Princip, typy a aplikacelaserové čištěnítechnologie
Technologie laserového čištění je úspěšnou aplikací laserové technologie ve strojírenství. Jejím základním principem je využití vysoké hustoty energie laseru k interakci s nečistotami ulpívajícími na substrátu obrobku, což způsobuje jejich oddělení od substrátu formou okamžité tepelné roztažnosti, tavení a odpařování plynu. Technologie laserového čištění se vyznačuje vysokou účinností, šetrností k životnímu prostředí a úsporou energie. Byla úspěšně použita v oblastech, jako je čištění forem pneumatik, odstraňování laku z karoserií letadel a restaurování kulturních památek.
Mezi tradiční čisticí technologie patřímechanické čištění třením(pískování, čištění vysokotlakým vodním paprskem atd.), chemické čištění proti korozi, ultrazvukové čištění, čištění suchým ledem atd. Tyto čisticí technologie se široce používají v různých průmyslových odvětvích. Například pískování dokáže odstranit skvrny od rzi na kovu, otřepy na kovovém povrchu a třívrstvý lak na deskách plošných spojů výběrem abraziv různé tvrdosti. Technologie chemického čištění proti korozi se široce používá k čištění olejových skvrn na površích zařízení, vodního kamene v kotlích a ropovodech. Přestože jsou tyto čisticí technologie dobře vyvinuté, stále mají určité problémy. Například pískování může snadno poškodit ošetřovaný povrch a chemické čištění proti korozi může při nesprávném zacházení způsobit znečištění životního prostředí a korozi čištěného povrchu. Vznik technologie laserového čištění představuje revoluci v čisticí technologii. Využívá vysokou hustotu energie, vysokou přesnost a efektivní přenos laserové energie a má zjevné výhody oproti tradičním čisticím technologiím, pokud jde o účinnost čištění, přesnost čištění a umístění čištění. Dokáže účinně zabránit znečištění životního prostředí způsobenému chemickým čištěním proti korozi a jinými čisticími technologiemi a nezpůsobí poškození substrátu.
Ten/Ta/ToPrincip laserového čištění
Co je tedy laserové čištění? Laserové čištění je proces, při kterém se laserový paprsek používá k odstraňování materiálu z povrchu pevné látky (nebo někdy kapaliny). Při nízkém laserovém toku se materiál zahřívá absorbovanou laserovou energií a odpařuje se nebo sublimuje. Při vysokém laserovém toku se materiál obvykle mění na plazmu. Laserové čištění se obvykle vztahuje k odstraňování materiálu pomocí pulzních laserů, ale pokud je intenzita laseru dostatečně vysoká, lze k ablaci materiálu použít kontinuální laserový paprsek. Excimerový laser s hlubokým ultrafialovým světlem se používá hlavně pro optickou ablaci. Vlnová délka laseru použitá pro optickou ablaci je přibližně 200 nm. Hloubka absorpce laserové energie a množství materiálu odstraněného jedním laserovým pulzem závisí na optických vlastnostech materiálu, stejně jako na vlnové délce a délce pulzu. Celková hmotnost ablační z cíle každým laserovým pulzem se obvykle nazývá ablační rychlost. Rychlost skenování laserového paprsku a pokrytí skenovací čáry atd. významně ovlivní proces ablace.
Typy technologií laserového čištění
1) Suché laserové čištění: Suché laserové čištění označuje přímé ozařování čištěného obrobku pulzním laserem, což způsobuje absorpci energie podkladu nebo povrchových kontaminantů a zvýšení teploty, což má za následek tepelnou roztažnost nebo tepelné vibrace podkladu, čímž se tyto dva stavy oddělují. Tuto metodu lze zhruba rozdělit na dvě situace: jednou je, že povrchové kontaminanty absorbují laserovou energii a rozpínají se; druhou je, že podklad absorbuje laserovou energii a generuje tepelné vibrace. V roce 1969 S. M. Bedair a kol. zjistili, že různé metody povrchové úpravy, jako je tepelné zpracování, chemická koroze a pískování, mají všechny své nevýhody. Zároveň vysoká hustota energie po laserovém zaostření umožňuje jev odpařování povrchu materiálu, což umožňuje nedestruktivní čištění povrchu materiálu. Experimenty ukázaly, že použití rubínového Q-spínaného laseru s hustotou výkonu 30 MW/cm2 může dosáhnout čištění povrchových kontaminantů křemíkového materiálu bez poškození podkladu a poprvé bylo realizováno suché laserové čištění povrchových kontaminantů materiálu. Celkovou rychlost lze vyjádřit rychlostí oddělování fragmentů filmové vrstvy takto:
Ve vzorci ε představuje index energie laserového pulzu, h představuje index tloušťky vrstvy filmu znečišťující látky a E představuje index modulu pružnosti vrstvy filmu.
