El principi, els tipus i les aplicacions de la tecnologia de neteja làser

El principi, els tipus i les aplicacions deneteja amb làsertecnologia

La tecnologia de neteja làser és una aplicació reeixida de la tecnologia làser en el camp de l'enginyeria. El seu principi bàsic és utilitzar l'alta densitat d'energia del làser per interactuar amb els contaminants adherits al substrat de la peça, fent que se separin del substrat en forma d'expansió tèrmica instantània, fusió i evaporació de gas. La tecnologia de neteja làser es caracteritza per una alta eficiència, respecte al medi ambient i conservació d'energia. S'ha aplicat amb èxit en camps com la neteja de motlles de pneumàtics, l'eliminació de pintura de carrosseries d'avions i la restauració de relíquies culturals.

Les tecnologies de neteja tradicionals inclouenneteja per fricció mecànica(neteja amb sorrejat, neteja amb raig d'aigua a alta pressió, etc.), neteja amb corrosió química, neteja per ultrasons, neteja amb gel sec, etc. Aquestes tecnologies de neteja s'han utilitzat àmpliament en diverses indústries. Per exemple, la neteja amb sorrejat pot eliminar taques d'òxid metàl·lic, rebaves de la superfície metàl·lica i vernís triple a prova de plaques de circuit seleccionant abrasius de diferent duresa. La tecnologia de neteja amb corrosió química s'utilitza àmpliament en la neteja de taques d'oli a les superfícies dels equips, incrustacions a les calderes i oleoductes. Tot i que aquestes tecnologies de neteja s'han desenvolupat bé, encara presenten alguns problemes. Per exemple, la neteja amb sorrejat pot causar fàcilment danys a la superfície tractada, i la neteja amb corrosió química pot causar contaminació ambiental i corrosió de la superfície netejada si no es manipula correctament. L'aparició de la tecnologia de neteja làser representa una revolució en la tecnologia de neteja. Aprofita l'alta densitat d'energia, l'alta precisió i la transmissió eficient de l'energia làser, i té avantatges evidents respecte a les tecnologies de neteja tradicionals pel que fa a l'eficiència de neteja, la precisió de la neteja i la ubicació de la neteja. Pot evitar eficaçment la contaminació ambiental causada per la neteja amb corrosió química i altres tecnologies de neteja, i no causarà danys al substrat.

Elprincipi de la neteja amb làser

Aleshores, què és la neteja amb làser? La neteja amb làser és un procés en què s'utilitza un feix làser per eliminar material de la superfície d'un sòlid (o de vegades d'un líquid). A un flux làser baix, el material s'escalfa per l'energia làser absorbida i s'evapora o se sublima. A un flux làser elevat, el material normalment es converteix en plasma. Normalment, la neteja amb làser es refereix a l'eliminació de material mitjançant làsers pulsats, però si la intensitat del làser és prou alta, es pot utilitzar un feix làser d'ona contínua per ablacionar el material. El làser excímer de llum ultraviolada profunda s'utilitza principalment per a l'ablació òptica. La longitud d'ona del làser utilitzada per a l'ablació òptica és d'aproximadament 200 nm. La profunditat d'absorció de l'energia làser i la quantitat de material eliminat per un sol pols làser depenen de les propietats òptiques del material, així com de la longitud d'ona del làser i la durada del pols. La massa total ablacionada de l'objectiu per cada pols làser s'anomena normalment velocitat d'ablació. La velocitat d'escaneig del feix làser i la cobertura de la línia d'escaneig, etc., afectaran significativament el procés d'ablació.

Tipus de tecnologia de neteja làser

1) Neteja en sec amb làser: la neteja en sec amb làser es refereix a la irradiació directa de la peça de treball a netejar mitjançant làser pulsat, fent que la base o els contaminants de la superfície absorbeixin energia i augmentin la temperatura, cosa que provoca una expansió tèrmica o vibració tèrmica de la base, separant així les dues situacions. Aquest mètode es pot dividir aproximadament en dues situacions: una és que els contaminants de la superfície absorbeixen l'energia làser i s'expandeixen; l'altra és que la base absorbeix l'energia làser i genera vibració tèrmica. El 1969, SM Bedair et al. van descobrir que diversos mètodes de tractament de superfícies, com ara el tractament tèrmic, la corrosió química i la neteja amb sorrejat, tenen diferents inconvenients. Al mateix temps, l'alta densitat d'energia després de l'enfocament amb làser pot fer possible el fenomen de l'evaporació de la superfície del material, cosa que permet la possibilitat d'una neteja no destructiva de la superfície del material. A través d'experiments, es va descobrir que l'ús d'un làser de commutació Q de robí amb una densitat de potència de 30 MW/cm2 pot aconseguir la neteja de contaminants de la superfície del material de silici sense danyar la base, i per primera vegada es va aconseguir la neteja en sec amb làser de contaminants de la superfície del material. La taxa global es pot expressar mitjançant la taxa de despreniment dels fragments de la capa de pel·lícula, de la manera següent:

A la fórmula, ε representa l'índex d'energia del pols làser, h representa l'índex de gruix de la capa de pel·lícula contaminant i E representa l'índex de mòdul elàstic de la capa de pel·lícula.

