LaserreinigingstechnologieLaserreiniging is een succesvolle toepassing van lasertechnologie in de technische sector. Het basisprincipe maakt gebruik van de hoge energiedichtheid van lasers om interactie mogelijk te maken tussen laserstralen en verontreinigingen die aan werkstukken hechten. De verontreinigingen worden van de ondergrond verwijderd door middel van onmiddellijke thermische uitzetting, smelten, gasverdamping en andere mechanismen. Laserreinigingstechnologie, die zich kenmerkt door een hoge efficiëntie, milieuvriendelijkheid en energiebesparing, wordt met succes toegepast bij het reinigen van bandenmallen, het verwijderen van vliegtuiglak, de restauratie van cultureel erfgoed en andere gebieden.
Traditionele reinigingstechnologieën omvatten mechanische wrijvingsreiniging (zandstralen, hogedrukwaterstraalreiniging, enz.), chemische corrosiereiniging, ultrasoonreiniging, droogijsreiniging en meer. Deze technologieën worden op grote schaal in diverse industrieën gebruikt. Zandstralen kan bijvoorbeeld roestvlekken, bramen en beschermende coatings op printplaten verwijderen door schuurmiddelen met verschillende hardheden te selecteren. Chemische corrosiereiniging wordt veelvuldig toegepast voor het verwijderen van olieaanslag op apparatuur, het reinigen van ketelaanslag en het ontstoppen van oliepijpleidingen. Hoewel beproefde traditionele methoden bestaan, hebben ze aanzienlijke nadelen: zandstralen beschadigt gemakkelijk behandelde oppervlakken en chemische corrosiereiniging veroorzaakt milieuvervuiling en kan substraten aantasten bij onjuist gebruik. De opkomst van laserreiniging markeert een revolutie in de reinigingstechnologie. Door gebruik te maken van de hoge energiedichtheid, precisie en efficiënte transmissie van lasers, presteert laserreiniging beter dan traditionele methoden op het gebied van reinigingsefficiëntie, precisie en positionering. Het elimineert de milieuvervuiling van chemische reiniging en veroorzaakt geen schade aan substraten.
Principes van laserreiniging
Wat is laserreiniging precies? Het verwijst naar het proces waarbij materialen van vaste (of soms vloeibare) oppervlakken worden verwijderd door middel van laserbestraling. Bij een lage laserintensiteit verhit de geabsorbeerde laserenergie de materialen, waardoor verdamping of sublimatie optreedt. Bij een hoge laserintensiteit zetten materialen zich doorgaans om in plasma. Laserreiniging maakt meestal gebruik van gepulseerde lasers voor materiaalverwijdering, hoewel lasers met een continue golflengte materialen ook bij voldoende intensiteit kunnen ablateren. Diep-ultraviolette excimerlasers, met golflengten rond de 200 nm, worden voornamelijk gebruikt voor fotoablatie.
De diepte vanlaserenergieDe absorptie en de hoeveelheid materiaal die per puls wordt verwijderd, hangen af van de optische eigenschappen van het materiaal, evenals de laser golflengte en de pulsduur. De totale massa die per puls van een doelwit wordt verwijderd, wordt gedefinieerd als de ablatiesnelheid. Laserstralingseigenschappen zoals scansnelheid en lijndekking hebben een aanzienlijke invloed op het ablatieproces.
Soorten laserreinigingstechnologie
1) Laserstomerij
Laserstomerij houdt in datDirecte gepulseerde laserbestraling van werkstukken. Verontreinigingen of substraten absorberen laserenergie, waardoor hun temperatuur stijgt en thermische uitzetting of thermische trillingen van het substraat optreden. Dit zorgt ervoor dat de verontreinigingen loskomen van het substraat. Dit gebeurt in twee scenario's: ofwel absorberen oppervlakteverontreinigingen laserenergie en zetten uit, ofwel absorberen substraten energie en gaan thermisch trillen.
In 1969 ontdekten SM Bedair et al. dat conventionele oppervlaktebehandelingen (warmtebehandeling, chemische corrosie, zandstralen) allemaal beperkingen hadden. Ze observeerden dat de hoge energiedichtheid van gefocusseerde lasers oppervlaktematerialen kon verdampen zonder de substraten te beschadigen. Experimenten bevestigden dat een Q-geschakelde robijnlaser met een vermogensdichtheid van 30 MW/cm² verontreinigingen van siliciumoppervlakken kon verwijderen zonder het substraat te beschadigen, waarmee de eerste toepassing van laserdroogreiniging een feit was.