2) Mokré čištění laserem: Před vystavením čištěného obrobku pulznímu laseru se na povrch nanese tekutý film. Působením laseru se teplota tekutého filmu rychle zvyšuje a dochází k jeho odpařování. V okamžiku odpařování se generuje nárazová vlna, která působí na částice znečišťujících látek a způsobuje jejich oddělení od substrátu. Tato metoda vyžaduje, aby substrát a tekutý film vzájemně nereagovaly, což omezuje škálu použitelných materiálů. V roce 1991 se K. Imen a kol. zabývali problémem zbytkových submikronových částic znečišťujících látek na povrchu polovodičových destiček a kovových materiálů po použití tradičních metod čištění a studovali nanesení filmu na povrch materiálu substrátu, který dokáže účinně absorbovat laserovou energii. Následně pomocí CO2 laseru film absorboval laserovou energii, rychle se zahřál a začal se vařit, což vedlo k explozivnímu odpařování, které odstranilo znečišťující látky z povrchu substrátu. Tato metoda čištění se nazývá mokré čištění laserem.
3) Čištění laserovou plazmovou rázovou vlnou: Laserové plazmové rázové vlny vznikají, když laser ozařuje vzduchové médium a způsobuje vznik sférické plazmové rázové vlny. Rázová vlna působí na povrch čištěného obrobku a uvolňuje energii k odstranění znečišťujících látek. Laser nepůsobí na substrát, a proto jej nepoškozuje. Technologie čištění laserovou plazmovou rázovou vlnou nyní dokáže čistit částice o průměru několika desítek nanometrů a neexistují žádná omezení vlnové délky laseru. Fyzikální princip plazmového čištění lze shrnout následovně: a) Laserový paprsek emitovaný laserem je absorbován vrstvou znečištění na ošetřovaném povrchu. b) Velké množství absorpce vytváří rychle se rozpínající plazmu (vysoce ionizovaný nestabilní plyn) a generuje nárazovou vlnu. c) Nárazová vlna způsobuje fragmentaci a odstranění znečišťujících látek. d) Šířka pulzu světelného pulzu musí být dostatečně krátká, aby se zabránilo tepelné akumulaci, která by mohla poškodit ošetřovaný povrch. e) Experimenty ukázaly, že pokud jsou na kovovém povrchu oxidy, generuje se na kovovém povrchu plazma. Plazma se generuje pouze tehdy, když hustota energie překročí prahovou hodnotu, která závisí na odstraněné vrstvě kontaminace nebo oxidové vrstvě. Tento prahový efekt je velmi důležitý pro efektivní čištění a zároveň pro zajištění bezpečnosti materiálu substrátu. Vznik plazmy má také druhou prahovou hodnotu. Pokud hustota energie překročí tuto prahovou hodnotu, materiál substrátu se poškodí. Pro provedení efektivního čištění a zároveň pro zajištění bezpečnosti materiálu substrátu je nutné parametry laseru upravit podle situace, aby se zajistilo, že hustota energie světelného pulzu bude striktně mezi těmito dvěma prahovými hodnotami. V roce 2001 JM Lee a kol. využili vlastnosti, že vysoce výkonné lasery při zaostření produkují plazmové rázové vlny, a použili pulzní laser s hustotou energie 2,0 J/cm2 (mnohem vyšší než prahová hodnota poškození křemíkových destiček) k ozáření rovnoběžně s křemíkovou destičkou, čímž úspěšně vyčistili wolframové částice o velikosti 1 μm adsorbované na povrchu křemíkové destičky. Tato metoda čištění se nazývá laserové plazmové čištění rázovou vlnou a striktně vzato je laserové plazmové čištění rázovou vlnou typem suchého laserového čištění. Původním účelem těchto tří technologií laserového čištění bylo čištění drobných částic na povrchu polovodičových destiček. Dá se říci, že technologie laserového čištění se objevila s rozvojem polovodičové technologie. Technologie laserového čištění se však neustále uplatňuje i v jiných oblastech, jako je čištění forem pneumatik, odstraňování laku z potahu letadel a restaurování povrchových artefaktů. Pod vlivem laserového záření může být na povrch substrátu vháněn inertní plyn. Jakmile jsou kontaminanty z povrchu odstraněny, jsou plynem okamžitě odfouknuty, aby se zabránilo opětovnému znečištění a oxidaci povrchu.
