Laserrengjøringsteknologier en vellykket anvendelse av laserteknologi innen ingeniørfeltet. Grunnprinsippet utnytter lasernes høye energitetthet for å muliggjøre samspill mellom laserstråler og forurensninger som fester seg til arbeidsstykkets underlag. Forurensninger skilles fra underlag via umiddelbar termisk ekspansjon, smelting, gassfordampning og andre mekanismer. Med høy effektivitet, miljøvennlighet og energibesparelse har laserrengjøringsteknologi blitt brukt med hell i rengjøring av dekkform, fjerning av flykarosserilak, restaurering av kulturelle relikvier og andre felt.
Tradisjonelle rengjøringsteknologier inkluderer mekanisk friksjonsrengjøring (sandblåsing, høytrykksrensing med vannstråle osv.), kjemisk korrosjonsrensing, ultralydrensing, tørrisrensing og mer. Disse teknologiene er mye brukt på tvers av bransjer. For eksempel kan sandblåsing fjerne metallrustflekker, overflategrader og konforme belegg på kretskort ved å velge slipemidler med varierende hardhet. Kjemisk korrosjonsrensing er mye brukt for fjerning av oljebelegg på overflater av utstyr, rengjøring av kjelebelegg og rensing av oljerørledninger. Selv om de er modne, har tradisjonelle metoder betydelige ulemper: sandblåsing skader lett behandlede overflater, og kjemisk korrosjonsrensing forårsaker miljøforurensning og kan korrodere underlag hvis de brukes feil. Fremveksten av laserrensing markerer en revolusjon innen rengjøringsteknologi. Ved å bruke laseres høye energitetthet, presisjon og effektive overføring, overgår laserrensing tradisjonelle metoder når det gjelder rengjøringseffektivitet, presisjon og posisjonering. Det eliminerer miljøforurensning fra kjemisk rengjøring og forårsaker ingen skade på underlag.
Prinsipper for laserrengjøring
Hva er egentlig laserrensing? Det refererer til prosessen med å fjerne materialer fra faste (eller av og til flytende) overflater via laserstrålebestråling. Ved lav laserfluens varmer absorbert laserenergi opp materialer, noe som forårsaker fordampning eller sublimering. Ved høy laserfluens omdannes materialer vanligvis til plasma. Laserrensing bruker vanligvis pulserende lasere for materialfjerning, selv om kontinuerlige laserstråler kan ablatere materialer med tilstrekkelig intensitet. Dype ultrafiolette excimerlasere, med bølgelengder rundt 200 nm, brukes primært til fotoablasjon.
Dybden avlaserenergiAbsorpsjon og mengden materiale som fjernes per puls avhenger av materialets optiske egenskaper, samt laserbølgelengde og pulsvarighet. Den totale massen som ableres fra et mål per puls er definert som ablasjonshastigheten. Laserstrålingsegenskaper som skannehastighet og linjedekning påvirker ablasjonsprosessen betydelig.
Typer laserrengjøringsteknologi
1) Laserrensing
Laserrensing innebærerdirekte pulserende laserbestråling av arbeidsstykker. Forurensninger eller substrater absorberer laserenergi, noe som øker temperaturen og induserer termisk ekspansjon eller termisk vibrasjon i substratet, som skiller forurensninger fra substrater. Dette forekommer i to scenarier: enten absorberer overflateforurensninger laserenergi og utvider seg, eller så absorberer substrater energi og vibrerer termisk.
I 1969 fant SM Bedair et al. at konvensjonelle overflatebehandlinger (varmebehandling, kjemisk korrosjon, sandblåsing) alle hadde begrensninger. De observerte at den høye energitettheten til fokuserte lasere kunne fordampe overflatematerialer uten å skade substrater. Eksperimenter bekreftet at en Q-svitsjet rubinlaser med en effekttetthet på 30 MW/cm² kunne rense forurensninger fra silisiumoverflater uten å skade substratet, noe som markerte den første implementeringen av laserrensing.
