O principio, os tipos e as aplicacións da tecnoloxía de limpeza láser

O principio, os tipos e as aplicacións delimpeza lásertecnoloxía

A tecnoloxía de limpeza láser é unha aplicación exitosa da tecnoloxía láser no campo da enxeñaría. O seu principio básico é utilizar a alta densidade de enerxía do láser para interactuar cos contaminantes adheridos ao substrato da peza de traballo, facendo que se separen do substrato en forma de expansión térmica instantánea, fusión e evaporación de gas. A tecnoloxía de limpeza láser caracterízase pola súa alta eficiencia, respecto polo medio ambiente e aforro de enerxía. Aplicouse con éxito en campos como a limpeza de moldes de pneumáticos, a eliminación de pintura de carrozarías de aeronaves e a restauración de reliquias culturais.

As tecnoloxías de limpeza tradicionais inclúenlimpeza por fricción mecánica(limpeza con chorro de area, limpeza con chorro de auga a alta presión, etc.), limpeza por corrosión química, limpeza por ultrasóns, limpeza con xeo seco, etc. Estas tecnoloxías de limpeza foron amplamente utilizadas en diversas industrias. Por exemplo, a limpeza con chorro de area pode eliminar manchas de ferruxe metálica, rebabas superficiais metálicas e verniz triplo en placas de circuítos seleccionando abrasivos de diferente dureza. A tecnoloxía de limpeza por corrosión química úsase amplamente na limpeza de manchas de aceite nas superficies dos equipos, incrustacións en caldeiras e oleodutos. Aínda que estas tecnoloxías de limpeza foron ben desenvolvidas, aínda presentan algúns problemas. Por exemplo, a limpeza con chorro de area pode causar facilmente danos na superficie tratada e a limpeza por corrosión química pode causar contaminación ambiental e corrosión da superficie limpa se non se manexa correctamente. A aparición da tecnoloxía de limpeza láser representa unha revolución na tecnoloxía de limpeza. Aproveita a alta densidade de enerxía, a alta precisión e a transmisión eficiente da enerxía láser e ten vantaxes obvias sobre as tecnoloxías de limpeza tradicionais en termos de eficiencia de limpeza, precisión de limpeza e localización de limpeza. Pode evitar eficazmente a contaminación ambiental causada pola limpeza por corrosión química e outras tecnoloxías de limpeza e non causará danos ao substrato.

O/Aprincipio da limpeza láser

Entón, que é a limpeza láser? A limpeza láser é un proceso no que se usa un raio láser para eliminar material da superficie dun sólido (ou ás veces dun líquido). A baixo fluxo láser, o material quéntase pola enerxía láser absorbida e evapórase ou sublima. A alto fluxo láser, o material adoita converterse en plasma. Normalmente, a limpeza láser refírese á eliminación de material mediante láseres pulsados, pero se a intensidade do láser é o suficientemente alta, pódese usar un raio láser de onda continua para ablacionar o material. O láser excímero de luz ultravioleta profunda úsase principalmente para a ablación óptica. A lonxitude de onda do láser utilizada para a ablación óptica é de aproximadamente 200 nm. A profundidade de absorción da enerxía láser e a cantidade de material eliminado por un só pulso láser dependen das propiedades ópticas do material, así como da lonxitude de onda do láser e da lonxitude do pulso. A masa total ablacionada do obxectivo por cada pulso láser adoita denominarse taxa de ablación. A velocidade de dixitalización do raio láser e a cobertura da liña de dixitalización, etc., afectarán significativamente o proceso de ablación.

Tipos de tecnoloxía de limpeza láser

1) Limpeza en seco con láser: A limpeza en seco con láser refírese á irradiación directa da peza de traballo a limpar mediante láser pulsado, o que fai que a base ou os contaminantes da superficie absorban enerxía e aumenten a temperatura, o que resulta nunha expansión térmica ou vibración térmica da base, separándoas así. Este método pódese dividir aproximadamente en dúas situacións: unha é que os contaminantes da superficie absorben a enerxía do láser e se expanden; a outra é que a base absorbe a enerxía do láser e xera vibración térmica. En 1969, SM Bedair et al. descubriron que varios métodos de tratamento superficial, como o tratamento térmico, a corrosión química e a limpeza con chorro de area, teñen diferentes inconvenientes. Ao mesmo tempo, a alta densidade de enerxía despois do enfoque láser pode facer posible o fenómeno da evaporación da superficie do material, o que permite a posibilidade dunha limpeza non destrutiva da superficie do material. A través de experimentos, descubriuse que o uso dun láser de conmutación Q de rubí cunha densidade de potencia de 30 MW/cm2 pode lograr a limpeza de contaminantes da superficie do material de silicio sen danar a base e, por primeira vez, realizouse a limpeza en seco con láser de contaminantes da superficie do material. A taxa global pódese expresar pola taxa de desprendemento dos fragmentos da capa de película, do seguinte xeito:

Na fórmula, ε representa o índice de enerxía do pulso láser, h representa o índice de grosor da capa de película contaminante e E representa o índice de módulo elástico da capa de película.

