Princip, vrste i primjenalasersko čišćenjetehnologija
Tehnologija laserskog čišćenja je uspješna primjena laserske tehnologije u oblasti inženjerstva. Njen osnovni princip je korištenje visoke gustoće energije lasera za interakciju sa zagađivačima koji prianjaju na podlogu radnog komada, uzrokujući njihovo odvajanje od podloge u obliku trenutnog termičkog širenja, topljenja i isparavanja plina. Tehnologiju laserskog čišćenja karakterizira visoka efikasnost, ekološka prihvatljivost i ušteda energije. Uspješno je primijenjena u oblastima kao što su čišćenje kalupa za gume, uklanjanje boje s karoserije aviona i restauracija kulturnih ostataka.
Tradicionalne tehnologije čišćenja uključujumehaničko čišćenje trenjem(čišćenje pjeskarenjem, čišćenje mlazom vode pod visokim pritiskom, itd.), hemijsko čišćenje od korozije, ultrazvučno čišćenje, čišćenje suhim ledom, itd. Ove tehnologije čišćenja se široko koriste u raznim industrijama. Na primjer, čišćenje pjeskarenjem može ukloniti mrlje od hrđe na metalu, neravnine na metalnim površinama i troslojni lak na štampanim pločama odabirom abraziva različite tvrdoće. Tehnologija hemijskog čišćenja od korozije se široko koristi u čišćenju uljnih mrlja na površinama opreme, kamenca u kotlovima i naftovodima. Iako su ove tehnologije čišćenja dobro razvijene, one i dalje imaju neke probleme. Na primjer, čišćenje pjeskarenjem može lako oštetiti tretiranu površinu, a hemijsko čišćenje od korozije može uzrokovati zagađenje 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 efikasan prijenos laserske energije, te ima očite prednosti u odnosu na tradicionalne tehnologije čišćenja u smislu efikasnosti čišćenja, preciznosti čišćenja i lokacije čišćenja. Može efikasno izbjeći zagađenje okoliša uzrokovano hemijskim čišćenjem od korozije i drugim tehnologijama čišćenja, a neće oštetiti podlogu.
Šta je lasersko čišćenje? Lasersko čišćenje je proces u kojem se laserski snop koristi za uklanjanje materijala sa površine čvrste materije (ili ponekad tečnosti). Pri niskom laserskom fluksu, materijal se zagrijava apsorbovanom 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, kontinuirani laserski snop se može koristiti za ablaciju materijala. Eksimerski laser dubokog ultraljubičastog svjetla se uglavnom koristi za optičku ablaciju. Talasna dužina lasera koja se koristi za optičku ablaciju je približno 200 nm. Dubina apsorpcije laserske energije i količina materijala uklonjenog jednim laserskim pulsom zavise od optičkih svojstava materijala, kao i od talasne dužine lasera i dužine pulsa. Ukupna masa ablirana sa mete svakim laserskim pulsom obično se naziva brzina ablacije. Brzina skeniranja laserskog snopa i pokrivenost linije skeniranja itd. značajno će uticati na proces ablacije.
