اصل، انواع و کاربردهایتمیز کردن با لیزرفناوری
فناوری تمیز کردن با لیزر، کاربرد موفقیتآمیزی از فناوری لیزر در حوزه مهندسی است. اصل اساسی آن استفاده از چگالی انرژی بالای لیزر برای برهمکنش با آلایندههای چسبیده به زیرلایه قطعه کار است که باعث جدا شدن آنها از زیرلایه به صورت انبساط حرارتی آنی، ذوب و تبخیر گاز میشود. فناوری تمیز کردن با لیزر با راندمان بالا، سازگاری با محیط زیست و صرفهجویی در مصرف انرژی مشخص میشود. این فناوری با موفقیت در زمینههایی مانند تمیز کردن قالب لاستیک، حذف رنگ بدنه هواپیما و مرمت آثار فرهنگی به کار گرفته شده است.
فناوریهای سنتی نظافت شامل موارد زیر استتمیز کردن اصطکاکی مکانیکی(تمیزکاری با سندبلاست، تمیزکاری با جت آب پرفشار و غیره)، تمیزکاری شیمیایی خوردگی، تمیزکاری اولتراسونیک، تمیزکاری با یخ خشک و غیره. این فناوریهای تمیزکاری به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفتهاند. به عنوان مثال، تمیزکاری با سندبلاست میتواند لکههای زنگ فلز، برادههای سطح فلز و لاک سهلایه روی بردهای مدار را با انتخاب مواد ساینده با سختی متفاوت از بین ببرد. فناوری تمیزکاری شیمیایی خوردگی به طور گسترده در تمیزکاری لکههای روغنی روی سطوح تجهیزات، رسوب در دیگهای بخار و خطوط لوله نفت استفاده میشود. اگرچه این فناوریهای تمیزکاری به خوبی توسعه یافتهاند، اما هنوز هم مشکلاتی دارند. به عنوان مثال، تمیزکاری با سندبلاست میتواند به راحتی به سطح مورد نظر آسیب برساند و تمیزکاری شیمیایی خوردگی در صورت عدم استفاده صحیح میتواند باعث آلودگی محیط زیست و خوردگی سطح تمیز شده شود. ظهور فناوری تمیزکاری لیزری نشان دهنده انقلابی در فناوری تمیزکاری است. این فناوری از چگالی انرژی بالا، دقت بالا و انتقال کارآمد انرژی لیزر بهره میبرد و از نظر راندمان تمیزکاری، دقت تمیزکاری و محل تمیزکاری، مزایای آشکاری نسبت به فناوریهای تمیزکاری سنتی دارد. این فناوری میتواند به طور مؤثر از آلودگی محیطی ناشی از تمیزکاری شیمیایی خوردگی و سایر فناوریهای تمیزکاری جلوگیری کند و به زیرلایه آسیبی نرساند.
بنابراین تمیز کردن با لیزر چیست؟ تمیز کردن با لیزر فرآیندی است که در آن از پرتو لیزر برای حذف ماده از سطح یک جامد (یا گاهی اوقات یک مایع) استفاده میشود. در شار لیزر کم، ماده توسط انرژی لیزر جذب شده گرم میشود و تبخیر یا تصعید میشود. در شار لیزر بالا، ماده معمولاً به پلاسما تبدیل میشود. معمولاً تمیز کردن با لیزر به حذف ماده با استفاده از لیزرهای پالسی اشاره دارد، اما اگر شدت لیزر به اندازه کافی زیاد باشد، میتوان از یک پرتو لیزر موج پیوسته برای حذف ماده استفاده کرد. لیزر اگزایمر با نور فرابنفش عمیق عمدتاً برای فرسایش نوری استفاده میشود. طول موج لیزر مورد استفاده برای فرسایش نوری تقریباً 200 نانومتر است. عمق جذب انرژی لیزر و مقدار ماده حذف شده توسط یک پالس لیزر واحد به خواص نوری ماده و همچنین طول موج لیزر و طول پالس بستگی دارد. کل جرم حذف شده از هدف توسط هر پالس لیزر معمولاً نرخ فرسایش نامیده میشود. سرعت اسکن پرتو لیزر و پوشش خط اسکن و غیره، به طور قابل توجهی بر فرآیند فرسایش تأثیر میگذارند.
