Ang prinsipyo, uri at aplikasyon ng teknolohiya sa paglilinis ng laser

Ang prinsipyo, mga uri at aplikasyon ngpaglilinis gamit ang laserteknolohiya

Ang teknolohiya sa paglilinis ng laser ay isang matagumpay na aplikasyon ng teknolohiyang laser sa larangan ng inhenyeriya. Ang pangunahing prinsipyo nito ay ang paggamit ng mataas na densidad ng enerhiya ng laser upang makipag-ugnayan sa mga kontaminanteng dumidikit sa substrate ng workpiece, na nagiging sanhi ng paghiwalay ng mga ito mula sa substrate sa anyo ng agarang thermal expansion, pagkatunaw, at pagsingaw ng gas. Ang teknolohiya sa paglilinis ng laser ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na kahusayan, pagiging kabaitan sa kapaligiran, at pagtitipid ng enerhiya. Matagumpay itong nailapat sa mga larangan tulad ng paglilinis ng amag ng gulong, pag-alis ng pintura sa katawan ng sasakyang panghimpapawid, at pagpapanumbalik ng mga cultural relic.

Kabilang sa mga tradisyunal na teknolohiya sa paglilinismekanikal na paglilinis ng friction(paglilinis ng sandblasting, paglilinis ng high-pressure water jet, atbp.), paglilinis ng kemikal na kalawang, paglilinis ng ultrasonic, paglilinis ng dry ice, atbp. Ang mga teknolohiyang ito sa paglilinis ay malawakang ginagamit sa iba't ibang industriya. Halimbawa, ang paglilinis ng sandblasting ay maaaring mag-alis ng mga kalawang ng metal, mga burr sa ibabaw ng metal, at three-proof varnish sa mga circuit board sa pamamagitan ng pagpili ng mga abrasive na may iba't ibang tigas. Ang teknolohiyang paglilinis ng kemikal na kalawang ay malawakang ginagamit sa paglilinis ng mga mantsa ng langis sa mga ibabaw ng kagamitan, kaliskis sa mga boiler, at mga pipeline ng langis. Bagama't mahusay na naunlad ang mga teknolohiyang ito sa paglilinis, mayroon pa rin silang ilang mga problema. Halimbawa, ang paglilinis ng sandblasting ay madaling magdulot ng pinsala sa ginagamot na ibabaw, at ang paglilinis ng kemikal na kalawang ay maaaring magdulot ng polusyon sa kapaligiran at kalawang ng nalinis na ibabaw kung hindi maayos na hawakan. Ang paglitaw ng teknolohiya ng paglilinis ng laser ay kumakatawan sa isang rebolusyon sa teknolohiya ng paglilinis. Sinasamantala nito ang mataas na density ng enerhiya, mataas na katumpakan, at mahusay na paghahatid ng enerhiya ng laser, at may malinaw na mga bentahe kaysa sa mga tradisyonal na teknolohiya sa paglilinis sa mga tuntunin ng kahusayan sa paglilinis, katumpakan ng paglilinis, at lokasyon ng paglilinis. Mabisa nitong maiiwasan ang polusyon sa kapaligiran na dulot ng paglilinis ng kemikal na kalawang at iba pang mga teknolohiya sa paglilinis, at hindi magdudulot ng pinsala sa substrate.