2) Limpeza húmida con láser: Antes de expoñer a peza a limpar ao láser pulsado, aplícase unha película líquida de pre-revestimento superficial. Baixo a acción do láser, a temperatura da película líquida aumenta rapidamente e vaporízase. No momento da vaporización, xérase unha onda de impacto que actúa sobre as partículas contaminantes e fai que se desprendan do substrato. Este método require que o substrato e a película líquida non reaccionen entre si, o que limita a gama de materiais aplicables. En 1991, K. Imen et al. abordaron o problema dos contaminantes residuais de partículas submicrónicas nas superficies de obleas semicondutoras e materiais metálicos despois de empregar métodos de limpeza tradicionais, e estudaron a aplicación do revestimento dunha película na superficie do substrato material que pode absorber eficientemente a enerxía láser. Posteriormente, usando un láser de CO2, a película absorbía a enerxía láser e aumentaba rapidamente a súa temperatura e fervía, xerando unha vaporización explosiva, que eliminaba os contaminantes da superficie do substrato. Este método de limpeza chámase limpeza húmida con láser.

3) Limpeza por ondas de choque de plasma láser: As ondas de choque de plasma láser xéranse cando o láser irradia o medio de aire e provoca a formación dunha onda de choque de plasma esférica. A onda de choque actúa sobre a superficie da peza a limpar e libera enerxía para eliminar os contaminantes. O láser non actúa sobre o substrato, polo que non causa danos ao substrato. A tecnoloxía de limpeza por ondas de choque de plasma láser agora pode limpar partículas con diámetros de varias decenas de nanómetros e non hai restricións na lonxitude de onda do láser. O principio físico da limpeza por plasma pódese resumir do seguinte xeito: a) O raio láser emitido polo láser é absorbido pola capa de contaminación na superficie tratada. b) A gran cantidade de absorción forma un plasma de rápida expansión (gas inestable altamente ionizado) e xera unha onda de impacto. c) A onda de impacto fai que os contaminantes se fragmenten e sexan eliminados. d) O ancho do pulso do pulso de luz debe ser o suficientemente curto para evitar a acumulación térmica que podería danar a superficie tratada. e) Os experimentos demostraron que cando hai óxidos na superficie do metal, xérase plasma na superficie do metal. O plasma só se xera cando a densidade de enerxía supera o limiar, que depende da capa de contaminación ou capa de óxido eliminada. Este efecto de limiar é moi importante para unha limpeza eficaz e, ao mesmo tempo, garantir a seguridade do material do substrato. A aparencia do plasma tamén ten un segundo limiar. Se a densidade de enerxía supera este limiar, o material do substrato resultará danado. Para realizar unha limpeza eficaz e, ao mesmo tempo, garantir a seguridade do material do substrato, os parámetros do láser deben axustarse segundo a situación para garantir que a densidade de enerxía do pulso de luz estea estritamente entre os dous limiares. En 2001, JM Lee et al. utilizaron a característica de que os láseres de alta potencia producen ondas de choque de plasma cando se enfocan e utilizaron un láser de pulso cunha densidade de enerxía de 2,0 J/cm2 (moito máis alta que o limiar de dano das obleas de silicio) para irradiar paralelamente á oblea de silicio, limpando con éxito partículas de tungsteno de 1 μm adsorbidas na superficie da oblea de silicio. Este método de limpeza chámase limpeza por ondas de choque de plasma láser e, en rigor, a limpeza por ondas de choque de plasma láser é un tipo de limpeza por láser seco. O propósito orixinal destas tres tecnoloxías de limpeza láser era limpar as pequenas partículas da superficie das obleas de semicondutores. Pódese dicir que a tecnoloxía de limpeza láser xurdiu co desenvolvemento da tecnoloxía de semicondutores. Non obstante, a tecnoloxía de limpeza láser aplicouse continuamente a outros campos, como a limpeza de moldes de pneumáticos, a eliminación de pintura de peles de aeronaves e a restauración de superficies de artefactos. Mentres está baixo radiación láser, pódese soprar gas inerte sobre a superficie do substrato. Cando os contaminantes se desprenden da superficie, o gas sopraraos inmediatamente da superficie para evitar a repolución e a oxidación da superficie.