انواع فناوری تمیز کردن با لیزر
۱) خشکشویی لیزری: خشکشویی لیزری به تابش مستقیم لیزر پالسی به قطعه کار تمیزکننده اشاره دارد که باعث جذب انرژی توسط پایه یا آلایندههای سطحی و افزایش دما میشود و در نتیجه انبساط حرارتی یا ارتعاش حرارتی پایه ایجاد میشود و در نتیجه این دو از هم جدا میشوند. این روش را میتوان تقریباً به دو حالت تقسیم کرد: یکی اینکه آلایندههای سطحی انرژی لیزر را جذب کرده و منبسط میشوند؛ دیگری اینکه پایه انرژی لیزر را جذب کرده و ارتعاش حرارتی ایجاد میکند. در سال ۱۹۶۹، اس. ام. بدایر و همکارانش کشف کردند که روشهای مختلف تصفیه سطح مانند عملیات حرارتی، خوردگی شیمیایی و تمیزکاری سندبلاست، همگی دارای معایب مختلفی هستند. در عین حال، چگالی انرژی بالا پس از تمرکز لیزر میتواند پدیده تبخیر سطح ماده را ممکن سازد که امکان تمیز کردن غیر مخرب سطح ماده را فراهم میکند. از طریق آزمایشها، مشخص شد که با استفاده از لیزر یاقوتی Q-switched با چگالی توان ۳۰ مگاوات بر سانتیمتر مربع میتوان بدون آسیب رساندن به پایه، به تمیز کردن آلایندههای سطح مواد سیلیکونی دست یافت و برای اولین بار، تمیز کردن خشک لیزری آلایندههای سطح مواد محقق شد. نرخ کلی را میتوان با نرخ جدا شدن قطعات لایه فیلم به صورت زیر بیان کرد:
در فرمول، ε نشان دهنده شاخص انرژی پالس لیزر، h نشان دهنده شاخص ضخامت لایه فیلم آلاینده و E نشان دهنده شاخص مدول الاستیک لایه فیلم است.
۲) تمیزکاری مرطوب با لیزر: قبل از اینکه قطعه کار مورد نظر برای تمیزکاری در معرض لیزر پالسی قرار گیرد، یک لایه مایع پیشپوششدهنده روی سطح اعمال میشود. تحت تأثیر لیزر، دمای لایه مایع به سرعت افزایش یافته و تبخیر میشود. در لحظه تبخیر، یک موج ضربهای ایجاد میشود که بر روی ذرات آلاینده عمل کرده و باعث جدا شدن آنها از زیرلایه میشود. این روش مستلزم آن است که زیرلایه و لایه مایع با یکدیگر واکنش ندهند، بنابراین محدوده مواد قابل استفاده را محدود میکند. در سال ۱۹۹۱، ک. ایمن و همکارانش به مشکل آلایندههای ذرات زیر میکرونی باقیمانده روی سطوح ویفرهای نیمههادی و مواد فلزی پس از استفاده از روشهای سنتی تمیزکاری پرداختند و کاربرد پوشش یک لایه روی سطح زیرلایه ماده را که میتواند انرژی لیزر را به طور موثر جذب کند، مطالعه کردند. متعاقباً، با استفاده از لیزر CO2، لایه انرژی لیزر را جذب کرده و به سرعت دمای آن افزایش یافته و جوشیده میشود و تبخیر انفجاری ایجاد میکند که آلایندهها را از سطح زیرلایه حذف میکند. این روش تمیزکاری، تمیزکاری مرطوب با لیزر نامیده میشود.
۳) تمیز کردن با موج ضربهای پلاسمای لیزری: امواج ضربهای پلاسمای لیزری زمانی تولید میشوند که لیزر به محیط هوا تابانده میشود و باعث تشکیل یک موج ضربهای پلاسمای کروی میشود. موج ضربهای روی سطح قطعه کار که باید تمیز شود عمل میکند و انرژی آزاد میکند تا آلایندهها را از بین ببرد. لیزر روی زیرلایه عمل نمیکند، بنابراین به زیرلایه آسیبی نمیرساند. فناوری تمیز کردن با موج ضربهای پلاسمای لیزری اکنون میتواند ذراتی با قطر چند ده نانومتر را تمیز کند و هیچ محدودیتی در طول موج لیزر وجود ندارد. اصل فیزیکی تمیز کردن با پلاسما را میتوان به شرح زیر خلاصه کرد: الف) پرتو لیزر ساطع شده توسط لیزر توسط لایه آلودگی روی سطح تحت عملیات جذب میشود. ب) مقدار زیادی از جذب، پلاسمایی با سرعت در حال انبساط (گاز ناپایدار بسیار یونیزه شده) تشکیل میدهد و یک موج ضربهای ایجاد میکند. ج) موج ضربهای باعث تکهتکه شدن و حذف آلایندهها میشود. د) عرض پالس نور باید به اندازه کافی کوتاه باشد تا از تجمع حرارتی که میتواند به سطح تحت عملیات آسیب برساند، جلوگیری شود. ه) آزمایشها نشان دادهاند که وقتی اکسیدهایی روی سطح فلز وجود دارد، پلاسما روی سطح فلز تولید