Принципот, видовите и примената на технологијата за ласерско чистење

Принципот, видовите и примената наласерско чистењетехнологија

Технологијата за ласерско чистење е успешна примена на ласерската технологија во областа на инженерството. Нејзиниот основен принцип е да се користи високата густина на енергија на ласерот за интеракција со загадувачите што се лепат на подлогата на работниот дел, предизвикувајќи нивно одвојување од подлогата во форма на моментална термичка експанзија, топење и испарување на гасот. Технологијата за ласерско чистење се карактеризира со висока ефикасност, еколошка прифатливост и заштеда на енергија. Успешно се применува во области како што се чистење на мувла од гуми, отстранување на боја на каросеријата на авиони и реставрација на културни реликвии.

Традиционалните технологии за чистење вклучуваатмеханичко триење(чистење со пескарење, чистење со млаз вода под висок притисок итн.), чистење со хемиска корозија, ултразвучно чистење, чистење со сув мраз итн. Овие технологии за чистење се широко користени во различни индустрии. На пример, чистењето со пескарење може да отстрани дамки од 'рѓа на метал, рапави површини на метал и троен лак на плочки со избирање на абразиви со различна тврдост. Технологијата за чистење со хемиска корозија е широко користена во чистењето на дамки од масло на површините на опремата, бигор во котли и нафтоводи. Иако овие технологии за чистење се добро развиени, тие сè уште имаат некои проблеми. На пример, чистењето со пескарење лесно може да предизвика оштетување на третираната површина, а чистењето со хемиска корозија може да предизвика загадување на животната средина и корозија на исчистената површина ако не се ракува правилно. Појавата на технологијата за ласерско чистење претставува револуција во технологијата за чистење. Таа ги користи предностите на високата густина на енергија, високата прецизност и ефикасниот пренос на ласерската енергија и има очигледни предности во однос на традиционалните технологии за чистење во однос на ефикасноста на чистењето, прецизноста на чистењето и локацијата на чистењето. Може ефикасно да го избегне загадувањето на животната средина предизвикано од чистење со хемиска корозија и други технологии за чистење и нема да предизвика оштетување на подлогата.

НаПринципот на ласерско чистење

Па што е ласерско чистење? Ласерското чистење е процес каде што ласерски зрак се користи за отстранување на материјал од површината на цврста материја (или понекогаш течност). При низок ласерски флукс, материјалот се загрева со апсорбираната ласерска енергија и испарува или сублимира. При висок ласерски флукс, материјалот обично се претвора во плазма. Обично, ласерското чистење се однесува на отстранување на материјал со употреба на пулсирани ласери, но ако интензитетот на ласерот е доволно висок, може да се користи континуиран ласерски зрак за аблација на материјалот. Ексцимерниот ласер со длабока ултравиолетова светлина главно се користи за оптичка аблација. Ласерската бранова должина што се користи за оптичка аблација е приближно 200 nm. Длабочината на апсорпција на ласерската енергија и количината на материјал отстранет со еден ласерски импулс зависат од оптичките својства на материјалот, како и од брановата должина на ласерот и должината на импулсот. Вкупната маса аблирана од целта со секој ласерски импулс обично се нарекува брзина на аблација. Брзината на скенирање на ласерскиот зрак и покриеноста на линијата за скенирање итн., значително ќе влијаат на процесот на аблација.

Видови на технологија за ласерско чистење

1) Ласерско хемиско чистење: Сувото ласерско чистење се однесува на директно зрачење на работниот дел за чистење со пулсен ласер, предизвикувајќи базата или површинските загадувачи да апсорбираат енергија и да ја зголемат температурата, што резултира со термичка експанзија или термички вибрации на базата, со што се одделуваат двете. Овој метод може грубо да се подели на две ситуации: првата е дека површинските загадувачи апсорбираат ласерска енергија и се шират; другата е дека базата апсорбира ласерска енергија и генерира термички вибрации. Во 1969 година, С.М. Бедаир и сор. откриле дека различните методи на површинска обработка, како што се термичка обработка, хемиска корозија и чистење со пескарење, имаат различни недостатоци. Во исто време, високата густина на енергија по фокусирањето со ласер може да го овозможи феноменот на испарување на површината на материјалот, што овозможува можност за недеструктивно чистење на површината на материјалот. Преку експерименти, беше откриено дека користењето на рубин Q-прекинувачки ласер со густина на моќност од 30 MW/cm2 може да се постигне чистење на површинските загадувачи на силиконски материјал без оштетување на базата, и за прв пат е реализирано ласерско хемиско чистење на површинските загадувачи на материјалот. Вкупната стапка може да се изрази со брзината на одвојување на фрагментите од филмскиот слој, на следниов начин:

Во формулата, ε го претставува индексот на енергија на ласерскиот импулс, h го претставува индексот на дебелина на слојот на загадувачкиот филм, а E го претставува индексот на модул на еластичност на слојот на филм.