Ten/Ta/Toaplikace technologie laserového čištění
1) V oblasti polovodičů zahrnuje čištění polovodičových destiček a optických substrátů stejný proces, který spočívá ve zpracování surovin do požadovaných tvarů řezáním, broušením atd. Během tohoto procesu se zavádějí částicové kontaminanty, které je obtížné odstranit a způsobují vážné problémy s opakovanou kontaminací. Kontaminanty na povrchu polovodičových destiček mohou ovlivnit kvalitu tisku desek plošných spojů, a tím zkrátit životnost polovodičových čipů. Kontaminanty na povrchu optických substrátů mohou ovlivnit kvalitu optických zařízení a povlaků a mohou vést k nerovnoměrnému rozložení energie, což zkracuje životnost. Vzhledem k tomu, že laserové suché čištění je náchylné k poškození povrchu substrátu, je tato metoda čištění méně používána při čištění polovodičových destiček a optických substrátů. Laserové mokré čištění a laserové plazmové čištění rázovou vlnou mají v této oblasti úspěšnější uplatnění. Xu Chuanyi a kol. studovali nanášení mikroskopické speciální magnetické barvy na povrch ultra hladkých optických substrátů ve formě dielektrického filmu a poté k čištění použili pulzní laser. Čisticí účinek byl dobrý, i když se počet částic nečistot na jednotku plochy zvýšil, velikost a plocha pokrytí částicemi nečistot se výrazně snížily. Tato metoda dokáže účinně čistit mikroskopické nečistoty na povrchu ultra hladkých optických substrátů. Zhang Ping studoval vliv pracovní vzdálenosti a laserové energie na čisticí účinek kontaminantů o různých velikostech částic v technologii laserového plazmového čištění. Experimentální výsledky ukázaly, že pro polystyrenové částice na vodivých skleněných substrátech byla optimální pracovní vzdálenost pro energii 240 mJ 1,90 mm. Se zvyšující se laserovou energií se čisticí účinek výrazně zlepšil a kontaminanty ve formě velkých částic se snáze čistily.
2) V oblasti kovových materiálů se čištění povrchů kovových materiálů liší od čištění polovodičových destiček a optických substrátů. Čistitelné kontaminanty patří do makroskopické kategorie. Kontaminanty na povrchu kovových materiálů zahrnují především oxidovou vrstvu (vrstvu rzi), vrstvu barvy, povlak a další příměsi a lze je rozdělit na organické kontaminanty (jako je vrstva barvy, povlak) a anorganické kontaminanty (jako je vrstva rzi). Čištění povrchových kontaminantů kovových materiálů slouží především k splnění požadavků následného zpracování nebo použití, jako je odstranění asi 10 μm oxidové vrstvy z povrchu dílů z titanové slitiny před svařováním, odstranění původního nátěru na povrchu povrchu během generálních oprav letadel pro usnadnění opětovného nástřiku a pravidelné čištění pryžových částic přichycených k formě gumové pneumatiky, aby se zajistila čistota povrchu a kvalita a životnost formy. Práh poškození kovových materiálů je vyšší než práh laserového čištění jejich povrchových kontaminantů. Výběrem vhodného výkonového laseru lze dosáhnout lepšího čisticího účinku. Tato technologie se v některých oblastech osvědčila. Wang Lihua a kol. studoval aplikaci technologie laserového čištění při ošetření oxidových povlaků na površích hliníkových a titanových slitin. Výsledky výzkumu ukázaly, že použití laseru s hustotou energie 5,1 J/cm2 dokáže vyčistit oxidovou vrstvu na povrchu hliníkové slitiny A5083-111H při zachování dobré kvality substrátu a použití pulzního laseru s průměrným výkonem 100 W skenovacím způsobem dokáže účinně vyčistit oxidovou vrstvu na povrchu titanových slitin a zlepšit tvrdost povrchu materiálu. Domácí společnosti jako Ruike Laser, Daqu Laser a Shenzhen Chuangxin vyvinuly laserové čisticí zařízení, které se široce používá k čištění pryžových forem, jako jsou pneumatiky, kovové vrstvy rzi a olejové skvrny na povrchu součástí.