Den totale rengjøringshastigheten kan uttrykkes via løsningshastigheten for filmrester, som vist nedenfor:
(Formel: ε – laserpulsenergiindeks; h – forurensningsfilmtykkelsesindeks; E – filmens elastisitetsmodulindeks)
2) Laservåtrengjøring
Før pulserende laserbestråling påføres en væskefilm på arbeidsstykkets overflate. Laserenergi varmer raskt opp og fordamper filmen, og genererer en øyeblikkelig sjokkbølge som løsner forurensende partikler fra substratet. Denne metoden krever ingen kjemisk reaksjon mellom substratet og den væskeformede filmen, noe som begrenser bruken av materialer.
I 1991 undersøkte K. Imen et al. gjenværende submikronforurensninger på halvlederskiver og metaller etter konvensjonell rengjøring. De belagte substrater med en laserabsorberende film og bestrålte den med en CO₂-laser. Filmen absorberte energi, varmet opp raskt, kokte og gjennomgikk eksplosiv fordampning, noe som fjernet overflateforurensninger – dette definerer laservåtrengjøring.
3) Laserplasma-sjokkbølgerengjøring
Laserplasmasjokkbølger dannes når lasere ioniserer luft til sfæriske plasmasjokkbølger under bestråling. Disse sjokkbølgene treffer substrater og frigjør energi for å fjerne forurensninger uten å skade substratet (lasere samhandler ikke direkte med substrater). Denne teknologien renser partikler så små som titalls nanometer og setter ingen begrensninger på laserbølgelengden.
De fysiske prinsippene for plasmarensing er oppsummert som følger:
a) Laserstråler absorberes av forurensningslaget på måloverflaten.
b) Høy energiabsorpsjon danner raskt ekspanderende plasma (sterkt ionisert ustabil gass), som genererer sjokkbølger.
c) Sjokkbølger fragmenterer og fjerner forurensninger.
d) Laserpulsene må være korte nok til å unngå varmeakkumulering som skader underlaget.
e) Eksperimenter viser at plasma dannes på metalloverflater når oksider er tilstede.
Plasmagenerering skjer bare over en viss energitetthetsterskel, som avhenger av forurensningen eller oksidlaget som skal fjernes. Det finnes en annen høyere terskel, og utover denne blir substratet skadet. For å sikre effektiv rengjøring uten å skade substratet, må laserparametrene justeres for å holde pulsenergitettheten mellom de to tersklene.
I 2001 utnyttet JM Lee et al. plasmasjokkbølger fra høyeffektsfokuserte lasere. En pulserende laser med en energitetthet på 2,0 J/cm² (som langt overstiger silisiums skadeterskel) bestrålte silisiumskiver parallelt og fjernet 1 μm wolframpartikler. Strengt tatt er laserplasmasjokkbølgerengjøring en undergruppe av renseri.
Disse tre laserrenseteknologiene, som opprinnelig ble utviklet for å fjerne mikroskopiske partikler fra halvlederskiver, har blitt utvidet til å omfatte rengjøring av dekkstøp, fjerning av lakk på flyskinn, restaurering av kulturelle relikvier og mer. Inert gass kan blåses på substrater under laserbestråling for å umiddelbart fjerne løsrevne forurensninger, noe som forhindrer rekontaminering og oksidasjon.
Anvendelser av laserrengjøringsteknologi
1) Halvlederindustri: Rengjøring av halvlederskiver og optiske substrater
Halvlederwafere og optiske substrater gjennomgår identiske prosesseringstrinn (skjæring, sliping) for å danne ønskede former, noe som introduserer partikkelformede forurensninger som er vanskelige å fjerne og utsatt for rekontaminering. Forurensninger på wafere forringer kretsutskriftskvaliteten og forkorter levetiden til brikkene. På optiske substrater forringer de ytelsen til den optiske enheten og belegget, noe som forårsaker ujevn energifordeling og redusert levetid.
Laserrensing brukes sjelden her på grunn av risiko for substratskade, mens våtrensing og plasmasjokkbølgerensing har en rekke vellykkede bruksområder. Xu Chuanyi et al. avsatte magnetisk maling i mikronskala som en dielektrisk film på ultraglatte optiske substrater, noe som oppnådde effektiv pulserende laserrensing. Selv om den totale mengden urenhetspartikler økte, reduserte størrelsen og dekningen betydelig. Zhang Ping studerte effekten av arbeidsavstand og laserenergi på rengjøringseffektiviteten for partikler av varierende størrelser. Eksperimenter viste at en 240 mJ laser oppnådde optimal rengjøring av polystyrenpartikler på ledende glass ved en arbeidsavstand på 1,90 mm. Rengjøringseffektiviteten ble forbedret med høyere laserenergi, og større partikler var lettere å fjerne.