Angprinsipyo ng paglilinis ng laser

Kaya ano ang paglilinis gamit ang laser? Ang paglilinis gamit ang laser ay isang proseso kung saan ginagamit ang isang laser beam upang alisin ang materyal mula sa ibabaw ng isang solid (o kung minsan ay isang likido). Sa mababang laser flux, ang materyal ay pinainit ng hinihigop na enerhiya ng laser at sumisingaw o nag-i-sublimate. Sa mataas na laser flux, ang materyal ay karaniwang nagiging plasma. Kadalasan, ang paglilinis gamit ang laser ay tumutukoy sa pag-alis ng materyal gamit ang mga pulsed laser, ngunit kung sapat na mataas ang intensity ng laser, maaaring gamitin ang isang continuous wave laser beam upang ablate ang materyal. Ang excimer laser ng malalim na ultraviolet light ay pangunahing ginagamit para sa optical ablation. Ang wavelength ng laser na ginagamit para sa optical ablation ay humigit-kumulang 200nm. Ang lalim ng pagsipsip ng enerhiya ng laser at ang dami ng materyal na natanggal ng isang laser pulse ay nakasalalay sa mga optical properties ng materyal, pati na rin ang wavelength ng laser at haba ng pulse. Ang kabuuang masa na ablated mula sa target ng bawat laser pulse ay karaniwang tinatawag na ablation rate. Ang bilis ng pag-scan ng laser beam at ang saklaw ng scanning line, atbp., ay makabuluhang makakaapekto sa proseso ng ablation.

Mga Uri ng Teknolohiya sa Paglilinis ng Laser

1) Laser dry cleaning: Ang dry laser cleaning ay tumutukoy sa direktang pag-iilaw ng workpiece ng paglilinis gamit ang pulsed laser, na nagiging sanhi ng pagsipsip ng enerhiya at pagtaas ng temperatura sa base o ibabaw ng mga kontaminante, na nagreresulta sa thermal expansion o thermal vibration ng base, sa gayon ay pinaghihiwalay ang dalawa. Ang pamamaraang ito ay maaaring hatiin sa dalawang sitwasyon: ang isa ay ang mga kontaminante sa ibabaw ay sumisipsip ng enerhiya ng laser at lumalawak; ang isa pa ay ang base ay sumisipsip ng enerhiya ng laser at bumubuo ng thermal vibration. Noong 1969, natuklasan nina SM Bedair et al. na ang iba't ibang paraan ng paggamot sa ibabaw tulad ng heat treatment, chemical corrosion, at sandblasting cleaning ay pawang may iba't ibang disbentaha. Kasabay nito, ang mataas na energy density pagkatapos ng laser focusing ay maaaring gawing posible ang penomeno ng pagsingaw sa ibabaw ng materyal, na nagbibigay-daan sa posibilidad ng hindi mapanirang paglilinis ng ibabaw ng materyal. Sa pamamagitan ng mga eksperimento, natuklasan na ang paggamit ng ruby ​​Q-switched laser na may power density na 30 MW/cm2 ay maaaring makamit ang paglilinis ng mga kontaminante sa ibabaw ng materyal na silicon nang hindi nasisira ang base, at sa unang pagkakataon, natanto ang laser dry cleaning ng mga kontaminante sa ibabaw ng materyal. Ang kabuuang bilis ay maaaring ipahayag sa pamamagitan ng bilis ng pagkahiwalay ng mga piraso ng patong ng pelikula, tulad ng sumusunod:

Sa pormula, ang ε ay kumakatawan sa laser pulse energy index, ang h ay kumakatawan sa thickness index ng pollutant film layer, at ang E ay kumakatawan sa elastic modulus index ng film layer.

2) Paglilinis Gamit ang Basang Laser: Bago ilantad ang workpiece na lilinisin sa pulsed laser, isang surface pre-coating liquid film ang inilalapat. Sa ilalim ng aksyon ng laser, ang temperatura ng liquid film ay mabilis na tumataas at nagiging sanhi ng pagsingaw. Sa sandali ng pagsingaw, isang impact wave ang nalilikha, na kumikilos sa mga particle ng pollutant at nagiging sanhi ng paghiwalay ng mga ito mula sa substrate. Kinakailangan ng pamamaraang ito na ang substrate at ang liquid film ay hindi mag-react sa isa't isa, kaya nililimitahan ang saklaw ng mga naaangkop na materyales. Noong 1991, tinugunan nina K. Imen et al. ang problema ng mga natitirang sub-micron particle pollutant sa mga ibabaw ng semiconductor wafer at mga materyales na metal pagkatapos gamitin ang mga tradisyonal na pamamaraan ng paglilinis, at pinag-aralan ang aplikasyon ng paglalagay ng isang film sa ibabaw ng materyal na substrate na maaaring mahusay na sumipsip ng enerhiya ng laser. Kasunod nito, gamit ang CO2 laser, sinipsip ng film ang enerhiya ng laser at mabilis na tumaas ang temperatura at kumulo, na lumilikha ng explosive vaporization, na nag-aalis ng mga pollutant mula sa ibabaw ng substrate. Ang pamamaraang ito ng paglilinis ay tinatawag na laser wet cleaning.

