Принцип, види та застосуваннялазерне очищеннятехнологія
Технологія лазерного очищення – це успішне застосування лазерної технології в галузі машинобудування. Її основний принцип полягає у використанні високої щільності енергії лазера для взаємодії із забрудненнями, що прилипають до основи заготовки, що призводить до їх миттєвого теплового розширення, плавлення та випаровування газу. Технологія лазерного очищення характеризується високою ефективністю, екологічністю та енергозбереженням. Вона успішно застосовується в таких галузях, як очищення шинних форм, видалення фарби з кузовів літаків та реставрація культурних реліквій.
Традиційні технології очищення включаютьмеханічне тертя(піскоструминне очищення, очищення струменем води під високим тиском тощо), хімічне антикорозійне очищення, ультразвукове очищення, очищення сухим льодом тощо. Ці технології очищення широко використовуються в різних галузях промисловості. Наприклад, піскоструминне очищення може видаляти плями іржі металу, задирки металевої поверхні та тристійкий лак на друкованих платах, вибираючи абразиви різної твердості. Технологія хімічного антикорозійного очищення широко використовується для очищення масляних плям на поверхнях обладнання, накипу в котлах та нафтопроводах. Хоча ці технології очищення добре розроблені, вони все ще мають деякі проблеми. Наприклад, піскоструминне очищення може легко пошкодити оброблену поверхню, а хімічне антикорозійне очищення може спричинити забруднення навколишнього середовища та корозію очищеної поверхні, якщо з ним не поводитися належним чином. Поява технології лазерного очищення являє собою революцію в технології очищення. Вона використовує високу щільність енергії, високу точність та ефективну передачу лазерної енергії, і має очевидні переваги перед традиційними технологіями очищення з точки зору ефективності очищення, точності очищення та місця очищення. Вона може ефективно уникнути забруднення навколишнього середовища, спричиненого хімічним антикорозійним очищенням та іншими технологіями очищення, і не пошкодить основу.
Отже, що таке лазерне очищення? Лазерне очищення – це процес, у якому лазерний промінь використовується для видалення матеріалу з поверхні твердого тіла (або іноді рідини). При низькому лазерному потоці матеріал нагрівається поглиненою лазерною енергією та випаровується або сублімується. При високому лазерному потоці матеріал зазвичай перетворюється на плазму. Зазвичай лазерне очищення стосується видалення матеріалу за допомогою імпульсних лазерів, але якщо інтенсивність лазера достатньо висока, для абляції матеріалу можна використовувати лазерний промінь безперервної хвилі. Ексимерний лазер глибокого ультрафіолетового світла в основному використовується для оптичної абляції. Довжина хвилі лазера, що використовується для оптичної абляції, становить приблизно 200 нм. Глибина поглинання лазерної енергії та кількість матеріалу, що видаляється одним лазерним імпульсом, залежать від оптичних властивостей матеріалу, а також від довжини хвилі лазера та тривалості імпульсу. Загальна маса, що аблюється з цілі кожним лазерним імпульсом, зазвичай називається швидкістю абляції. Швидкість сканування лазерного променя та покриття лінії сканування тощо суттєво впливатимуть на процес абляції.
Типи технологій лазерного очищення
1) Лазерне хімчистка: Сухе лазерне очищення означає пряме опромінення очищуваної деталі імпульсним лазером, що призводить до поглинання енергії основою або поверхневими забрудненнями та підвищення температури, що призводить до теплового розширення або теплової вібрації основи, тим самим розділяючи ці два стани. Цей метод можна умовно розділити на два випадки: один полягає в тому, що поверхневі забруднення поглинають лазерну енергію та розширюються; інший полягає в тому, що основа поглинає лазерну енергію та генерує теплову вібрацію. У 1969 році С. М. Бедайр та ін. виявили, що різні методи обробки поверхні, такі як термічна обробка, хімічна корозія та піскоструминне очищення, мають різні недоліки. Водночас висока щільність енергії після лазерного фокусування може зробити можливим явище випаровування поверхні матеріалу, що дає можливість неруйнівного очищення поверхні матеріалу. За допомогою експериментів було виявлено, що використання рубінового лазера з модуляцією добротності та щільністю потужності 30 МВт/см2 може забезпечити очищення поверхні кремнієвого матеріалу від забруднень без пошкодження основи, і вперше було реалізовано лазерне хімчистку поверхні матеріалу від забруднень. Загальну швидкість можна виразити швидкістю відшаровування фрагментів шару плівки наступним чином:
У формулі ε представляє енергетичний індекс лазерного імпульсу, h представляє індекс товщини шару плівки забруднюючої речовини, а E представляє індекс модуля пружності шару плівки.