2) Neteja humida amb làser: Abans que la peça a netejar s'exposi al làser pulsat, s'aplica una pel·lícula líquida de pre-recobriment superficial. Sota l'acció del làser, la temperatura de la pel·lícula líquida augmenta ràpidament i es vaporitza. En el moment de la vaporització, es genera una ona d'impacte que actua sobre les partícules contaminants i fa que es desprenguin del substrat. Aquest mètode requereix que el substrat i la pel·lícula líquida no reaccionin entre si, cosa que limita la gamma de materials aplicables. El 1991, K. Imen et al. van abordar el problema dels contaminants residuals de partícules submicròniques a les superfícies de les oblies semiconductores i els materials metàl·lics després d'utilitzar mètodes de neteja tradicionals, i van estudiar l'aplicació del recobriment d'una pel·lícula a la superfície del substrat del material que pot absorbir eficientment l'energia làser. Posteriorment, utilitzant un làser de CO2, la pel·lícula absorbia l'energia làser i augmentava ràpidament de temperatura i bullia, generant una vaporització explosiva, que eliminava els contaminants de la superfície del substrat. Aquest mètode de neteja s'anomena neteja humida amb làser.

3) Neteja per ones de xoc de plasma làser: Les ones de xoc de plasma làser es generen quan el làser irradia el medi d'aire i provoca la formació d'una ona de xoc de plasma esfèrica. L'ona de xoc actua sobre la superfície de la peça que s'ha de netejar i allibera energia per eliminar els contaminants. El làser no actua sobre el substrat, per la qual cosa no causa danys al substrat. La tecnologia de neteja per ones de xoc de plasma làser ara pot netejar partícules amb diàmetres de diverses desenes de nanòmetres i no hi ha restriccions sobre la longitud d'ona del làser. El principi físic de la neteja per plasma es pot resumir de la següent manera: a) El feix làser emès pel làser és absorbit per la capa de contaminació de la superfície tractada. b) La gran quantitat d'absorció forma un plasma d'expansió ràpida (gas inestable altament ionitzat) i genera una ona d'impacte. c) L'ona d'impacte fa que els contaminants es fragmentin i s'eliminin. d) L'amplada del pols de llum ha de ser prou curta per evitar l'acumulació tèrmica que podria danyar la superfície tractada. e) Els experiments han demostrat que quan hi ha òxids a la superfície metàl·lica, es genera plasma a la superfície metàl·lica. El plasma només es genera quan la densitat d'energia supera el llindar, que depèn de la capa de contaminació o capa d'òxid eliminada. Aquest efecte llindar és molt important per a una neteja eficaç alhora que es garanteix la seguretat del material del substrat. L'aspecte del plasma també té un segon llindar. Si la densitat d'energia supera aquest llindar, el material del substrat es farà malbé. Per dur a terme una neteja eficaç alhora que es garanteix la seguretat del material del substrat, els paràmetres del làser s'han d'ajustar segons la situació per garantir que la densitat d'energia del pols de llum estigui estrictament entre els dos llindars. El 2001, JM Lee et al. van utilitzar la característica que els làsers d'alta potència produeixen ones de xoc de plasma quan s'enfoquen i van utilitzar un làser de pols amb una densitat d'energia de 2,0 J/cm2 (molt superior al llindar de danys de les oblies de silici) per irradiar paral·lelament a l'oblia de silici, netejant amb èxit partícules de tungstè d'1 μm adsorbides a la superfície de l'oblia de silici. Aquest mètode de neteja s'anomena neteja per ones de xoc de plasma làser i, en sentit estricte, la neteja per ones de xoc de plasma làser és un tipus de neteja amb làser sec. El propòsit original d'aquestes tres tecnologies de neteja làser era netejar les petites partícules de la superfície de les oblies de semiconductors. Es pot dir que la tecnologia de neteja làser va sorgir amb el desenvolupament de la tecnologia dels semiconductors. Tanmateix, la tecnologia de neteja làser s'ha aplicat contínuament a altres camps, com ara la neteja de motlles de pneumàtics, l'eliminació de pintura de la pell de les aeronaus i la restauració de superfícies d'artefactes. Mentre està sota radiació làser, es pot bufar gas inert a la superfície del substrat. Quan els contaminants es desprenen de la superfície, el gas els bufarà immediatament de la superfície per evitar la re-contaminació i l'oxidació de la superfície.

