Lazerinio valymo technologijayra sėkmingas lazerių technologijos pritaikymas inžinerijos srityje. Pagrindinis jos principas – panaudoti didelį lazerių energijos tankį, kad būtų galima sąveikauti lazerio spinduliams ir prie ruošinio pagrindo prilipusiems teršalams. Teršalai nuo pagrindo atskiriami momentinio šiluminio plėtimosi, lydymosi, dujų garavimo ir kitais mechanizmais. Dėl didelio efektyvumo, ekologiškumo ir energijos taupymo lazerinio valymo technologija sėkmingai taikoma padangų pelėsių valymui, orlaivių kėbulų dažų šalinimui, kultūrinių relikvijų restauravimui ir kitose srityse.
Tradicinės valymo technologijos apima mechaninį trinties valymą (smėliapūtę, aukšto slėgio vandens srovę ir kt.), cheminį korozijos valymą, ultragarsinį valymą, valymą sausu ledu ir kt. Šios technologijos plačiai naudojamos įvairiose pramonės šakose. Pavyzdžiui, smėliasrove galima pašalinti metalo rūdžių dėmes, paviršiaus šerpetojančias dalis ir konformines dangas nuo spausdintinių plokščių, parenkant įvairaus kietumo abrazyvus. Cheminis korozijos valymas plačiai taikomas įrangos paviršiaus alyvos apnašoms šalinti, katilų apnašoms valyti ir naftotiekio atkimšimui. Nors tradiciniai metodai yra brandūs, jie turi pastebimų trūkumų: smėliasrove lengvai pažeidžia apdorojamus paviršius, o cheminis korozijos valymas teršia aplinką ir, netinkamai naudojamas, gali korozuoti substratus. Lazerinio valymo atsiradimas žymi valymo technologijų revoliuciją. Naudodamas didelį lazerių energijos tankį, tikslumą ir efektyvų perdavimą, lazerinis valymas pranoksta tradicinius metodus valymo efektyvumu, tikslumu ir padėties nustatymu. Jis pašalina cheminio valymo sukeliamą aplinkos taršą ir nepažeidžia substratų.
Lazerinio valymo principai
Kas tiksliai yra lazerinis valymas? Tai medžiagų šalinimo nuo kietų (o kartais ir skystų) paviršių lazerio spindulio spinduliuotės būdu procesas. Esant mažam lazerio srautui, sugeriama lazerio energija kaitina medžiagas, sukeldama garavimą arba sublimaciją. Esant dideliam lazerio srautui, medžiagos paprastai virsta plazma. Lazeriniame valyme medžiagoms šalinti paprastai naudojami impulsiniai lazeriai, nors nuolatinės bangos lazerio spinduliai gali pakankamai intensyviai abliuoti medžiagas. Fotoabliacijai daugiausia naudojami gilieji ultravioletiniai eksimeriniai lazeriai, kurių bangos ilgis yra apie 200 nm.
Gylislazerio energijaAbsorbcija ir per impulsą pašalinamos medžiagos kiekis priklauso nuo medžiagos optinių savybių, taip pat nuo lazerio bangos ilgio ir impulso trukmės. Bendra per impulsą nuo taikinio pašalinta masė apibrėžiama kaip abliacijos greitis. Lazerio spinduliuotės charakteristikos, tokios kaip skenavimo greitis ir linijų padengimas, daro didelę įtaką abliacijos procesui.
Lazerinio valymo technologijų tipai
1) Lazerinis cheminis valymas
Lazerinis cheminis valymas apimaTiesioginis impulsinis lazerinis ruošinių apšvitinimas. Teršalai arba pagrindai sugeria lazerio energiją, padidindami jų temperatūrą ir sukeldami šiluminį plėtimąsi arba pagrindo terminę vibraciją, kuri atskiria teršalus nuo pagrindo. Tai vyksta dviem atvejais: arba paviršiaus teršalai sugeria lazerio energiją ir plečiasi, arba pagrindai sugeria energiją ir termiškai vibruoja.
1969 m. SM Bedair ir kt. nustatė, kad įprasti paviršiaus apdorojimo būdai (terminis apdorojimas, cheminė korozija, smėliasrovė) turi trūkumų. Jie pastebėjo, kad didelis fokusuotų lazerių energijos tankis gali išgarinti paviršiaus medžiagas nepažeisdamas pagrindo. Eksperimentai patvirtino, kad 30 MW/cm² galios tankio Q jungikliu veikiantis rubino lazeris gali nuvalyti teršalus nuo silicio paviršių nepažeisdamas pagrindo, ir tai buvo pirmasis lazerinio sauso valymo pritaikymas.
