Prinsippet, typene og anvendelsene avlaserrengjøringteknologi
Laserrenseteknologi er en vellykket anvendelse av laserteknologi innen ingeniørfaget. Det grunnleggende prinsippet er å bruke laserens høye energitetthet til å samhandle med forurensninger som fester seg til arbeidsstykkets underlag, slik at de separeres fra underlaget i form av umiddelbar termisk ekspansjon, smelting og gassfordampning. Laserrenseteknologi kjennetegnes av høy effektivitet, miljøvennlighet og energibesparelse. Den har blitt brukt med hell innen felt som rengjøring av dekkmugg, fjerning av flykarosserilak og restaurering av kulturelle relikvier.
Tradisjonelle rengjøringsteknologier inkluderermekanisk friksjonsrengjøring(sandblåsingsrengjøring, høytrykksrensing med vannstråle osv.), kjemisk korrosjonsrensing, ultralydrensing, tørrisrensing osv. Disse rengjøringsteknologiene har blitt mye brukt i ulike bransjer. For eksempel kan sandblåsingsrengjøring fjerne rustflekker på metall, metalloverflater og trebestandig lakk på kretskort ved å velge slipemidler med ulik hardhet. Kjemisk korrosjonsrensingsteknologi er mye brukt i rengjøring av oljeflekker på utstyrsoverflater, belegg i kjeler og oljerørledninger. Selv om disse rengjøringsteknologiene er godt utviklet, har de fortsatt noen problemer. For eksempel kan sandblåsingsrengjøring lett forårsake skade på den behandlede overflaten, og kjemisk korrosjonsrensing kan forårsake miljøforurensning og korrosjon på den rengjorte overflaten hvis den ikke håndteres riktig. Fremveksten av laserrensingsteknologi representerer en revolusjon innen rengjøringsteknologi. Den utnytter den høye energitettheten, høye presisjonen og effektiv overføring av laserenergi, og har åpenbare fordeler i forhold til tradisjonelle rengjøringsteknologier når det gjelder rengjøringseffektivitet, rengjøringspresisjon og rengjøringssted. Den kan effektivt unngå miljøforurensning forårsaket av kjemisk korrosjonsrensing og andre rengjøringsteknologier, og vil ikke forårsake skade på underlaget.
DePrinsippet for laserrengjøring
Så hva er laserrensing? Laserrensing er en prosess der en laserstråle brukes til å fjerne materiale fra overflaten av et fast stoff (eller noen ganger en væske). Ved lav laserfluks varmes materialet opp av den absorberte laserenergien og fordamper eller sublimerer. Ved høy laserfluks omdannes materialet vanligvis til plasma. Vanligvis refererer laserrensing til fjerning av materiale ved hjelp av pulserende lasere, men hvis laserintensiteten er høy nok, kan en kontinuerlig bølgelaserstråle brukes til å ablatere materialet. Excimerlaseren for dyp ultrafiolett lys brukes hovedsakelig til optisk ablasjon. Laserbølgelengden som brukes til optisk ablasjon er omtrent 200 nm. Absorpsjonsdybden av laserenergien og mengden materiale som fjernes av en enkelt laserpuls avhenger av materialets optiske egenskaper, samt laserbølgelengden og pulslengden. Den totale massen som ablateres fra målet av hver laserpuls kalles vanligvis ablasjonshastigheten. Skannehastigheten til laserstrålen og dekningen av skannelinjen, etc., vil påvirke ablasjonsprosessen betydelig.
Typer laserrengjøringsteknologi
1) Laserrensing: Tørrlaserrensing refererer til direkte bestråling av rengjøringsarbeidsstykket med pulserende laser, noe som får basen eller overflateforurensningene til å absorbere energi og øke i temperatur, noe som resulterer i termisk ekspansjon eller termisk vibrasjon av basen, og dermed separerer de to. Denne metoden kan grovt sett deles inn i to situasjoner: den ene er at overflateforurensningene absorberer laserenergi og utvider seg; den andre er at basen absorberer laserenergi og genererer termisk vibrasjon. I 1969 oppdaget SM Bedair et al. at ulike overflatebehandlingsmetoder som varmebehandling, kjemisk korrosjon og sandblåsing alle har forskjellige ulemper. Samtidig kan den høye energitettheten etter laserfokusering muliggjøre fenomenet fordampning av materialoverflaten, noe som muliggjør ikke-destruktiv rengjøring av materialoverflaten. Gjennom eksperimenter ble det funnet at bruk av en rubin Q-svitsjet laser med en effekttetthet på 30 MW/cm2 kan oppnå rengjøring av overflateforurensninger i silisiummateriale uten å skade basen, og for første gang ble laserrensing av materialoverflateforurensninger realisert. Den totale hastigheten kan uttrykkes ved avløsningshastigheten av filmlagfragmenter, som følger:
I formelen representerer ε laserpulsens energiindeks, h representerer tykkelsesindeksen til forurensningsfilmlaget, og E representerer elastisitetsmodulindeksen til filmlaget.