2) Metallindustri: Rengjøring av metalloverflater
Rengjøring av metalloverflater retter seg mot makroskopiske forurensninger: oksid-/rustlag, maling, belegg og andre tilsetninger, kategorisert som organiske (maling, belegg) eller uorganiske (rust) forurensninger. Rengjøringen oppfyller påfølgende prosesserings-/brukskrav: f.eks. fjerning av 10 μm tykke oksidlag fra titanlegeringer før sveising, fjerning av maling fra flyskinn for omlakkering og rengjøring av gummirester fra dekkformer for å sikre produktkvalitet og formens levetid.
Metaller har høyere skadeterskler enn terskler for rengjøring av forurensninger, noe som muliggjør effektiv rengjøring med lasere med riktig kapasitet. Modne bruksområder inkluderer: Wang Lihua et al. demonstrerte at en 5,1 J/cm² laser fjernet oksidlag fra A5083-111H aluminiumslegering samtidig som substratkvaliteten ble bevart, og en 100 W pulserende laser renset effektivt oksidlag i titanlegeringer og forbedret overflatehardheten. Innenlandske produsenter (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) leverer i stor grad laserrengjøringsutstyr for gummiformer, fjerning av metallrust og fjerning av olje fra deler.
3) Bevaring av kulturminner: Rengjøring av kulturminner og papirgjenstander
Metall- og steinkulturminner samler opp smuss, blekkflekker og andre forurensninger over tid, noe som krever fjerning for å gjenopprette det opprinnelige utseendet. Papirgjenstander (malerier, kalligrafi) utvikler mugg og plakk under feil lagring, noe som forringer deres tilstand og kulturelle/historiske verdi betydelig.
Zhao Ying et al. bekreftet UV-laserrensing av muggplakk på rispapir: en enkelt skanning ved 3,2 J/mm² fjernet tynne plakker, mens to skanninger oppnådde fullstendig fjerning; overdreven laserenergi skadet papiret. Zhang Xiaotong restaurerte en forgylt bronseartefakt med laservåtmetoden. Zhang Licheng brukte laserrensing på en malt kvinnelig keramikkfigur fra Han-dynastiet. Yuan Xiaodong et al. evaluerte laserrensingseffektiviteten for steinrelikvier, og sammenlignet substratskader og fjerningseffektivitet for blekk-, røyk- og malingsflekker på sandstein.
Konklusjon
Laserrensing er en avansert teknologi med brede forsknings- og anvendelsesmuligheter innen luftfart, militært utstyr, elektronikk og andre høypresisjonsfelt. Bruksområdene fortsetter å utvides, og teknologien har blitt moden i en rekke bransjer på grunn av effektiviteten, miljøvennligheten og de overlegne rengjøringsresultatene. Utover etablert fjerning av maling og rust, inkluderer nylige fremskritt laserrensing av oksidlag på metalltråder. Fremtidig utvikling avhenger av å utvide eksisterende bruksområder, gå inn i nye felt og innovere utstyr:
- Styrke teoretisk forskning for å veilede praktiske anvendelser. Nåværende forskning er i stor grad avhengig av eksperimenter og mangler et modent teoretisk rammeverk. Å etablere et slikt rammeverk er avgjørende for teknologisk modenhet.
- Utvid bruksområdene innen eksisterende og nye felt. Modnes innen fjerning av maling/rust, nye bruksområder inkluderer rengjøring av metalltrådoksid, noe som gir grobunn for vekst.
- Utvikle nytt laserrengjøringsutstyr, med fokus på universalenheter for flere formål (f.eks. kombinert fjerning av maling/rust) og spesialiserte verktøy (f.eks. spesialtilpassede inventar/fibre for trange rom). Full automatisering via integrasjon med industriroboter er en lovende retning.
Publiseringstid: 14. mai 2026