Bendrą valymo greitį galima išreikšti plėvelės nuolaužų atskyrimo greičiu, kaip parodyta toliau:
(Formulė: ε – lazerio impulso energijos indeksas; h – teršalų plėvelės storio indeksas; E – plėvelės elastingumo modulio indeksas)
2) Lazerinis šlapias valymas
Prieš impulsinio lazerio spinduliuotę, ruošinio paviršius padengiamas skysta plėvele. Lazerio energija greitai įkaitina ir išgarina plėvelę, sukurdama momentinę smūginę bangą, kuri atskiria teršalų daleles nuo pagrindo. Šis metodas nereikalauja cheminės reakcijos tarp pagrindo ir skystos plėvelės, todėl jo taikymo sritys yra ribotos.
1991 m. K. Imen ir kt. nagrinėjo po įprastinio valymo ant puslaidininkinių plokštelių ir metalų likusių submikroninių teršalų problemą. Jie padengė substratus lazerio spindulius sugeriančia plėvele ir apšvitino juos CO₂ lazeriu. Plėvelė sugėrė energiją, greitai įkaitino, užvirė ir sprogstamai išgaravo, pašalindama paviršiaus teršalus – tai apibrėžia lazerinį šlapiąjį valymą.
3) Lazerinis plazminis smūginės bangos valymas
Lazerinės plazmos smūginės bangos susidaro, kai lazeriai spinduliuotės metu jonizuoja orą į sferines plazmos smūgines bangas. Šios smūginės bangos veikia substratus, išskirdamos energiją, kuri pašalina teršalus jų nepažeisdamos (lazeriai tiesiogiai nesąveikauja su substratais). Ši technologija valo net dešimtis nanometrų dydžio daleles ir neriboja lazerio bangos ilgio.
Fiziniai plazminio valymo principai apibendrinti taip:
a) Lazerio spindulius sugeria teršalų sluoksnis ant taikinio paviršiaus.
b) Dėl didelės energijos absorbcijos susidaro sparčiai besiplečianti plazma (labai jonizuotos nestabilios dujos), kurianti smūgines bangas.
c) Smūginės bangos suskaido ir pašalina teršalus.
d) Lazerio impulsai turi būti pakankamai trumpi, kad nesikauptų šiluma, kuri pažeistų pagrindą.
e) Eksperimentai rodo, kad ant metalinių paviršių, esant oksidams, susidaro plazma.
Plazmos generavimas vyksta tik viršijus energijos tankio ribą, kuri priklauso nuo šalinamo teršalo ar oksido sluoksnio. Yra antra aukštesnė riba, kurią peržengus substratas yra pažeidžiamas. Siekiant užtikrinti efektyvų valymą nepažeidžiant substrato, lazerio parametrai turi būti sureguliuoti taip, kad impulso energijos tankis būtų tarp dviejų ribinių verčių.
2001 m. J. M. Lee ir kt. panaudojo plazmos smūgines bangas, skleidžiamas didelio galingumo fokusuotus lazerius. Impulsinis lazeris, kurio energijos tankis buvo 2,0 J/cm² (gerokai viršijantis silicio pažeidimo slenkstį), lygiagrečiai apšvietė silicio plokšteles, sėkmingai pašalindamas 1 μm volframo daleles. Griežtai kalbant, lazerinis plazmos smūginių bangų valymas yra cheminio valymo porūšis.
Iš pradžių sukurtos mikroskopinėms dalelėms iš puslaidininkinių plokštelių pašalinti, šios trys lazerinio valymo technologijos išsiplėtė iki padangų pelėsių valymo, orlaivių kėbulo dažų šalinimo, kultūrinių relikvijų restauravimo ir kitų sričių. Lazerinio spinduliavimo metu ant substratų galima pūsti inertinių dujų, kad akimirksniu būtų pašalinti atšokę teršalai, užkertant kelią pakartotiniam užteršimui ir oksidacijai.
Lazerinio valymo technologijos taikymas
1) Puslaidininkių pramonė: puslaidininkinių plokštelių ir optinių pagrindų valymas
Puslaidininkinės plokštelės ir optiniai pagrindai apdorojami identiškais etapais (pjovimas, šlifavimas), kad būtų suformuotos norimos formos, dėl kurių susidaro kietųjų dalelių teršalai, kuriuos sunku pašalinti ir kurie linkę pakartotinai užteršti. Ant plokštelių esantys teršalai pablogina grandinių spausdinimo kokybę ir sutrumpina lustų tarnavimo laiką. Optiniuose pagrinduose jie pablogina optinio įrenginio ir dangos veikimą, sukeldami netolygų energijos paskirstymą ir sutrumpina tarnavimo laiką.
Lazerinis sausas valymas čia retai naudojamas dėl pagrindo pažeidimo rizikos, o šlapias valymas ir plazminis smūginės bangos valymas turi daug sėkmingų pritaikymų. Xu Chuanyi ir kt. ant itin lygių optinių pagrindų nusodino mikronų dydžio magnetinius dažus kaip dielektrinę plėvelę, taip pasiekdami efektyvų impulsinį lazerinį valymą. Nors bendras priemaišų dalelių kiekis padidėjo, jų dydis ir padengimo plotas žymiai sumažėjo. Zhang Ping tyrė darbinio atstumo ir lazerio energijos įtaką įvairaus dydžio dalelių valymo efektyvumui. Eksperimentai parodė, kad 240 mJ lazeris optimaliai nuvalė polistireno daleles nuo laidaus stiklo 1,90 mm darbiniu atstumu. Valymo efektyvumas pagerėjo esant didesnei lazerio energijai, o didesnes daleles buvo lengviau pašalinti.
