Het principe, de typen en de toepassingen vanlaserreinigingtechnologie
Laserreinigingstechnologie is een succesvolle toepassing van lasertechnologie in de techniek. Het basisprincipe is het benutten van de hoge energiedichtheid van laserlicht om te reageren met de verontreinigingen die aan het werkstuk hechten. Hierdoor laten deze verontreinigingen los van het substraat door middel van onmiddellijke thermische uitzetting, smelten en gasverdamping. Laserreinigingstechnologie kenmerkt zich door een hoge efficiëntie, milieuvriendelijkheid en energiebesparing. Het wordt al succesvol toegepast in sectoren zoals het reinigen van bandenmallen, het verwijderen van verf van vliegtuigrompen en de restauratie van cultureel erfgoed.
Traditionele reinigingstechnologieën omvattenmechanische wrijvingsreiniging(Zandstralen, hogedrukwaterstraalreiniging, enz.), chemische corrosiereiniging, ultrasoon reinigen, droogijsreiniging, enz. Deze reinigingstechnologieën worden op grote schaal in diverse industrieën gebruikt. Zo kan zandstralen bijvoorbeeld roestvlekken, bramen en drielaagse lak op printplaten verwijderen door schuurmiddelen met verschillende hardheden te selecteren. Chemische corrosiereiniging wordt veel gebruikt voor het reinigen van olievlekken op apparatuuroppervlakken, kalkaanslag in ketels en oliepijpleidingen. Hoewel deze reinigingstechnologieën goed ontwikkeld zijn, kleven er nog steeds enkele problemen aan. Zandstralen kan bijvoorbeeld gemakkelijk schade aan het behandelde oppervlak veroorzaken, en chemische corrosiereiniging kan, indien niet correct uitgevoerd, leiden tot milieuvervuiling en corrosie van het gereinigde oppervlak. De opkomst van laserreinigingstechnologie vertegenwoordigt een revolutie in de reinigingstechnologie. Het maakt gebruik van de hoge energiedichtheid, hoge precisie en efficiënte overdracht van laserenergie en heeft duidelijke voordelen ten opzichte van traditionele reinigingstechnologieën wat betreft reinigingsefficiëntie, reinigingsprecisie en reinigingslocatie. Het kan effectief milieuvervuiling door chemische corrosiereiniging en andere reinigingstechnologieën voorkomen en zal het substraat niet beschadigen.
Wat is laserreiniging? Laserreiniging is een proces waarbij een laserstraal wordt gebruikt om materiaal van het oppervlak van een vaste stof (of soms een vloeistof) te verwijderen. Bij een lage laserflux wordt het materiaal verwarmd door de geabsorbeerde laserenergie en verdampt of sublimeert het. Bij een hoge laserflux verandert het materiaal meestal in plasma. Meestal verwijst laserreiniging naar het verwijderen van materiaal met behulp van gepulseerde lasers, maar als de laserintensiteit hoog genoeg is, kan een continue laserstraal worden gebruikt om het materiaal te ablateren. De excimerlaser met diep ultraviolet licht wordt voornamelijk gebruikt voor optische ablatie. De laser golflengte die wordt gebruikt voor optische ablatie is ongeveer 200 nm. De absorptiediepte van de laserenergie en de hoeveelheid materiaal die door een enkele laserpuls wordt verwijderd, hangen af van de optische eigenschappen van het materiaal, evenals de laser golflengte en de pulsduur. De totale massa die door elke laserpuls van het doel wordt geablateerd, wordt meestal de ablatiesnelheid genoemd. De scansnelheid van de laserstraal en de dekking van de scanlijn, enzovoort, hebben een aanzienlijke invloed op het ablatieproces.
