīnija sakausējumu un titāna sakausējumu virsmām. Pētījuma rezultāti parādīja, ka, izmantojot lāzeru ar enerģijas blīvumu 5,1 J/cm2, var notīrīt oksīda slāni uz A5083-111H alumīnija sakausējuma virsmas, vienlaikus saglabājot labu substrāta kvalitāti, un, izmantojot impulsa lāzeru ar vidējo jaudu 100 W skenēšanas veidā, var efektīvi notīrīt oksīda slāni uz titāna sakausējumu virsmas un uzlabot materiāla virsmas cietību. Vietējie uzņēmumi, piemēram, Ruike Laser, Daqu Laser un Shenzhen Chuangxin, ir izstrādājuši lāzera tīrīšanas iekārtas, kas tiek plaši izmantotas gumijas veidņu, piemēram, riepu, metāla rūsas slāņu un eļļas traipu tīrīšanai uz detaļu virsmas.
3) Kultūras relikviju jomā metāla un akmens relikviju, kā arī papīra virsmu tīrīšana ir nepieciešama, lai noņemtu piesārņotājus, piemēram, netīrumus un tintes traipus, kas uz to virsmām parādās to ilgās vēstures dēļ. Šie piesārņotāji ir jānoņem, lai relikvijas atjaunotu. Nepareizi uzglabājot papīra darbus, piemēram, kaligrāfiju un gleznas, uz to virsmām aug pelējums un veidojas plankumi. Šie plankumi nopietni ietekmē papīra sākotnējo izskatu, īpaši papīram ar augstu kultūras vai vēsturisko vērtību, kas ietekmēs tā vērtību un aizsardzību. Džao Jinga un līdzautori pētīja ultravioletā lāzera izmantošanas iespējamību pelējuma plankumu tīrīšanai uz papīra spirālēm. Eksperimentālie rezultāti parādīja, ka, skenējot vienu reizi, var noņemt plānus plankumus, bet, skenējot divas reizes, var pilnībā noņemt plankumus. Tomēr, ja izmantotā lāzera enerģija ir pārāk augsta, tā sabojās papīra spirāli, vienlaikus noņemot plankumus. Džans Sjaotuns un līdzautori veiksmīgi restaurēja apzeltītu bronzas relikviju, izmantojot lāzera vertikālās apstarošanas šķidrās plēves metodi. Džans Ličeņs un līdzautori izmantoja lāzera tīrīšanas tehnoloģiju Haņu dinastijas laika apgleznotas sieviešu keramikas figūriņas restaurācijā. Juaņs Sjaoduns un līdzautori pētīja lāzera tīrīšanas tehnoloģijas ietekmi akmens relikviju tīrīšanā un salīdzināja smilšakmens ķermeņa bojājumus pirms un pēc tīrīšanas, kā arī tintes traipu, dūmu piesārņojuma un krāsas piesārņojuma tīrīšanas efektus.
Secinājums: Lāzera tīrīšanas tehnoloģija ir samērā attīstīta tehnika ar plašām pētniecības un pielietojuma perspektīvām augstas precizitātes jomās, piemēram, kosmosa, militārā aprīkojuma, elektronikas un elektrotehnikas jomā. Pašlaik lāzera tīrīšanas tehnoloģija ir veiksmīgi pielietota dažās jomās, pateicoties tās efektīvajai, videi draudzīgajai un lieliskajai tīrīšanas veiktspējai. Tās pielietojuma jomas pakāpeniski paplašinās. Lāzera tīrīšanas tehnoloģijas attīstība ir ne tikai nobriedusi pielietota tādās jomās kā krāsas noņemšana un rūsas noņemšana, bet pēdējos gados ir bijuši arī ziņojumi par lāzera izmantošanu oksīda slāņa tīrīšanai uz metāla stieplēm. Esošo pielietojuma jomu paplašināšana un jaunu jomu attīstība ir lāzera tīrīšanas tehnoloģijas attīstības pamatā. Jaunu lāzera tīrīšanas iekārtu izpēte un izstrāde, kā arī jaunu lāzera tīrīšanas iekārtu izstrāde parādīs diferenciāciju, kā rezultātā tiks ieviestas dažādas funkcijas. Nākotnē ir iespējams panākt arī pilnībā automātisku lāzera tīrīšanu, sadarbojoties ar rūpnieciskajiem robotiem. Lāzera tīrīšanas tehnoloģijas attīstības tendence ir šāda:
(1) Lāzera tīrīšanas teorijas pētījumu stiprināšana, lai vadītu lāzera tīrīšanas tehnoloģijas pielietošanu. Pēc liela skaita dokumentu pārskatīšanas tika konstatēts, ka nav nobriedušas teorētiskās sistēmas, kas atbalstītu lāzera tīrīšanas tehnoloģiju, un lielākā daļa pētījumu ir balstīti uz eksperimentiem. Lāzera tīrīšanas teorētiskās sistēmas izveide ir pamats lāzera tīrīšanas tehnoloģijas tālākai attīstībai un briedumam.
(2) Esošo pielietojuma jomu paplašināšana un jaunu pielietojuma jomu radīšana. Lāzera tīrīšanas tehnoloģija ir veiksmīgi pielietota tādās jomās kā krāsas noņemšana un rūsas noņemšana, un pēdējos gados ir bijuši ziņojumi par lāzera izmantošanu oksīda slāņa tīrīšanai uz metāla stieplēm. Esošo pielietojuma jomu paplašināšana un jaunu jomu attīstība ir auglīga augsne lāzera tīrīšanas tehnoloģijas attīstībai.
(3) Jaunu lāzertīrīšanas iekārtu izpēte un izstrāde. Jaunu lāzertīrīšanas iekārtu izstrāde parādīs diferenciāciju. Viens veids ir iekārtas ar noteiktu universālumu, kas aptver vairākas pielietojuma jomas, piemēram, viena ierīce var vienlaikus veikt krāsas noņemšanas un rūsas noņemšanas funkcijas. Otrs veids ir specializētas iekārtas īpašām vajadzībām, piemēram, īpašu armatūras vai optisko šķiedru projektēšana, lai panāktu piesārņotāju tīrīšanas funkciju nelielās telpās. Sadarbojoties ar rūpnieciskajiem robotiem, pilnībā automātiska lāzertīrīšana ir arī populārs pielietojuma virziens.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 17. jūlijs
