Principio, tipologie e applicazioni della tecnologia di pulizia laser

Il principio, i tipi e le applicazioni dipulizia lasertecnologia

La tecnologia di pulizia laser è un'applicazione di successo della tecnologia laser in campo ingegneristico. Il suo principio fondamentale consiste nell'utilizzare l'elevata densità di energia del laser per interagire con i contaminanti aderenti al substrato del pezzo in lavorazione, provocandone il distacco tramite espansione termica istantanea, fusione ed evaporazione del gas. La tecnologia di pulizia laser si caratterizza per elevata efficienza, rispetto dell'ambiente e risparmio energetico. È stata applicata con successo in settori quali la pulizia di stampi per pneumatici, la rimozione di vernici dalle fusoliere degli aeromobili e il restauro di beni culturali.

Le tecnologie di pulizia tradizionali includonopulizia a frizione meccanica(pulizia tramite sabbiatura, pulizia con getto d'acqua ad alta pressione, ecc.), pulizia chimica anticorrosione, pulizia a ultrasuoni, pulizia con ghiaccio secco, ecc. Queste tecnologie di pulizia sono ampiamente utilizzate in vari settori. Ad esempio, la pulizia tramite sabbiatura può rimuovere macchie di ruggine, bave superficiali e vernice protettiva su circuiti stampati selezionando abrasivi di diversa durezza. La tecnologia di pulizia chimica anticorrosione è ampiamente utilizzata per la pulizia di macchie d'olio sulle superfici delle apparecchiature, incrostazioni nelle caldaie e oleodotti. Sebbene queste tecnologie di pulizia siano ben sviluppate, presentano ancora alcuni problemi. Ad esempio, la pulizia tramite sabbiatura può facilmente danneggiare la superficie trattata, e la pulizia chimica anticorrosione può causare inquinamento ambientale e corrosione della superficie pulita se non gestita correttamente. L'avvento della tecnologia di pulizia laser rappresenta una rivoluzione nel settore. Sfrutta l'elevata densità di energia, l'alta precisione e l'efficiente trasmissione dell'energia laser, e presenta vantaggi evidenti rispetto alle tecnologie di pulizia tradizionali in termini di efficienza, precisione e area di pulizia. Può evitare efficacemente l'inquinamento ambientale causato dalla pulizia chimica anticorrosione e da altre tecnologie di pulizia, e non danneggia il substrato.

ILprincipio della pulizia laser

Cos'è la pulizia laser? La pulizia laser è un processo in cui un raggio laser viene utilizzato per rimuovere materiale dalla superficie di un solido (o talvolta di un liquido). A basso flusso laser, il materiale viene riscaldato dall'energia laser assorbita ed evapora o sublima. Ad alto flusso laser, il materiale si trasforma solitamente in plasma. In genere, la pulizia laser si riferisce alla rimozione di materiale mediante laser pulsati, ma se l'intensità del laser è sufficientemente elevata, è possibile utilizzare un raggio laser a onda continua per ablare il materiale. Il laser a eccimeri a luce ultravioletta profonda è utilizzato principalmente per l'ablazione ottica. La lunghezza d'onda del laser utilizzata per l'ablazione ottica è di circa 200 nm. La profondità di assorbimento dell'energia laser e la quantità di materiale rimosso da un singolo impulso laser dipendono dalle proprietà ottiche del materiale, nonché dalla lunghezza d'onda del laser e dalla durata dell'impulso. La massa totale ablata dal bersaglio da ciascun impulso laser è solitamente chiamata velocità di ablazione. La velocità di scansione del raggio laser e la copertura della linea di scansione, ecc., influiscono significativamente sul processo di ablazione.

Tipologie di tecnologia di pulizia laser

1) Pulizia a secco laser: La pulizia a secco laser si riferisce all'irradiazione diretta del pezzo da pulire mediante un laser pulsato, che fa sì che la base o i contaminanti superficiali assorbano energia e aumentino di temperatura, provocando l'espansione termica o la vibrazione termica della base, separando così i due. Questo metodo può essere approssimativamente suddiviso in due situazioni: una in cui i contaminanti superficiali assorbono energia laser ed espandono; l'altra in cui la base assorbe energia laser e genera vibrazione termica. Nel 1969, SM Bedair et al. scoprirono che vari metodi di trattamento superficiale come il trattamento termico, la corrosione chimica e la sabbiatura presentavano tutti diversi svantaggi. Allo stesso tempo, l'elevata densità di energia dopo la focalizzazione del laser può rendere possibile il fenomeno dell'evaporazione della superficie del materiale, il che consente la possibilità di una pulizia non distruttiva della superficie del materiale. Attraverso esperimenti, si è scoperto che l'utilizzo di un laser a rubino Q-switched con una densità di potenza di 30 MW/cm2 può ottenere la pulizia dei contaminanti superficiali del materiale al silicio senza danneggiare la base, e per la prima volta è stata realizzata la pulizia a secco laser dei contaminanti superficiali del materiale. La velocità complessiva può essere espressa dalla velocità di distacco dei frammenti dello strato di pellicola, come segue:

Nella formula, ε rappresenta l'indice di energia dell'impulso laser, h rappresenta l'indice di spessore dello strato di film inquinante ed E rappresenta l'indice del modulo elastico dello strato di film.