3) Paglilinis ng Laser Plasma Shock Wave: Ang mga laser plasma shock wave ay nalilikha kapag ang laser ay nag-i-irradiate sa medium ng hangin at nagiging sanhi ng pagbuo ng isang spherical plasma shock wave. Ang shock wave ay kumikilos sa ibabaw ng workpiece na lilinisin at naglalabas ng enerhiya upang alisin ang mga pollutant. Ang laser ay hindi kumikilos sa substrate, kaya hindi nagdudulot ng pinsala sa substrate. Ang teknolohiya ng paglilinis ng laser plasma shock wave ay maaari na ngayong linisin ang mga particle na may diyametro na ilang sampu-sampung nanometer, at walang mga paghihigpit sa wavelength ng laser. Ang pisikal na prinsipyo ng paglilinis ng plasma ay maaaring ibuod tulad ng sumusunod: a) Ang laser beam na inilalabas ng laser ay hinihigop ng layer ng kontaminasyon sa ginamot na ibabaw. b) Ang malaking dami ng pagsipsip ay bumubuo ng isang mabilis na lumalawak na plasma (lubos na ionized na hindi matatag na gas) at bumubuo ng isang impact wave. c) Ang impact wave ay nagiging sanhi ng pagkapira-piraso at pag-alis ng mga pollutant. d) Ang lapad ng pulso ng light pulse ay dapat sapat na maikli upang maiwasan ang thermal accumulation na maaaring makapinsala sa ginamot na ibabaw. e) Ipinakita ng mga eksperimento na kapag may mga oxide sa ibabaw ng metal, ang plasma ay nalilikha sa ibabaw ng metal. Ang plasma ay nabubuo lamang kapag ang densidad ng enerhiya ay lumampas sa threshold, na nakadepende sa tinanggal na layer ng kontaminasyon o layer ng oxide. Ang epekto ng threshold na ito ay napakahalaga para sa epektibong paglilinis habang tinitiyak ang kaligtasan ng materyal ng substrate. Ang hitsura ng plasma ay mayroon ding pangalawang threshold. Kung ang densidad ng enerhiya ay lumampas sa threshold na ito, ang materyal ng substrate ay masisira. Upang maisagawa ang epektibong paglilinis habang tinitiyak ang kaligtasan ng materyal ng substrate, ang mga parameter ng laser ay dapat isaayos ayon sa sitwasyon upang matiyak na ang densidad ng enerhiya ng light pulse ay mahigpit na nasa pagitan ng dalawang threshold. Noong 2001, ginamit nina JM Lee et al. ang katangian na ang mga high-power laser ay gumagawa ng mga plasma shock wave kapag naka-focus, at gumamit ng pulse laser na may densidad ng enerhiya na 2.0 J/cm2 (mas mataas kaysa sa damage threshold ng mga silicon wafer) upang mag-irradiate parallel sa silicon wafer, na matagumpay na nililinis ang 1 μm na mga particle ng tungsten na na-adsorb sa ibabaw ng silicon wafer. Ang pamamaraan ng paglilinis na ito ay tinatawag na laser plasma shock wave cleaning, at sa mahigpit na pagsasalita, ang laser plasma shock wave cleaning ay isang uri ng dry laser cleaning. Ang orihinal na layunin ng tatlong teknolohiyang ito sa paglilinis ng laser ay linisin ang maliliit na partikulo sa ibabaw ng mga semiconductor wafer. Masasabing umusbong ang teknolohiyang paglilinis ng laser kasabay ng pag-unlad ng teknolohiyang semiconductor. Gayunpaman, ang teknolohiyang paglilinis ng laser ay patuloy na inilalapat sa iba pang mga larangan, tulad ng paglilinis ng amag ng gulong, pag-alis ng pintura mula sa balat ng eroplano, at pagpapanumbalik ng ibabaw ng artifact. Habang nasa ilalim ng radyasyon ng laser, ang inert gas ay maaaring hipan papunta sa ibabaw ng substrate. Kapag ang mga kontaminante ay natanggal mula sa ibabaw, agad itong ilipad ng gas palabas ng ibabaw upang maiwasan ang muling polusyon at oksihenasyon ng ibabaw.

