فناوری تمیز کردن با لیزریک کاربرد موفق از فناوری لیزر در حوزه مهندسی است. اصل اساسی آن، بهرهگیری از چگالی انرژی بالای لیزرها برای ایجاد تعامل بین پرتوهای لیزر و آلایندههای چسبیده به زیرلایههای قطعه کار است. آلایندهها از طریق انبساط حرارتی آنی، ذوب، تبخیر گاز و سایر مکانیسمها از زیرلایهها جدا میشوند. فناوری تمیز کردن با لیزر با داشتن راندمان بالا، سازگاری با محیط زیست و صرفهجویی در انرژی، با موفقیت در تمیز کردن قالب تایر، حذف رنگ بدنه هواپیما، مرمت آثار فرهنگی و سایر زمینهها به کار گرفته شده است.
فناوریهای سنتی نظافت شامل نظافت اصطکاکی مکانیکی (سندبلاست، نظافت با جت آب پرفشار و غیره)، نظافت خوردگی شیمیایی، نظافت اولتراسونیک، نظافت یخ خشک و موارد دیگر میشود. این فناوریها به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان مثال، سندبلاست میتواند با انتخاب مواد ساینده با سختیهای مختلف، لکههای زنگ فلز، برادههای سطحی و پوششهای همشکل روی بردهای مدار را از بین ببرد. نظافت خوردگی شیمیایی به طور گسترده برای حذف رسوب روغن سطح تجهیزات، نظافت رسوب دیگ بخار و رفع گرفتگی خطوط لوله نفت مورد استفاده قرار میگیرد. روشهای سنتی در عین حال که بالغ هستند، دارای معایب قابل توجهی هستند: سندبلاست به راحتی به سطوح تصفیه شده آسیب میرساند و نظافت خوردگی شیمیایی باعث آلودگی محیط زیست میشود و در صورت عدم عملکرد صحیح ممکن است باعث خوردگی زیرلایهها شود. ظهور نظافت لیزری انقلابی در فناوری نظافت ایجاد میکند. با استفاده از چگالی انرژی بالا، دقت و انتقال کارآمد لیزر، نظافت لیزری از روشهای سنتی در راندمان نظافت، دقت و موقعیتیابی بهتر عمل میکند. این روش آلودگی محیطی ناشی از نظافت شیمیایی را از بین میبرد و هیچ آسیبی به زیرلایهها وارد نمیکند.
اصول تمیز کردن با لیزر
تمیز کردن لیزری دقیقاً چیست؟ این به فرآیند حذف مواد از سطوح جامد (یا گاهی اوقات مایع) از طریق تابش پرتو لیزر اشاره دارد. در شار لیزری کم، انرژی لیزر جذب شده مواد را گرم میکند و باعث تبخیر یا تصعید میشود. در شار لیزری بالا، مواد معمولاً به پلاسما تبدیل میشوند. تمیز کردن لیزری معمولاً از لیزرهای پالسی برای حذف مواد استفاده میکند، اگرچه پرتوهای لیزر موج پیوسته میتوانند مواد را با شدت کافی از بین ببرند. لیزرهای اگزایمر فرابنفش عمیق، با طول موج حدود 200 نانومتر، در درجه اول برای فوتوابلیشن استفاده میشوند.
عمقِانرژی لیزرمیزان جذب و مقدار ماده برداشته شده در هر پالس به خواص نوری ماده و همچنین طول موج لیزر و مدت زمان پالس بستگی دارد. کل جرم کنده شده از یک هدف در هر پالس به عنوان نرخ کنده شدن تعریف میشود. ویژگیهای تابش لیزر مانند سرعت اسکن و پوشش خط به طور قابل توجهی بر فرآیند کنده شدن تأثیر میگذارند.
انواع فناوری تمیز کردن با لیزر
۱) خشکشویی با لیزر
خشکشویی با لیزر شامل موارد زیر استتابش مستقیم لیزر پالسی به قطعات کار. آلایندهها یا زیرلایهها انرژی لیزر را جذب میکنند، دمای آنها را افزایش میدهند و باعث انبساط حرارتی یا ارتعاش حرارتی زیرلایه میشوند که آلایندهها را از زیرلایهها جدا میکند. این امر در دو سناریو رخ میدهد: یا آلایندههای سطحی انرژی لیزر را جذب کرده و منبسط میشوند، یا زیرلایهها انرژی را جذب کرده و به صورت حرارتی ارتعاش میکنند.
