Parimi, llojet dhe zbatimet e teknologjisë së pastrimit me lazer

Parimi, llojet dhe zbatimet epastrim me lazerteknologji

Teknologjia e pastrimit me lazer është një zbatim i suksesshëm i teknologjisë lazer në fushën e inxhinierisë. Parimi i saj themelor është shfrytëzimi i dendësisë së lartë të energjisë së lazerit për të bashkëvepruar me ndotësit që ngjiten në substratin e pjesës së punës, duke bërë që ato të ndahen nga substrati në formën e zgjerimit termik të menjëhershëm, shkrirjes dhe avullimit të gazit. Teknologjia e pastrimit me lazer karakterizohet nga efikasitet i lartë, mirëdashësi mjedisore dhe ruajtje e energjisë. Është zbatuar me sukses në fusha të tilla si pastrimi i mykut të gomave, heqja e bojës së karrocerisë së avionëve dhe restaurimi i relikteve kulturore.

Teknologjitë tradicionale të pastrimit përfshijnëpastrim mekanik me fërkim(pastrim me rërë, pastrim me presion të lartë uji, etj.), pastrim kimik nga korrozioni, pastrim me ultratinguj, pastrim me akull të thatë, etj. Këto teknologji pastrimi janë përdorur gjerësisht në industri të ndryshme. Për shembull, pastrimi me rërë mund të heqë njollat ​​e ndryshkut të metaleve, gërvishtjet e sipërfaqeve metalike dhe llakun trefish rezistent në qarqet duke zgjedhur gërryes me fortësi të ndryshme. Teknologjia e pastrimit me korrozion kimik përdoret gjerësisht në pastrimin e njollave të vajit në sipërfaqet e pajisjeve, gëlqeren në kaldaja dhe tubacionet e naftës. Edhe pse këto teknologji pastrimi janë zhvilluar mirë, ato ende kanë disa probleme. Për shembull, pastrimi me rërë mund të shkaktojë lehtësisht dëmtime në sipërfaqen e trajtuar, dhe pastrimi me korrozion kimik mund të shkaktojë ndotje mjedisore dhe korrozion të sipërfaqes së pastruar nëse nuk trajtohet siç duhet. Shfaqja e teknologjisë së pastrimit me lazer përfaqëson një revolucion në teknologjinë e pastrimit. Ajo përfiton nga dendësia e lartë e energjisë, saktësia e lartë dhe transmetimi efikas i energjisë së lazerit, dhe ka avantazhe të dukshme ndaj teknologjive tradicionale të pastrimit në aspektin e efikasitetit të pastrimit, precizitetit të pastrimit dhe vendndodhjes së pastrimit. Mund të shmangë në mënyrë efektive ndotjen mjedisore të shkaktuar nga pastrimi me korrozion kimik dhe teknologjitë e tjera të pastrimit, dhe nuk do të shkaktojë dëmtime në substrat.

I/E/Të/TëParimi i pastrimit me lazer

Pra, çfarë është pastrimi me lazer? Pastrimi me lazer është një proces ku një rreze lazeri përdoret për të hequr materialin nga sipërfaqja e një trupi të ngurtë (ose ndonjëherë të një lëngu). Në fluks të ulët lazeri, materiali nxehet nga energjia e absorbuar e lazerit dhe avullohet ose sublimohet. Në fluks të lartë lazeri, materiali zakonisht shndërrohet në plazmë. Zakonisht, pastrimi me lazer i referohet heqjes së materialit duke përdorur lazerë të pulsuar, por nëse intensiteti i lazerit është mjaft i lartë, një rreze lazeri me valë të vazhdueshme mund të përdoret për të ablacionuar materialin. Lazeri eksimer i dritës së thellë ultraviolet përdoret kryesisht për ablacion optik. Gjatësia e valës së lazerit e përdorur për ablacion optik është afërsisht 200 nm. Thellësia e absorbimit të energjisë së lazerit dhe sasia e materialit të hequr nga një impuls i vetëm lazeri varen nga vetitë optike të materialit, si dhe nga gjatësia e valës së lazerit dhe gjatësia e pulsit. Masa totale e ablacionuar nga objektivi nga secili impuls lazeri zakonisht quhet shkalla e ablacionit. Shpejtësia e skanimit të rrezes së lazerit dhe mbulimi i vijës së skanimit, etj., do të ndikojnë ndjeshëm në procesin e ablacionit.

