Прынцып, віды і прымяненнелазерная чысткатэхналогіі
Тэхналогія лазернай ачысткі — гэта паспяховае прымяненне лазернай тэхналогіі ў галіне машынабудавання. Яе асноўны прынцып заключаецца ў выкарыстанні высокай шчыльнасці энергіі лазера для ўзаемадзеяння з забруджваннямі, якія прыліпаюць да падкладкі апрацоўванай дэталі, што прыводзіць да іх аддзялення ад падкладкі ў выглядзе імгненнага цеплавога пашырэння, плаўлення і выпарэння газу. Тэхналогія лазернай ачысткі характарызуецца высокай эфектыўнасцю, экалагічнасцю і энергазберажэннем. Яна паспяхова ўжываецца ў такіх галінах, як ачыстка шынных формаў, выдаленне фарбы з кузаваў самалётаў і рэстаўрацыя культурных рэліквій.
Традыцыйныя тэхналогіі ўборкі ўключаюцьмеханічная ачыстка трэннем(пяскоструйная ачыстка, ачыстка вадой пад высокім ціскам і г.д.), хімічная ачыстка ад карозіі, ультрагукавая ачыстка, ачыстка сухім лёдам і г.д. Гэтыя тэхналогіі ачысткі шырока выкарыстоўваюцца ў розных галінах прамысловасці. Напрыклад, пяскоструйная ачыстка можа выдаліць плямы іржы на метале, задзірыны на метале і трохстойкі лак на друкаваных платах, выбіраючы абразівы рознай цвёрдасці. Тэхналогія хімічнай ачысткі ад карозіі шырока выкарыстоўваецца для ачысткі алейных плям на паверхнях абсталявання, накіпу ў катлах і нафтаправодах. Нягледзячы на тое, што гэтыя тэхналогіі ачысткі добра распрацаваны, яны ўсё яшчэ маюць некаторыя праблемы. Напрыклад, пяскоструйная ачыстка можа лёгка пашкодзіць апрацаваную паверхню, а хімічная ачыстка ад карозіі можа прывесці да забруджвання навакольнага асяроддзя і карозіі ачышчанай паверхні, калі з ёй не звяртацца належным чынам. З'яўленне тэхналогіі лазернай ачысткі ўяўляе сабой рэвалюцыю ў тэхналогіі ачысткі. Яна выкарыстоўвае высокую шчыльнасць энергіі, высокую дакладнасць і эфектыўную перадачу лазернай энергіі і мае відавочныя перавагі перад традыцыйнымі тэхналогіямі ачысткі з пункту гледжання эфектыўнасці ачысткі, дакладнасці ачысткі і месцазнаходжання ачысткі. Яна дазваляе эфектыўна пазбегнуць забруджвання навакольнага асяроддзя, выкліканага хімічнай ачысткай ад карозіі і іншымі тэхналогіямі ачысткі, і не пашкодзіць падкладку.
Дык што ж такое лазерная ачыстка? Лазерная ачыстка — гэта працэс, пры якім лазерны прамень выкарыстоўваецца для выдалення матэрыялу з паверхні цвёрдага цела (або часам вадкасці). Пры нізкім лазерным патоку матэрыял награваецца паглынутай лазернай энергіяй і выпараецца або сублімуецца. Пры высокім лазерным патоку матэрыял звычайна ператвараецца ў плазму. Звычайна лазерная ачыстка азначае выдаленне матэрыялу з дапамогай імпульсных лазераў, але калі інтэнсіўнасць лазера дастаткова высокая, для абляцыі матэрыялу можна выкарыстоўваць лазерны прамень бесперапыннай хвалі. Эксімерны лазер глыбокага ультрафіялетавага выпраменьвання ў асноўным выкарыстоўваецца для аптычнай абляцыі. Даўжыня хвалі лазера, якая выкарыстоўваецца для аптычнай абляцыі, складае прыблізна 200 нм. Глыбіня паглынання лазернай энергіі і колькасць матэрыялу, які выдаляецца адным лазерным імпульсам, залежаць ад аптычных уласцівасцей матэрыялу, а таксама ад даўжыні хвалі лазера і працягласці імпульсу. Агульная маса, якая выдаляецца з мішэні кожным лазерным імпульсам, звычайна называецца хуткасцю абляцыі. Хуткасць сканавання лазернага прамяня і пакрыццё лініі сканавання і г.д. будуць істотна ўплываць на працэс абляцыі.