Elaplicació de la tecnologia de neteja làser

1) En el camp dels semiconductors, la neteja d'oblies semiconductores i substrats òptics implica el mateix procés, que consisteix a processar les matèries primeres en les formes requerides mitjançant tall, mòlta, etc. Durant aquest procés, s'introdueixen contaminants en partícules, que són difícils d'eliminar i causen greus problemes de contaminació repetida. Els contaminants a la superfície de les oblies semiconductores poden afectar la qualitat de la impressió de la placa de circuit, escurçant així la vida útil dels xips semiconductors. Els contaminants a la superfície dels substrats òptics poden afectar la qualitat dels dispositius i recobriments òptics, i poden conduir a una distribució desigual de l'energia, escurçant-ne la vida útil. Com que la neteja en sec amb làser és propensa a causar danys a la superfície del substrat, aquest mètode de neteja s'utilitza menys en la neteja d'oblies semiconductores i substrats òptics. La neteja humida amb làser i la neteja per ones de xoc de plasma làser tenen aplicacions més reeixides en aquest camp. Xu Chuanyi et al. van estudiar la deposició de pintura magnètica especial a microescala a la superfície de substrats òptics ultrasuaus com a pel·lícula dielèctrica i després van utilitzar un làser pulsat per a la neteja. L'efecte de neteja va ser bo, tot i que va augmentar el nombre de partícules d'impuresa per unitat d'àrea, la mida i l'àrea de cobertura de les partícules d'impuresa es van reduir significativament. Aquest mètode pot netejar eficaçment les partícules d'impuresa a microescala a la superfície de substrats òptics ultrallisos. Zhang Ping va estudiar la influència de la distància de treball i l'energia làser en l'efecte de neteja de contaminants de diferents mides de partícula en la tecnologia de neteja per plasma làser. Els resultats experimentals van mostrar que per a partícules de poliestirè sobre substrats de vidre conductor, la distància de treball òptima per a una energia de 240 mJ era d'1,90 mm. A mesura que augmentava l'energia làser, l'efecte de neteja millorava significativament i els contaminants de partícules grans eren més fàcils de netejar.

2) En el camp dels materials metàl·lics, la neteja de superfícies de materials metàl·lics és diferent de la neteja de les oblies semiconductores i els substrats òptics. Els contaminants que s'han de netejar pertanyen a la categoria macroscòpica. Els contaminants a la superfície dels materials metàl·lics inclouen principalment la capa d'òxid (capa d'òxid), la capa de pintura, el recobriment i altres elements adhesius, i es poden classificar en contaminants orgànics (com ara la capa de pintura, el recobriment) i contaminants inorgànics (com ara la capa d'òxid). La neteja de contaminants de la superfície dels materials metàl·lics té com a objectiu principal satisfer els requisits del processament o ús posterior, com ara l'eliminació d'uns 10 μm de capa d'òxid de la superfície de les peces d'aliatge de titani abans de la soldadura, l'eliminació del recobriment de pintura original de la superfície de la pell durant les reparacions importants de les aeronaus per facilitar la reaplicació i la neteja regular de les partícules de cautxú adherides al motlle de pneumàtics per garantir la neteja de la superfície i la qualitat i la vida útil del motlle. El llindar de danys dels materials metàl·lics és superior al llindar de neteja làser dels seus contaminants superficials. Seleccionant un làser de potència adequat, es pot aconseguir un millor efecte de neteja. Aquesta tecnologia s'ha aplicat amb maduresa en alguns camps. Wang Lihua et al. va estudiar l'aplicació de la tecnologia de neteja làser en el tractament de pells d'òxid a les superfícies d'aliatges d'alumini i aliatges de titani. Els resultats de la investigació van mostrar que l'ús d'un làser amb una densitat d'energia de 5,1 J/cm2 podia netejar la capa d'òxid a la superfície de l'aliatge d'alumini A5083-111H mantenint la bona qualitat del substrat, i l'ús d'un làser pulsat amb una potència mitjana de 100 W de manera d'escaneig podia netejar eficaçment la capa d'òxid a la superfície dels aliatges de titani i millorar la duresa de la superfície del material. Empreses nacionals com Ruike Laser, Daqu Laser i Shenzhen Chuangxin han desenvolupat equips de neteja làser que s'han utilitzat àmpliament per netejar motlles de goma com ara pneumàtics, capes d'òxid metàl·lic i taques d'oli a la superfície dels components.

