Põhimõte, tüübid ja rakendusedlaserpuhastustehnoloogia
Laserpuhastustehnoloogia on lasertehnoloogia edukas rakendus insenerivaldkonnas. Selle põhiprintsiip on kasutada laseri suurt energiatihedust, et reageerida töödeldava detaili aluspinnale kleepuvate saasteainetega, põhjustades nende eraldumise aluspinnast kohese soojuspaisumise, sulamise ja gaasi aurustumise teel. Laserpuhastustehnoloogiat iseloomustab kõrge efektiivsus, keskkonnasõbralikkus ja energiasäästlikkus. Seda on edukalt rakendatud sellistes valdkondades nagu rehvide hallituse puhastamine, lennukikere värvi eemaldamine ja kultuuripärandi restaureerimine.
Traditsiooniliste puhastusmeetodite hulka kuuluvadmehaaniline hõõrdpuhastus(liivapritsiga puhastamine, kõrgsurveveejoa puhastamine jne), keemiline korrosioonipuhastus, ultrahelipuhastus, kuivjääpuhastus jne. Neid puhastustehnoloogiaid on laialdaselt kasutatud erinevates tööstusharudes. Näiteks liivapritsiga puhastamine võimaldab eemaldada erineva kõvadusega abrasiivmaterjalide abil metallplaatidelt roosteplekke, metallpindade ebatasasusi ja kolmekordse lakikihi. Keemilise korrosioonipuhastustehnoloogiat kasutatakse laialdaselt õliplekkide puhastamiseks seadmete pindadelt, katlakivi kateldest ja naftatorustikest. Kuigi need puhastustehnoloogiad on hästi välja töötatud, on neil siiski mõningaid probleeme. Näiteks liivapritsiga puhastamine võib töödeldavat pinda kergesti kahjustada ning keemiline korrosioonipuhastus võib põhjustada keskkonnareostust ja puhastatud pinna korrosiooni, kui seda ei tehta õigesti. Laserpuhastustehnoloogia tekkimine kujutab endast revolutsiooni puhastustehnoloogias. See kasutab ära laserenergia suurt energiatihedust, suurt täpsust ja tõhusat edastamist ning sellel on traditsiooniliste puhastustehnoloogiate ees ilmsed eelised puhastuse efektiivsuse, puhastamise täpsuse ja puhastuskoha osas. See aitab tõhusalt vältida keemilise korrosioonipuhastuse ja muude puhastustehnoloogiate põhjustatud keskkonnareostust ning ei kahjusta aluspinda.
SeeLaseri puhastamise põhimõte
Mis on laserpuhastus? Laserpuhastus on protsess, mille käigus laserkiirt kasutatakse materjali eemaldamiseks tahke aine (või mõnikord ka vedeliku) pinnalt. Madala laservoo korral kuumutatakse materjali neeldunud laserenergia abil ja see aurustub või sublimeerub. Suure laservoo korral muutub materjal tavaliselt plasmaks. Tavaliselt viitab laserpuhastus materjali eemaldamisele impulsslaserite abil, kuid kui laseri intensiivsus on piisavalt kõrge, saab materjali ablatsiooniks kasutada pidevlaine laserkiirt. Optiliseks ablatsiooniks kasutatakse peamiselt sügava ultraviolettvalguse eksimeerlaserit. Optiliseks ablatsiooniks kasutatav laseri lainepikkus on umbes 200 nm. Laserenergia neeldumise sügavus ja ühe laserimpulsiga eemaldatava materjali hulk sõltuvad materjali optilistest omadustest, samuti laseri lainepikkusest ja impulsi pikkusest. Iga laserimpulsi abil sihtmärgilt ablateeritud kogumassi nimetatakse tavaliselt ablatsioonikiiruseks. Laserkiire skaneerimiskiirus ja skaneerimisjoone ulatus jne mõjutavad oluliselt ablatsiooniprotsessi.