2) Laservåtrengjøring: Før arbeidsstykket som skal rengjøres eksponeres for den pulserende laseren, påføres en overflatebeleggende væskefilm. Under laserens påvirkning stiger temperaturen på væskefilmen raskt og fordamper. I fordampningsøyeblikket genereres en støtbølge som virker på forurensningspartiklene og får dem til å løsne fra substratet. Denne metoden krever at substratet og væskefilmen ikke reagerer med hverandre, noe som begrenser utvalget av anvendelige materialer. I 1991 tok K. Imen et al. opp problemet med gjenværende submikronpartikkelforurensninger på overflatene av halvlederskiver og metallmaterialer etter at tradisjonelle rengjøringsmetoder ble brukt, og studerte bruken av å belegge en film på overflaten av materialsubstratet som effektivt kan absorbere laserenergi. Deretter absorberte filmen laserenergien ved hjelp av en CO2-laser, og temperaturen økte raskt og kokte, noe som genererte eksplosiv fordampning, som fjernet forurensningene fra substratoverflaten. Denne rengjøringsmetoden kalles laservåtrengjøring.
3) Rengjøring med laserplasmasjokkbølger: Laserplasmasjokkbølger genereres når laseren bestråler luftmediet og forårsaker dannelse av en sfærisk plasmasjokkbølge. Sjokkbølgen virker på overflaten av arbeidsstykket som skal rengjøres og frigjør energi for å fjerne forurensningene. Laseren virker ikke på substratet, og forårsaker dermed ikke skade på substratet. Laserplasmasjokkbølgerengjøringsteknologien kan nå rengjøre partikler med diametre på flere titalls nanometer, og det er ingen begrensninger på laserbølgelengden. Det fysiske prinsippet for plasmarengjøring kan oppsummeres som følger: a) Laserstrålen som sendes ut av laseren absorberes av forurensningslaget på den behandlede overflaten. b) Den store mengden absorpsjon danner et raskt ekspanderende plasma (sterkt ionisert ustabil gass) og genererer en støtbølge. c) Slagbølgen får forurensningene til å fragmenteres og fjernes. d) Pulsbredden på lyspulsen må være kort nok til å unngå termisk akkumulering som kan skade den behandlede overflaten. e) Eksperimenter har vist at når det er oksider på metalloverflaten, genereres plasma på metalloverflaten. Plasma genereres bare når energitettheten overstiger terskelen, som avhenger av det fjernede forurensningslaget eller oksidlaget. Denne terskeleffekten er svært viktig for effektiv rengjøring samtidig som substratmaterialets sikkerhet sikres. Plasmaets utseende har også en andre terskel. Hvis energitettheten overstiger denne terskelen, vil substratmaterialet bli skadet. For å utføre effektiv rengjøring samtidig som substratmaterialets sikkerhet sikres, må laserparametrene justeres i henhold til situasjonen for å sikre at energitettheten til lyspulsen er strengt mellom de to tersklene. I 2001 utnyttet JM Lee et al. egenskapen om at høyeffektslasere produserer plasmasjokkbølger når de fokuseres, og brukte en pulslaser med en energitetthet på 2,0 J/cm2 (mye høyere enn skadeterskelen for silisiumskiver) for å bestråle parallelt med silisiumskiven, og dermed rengjøre 1 μm wolframpartikler adsorbert på overflaten av silisiumskiven. Denne rengjøringsmetoden kalles laserplasmasjokkbølgerengjøring, og strengt tatt er laserplasmasjokkbølgerengjøring en type tørrlaserrengjøring. Det opprinnelige formålet med disse tre laserrenseteknologiene var å rense de små partiklene på overflaten av halvlederskiver. Man kan si at laserrenseteknologien dukket opp med utviklingen av halvlederteknologi. Laserrenseteknologien har imidlertid blitt kontinuerlig brukt på andre felt, som rengjøring av dekkstøpsel, fjerning av lakk på flyskinn og restaurering av gjenstandsoverflater. Under laserstråling kan inert gass blåses på substratoverflaten. Når forurensningene skrelles av fra overflaten, vil de umiddelbart blåses av overflaten av gassen for å unngå forurensning og oksidasjon av overflaten.