3) En el camp de les relíquies culturals, la neteja de relíquies metàl·liques i de pedra i superfícies de paper és necessària per eliminar contaminants com la brutícia i les taques de tinta que apareixen a les seves superfícies a causa de la seva llarga història. Cal eliminar aquests contaminants per restaurar les relíquies. En obres de paper com la cal·ligrafia i les pintures, quan s'emmagatzemen incorrectament, creix floridura a les seves superfícies i forma taques. Aquestes taques afecten greument l'aspecte original del paper, especialment per al paper amb un alt valor cultural o històric, cosa que afectarà el seu apreciació i protecció. Zhao Ying et al. van estudiar la viabilitat d'utilitzar làser ultraviolat per netejar taques de floridura en rotlles de paper. Els resultats experimentals van mostrar que utilitzar un làser amb una densitat d'energia de 3,2 J/mm2 per escanejar una vegada podia eliminar les taques primes, i escanejar dues vegades podia eliminar completament les taques. Tanmateix, si l'energia làser utilitzada és massa alta, danyarà el rotlle de paper mentre s'eliminen les taques. Zhang Xiaotong et al. van restaurar amb èxit una relíquia de bronze daurat mitjançant el mètode de pel·lícula líquida d'irradiació vertical amb làser. Zhang Licheng et al. van utilitzar tecnologia de neteja làser en la restauració d'una figureta femenina de ceràmica pintada de la dinastia Han. Yuan Xiaodong et al. va estudiar l'efecte de la tecnologia de neteja làser en la neteja de relíquies de pedra i va comparar els danys al cos de gres abans i després de la neteja, així com els efectes de neteja de les taques de tinta, la contaminació per fum i la contaminació per pintura.

Conclusió: La tecnologia de neteja làser és una tècnica relativament avançada, amb àmplies perspectives de recerca i aplicació en camps d'alta precisió com l'aeroespacial, els equips militars i l'enginyeria electrònica i elèctrica. Actualment, la tecnologia de neteja làser s'ha aplicat amb èxit en algunes àrees, gràcies al seu rendiment de neteja eficient, respectuós amb el medi ambient i excel·lent. Les seves àrees d'aplicació s'estan expandint gradualment. El desenvolupament de la tecnologia de neteja làser no només s'ha aplicat amb maduresa en àrees com l'eliminació de pintura i l'eliminació d'òxid, sinó que també hi ha hagut informes de l'ús del làser per netejar la capa d'òxid en cables metàl·lics en els darrers anys. L'expansió dels camps d'aplicació existents i el desenvolupament de nous camps són la base del desenvolupament de la tecnologia de neteja làser. La recerca i el desenvolupament de nous equips de neteja làser i el desenvolupament de nous equips de neteja làser mostraran diferenciació, donant lloc a diverses funcions. En el futur, també és possible aconseguir una neteja làser totalment automàtica mitjançant la cooperació amb robots industrials. La tendència de desenvolupament de la tecnologia de neteja làser és la següent:

(1) Enfortir la recerca sobre la teoria de la neteja amb làser per guiar l'aplicació de la tecnologia de neteja amb làser. Després de revisar un gran nombre de documents, es constata que no hi ha cap sistema teòric madur que doni suport a la tecnologia de neteja amb làser, i la majoria dels estudis es basen en experiments. Establir un sistema teòric de neteja amb làser és la base per a un major desenvolupament i maduresa de la tecnologia de neteja amb làser.

(2) Expansió dels camps d'aplicació existents i nous camps d'aplicació. La tecnologia de neteja làser s'ha aplicat amb èxit en àrees com l'eliminació de pintura i l'eliminació d'òxid, i en els darrers anys s'han publicat informes sobre l'ús del làser per netejar la capa d'òxid en cables metàl·lics. L'expansió dels camps d'aplicació existents i el desenvolupament de nous camps són un sòl fèrtil per al desenvolupament de la tecnologia de neteja làser.

(3) Recerca i desenvolupament de nous equips de neteja làser. El desenvolupament de nous equips de neteja làser mostrarà diferenciació. Un tipus és un equip amb certa universalitat que cobreix múltiples camps d'aplicació, com ara que un dispositiu pot aconseguir simultàniament funcions d'eliminació de pintura i eliminació d'òxid. L'altre tipus és un equip especialitzat per a necessitats específiques, com ara el disseny de dispositius específics o fibres òptiques per aconseguir la funció de netejar contaminants en espais reduïts. Mitjançant la cooperació amb robots industrials, la neteja làser totalment automàtica també és una direcció d'aplicació popular.