Periaate, tyypit ja sovelluksetlaserpuhdistusteknologia
Laserpuhdistustekniikka on lasertekniikan menestyksekäs sovellus tekniikan alalla. Sen perusperiaatteena on hyödyntää laserin korkeaa energiatiheyttä vuorovaikutuksessa työkappaleen alustaan tarttuvien epäpuhtauksien kanssa, jolloin ne irtoavat alustasta välittömän lämpölaajenemisen, sulamisen ja kaasun haihtumisen muodossa. Laserpuhdistustekniikalle on ominaista korkea hyötysuhde, ympäristöystävällisyys ja energiansäästö. Sitä on sovellettu menestyksekkäästi esimerkiksi renkaiden homeen puhdistuksessa, lentokoneiden korin maalinpoistossa ja kulttuurijäännösten entisöinnissä.
Perinteisiin puhdistustekniikoihin kuuluvat mm.mekaaninen kitkapuhdistus(hiekkapuhalluspuhdistus, korkeapainepesu jne.), kemiallinen korroosiopuhdistus, ultraäänipuhdistus, kuivajääpuhdistus jne. Näitä puhdistustekniikoita on käytetty laajalti eri teollisuudenaloilla. Esimerkiksi hiekkapuhalluspuhdistuksella voidaan poistaa metallien ruostetahroja, metallipintojen purseita ja kolmikerroksista lakkaa piirilevyiltä valitsemalla eri kovuusasteen hioma-aineita. Kemiallista korroosiopuhdistustekniikkaa käytetään laajalti öljytahrojen puhdistuksessa laitteiden pinnoilta, kattiloiden kalkista ja öljyputkista. Vaikka nämä puhdistustekniikat ovat hyvin kehittyneitä, niillä on edelleen joitakin ongelmia. Esimerkiksi hiekkapuhalluspuhdistus voi helposti vahingoittaa käsiteltyä pintaa, ja kemiallinen korroosiopuhdistus voi aiheuttaa ympäristön saastumista ja puhdistetun pinnan korroosiota, jos sitä ei käsitellä oikein. Laserpuhdistustekniikan esiinmarssi edustaa vallankumousta puhdistustekniikassa. Se hyödyntää laserenergian korkeaa energiatiheyttä, suurta tarkkuutta ja tehokasta siirtoa, ja sillä on selviä etuja perinteisiin puhdistustekniikoihin verrattuna puhdistustehokkuuden, puhdistustarkkuuden ja puhdistuspaikan suhteen. Se voi tehokkaasti välttää kemiallisen korroosiopuhdistuksen ja muiden puhdistustekniikoiden aiheuttaman ympäristön saastumisen eikä vahingoita alustaa.
Mitä laserpuhdistus sitten on? Laserpuhdistus on prosessi, jossa lasersädettä käytetään materiaalin poistamiseen kiinteän aineen (tai joskus nesteen) pinnalta. Alhaisella laservuolla materiaali kuumenee absorboituneen laserenergian vaikutuksesta ja haihtuu tai sublimoituu. Suurella laservuolla materiaali muuttuu yleensä plasmaksi. Yleensä laserpuhdistuksella tarkoitetaan materiaalin poistamista pulssilasereilla, mutta jos laserin intensiteetti on riittävän korkea, materiaalin ablatointiin voidaan käyttää jatkuvaa lasersädettä. Syvän ultraviolettivalon eksimeerilaseria käytetään pääasiassa optiseen ablaatioon. Optiseen ablaatioon käytetty laserin aallonpituus on noin 200 nm. Laserenergian absorptiosyvyys ja yhdellä laserpulssilla poistettavan materiaalin määrä riippuvat materiaalin optisista ominaisuuksista sekä laserin aallonpituudesta ja pulssin pituudesta. Kunkin laserpulssin kohteesta ablatoimaa kokonaismassaa kutsutaan yleensä ablaationopeudeksi. Lasersäteen skannausnopeus ja skannausviivan peitto jne. vaikuttavat merkittävästi ablaatioprosessiin.
