Tecnologia de neteja làserés una aplicació reeixida de la tecnologia làser en el camp de l'enginyeria. El seu principi bàsic aprofita l'alta densitat d'energia dels làsers per permetre la interacció entre els feixos làser i els contaminants que s'adhereixen als substrats de la peça. Els contaminants se separen dels substrats mitjançant l'expansió tèrmica instantània, la fusió, la volatilització de gasos i altres mecanismes. Amb una alta eficiència, respecte al medi ambient i conservació d'energia, la tecnologia de neteja làser s'ha aplicat amb èxit en la neteja de motlles de pneumàtics, l'eliminació de pintura de carrosseries d'avions, la restauració de relíquies culturals i altres camps.
Les tecnologies de neteja tradicionals inclouen la neteja per fricció mecànica (sorrejat, neteja amb raig d'aigua a alta pressió, etc.), la neteja per corrosió química, la neteja per ultrasons, la neteja amb gel sec i més. Aquestes tecnologies s'utilitzen àmpliament en totes les indústries. Per exemple, el sorrejat pot eliminar taques d'òxid metàl·lic, rebaves superficials i recobriments conformals a les plaques de circuits seleccionant abrasius de diferent duresa. La neteja per corrosió química s'adopta àmpliament per a l'eliminació de calderes d'oli superficials dels equips, la neteja de calderes i el desobstrucció d'oleoductes. Tot i que els mètodes tradicionals madurs tenen inconvenients notables: el sorrejat danya fàcilment les superfícies tractades i la neteja per corrosió química provoca contaminació ambiental i pot corroir els substrats si s'utilitza incorrectament. L'aparició de la neteja amb làser marca una revolució en la tecnologia de neteja. Utilitzant l'alta densitat d'energia, la precisió i la transmissió eficient dels làsers, la neteja amb làser supera els mètodes tradicionals en eficiència, precisió i posicionament de la neteja. Elimina la contaminació ambiental de la neteja química i no causa danys als substrats.
Principis de la neteja amb làser
Què és exactament la neteja amb làser? Es refereix al procés d'eliminació de materials de superfícies sòlides (o ocasionalment líquides) mitjançant la irradiació de feix làser. A baixa fluència làser, l'energia làser absorbida escalfa els materials, provocant evaporació o sublimació. A alta fluència làser, els materials normalment es converteixen en plasma. La neteja amb làser sol utilitzar làsers pulsats per a l'eliminació de materials, tot i que els feixos làser d'ona contínua poden eliminar materials amb una intensitat suficient. Els làsers excímers ultraviolats profunds, amb longituds d'ona al voltant de 200 nm, s'utilitzen principalment per a la fotoablació.
La profunditat deenergia làserL'absorció i la quantitat de material eliminat per pols depenen de les propietats òptiques del material, així com de la longitud d'ona del làser i la durada del pols. La massa total extreta d'un objectiu per pols es defineix com la velocitat d'ablació. Les característiques de la radiació làser, com ara la velocitat d'escaneig i la cobertura de línia, influeixen significativament en el procés d'ablació.
Tipus de tecnologia de neteja làser
1) Neteja en sec amb làser
La neteja en sec amb làser implicairradiació làser pulsada directa de peces de treball. Els contaminants o substrats absorbeixen l'energia làser, augmentant la seva temperatura i induint l'expansió tèrmica o vibració tèrmica del substrat, que separa els contaminants dels substrats. Es produeix en dos escenaris: o bé els contaminants superficials absorbeixen l'energia làser i s'expandeixen, o bé els substrats absorbeixen energia i vibren tèrmicament.
El 1969, SM Bedair et al. van descobrir que els tractaments superficials convencionals (tractament tèrmic, corrosió química, sorrejat) tenien limitacions. Van observar que l'alta densitat d'energia dels làsers enfocats podia vaporitzar materials superficials sense danyar els substrats. Els experiments van confirmar que un làser de robí de commutació Q amb una densitat de potència de 30 MW/cm² podia netejar contaminants de superfícies de silici sense danyar el substrat, marcant la primera implementació de la neteja en sec amb làser.