2) Metalo pramonė: metalinių paviršių valymas
Metalinių paviršių valymas skirtas makroskopiniams teršalams: oksido / rūdžių sluoksniams, dažams, dangoms ir kitiems priemaišoms, priskiriamiems organiniams (dažai, dangos) arba neorganiniams (rūdžių) teršalams. Valymas atitinka vėlesnius apdorojimo / naudojimo reikalavimus: pvz., 10 μm storio oksido sluoksnių pašalinimas nuo titano lydinių prieš suvirinimą, dažų pašalinimas nuo orlaivių apdangalų perdažymui ir gumos likučių valymas nuo padangų formų, siekiant užtikrinti produkto kokybę ir formos tarnavimo laiką.
Metalų pažeidimo slenksčiai yra aukštesni nei jų teršalų valymo slenksčiai, todėl juos galima efektyviai valyti tinkamai galingais lazeriais. Subrendusios taikymo sritys apima: Wang Lihua ir kt. pademonstravo, kad 5,1 J/cm² lazeriu buvo pašalintas oksido sluoksnis iš A5083-111H aliuminio lydinio, išsaugant pagrindo kokybę, o 100 W impulsinis lazeris efektyviai išvalė titano lydinio oksido sluoksnius ir padidino paviršiaus kietumą. Vietiniai gamintojai („Raycus Laser“, „Han's Laser“, „Shenzhen Chuangxin“) plačiai tiekia lazerinio valymo įrangą gumos formoms, metalo rūdžių ir detalių alyvos šalinimui.
3) Kultūros relikvijų išsaugojimas: kultūros relikvijų ir popierinių artefaktų valymas
Ant metalinių ir akmeninių kultūros relikvijų laikui bėgant kaupiasi nešvarumai, rašalo dėmės ir kiti teršalai, kuriuos reikia pašalinti norint atkurti pirminę išvaizdą. Netinkamo laikymo metu ant popierinių artefaktų (paveikslų, kaligrafijos) atsiranda pelėsių ir apnašų, kurios labai pablogina jų būklę ir kultūrinę / istorinę vertę.
Zhao Ying ir kt. patikrino pelėsių apnašų nuo ryžių popieriaus valymą UV lazeriu: vieno skenavimo, kurio galia buvo 3,2 J/mm², metu buvo pašalintos plonos apnašos, o dviejų skenavimų metu – visiškai; per didelė lazerio energija pažeidė popierių. Zhang Xiaotong sėkmingai restauravo paauksuotą bronzinį artefaktą, naudodamas lazerinį šlapiojo valymo metodą. Zhang Licheng lazeriu valė dažytą moterišką keramikos figūrėlę iš Han dinastijos laikų. Yuan Xiaodong ir kt. įvertino lazerinio valymo efektyvumą akmens relikvijoms, lygindami pagrindo pažeidimus ir rašalo, dūmų ir dažų dėmių šalinimo nuo smiltainio efektyvumą.
Išvada
Lazerinis valymas yra pažangi technologija, turinti plačias tyrimų ir taikymo perspektyvas aviacijos ir kosmoso, karinės įrangos, elektronikos ir kitose didelio tikslumo srityse. Dėl savo efektyvumo, ekologiškumo ir puikių valymo rezultatų ji sėkmingai naudojama įvairiose pramonės šakose, o jos taikymas nuolat plečiasi. Be įprasto dažų ir rūdžių šalinimo, naujausi pasiekimai apima oksido sluoksnių ant metalinių laidų valymą lazeriu. Tolesnė plėtra priklauso nuo esamų pritaikymų plėtros, naujų sričių taikymo ir įrangos inovacijų:
- Sustiprinti teorinius tyrimus, siekiant padėti juos pritaikyti praktikoje. Dabartiniai tyrimai labai remiasi eksperimentais, kuriems trūksta brandaus teorinio pagrindo. Tokio pagrindo sukūrimas yra labai svarbus technologinei brandai.
- Išplėsti pritaikymo galimybes esamose ir naujose srityse. Subrendusi dažų / rūdžių šalinimo srityje, nauji panaudojimo būdai apima metalinės vielos oksido valymą, suteikiant derlingą dirvą augimui.
- Kurti naują lazerinio valymo įrangą, pradedant universaliais daugiafunkciais prietaisais (pvz., kombinuotu dažų / rūdžių šalinimu) ir baigiant specializuotais įrankiais (pvz., individualiai pritaikytais įrenginiais / šviesolaidžiais uždaroms erdvėms). Perspektyvi kryptis – visiškas automatizavimas integruojant pramoninius robotus.
Įrašo laikas: 2026 m. gegužės 14 d.