Laserpuhdistustekniikan tyypit
1) Laserkuivapesu: Kuivapesu tarkoittaa puhdistettavan työkappaleen suoraa säteilyttämistä pulssilaserilla, jolloin pohjan tai pinnan epäpuhtaudet absorboivat energiaa ja nostavat lämpötilaa, mikä johtaa pohjan lämpölaajenemiseen tai lämpövärähtelyyn ja erottaa ne toisistaan. Tämä menetelmä voidaan karkeasti jakaa kahteen tilanteeseen: toisessa pinnan epäpuhtaudet absorboivat laserenergiaa ja laajenevat; toisessa pohja absorboi laserenergiaa ja tuottaa lämpövärähtelyä. Vuonna 1969 SM Bedair et al. havaitsivat, että erilaisilla pintakäsittelymenetelmillä, kuten lämpökäsittelyllä, kemiallisella korroosiolla ja hiekkapuhalluksella, on omat haittapuolensa. Samanaikaisesti laserfokusoinnin jälkeinen korkea energiatiheys voi mahdollistaa materiaalin pinnan haihtumisen, mikä mahdollistaa materiaalin pinnan rikkomattoman puhdistuksen. Kokeiden avulla havaittiin, että käyttämällä rubiini-Q-kytkentälaseria, jonka tehotiheys on 30 MW/cm2, voidaan saavuttaa piimateriaalin pinnan epäpuhtauksien puhdistus vahingoittamatta pohjaa, ja ensimmäistä kertaa toteutettiin materiaalin pinnan epäpuhtauksien laserkuivapesu. Kokonaisnopeus voidaan ilmaista kalvokerrosten irtoamisnopeudella seuraavasti:
Kaavassa ε edustaa laserpulssin energiaindeksiä, h edustaa saastekalvokerroksen paksuusindeksiä ja E edustaa kalvokerroksen kimmokerroinindeksiä.
2) Lasermärkäpuhdistus: Ennen kuin puhdistettava työkappale altistetaan pulssilaserille, pinnalle levitetään esipinnoitenestekalvo. Laserin vaikutuksesta nestekalvon lämpötila nousee nopeasti ja se höyrystyy. Höyrystymishetkellä syntyy iskuaalto, joka vaikuttaa epäpuhtaushiukkasiin ja saa ne irtoamaan substraatista. Tämä menetelmä edellyttää, että substraatti ja nestekalvo eivät reagoi keskenään, mikä rajoittaa sovellettavien materiaalien valikoimaa. Vuonna 1991 K. Imen ym. käsittelivät puolijohdekiekkojen ja metallimateriaalien pinnoille jääneiden submikronihiukkasten aiheuttamaa epäpuhtausongelmaa perinteisten puhdistusmenetelmien käytön jälkeen ja tutkivat kalvon levittämistä materiaalisubstraatin pinnalle, joka absorboi tehokkaasti laserenergiaa. Myöhemmin CO2-laserilla kalvo absorboi laserenergian ja sen lämpötila nousi nopeasti ja kiehui, jolloin syntyi räjähdysmäinen höyrystyminen, joka poisti epäpuhtaudet substraatin pinnalta. Tätä puhdistusmenetelmää kutsutaan lasermärkäpuhdistukseksi.
3) Laserplasma-iskuaaltopuhdistus: Laserplasma-iskuaaltoja syntyy, kun laser säteilee ilmaa ja muodostaa pallomaisen plasma-iskuaallon. Iskuaalto vaikuttaa puhdistettavan työkappaleen pintaan ja vapauttaa energiaa epäpuhtauksien poistamiseksi. Laser ei vaikuta alustaan, joten se ei vahingoita alustaa. Laserplasma-iskuaaltopuhdistustekniikka voi nyt puhdistaa useiden kymmenien nanometrien läpimittaisia hiukkasia, eikä laserin aallonpituudelle ole rajoituksia. Plasmapuhdistuksen fysikaalinen periaate voidaan tiivistää seuraavasti: a) Laserin lähettämä lasersäde absorboituu käsitellyn pinnan epäpuhtauskerrokseen. b) Suuri absorptiomäärä muodostaa nopeasti laajenevan plasman (erittäin ionisoitunut epästabiili kaasu) ja synnyttää iskuaallon. c) Törmäysaalto saa epäpuhtaudet hajoamaan ja poistumaan. d) Valopulssin pulssinleveyden on oltava riittävän lyhyt, jotta vältetään terminen kertymä, joka voisi vahingoittaa käsiteltyä pintaa. e) Kokeet ovat osoittaneet, että kun metallin pinnalla on oksideja, metallin pinnalle syntyy plasmaa. Plasmaa syntyy vain, kun energiatiheys ylittää kynnyksen, joka riippuu poistetusta kontaminaatiokerroksesta