2) Лазерне вологе очищення: Перед тим, як заготовка, що очищується, піддається впливу імпульсного лазера, на поверхню наноситься рідка плівка попереднього покриття. Під дією лазера температура рідкої плівки швидко підвищується, і вона випаровується. У момент випаровування генерується ударна хвиля, яка діє на частинки забруднюючих речовин і призводить до їх відшаровування від підкладки. Цей метод вимагає, щоб підкладка та рідка плівка не реагували одна з одною, що обмежує діапазон застосовних матеріалів. У 1991 році К. Імен та ін. розглянули проблему залишкових субмікронних частинок забруднюючих речовин на поверхнях напівпровідникових пластин та металевих матеріалів після використання традиційних методів очищення та дослідили нанесення на поверхню матеріалу-підкладки плівки, яка може ефективно поглинати лазерну енергію. Згодом, за допомогою CO2-лазера, плівка поглинала лазерну енергію, швидко підвищувала температуру та кипіла, що призводило до вибухового випаровування, яке видаляло забруднюючі речовини з поверхні підкладки. Цей метод очищення називається лазерним вологим очищенням.
3) Лазерне плазмове ударне очищення: Лазерні плазмові ударні хвилі генеруються, коли лазер опромінює повітряне середовище та викликає формування сферичної плазмової ударної хвилі. Ударна хвиля діє на поверхню заготовки, що очищується, та вивільняє енергію для видалення забруднюючих речовин. Лазер не діє на підкладку, таким чином не пошкоджуючи її. Технологія лазерного плазмового ударного очищення тепер може очищати частинки діаметром кілька десятків нанометрів, і немає обмежень щодо довжини хвилі лазера. Фізичний принцип плазмового очищення можна підсумувати наступним чином: a) Лазерний промінь, що випромінюється лазером, поглинається шаром забруднення на обробленій поверхні. b) Велика кількість поглинання утворює швидко розширювану плазму (високоіонізований нестабільний газ) та генерує ударну хвилю. c) Ударна хвиля призводить до фрагментації та видалення забруднюючих речовин. d) Ширина імпульсу світлового імпульсу повинна бути достатньо короткою, щоб уникнути теплового накопичення, яке може пошкодити оброблену поверхню. e) Експерименти показали, що коли на поверхні металу є оксиди, на поверхні металу утворюється плазма. Плазма генерується лише тоді, коли щільність енергії перевищує поріг, який залежить від видаленого шару забруднення або шару оксиду. Цей пороговий ефект дуже важливий для ефективного очищення, забезпечуючи при цьому безпеку матеріалу підкладки. Поява плазми також має другий поріг. Якщо щільність енергії перевищує цей поріг, матеріал підкладки буде пошкоджено. Для проведення ефективного очищення, забезпечуючи при цьому безпеку матеріалу підкладки, параметри лазера необхідно регулювати відповідно до ситуації, щоб забезпечити, щоб щільність енергії світлового імпульсу була строго між двома порогами. У 2001 році Дж. М. Лі та ін. використали характеристику того, що потужні лазери генерують плазмові ударні хвилі при фокусуванні, і застосували імпульсний лазер з щільністю енергії 2,0 Дж/см2 (набагато вище, ніж поріг пошкодження кремнієвих пластин) для опромінення паралельно кремнієвій пластині, успішно очистивши частинки вольфраму розміром 1 мкм, адсорбовані на поверхні кремнієвої пластини. Цей метод очищення називається лазерним плазмовим ударно-хвильовим очищенням, і, строго кажучи, лазерне плазмове ударно-хвильове очищення є типом сухого лазерного очищення. Початковою метою цих трьох технологій лазерного очищення було очищення дрібних частинок на поверхні напівпровідникових пластин. Можна сказати, що технологія лазерного очищення виникла з розвитком напівпровідникової технології. Однак, технологія лазерного очищення постійно застосовується в інших галузях, таких як очищення шинних форм, видалення фарби з обшивки літаків та відновлення поверхні артефактів. Під впливом лазерного випромінювання інертний газ може бути видути на поверхню підкладки. Коли забруднення знімаються з поверхні, вони негайно здуваються газом, щоб уникнути повторного забруднення та окислення поверхні.