Angaplikasyon ng teknolohiya sa paglilinis ng laser

1) Sa larangan ng semiconductor, ang paglilinis ng mga semiconductor wafer at optical substrate ay may parehong proseso, na siyang pagproseso ng mga hilaw na materyales sa mga kinakailangang hugis sa pamamagitan ng pagputol, paggiling, at iba pa. Sa prosesong ito, ang mga particulate contaminant ay ipinapasok, na mahirap tanggalin at nagdudulot ng matinding paulit-ulit na problema sa kontaminasyon. Ang mga contaminant sa ibabaw ng mga semiconductor wafer ay maaaring makaapekto sa kalidad ng pag-print ng circuit board, sa gayon ay nagpapaikli sa buhay ng mga semiconductor chip. Ang mga contaminant sa ibabaw ng mga optical substrate ay maaaring makaapekto sa kalidad ng mga optical device at coating, at maaaring humantong sa hindi pantay na distribusyon ng enerhiya, na nagpapaikli sa buhay. Dahil ang laser dry cleaning ay madaling magdulot ng pinsala sa ibabaw ng substrate, ang pamamaraan ng paglilinis na ito ay hindi gaanong ginagamit sa paglilinis ng mga semiconductor wafer at optical substrate. Ang laser wet cleaning at laser plasma shock wave cleaning ay may mas matagumpay na aplikasyon sa larangang ito. Pinag-aralan nina Xu Chuanyi et al. ang deposition ng micro-scale special magnetic paint sa ibabaw ng ultra-smooth optical substrates bilang dielectric film, at pagkatapos ay gumamit ng pulsed laser para sa paglilinis. Maganda ang epekto ng paglilinis, bagama't tumaas ang bilang ng mga particle ng dumi sa bawat unit area, ang laki at sakop na lugar ng mga particle ng dumi ay lubhang nabawasan. Ang pamamaraang ito ay epektibong nakakapaglinis ng mga micro-scale na particle ng dumi sa ibabaw ng ultra-smooth optical substrates. Pinag-aralan ni Zhang Ping ang impluwensya ng working distance at enerhiya ng laser sa epekto ng paglilinis ng iba't ibang laki ng particle contaminants sa teknolohiya ng paglilinis ng laser plasma. Ipinakita ng mga resulta ng eksperimento na para sa mga particle ng polystyrene sa mga conductive glass substrates, ang pinakamainam na working distance para sa enerhiya na 240 mJ ay 1.90 mm. Habang tumataas ang enerhiya ng laser, ang epekto ng paglilinis ay bumuti nang malaki, at ang mga contaminant sa malalaking particle ay mas madaling linisin.