tai oksidikerroksesta. Tämä kynnysvaikutus on erittäin tärkeä tehokkaan puhdistuksen ja alustamateriaalin turvallisuuden varmistamiseksi. Plasman ulkonäöllä on myös toinen kynnys. Jos energiatiheys ylittää tämän kynnyksen, alustamateriaali vaurioituu. Tehokkaan puhdistuksen suorittamiseksi ja alustamateriaalin turvallisuuden varmistamiseksi laserparametreja on säädettävä tilanteen mukaan sen varmistamiseksi, että valopulssin energiatiheys on tarkasti kahden kynnyksen välillä. Vuonna 2001 JM Lee et al. hyödynsivät ominaisuutta, että suuritehoiset laserit tuottavat plasmaiskuaaltoja fokusoituna, ja käyttivät pulssilaseria, jonka energiatiheys oli 2,0 J/cm2 (paljon korkeampi kuin piikiekkojen vaurioitumiskynnys), säteilyttääkseen piikiekon suuntaisesti ja puhdistaen onnistuneesti piikiekon pinnalle adsorboituneet 1 μm:n volframihiukkaset. Tätä puhdistusmenetelmää kutsutaan laserplasmaiskuaaltopuhdistukseksi, ja tarkkaan ottaen laserplasmaiskuaaltopuhdistus on eräänlainen kuivalaserpuhdistus. Näiden kolmen laserpuhdistustekniikan alkuperäinen tarkoitus oli puhdistaa puolijohdekiekkojen pinnalla olevat pienet hiukkaset. Voidaan sanoa, että laserpuhdistustekniikka syntyi puolijohdetekniikan kehityksen myötä. Laserpuhdistustekniikkaa on kuitenkin jatkuvasti sovellettu muilla aloilla, kuten renkaiden homepuhdistuksessa, lentokoneiden maalipinnan poistossa ja artefaktien pinnan entisöinnissä. Lasersäteilyn alaisena substraatin pinnalle voidaan puhaltaa inerttiä kaasua. Kun epäpuhtaudet irtoavat pinnalta, kaasu puhaltaa ne välittömästi pois pinnalta, mikä estää uudelleen saastumisen ja pinnan hapettumisen.
Thelaserpuhdistustekniikan soveltaminen
1) Puolijohdealalla puolijohdekiekkojen ja optisten alustojen puhdistus tapahtuu samalla prosessilla, jossa raaka-aineet käsitellään haluttuihin muotoihin leikkaamalla, jauhamalla jne. Tämän prosessin aikana pinnalle joutuu hiukkasmaisia epäpuhtauksia, joita on vaikea poistaa ja jotka aiheuttavat vakavia toistuvia kontaminaatio-ongelmia. Puolijohdekiekkojen pinnalla olevat epäpuhtaudet voivat vaikuttaa piirilevyjen tulostuksen laatuun ja lyhentää siten puolijohdesirujen käyttöikää. Optisten alustojen pinnalla olevat epäpuhtaudet voivat vaikuttaa optisten laitteiden ja pinnoitteiden laatuun ja johtaa epätasaiseen energian jakautumiseen, mikä lyhentää käyttöikää. Koska laserkuivapesu on altis vaurioittamaan alustan pintaa, tätä puhdistusmenetelmää käytetään vähemmän puolijohdekiekkojen ja optisten alustojen puhdistuksessa. Lasermärkäpuhdistuksella ja laserplasmaiskuaaltopuhdistuksella on menestyksekkäämpiä sovelluksia tällä alalla. Xu Chuanyi ym. tutkivat mikroskooppisen erikoismagneettisen maalin kerrostumista erittäin sileiden optisten alustojen pinnalle dielektrisenä kalvona ja käyttivät sitten pulssilaseria puhdistukseen. Puhdistusvaikutus oli hyvä, vaikka epäpuhtaushiukkasten määrä pinta-alayksikköä kohti kasvoi, epäpuhtaushiukkasten koko ja peittoalue pienenivät merkittävästi. Tämä menetelmä pystyy tehokkaasti puhdistamaan mikroskooppisen kokoisia epäpuhtaushiukkasia erittäin sileiden optisten alustojen pinnalla. Zhang Ping tutki työskentelyetäisyyden ja laserenergian vaikutusta eri hiukkaskokoisten epäpuhtauksien puhdistusvaikutukseen laserplasmapuhdistustekniikassa. Kokeelliset tulokset osoittivat, että polystyreenihiukkasille johtavilla lasialustoilla optimaalinen työskentelyetäisyys 240 mJ:n energialla oli 1,90 mm. Laserenergian kasvaessa puhdistusvaikutus parani merkittävästi ja suuria hiukkasia oli helpompi puhdistaa.