در سال ۱۹۶۹، اس. ام. بدایر و همکارانش دریافتند که عملیات سطحی مرسوم (عملیات حرارتی، خوردگی شیمیایی، سندبلاست) همگی محدودیتهایی دارند. آنها مشاهده کردند که چگالی انرژی بالای لیزرهای متمرکز میتواند مواد سطحی را بدون آسیب رساندن به زیرلایهها تبخیر کند. آزمایشها تأیید کردند که یک لیزر یاقوتی Q-switched با چگالی توان ۳۰ مگاوات بر سانتیمتر مربع میتواند آلودگیها را از سطوح سیلیکونی بدون آسیب به زیرلایه پاک کند و این اولین پیادهسازی خشکشویی لیزری بود.
نرخ کلی تمیز کردن را میتوان از طریق نرخ جدا شدن بقایای فیلم، همانطور که در زیر نشان داده شده است، بیان کرد:
(فرمول: ε—شاخص انرژی پالس لیزر؛ h—شاخص ضخامت لایه آلاینده؛ E—شاخص مدول الاستیک لایه)
۲) تمیز کردن مرطوب با لیزر
قبل از تابش لیزر پالسی، یک لایه مایع از قبل روی سطح قطعه کار پوشانده میشود. انرژی لیزر به سرعت لایه را گرم و تبخیر میکند و یک موج ضربهای آنی ایجاد میکند که ذرات آلاینده را از زیرلایه جدا میکند. این روش نیازی به واکنش شیمیایی بین زیرلایه و لایه مایع ندارد و مواد قابل استفاده آن را محدود میکند.
در سال ۱۹۹۱، کی. ایمن و همکارانش به بررسی آلودگیهای زیر میکرونی باقیمانده روی ویفرهای نیمهرسانا و فلزات پس از تمیزکاری معمولی پرداختند. آنها زیرلایهها را با یک فیلم جاذب لیزر پوشش دادند و آن را با لیزر CO₂ تابش دادند. این فیلم انرژی را جذب کرد، به سرعت گرم شد، جوشید و تحت تبخیر انفجاری قرار گرفت و آلودگیهای سطحی را از بین برد - این تعریف تمیزکاری مرطوب با لیزر است.
۳) تمیز کردن با لیزر پلاسما با امواج شوک
امواج ضربهای پلاسمای لیزر زمانی تشکیل میشوند که لیزرها در طول تابش، هوا را به امواج ضربهای پلاسمای کروی یونیزه میکنند. این امواج ضربهای به زیرلایهها برخورد میکنند و انرژی آزاد میکنند تا آلایندهها را بدون آسیب رساندن به زیرلایه از بین ببرند (لیزرها مستقیماً با زیرلایهها تعامل ندارند). این فناوری ذراتی به کوچکی دهها نانومتر را تمیز میکند و هیچ محدودیتی برای طول موج لیزر اعمال نمیکند.
اصول فیزیکی تمیز کردن پلاسما به شرح زیر خلاصه میشود:
الف) پرتوهای لیزر توسط لایه آلاینده روی سطح هدف جذب میشوند.
ب) جذب انرژی بالا، پلاسمای به سرعت در حال انبساط (گاز ناپایدار بسیار یونیزه شده) را تشکیل میدهد و امواج ضربهای تولید میکند.
ج) امواج شوک، آلودگیها را تکهتکه کرده و از بین میبرند.
د) پالسهای لیزر باید به اندازه کافی کوتاه باشند تا از تجمع گرما که به زیرلایه آسیب میرساند، جلوگیری شود.
ه) آزمایشها نشان میدهند که وقتی اکسیدها وجود دارند، پلاسما روی سطوح فلزی تشکیل میشود.
تولید پلاسما فقط بالاتر از یک آستانه چگالی انرژی رخ میدهد، که به آلاینده یا لایه اکسیدی که باید برداشته شود بستگی دارد. یک آستانه بالاتر دوم نیز وجود دارد که فراتر از آن به زیرلایه آسیب میرسد. برای اطمینان از تمیز کردن مؤثر بدون آسیب به زیرلایه، پارامترهای لیزر باید تنظیم شوند تا چگالی انرژی پالس بین دو آستانه حفظ شود.