Тыпы тэхналогій лазернай ачысткі
1) Лазерная хімчыстка: Сухая лазерная чыстка азначае непасрэднае апраменьванне ачышчанай дэталі імпульсным лазерам, што прыводзіць да паглынання энергіі асновай або паверхневых забруджванняў і павышэння тэмпературы, што прыводзіць да цеплавога пашырэння або цеплавой вібрацыі асновы, тым самым падзяляючы іх. Гэты метад можна ўмоўна падзяліць на дзве сітуацыі: адна заключаецца ў тым, што паверхневыя забруджванні паглынаюць лазерную энергію і пашыраюцца; другая заключаецца ў тым, што аснова паглынае лазерную энергію і генеруе цеплавую вібрацыю. У 1969 годзе С. М. Бедэр і інш. выявілі, што розныя метады апрацоўкі паверхні, такія як тэрмічная апрацоўка, хімічная карозія і пяскоструйная ачыстка, маюць розныя недахопы. У той жа час, высокая шчыльнасць энергіі пасля лазернай факусоўкі можа зрабіць магчымым выпарэнне паверхні матэрыялу, што дае магчымасць неразбуральнай ачысткі паверхні матэрыялу. У выніку эксперыментаў было ўстаноўлена, што выкарыстанне рубінавага лазера з модуляцыяй добрасці з шчыльнасцю магутнасці 30 МВт/см2 можа дасягнуць ачысткі паверхні крэмніевага матэрыялу ад забруджванняў без пашкоджання асновы, і ўпершыню была рэалізавана лазерная хімчыстка паверхні матэрыялу. Агульная хуткасць можа быць выражана хуткасцю аддзялення фрагментаў плёнкавага пласта наступным чынам:
У формуле ε абазначае энергетычны індэкс лазернага імпульсу, h — індэкс таўшчыні плёнкавага пласта забруджвальных рэчываў, а E — індэкс модуля пругкасці плёнкавага пласта.
2) Лазерная вільготная ачыстка: перад тым, як ачышчаемая дэталь падвяргаецца ўздзеянню імпульснага лазера, на паверхню наносіцца папярэдняе пакрыццё вадкай плёнкай. Пад уздзеяннем лазера тэмпература вадкай плёнкі хутка павышаецца, і яна выпараецца. У момант выпарэння генеруецца ўдарная хваля, якая ўздзейнічае на часціцы забруджвання і прымушае іх аддзяляцца ад падкладкі. Гэты метад патрабуе, каб падкладка і вадкая плёнка не рэагавалі адна з адной, што абмяжоўвае дыяпазон прыдатных матэрыялаў. У 1991 годзе К. Імен і інш. разгледзелі праблему рэшткаў забруджвальных часціц памерам субмікрон на паверхнях паўправадніковых пласцін і металічных матэрыялаў пасля выкарыстання традыцыйных метадаў ачысткі і вывучылі нанясенне на паверхню матэрыялу-падкладкі плёнкі, якая можа эфектыўна паглынаць лазерную энергію. Пасля гэтага, з дапамогай CO2-лазера, плёнка паглынала лазерную энергію, хутка павышалася тэмпература і закіпела, выклікаючы выбуховае выпарэнне, якое выдаляла забруджванні з паверхні падкладкі. Гэты метад ачысткі называецца лазернай вільготнай ачысткай.