Soorten laserreinigingstechnologie
1) Laserdroogreiniging: Bij drooglaserreiniging wordt het te reinigen werkstuk direct bestraald met een gepulseerde laser. Hierdoor absorberen de verontreinigingen op het oppervlak energie en stijgt de temperatuur, wat resulteert in thermische uitzetting of thermische trillingen van het oppervlak, waardoor de twee componenten van elkaar worden gescheiden. Deze methode kan grofweg worden onderverdeeld in twee situaties: de ene is dat de verontreinigingen op het oppervlak laserenergie absorberen en uitzetten; de andere is dat het oppervlak laserenergie absorbeert en thermische trillingen genereert. In 1969 ontdekten SM Bedair et al. dat verschillende oppervlaktebehandelingsmethoden, zoals warmtebehandeling, chemische corrosie en zandstralen, elk hun eigen nadelen hebben. Tegelijkertijd maakt de hoge energiedichtheid na laserfocussering het mogelijk dat materiaal van het oppervlak verdampt, waardoor niet-destructieve reiniging van het materiaaloppervlak mogelijk wordt. Uit experimenten is gebleken dat het gebruik van een robijn Q-geschakelde laser met een vermogensdichtheid van 30 MW/cm² het mogelijk maakt om oppervlakteverontreinigingen van siliciummateriaal te verwijderen zonder de basis te beschadigen. Hiermee is voor het eerst droge laserreiniging van materiaaloppervlakteverontreinigingen gerealiseerd. De totale reinigingssnelheid kan worden uitgedrukt als de snelheid waarmee filmfragmenten loslaten, zoals hieronder weergegeven:
In de formule staat ε voor de energie-index van de laserpuls, h voor de dikte-index van de verontreinigende filmlaag en E voor de elasticiteitsmodulus-index van de filmlaag.
2) Laser-natreiniging: Voordat het te reinigen werkstuk aan de gepulseerde laser wordt blootgesteld, wordt een vloeibare voorbehandelingslaag aangebracht. Onder invloed van de laser stijgt de temperatuur van de vloeibare laag snel en verdampt deze. Op het moment van verdamping ontstaat een impactgolf die inwerkt op de vervuilende deeltjes en ervoor zorgt dat ze loskomen van het substraat. Deze methode vereist dat het substraat en de vloeibare laag niet met elkaar reageren, waardoor het toepassingsgebied van materialen beperkt is. In 1991 onderzochten K. Imen et al. het probleem van resterende submicron-vervuilende deeltjes op de oppervlakken van halfgeleiderwafers en metalen materialen na gebruik van traditionele reinigingsmethoden. Zij bestudeerden de toepassing van een coating op het oppervlak van het substraat die laserenergie efficiënt kan absorberen. Vervolgens absorbeerde de film, met behulp van een CO2-laser, de laserenergie, waardoor de temperatuur snel steeg en de vloeistof kookte. Dit genereerde een explosieve verdamping, waardoor de vervuilende stoffen van het substraatoppervlak werden verwijderd. Deze reinigingsmethode wordt laser-natreiniging genoemd.
3) Laserplasma-schokgolfreiniging: Laserplasma-schokgolven worden gegenereerd wanneer de laser het luchtmedium bestraalt en een bolvormige plasmaschokgolf vormt. De schokgolf werkt in op het oppervlak van het te reinigen werkstuk en geeft energie vrij om de verontreinigingen te verwijderen. De laser werkt niet in op het substraat, waardoor dit niet beschadigd raakt. De laserplasma-schokgolfreinigingstechnologie kan nu deeltjes met een diameter van enkele tientallen nanometers reinigen, en er zijn geen beperkingen aan de lasergolflengte. Het fysische principe van plasmareiniging kan als volgt worden samengevat: a) De door de laser uitgezonden laserstraal wordt geabsorbeerd door de verontreinigingslaag op het te behandelen oppervlak. b) De grote hoeveelheid absorptie vormt een snel expanderend plasma (sterk geïoniseerd, instabiel gas) en genereert een schokgolf. c) De schokgolf zorgt ervoor dat de verontreinigingen fragmenteren en worden verwijderd. d) De pulsbreedte van de lichtpuls moet kort genoeg zijn om warmteaccumulatie te voorkomen die het behandelde oppervlak zou kunnen beschadigen. e) Experimenten hebben aangetoond dat er plasma wordt gegenereerd op het metalen oppervlak wanneer er oxiden aanwezig zijn. Plasma ontstaat alleen wanneer de