2) Pulizia a umido laser: Prima che il pezzo da pulire venga esposto al laser pulsato, viene applicato un pre-rivestimento liquido sulla superficie. Sotto l'azione del laser, la temperatura del film liquido aumenta rapidamente e vaporizza. Al momento della vaporizzazione, si genera un'onda d'urto che agisce sulle particelle inquinanti e ne provoca il distacco dal substrato. Questo metodo richiede che il substrato e il film liquido non reagiscano tra loro, limitando quindi la gamma di materiali applicabili. Nel 1991, K. Imen et al. hanno affrontato il problema delle particelle inquinanti sub-microniche residue sulle superfici di wafer semiconduttori e materiali metallici dopo l'utilizzo di metodi di pulizia tradizionali, e hanno studiato l'applicazione di un rivestimento sulla superficie del substrato in grado di assorbire efficacemente l'energia laser. Successivamente, utilizzando un laser a CO2, il film ha assorbito l'energia laser, aumentando rapidamente di temperatura e bollendo, generando una vaporizzazione esplosiva che ha rimosso gli inquinanti dalla superficie del substrato. Questo metodo di pulizia è chiamato pulizia a umido laser.

3) Pulizia con onde d'urto al plasma laser: Le onde d'urto al plasma laser vengono generate quando il laser irradia l'aria, provocando la formazione di un'onda d'urto sferica. L'onda d'urto agisce sulla superficie del pezzo da pulire, rilasciando energia per rimuovere gli agenti inquinanti. Il laser non agisce sul substrato, evitando così di danneggiarlo. La tecnologia di pulizia con onde d'urto al plasma laser è ora in grado di pulire particelle con diametri di diverse decine di nanometri, senza limitazioni sulla lunghezza d'onda del laser. Il principio fisico della pulizia al plasma può essere riassunto come segue: a) Il raggio laser emesso viene assorbito dallo strato di contaminazione presente sulla superficie trattata. b) L'elevato assorbimento forma un plasma in rapida espansione (gas instabile altamente ionizzato) che genera un'onda d'urto. c) L'onda d'urto provoca la frammentazione e la rimozione degli agenti inquinanti. d) La durata dell'impulso luminoso deve essere sufficientemente breve da evitare l'accumulo termico che potrebbe danneggiare la superficie trattata. e) Gli esperimenti hanno dimostrato che, in presenza di ossidi sulla superficie metallica, si genera plasma sulla superficie stessa. Il plasma viene generato solo quando la densità di energia supera una determinata soglia, che dipende dallo strato di contaminazione o di ossido rimosso. Questo effetto di soglia è fondamentale per una pulizia efficace, garantendo al contempo la sicurezza del materiale del substrato. La comparsa del plasma presenta anche una seconda soglia: se la densità di energia supera tale soglia, il materiale del substrato si danneggia. Per eseguire una pulizia efficace e al contempo sicura, i parametri del laser devono essere regolati in base alla situazione, assicurando che la densità di energia dell'impulso luminoso rimanga rigorosamente compresa tra le due soglie. Nel 2001, JM Lee et al. hanno sfruttato la caratteristica dei laser ad alta potenza di produrre onde d'urto di plasma quando focalizzati, e hanno utilizzato un laser pulsato con una densità di energia di 2,0 J/cm² (molto superiore alla soglia di danneggiamento dei wafer di silicio) irradiando parallelamente al wafer di silicio, riuscendo a pulire particelle di tungsteno di 1 μm adsorbite sulla superficie del wafer. Questo metodo di pulizia è chiamato pulizia laser a onde d'urto di plasma e, a rigor di termini, è un tipo di pulizia laser a secco. Lo scopo originario di queste tre tecnologie di pulizia laser era quello di rimuovere le minuscole particelle presenti sulla superficie dei wafer di semiconduttori. Si può affermare che la tecnologia di pulizia laser sia nata con lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori. Tuttavia, la tecnologia di pulizia laser è stata progressivamente applicata anche ad altri campi, come la pulizia degli stampi per pneumatici, la rimozione della vernice dalle superfici degli aeromobili e il restauro di manufatti. Sotto l'azione del laser, un gas inerte viene soffiato sulla superficie del substrato. Quando i contaminanti vengono rimossi dalla superficie, vengono immediatamente spazzati via dal gas, evitando così una nuova contaminazione e l'ossidazione della superficie stessa.