Vrste tehnologije laserskog čišćenja
1) Hemijsko lasersko čišćenje: Hemijsko lasersko čišćenje odnosi se na direktno ozračivanje radnog komada koji se čisti pulsirajućim laserom, što uzrokuje da baza ili površinski zagađivači apsorbiraju energiju i povećaju temperaturu, što rezultira termičkim širenjem ili termičkim vibracijama baze, čime se to dvoje razdvaja. Ova metoda se može grubo podijeliti na dvije situacije: jedna je da površinski zagađivači apsorbiraju lasersku energiju i šire se; druga je da baza apsorbira lasersku energiju i generira termalne vibracije. Godine 1969. SM Bedair i saradnici su otkrili da različite metode površinske obrade, kao što su termička obrada, hemijska korozija i čišćenje pjeskarenjem, imaju različite nedostatke. Istovremeno, visoka gustoća energije nakon laserskog fokusiranja može omogućiti fenomen isparavanja površine materijala, što omogućava 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 zagađivača silicijumskog materijala bez oštećenja baze, te je po prvi put ostvareno hemijsko lasersko čišćenje površinskih zagađivača materijala. Ukupna brzina može se izraziti brzinom odvajanja fragmenata filmskog sloja, na sljedeći način:
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 radni komad koji se čisti izloži pulsirajućem laseru, na površinu se nanosi tekući film za prethodni premaz. Pod djelovanjem lasera, temperatura tekućeg filma brzo raste i on isparava. U trenutku isparavanja generira se udarni val koji djeluje na čestice zagađivača 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 su se pozabavili problemom zaostalih submikronskih čestica zagađivača na površinama poluvodičkih pločica i metalnih materijala nakon korištenja tradicionalnih metoda čišćenja i proučavali nanošenje filma na površinu materijala podloge koji može efikasno apsorbirati lasersku energiju. Nakon toga, korištenjem CO2 lasera, film je apsorbirao lasersku energiju, brzo se zagrijao i proključao, generirajući eksplozivno isparavanje, što je uklonilo zagađivače s površine podloge. Ova metoda čišćenja naziva se mokro lasersko čišćenje.
3) Čišćenje laserskim plazma udarnim talasom: Laserski plazma udarni talasi nastaju kada laser ozračuje vazdušni medij i uzrokuje formiranje sfernog plazma udarnog talasa. Udarni talas djeluje na površinu radnog komada koji se čisti i oslobađa energiju za uklanjanje zagađivača. Laser ne djeluje na podlogu, te stoga ne uzrokuje oštećenje podloge. Tehnologija čišćenja laserskim plazma udarnim talasom sada može čistiti čestice prečnika od nekoliko desetina nanometara, i ne postoje ograničenja u pogledu talasne dužine lasera. Fizički princip čišćenja plazmom može se sažeti na sljedeći način: a) Laserski snop koji emituje laser apsorbuje sloj kontaminacije na tretiranoj površini. b) Velika količina apsorpcije formira brzo šireću plazmu (visoko jonizovani nestabilni gas) i generiše udarni talas. c) Udarni talas uzrokuje fragmentaciju i uklanjanje zagađivača. d) Širina impulsa svjetlosnog impulsa mora biti dovoljno kratka da se izbjegne termička akumulacija koja bi mogla oštetiti tretiranu površinu. e) Eksperimenti su pokazali da kada na metalnoj površini postoje oksidi, na metalnoj površini se generiše plazma. Plazma se generira samo kada gustoća energije premaši prag, koji ovisi o uklonjenom sloju kontaminacije ili sloju oksida. Ovaj prag je vrlo važan za efikasno čišćenje, a istovremeno osigurava sigurnost materijala podloge. Pojava plazme također ima drugi prag. Ako gustoća energije premaši ovaj prag, materijal podloge će biti oštećen. Da bi se izvršilo efikasno čišćenje, a istovremeno osigurala sigurnost materijala podloge, parametri lasera moraju se prilagoditi prema situaciji kako bi se osiguralo da je gustoća energije svjetlosnog impulsa strogo između dva praga. 2001. godine, JM Lee i saradnici su iskoristili 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 silicijumskih pločica) za ozračivanje paralelno sa silicijumskom pločicom, uspješno čisteći čestice volframa od 1 μm adsorbirane na površini silicijumske pločice. Ova metoda čišćenja naziva se lasersko plazma čišćenje udarnim valovima, a strogo govoreći, lasersko plazma čišćenje udarnim valovima je vrsta suhog laserskog čišćenja. Prvobitna svrha ove tri tehnologije laserskog čišćenja bila je čišćenje sitnih čestica na površini poluprovodničkih pločica. Može se reći da se tehnologija laserskog čišćenja pojavila s razvojem poluprovodničke tehnologije. Međutim, tehnologija laserskog čišćenja kontinuirano se primjenjuje i u drugim oblastima, kao što su čišćenje kalupa za gume, uklanjanje boje s površine aviona i restauracija površinskih artefakata. Pod utjecajem laserskog zračenja, inertni plin se može ispuhati na površinu podloge. Kada se zagađivači uklone s površine, plin će ih odmah otpuhati s površine kako bi se izbjeglo ponovno zagađenje i oksidacija površine.