Llojet e Teknologjisë së Pastrimit me Lazer

1) Pastrimi kimik me lazer: Pastrimi kimik me lazer i referohet rrezatimit të drejtpërdrejtë të copës së punës së pastrimit nga një lazer pulsues, duke bërë që baza ose ndotësit e sipërfaqes të thithin energji dhe të rrisin temperaturën, duke rezultuar në zgjerim termik ose dridhje termike të bazës, duke i ndarë kështu të dyja. Kjo metodë mund të ndahet përafërsisht në dy situata: njëra është se ndotësit e sipërfaqes thithin energjinë e lazerit dhe zgjerohen; tjetra është se baza thith energjinë e lazerit dhe gjeneron dridhje termike. Në vitin 1969, SM Bedair et al. zbuluan se metoda të ndryshme të trajtimit të sipërfaqes, të tilla si trajtimi termik, korrozioni kimik dhe pastrimi me rërë, kanë të gjitha disavantazhe të ndryshme. Në të njëjtën kohë, dendësia e lartë e energjisë pas fokusimit me lazer mund ta bëjë të mundur fenomenin e avullimit të sipërfaqes së materialit, gjë që mundëson mundësinë e pastrimit jo-shkatërrues të sipërfaqes së materialit. Përmes eksperimenteve, u zbulua se përdorimi i një lazeri me çelës rubini Q me një dendësi fuqie prej 30 MW/cm2 mund të arrijë pastrimin e ndotësve të sipërfaqes së materialit të silikonit pa dëmtuar bazën, dhe për herë të parë, u realizua pastrimi kimik me lazer i ndotësve të sipërfaqes së materialit. Shkalla e përgjithshme mund të shprehet me shkallën e shkëputjes së fragmenteve të shtresës së filmit, si më poshtë:

Në formulë, ε përfaqëson indeksin e energjisë së pulsit të lazerit, h përfaqëson indeksin e trashësisë së shtresës së filmit ndotës dhe E përfaqëson indeksin e modulit elastik të shtresës së filmit.

2) Pastrimi i Lagësht me Lazer: Përpara se pjesa e punës që do të pastrohet të ekspozohet ndaj lazerit të pulsuar, aplikohet një film i lëngshëm paraprakisht i veshur sipërfaqësor. Nën veprimin e lazerit, temperatura e filmit të lëngshëm rritet me shpejtësi dhe avullon. Në momentin e avullimit, gjenerohet një valë impakti, e cila vepron mbi grimcat ndotëse dhe bën që ato të shkëputen nga substrati. Kjo metodë kërkon që substrati dhe filmi i lëngshëm të mos reagojnë me njëri-tjetrin, duke kufizuar kështu gamën e materialeve të aplikueshme. Në vitin 1991, K. Imen et al. trajtuan problemin e ndotësve të mbetur të grimcave nën-mikron në sipërfaqet e pllakave gjysmëpërçuese dhe materialeve metalike pasi u përdorën metoda tradicionale të pastrimit, dhe studiuan aplikimin e veshjes së një filmi në sipërfaqen e substratit material që mund të thithë në mënyrë efikase energjinë e lazerit. Më pas, duke përdorur një lazer CO2, filmi thithi energjinë e lazerit dhe u rrit me shpejtësi në temperaturë dhe u zie, duke gjeneruar avullim shpërthyes, i cili largoi ndotësit nga sipërfaqja e substratit. Kjo metodë pastrimi quhet pastrim i lagësht me lazer.