2) Sa larangan ng materyal na metal, ang paglilinis ng mga ibabaw ng materyal na metal ay naiiba sa paglilinis ng mga semiconductor wafer at optical substrate. Ang mga kontaminadong lilinisin ay kabilang sa kategoryang makroskopiko. Ang mga kontaminante sa ibabaw ng mga materyales na metal ay pangunahing kinabibilangan ng oxide layer (rust layer), paint layer, coating, at iba pang mga kalakip, at maaaring uriin sa mga organikong kontaminante (tulad ng paint layer, coating) at inorganic contaminants (tulad ng rust layer). Ang paglilinis ng mga kontaminante sa ibabaw ng materyal na metal ay pangunahing upang matugunan ang mga kinakailangan ng kasunod na pagproseso o paggamit, tulad ng pag-alis ng humigit-kumulang 10 μm ng oxide layer mula sa ibabaw ng mga bahagi ng titanium alloy bago magwelding, pag-alis ng orihinal na patong ng pintura sa ibabaw ng balat habang nagkukumpuni ng sasakyang panghimpapawid upang mapadali ang muling pag-spray, at regular na paglilinis ng mga particle ng goma na nakakabit sa hulmahan ng gulong ng goma upang matiyak ang kalinisan ng ibabaw at ang kalidad at habang-buhay ng hulmahan. Ang threshold ng pinsala ng mga materyales na metal ay mas mataas kaysa sa threshold ng paglilinis ng laser ng kanilang mga kontaminante sa ibabaw. Sa pamamagitan ng pagpili ng angkop na power laser, makakamit ang mas mahusay na epekto ng paglilinis. Ang teknolohiyang ito ay lubos na nailapat sa ilang larangan. Wang Lihua et al. Pinag-aralan ang aplikasyon ng teknolohiya sa paglilinis ng laser sa paggamot ng mga balat ng oxide sa mga ibabaw ng mga aluminum alloy at titanium alloy. Ipinakita ng mga resulta ng pananaliksik na ang paggamit ng laser na may energy density na 5.1 J/cm2 ay maaaring linisin ang oxide layer sa ibabaw ng A5083-111H aluminum alloy habang pinapanatili ang magandang kalidad ng substrate, at ang paggamit ng pulsed laser na may average na power na 100 W sa isang scanning na paraan ay maaaring epektibong linisin ang oxide layer sa ibabaw ng mga titanium alloy at mapabuti ang katigasan ng ibabaw ng materyal. Ang mga lokal na kumpanya tulad ng Ruike Laser, Daqu Laser, at Shenzhen Chuangxin ay nakabuo ng mga kagamitan sa paglilinis ng laser na malawakang ginagamit para sa paglilinis ng mga hulmahan ng goma tulad ng mga gulong, mga layer ng kalawang ng metal, at mga mantsa ng langis sa ibabaw ng mga bahagi.

3) Sa larangan ng mga relikyang pangkultura, ang paglilinis ng mga relikyang metal at bato at mga ibabaw ng papel ay kinakailangan upang maalis ang mga kontaminante tulad ng dumi at mga mantsa ng tinta na lumilitaw sa kanilang mga ibabaw dahil sa kanilang mahabang kasaysayan. Ang mga kontaminadong ito ay kailangang alisin upang maibalik ang mga relikya. Para sa mga gawaing papel tulad ng kaligrapiya at mga pinta, kapag hindi wastong naimbak, ang amag ay tumutubo sa kanilang mga ibabaw at bumubuo ng mga mantsa. Ang mga mantsang ito ay seryosong nakakaapekto sa orihinal na anyo ng papel, lalo na para sa papel na may mataas na kultural o makasaysayang halaga, na makakaapekto sa pagpapahalaga at proteksyon nito. Pinag-aralan nina Zhao Ying et al. ang posibilidad ng paggamit ng ultraviolet laser upang linisin ang mga mantsa ng amag sa mga balumbon ng papel. Ipinakita ng mga resulta ng eksperimento na ang paggamit ng laser na may energy density na 3.2 J/mm2 para sa pag-scan nang isang beses ay maaaring mag-alis ng mga manipis na mantsa, at ang pag-scan nang dalawang beses ay maaaring ganap na mag-alis ng mga mantsa. Gayunpaman, kung ang enerhiya ng laser na ginamit ay masyadong mataas, masisira nito ang balumbon ng papel habang tinatanggal ang mga mantsa. Matagumpay na naibalik nina Zhang Xiaotong et al. ang isang ginintuang bronseng relikya gamit ang laser vertical irradiation liquid film method. Zhang Licheng et al. Gumamit ng teknolohiya sa paglilinis ng laser sa pagpapanumbalik ng isang pininturahang babaeng pottery figurine noong Dinastiyang Han. Pinag-aralan nina Yuan Xiaodong at iba pa ang epekto ng teknolohiya sa paglilinis ng laser sa paglilinis ng mga labi ng bato at inihambing ang pinsala sa katawan ng sandstone bago at pagkatapos ng paglilinis, pati na rin ang mga epekto sa paglilinis ng mga mantsa ng tinta, polusyon sa usok, at polusyon sa pintura.