Theprimjena tehnologije laserskog čišćenja
1) U oblasti poluprovodnika, čišćenje poluprovodničkih pločica i optičkih podloga uključuje isti proces, a to je obrada sirovina u potrebne oblike rezanjem, brušenjem itd. Tokom ovog procesa unose se čestice zagađivača koje je teško ukloniti i uzrokuju ozbiljne probleme s ponovljenom kontaminacijom. Kontaminanti na površini poluprovodničkih pločica mogu utjecati na kvalitet štampanja na štampanim pločama, čime se skraćuje vijek trajanja poluprovodničkih čipova. Kontaminanti na površini optičkih podloga mogu utjecati na kvalitet optičkih uređaja i premaza te mogu dovesti do neravnomjerne raspodjele energije, skraćujući vijek trajanja. Budući da je lasersko hemijsko čišćenje sklono oštećenju površine podloge, ova metoda čišćenja se manje koristi u čišćenju poluprovodničkih pločica i optičkih podloga. Lasersko mokro čišćenje i lasersko plazma čišćenje udarnim talasima imaju uspješniju primjenu u ovoj oblasti. Xu Chuanyi i saradnici proučavali su nanošenje mikrorazmjerne specijalne magnetske boje na površinu ultra glatkih optičkih podloga kao dielektrični film, a zatim su koristili pulsirajući laser za čišćenje. Efekat 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 efikasno očistiti mikroskopske čestice nečistoća na površini ultra glatkih optičkih podloga. Zhang Ping je proučavao utjecaj radne udaljenosti i energije lasera na učinak čišćenja nečistoća različitih veličina čestica u tehnologiji čišćenja laserskom plazmom. Eksperimentalni rezultati su pokazali da je za čestice polistirena na provodljivim 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 nečistoće velikih čestica bilo je lakše čistiti.
2) U oblasti metalnih materijala, čišćenje površina metalnih materijala razlikuje se od čišćenja poluprovodničkih pločica i optičkih podloga. Kontaminanti koji se čiste pripadaju makroskopskoj kategoriji. Kontaminanti na površini metalnih materijala uglavnom uključuju oksidni sloj (sloj hrđe), sloj boje, premaz i druge dodatke, a mogu se klasificirati u organske kontaminante (kao što su sloj boje, premaz) i neorganske kontaminante (kao što je sloj hrđe). Čišćenje površinskih kontaminanata metalnih materijala uglavnom se provodi radi ispunjavanja zahtjeva naknadne obrade ili upotrebe, kao što je uklanjanje oko 10 μm oksidnog sloja sa površine dijelova legure titana prije zavarivanja, uklanjanje originalnog premaza boje na površini kože tokom velikih popravki aviona radi lakšeg ponovnog prskanja i redovno čišćenje gumenih čestica pričvršćenih za kalup gume kako bi se osigurala čistoća površine, kvalitet i vijek trajanja kalupa. Prag oštećenja metalnih materijala je viši od praga laserskog čišćenja njihovih površinskih kontaminanata. Odabirom odgovarajućeg lasera snage može se postići bolji efekat čišćenja. Ova tehnologija je zrelo primijenjena u nekim oblastima. Wang Lihua i dr. proučavali su primjenu tehnologije laserskog čišćenja u tretmanu oksidnih opna na površinama aluminijskih legura i titanijumskih 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 dobrog kvaliteta podloge, a korištenje pulsirajućeg lasera s prosječnom snagom od 100 W na način skeniranja može efikasno očistiti oksidni sloj na površini titanijumskih legura i poboljšati tvrdoću površine materijala. Domaće kompanije kao što su Ruike Laser, Daqu Laser i Shenzhen Chuangxin 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 oblasti kulturnih relikvija, čišćenje metalnih i kamenih relikvija i papirnih površina je neophodno kako bi se uklonile nečistoće poput prljavštine i mrlja od tinte