3) Ачыстка лазернай плазмай ударнай хваляй: Лазерныя плазменныя ўдарныя хвалі генеруюцца, калі лазер апраменьвае паветранае асяроддзе і выклікае ўтварэнне сферычнай плазменнай ударнай хвалі. Ударная хваля ўздзейнічае на паверхню ачышчанай дэталі і вызваляе энергію для выдалення забруджвальных рэчываў. Лазер не ўздзейнічае на падкладку, такім чынам, не пашкоджваючы яе. Тэхналогія ачысткі лазернай плазмай ударнай хваляй цяпер можа ачышчаць часціцы дыяметрам у некалькі дзясяткаў нанаметраў, і няма абмежаванняў на даўжыню хвалі лазера. Фізічны прынцып плазменнай ачысткі можна коратка апісаць наступным чынам: а) Лазерны прамень, які выпраменьвае лазер, паглынаецца пластом забруджвання на апрацоўванай паверхні. б) Вялікая колькасць паглынання ўтварае хутка пашыральную плазму (высокаіянізаваны нестабільны газ) і генеруе ўдарную хвалю. в) Ударная хваля прымушае забруджвальныя рэчывы фрагментавацца і выдаляцца. г) Шырыня імпульсу светлавога імпульсу павінна быць дастаткова кароткай, каб пазбегнуць назапашвання цяпла, якое можа пашкодзіць апрацоўваную паверхню. д) Эксперыменты паказалі, што пры наяўнасці аксідаў на паверхні металу на ёй утвараецца плазма. Плазма генеруецца толькі тады, калі шчыльнасць энергіі перавышае парог, які залежыць ад выдаленага пласта забруджвання або пласта аксіду. Гэты парогавы эфект вельмі важны для эфектыўнай ачысткі пры адначасовым забеспячэнні бяспекі матэрыялу падкладкі. З'яўленне плазмы таксама мае другі парог. Калі шчыльнасць энергіі перавышае гэты парог, матэрыял падкладкі будзе пашкоджаны. Для эфектыўнай ачысткі пры адначасовым забеспячэнні бяспекі матэрыялу падкладкі параметры лазера неабходна карэктаваць у залежнасці ад сітуацыі, каб гарантаваць, што шчыльнасць энергіі светлавога імпульсу знаходзіцца строга паміж двума парогамі. У 2001 годзе Дж. М. Лі і інш. выкарысталі характарыстыку таго, што магутныя лазеры ствараюць плазменныя ўдарныя хвалі пры факусоўцы, і прымянілі імпульсны лазер са шчыльнасцю энергіі 2,0 Дж/см2 (значна вышэй за парог пашкоджання крэмніевых пласцін) для апраменьвання паралельна крэмніевай пласціне, паспяхова ачысціўшы часціцы вальфраму памерам 1 мкм, адсарбаваныя на паверхні крэмніевай пласціны. Гэты метад ачысткі называецца лазернай плазменнай ударнай хвалевай ачысткай, і, строга кажучы, лазерная плазменная ўдарная хвалевая ачыстка з'яўляецца тыпам сухой лазернай ачысткі. Першапачатковай мэтай гэтых трох тэхналогій лазернай ачысткі было ачышчэнне драбнюткіх часціц на паверхні паўправадніковых пласцін. Можна сказаць, што тэхналогія лазернай ачысткі з'явілася разам з развіццём паўправадніковых тэхналогій. Аднак тэхналогія лазернай ачысткі пастаянна ўжываецца ў іншых галінах, такіх як ачыстка шынных формаў, выдаленне фарбы з абшыўкі самалётаў і аднаўленне паверхні артэфактаў. Падчас уздзеяння лазернага выпраменьвання на паверхню падкладкі можа быць накіраваны інэртны газ. Калі забруджванні будуць выдалены з паверхні, яны будуць неадкладна выдалены газам, каб пазбегнуць паўторнага забруджвання і акіслення паверхні.
Гэтыпрымяненне тэхналогіі лазернай ачысткі
1) У паўправадніковай галіне ачыстка паўправадніковых пласцін і аптычных падкладак ўключае ў сябе адзін і той жа працэс, які заключаецца ў апрацоўцы сыравіны ў патрэбныя формы шляхам рэзкі, шліфоўкі і г.д. Падчас гэтага працэсу ўводзяцца часціцы забруджвання, якія цяжка выдаліць, і яны выклікаюць сур'ёзныя праблемы паўторнага забруджвання. Забруджванні на паверхні паўправадніковых пласцін могуць паўплываць на якасць друку друкаваных поплаткаў, тым самым скарачаючы тэрмін службы паўправадніковых чыпаў. Забруджванні на паверхні аптычных падкладак могуць паўплываць на якасць аптычных прылад і пакрыццяў і могуць прывесці да нераўнамернага размеркавання энергіі, скарачаючы тэрмін службы. Паколькі лазерная хімчыстка схільная пашкоджваць паверхню падкладкі, гэты метад ачысткі радзей выкарыстоўваецца пры ачыстцы паўправадніковых пласцін і аптычных падкладак. Лазерная вільготная ачыстка і лазерная плазменная ўдарная хваля маюць больш паспяховае прымяненне ў гэтай галіне. Сюй Чуаньі і інш. вывучалі нанясенне мікрамаштабнай спецыяльнай магнітнай фарбы на паверхню ультрагладкіх аптычных падкладак у выглядзе дыэлектрычнай плёнкі, а затым выкарысталі імпульсны лазер для ачысткі. Эфект ачысткі быў добрым, хоць колькасць часціц прымешак на адзінку плошчы павялічылася, памер і плошча пакрыцця часціц прымешак значна зменшыліся. Гэты метад дазваляе эфектыўна ачышчаць мікрачасціцы прымешак на паверхні ультрагладкіх аптычных падкладак. Чжан Пін вывучаў уплыў працоўнай адлегласці і энергіі лазера на эфект ачысткі забруджванняў рознага памеру часціц у тэхналогіі лазернай плазменнай ачысткі. Вынікі эксперыментаў паказалі, што для часціц полістыролу на падкладках з праводнага шкла аптымальная працоўная адлегласць для энергіі 240 мДж складала 1,90 мм. Па меры павелічэння энергіі лазера эфект ачысткі значна паляпшаўся, і забруджванні ў выглядзе буйных часціц лягчэй ачышчаліся.