2) Ласерско влажно чистење: Пред работниот дел што треба да се исчисти да биде изложен на пулсирачкиот ласер, се нанесува течен филм за претходно премачкување на површината. Под дејство на ласерот, температурата на течниот филм брзо се зголемува и испарува. Во моментот на испарување, се генерира ударен бран, кој дејствува на честичките од загадувачите и предизвикува нивно одвојување од подлогата. Овој метод бара подлогата и течниот филм да не реагираат едни со други, со што се ограничува опсегот на применливи материјали. Во 1991 година, К. Имен и сор. се осврнаа на проблемот со преостанатите загадувачи од субмикронски честички на површините на полупроводничките плочки и металните материјали откако беа користени традиционални методи на чистење, и ја проучуваа примената на премачкување на филм на површината на материјалната подлога што може ефикасно да ја апсорбира енергијата на ласерот. Последователно, со користење на CO2 ласер, филмот ја апсорбираше енергијата на ласерот и брзо ја зголеми температурата и зоврие, генерирајќи експлозивно испарување, кое ги отстрани загадувачите од површината на подлогата. Овој метод на чистење се нарекува ласерско влажно чистење.

3) Ласерско плазма чистење со ударни бранови: Ласерските плазма ударни бранови се генерираат кога ласерот го озрачува воздушниот медиум и предизвикува формирање на сферичен плазма ударен бран. Ударниот бран дејствува на површината на работниот дел што треба да се исчисти и ослободува енергија за отстранување на загадувачите. Ласерот не дејствува на подлогата, со што не предизвикува оштетување на подлогата. Технологијата за ласерско плазма чистење со ударни бранови сега може да исчисти честички со дијаметар од неколку десетици нанометри, и нема ограничувања за брановата должина на ласерот. Физичкиот принцип на плазма чистењето може да се сумира на следниов начин: а) Ласерскиот зрак што го емитува ласерот се апсорбира од контаминираниот слој на третираната површина. б) Големата количина на апсорпција формира брзо растечка плазма (високо јонизиран нестабилен гас) и генерира ударен бран. в) Ударниот бран предизвикува загадувачите да се фрагментираат и да се отстранат. г) Ширината на пулсот на светлосниот пулс мора да биде доволно кратка за да се избегне термичка акумулација што може да ја оштети третираната површина. д) Експериментите покажаа дека кога има оксиди на металната површина, плазмата се генерира на металната површина. Плазмата се генерира само кога густината на енергијата го надминува прагот, што зависи од отстранетиот слој на контаминација или слојот на оксид. Овој ефект на прагот е многу важен за ефикасно чистење, а воедно се обезбедува безбедноста на материјалот на подлогата. Изгледот на плазмата има и втор праг. Ако густината на енергијата го надминува овој праг, материјалот на подлогата ќе биде оштетен. За да се изврши ефикасно чистење, а воедно да се обезбеди безбедноста на материјалот на подлогата, параметрите на ласерот мора да се прилагодат според ситуацијата за да се осигура дека густината на енергијата на светлосниот пулс е строго помеѓу двата прага. Во 2001 година, JM Lee et al. ја искористија карактеристиката дека ласери со голема моќност произведуваат плазма ударни бранови кога се фокусирани и користеа пулсен ласер со густина на енергија од 2,0 J/cm2 (многу повисока од прагот на оштетување на силициумските плочки) за да озрачат паралелно со силициумската плочка, успешно чистејќи честички од волфрам од 1 μm адсорбирани на површината на силициумската плочка. Овој метод на чистење се нарекува ласерско чистење со плазма ударни бранови, и строго кажано, ласерското чистење со плазма ударни бранови е вид на суво ласерско чистење. Првичната цел на овие три технологии за ласерско чистење беше чистење на ситните честички на површината на полупроводничките плочки. Може да се каже дека технологијата за ласерско чистење се појави со развојот на полупроводничката технологија. Сепак, технологијата за ласерско чистење континуирано се применува и во други области, како што се чистење на мувла од гуми, отстранување на боја на авионската кожа и реставрација на површината на артефакти. Под дејство на ласерско зрачење, инертен гас може да се дува на површината на подлогата. Кога загадувачите ќе се излупат од површината, тие веднаш ќе бидат дувани од површината од гасот за да се избегне повторно загадување и оксидација на површината.