Laserpuhastustehnoloogia tüübid
1) Laserkeemiline puhastus: Kuivlaserpuhastus viitab puhastatava detaili otsesele kiiritamisele impulsslaseriga, mille tulemusel alus või pinna saasteained neelavad energiat ja tõstavad temperatuuri, mille tulemuseks on aluse soojuspaisumine või termiline vibratsioon, mis eraldab need kaks. Selle meetodi saab laias laastus jagada kahte ossa: esiteks neelavad pinna saasteained laserenergiat ja paisuvad; teiseks neelab alus laserenergiat ja tekitab termilist vibratsiooni. 1969. aastal avastasid SM Bedair jt, et erinevatel pinnatöötlusmeetoditel, nagu kuumtöötlus, keemiline korrosioon ja liivapritsiga puhastamine, on erinevad puudused. Samal ajal võimaldab laserfokuseerimise järgne kõrge energiatihedus materjali pinna aurustumist, mis võimaldab materjali pinda mittepurustavat puhastamist. Katsete käigus leiti, et rubiin-Q-lülituslaseri abil, mille võimsustihedus on 30 MW/cm2, on võimalik silikoonmaterjali pinna saasteaineid puhastada alust kahjustamata, ning esmakordselt saavutati materjali pinna saasteainete laserkeemiline puhastus. Üldkiirust saab väljendada kilekihi fragmentide eraldumise kiirusega järgmiselt:
Valemis tähistab ε laserimpulsi energiaindeksit, h tähistab saasteainekile kihi paksuseindeksit ja E tähistab kilekihi elastsusmooduli indeksit.
2) Lasermärgpuhastus: Enne puhastatava detaili töötlemist impulsslaseriga kantakse sellele pinnale eelkattev vedelkile. Laseri toimel tõuseb vedelkile temperatuur kiiresti ja see aurustub. Aurustumise hetkel tekib lööklaine, mis toimib saasteosakestele ja põhjustab nende eraldumise aluspinnalt. See meetod nõuab, et aluspind ja vedelkile ei reageeriks omavahel, mis piirab kasutatavate materjalide valikut. 1991. aastal käsitlesid K. Imen jt. traditsiooniliste puhastusmeetodite kasutamise järel pooljuhtplaatide ja metallmaterjalide pinnale jäänud submikroniliste osakeste jääksaasteainete probleemi ning uurisid materjali aluspinnale kile pealekandmist, mis suudab laserenergiat tõhusalt neelata. Seejärel neelas kile CO2-laserit kasutades laserenergiat, mille temperatuur tõusis kiiresti ja kees, tekitades plahvatusliku aurustumise, mis eemaldas saasteained aluspinna pinnalt. Seda puhastusmeetodit nimetatakse lasermärgpuhastuseks.