Konklusyon: Ang teknolohiya sa paglilinis ng laser ay isang medyo advanced na pamamaraan, na may malawak na pananaliksik at mga prospect ng aplikasyon sa mga larangang may mataas na katumpakan tulad ng aerospace, kagamitang militar, at electronic at electrical engineering. Sa kasalukuyan, ang teknolohiya sa paglilinis ng laser ay matagumpay na nailapat sa ilang mga lugar, salamat sa mahusay, environment-friendly, at mahusay na pagganap sa paglilinis. Ang mga saklaw ng aplikasyon nito ay unti-unting lumalawak. Ang pag-unlad ng teknolohiya sa paglilinis ng laser ay hindi lamang lubos na nailapat sa mga lugar tulad ng pag-alis ng pintura at pag-alis ng kalawang, kundi pati na rin ang mga ulat ng paggamit ng laser upang linisin ang oxide layer sa mga metal wire nitong mga nakaraang taon. Ang paglawak ng mga umiiral na larangan ng aplikasyon at ang pag-unlad ng mga bagong larangan ang pundasyon ng pag-unlad ng teknolohiya sa paglilinis ng laser. Ang pananaliksik at pag-unlad ng mga bagong kagamitan sa paglilinis ng laser at ang pag-unlad ng mga bagong kagamitan sa paglilinis ng laser ay magpapakita ng pagkakaiba-iba, na magreresulta sa iba't ibang mga function. Sa hinaharap, makakamit din ang ganap na awtomatikong paglilinis ng laser sa pamamagitan ng pakikipagtulungan sa mga industrial robot. Ang trend ng pag-unlad ng teknolohiya sa paglilinis ng laser ay ang mga sumusunod:

(1) Pagpapalakas ng pananaliksik sa teorya ng paglilinis ng laser upang gabayan ang aplikasyon ng teknolohiya ng paglilinis ng laser. Matapos suriin ang maraming dokumento, natuklasan na walang ganap na teoretikal na sistema na sumusuporta sa teknolohiya ng paglilinis ng laser, at karamihan sa mga pag-aaral ay batay sa mga eksperimento. Ang pagtatatag ng isang teoretikal na sistema ng paglilinis ng laser ang pundasyon para sa karagdagang pag-unlad at kapanahunan ng teknolohiya ng paglilinis ng laser.

(2) Pagpapalawak ng mga umiiral na larangan ng aplikasyon at mga bagong larangan ng aplikasyon. Ang teknolohiya ng paglilinis ng laser ay matagumpay na nailapat sa mga larangan tulad ng pag-alis ng pintura at kalawang, at may mga ulat ng paggamit ng laser upang linisin ang layer ng oksido sa mga alambreng metal nitong mga nakaraang taon. Ang pagpapalawak ng mga umiiral na larangan ng aplikasyon at ang pag-unlad ng mga bagong larangan ay matabang lupa para sa pag-unlad ng teknolohiya ng paglilinis ng laser.

(3) Pananaliksik at pagpapaunlad ng mga bagong kagamitan sa paglilinis gamit ang laser. Ang pagpapaunlad ng mga bagong kagamitan sa paglilinis gamit ang laser ay magpapakita ng pagkakaiba. Ang isang uri ay kagamitan na may tiyak na unibersalidad na sumasaklaw sa maraming larangan ng aplikasyon, tulad ng isang aparato ay maaaring sabay na makamit ang mga tungkulin sa pag-alis ng pintura at pag-alis ng kalawang. Ang isa pang uri ay mga espesyal na kagamitan para sa mga partikular na pangangailangan, tulad ng pagdidisenyo ng mga partikular na fixture o optical fiber upang makamit ang tungkulin para sa paglilinis ng mga pollutant sa maliliit na espasyo. Sa pamamagitan ng pakikipagtulungan sa mga industrial robot, ang ganap na awtomatikong paglilinis gamit ang laser ay isa ring popular na direksyon ng aplikasyon.