Deanvendelse av laserrengjøringsteknologi
1) Innen halvlederfeltet involverer rengjøring av halvlederskiver og optiske substrater den samme prosessen, som er å bearbeide råmaterialene til de nødvendige formene gjennom kutting, sliping osv. Under denne prosessen introduseres partikkelformede forurensninger, som er vanskelige å fjerne og forårsaker alvorlige gjentatte forurensningsproblemer. Forurensningene på overflaten av halvlederskiver kan påvirke kvaliteten på kretskortutskriften, og dermed forkorte levetiden til halvlederbrikker. Forurensningene på overflaten av optiske substrater kan påvirke kvaliteten på optiske enheter og belegg, og kan føre til ujevn energifordeling, noe som forkorter levetiden. Siden laserrensing er utsatt for å forårsake skade på substratoverflaten, er denne rengjøringsmetoden mindre brukt i rengjøring av halvlederskiver og optiske substrater. Laservåtrensing og laserplasmasjokkbølgerensing har mer vellykkede anvendelser innen dette feltet. Xu Chuanyi et al. studerte avsetning av mikroskala spesialmagnetisk maling på overflaten av ultraglatte optiske substrater som en dielektrisk film, og brukte deretter en pulserende laser til rengjøring. Rengjøringseffekten var god, selv om antallet urenhetspartikler per arealenhet økte, ble størrelsen og dekningsområdet til urenhetspartiklene betydelig redusert. Denne metoden kan effektivt rense mikroskala urenhetspartiklene på overflaten av ultraglatte optiske substrater. Zhang Ping studerte påvirkningen av arbeidsavstand og laserenergi på rengjøringseffekten av forurensninger med ulik partikkelstørrelse i laserplasma-rengjøringsteknologi. De eksperimentelle resultatene viste at for polystyrenpartikler på ledende glasssubstrater var den optimale arbeidsavstanden for en energi på 240 mJ 1,90 mm. Etter hvert som laserenergien økte, forbedret rengjøringseffekten seg betydelig, og forurensninger med store partikler var lettere å rengjøre.
2) Innen metallmaterialefeltet er rengjøring av metalloverflater forskjellig fra rengjøring av halvlederskiver og optiske substrater. Forurensningene som skal rengjøres tilhører den makroskopiske kategorien. Forurensningene på overflaten av metallmaterialer inkluderer hovedsakelig oksidlag (rustlag), malingslag, belegg og andre fester, og kan klassifiseres i organiske forurensninger (som malingslag, belegg) og uorganiske forurensninger (som rustlag). Rengjøring av overflateforurensninger på metallmaterialer er hovedsakelig for å oppfylle kravene til senere prosessering eller bruk, for eksempel å fjerne ca. 10 μm oksidlag fra overflaten av titanlegeringsdeler før sveising, fjerne det originale malingsbelegget på hudoverflaten under større flyreparasjoner for å lette påføring, og regelmessig rengjøring av gummipartiklene som er festet til gummidekkformen for å sikre overflatens renhet og formens kvalitet og levetid. Skadeterskelen for metallmaterialer er høyere enn laserrensingsterskelen for overflateforurensninger. Ved å velge en passende effektlaser kan man oppnå en bedre rengjøringseffekt. Denne teknologien har blitt modent anvendt på noen felt. Wang Lihua et al. studerte bruken av laserrenseteknologi i behandlingen av oksidskinn på overflatene av aluminiumslegeringer og titanlegeringer. Forskningsresultatene viste at bruk av en laser med en energitetthet på 5,1 J/cm2 kunne rense oksidlaget på overflaten av A5083-111H aluminiumslegering samtidig som substratets gode kvalitet opprettholdes, og bruk av en pulserende laser med en gjennomsnittlig effekt på 100 W på en skanningsmåte kunne effektivt rense oksidlaget på overflaten av titanlegeringer og forbedre hardheten på materialoverflaten. Innenlandske selskaper som Ruike Laser, Daqu Laser og Shenzhen Chuangxin har utviklet laserrenseutstyr som har blitt mye brukt for rengjøring av gummiformer som dekk, metallrustlag og oljeflekker på overflaten av komponenter.