3) Laserplasma lööklainepuhastus: Laserplasma lööklaine tekib siis, kui laser kiirgab õhku ja põhjustab sfäärilise plasma lööklaine moodustumise. Lööklaine toimib puhastatava tooriku pinnale ja vabastab energiat saasteainete eemaldamiseks. Laser ei toimi aluspinnale, seega ei kahjusta see aluspinda. Laserplasma lööklainepuhastustehnoloogia võimaldab nüüd puhastada osakesi läbimõõduga mitukümmend nanomeetrit ja laseri lainepikkusele ei ole piiranguid. Plasmapuhastuse füüsikalise põhimõtte saab kokku võtta järgmiselt: a) Laseri kiirgav laserkiir neeldub töödeldaval pinnal olevas saastekihis. b) Suur neeldumiskogus moodustab kiiresti paisuva plasma (tugevalt ioniseeritud ebastabiilne gaas) ja tekitab lööklaine. c) Löögilaine põhjustab saasteainete killustumist ja eemaldamist. d) Valgusimpulsi impulsi laius peab olema piisavalt lühike, et vältida termilist akumuleerumist, mis võiks töödeldavat pinda kahjustada. e) Katsed on näidanud, et kui metalli pinnal on oksiide, tekib metalli pinnal plasma. Plasma tekib ainult siis, kui energiatihedus ületab läve, mis sõltub eemaldatud saastekihist või oksiidikihist. See läveefekt on väga oluline efektiivseks puhastamiseks, tagades samal ajal alusmaterjali ohutuse. Plasma välimusel on ka teine lävi. Kui energiatihedus ületab selle läve, kahjustub alusmaterjal. Efektiivse puhastamise teostamiseks, tagades samal ajal alusmaterjali ohutuse, tuleb laserparameetreid vastavalt olukorrale reguleerida, et valgusimpulsi energiatihedus jääks rangelt kahe läve vahele. Aastal 2001 kasutasid JM Lee jt ära omadust, et suure võimsusega laserid tekitavad fokuseerimisel plasma lööklaineid, ja kasutasid impulsslaserit energiatihedusega 2,0 J/cm2 (palju kõrgem kui räniplaatide kahjustuslävi), et kiirata paralleelselt räniplaadiga, puhastades edukalt räniplaadi pinnale adsorbeerunud 1 μm volframiosakesi. Seda puhastusmeetodit nimetatakse laserplasma lööklaine puhastamiseks ja rangelt võttes on laserplasma lööklaine puhastamine kuiva laserpuhastuse tüüp. Nende kolme laserpuhastustehnoloogia algne eesmärk oli puhastada pooljuhtplaatide pinnalt pisikesi osakesi. Võib öelda, et laserpuhastustehnoloogia tekkis koos pooljuhttehnoloogia arenguga. Laserpuhastustehnoloogiat on aga pidevalt rakendatud ka teistes valdkondades, näiteks rehvide hallituse puhastamisel, lennukite värvi eemaldamisel ja artefaktide pinna taastamisel. Laserkiirguse all saab aluspinnale puhuda inertgaasi. Kui saasteained pinnalt maha kooritakse, puhub gaas need koheselt pinnalt minema, et vältida uuesti saastumist ja pinna oksüdeerumist.
Seelaserpuhastustehnoloogia rakendamine
1) Pooljuhtide valdkonnas hõlmab pooljuhtplaatide ja optiliste substraatide puhastamine sama protsessi, milleks on tooraine töötlemine vajalikeks kujudeks lõikamise, lihvimise jms abil. Selle protsessi käigus satuvad sisse tahked osakesed, mida on raske eemaldada ja mis põhjustavad tõsiseid korduvaid saastumisprobleeme. Pooljuhtplaatide pinnal olevad saasteained võivad mõjutada trükkplaadi trükkimise kvaliteeti, lühendades seeläbi pooljuhtkiipide eluiga. Optiliste substraatide pinnal olevad saasteained võivad mõjutada optiliste seadmete ja katete kvaliteeti ning põhjustada ebaühtlast energiajaotust, lühendades eluiga. Kuna laserkeemiline puhastus võib substraadi pinda kahjustada, kasutatakse seda puhastusmeetodit pooljuhtplaatide ja optiliste substraatide puhastamisel vähem. Lasermärgpuhastus ja laserplasma lööklainepuhastus on selles valdkonnas edukamad rakendused. Xu Chuanyi jt uurisid mikroskaala spetsiaalse magnetvärvi sadestumist ülisiledate optiliste substraatide pinnale dielektrilise kilena ja seejärel kasutasid puhastamiseks impulsslaserit. Puhastustulemus oli hea, kuigi lisandiosakeste arv pinnaühiku kohta suurenes, vähenesid lisandiosakeste suurus ja katvusala oluliselt. See meetod võimaldab tõhusalt puhastada ülisiledate optiliste aluspindade pinnalt mikromõõtmelisi lisandiosakesi. Zhang Ping uuris töökauguse ja laseri energia mõju erineva osakeste suurusega saasteainete puhastusefektile laserplasma puhastustehnoloogias. Eksperimentaalsed tulemused näitasid, et polüstüreeni osakeste puhul juhtivatel klaaspindadel oli optimaalne töökaugus 240 mJ energia puhul 1,90 mm. Laseri energia suurenedes paranes puhastusefekt märkimisväärselt ja suuri osakesi sisaldavaid saasteaineid oli lihtsam puhastada.
