Laserrensningsteknologier en succesfuld anvendelse af laserteknologi inden for ingeniørområdet. Dens grundlæggende princip udnytter laseres høje energitæthed til at muliggøre interaktion mellem laserstråler og forurenende stoffer, der klæber til emnesubstrater. Forurenende stoffer adskilles fra substrater via øjeblikkelig termisk udvidelse, smeltning, gasfordampning og andre mekanismer. Med høj effektivitet, miljøvenlighed og energibesparelse er laserrensningsteknologi med succes blevet anvendt til rengøring af dækforme, fjernelse af flykarosserilak, restaurering af kulturelle relikvier og andre områder.
Traditionelle rengøringsteknologier omfatter mekanisk friktionsrensning (sandblæsning, højtryksrensning med vandstråle osv.), kemisk korrosionsrensning, ultralydsrensning, tørisrensning og mere. Disse teknologier anvendes i vid udstrækning på tværs af brancher. For eksempel kan sandblæsning fjerne metalrustpletter, overfladegrater og konforme belægninger på printkort ved at vælge slibemidler med varierende hårdhed. Kemisk korrosionsrensning anvendes i vid udstrækning til fjernelse af oliebelægninger på udstyr, rengøring af kedelbelægninger og afstopning af olierørledninger. Selvom de er modne, har traditionelle metoder bemærkelsesværdige ulemper: sandblæsning beskadiger let behandlede overflader, og kemisk korrosionsrensning forårsager miljøforurening og kan korrodere substrater, hvis de betjenes forkert. Fremkomsten af laserrensning markerer en revolution inden for rengøringsteknologi. Ved at udnytte laseres høje energitæthed, præcision og effektive transmission overgår laserrensning traditionelle metoder inden for rengøringseffektivitet, præcision og positionering. Det eliminerer miljøforurening fra kemisk rengøring og forårsager ingen skade på substrater.
Principper for laserrensning
Hvad er laserrensning præcist? Det refererer til processen med at fjerne materialer fra faste (eller lejlighedsvis flydende) overflader via laserstrålebestråling. Ved lav laserfluens opvarmer absorberet laserenergi materialer, hvilket forårsager fordampning eller sublimering. Ved høj laserfluens omdannes materialer typisk til plasma. Laserrensning anvender normalt pulserende lasere til materialefjernelse, selvom kontinuerlige laserstråler kan ablatere materialer med tilstrækkelig intensitet. Dyb ultraviolette excimerlasere med bølgelængder omkring 200 nm bruges primært til fotoablation.
Dybden aflaserenergiAbsorption og mængden af materiale, der fjernes pr. puls, afhænger af materialets optiske egenskaber, såvel som laserens bølgelængde og pulsvarighed. Den samlede masse, der ablateres fra et mål pr. puls, defineres som ablationshastigheden. Laserstrålingens egenskaber såsom scanningshastighed og linjedækning påvirker ablationsprocessen betydeligt.
Typer af laserrensningsteknologi
1) Laserrensning
Laserrensning involvererDirekte pulserende laserbestråling af emner. Forurenende stoffer eller substrater absorberer laserenergi, hvilket hæver deres temperatur og inducerer termisk udvidelse eller termisk vibration i substratet, som adskiller forurenende stoffer fra substrater. Det forekommer i to scenarier: enten absorberer overfladeforurenende stoffer laserenergi og udvider sig, eller substrater absorberer energi og vibrerer termisk.
I 1969 fandt SM Bedair et al., at konventionelle overfladebehandlinger (varmebehandling, kemisk korrosion, sandblæsning) alle havde begrænsninger. De observerede, at den høje energitæthed af fokuserede lasere kunne fordampe overfladematerialer uden at beskadige substrater. Eksperimenter bekræftede, at en Q-switched rubinlaser med en effekttæthed på 30 MW/cm² kunne rense forurenende stoffer fra siliciumoverflader uden at beskadige substratet, hvilket markerede den første implementering af laserrensning.