3) V oblasti kulturních památek je čištění kovových a kamenných památek a papírových povrchů nezbytné k odstranění kontaminantů, jako jsou nečistoty a skvrny od inkoustu, které se na jejich povrchu objevují v důsledku jejich dlouhé historie. Tyto kontaminanty je třeba odstranit, aby se památníky mohly restaurovat. U papírenských děl, jako jsou kaligrafie a malby, při nesprávném skladování roste na jejich povrchu plíseň a tvoří se skvrny. Tyto skvrny vážně ovlivňují původní vzhled papíru, zejména u papíru s vysokou kulturní nebo historickou hodnotou, což ovlivní jeho ocenění a ochranu. Zhao Ying a kol. studovali proveditelnost použití ultrafialového laseru k čištění skvrn od plísně na papírových svitcích. Experimentální výsledky ukázaly, že použití laseru s hustotou energie 3,2 J/mm2 k jednomu skenování dokáže odstranit tenké skvrny a dvojité skenování může skvrny odstranit úplně. Pokud je však použitá laserová energie příliš vysoká, dojde při odstraňování skvrn k poškození papírového svitku. Zhang Xiaotong a kol. úspěšně restaurovali pozlacenou bronzovou pamětní památku pomocí metody laserového vertikálního ozařování tekutým filmem. Zhang Licheng a kol. použili technologii laserového čištění při restaurování malované ženské keramické figurky z dynastie Chan. Yuan Xiaodong a kol. studoval vliv laserové čisticí technologie při čištění kamenných relikvií a porovnával poškození pískovcového tělesa před a po čištění, stejně jako čisticí účinky skvrn od inkoustu, znečištění kouřem a znečištění barvou.
Závěr: Technologie laserového čištění je relativně pokročilá technika s širokými výzkumnými a aplikačními perspektivami ve vysoce přesných oblastech, jako je letecký a kosmický průmysl, vojenská technika a elektrotechnika. V současné době se technologie laserového čištění úspěšně používá v některých oblastech díky své efektivní, ekologické a vynikající čisticí schopnosti. Její oblasti použití se postupně rozšiřují. Vývoj technologie laserového čištění se nejen zrale uplatňuje v oblastech, jako je odstraňování nátěrů a rzi, ale v posledních letech se objevily také zprávy o použití laseru k čištění oxidové vrstvy na kovových drátech. Rozšíření stávajících aplikačních oblastí a vývoj nových oblastí jsou základem rozvoje technologie laserového čištění. Výzkum a vývoj nových zařízení pro laserové čištění a vývoj nových zařízení pro laserové čištění se budou diferencovat a povede k různým funkcím. V budoucnu je možné dosáhnout plně automatického laserového čištění i ve spolupráci s průmyslovými roboty. Trend vývoje technologie laserového čištění je následující:
(1) Posílení výzkumu teorie laserového čištění s cílem usměrnit aplikaci technologie laserového čištění. Po přezkoumání velkého množství dokumentů bylo zjištěno, že neexistuje žádný zralý teoretický systém podporující technologii laserového čištění a většina studií je založena na experimentech. Vytvoření teoretického systému laserového čištění je základem pro další rozvoj a vyspělost technologie laserového čištění.
(2) Rozšíření stávajících a nových oblastí použití. Technologie laserového čištění byla úspěšně aplikována v oblastech, jako je odstraňování nátěrů a rzi, a v posledních letech se objevily zprávy o použití laseru k čištění oxidové vrstvy na kovových drátech. Rozšíření stávajících a rozvoj nových oblastí použití jsou úrodnou půdou pro rozvoj technologie laserového čištění.
(3) Výzkum a vývoj nových laserových čisticích zařízení. Vývoj nových laserových čisticích zařízení se bude vyznačovat diferenciací. Jedním typem jsou zařízení s určitou univerzálností pokrývající více oblastí použití, například jedno zařízení může současně odstraňovat barvy a rzi. Druhým typem jsou specializovaná zařízení pro specifické potřeby, jako je navrhování specifických přípravků nebo optických vláken pro dosažení funkce čištění znečišťujících látek v malých prostorech. Díky spolupráci s průmyslovými roboty je plně automatické laserové čištění také oblíbeným aplikačním směrem.
Čas zveřejnění: 17. července 2025