2) Metallmaterjalide valdkonnas erineb metallmaterjalide pindade puhastamine pooljuhtplaatide ja optiliste substraatide puhastamisest. Puhastatavad saasteained kuuluvad makroskoopilisse kategooriasse. Metallmaterjalide pinnal olevad saasteained hõlmavad peamiselt oksiidikihti (roostekihti), värvikihti, katet ja muid lisandeid ning neid saab liigitada orgaanilisteks saasteaineteks (nt värvikiht, kate) ja anorgaanilisteks saasteaineteks (nt roostekiht). Metallmaterjalide pinna saasteainete puhastamine toimub peamiselt järgneva töötlemise või kasutamise nõuete täitmiseks, näiteks umbes 10 μm oksiidikihi eemaldamine titaanisulamist osade pinnalt enne keevitamist, algse värvikihi eemaldamine naha pinnalt lennukite suuremate remonditööde ajal, et hõlbustada uuesti pihustamist, ning kummirehvi vormi külge kinnitatud kummiosakeste regulaarne puhastamine, et tagada pinna puhtus ning vormi kvaliteet ja eluiga. Metallmaterjalide kahjustuslävi on kõrgem kui nende pinna saasteainete laserpuhastuslävi. Sobiva võimsuslaseri valimisega on võimalik saavutada parem puhastustulemus. Seda tehnoloogiat on mõnes valdkonnas küpselt rakendatud. Wang Lihua jt. uuris laserpuhastustehnoloogia rakendamist alumiiniumisulamite ja titaanisulamite pindade oksiidikihtide töötlemisel. Uurimistulemused näitasid, et 5,1 J/cm2 energiatihedusega laseri kasutamine puhastab A5083-111H alumiiniumisulami pinnal olevat oksiidikihti, säilitades samal ajal aluspinna hea kvaliteedi, ning 100 W keskmise võimsusega impulsslaseri kasutamine skaneeriva meetodi abil puhastab tõhusalt titaanisulamite pinnal olevat oksiidikihti ja parandab materjali pinna kõvadust. Kodumaised ettevõtted nagu Ruike Laser, Daqu Laser ja Shenzhen Chuangxin on välja töötanud laserpuhastusseadmed, mida on laialdaselt kasutatud kummivormide, näiteks rehvide, metalli roostekihtide ja komponentide pinnal olevate õliplekkide puhastamiseks.
3) Kultuurimälestiste valdkonnas on metall- ja kivimälestiste ning paberpindade puhastamine vajalik, et eemaldada nende pindadele nende pika ajaloo tõttu tekkinud saasteained, näiteks mustus ja tindiplekid. Need saasteained tuleb mälestiste taastamiseks eemaldada. Paberiteoste, näiteks kalligraafia ja maalide puhul kasvab ebaõige ladustamise korral nende pinnale hallitus ja moodustuvad laigud. Need laigud mõjutavad tõsiselt paberi algset välimust, eriti kõrge kultuurilise või ajaloolise väärtusega paberi puhul, mis omakorda mõjutab selle väärtustamist ja kaitset. Zhao Ying jt uurisid ultraviolettlaseri kasutamise teostatavust paberirullide hallitusplekkide puhastamiseks. Eksperimentaalsed tulemused näitasid, et laseri kasutamine energiatihedusega 3,2 J/mm2 ühekordseks skaneerimiseks võib eemaldada õhukesed laigud ja kahekordne skaneerimine võib laigud täielikult eemaldada. Kui kasutatav laserenergia on aga liiga kõrge, kahjustab see paberirulli plekkide eemaldamise ajal. Zhang Xiaotong jt restaureerisid edukalt kullatud pronksist mälestise, kasutades laser-vertikaalse kiiritusvedeliku kile meetodit. Zhang Licheng jt kasutasid laserpuhastustehnoloogiat Hani dünastia maalitud naissoost keraamikafiguuri restaureerimisel. Yuan Xiaodong jt uuris laserpuhastustehnoloogia mõju kivimälestiste puhastamisele ning võrdles liivakivikeha kahjustusi enne ja pärast puhastamist, samuti tindiplekkide, suitsusaaste ja värvireostuse puhastavat mõju.