energiedichtheid een drempelwaarde overschrijdt, die afhankelijk is van de verwijderde verontreinigingslaag of oxidelaag. Dit drempeleffect is cruciaal voor een effectieve reiniging en tegelijkertijd de veiligheid van het substraatmateriaal te waarborgen. Er is ook een tweede drempelwaarde voor het ontstaan van plasma. Als de energiedichtheid deze drempelwaarde overschrijdt, raakt het substraatmateriaal beschadigd. Om een effectieve reiniging te realiseren en tegelijkertijd de veiligheid van het substraatmateriaal te garanderen, moeten de laserparameters worden aangepast aan de situatie, zodat de energiedichtheid van de lichtpuls strikt tussen de twee drempelwaarden ligt. In 2001 maakten JM Lee et al. gebruik van de eigenschap dat lasers met een hoog vermogen plasmaschokgolven produceren wanneer ze gefocusseerd worden. Ze gebruikten een pulslaser met een energiedichtheid van 2,0 J/cm² (veel hoger dan de schadedrempel van siliciumwafers) om parallel aan de siliciumwafer te bestralen en reinigden met succes wolfraamdeeltjes van 1 μm die op het oppervlak van de siliciumwafer waren geadsorbeerd. Deze reinigingsmethode wordt laserplasmaschokgolfreiniging genoemd en is, strikt genomen, een vorm van droge laserreiniging. Het oorspronkelijke doel van deze drie laserreinigingstechnologieën was het verwijderen van minuscule deeltjes op het oppervlak van halfgeleiderwafels. Laserreinigingstechnologie is als het ware ontstaan met de ontwikkeling van halfgeleidertechnologie. De technologie wordt echter steeds vaker toegepast in andere gebieden, zoals het reinigen van bandenmallen, het verwijderen van verf van vliegtuigrompen en het restaureren van oppervlakken van objecten. Onder laserstraling wordt inert gas op het substraatoppervlak geblazen. Wanneer de verontreinigingen van het oppervlak loskomen, worden ze direct door het gas weggeblazen, waardoor herverontreiniging en oxidatie van het oppervlak worden voorkomen.
Detoepassing van laserreinigingstechnologie
1) In de halfgeleiderindustrie omvat het reinigen van halfgeleiderwafers en optische substraten hetzelfde proces: het bewerken van de grondstoffen tot de gewenste vormen door middel van snijden, slijpen, enz. Tijdens dit proces worden deeltjesverontreinigingen geïntroduceerd die moeilijk te verwijderen zijn en ernstige, terugkerende verontreinigingsproblemen veroorzaken. De verontreinigingen op het oppervlak van halfgeleiderwafers kunnen de kwaliteit van de printplaat beïnvloeden en daarmee de levensduur van halfgeleiderchips verkorten. De verontreinigingen op het oppervlak van optische substraten kunnen de kwaliteit van optische componenten en coatings beïnvloeden en leiden tot een ongelijkmatige energieverdeling, waardoor de levensduur eveneens wordt verkort. Omdat droogreiniging met een laser de kans op beschadiging van het substraatoppervlak vergroot, wordt deze reinigingsmethode minder gebruikt voor het reinigen van halfgeleiderwafers en optische substraten. Natreiniging met een laser en laserplasma-schokgolfreiniging hebben succesvollere toepassingen op dit gebied. Xu Chuanyi et al. onderzochten de depositie van een micro-schaal speciale magnetische verf op het oppervlak van ultragladde optische substraten als diëlektrische film en gebruikten vervolgens een gepulseerde laser voor reiniging. Het reinigingseffect was goed, hoewel het aantal onzuiverheidsdeeltjes per oppervlakte-eenheid toenam, werden de grootte en het dekkingsgebied van de onzuiverheidsdeeltjes aanzienlijk verminderd. Deze methode kan de micro-onzuiverheidsdeeltjes op het oppervlak van ultragladde optische substraten effectief reinigen. Zhang Ping onderzocht de invloed van de werkafstand en laserenergie op het reinigingseffect van verontreinigingen met verschillende deeltjesgroottes in laserplasmareinigingstechnologie. De experimentele resultaten toonden aan dat voor polystyreendeeltjes op geleidende glassubstraten de optimale werkafstand bij een energie van 240 mJ 1,90 mm was. Naarmate de laserenergie toenam, verbeterde het reinigingseffect aanzienlijk en waren grotere verontreinigingsdeeltjes gemakkelijker te verwijderen.