Den samlede rengøringshastighed kan udtrykkes via afløsningshastigheden af filmrester, som vist nedenfor:
(Formel: ε—laserpulsenergiindeks; h—forureningsfilmtykkelsesindeks; E—filmens elasticitetsmodulindeks)
2) Laser vådrensning
Før pulserende laserbestråling påføres en flydende film på emnets overflade. Laserenergi opvarmer og fordamper hurtigt filmen, hvilket genererer en øjeblikkelig chokbølge, der løsner forurenende partikler fra substratet. Denne metode kræver ingen kemisk reaktion mellem substratet og den flydende film, hvilket begrænser dens anvendelige materialer.
I 1991 undersøgte K. Imen et al. resterende submikronforurenende stoffer på halvlederwafere og metaller efter konventionel rengøring. De belagde substrater med en laserabsorberende film og bestrålede den med en CO₂-laser. Filmen absorberede energi, opvarmede hurtigt, kogte og gennemgik eksplosiv fordampning, hvorved overfladeforurenende stoffer blev fjernet – dette definerer laservådrensning.
3) Laserplasma-chokbølgerensning
Laserplasmachokbølger dannes, når lasere ioniserer luft til sfæriske plasmachokbølger under bestråling. Disse chokbølger rammer substrater og frigiver energi for at fjerne forurenende stoffer uden at beskadige substratet (lasere interagerer ikke direkte med substrater). Denne teknologi renser partikler så små som ti nanometer og pålægger ingen begrænsninger på laserbølgelængden.
De fysiske principper for plasmarensning er opsummeret som følger:
a) Laserstråler absorberes af forureningslaget på måloverfladen.
b) Høj energiabsorption danner hurtigt ekspanderende plasma (stærkt ioniseret ustabil gas), der genererer chokbølger.
c) Chokbølger fragmenterer og fjerner forurenende stoffer.
d) Laserpulser skal være korte nok til at undgå varmeophobning, der beskadiger substratet.
e) Eksperimenter viser, at plasma dannes på metaloverflader, når der er oxider til stede.
Plasmagenerering forekommer kun over en energitæthedstærskel, som afhænger af det forurenende stof eller oxidlag, der skal fjernes. Der findes en anden højere tærskel, over hvilken substratet beskadiges. For at sikre effektiv rengøring uden at beskadige substratet skal laserparametrene justeres for at holde pulsenergitætheden mellem de to tærskler.
I 2001 udnyttede JM Lee et al. plasmachokbølger fra højtydende fokuserede lasere. En pulserende laser med en energitæthed på 2,0 J/cm² (langt over siliciums skadestærskel) bestrålede siliciumwafere parallelt og fjernede med succes 1 μm wolframpartikler. Strengt taget er laserplasmachokbølgerensning en delmængde af tørrensning.
Disse tre laserrensningsteknologier, der oprindeligt blev udviklet til at fjerne mikroskopiske partikler fra halvlederwafere, har nu udvidet sig til rengøring af dækforme, fjernelse af maling på flyskinnende overflader, restaurering af kulturelle relikvier og mere. Inert gas kan blæses på substrater under laserbestråling for øjeblikkeligt at fjerne løsrevne forurenende stoffer og dermed forhindre rekontaminering og oxidation.
Anvendelser af laserrensningsteknologi
1) Halvlederindustri: Rengøring af halvlederwafere og optiske substrater
Halvlederwafere og optiske substrater gennemgår identiske bearbejdningstrin (skæring, slibning) for at danne de ønskede former, hvilket introducerer partikelformige forurenende stoffer, der er vanskelige at fjerne og tilbøjelige til rekontaminering. Forurenende stoffer på wafere forringer kredsløbsprintkvaliteten og forkorter chippens levetid. På optiske substrater forringer de den optiske enhed og belægningens ydeevne, hvilket forårsager ujævn energifordeling og reduceret levetid.
Laserrensning anvendes sjældent her på grund af risiko for substratskader, mens vådrensning og plasmachokbølgerensning har adskillige succesfulde anvendelser. Xu Chuanyi et al. aflejrede magnetisk maling i mikronskala som en dielektrisk film på ultraglatte optiske substrater, hvilket opnåede effektiv pulserende laserrensning. Selvom de samlede urenhedspartikler steg, faldt deres størrelse og dækning betydeligt. Zhang Ping undersøgte virkningerne af arbejdsafstand og laserenergi på rengøringseffektiviteten for partikler af varierende størrelser. Eksperimenter viste, at en 240 mJ laser opnåede optimal rengøring af polystyrenpartikler på ledende glas ved en arbejdsafstand på 1,90 mm. Rengøringseffektiviteten forbedredes med højere laserenergi, og større partikler var lettere at fjerne.