De algehele reinigingssnelheid kan worden uitgedrukt aan de hand van de mate waarin filmresten loslaten, zoals hieronder weergegeven:
(Formule: ε—index van de laserpulsenergie; h—index van de dikte van de verontreinigingslaag; E—index van de elasticiteitsmodulus van de laag)
2) Laser natreiniging
Voordat de gepulseerde laser wordt gebruikt, wordt er een vloeibare film op het werkstukoppervlak aangebracht. De laserenergie verhit en verdampt de film snel, waardoor een onmiddellijke schokgolf ontstaat die verontreinigende deeltjes van het substraat losmaakt. Deze methode vereist geen chemische reactie tussen het substraat en de vloeibare film, waardoor het toepasbaarheidsgebied van de materialen beperkt is.
In 1991 onderzochten K. Imen et al. resterende submicronverontreinigingen op halfgeleiderwafers en metalen na conventionele reiniging. Ze bedekten substraten met een laserabsorberende film en bestraalden deze met een CO₂-laser. De film absorbeerde energie, verhitte snel, kookte en onderging explosieve verdamping, waardoor oppervlakteverontreinigingen werden verwijderd – dit wordt laser-natte reiniging genoemd.
3) Laserplasma-schokgolfreiniging
Laserplasmaschokgolven ontstaan wanneer lasers lucht ioniseren tot bolvormige plasmaschokgolven tijdens bestraling. Deze schokgolven raken substraten, waarbij energie vrijkomt om verontreinigingen te verwijderen zonder het substraat te beschadigen (lasers interageren niet rechtstreeks met substraten). Deze technologie reinigt deeltjes zo klein als tientallen nanometers en stelt geen beperkingen aan de laser golflengte.
De fysische principes van plasmareiniging worden als volgt samengevat:
a) Laserstralen worden geabsorbeerd door de verontreinigingslaag op het doeloppervlak.
b) Door hoge energieabsorptie ontstaat snel uitzettend plasma (een sterk geïoniseerd, instabiel gas), wat schokgolven genereert.
c) Schokgolven fragmenteren en verwijderen verontreinigingen.
d) Laserpulsen moeten kort genoeg zijn om warmteophoping te voorkomen die het substraat beschadigt.
e) Experimenten tonen aan dat er plasma ontstaat op metalen oppervlakken wanneer er oxiden aanwezig zijn.
Plasmavorming vindt alleen plaats boven een bepaalde energiedichtheidsdrempel, die afhankelijk is van de te verwijderen verontreiniging of oxidelaag. Er bestaat een tweede, hogere drempelwaarde, waarboven het substraat beschadigd raakt. Om effectieve reiniging te garanderen zonder het substraat te beschadigen, moeten de laserparameters zo worden afgesteld dat de pulsenergiedichtheid tussen deze twee drempelwaarden blijft.
In 2001 maakten JM Lee et al. gebruik van plasmaschokgolven van krachtige, gefocusseerde lasers. Een gepulseerde laser met een energiedichtheid van 2,0 J/cm² (ver boven de schadedrempel van silicium) bestraalde parallel siliciumwafers, waardoor succesvol wolfraamdeeltjes van 1 μm werden verwijderd. Strikt genomen is laserplasmaschokgolfreiniging een subcategorie van droogreiniging.
Deze drie laserreinigingstechnologieën, oorspronkelijk ontwikkeld voor het verwijderen van microscopische deeltjes van halfgeleiderwafels, worden nu ook gebruikt voor het reinigen van bandenmallen, het verwijderen van verf van vliegtuigrompen, de restauratie van cultureel erfgoed en meer. Tijdens de laserbestraling kan inert gas op de substraten worden geblazen om losgekomen verontreinigingen direct te verwijderen, waardoor herbesmetting en oxidatie worden voorkomen.
Toepassingen van laserreinigingstechnologie
1) Halfgeleiderindustrie: Reiniging van halfgeleiderwafers en optische substraten
Halfgeleiderwafers en optische substraten ondergaan identieke verwerkingsstappen (snijden, slijpen) om de gewenste vormen te verkrijgen. Hierbij komen deeltjesverontreinigingen vrij die moeilijk te verwijderen zijn en die vatbaar zijn voor herverontreiniging. Verontreinigingen op wafers verminderen de kwaliteit van de printplaten en verkorten de levensduur van de chips. Op optische substraten tasten ze de prestaties van optische componenten en coatings aan, wat leidt tot een ongelijkmatige energieverdeling en een kortere levensduur.
Laserdroogreiniging wordt hier zelden gebruikt vanwege het risico op beschadiging van het substraat, terwijl natreiniging en plasmaschokgolfreiniging talrijke succesvolle toepassingen kennen. Xu Chuanyi et al. brachten magnetische verf op micronniveau aan als diëlektrische film op ultragladde optische substraten, waarmee ze effectieve gepulseerde laserreiniging bereikten. Hoewel het totale aantal onzuiverheidsdeeltjes toenam, namen hun grootte en bedekking significant af. Zhang Ping onderzocht de effecten van de werkafstand en laserenergie op de reinigingsefficiëntie voor deeltjes van verschillende groottes. Experimenten toonden aan dat een laser van 240 mJ optimale reiniging van polystyreendeeltjes op geleidend glas bereikte bij een werkafstand van 1,90 mm. De reinigingsefficiëntie verbeterde met een hogere laserenergie en grotere deeltjes waren gemakkelijker te verwijderen.