میشود. پلاسما تنها زمانی تولید میشود که چگالی انرژی از آستانهای که به لایه آلودگی یا لایه اکسید برداشته شده بستگی دارد، فراتر رود. این اثر آستانهای برای تمیزکاری مؤثر و در عین حال تضمین ایمنی ماده زیرلایه بسیار مهم است. ظاهر پلاسما همچنین دارای آستانه دومی است. اگر چگالی انرژی از این آستانه بیشتر شود، ماده زیرلایه آسیب خواهد دید. برای انجام تمیزکاری مؤثر و در عین حال تضمین ایمنی ماده زیرلایه، پارامترهای لیزر باید مطابق با شرایط تنظیم شوند تا اطمینان حاصل شود که چگالی انرژی پالس نور دقیقاً بین دو آستانه است. در سال ۲۰۰۱، جی. ام. لی و همکارانش از این ویژگی که لیزرهای پرقدرت هنگام تمرکز، امواج شوک پلاسما تولید میکنند، استفاده کردند و از یک لیزر پالسی با چگالی انرژی ۲.۰ ژول بر سانتیمتر مربع (بسیار بالاتر از آستانه آسیب ویفرهای سیلیکونی) برای تابش موازی با ویفر سیلیکونی استفاده کردند و با موفقیت ذرات تنگستن ۱ میکرومتری جذب شده روی سطح ویفر سیلیکونی را تمیز کردند. این روش تمیزکاری، تمیزکاری موج شوک پلاسمای لیزری نامیده میشود و به طور دقیق، تمیزکاری موج شوک پلاسمای لیزری نوعی تمیزکاری لیزر خشک است. هدف اصلی این سه فناوری تمیز کردن با لیزر، تمیز کردن ذرات ریز روی سطح ویفرهای نیمههادی بود. میتوان گفت که فناوری تمیز کردن با لیزر با توسعه فناوری نیمههادیها پدیدار شد. با این حال، فناوری تمیز کردن با لیزر به طور مداوم در زمینههای دیگر، مانند تمیز کردن قالب تایر، حذف رنگ بدنه هواپیما و ترمیم سطح مصنوعات، به کار گرفته شده است. در حالی که تحت تابش لیزر، گاز بیاثر میتواند روی سطح زیرلایه دمیده شود. هنگامی که آلایندهها از سطح جدا میشوند، بلافاصله توسط گاز از سطح خارج میشوند تا از آلودگی مجدد و اکسیداسیون سطح جلوگیری شود.
کاربرد فناوری تمیز کردن با لیزر
۱) در حوزه نیمهرساناها، تمیز کردن ویفرهای نیمهرسانا و زیرلایههای نوری شامل فرآیند یکسانی است که شامل پردازش مواد اولیه به شکلهای مورد نیاز از طریق برش، سنگزنی و غیره میشود. در طول این فرآیند، آلایندههای ذرهای وارد میشوند که حذف آنها دشوار است و باعث مشکلات شدید آلودگی مکرر میشوند. آلایندههای روی سطح ویفرهای نیمهرسانا میتوانند بر کیفیت چاپ برد مدار تأثیر بگذارند و در نتیجه طول عمر تراشههای نیمهرسانا را کوتاه کنند. آلایندههای روی سطح زیرلایههای نوری میتوانند بر کیفیت دستگاهها و پوششهای نوری تأثیر بگذارند و ممکن است منجر به توزیع ناهموار انرژی شوند و طول عمر را کوتاه کنند. از آنجایی که تمیز کردن خشک با لیزر مستعد آسیب رساندن به سطح زیرلایه است، این روش تمیز کردن کمتر در تمیز کردن ویفرهای نیمهرسانا و زیرلایههای نوری استفاده میشود. تمیز کردن مرطوب با لیزر و تمیز کردن با موج شوک پلاسما با لیزر کاربردهای موفقتری در این زمینه دارند. شو چوانی و همکارانش رسوب رنگ مغناطیسی ویژه در مقیاس میکرو را روی سطح زیرلایههای نوری فوق صاف به عنوان یک فیلم دیالکتریک مطالعه کردند و سپس از لیزر پالسی برای تمیز کردن استفاده کردند. اثر تمیزکنندگی خوب بود، اگرچه تعداد ذرات ناخالصی در واحد سطح افزایش یافت، اما اندازه و سطح پوشش ذرات ناخالصی به طور قابل توجهی کاهش یافت. این روش میتواند به طور موثر ذرات ناخالصی در مقیاس میکرو را روی سطح زیرلایههای نوری فوق صاف تمیز کند. ژانگ پینگ تأثیر فاصله کاری و انرژی لیزر را بر اثر تمیزکنندگی آلایندههای با اندازه ذرات مختلف در فناوری تمیز کردن پلاسمای لیزری بررسی کرد. نتایج تجربی نشان داد که برای ذرات پلی استایرن روی زیرلایههای شیشهای رسانا، فاصله کاری بهینه برای انرژی ۲۴۰ میلیژول ۱.۹۰ میلیمتر بود. با افزایش انرژی لیزر، اثر تمیزکنندگی به طور قابل توجهی بهبود یافت و آلایندههای ذرات بزرگ راحتتر تمیز شدند.