2) Metallimateriaalien alalla metallimateriaalien pintojen puhdistus eroaa puolijohdekiekkojen ja optisten alustojen puhdistuksesta. Puhdistettavat epäpuhtaudet kuuluvat makroskooppiseen luokkaan. Metallimateriaalien pinnalla olevat epäpuhtaudet sisältävät pääasiassa oksidikerroksen (ruostekerros), maalikerroksen, pinnoitteen ja muita kiinnittyneitä aineita, ja ne voidaan luokitella orgaanisiin epäpuhtauksiin (kuten maalikerros, pinnoite) ja epäorgaanisiin epäpuhtauksiin (kuten ruostekerros). Metallimateriaalien pintojen epäpuhtauksien puhdistus on pääasiassa myöhemmän käsittelyn tai käytön vaatimusten täyttämiseksi, kuten noin 10 μm:n oksidikerroksen poistaminen titaaniseososien pinnalta ennen hitsausta, alkuperäisen maalipinnoitteen poistaminen ihon pinnalta lentokoneiden suurten korjausten aikana uudelleenmaalauksen helpottamiseksi ja kumirenkaan muottiin kiinnittyneiden kumihiukkasten säännöllinen puhdistaminen pinnan puhtauden sekä muotin laadun ja käyttöiän varmistamiseksi. Metallimateriaalien vaurioitumiskynnys on korkeampi kuin niiden pintaepäpuhtauksien laserpuhdistuskynnys. Valitsemalla sopivan tehoisen laserin voidaan saavuttaa parempi puhdistusvaikutus. Tätä tekniikkaa on sovellettu kypsästi joillakin aloilla. Wang Lihua et al. tutki laserpuhdistustekniikan soveltamista alumiiniseosten ja titaaniseosten pintojen oksidipintojen käsittelyssä. Tutkimustulokset osoittivat, että 5,1 J/cm2:n energiatiheyden omaavalla laserilla voitiin puhdistaa A5083-111H-alumiiniseoksen pinnan oksidikerros säilyttäen alustan hyvän laadun, ja keskimäärin 100 W:n teholla varustetulla pulssilaserilla skannausmenetelmällä voitiin tehokkaasti puhdistaa titaaniseosten pinnan oksidikerros ja parantaa materiaalin pinnan kovuutta. Kotimaiset yritykset, kuten Ruike Laser, Daqu Laser ja Shenzhen Chuangxin, ovat kehittäneet laserpuhdistuslaitteita, joita on käytetty laajalti kumimuottien, kuten renkaiden, metallien ruostekerrosten ja öljytahrojen puhdistukseen komponenttien pinnalla.
3) Kulttuurijäännösten alalla metalli- ja kivijäännösten sekä paperipintojen puhdistaminen on välttämätöntä, jotta voidaan poistaa epäpuhtaudet, kuten lika ja mustetahrat, joita esiintyy niiden pinnoilla niiden pitkän historian vuoksi. Nämä epäpuhtaudet on poistettava jäännösten entisöimiseksi. Paperitöiden, kuten kalligrafian ja maalausten, pinnoille kasvaa hometta ja muodostaa tahroja, jos niitä säilytetään väärin. Nämä tahrat vaikuttavat vakavasti paperin alkuperäiseen ulkonäköön, erityisesti paperin, jolla on korkea kulttuuri- tai historiallista arvoa, ja tämä vaikuttaa sen arvostukseen ja suojaan. Zhao Ying ym. tutkivat ultraviolettilaserilla tehtävän puhdistuksen toteutettavuutta paperirullien hometahrojen poistamiseksi. Kokeelliset tulokset osoittivat, että 3,2 J/mm2:n energiatiheyden omaavan laserin käyttö kertakäsittelyyn voi poistaa ohuita tahroja, ja toinen skannaus voi poistaa tahrat kokonaan. Jos käytetty laserenergia on kuitenkin liian korkea, se vahingoittaa paperirullaa tahroja poistettaessa. Zhang Xiaotong ym. entisöivät kullatun pronssijäännösen onnistuneesti käyttämällä laserin pystysuoraa säteilytysnestekalvomenetelmää. Zhang Licheng ym. käyttivät laserpuhdistustekniikkaa Han-dynastian aikaisen maalatun naispuolisen keramiikkaveistoksen entisöinnissä. Yuan Xiaodong ym. tutki laserpuhdistustekniikan vaikutusta kivijäännösten puhdistuksessa ja vertasi hiekkakivikappaleen vaurioita ennen puhdistusta ja sen jälkeen sekä mustetahrojen, savun ja maalin aiheuttaman saastumisen puhdistavia vaikutuksia.