3) Pastrimi me Valë Goditjeje Plazmatike me Lazer: Valët e goditjes me plazmë lazeri gjenerohen kur lazeri rrezaton mjedisin ajror dhe shkakton formimin e një vale goditjeje plazmatike sferike. Vala e goditjes vepron në sipërfaqen e pjesës së punës që do të pastrohet dhe çliron energji për të hequr ndotësit. Lazeri nuk vepron në substrat, duke mos shkaktuar kështu dëmtime në substrat. Teknologjia e pastrimit me valë goditjeje me plazmë lazeri tani mund të pastrojë grimca me diametër prej disa dhjetëra nanometrash dhe nuk ka kufizime në gjatësinë e valës së lazerit. Parimi fizik i pastrimit me plazmë mund të përmblidhet si më poshtë: a) Rrezja lazer e emetuar nga lazeri absorbohet nga shtresa e ndotjes në sipërfaqen e trajtuar. b) Sasia e madhe e thithjes formon një plazmë që zgjerohet me shpejtësi (gaz shumë i paqëndrueshëm i jonizuar) dhe gjeneron një valë impakti. c) Vala e goditjes bën që ndotësit të fragmentohen dhe të hiqen. d) Gjerësia e pulsit të pulsit të dritës duhet të jetë mjaftueshëm e shkurtër për të shmangur akumulimin termik që mund të dëmtojë sipërfaqen e trajtuar. e) Eksperimentet kanë treguar se kur ka okside në sipërfaqen metalike, plazma gjenerohet në sipërfaqen metalike. Plazma gjenerohet vetëm kur dendësia e energjisë tejkalon pragun, i cili varet nga shtresa e ndotjes ose shtresa e oksidit e hequr. Ky efekt pragu është shumë i rëndësishëm për pastrim efektiv, duke siguruar njëkohësisht sigurinë e materialit të substratit. Pamja e plazmës ka edhe një prag të dytë. Nëse dendësia e energjisë tejkalon këtë prag, materiali i substratit do të dëmtohet. Për të kryer pastrim efektiv, duke siguruar njëkohësisht sigurinë e materialit të substratit, parametrat e lazerit duhet të rregullohen sipas situatës për të siguruar që dendësia e energjisë së pulsit të dritës është rreptësisht midis dy pragjeve. Në vitin 2001, JM Lee et al. përdorën karakteristikën që lazerët me fuqi të lartë prodhojnë valë shoku plazme kur fokusohen, dhe përdorën një lazer pulsi me një dendësi energjie prej 2.0 J/cm2 (shumë më të lartë se pragu i dëmtimit të pllakave të silikonit) për të rrezatuar paralelisht me pllakat e silikonit, duke pastruar me sukses grimca tungsteni 1 μm të adsorbuara në sipërfaqen e pllakave të silikonit. Kjo metodë pastrimi quhet pastrim me valë shoku plazmatike me lazer, dhe në mënyrë të rreptë, pastrimi me valë shoku plazmatike me lazer është një lloj pastrimi me lazer të thatë. Qëllimi fillestar i këtyre tre teknologjive të pastrimit me lazer ishte pastrimi i grimcave të vogla në sipërfaqen e pllakave gjysmëpërçuese. Mund të thuhet se teknologjia e pastrimit me lazer u shfaq me zhvillimin e teknologjisë gjysmëpërçuese. Megjithatë, teknologjia e pastrimit me lazer është aplikuar vazhdimisht në fusha të tjera, të tilla si pastrimi i mykut të gomave, heqja e bojës së lëkurës së avionëve dhe restaurimi i sipërfaqes së artefakteve. Ndërsa janë nën rrezatim lazeri, gaz inert mund të fryhet në sipërfaqen e substratit. Kur ndotësit hiqen nga sipërfaqja, ato do të fryhen menjëherë nga sipërfaqja nga gazi për të shmangur ri-ndotjen dhe oksidimin e sipërfaqes.

I/E/Të/TëZbatimi i teknologjisë së pastrimit me lazer

1) Në fushën e gjysmëpërçuesve, pastrimi i pllakave gjysmëpërçuese dhe substrateve optike përfshin të njëjtin proces, i cili konsiston në përpunimin e lëndëve të para në format e kërkuara nëpërmjet prerjes, bluarjes etj. Gjatë këtij procesi, futen ndotës grimcorë, të cilët janë të vështirë për t'u hequr dhe shkaktojnë probleme serioze të përsëritura të ndotjes. Ndotësit në sipërfaqen e pllakave gjysmëpërçuese mund të ndikojnë në cilësinë e printimit të qarqeve, duke shkurtuar kështu jetëgjatësinë e çipave gjysmëpërçues. Ndotësit në sipërfaqen e substrateve optike mund të ndikojnë në cilësinë e pajisjeve dhe veshjeve optike, dhe mund të çojnë në shpërndarje të pabarabartë të energjisë, duke shkurtuar jetëgjatësinë. Meqenëse pastrimi kimik me lazer është i prirur të shkaktojë dëmtime në sipërfaqen e substratit, kjo metodë pastrimi përdoret më pak në pastrimin e pllakave gjysmëpërçuese dhe substrateve optike. Pastrimi i lagësht me lazer dhe pastrimi me valë shoku plazmatike me lazer kanë zbatime më të suksesshme në këtë fushë. Xu Chuanyi et al. studiuan depozitimin e bojës magnetike speciale në shkallë mikro në sipërfaqen e substrateve optike ultra të lëmuara si një film dielektrik, dhe më pas përdorën një lazer pulsues për pastrim. Efekti i pastrimit ishte i mirë, megjithëse numri i grimcave të papastërtive për njësi të sipërfaqes u rrit, madhësia dhe zona e mbulimit të grimcave të papastërtive u zvogëluan ndjeshëm. Kjo metodë mund të pastrojë në mënyrë efektive grimcat e papastërtive në shkallë mikro në sipërfaqen e substrateve optike ultra të lëmuara. Zhang Ping studioi ndikimin e distancës së punës dhe energjisë së lazerit në efektin e pastrimit të ndotësve me madhësi të ndryshme të grimcave në teknologjinë e pastrimit me plazmë lazer. Rezultatet eksperimentale treguan se për grimcat e polistirenit në substratet e qelqit përçues, distanca optimale e punës për energjinë prej 240 mJ ishte 1.90 mm. Ndërsa energjia e lazerit u rrit, efekti i pastrimit u përmirësua ndjeshëm dhe ndotësit me grimca të mëdha ishin më të lehtë për t'u pastruar.