koje se pojavljuju na njihovim površinama zbog njihove duge historije. Ove nečistoće je potrebno ukloniti kako bi se relikvije restaurirale. Kod papirnih radova poput kaligrafije i slika, kada se nepravilno skladište, plijesan raste na njihovim površinama i formira mrlje. Ove mrlje ozbiljno utiču na originalni izgled papira, posebno kod papira visoke kulturne ili historijske vrijednosti, što će uticati na njegovo uvažavanje i zaštitu. Zhao Ying i saradnici proučavali su izvodljivost korištenja ultraljubičastog lasera za čišćenje mrlja od plijesni na papirnim svitcima. Eksperimentalni rezultati su pokazali da korištenje lasera sa gustinom energije od 3,2 J/mm2 za jedno skeniranje može ukloniti tanke mrlje, a dvosmjerno skeniranje može potpuno ukloniti mrlje. Međutim, ako je korištena laserska energija previsoka, oštetit će papirni svitak prilikom uklanjanja mrlja. Zhang Xiaotong i saradnici uspješno su restaurirali pozlaćenu bronzanu relikviju koristeći metodu laserskog vertikalnog ozračivanja tečnog filma. Zhang Licheng i saradnici koristili su tehnologiju laserskog čišćenja u restauraciji oslikane ženske keramičke figurice iz dinastije Han. Yuan Xiaodong i saradnici proučavali su učinak tehnologije laserskog čišćenja u čišćenju kamenih ostataka i upoređivali oštećenja pješčenjaka prije i poslije čišćenja, kao i učinke čišćenja mrljama od tinte, zagađenja dimom i zagađenja bojom.
Zaključak: Tehnologija laserskog čišćenja je relativno napredna tehnika, sa širokim istraživačkim i primjenskim mogućnostima u oblastima visoke preciznosti kao što su vazduhoplovstvo, vojna oprema, elektronika i elektrotehnika. Trenutno se tehnologija laserskog čišćenja uspješno primjenjuje u nekim oblastima, zahvaljujući svojim efikasnim, ekološki prihvatljivim i odličnim performansama čišćenja. Njena područja primjene se postepeno šire. Razvoj tehnologije laserskog čišćenja nije samo zrelo primijenjen u oblastima kao što su uklanjanje boje i uklanjanje hrđe, već je posljednjih godina bilo i izvještaja o korištenju lasera za čišćenje oksidnog sloja na metalnim žicama. Proširenje postojećih područja primjene i razvoj novih oblasti su temelj razvoja tehnologije laserskog čišćenja. Istraživanje i razvoj nove opreme za lasersko čišćenje i razvoj nove opreme za lasersko čišćenje pokazaće diferencijaciju, što će rezultirati različitim funkcijama. U budućnosti je također moguće postići potpuno automatsko lasersko čišćenje kroz saradnju sa industrijskim robotima. Trend razvoja tehnologije laserskog čišćenja je sljedeći:
(1) Jačanje istraživanja teorije laserskog čišćenja radi usmjeravanja primjene tehnologije laserskog čišćenja. Nakon pregleda velikog broja dokumenata, utvrđeno je da ne postoji zreo teorijski sistem koji podržava tehnologiju laserskog čišćenja i da se većina studija zasniva na eksperimentima. Uspostavljanje teorijskog sistema laserskog čišćenja je temelj za dalji razvoj i zrelost tehnologije laserskog čišćenja.
(2) Proširenje postojećih i nova područja primjene. Tehnologija laserskog čišćenja uspješno je primijenjena u područjima kao što su uklanjanje boje i hrđe, a posljednjih godina bilo je izvještaja o korištenju lasera za čišćenje oksidnog sloja na metalnim žicama. Proširenje postojećih i razvoj novih područja plodno je 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 obavljati 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 zagađivača u malim prostorima. Kroz saradnju s industrijskim robotima, potpuno automatsko lasersko čišćenje je također popularan smjer primjene.
Vrijeme objave: 17. jul 2025.