2) In de metaalindustrie verschilt de reiniging van metaaloppervlakken van de reiniging van halfgeleiderwafels en optische substraten. De te reinigen verontreinigingen vallen in de macroscopische categorie. Deze verontreinigingen op het oppervlak van metalen materialen bestaan voornamelijk uit oxidelagen (roestlagen), verflagen, coatings en andere aanhechtingen, en kunnen worden onderverdeeld in organische verontreinigingen (zoals verflagen en coatings) en anorganische verontreinigingen (zoals roestlagen). Het reinigen van metaaloppervlakken is vooral bedoeld om te voldoen aan de eisen van de daaropvolgende verwerking of het gebruik. Voorbeelden hiervan zijn het verwijderen van een oxidelaag van ongeveer 10 μm van het oppervlak van titaniumlegeringen vóór het lassen, het verwijderen van de originele verflaag op de romp van vliegtuigen tijdens grote reparaties om het opnieuw spuiten te vergemakkelijken, en het regelmatig reinigen van rubberdeeltjes die aan de rubberbandmal vastzitten om de reinheid van het oppervlak en de kwaliteit en levensduur van de mal te garanderen. De schadedrempel van metalen materialen ligt hoger dan die van de laserreinigingsdrempel van de oppervlakteverontreinigingen. Door een laser met een geschikt vermogen te kiezen, kan een beter reinigingsresultaat worden bereikt. Deze technologie wordt al op diverse gebieden toegepast. Wang Lihua et al. onderzochten de toepassing van laserreinigingstechnologie bij de behandeling van oxidehuidjes op oppervlakken van aluminium- en titaniumlegeringen. De onderzoeksresultaten toonden aan dat een laser met een energiedichtheid van 5,1 J/cm² de oxidehuid op het oppervlak van de A5083-111H aluminiumlegering kon verwijderen zonder de kwaliteit van het substraat aan te tasten. Een gepulseerde laser met een gemiddeld vermogen van 100 W in een scannende modus bleek de oxidehuid op het oppervlak van titaniumlegeringen effectief te verwijderen en de hardheid van het materiaaloppervlak te verbeteren. Chinese bedrijven zoals Ruike Laser, Daqu Laser en Shenzhen Chuangxin hebben laserreinigingsapparatuur ontwikkeld die veelvuldig wordt gebruikt voor het reinigen van rubberen mallen, zoals banden, roestlagen op metaal en olievlekken op het oppervlak van componenten.