Johtopäätös: Laserpuhdistustekniikka on suhteellisen edistynyt tekniikka, jolla on laajat tutkimus- ja sovellusmahdollisuudet korkean tarkkuuden aloilla, kuten ilmailu- ja avaruustekniikassa, sotilasvarusteissa sekä elektroniikka- ja sähkötekniikassa. Tällä hetkellä laserpuhdistustekniikkaa on sovellettu menestyksekkäästi joillakin alueilla sen tehokkaan, ympäristöystävällisen ja erinomaisen puhdistustehon ansiosta. Sen sovellusalueet laajenevat vähitellen. Laserpuhdistustekniikan kehitystä ei ole sovellettu ainoastaan kypsästi esimerkiksi maalinpoistoon ja ruosteenpoistoon, vaan viime vuosina on raportoitu myös laserin käytöstä metallilankojen oksidikerroksen puhdistamiseen. Nykyisten sovellusalueiden laajentuminen ja uusien alojen kehittäminen ovat laserpuhdistustekniikan kehityksen perusta. Uusien laserpuhdistuslaitteiden tutkimus ja kehitys sekä uusien laserpuhdistuslaitteiden kehittäminen osoittavat erilaistumista, mikä johtaa erilaisiin toimintoihin. Tulevaisuudessa on myös mahdollista saavuttaa täysin automaattinen laserpuhdistus yhteistyössä teollisuusrobottien kanssa. Laserpuhdistustekniikan kehityssuunta on seuraava:
(1) Laserpuhdistustekniikan soveltamisen ohjaamiseksi vahvistetaan laserpuhdistusteorian tutkimusta. Lukuisten asiakirjojen tarkastelun jälkeen on havaittu, ettei laserpuhdistusteknologiaa tukevaa kypsää teoreettista järjestelmää ole olemassa, ja useimmat tutkimukset perustuvat kokeisiin. Laserpuhdistustekniikan jatkokehityksen ja kypsymisen perustana on laserpuhdistustekniikan teoreettisen järjestelmän luominen.
(2) Nykyisten sovellusalueiden laajentaminen ja uusien sovellusalueiden luominen. Laserpuhdistustekniikkaa on sovellettu menestyksekkäästi esimerkiksi maalinpoistoon ja ruosteenpoistoon, ja viime vuosina on raportoitu laserin käytöstä metallilankojen oksidikerroksen puhdistamiseen. Nykyisten sovellusalueiden laajentaminen ja uusien alojen kehittäminen ovat hedelmällisiä edellytyksiä laserpuhdistustekniikan kehittämiselle.
(3) Uusien laserpuhdistuslaitteiden tutkimus ja kehitys. Uusien laserpuhdistuslaitteiden kehitys osoittaa erilaistumista. Yksi tyyppi on laite, jolla on tietty yleismaailmallisuus ja joka kattaa useita sovellusalueita, kuten yksi laite, joka voi samanaikaisesti poistaa maalia ja ruostetta. Toinen tyyppi on erikoislaitteet tiettyihin tarpeisiin, kuten erityisten kiinnikkeiden tai optisten kuitujen suunnittelu epäpuhtauksien puhdistamiseksi pienissä tiloissa. Teollisuusrobottien kanssa tehtävän yhteistyön ansiosta täysautomaattinen laserpuhdistus on myös suosittu sovellussuunta.
Julkaisuaika: 17.7.2025