2) У галіне металічных матэрыялаў ачыстка паверхняў металічных матэрыялаў адрозніваецца ад ачысткі паўправадніковых пласцін і аптычных падложак. Забруджванні, якія падлягаюць ачыстцы, адносяцца да макраскапічнай катэгорыі. Забруджванні на паверхні металічных матэрыялаў у асноўным ўключаюць аксідны пласт (пласт іржы), пласт фарбы, пакрыццё і іншыя прыналежнасці, і іх можна класіфікаваць на арганічныя забруджванні (напрыклад, пласт фарбы, пакрыццё) і неарганічныя забруджванні (напрыклад, пласт іржы). Ачыстка паверхневых забруджванняў металічных матэрыялаў у асноўным прызначана для задавальнення патрабаванняў наступнай апрацоўкі або выкарыстання, такіх як выдаленне каля 10 мкм аксіднага пласта з паверхні дэталяў з тытанавых сплаваў перад зваркай, выдаленне арыгінальнага лакафарбавага пакрыцця з паверхні абшыўкі падчас капітальнага рамонту самалёта для палягчэння паўторнага распылення і рэгулярная ачыстка гумовых часціц, прымацаваных да формы гумовай шыны, для забеспячэння чысціні паверхні, якасці і тэрміну службы формы. Парог пашкоджання металічных матэрыялаў вышэйшы, чым парог лазернай ачысткі іх паверхневых забруджванняў. Выбраўшы адпаведны магутны лазер, можна дасягнуць лепшага эфекту ачысткі. Гэтая тэхналогія ўжо даўно ўжываецца ў некаторых галінах. Ван Ліхуа і інш. вывучалі прымяненне тэхналогіі лазернай ачысткі пры апрацоўцы аксідных пакрыццяў на паверхнях алюмініевых і тытанавых сплаваў. Вынікі даследавання паказалі, што выкарыстанне лазера са шчыльнасцю энергіі 5,1 Дж/см2 дазваляе ачысціць аксідны пласт на паверхні алюмініевага сплаву A5083-111H, захоўваючы пры гэтым добрую якасць падкладкі, а выкарыстанне імпульснага лазера са сярэдняй магутнасцю 100 Вт у рэжыме сканавання дазваляе эфектыўна ачысціць аксідны пласт на паверхні тытанавых сплаваў і палепшыць цвёрдасць паверхні матэрыялу. Такія айчынныя кампаніі, як Ruike Laser, Daqu Laser і Shenzhen Chuangxin, распрацавалі абсталяванне для лазернай ачысткі, якое шырока выкарыстоўваецца для ачысткі гумовых формаў, такіх як шыны, пластоў металічнай іржы і алейных плям на паверхні кампанентаў.