Напримена на технологија за ласерско чистење

1) Во полето на полупроводници, чистењето на полупроводнички плочки и оптички подлоги вклучува ист процес, а тоа е обработка на суровините во потребните форми преку сечење, мелење итн. За време на овој процес, се внесуваат честички загадувачи, кои тешко се отстрануваат и предизвикуваат сериозни проблеми со повторено загадување. Загадувачите на површината на полупроводничките плочки можат да влијаат на квалитетот на печатењето на печатените плочки, со што се скратува животниот век на полупроводничките чипови. Загадувачите на површината на оптичките подлоги можат да влијаат на квалитетот на оптичките уреди и премази и може да доведат до нееднаква распределба на енергијата, скратувајќи го животниот век. Бидејќи ласерското хемиско чистење е склоно кон оштетување на површината на подлогата, овој метод на чистење се користи помалку во чистењето на полупроводнички плочки и оптички подлоги. Ласерското влажно чистење и ласерското чистење со плазма ударни бранови имаат поуспешни примени во оваа област. Xu Chuanyi et al. го проучувале таложењето на микроскала специјална магнетна боја на површината на ултра-мазни оптички подлоги како диелектричен филм, а потоа користеле пулсен ласер за чистење. Ефектот на чистење беше добар, иако бројот на нечистотии по единица површина се зголеми, големината и површината на покриеност на нечистотиите беа значително намалени. Овој метод може ефикасно да ги исчисти микро-нечистотиите на површината на ултра-мазни оптички подлоги. Џанг Пинг го проучувал влијанието на работното растојание и енергијата на ласерот врз ефектот на чистење на загадувачи со различна големина на честичките во технологијата за ласерско плазма чистење. Експерименталните резултати покажаа дека за честички од полистирен на спроводливи стаклени подлоги, оптималното работно растојание за енергија од 240 mJ беше 1,90 mm. Со зголемувањето на енергијата на ласерот, ефектот на чистење значително се подобри, а загадувачите со големи честички беа полесни за чистење.

2) Во областа на метални материјали, чистењето на површините на металните материјали е различно од чистењето на полупроводнички плочки и оптички подлоги. Загадувачите што треба да се чистат припаѓаат на макроскопската категорија. Загадувачите на површината на металните материјали главно вклучуваат оксиден слој (слој од 'рѓа), слој од боја, премаз и други приклучоци, и можат да се класифицираат во органски загадувачи (како што се слој од боја, премаз) и неоргански загадувачи (како што е слој од 'рѓа). Чистењето на површинските загадувачи на металните материјали е главно за да се задоволат барањата за последователна обработка или употреба, како што е отстранување на околу 10 μm оксиден слој од површината на деловите од титаниумска легура пред заварување, отстранување на оригиналниот слој од боја на површината на кожата за време на поголеми поправки на авиони за да се олесни повторното прскање и редовно чистење на гумените честички прикачени на калапот од гумена гума за да се обезбеди чистота на површината и квалитет и век на траење на калапот. Прагот на оштетување на металните материјали е повисок од прагот на ласерско чистење на нивните површински загадувачи. Со избор на соодветен моќен ласер, може да се постигне подобар ефект на чистење. Оваа технологија е зрело применета во некои области. Ванг Лихуа и др. ја проучувал примената на технологијата за ласерско чистење во третманот на оксидни обвивки на површините на алуминиумските легури и титанските легури. Резултатите од истражувањето покажаа дека употребата на ласер со густина на енергија од 5,1 J/cm2 може да го исчисти оксидниот слој на површината на алуминиумската легура A5083-111H, одржувајќи го добриот квалитет на подлогата, а употребата на пулсен ласер со просечна моќност од 100 W на скенирачки начин може ефикасно да го исчисти оксидниот слој на површината на титанските легури и да ја подобри тврдоста на површината на материјалот. Домашните компании како што се Ruike Laser, Daqu Laser и Shenzhen Chuangxin развија опрема за ласерско чистење која е широко користена за чистење на гумени калапи како што се гуми, слоеви од 'рѓа од метал и дамки од масло на површината на компонентите.