Theзастосування технології лазерного очищення
1) У галузі напівпровідників очищення напівпровідникових пластин та оптичних підкладок включає один і той самий процес, який полягає в обробці сировини до потрібних форм шляхом різання, шліфування тощо. Під час цього процесу потрапляють тверді частинки забруднюючих речовин, які важко видалити, і вони викликають серйозні проблеми повторного забруднення. Забруднювачі на поверхні напівпровідникових пластин можуть впливати на якість друку друкованих плат, тим самим скорочуючи термін служби напівпровідникових мікросхем. Забруднювачі на поверхні оптичних підкладок можуть впливати на якість оптичних пристроїв та покриттів, а також призводити до нерівномірного розподілу енергії, скорочуючи термін служби. Оскільки лазерне хімічне очищення схильне до пошкодження поверхні підкладки, цей метод очищення рідше використовується для очищення напівпровідникових пластин та оптичних підкладок. Лазерне вологе очищення та лазерне плазмове ударно-хвильове очищення мають більш успішне застосування в цій галузі. Сюй Чуаньї та ін. вивчали нанесення мікромасштабної спеціальної магнітної фарби на поверхню надгладких оптичних підкладок у вигляді діелектричної плівки, а потім використовували імпульсний лазер для очищення. Ефект очищення був хорошим, хоча кількість домішкових частинок на одиницю площі збільшилася, розмір та площа покриття домішкових частинок значно зменшилися. Цей метод може ефективно очищати мікрочастинки домішок на поверхні надгладких оптичних підкладок. Чжан Пінг вивчав вплив робочої відстані та енергії лазера на ефект очищення забруднювачів різного розміру частинок у технології лазерно-плазмового очищення. Експериментальні результати показали, що для частинок полістиролу на провідних скляних підкладках оптимальна робоча відстань для енергії 240 мДж становила 1,90 мм. Зі збільшенням енергії лазера ефект очищення значно покращувався, і забруднювачі у вигляді великих частинок легше очищалися.
2) В галузі металевих матеріалів очищення поверхонь металевих матеріалів відрізняється від очищення напівпровідникових пластин та оптичних підкладок. Забруднювачі, що підлягають очищенню, належать до макроскопічної категорії. Забруднювачі на поверхні металевих матеріалів в основному включають шар оксиду (шар іржі), шар фарби, покриття та інші додані речовини, і їх можна класифікувати на органічні забруднення (такі як шар фарби, покриття) та неорганічні забруднення (такі як шар іржі). Очищення поверхневих забруднень металевих матеріалів здійснюється головним чином для задоволення вимог подальшої обробки або використання, таких як видалення приблизно 10 мкм шару оксиду з поверхні деталей з титанового сплаву перед зварюванням, видалення оригінального лакофарбового покриття з поверхні обшивки під час капітального ремонту літака для полегшення повторного напилення, а також регулярне очищення гумових частинок, прикріплених до форми гумової шини, для забезпечення чистоти поверхні, якості та терміну служби форми. Поріг пошкодження металевих матеріалів вищий, ніж поріг лазерного очищення їх поверхневих забруднень. Вибравши відповідний потужний лазер, можна досягти кращого ефекту очищення. Ця технологія вже давно застосовується в деяких галузях. Ван Ліхуа та ін. вивчали застосування технології лазерного очищення для обробки оксидних покриттів на поверхнях алюмінієвих та титанових сплавів. Результати дослідження показали, що використання лазера з щільністю енергії 5,1 Дж/см2 може очистити оксидний шар на поверхні алюмінієвого сплаву A5083-111H, зберігаючи при цьому хорошу якість підкладки, а використання імпульсного лазера із середньою потужністю 100 Вт у режимі сканування може ефективно очистити оксидний шар на поверхні титанових сплавів та покращити твердість поверхні матеріалу. Вітчизняні компанії, такі як Ruike Laser, Daqu Laser та Shenzhen Chuangxin, розробили обладнання для лазерного очищення, яке широко використовується для очищення гумових форм, таких як шини, шарів металевої іржі та масляних плям на поверхні компонентів.