La taxa de neteja global es pot expressar mitjançant la taxa de despreniment de restes de pel·lícula, tal com es mostra a continuació:
(Fórmula: ε—índex d'energia del pols làser; h—índex de gruix de la pel·lícula contaminant; E—índex de mòdul elàstic de la pel·lícula)
2) Neteja humida amb làser
Abans de la irradiació làser pulsada, es recobreix prèviament una pel·lícula líquida a la superfície de la peça. L'energia làser escalfa i vaporitza ràpidament la pel·lícula, generant una ona de xoc instantània que desprèn les partícules contaminants del substrat. Aquest mètode no requereix cap reacció química entre el substrat i la pel·lícula líquida, cosa que limita els materials aplicables.
El 1991, K. Imen et al. van abordar els contaminants submicròniques residuals en oblies i metalls semiconductors després d'una neteja convencional. Van recobrir els substrats amb una pel·lícula absorbent de làser i la van irradiar amb un làser de CO₂. La pel·lícula absorbia energia, s'escalfava ràpidament, bullia i experimentava una vaporització explosiva, eliminant els contaminants superficials; això defineix la neteja humida amb làser.
3) Neteja per ones de xoc amb plasma làser
Les ones de xoc de plasma làser es formen quan els làsers ionitzen l'aire en ones de xoc de plasma esfèriques durant la irradiació. Aquestes ones de xoc colpegen els substrats, alliberant energia per eliminar contaminants sense danyar el substrat (els làsers no interactuen directament amb els substrats). Aquesta tecnologia neteja partícules tan petites com desenes de nanòmetres i no imposa restriccions a la longitud d'ona del làser.
Els principis físics de la neteja per plasma es resumeixen de la manera següent:
a) Els feixos làser són absorbits per la capa contaminant de la superfície objectiu.
b) L'absorció d'alta energia forma un plasma en ràpida expansió (gas inestable altament ionitzat), generant ones de xoc.
c) Les ones de xoc es fragmenten i eliminen contaminants.
d) Els polsos làser han de ser prou curts per evitar l'acumulació de calor que danya el substrat.
e) Els experiments mostren que es forma plasma en superfícies metàl·liques quan hi ha òxids presents.
La generació de plasma només es produeix per sobre d'un llindar de densitat d'energia, que depèn del contaminant o de la capa d'òxid que s'ha d'eliminar. Existeix un segon llindar més alt, a partir del qual el substrat es fa malbé. Per garantir una neteja eficaç sense danyar el substrat, cal ajustar els paràmetres del làser per mantenir la densitat d'energia del pols entre els dos llindars.
El 2001, JM Lee et al. van aprofitar les ones de xoc de plasma de làsers enfocats d'alta potència. Un làser pulsat amb una densitat d'energia de 2,0 J/cm² (que superava amb escreix el llindar de dany del silici) va irradiar oblies de silici paral·lelament, eliminant amb èxit partícules de tungstè d'1 μm. En rigor, la neteja per ones de xoc de plasma làser és un subconjunt de la neteja en sec.
Inicialment desenvolupades per eliminar partícules microscòpiques de les oblies de semiconductors, aquestes tres tecnologies de neteja amb làser s'han expandit a la neteja de motlles de pneumàtics, l'eliminació de pintura de la pell de les aeronaus, la restauració de relíquies culturals i més. Es pot bufar gas inert sobre els substrats durant la irradiació amb làser per eliminar instantàniament els contaminants despresos, evitant la recontaminació i l'oxidació.
Aplicacions de la tecnologia de neteja làser
1) Indústria dels semiconductors: neteja de làmines de semiconductors i substrats òptics
Les oblies de semiconductors i els substrats òptics se sotmeten a passos de processament idèntics (tall, mòlta) per formar les formes desitjades, introduint contaminants particulats que són difícils d'eliminar i propensos a la recontaminació. Els contaminants de les oblies perjudiquen la qualitat d'impressió dels circuits i escurcen la vida útil dels xips. En els substrats òptics, degraden el rendiment del dispositiu òptic i del recobriment, provocant una distribució desigual de l'energia i una vida útil reduïda.
La neteja en sec amb làser s'utilitza rarament aquí a causa dels riscos de danys al substrat, mentre que la neteja humida i la neteja per ones de xoc de plasma tenen nombroses aplicacions reeixides. Xu Chuanyi et al. van dipositar pintura magnètica a escala de micres com a pel·lícula dielèctrica sobre substrats òptics ultrallisos, aconseguint una neteja làser pulsada eficaç. Tot i que les partícules d'impuresa totals van augmentar, la seva mida i cobertura van disminuir significativament. Zhang Ping va estudiar els efectes de la distància de treball i l'energia làser sobre l'eficiència de neteja per a partícules de diferents mides. Els experiments van mostrar que un làser de 240 mJ va aconseguir una neteja òptima de partícules de poliestirè sobre vidre conductor a una distància de treball d'1,90 mm. L'eficiència de neteja va millorar amb una energia làser més alta i les partícules més grans van ser més fàcils d'eliminar.