O/Aaplicación da tecnoloxía de limpeza láser

1) No campo dos semicondutores, a limpeza de obleas semicondutoras e substratos ópticos implica o mesmo proceso, que consiste en procesar as materias primas nas formas requiridas mediante corte, moenda, etc. Durante este proceso, introdúcense contaminantes particulados, que son difíciles de eliminar e causan graves problemas de contaminación repetida. Os contaminantes na superficie das obleas semicondutoras poden afectar a calidade da impresión das placas de circuíto, acurtando así a vida útil dos chips semicondutores. Os contaminantes na superficie dos substratos ópticos poden afectar a calidade dos dispositivos e revestimentos ópticos e poden levar a unha distribución desigual da enerxía, acurtando a vida útil. Dado que a limpeza en seco con láser é propensa a causar danos na superficie do substrato, este método de limpeza úsase menos na limpeza de obleas semicondutoras e substratos ópticos. A limpeza húmida con láser e a limpeza por ondas de choque de plasma láser teñen aplicacións máis exitosas neste campo. Xu Chuanyi et al. estudaron a deposición de pintura magnética especial a microescala na superficie de substratos ópticos ultrasuaves como unha película dieléctrica e, a continuación, utilizaron un láser pulsado para a limpeza. O efecto de limpeza foi bo, aínda que o número de partículas de impureza por unidade de área aumentou, o tamaño e a área de cobertura das partículas de impureza reducíronse significativamente. Este método pode limpar eficazmente as partículas de impureza a microescala na superficie de substratos ópticos ultralisos. Zhang Ping estudou a influencia da distancia de traballo e a enerxía láser no efecto de limpeza de contaminantes de diferentes tamaños de partícula na tecnoloxía de limpeza por plasma láser. Os resultados experimentais mostraron que para partículas de poliestireno en substratos de vidro condutor, a distancia de traballo óptima para unha enerxía de 240 mJ foi de 1,90 mm. A medida que a enerxía láser aumentou, o efecto de limpeza mellorou significativamente e os contaminantes de partículas grandes foron máis fáciles de limpar.

2) No campo dos materiais metálicos, a limpeza das superficies dos materiais metálicos é diferente da limpeza das obleas de semicondutores e dos substratos ópticos. Os contaminantes que se deben limpar pertencen á categoría macroscópica. Os contaminantes na superficie dos materiais metálicos inclúen principalmente a capa de óxido (capa de ferruxe), a capa de pintura, o revestimento e outros accesorios, e pódense clasificar en contaminantes orgánicos (como a capa de pintura, o revestimento) e contaminantes inorgánicos (como a capa de ferruxe). A limpeza dos contaminantes da superficie dos materiais metálicos ten como obxectivo principalmente cumprir os requisitos do procesamento ou uso posterior, como a eliminación duns 10 μm de capa de óxido da superficie das pezas de aliaxe de titanio antes da soldadura, a eliminación do revestimento de pintura orixinal na superficie da pel durante as reparacións importantes das aeronaves para facilitar a reaplicación e a limpeza regular das partículas de goma adheridas ao molde de pneumáticos de goma para garantir a limpeza da superficie e a calidade e a vida útil do molde. O limiar de dano dos materiais metálicos é maior que o limiar de limpeza láser dos seus contaminantes superficiais. Ao seleccionar un láser de potencia axeitado, pódese conseguir un mellor efecto de limpeza. Esta tecnoloxía aplicouse con madurez nalgúns campos. Wang Lihua et al. estudou a aplicación da tecnoloxía de limpeza láser no tratamento de peles de óxido nas superficies de aliaxes de aluminio e aliaxes de titanio. Os resultados da investigación mostraron que o uso dun láser cunha densidade de enerxía de 5,1 J/cm2 podería limpar a capa de óxido na superficie da aliaxe de aluminio A5083-111H mantendo a boa calidade do substrato, e o uso dun láser pulsado cunha potencia media de 100 W de forma de dixitalización podería limpar eficazmente a capa de óxido na superficie das aliaxes de titanio e mellorar a dureza da superficie do material. Empresas nacionais como Ruike Laser, Daqu Laser e Shenzhen Chuangxin desenvolveron equipos de limpeza láser que se utilizaron amplamente para limpar moldes de goma como pneumáticos, capas de ferruxe metálica e manchas de aceite na superficie dos compoñentes.