2) Në fushën e materialeve metalike, pastrimi i sipërfaqeve të materialeve metalike është i ndryshëm nga pastrimi i pllakave gjysmëpërçuese dhe substrateve optike. Ndotesit që duhen pastruar i përkasin kategorisë makroskopike. Ndotesit në sipërfaqen e materialeve metalike përfshijnë kryesisht shtresën e oksidit (shtresa e ndryshkut), shtresën e bojës, veshjen dhe bashkëngjitje të tjera, dhe mund të klasifikohen në ndotës organikë (si shtresa e bojës, veshja) dhe ndotës inorganikë (si shtresa e ndryshkut). Pastrimi i ndotësve sipërfaqësorë të materialeve metalike është kryesisht për të përmbushur kërkesat e përpunimit ose përdorimit të mëvonshëm, siç është heqja e rreth 10 μm të shtresës së oksidit nga sipërfaqja e pjesëve të lidhjes së titanit para saldimit, heqja e veshjes origjinale të bojës në sipërfaqen e lëkurës gjatë riparimeve të mëdha të avionëve për të lehtësuar ri-spërkatjen dhe pastrimi i rregullt i grimcave të gomës të bashkangjitura në mykun e gomës për të siguruar pastërtinë e sipërfaqes dhe cilësinë dhe jetëgjatësinë e mykut. Pragu i dëmtimit të materialeve metalike është më i lartë se ai i pragut të pastrimit me lazer të ndotësve të tyre sipërfaqësorë. Duke zgjedhur një lazer të përshtatshëm me fuqi, mund të arrihet një efekt më i mirë pastrimi. Kjo teknologji është aplikuar në mënyrë të pjekur në disa fusha. Wang Lihua et al. studioi zbatimin e teknologjisë së pastrimit me lazer në trajtimin e shtresave të oksidit në sipërfaqet e lidhjeve të aluminit dhe lidhjeve të titanit. Rezultatet e hulumtimit treguan se përdorimi i një lazeri me një dendësi energjie prej 5.1 J/cm2 mund të pastrojë shtresën e oksidit në sipërfaqen e lidhjes së aluminit A5083-111H duke ruajtur cilësinë e mirë të substratit, dhe përdorimi i një lazeri pulsues me një fuqi mesatare prej 100 W në një mënyrë skanimi mund të pastrojë në mënyrë efektive shtresën e oksidit në sipërfaqen e lidhjeve të titanit dhe të përmirësojë fortësinë e sipërfaqes së materialit. Kompanitë vendase si Ruike Laser, Daqu Laser dhe Shenzhen Chuangxin kanë zhvilluar pajisje pastrimi me lazer që janë përdorur gjerësisht për pastrimin e formave të gomës si gomat, shtresat e ndryshkut të metalit dhe njollat ​​e vajit në sipërfaqen e komponentëve.