3) У галіне культурных рэліквій неабходна ачысціць металічныя і каменныя рэліквіі, а таксама папяровыя паверхні для выдалення забруджванняў, такіх як бруд і плямы ад чарнілаў, якія з'яўляюцца на іх паверхнях з-за іх доўгай гісторыі. Гэтыя забруджванні неабходна выдаліць для аднаўлення рэліквій. Пры няправільным захоўванні папяровых вырабаў, такіх як каліграфія і карціны, на іх паверхнях расце цвіль, якая ўтварае плямы. Гэтыя плямы сур'ёзна ўплываюць на першапачатковы выгляд паперы, асабліва паперы з высокай культурнай або гістарычнай каштоўнасцю, што паўплывае на яе ацэнку і ахову. Чжао Ін і інш. вывучалі магчымасць выкарыстання ультрафіялетавага лазера для ачысткі плям ад цвілі на папяровых скрутках. Вынікі эксперыментаў паказалі, што выкарыстанне лазера з шчыльнасцю энергіі 3,2 Дж/мм2 для аднаразовага сканавання можа выдаліць тонкія плямы, а двухразовае сканаванне — цалкам выдаліць плямы. Аднак, калі выкарыстоўваецца занадта высокая энергія лазера, гэта пашкодзіць папяровы скрутак пры выдаленні плям. Чжан Сяатун і інш. паспяхова аднавілі пазалочаную бронзавую рэліквію з выкарыстаннем метаду вертыкальнага лазернага апрамянення з вадкаснай плёнкай. Чжан Лічэн і інш. выкарысталі тэхналогію лазернай ачысткі пры рэстаўрацыі размаляванай жаночай керамічнай фігуркі дынастыі Хань. Юань Сяадун і інш. вывучалі ўплыў тэхналогіі лазернай ачысткі пры ачыстцы каменных рэліквій і параўноўвалі пашкоджанні пясчанікавага цела да і пасля ачысткі, а таксама эфекты ачысткі ад плям ад чарнілаў, забруджвання дымам і забруджвання фарбай.
Выснова: Тэхналогія лазернай ачысткі — гэта адносна перадавая методыка з шырокімі перспектывамі даследаванняў і прымянення ў высокадакладных галінах, такіх як аэракасмічная прамысловасць, ваенная тэхніка, электроніка і электратэхніка. У цяперашні час тэхналогія лазернай ачысткі паспяхова ўжываецца ў некаторых галінах дзякуючы сваёй эфектыўнасці, экалагічнасці і выдатнай прадукцыйнасці ачысткі. Яе вобласці прымянення паступова пашыраюцца. Распрацоўка тэхналогіі лазернай ачысткі не толькі стала ўжывацца ў такіх галінах, як выдаленне фарбы і іржы, але і ў апошнія гады з'явіліся паведамленні аб выкарыстанні лазера для ачысткі аксіднага пласта на металічных дротах. Пашырэнне існуючых абласцей прымянення і распрацоўка новых абласцей з'яўляюцца асновай развіцця тэхналогіі лазернай ачысткі. Даследаванні і распрацоўкі новага абсталявання для лазернай ачысткі і распрацоўка новага абсталявання для лазернай ачысткі будуць дэманстраваць розныя функцыі. У будучыні таксама магчыма дасягненне цалкам аўтаматычнай лазернай ачысткі шляхам супрацоўніцтва з прамысловымі робатамі. Тэндэнцыя развіцця тэхналогіі лазернай ачысткі наступная:
(1) Пашырэнне даследаванняў тэорыі лазернай ачысткі для кіраўніцтва прымяненнем тэхналогіі лазернай ачысткі. Пасля разгляду вялікай колькасці дакументаў было ўстаноўлена, што не існуе сталай тэарэтычнай сістэмы, якая падтрымлівае тэхналогію лазернай ачысткі, і большасць даследаванняў заснаваны на эксперыментах. Стварэнне тэарэтычнай сістэмы лазернай ачысткі з'яўляецца асновай для далейшага развіцця і сталасці тэхналогіі лазернай ачысткі.
(2) Пашырэнне існуючых і новых абласцей прымянення. Тэхналогія лазернай ачысткі паспяхова ўжываецца ў такіх галінах, як выдаленне фарбы і іржы, і ў апошнія гады паступалі паведамленні аб выкарыстанні лазера для ачысткі аксіднага пласта на металічных дротах. Пашырэнне існуючых і распрацоўка новых абласцей прымянення з'яўляюцца ўрадлівай глебай для развіцця тэхналогіі лазернай ачысткі.
(3) Даследаванне і распрацоўка новага абсталявання для лазернай ачысткі. Распрацоўка новага абсталявання для лазернай ачысткі будзе адрознівацца. Адзін тып — гэта абсталяванне з пэўнай універсальнасцю, якое ахоплівае мноства абласцей прымянення, напрыклад, адна прылада можа адначасова выконваць функцыі выдалення фарбы і выдалення іржы. Другі тып — гэта спецыялізаванае абсталяванне для канкрэтных патрэб, напрыклад, распрацоўка спецыяльных прыстасаванняў або аптычных валокнаў для выканання функцыі ачысткі забруджвальных рэчываў у невялікіх памяшканнях. Дзякуючы супрацоўніцтву з прамысловымі робатамі, цалкам аўтаматычная лазерная ачыстка таксама з'яўляецца папулярным напрамкам прымянення.
Час публікацыі: 17 ліпеня 2025 г.