۲) در زمینه مواد فلزی، تمیز کردن سطوح مواد فلزی با تمیز کردن ویفرهای نیمههادی و زیرلایههای نوری متفاوت است. آلایندههایی که باید تمیز شوند، به دسته ماکروسکوپی تعلق دارند. آلایندههای روی سطح مواد فلزی عمدتاً شامل لایه اکسید (لایه زنگ)، لایه رنگ، پوشش و سایر ضمائم هستند و میتوانند به آلایندههای آلی (مانند لایه رنگ، پوشش) و آلایندههای معدنی (مانند لایه زنگ) طبقهبندی شوند. تمیز کردن آلایندههای سطح مواد فلزی عمدتاً برای برآورده کردن الزامات پردازش یا استفاده بعدی است، مانند حذف حدود ۱۰ میکرومتر لایه اکسید از سطح قطعات آلیاژ تیتانیوم قبل از جوشکاری، حذف پوشش رنگ اصلی روی سطح پوست در طول تعمیرات اساسی هواپیما برای تسهیل پاشش مجدد، و تمیز کردن منظم ذرات لاستیکی متصل به قالب لاستیک برای اطمینان از تمیزی سطح و کیفیت و طول عمر قالب. آستانه آسیب مواد فلزی بالاتر از آستانه تمیز کردن لیزر آلایندههای سطحی آنها است. با انتخاب یک لیزر با قدرت مناسب، میتوان به اثر تمیزکاری بهتری دست یافت. این فناوری در برخی زمینهها به طور کامل به کار گرفته شده است. وانگ لیهوا و همکاران. کاربرد فناوری تمیزکاری لیزری را در عملیات حرارتی پوستههای اکسیدی روی سطوح آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای تیتانیوم بررسی کردند. نتایج تحقیق نشان داد که استفاده از لیزری با چگالی انرژی 5.1 ژول بر سانتیمتر مربع میتواند لایه اکسید روی سطح آلیاژ آلومینیوم A5083-111H را ضمن حفظ کیفیت خوب زیرلایه تمیز کند و استفاده از لیزر پالسی با توان متوسط 100 وات به روش روبشی میتواند به طور مؤثر لایه اکسید روی سطح آلیاژهای تیتانیوم را تمیز کرده و سختی سطح ماده را بهبود بخشد. شرکتهای داخلی مانند Ruike Laser، Daqu Laser و Shenzhen Chuangxin تجهیزات تمیزکاری لیزری را توسعه دادهاند که به طور گسترده برای تمیز کردن قالبهای لاستیکی مانند لاستیک، لایههای زنگ فلز و لکههای روغنی روی سطح قطعات استفاده شده است.
۳) در زمینه آثار فرهنگی، تمیز کردن آثار فلزی و سنگی و سطوح کاغذی برای از بین بردن آلودگیهایی مانند کثیفی و لکههای جوهر که به دلیل قدمت طولانی روی سطوح آنها ظاهر میشوند، ضروری است. برای بازسازی آثار، این آلودگیها باید از بین بروند. برای آثار کاغذی مانند خوشنویسی و نقاشی، در صورت نگهداری نامناسب، کپک روی سطوح آنها رشد میکند و لکههایی ایجاد میکند. این لکهها به طور جدی بر ظاهر اصلی کاغذ، به ویژه برای کاغذهایی با ارزش فرهنگی یا تاریخی بالا، تأثیر میگذارند که بر ارزش و حفاظت از آن تأثیر میگذارد. ژائو یینگ و همکارانش امکان استفاده از لیزر فرابنفش را برای تمیز کردن لکههای کپک روی طومارهای کاغذی بررسی کردند. نتایج تجربی نشان داد که استفاده از لیزر با چگالی انرژی ۳.۲ ژول بر میلیمتر مربع برای یک بار اسکن میتواند لکههای نازک را از بین ببرد و دو بار اسکن میتواند لکهها را به طور کامل از بین ببرد. با این حال، اگر انرژی لیزر مورد استفاده خیلی زیاد باشد، هنگام از بین بردن لکهها به طومار کاغذی آسیب میرساند. ژانگ شیائوتونگ و همکارانش با موفقیت یک اثر برنزی طلاکاری شده را با استفاده از روش فیلم مایع تابش عمودی لیزر مرمت کردند. ژانگ لیچنگ و همکارانش از فناوری تمیز کردن لیزری در مرمت یک مجسمه سفالی زن نقاشی شده از سلسله هان استفاده کردند. یوان شیائودونگ و همکارانش تأثیر فناوری تمیز کردن لیزری را در تمیز کردن آثار سنگی بررسی کردند و آسیبهای وارده به بدنه ماسهسنگ را قبل و بعد از تمیز کردن، و همچنین اثرات تمیز کردن لکههای جوهر، آلودگی دود و آلودگی رنگ را مقایسه کردند.