3) Op het gebied van cultureel erfgoed is het reinigen van metalen en stenen voorwerpen en papieren oppervlakken noodzakelijk om verontreinigingen zoals vuil en inktvlekken te verwijderen die door hun lange geschiedenis op de oppervlakken zijn ontstaan. Deze verontreinigingen moeten worden verwijderd om de voorwerpen te restaureren. Bij papieren werken zoals kalligrafie en schilderijen kan schimmelvorming optreden wanneer ze onjuist worden opgeslagen. Deze vlekken tasten het oorspronkelijke uiterlijk van het papier ernstig aan, vooral bij papier met een hoge culturele of historische waarde, wat de waardering en bescherming ervan kan beïnvloeden. Zhao Ying et al. onderzochten de haalbaarheid van het gebruik van een ultraviolette laser om schimmelvlekken op papieren rollen te verwijderen. De experimentele resultaten toonden aan dat het gebruik van een laser met een energiedichtheid van 3,2 J/mm² bij een enkele scan dunne vlekken kon verwijderen, en dat een dubbele scan de vlekken volledig kon verwijderen. Echter, als de gebruikte laserenergie te hoog is, kan de papieren rol beschadigd raken tijdens het verwijderen van de vlekken. Zhang Xiaotong et al. restaureerden met succes een verguld bronzen voorwerp met behulp van de laser verticale bestraling vloeibare filmmethode. Zhang Licheng et al. Bij de restauratie van een beschilderd aardewerken beeldje van een vrouw uit de Han-dynastie werd laserreinigingstechnologie gebruikt. Yuan Xiaodong et al. onderzochten het effect van laserreinigingstechnologie op het reinigen van stenen artefacten en vergeleken de schade aan het zandstenen lichaam vóór en na de reiniging, evenals de effecten van het verwijderen van inktvlekken, rookvervuiling en verfvervuiling.
Conclusie: Laserreinigingstechnologie is een relatief geavanceerde techniek met brede onderzoeks- en toepassingsmogelijkheden in precisiegebieden zoals de lucht- en ruimtevaart, militaire apparatuur en elektronica en elektrotechniek. Dankzij de efficiëntie, milieuvriendelijkheid en uitstekende reinigingsprestaties wordt laserreinigingstechnologie momenteel al succesvol toegepast in diverse sectoren. De toepassingsgebieden breiden zich gestaag uit. Laserreinigingstechnologie wordt niet alleen al volop toegepast voor het verwijderen van verf en roest, maar er zijn de laatste jaren ook meldingen van het gebruik van lasers voor het reinigen van de oxidatielaag op metalen draden. De uitbreiding van bestaande toepassingsgebieden en de ontwikkeling van nieuwe gebieden vormen de basis voor de verdere ontwikkeling van laserreinigingstechnologie. Het onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe laserreinigingsapparatuur zullen zich verder ontwikkelen en diverse functionaliteiten opleveren. In de toekomst is volledig automatische laserreiniging in combinatie met industriële robots ook haalbaar. De ontwikkelingstrend van laserreinigingstechnologie is als volgt:
(1) Het versterken van het onderzoek naar de theorie van laserreiniging om de toepassing van laserreinigingstechnologie te sturen. Na bestudering van een groot aantal documenten blijkt dat er geen volwaardig theoretisch systeem bestaat dat laserreinigingstechnologie ondersteunt, en dat de meeste studies gebaseerd zijn op experimenten. Het opzetten van een theoretisch systeem voor laserreiniging is de basis voor de verdere ontwikkeling en volwassenwording van laserreinigingstechnologie.
(2) Uitbreiding van bestaande toepassingsgebieden en de ontwikkeling van nieuwe toepassingsgebieden. Laserreinigingstechnologie is met succes toegepast op gebieden zoals het verwijderen van verf en roest, en er zijn de afgelopen jaren meldingen geweest van het gebruik van lasers om de oxidelaag op metalen draden te reinigen. De uitbreiding van bestaande toepassingsgebieden en de ontwikkeling van nieuwe gebieden vormen een vruchtbare bodem voor de ontwikkeling van laserreinigingstechnologie.
(3) Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe laserreinigingsapparatuur. De ontwikkeling van nieuwe laserreinigingsapparatuur zal zich onderscheiden. Het ene type betreft apparatuur met een zekere universaliteit die meerdere toepassingsgebieden bestrijkt, zoals een apparaat dat tegelijkertijd verf en roest kan verwijderen. Het andere type betreft gespecialiseerde apparatuur voor specifieke behoeften, zoals het ontwerpen van specifieke hulpstukken of optische vezels om de functie van het reinigen van verontreinigende stoffen in kleine ruimtes te realiseren. Door samenwerking met industriële robots is volledig automatische laserreiniging ook een populaire toepassingsrichting.
Geplaatst op: 17 juli 2025