3) У сфері культурних реліквій очищення металевих та кам'яних реліквій, а також паперових поверхонь є необхідним для видалення забруднень, таких як бруд та плями від чорнила, що з'являються на їхніх поверхнях через їхню довгу історію. Ці забруднення необхідно видалити для реставрації реліквій. На паперових виробах, таких як каліграфія та живопис, при неправильному зберіганні на їх поверхні росте цвіль, яка утворює плями. Ці плями серйозно впливають на початковий вигляд паперу, особливо на папері з високою культурною чи історичною цінністю, що вплине на його оцінку та захист. Чжао Ін та ін. вивчали можливість використання ультрафіолетового лазера для очищення плям цвілі на паперових сувоях. Результати експериментів показали, що використання лазера з щільністю енергії 3,2 Дж/мм2 для одноразового сканування може видалити тонкі плями, а дворазове сканування може повністю видалити плями. Однак, якщо використана лазерна енергія занадто висока, це пошкодить паперовий сувій під час видалення плям. Чжан Сяотун та ін. успішно відновили позолочену бронзову реліквію за допомогою методу лазерного вертикального опромінення рідкою плівкою. Чжан Лічен та ін. використали технологію лазерного очищення під час реставрації розписної жіночої керамічної статуетки династії Хань. Юань Сяодун та ін. вивчали вплив технології лазерного очищення на очищення кам'яних реліквій та порівнювали пошкодження пісковикового тіла до та після очищення, а також вплив плям від чорнила, забруднення димом та забруднення фарбою.
Висновок: Технологія лазерного очищення є відносно передовою технікою з широкими перспективами досліджень та застосування у високоточних галузях, таких як аерокосмічна промисловість, військове обладнання, електронна та електротехнічна техніка. Наразі технологія лазерного очищення успішно застосовується в деяких галузях завдяки своїй ефективній, екологічній та чудовій очищувальній здатності. Її області застосування поступово розширюються. Розвиток технології лазерного очищення не тільки зріло застосовується в таких галузях, як видалення фарби та іржі, але й в останні роки з'явилися повідомлення про використання лазера для очищення оксидного шару на металевих дротах. Розширення існуючих галузей застосування та розробка нових галузей є основою розвитку технології лазерного очищення. Дослідження та розробка нового обладнання для лазерного очищення та розробка нового обладнання для лазерного очищення демонструватимуть диференціацію, що призведе до різних функцій. У майбутньому також досяжно досягти повністю автоматичного лазерного очищення завдяки співпраці з промисловими роботами. Тенденція розвитку технології лазерного очищення така:
(1) Посилення досліджень теорії лазерного очищення для керівництва застосуванням технології лазерного очищення. Після огляду великої кількості документів було виявлено, що не існує зрілої теоретичної системи, що підтримує технологію лазерного очищення, і більшість досліджень базуються на експериментах. Створення теоретичної системи лазерного очищення є основою для подальшого розвитку та зрілості технології лазерного очищення.
(2) Розширення існуючих галузей застосування та поява нових галузей застосування. Технологія лазерного очищення успішно застосовується в таких галузях, як видалення фарби та іржі, а в останні роки надходили повідомлення про використання лазера для очищення оксидного шару на металевих дротах. Розширення існуючих галузей застосування та розробка нових галузей є благодатним ґрунтом для розвитку технології лазерного очищення.
(3) Дослідження та розробка нового обладнання для лазерного очищення. Розробка нового обладнання для лазерного очищення демонструватиме диференціацію. Один тип – це обладнання з певною універсальністю, що охоплює кілька сфер застосування, наприклад, один пристрій може одночасно виконувати функції видалення фарби та видалення іржі. Інший тип – це спеціалізоване обладнання для конкретних потреб, таке як розробка певних приладів або оптичних волокон для виконання функції очищення забруднюючих речовин у невеликих приміщеннях. Завдяки співпраці з промисловими роботами, повністю автоматичне лазерне очищення також є популярним напрямком застосування.
Час публікації: 17 липня 2025 р.