Kokkuvõte: Laserpuhastustehnoloogia on suhteliselt arenenud tehnika, millel on laialdased uurimis- ja rakendusvõimalused suure täpsusega valdkondades, nagu lennundus, sõjavarustus ning elektroonika- ja elektrotehnika. Praegu on laserpuhastustehnoloogiat tänu oma tõhusale, keskkonnasõbralikule ja suurepärasele puhastusvõimele edukalt rakendatud mõnes valdkonnas. Selle rakendusalad laienevad järk-järgult. Laserpuhastustehnoloogia arendamine pole mitte ainult küpselt rakendatud sellistes valdkondades nagu värvi eemaldamine ja rooste eemaldamine, vaid viimastel aastatel on teatatud ka laseri kasutamisest metalltraatide oksiidikihi puhastamiseks. Olemasolevate rakendusvaldkondade laiendamine ja uute valdkondade arendamine on laserpuhastustehnoloogia arengu aluseks. Uute laserpuhastusseadmete uurimine ja arendamine ning uute laserpuhastusseadmete väljatöötamine näitavad eristumist, mille tulemuseks on mitmesugused funktsioonid. Tulevikus on saavutatav ka täisautomaatne laserpuhastus koostöös tööstusrobotitega. Laserpuhastustehnoloogia arengusuund on järgmine:
(1) Laserpuhastusteooria uurimistöö tugevdamine laserpuhastustehnoloogia rakendamise suunamiseks. Pärast suure hulga dokumentide ülevaatamist leiti, et puudub küps teoreetiline süsteem, mis toetaks laserpuhastustehnoloogiat, ning enamik uuringuid põhineb katsetel. Laserpuhastusteoreetilise süsteemi loomine on laserpuhastustehnoloogia edasise arendamise ja küpsuse alus.
(2) Olemasolevate rakendusvaldkondade laiendamine ja uute rakendusvaldkondade avamine. Laserpuhastustehnoloogiat on edukalt rakendatud sellistes valdkondades nagu värvi eemaldamine ja rooste eemaldamine ning viimastel aastatel on olnud teateid laseri kasutamisest metalltraatide oksiidikihi puhastamiseks. Olemasolevate rakendusvaldkondade laiendamine ja uute valdkondade arendamine on viljakas pinnas laserpuhastustehnoloogia arendamiseks.
(3) Uute laserpuhastusseadmete uurimine ja arendamine. Uute laserpuhastusseadmete väljatöötamine näitab eristumist. Üks tüüp on teatud universaalsusega seade, mis hõlmab mitut rakendusvaldkonda, näiteks üks seade suudab samaaegselt täita värvi eemaldamise ja rooste eemaldamise funktsioone. Teine tüüp on spetsiaalsed seadmed spetsiifiliste vajaduste jaoks, näiteks spetsiifiliste seadmete või optiliste kiudude projekteerimine saasteainete puhastamiseks väikestes ruumides. Tänu koostööle tööstusrobotitega on täisautomaatne laserpuhastus samuti populaarne rakendussuund.
Postituse aeg: 17. juuli 2025