3) Innen kulturminner er rengjøring av metall- og steinrelikvier og papiroverflater nødvendig for å fjerne forurensninger som smuss og blekkflekker som oppstår på overflatene deres på grunn av deres lange historie. Disse forurensningene må fjernes for å restaurere relikviene. For papirarbeider som kalligrafi og malerier, vokser mugg på overflatene når de lagres feil, og danner flekker. Disse flekkene påvirker papirets opprinnelige utseende alvorlig, spesielt for papir med høy kulturell eller historisk verdi, noe som vil påvirke verdsettelsen og beskyttelsen. Zhao Ying et al. studerte muligheten for å bruke ultrafiolett laser for å rengjøre muggflekker på papirruller. De eksperimentelle resultatene viste at bruk av en laser med en energitetthet på 3,2 J/mm2 for å skanne én gang kunne fjerne tynne flekker, og to skanninger kunne fjerne flekkene helt. Men hvis laserenergien som brukes er for høy, vil den skade papirrullen mens flekkene fjernes. Zhang Xiaotong et al. restaurerte en forgylt bronserelikvie med hell ved hjelp av laser vertikal bestråling med væskefilmmetode. Zhang Licheng et al. brukte laserrengjøringsteknologi i restaureringen av en malt kvinnelig keramikkfigur fra Han-dynastiet. Yuan Xiaodong et al. studerte effekten av laserrenseteknologi i rengjøringen av steinrelikvier og sammenlignet skadene på sandsteinslegemet før og etter rengjøring, samt rengjøringseffektene av blekkflekker, røykforurensning og malingsforurensning.
Konklusjon: Laserrenseteknologi er en relativt avansert teknikk, med brede forsknings- og anvendelsesmuligheter innen høypresisjonsfelt som luftfart, militært utstyr og elektronikk og elektroteknikk. For tiden har laserrenseteknologi blitt brukt med hell på noen områder, takket være dens effektive, miljøvennlige og utmerkede rengjøringsytelse. Anvendelsesområdene utvides gradvis. Utviklingen av laserrenseteknologi har ikke bare blitt modent brukt på områder som fjerning av maling og rustfjerning, men det har også vært rapporter om bruk av laser for å rengjøre oksidlaget på metalltråder de siste årene. Utvidelsen av eksisterende anvendelsesfelt og utviklingen av nye felt er grunnlaget for utviklingen av laserrenseteknologi. Forskning og utvikling av nytt laserrenseutstyr og utvikling av nytt laserrenseutstyr vil vise differensiering, noe som resulterer i ulike funksjoner. I fremtiden er det også mulig å oppnå helautomatisk laserrensing gjennom samarbeid med industriroboter. Utviklingstrenden for laserrenseteknologi er som følger:
(1) Styrking av forskningen på laserrengjøringsteori for å veilede anvendelsen av laserrengjøringsteknologi. Etter å ha gjennomgått et stort antall dokumenter, har det blitt funnet at det ikke finnes noe modent teoretisk system som støtter laserrengjøringsteknologi, og de fleste studiene er basert på eksperimenter. Etablering av et teoretisk system for laserrengjøring er grunnlaget for videreutvikling og modning av laserrengjøringsteknologi.
(2) Utvidelse av eksisterende bruksområder og nye bruksområder. Laserrenseteknologi har blitt brukt med hell innen områder som fjerning av maling og rust, og det har vært rapporter om bruk av laser for å rengjøre oksidlaget på metalltråder de siste årene. Utvidelsen av eksisterende bruksområder og utviklingen av nye felt er fruktbar jord for utvikling av laserrenseteknologi.
(3) Forskning og utvikling av nytt laserrengjøringsutstyr. Utviklingen av nytt laserrengjøringsutstyr vil vise differensiering. Én type er utstyr med en viss universalitet som dekker flere bruksområder, for eksempel at én enhet kan utføre malingsfjerning og rustfjerning samtidig. Den andre typen er spesialisert utstyr for spesifikke behov, for eksempel design av spesifikke armaturer eller optiske fibre for å oppnå funksjonen for rengjøring av forurensende stoffer i små rom. Gjennom samarbeid med industriroboter er helautomatisk laserrengjøring også en populær bruksretning.
Publisert: 17. juli 2025