2) Indústria del metall: Neteja de superfícies metàl·liques
La neteja de superfícies metàl·liques té com a objectiu els contaminants macroscòpics: capes d'òxid/rovell, pintura, recobriments i altres elements adherent, classificats com a contaminants orgànics (pintura, recobriments) o inorgànics (rovell). La neteja compleix els requisits de processament/ús posteriors: per exemple, eliminar capes d'òxid de 10 μm de gruix dels aliatges de titani abans de soldar-los, decapar la pintura de les pells dels avions per repintar-los i netejar els residus de cautxú dels motlles de pneumàtics per garantir la qualitat del producte i la vida útil del motlle.
Els metalls tenen llindars de dany més alts que els seus llindars de neteja de contaminants, cosa que permet una neteja eficaç amb làsers de potència adequada. Les aplicacions madures inclouen: Wang Lihua et al. van demostrar que un làser de 5,1 J/cm² eliminava capes d'òxid de l'aliatge d'alumini A5083-111H preservant la qualitat del substrat, i un làser pulsat de 100 W netejava eficaçment les capes d'òxid d'aliatge de titani i millorava la duresa superficial. Els fabricants nacionals (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) subministren àmpliament equips de neteja làser per a motlles de goma, òxid metàl·lic i eliminació d'oli de peces.
3) Conservació de relíquies culturals: neteja de relíquies culturals i artefactes de paper
Les relíquies culturals de metall i pedra acumulen brutícia, taques de tinta i altres contaminants amb el temps, i cal retirar-les per restaurar-ne l'aspecte original. Els artefactes de paper (pintures, cal·ligrafia) desenvolupen floridura i plaques durant un emmagatzematge inadequat, cosa que deteriora greument el seu estat i el seu valor cultural/històric.
Zhao Ying et al. van verificar la neteja amb làser UV de plaques de floridura sobre paper d'arròs: un sol escaneig a 3,2 J/mm² va eliminar les plaques primes, mentre que dos escaneigs van aconseguir l'eliminació completa; l'energia làser excessiva va danyar el paper. Zhang Xiaotong va restaurar amb èxit un artefacte de bronze daurat mitjançant el mètode làser humit. Zhang Licheng va aplicar la neteja amb làser a una figureta de ceràmica femenina pintada de la dinastia Han. Yuan Xiaodong et al. van avaluar l'eficàcia de la neteja amb làser per a relíquies de pedra, comparant els danys al substrat i l'eficiència d'eliminació de taques de tinta, fum i pintura sobre gres.
Conclusió
La neteja amb làser és una tecnologia avançada amb àmplies perspectives de recerca i aplicació en l'aeroespacial, els equips militars, l'electrònica i altres camps d'alta precisió. Madura en múltiples indústries a causa de la seva eficiència, respecte al medi ambient i resultats de neteja superiors, les seves aplicacions continuen expandint-se. Més enllà de l'eliminació de pintura i òxid establerta, els avenços recents inclouen la neteja amb làser de capes d'òxid en cables metàl·lics. El desenvolupament futur depèn de l'ampliació de les aplicacions existents, l'entrada en nous camps i la innovació en equips:
- Enfortir la recerca teòrica per guiar les aplicacions pràctiques. La recerca actual es basa en gran mesura en experiments i no té un marc teòric madur. Establir aquest marc és fonamental per a la maduresa tecnològica.
- Ampliar les aplicacions en camps existents i nous. Madurit en l'eliminació de pintura/òxid, els usos emergents inclouen la neteja d'òxid de filferro metàl·lic, proporcionant un terreny fèrtil per al creixement.
- Desenvolupar nous equips de neteja làser, que divergeixin cap a dispositius universals multiusos (per exemple, eliminació combinada de pintura/òxid) i eines especialitzades (per exemple, accessoris/fibres personalitzats per a espais reduïts). L'automatització completa mitjançant la integració amb robots industrials és una direcció prometedora.
Data de publicació: 14 de maig de 2026