2) Metalindustri: Rengøring af metaloverflader
Rengøring af metaloverflader er rettet mod makroskopiske forurenende stoffer: oxid-/rustlag, maling, belægninger og andre vedhæftede stoffer, kategoriseret som organiske (maling, belægninger) eller uorganiske (rust) forurenende stoffer. Rengøringen opfylder efterfølgende forarbejdnings-/brugskrav: f.eks. fjernelse af 10 μm tykke oxidlag fra titanlegeringer før svejsning, afrensning af maling fra flybeklædning til omlakering og rengøring af gummirester fra dækforme for at sikre produktkvalitet og formens levetid.
Metaller har højere skadestærskler end deres tærskler for rengøring af forurenende stoffer, hvilket muliggør effektiv rengøring med passende drevne lasere. Modne anvendelser inkluderer: Wang Lihua et al. demonstrerede, at en 5,1 J/cm² laser fjernede oxidlag fra A5083-111H aluminiumlegering, samtidig med at substratkvaliteten bevaredes, og en 100 W pulserende laser rensede effektivt oxidlag af titanlegeringer og forbedrede overfladehårdheden. Indenlandske producenter (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) leverer i vid udstrækning laserrengøringsudstyr til fjernelse af gummiforme, metalrust og olie fra dele.
3) Bevaring af kulturelle relikvier: Rengøring af kulturelle relikvier og papirartefakter
Metal- og stenkulturelle relikvier ophober snavs, blækpletter og andre forurenende stoffer over tid, hvilket kræver fjernelse for at genskabe det oprindelige udseende. Papirartefakter (malerier, kalligrafi) udvikler mug og plak under forkert opbevaring, hvilket forringer deres tilstand og kulturelle/historiske værdi alvorligt.
Zhao Ying et al. verificerede UV-laserrensning af formplakker på rispapir: en enkelt scanning ved 3,2 J/mm² fjernede tynde plakker, mens to scanninger opnåede fuldstændig fjernelse; overdreven laserenergi beskadigede papiret. Zhang Xiaotong restaurerede med succes en forgyldt bronzeartefakt ved hjælp af laservådmetoden. Zhang Licheng anvendte laserrensning på en malet kvindelig keramikfigur fra Han-dynastiet. Yuan Xiaodong et al. evaluerede laserrensningseffektiviteten af stenrester og sammenlignede substratskader og fjernelse af blæk-, røg- og malingspletter på sandsten.
Konklusion
Laserrensning er en avanceret teknologi med brede forsknings- og anvendelsesmuligheder inden for luftfart, militært udstyr, elektronik og andre højpræcisionsområder. Den er moden i flere brancher på grund af dens effektivitet, miljøvenlighed og overlegne rengøringsresultater, og dens anvendelser fortsætter med at udvides. Ud over den etablerede fjernelse af maling og rust omfatter de seneste fremskridt laserrensning af oxidlag på metaltråde. Den fremtidige udvikling afhænger af at udvide eksisterende anvendelser, gå ind på nye områder og innovere udstyr:
- Styrk teoretisk forskning for at vejlede praktiske anvendelser. Nuværende forskning er i høj grad afhængig af eksperimenter og mangler en moden teoretisk ramme. Etablering af en sådan ramme er afgørende for teknologisk modenhed.
- Udvid anvendelsen inden for eksisterende og nye områder. Modnet inden for fjernelse af maling/rust, nye anvendelser omfatter rengøring af metaltrådsoxid, hvilket giver grobund for vækst.
- Udvikling af nyt laserrengøringsudstyr, der specifikt omfatter multifunktionelle universalapparater (f.eks. kombineret fjernelse af maling/rust) og specialværktøjer (f.eks. specialfremstillede armaturer/fibre til trange rum). Fuld automatisering via integration med industrirobotter er en lovende retning.
Udsendelsestidspunkt: 14. maj 2026