3) Në fushën e relikteve kulturore, pastrimi i relikteve prej metali dhe guri dhe sipërfaqeve të letrës është i nevojshëm për të hequr ndotësit si papastërtia dhe njollat ​​e bojës që shfaqen në sipërfaqet e tyre për shkak të historisë së tyre të gjatë. Këta ndotës duhet të hiqen për të restauruar reliktet. Për veprat e letrës si kaligrafia dhe pikturat, kur ruhen në mënyrë të papërshtatshme, myku rritet në sipërfaqet e tyre dhe formon njolla. Këto njolla ndikojnë seriozisht në pamjen origjinale të letrës, veçanërisht për letrën me vlerë të lartë kulturore ose historike, të cilat do të ndikojnë në vlerësimin dhe mbrojtjen e saj. Zhao Ying et al. studiuan mundësinë e përdorimit të lazerit ultravjollcë për të pastruar njollat ​​e mykut në rrotullat e letrës. Rezultatet eksperimentale treguan se përdorimi i një lazeri me një dendësi energjie prej 3.2 J/mm2 për të skanuar një herë mund të hiqte njollat ​​e holla, dhe skanimi dy herë mund t'i hiqte plotësisht njollat. Megjithatë, nëse energjia e lazerit e përdorur është shumë e lartë, ajo do të dëmtojë rrotullën e letrës gjatë heqjes së njollave. Zhang Xiaotong et al. restauruan me sukses një relike prej bronzi të praruar duke përdorur metodën e filmit të lëngshëm me rrezatim vertikal me lazer. Zhang Licheng et al. përdorën teknologjinë e pastrimit me lazer në restaurimin e një figurine femërore prej qeramike të pikturuar të Dinastisë Han. Yuan Xiaodong et al. studioi efektin e teknologjisë së pastrimit me lazer në pastrimin e relikteve prej guri dhe krahasoi dëmtimin e trupit të gurit ranor para dhe pas pastrimit, si dhe efektet e pastrimit të njollave të bojës, ndotjes nga tymi dhe ndotjes së bojës.

Përfundim: Teknologjia e pastrimit me lazer është një teknikë relativisht e përparuar, me perspektiva të gjera kërkimore dhe aplikimi në fusha me precizion të lartë, siç janë hapësira ajrore, pajisjet ushtarake dhe inxhinieria elektronike dhe elektrike. Aktualisht, teknologjia e pastrimit me lazer është aplikuar me sukses në disa fusha, falë performancës së saj efikase, miqësore me mjedisin dhe performancës së shkëlqyer të pastrimit. Fushat e saj të aplikimit po zgjerohen gradualisht. Zhvillimi i teknologjisë së pastrimit me lazer jo vetëm që është aplikuar në mënyrë të pjekur në fusha të tilla si heqja e bojës dhe heqja e ndryshkut, por gjithashtu ka pasur raportime për përdorimin e lazerit për të pastruar shtresën e oksidit në telat metalikë në vitet e fundit. Zgjerimi i fushave ekzistuese të aplikimit dhe zhvillimi i fushave të reja janë themeli i zhvillimit të teknologjisë së pastrimit me lazer. Hulumtimi dhe zhvillimi i pajisjeve të reja të pastrimit me lazer dhe zhvillimi i pajisjeve të reja të pastrimit me lazer do të tregojnë diferencim, duke rezultuar në funksione të ndryshme. Në të ardhmen, arritja e pastrimit plotësisht automatik me lazer përmes bashkëpunimit me robotët industrialë është gjithashtu e arritshme. Trendi i zhvillimit të teknologjisë së pastrimit me lazer është si më poshtë:

(1) Forcimi i kërkimit mbi teorinë e pastrimit me lazer për të udhëhequr zbatimin e teknologjisë së pastrimit me lazer. Pas shqyrtimit të një numri të madh dokumentesh, është konstatuar se nuk ka një sistem teorik të pjekur që mbështet teknologjinë e pastrimit me lazer dhe shumica e studimeve bazohen në eksperimente. Krijimi i një sistemi teorik të pastrimit me lazer është themeli për zhvillimin dhe pjekurinë e mëtejshme të teknologjisë së pastrimit me lazer.

(2) Zgjerimi i fushave ekzistuese të aplikimit dhe fusha të reja aplikimi. Teknologjia e pastrimit me lazer është aplikuar me sukses në fusha të tilla si heqja e bojës dhe heqja e ndryshkut, dhe ka pasur raportime për përdorimin e lazerit për të pastruar shtresën e oksidit në telat metalikë në vitet e fundit. Zgjerimi i fushave ekzistuese të aplikimit dhe zhvillimi i fushave të reja janë tokë pjellore për zhvillimin e teknologjisë së pastrimit me lazer.

(3) Hulumtimi dhe zhvillimi i pajisjeve të reja të pastrimit me lazer. Zhvillimi i pajisjeve të reja të pastrimit me lazer do të tregojë diferencim. Një lloj është pajisje me universalitet të caktuar që mbulon fusha të shumëfishta aplikimi, siç është një pajisje që mund të arrijë njëkohësisht funksione të heqjes së bojës dhe heqjes së ndryshkut. Lloji tjetër është pajisje e specializuar për nevoja specifike, siç është projektimi i pajisjeve specifike ose fibrave optike për të arritur funksionin për pastrimin e ndotësve në hapësira të vogla. Nëpërmjet bashkëpunimit me robotët industrialë, pastrimi plotësisht automatik me lazer është gjithashtu një drejtim popullor aplikimi.