نتیجهگیری: فناوری تمیز کردن با لیزر یک تکنیک نسبتاً پیشرفته است که چشماندازهای تحقیقاتی و کاربردی گستردهای در زمینههای با دقت بالا مانند هوافضا، تجهیزات نظامی و مهندسی الکترونیک و برق دارد. در حال حاضر، فناوری تمیز کردن با لیزر به لطف عملکرد تمیز کردن کارآمد، سازگار با محیط زیست و عالی، در برخی زمینهها با موفقیت به کار گرفته شده است. زمینههای کاربردی آن به تدریج در حال گسترش است. توسعه فناوری تمیز کردن با لیزر نه تنها در زمینههایی مانند حذف رنگ و زنگزدگی به طور کامل به کار گرفته شده است، بلکه در سالهای اخیر گزارشهایی از استفاده از لیزر برای تمیز کردن لایه اکسید روی سیمهای فلزی نیز وجود داشته است. گسترش زمینههای کاربردی موجود و توسعه زمینههای جدید، پایه و اساس توسعه فناوری تمیز کردن با لیزر است. تحقیق و توسعه تجهیزات جدید تمیز کردن با لیزر و توسعه تجهیزات جدید تمیز کردن با لیزر، تمایز را نشان میدهد و منجر به عملکردهای مختلف میشود. در آینده، دستیابی به تمیز کردن کاملاً خودکار با لیزر از طریق همکاری با رباتهای صنعتی نیز قابل دستیابی است. روند توسعه فناوری تمیز کردن با لیزر به شرح زیر است:
(1) تقویت تحقیقات در مورد نظریه تمیز کردن با لیزر برای هدایت کاربرد فناوری تمیز کردن با لیزر. پس از بررسی تعداد زیادی از اسناد، مشخص شد که هیچ سیستم نظری کاملی برای پشتیبانی از فناوری تمیز کردن با لیزر وجود ندارد و بیشتر مطالعات مبتنی بر آزمایشها هستند. ایجاد یک سیستم نظری تمیز کردن با لیزر، پایه و اساس توسعه و بلوغ بیشتر فناوری تمیز کردن با لیزر است.
(2) گسترش زمینههای کاربردی موجود و زمینههای کاربردی جدید. فناوری تمیز کردن با لیزر با موفقیت در زمینههایی مانند حذف رنگ و زنگزدگی به کار گرفته شده است و در سالهای اخیر گزارشهایی از استفاده از لیزر برای تمیز کردن لایه اکسید روی سیمهای فلزی منتشر شده است. گسترش زمینههای کاربردی موجود و توسعه زمینههای جدید، زمینهای حاصلخیز برای توسعه فناوری تمیز کردن با لیزر است.
(3) تحقیق و توسعه تجهیزات جدید تمیز کردن با لیزر. توسعه تجهیزات جدید تمیز کردن با لیزر، تمایز را نشان خواهد داد. یک نوع، تجهیزاتی با جهانی بودن خاص است که زمینههای کاربردی متعددی را پوشش میدهد، مانند یک دستگاه که میتواند همزمان عملکردهای حذف رنگ و حذف زنگ را انجام دهد. نوع دیگر، تجهیزات تخصصی برای نیازهای خاص است، مانند طراحی وسایل خاص یا فیبرهای نوری برای دستیابی به عملکرد تمیز کردن آلایندهها در فضاهای کوچک. از طریق همکاری با رباتهای صنعتی، تمیز کردن کاملاً خودکار با لیزر نیز یک جهت کاربردی محبوب است.
زمان ارسال: ۱۷ ژوئیه ۲۰۲۵