3) Во областа на културните реликвии, чистењето на металните и камените реликвии и хартиените површини е неопходно за отстранување на загадувачи како што се нечистотија и дамки од мастило што се појавуваат на нивните површини поради нивната долга историја. Овие загадувачи треба да се отстранат за да се обноват реликвиите. Кај хартиените дела како што се калиграфија и слики, кога се складираат неправилно, мувла расте на нивните површини и формира дамки. Овие дамки сериозно влијаат на оригиналниот изглед на хартијата, особено за хартија со висока културна или историска вредност, што ќе влијае на нејзината цена и заштита. Жао Јинг и сор. ја проучувале изводливоста на користење на ултравиолетов ласер за чистење на дамки од мувла на хартиени свитоци. Експерименталните резултати покажаа дека користењето на ласер со густина на енергија од 3,2 J/mm2 за едно скенирање може да отстрани тенки дамки, а двојното скенирање може целосно да ги отстрани дамките. Меѓутоа, ако употребената ласерска енергија е превисока, таа ќе го оштети хартиениот свиток додека ги отстранува дамките. Жанг Сјаотонг и сор. успешно реставрираа позлатена бронзена реликвија користејќи го методот на ласерско вертикално зрачење со течен филм. Жанг Личенг и сор. користеле технологија за ласерско чистење при реставрацијата на насликана женска грнчарска фигурина од династијата Хан. Јуан Сјаодонг и сор. го проучувал ефектот на технологијата за ласерско чистење при чистењето на камени остатоци и ја споредил штетата на телото од песочник пред и по чистењето, како и ефектите од чистење од дамки од мастило, загадување од чад и загадување со боја.

Заклучок: Технологијата за ласерско чистење е релативно напредна техника, со широки перспективи за истражување и примена во високопрецизни области како што се воздухопловството, воената опрема и електронското и електротехничкото инженерство. Во моментов, технологијата за ласерско чистење е успешно применета во некои области, благодарение на нејзините ефикасни, еколошки прифатливи и одлични перформанси на чистење. Нејзините области на примена постепено се шират. Развојот на технологијата за ласерско чистење не само што е зрело применета во области како што се отстранување на боја и 'рѓа, туку има и извештаи за употреба на ласер за чистење на оксидниот слој на металните жици во последниве години. Проширувањето на постојните области на примена и развојот на нови области се основа на развојот на технологијата за ласерско чистење. Истражувањето и развојот на нова опрема за ласерско чистење и развојот на нова опрема за ласерско чистење ќе покажат диференцијација, што ќе резултира со различни функции. Во иднина, постигнувањето на целосно автоматско ласерско чистење преку соработка со индустриски роботи е исто така остварливо. Трендот на развој на технологијата за ласерско чистење е како што следува:

(1) Зајакнување на истражувањата за теоријата за ласерско чистење за водење на примената на технологијата за ласерско чистење. По преглед на голем број документи, се покажа дека не постои зрел теоретски систем што ја поддржува технологијата за ласерско чистење, а повеќето студии се базираат на експерименти. Воспоставувањето теоретски систем за ласерско чистење е основа за понатамошен развој и зрелост на технологијата за ласерско чистење.

(2) Проширување на постојните области на примена и нови области на примена. Технологијата за ласерско чистење е успешно применета во области како што се отстранување на боја и отстранување на 'рѓа, а во последниве години има извештаи за употреба на ласер за чистење на оксидниот слој на металните жици. Проширувањето на постојните области на примена и развојот на нови полиња се плодна почва за развој на технологијата за ласерско чистење.

(3) Истражување и развој на нова опрема за ласерско чистење. Развојот на нова опрема за ласерско чистење ќе покаже диференцијација. Еден тип е опрема со одредена универзалност што опфаќа повеќе области на примена, како на пример еден уред може истовремено да постигне функции за отстранување на боја и отстранување на 'рѓа. Другиот тип е специјализирана опрема за специфични потреби, како што е дизајнирање специфични тела или оптички влакна за да се постигне функцијата за чистење на загадувачи во мали простори. Преку соработка со индустриски роботи, целосно автоматското ласерско чистење е исто така популарна насока на примена.