در سال ۲۰۰۱، جی. ام. لی و همکارانش از امواج شوک پلاسما از لیزرهای متمرکز با توان بالا استفاده کردند. یک لیزر پالسی با چگالی انرژی ۲.۰ ژول بر سانتیمتر مربع (بسیار فراتر از آستانه آسیب سیلیکون) ویفرهای سیلیکونی را به طور موازی تابش کرد و با موفقیت ذرات تنگستن ۱ میکرومتری را از بین برد. به طور دقیق، تمیز کردن با امواج شوک پلاسمای لیزری زیرمجموعهای از تمیز کردن خشک است.
این سه فناوری تمیز کردن با لیزر که در ابتدا برای حذف ذرات میکروسکوپی از ویفرهای نیمههادی توسعه داده شده بودند، به تمیز کردن کپک تایر، حذف رنگ بدنه هواپیما، مرمت آثار فرهنگی و موارد دیگر گسترش یافتهاند. میتوان در طول تابش لیزر، گاز بیاثر را روی زیرلایهها دمید تا فوراً آلایندههای جدا شده را از بین ببرد و از آلودگی مجدد و اکسیداسیون جلوگیری کند.
کاربردهای فناوری تمیز کردن با لیزر
۱) صنعت نیمههادی: تمیز کردن ویفرهای نیمههادی و زیرلایههای نوری
ویفرهای نیمههادی و زیرلایههای نوری برای تشکیل شکلهای دلخواه، مراحل پردازش یکسانی (برش، سنگزنی) را طی میکنند که منجر به ایجاد آلایندههای ذرهای میشود که حذف آنها دشوار و مستعد آلودگی مجدد هستند. آلایندههای روی ویفرها کیفیت چاپ مدار را مختل کرده و طول عمر تراشه را کاهش میدهند. در زیرلایههای نوری، آنها عملکرد دستگاه نوری و پوشش را کاهش میدهند و باعث توزیع ناهموار انرژی و کاهش عمر مفید میشوند.
تمیز کردن خشک با لیزر به دلیل خطرات آسیب به زیرلایه به ندرت در اینجا استفاده میشود، در حالی که تمیز کردن مرطوب و تمیز کردن با موج شوک پلاسما کاربردهای موفقیتآمیز بیشماری دارند. شو چوانی و همکارانش رنگ مغناطیسی در مقیاس میکرون را به عنوان یک فیلم دیالکتریک روی زیرلایههای نوری فوقالعاده صاف رسوب دادند و به تمیز کردن مؤثر با لیزر پالسی دست یافتند. اگرچه کل ذرات ناخالصی افزایش یافت، اما اندازه و پوشش آنها به طور قابل توجهی کاهش یافت. ژانگ پینگ اثرات فاصله کاری و انرژی لیزر را بر راندمان تمیز کردن ذرات با اندازههای مختلف بررسی کرد. آزمایشها نشان داد که یک لیزر 240 میلیژول در فاصله کاری 1.90 میلیمتر، تمیز کردن بهینه ذرات پلیاستایرن را روی شیشه رسانا انجام میدهد. راندمان تمیز کردن با انرژی لیزر بالاتر بهبود یافته و ذرات بزرگتر راحتتر حذف میشوند.
۲) صنایع فلزی: تمیز کردن سطوح فلزی
تمیز کردن سطح فلز، آلایندههای ماکروسکوپی را هدف قرار میدهد: لایههای اکسید/زنگ، رنگ، پوششها و سایر ضمائم، که به عنوان آلایندههای آلی (رنگ، پوششها) یا معدنی (زنگ) طبقهبندی میشوند. تمیز کردن، الزامات پردازش/استفاده بعدی را برآورده میکند: به عنوان مثال، حذف لایههای اکسید با ضخامت 10 میکرومتر از آلیاژهای تیتانیوم قبل از جوشکاری، زدودن رنگ از پوسته هواپیما برای رنگآمیزی مجدد، و تمیز کردن بقایای لاستیک از قالبهای تایر برای اطمینان از کیفیت محصول و طول عمر قالب.