2) Metaalindustrie: Reiniging van metalen oppervlakken
Metaaloppervlaktereiniging richt zich op macroscopische verontreinigingen: oxide-/roestlagen, verf, coatings en andere aanhechtingen, onderverdeeld in organische (verf, coatings) en anorganische (roest) verontreinigingen. De reiniging voldoet aan de eisen voor de daaropvolgende verwerking/het gebruik: bijvoorbeeld het verwijderen van 10 μm dikke oxidelagen van titaniumlegeringen vóór het lassen, het verwijderen van verf van vliegtuigrompen voor herlaking en het reinigen van rubberresten uit bandenmallen om de productkwaliteit en de levensduur van de mal te garanderen.
Metalen hebben een hogere schadedrempel dan hun drempel voor het verwijderen van verontreinigingen, waardoor effectieve reiniging met lasers van het juiste vermogen mogelijk is. Bewezen toepassingen zijn onder andere: Wang Lihua et al. toonden aan dat een laser van 5,1 J/cm² oxidelagen verwijderde van de aluminiumlegering A5083-111H met behoud van de substraatkwaliteit, en dat een gepulseerde laser van 100 W effectief oxidelagen van titaniumlegeringen reinigde en de oppervlaktehardheid verbeterde. Binnenlandse fabrikanten (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) leveren op grote schaal laserreinigingsapparatuur voor het verwijderen van rubbermallen, metaalroest en olie van onderdelen.
3) Conservering van cultureel erfgoed: Reiniging van cultureel erfgoed en papieren artefacten
Culturele artefacten van metaal en steen verzamelen na verloop van tijd vuil, inktvlekken en andere verontreinigingen, die verwijderd moeten worden om hun oorspronkelijke uiterlijk te herstellen. Papieren artefacten (schilderijen, kalligrafie) ontwikkelen schimmel en aanslag bij onjuiste opslag, waardoor hun conditie en culturele/historische waarde ernstig worden aangetast.
Zhao Ying et al. hebben de UV-laserreiniging van schimmelvlekken op rijstpapier geverifieerd: een enkele scan met 3,2 J/mm² verwijderde dunne vlekken, terwijl twee scans volledige verwijdering bewerkstelligden; te hoge laserenergie beschadigde het papier. Zhang Xiaotong restaureerde met succes een verguld bronzen artefact met behulp van de natte lasermethode. Zhang Licheng paste laserreiniging toe op een beschilderd aardewerken beeldje van een vrouw uit de Han-dynastie. Yuan Xiaodong et al. evalueerden de effectiviteit van laserreiniging voor stenen relikwieën, waarbij ze de schade aan het substraat en de verwijderingsefficiëntie van inkt-, rook- en verfvlekken op zandsteen vergeleken.
Conclusie
Laserreiniging is een geavanceerde technologie met brede onderzoeks- en toepassingsmogelijkheden in de lucht- en ruimtevaart, militaire apparatuur, elektronica en andere precisiegebieden. De technologie is al in diverse industrieën ingeburgerd vanwege haar efficiëntie, milieuvriendelijkheid en superieure reinigingsresultaten, en de toepassingen ervan blijven zich uitbreiden. Naast de reeds bekende toepassingen voor het verwijderen van verf en roest, omvatten recente ontwikkelingen het laserreinigen van oxidatielagen op metalen draden. Toekomstige ontwikkelingen zijn afhankelijk van het uitbreiden van bestaande toepassingen, het betreden van nieuwe gebieden en het innoveren van apparatuur.
- Versterk theoretisch onderzoek om praktische toepassingen te sturen. Huidig onderzoek is sterk gebaseerd op experimenten en mist een volwaardig theoretisch kader. Het opzetten van een dergelijk kader is cruciaal voor technologische volwassenheid.
- Breid de toepassingsmogelijkheden uit naar bestaande en nieuwe gebieden. De markt voor verf- en roestverwijdering is al goed ingeburgerd, maar er komen ook nieuwe toepassingen bij, zoals het reinigen van metaaldraad met oxidecoating. Dit biedt een vruchtbare bodem voor groei.
- Ontwikkel nieuwe laserreinigingsapparatuur, met een verschuiving naar multifunctionele universele apparaten (bijvoorbeeld gecombineerde verf-/roestverwijdering) en gespecialiseerde gereedschappen (bijvoorbeeld op maat gemaakte hulpstukken/vezels voor krappe ruimtes). Volledige automatisering door integratie met industriële robots is een veelbelovende richting.
Publicatiedatum: 14 mei 2026