3) No campo das reliquias culturais, a limpeza de reliquias de metal e pedra e superficies de papel é necesaria para eliminar contaminantes como a sucidade e as manchas de tinta que aparecen nas súas superficies debido á súa longa historia. Estes contaminantes deben eliminarse para restaurar as reliquias. No caso de obras de papel como a caligrafía e as pinturas, cando se almacenan incorrectamente, crece mofo nas súas superficies e forma manchas. Estas manchas afectan gravemente o aspecto orixinal do papel, especialmente no caso do papel con alto valor cultural ou histórico, o que afectará á súa apreciación e protección. Zhao Ying et al. estudaron a viabilidade de usar láser ultravioleta para limpar manchas de mofo en rolos de papel. Os resultados experimentais demostraron que usar un láser cunha densidade de enerxía de 3,2 J/mm2 para escanear unha vez podería eliminar manchas finas, e escanear dúas veces podería eliminar completamente as manchas. Non obstante, se a enerxía láser utilizada é demasiado alta, danará o rolo de papel mentres se eliminan as manchas. Zhang Xiaotong et al. restauraron con éxito unha reliquia de bronce dourado usando o método de película líquida de irradiación vertical con láser. Zhang Licheng et al. utilizaron tecnoloxía de limpeza láser na restauración dunha figura feminina de cerámica pintada da dinastía Han. Yuan Xiaodong et al. estudou o efecto da tecnoloxía de limpeza láser na limpeza de reliquias de pedra e comparou os danos ao corpo de arenito antes e despois da limpeza, así como os efectos de limpeza das manchas de tinta, a contaminación por fume e a contaminación por pintura.

Conclusión: A tecnoloxía de limpeza láser é unha técnica relativamente avanzada, con amplas perspectivas de investigación e aplicación en campos de alta precisión como a industria aeroespacial, os equipos militares e a enxeñaría electrónica e eléctrica. Actualmente, a tecnoloxía de limpeza láser aplicouse con éxito nalgunhas áreas, grazas ao seu rendemento de limpeza eficiente, respectuoso co medio ambiente e excelente. As súas áreas de aplicación están a expandirse gradualmente. O desenvolvemento da tecnoloxía de limpeza láser non só se aplicou con madurez en áreas como a eliminación de pintura e a eliminación de ferruxe, senón que tamén houbo informes do uso do láser para limpar a capa de óxido en fíos metálicos nos últimos anos. A expansión dos campos de aplicación existentes e o desenvolvemento de novos campos son a base do desenvolvemento da tecnoloxía de limpeza láser. A investigación e o desenvolvemento de novos equipos de limpeza láser e o desenvolvemento de novos equipos de limpeza láser mostrarán diferenciación, dando lugar a varias funcións. No futuro, tamén é posible lograr unha limpeza láser totalmente automática mediante a cooperación con robots industriais. A tendencia de desenvolvemento da tecnoloxía de limpeza láser é a seguinte:

(1) Fortalecer a investigación sobre a teoría da limpeza láser para guiar a aplicación da tecnoloxía de limpeza láser. Tras revisar un gran número de documentos, comprobouse que non existe un sistema teórico maduro que apoie a tecnoloxía de limpeza láser, e a maioría dos estudos baséanse en experimentos. O establecemento dun sistema teórico de limpeza láser é a base para un maior desenvolvemento e madurez da tecnoloxía de limpeza láser.

(2) Expansión dos campos de aplicación existentes e novos campos de aplicación. A tecnoloxía de limpeza láser aplicouse con éxito en áreas como a eliminación de pintura e a eliminación de ferruxe, e nos últimos anos houbo informes do uso do láser para limpar a capa de óxido en fíos metálicos. A expansión dos campos de aplicación existentes e o desenvolvemento de novos campos son un terreo fértil para o desenvolvemento da tecnoloxía de limpeza láser.

(3) Investigación e desenvolvemento de novos equipos de limpeza láser. O desenvolvemento de novos equipos de limpeza láser mostrará diferenciación. Un tipo son equipos con certa universalidade que abarcan múltiples campos de aplicación, como un dispositivo que pode lograr simultaneamente funcións de eliminación de pintura e eliminación de ferruxe. O outro tipo son equipos especializados para necesidades específicas, como o deseño de accesorios ou fibras ópticas específicos para lograr a función de limpar contaminantes en espazos pequenos. Mediante a cooperación con robots industriais, a limpeza láser totalmente automática tamén é unha dirección de aplicación popular.