فلزات آستانه آسیب بالاتری نسبت به آستانه تمیز کردن آلایندههایشان دارند که امکان تمیز کردن مؤثر با لیزرهای با قدرت مناسب را فراهم میکند. کاربردهای بالغ عبارتند از: وانگ لیهوا و همکارانش نشان دادند که یک لیزر 5.1 ژول بر سانتیمتر مربع لایههای اکسید را از آلیاژ آلومینیوم A5083-111H حذف کرد و در عین حال کیفیت زیرلایه را حفظ کرد و یک لیزر پالسی 100 وات به طور مؤثر لایههای اکسید آلیاژ تیتانیوم را تمیز کرد و سختی سطح را افزایش داد. تولیدکنندگان داخلی (Raycus Laser، Han's Laser، Shenzhen Chuangxin) به طور گسترده تجهیزات تمیز کردن لیزر را برای قالبهای لاستیکی، زنگزدگی فلز و حذف روغن قطعات ارائه میدهند.
۳) حفاظت از آثار فرهنگی: پاکسازی آثار فرهنگی و مصنوعات کاغذی
آثار فرهنگی فلزی و سنگی به مرور زمان دچار آلودگی، لکههای جوهر و سایر آلودگیها میشوند و برای بازیابی ظاهر اولیه خود نیاز به حذف دارند. آثار کاغذی (نقاشیها، خوشنویسیها) در طول نگهداری نامناسب دچار کپک و پلاک میشوند و به شدت به وضعیت و ارزش فرهنگی/تاریخی آنها آسیب میرسد.
ژائو یینگ و همکارانش، پاکسازی پلاکهای کپک روی کاغذ برنج با لیزر فرابنفش را تأیید کردند: یک اسکن با شدت ۳.۲ ژول بر میلیمتر مربع، پلاکهای نازک را حذف کرد، در حالی که دو اسکن به حذف کامل آنها منجر شد؛ انرژی بیش از حد لیزر به کاغذ آسیب رساند. ژانگ شیائوتونگ با موفقیت یک مصنوع برنزی طلاکاری شده را با استفاده از روش مرطوب لیزر ترمیم کرد. ژانگ لیچنگ، پاکسازی لیزری را روی یک مجسمه سفالی زن نقاشی شده از سلسله هان اعمال کرد. یوان شیائودونگ و همکارانش، اثربخشی پاکسازی لیزری را برای آثار سنگی ارزیابی کردند و آسیب به زیرلایه و راندمان حذف لکههای جوهر، دود و رنگ روی ماسهسنگ را مقایسه کردند.
نتیجهگیری
تمیز کردن با لیزر یک فناوری پیشرفته با چشماندازهای تحقیقاتی و کاربردی گسترده در هوافضا، تجهیزات نظامی، الکترونیک و سایر زمینههای با دقت بالا است. به دلیل کارایی، سازگاری با محیط زیست و نتایج برتر تمیز کردن، در صنایع مختلف به بلوغ رسیده و کاربردهای آن همچنان در حال گسترش است. فراتر از حذف رنگ و زنگزدگی، پیشرفتهای اخیر شامل تمیز کردن لایههای اکسید روی سیمهای فلزی با لیزر است. توسعه آینده به گسترش کاربردهای موجود، ورود به زمینههای جدید و نوآوری در تجهیزات بستگی دارد:
- تقویت تحقیقات نظری برای هدایت کاربردهای عملی. تحقیقات فعلی به شدت به آزمایشها متکی هستند و فاقد یک چارچوب نظری بالغ هستند. ایجاد چنین چارچوبی برای بلوغ فناوری بسیار مهم است.
- گسترش کاربردها در زمینههای موجود و جدید. در زمینه حذف رنگ/زنگ به بلوغ رسیده است، کاربردهای نوظهور شامل تمیز کردن اکسید سیم فلزی است که زمینه مناسبی را برای رشد فراهم میکند.
- توسعه تجهیزات جدید تمیز کردن لیزری، که به دستگاههای چند منظوره جهانی (مثلاً حذف ترکیبی رنگ/زنگ) و ابزارهای تخصصی (مثلاً وسایل/فیبرهای سفارشی برای فضاهای محدود) تقسیم میشوند. اتوماسیون کامل از طریق ادغام با رباتهای صنعتی، یک مسیر امیدوارکننده است.
زمان ارسال: ۱۴ مه ۲۰۲۶