ILapplicazione della tecnologia di pulizia laser

1) Nel settore dei semiconduttori, la pulizia dei wafer e dei substrati ottici prevede lo stesso processo, ovvero la lavorazione delle materie prime nelle forme richieste tramite taglio, molatura, ecc. Durante questo processo, vengono introdotti contaminanti particellari, difficili da rimuovere e che causano gravi problemi di contaminazione ripetuta. I contaminanti sulla superficie dei wafer possono influire sulla qualità della stampa dei circuiti stampati, riducendo così la durata dei chip semiconduttori. I contaminanti sulla superficie dei substrati ottici possono influire sulla qualità dei dispositivi ottici e dei rivestimenti e possono portare a una distribuzione non uniforme dell'energia, riducendone la durata. Poiché la pulizia a secco laser è soggetta a danneggiare la superficie del substrato, questo metodo di pulizia è meno utilizzato nella pulizia di wafer e substrati ottici. La pulizia a umido laser e la pulizia a onde d'urto al plasma laser hanno applicazioni di maggior successo in questo campo. Xu Chuanyi et al. È stata studiata la deposizione di una speciale vernice magnetica su scala micrometrica sulla superficie di substrati ottici ultra-lisci come film dielettrico, e successivamente è stato utilizzato un laser pulsato per la pulizia. L'effetto di pulizia è risultato buono, sebbene il numero di particelle di impurità per unità di area sia aumentato, mentre le dimensioni e l'area di copertura delle particelle di impurità si sono ridotte significativamente. Questo metodo può pulire efficacemente le particelle di impurità su scala micrometrica sulla superficie di substrati ottici ultra-lisci. Zhang Ping ha studiato l'influenza della distanza di lavoro e dell'energia laser sull'effetto di pulizia di contaminanti di diverse dimensioni delle particelle nella tecnologia di pulizia al plasma laser. I risultati sperimentali hanno mostrato che per le particelle di polistirene su substrati di vetro conduttivo, la distanza di lavoro ottimale per un'energia di 240 mJ era di 1,90 mm. Con l'aumento dell'energia laser, l'effetto di pulizia è migliorato significativamente e i contaminanti di grandi dimensioni sono stati rimossi più facilmente.

2) Nel campo dei materiali metallici, la pulizia delle superfici metalliche è diversa dalla pulizia dei wafer semiconduttori e dei substrati ottici. I contaminanti da rimuovere appartengono alla categoria macroscopica. I contaminanti sulla superficie dei materiali metallici includono principalmente strati di ossido (strati di ruggine), strati di vernice, rivestimenti e altri residui, e possono essere classificati in contaminanti organici (come strati di vernice, rivestimenti) e contaminanti inorganici (come strati di ruggine). La pulizia dei contaminanti superficiali dei materiali metallici serve principalmente a soddisfare i requisiti di lavorazione o utilizzo successivi, come la rimozione di circa 10 μm di strato di ossido dalla superficie di componenti in lega di titanio prima della saldatura, la rimozione del rivestimento di vernice originale sulla superficie esterna degli aeromobili durante le riparazioni principali per facilitare la riverniciatura e la pulizia regolare delle particelle di gomma attaccate allo stampo per pneumatici in gomma per garantire la pulizia della superficie, la qualità e la durata dello stampo. La soglia di danneggiamento dei materiali metallici è superiore alla soglia di pulizia laser dei loro contaminanti superficiali. Selezionando un laser di potenza appropriata, è possibile ottenere un migliore effetto di pulizia. Questa tecnologia è stata applicata con successo in alcuni settori. Wang Lihua et al. hanno studiato l'applicazione della tecnologia di pulizia laser nel trattamento degli strati di ossido sulle superfici di leghe di alluminio e leghe di titanio. I risultati della ricerca hanno dimostrato che l'utilizzo di un laser con una densità di energia di 5,1 J/cm² è in grado di pulire lo strato di ossido sulla superficie della lega di alluminio A5083-111H mantenendo la buona qualità del substrato, e che l'utilizzo di un laser pulsato con una potenza media di 100 W in modalità di scansione può pulire efficacemente lo strato di ossido sulla superficie delle leghe di titanio e migliorarne la durezza superficiale. Aziende nazionali come Ruike Laser, Daqu Laser e Shenzhen Chuangxin hanno sviluppato apparecchiature per la pulizia laser ampiamente utilizzate per la pulizia di stampi in gomma come pneumatici, strati di ruggine metallica e macchie d'olio sulla superficie dei componenti.

3) Nel campo dei reperti culturali, la pulizia di reperti in metallo e pietra e di superfici cartacee è necessaria per rimuovere contaminanti come sporco e macchie d'inchiostro che compaiono sulle loro superfici a causa della loro lunga storia. Questi contaminanti devono essere rimossi per restaurare i reperti. Per le opere cartacee come calligrafie e dipinti, se conservate in modo improprio, la muffa cresce sulle loro superfici e forma macchie. Queste macchie compromettono seriamente l'aspetto originale della carta, soprattutto per la carta di alto valore culturale o storico, il che ne influirà sulla valorizzazione e sulla protezione. Zhao Ying et al. hanno studiato la fattibilità dell'uso del laser ultravioletto per pulire le macchie di muffa sui rotoli di carta. I risultati sperimentali hanno mostrato che l'uso di un laser con una densità di energia di 3,2 J/mm2 per una scansione è in grado di rimuovere le macchie sottili, e una doppia scansione può rimuovere completamente le macchie. Tuttavia, se l'energia laser utilizzata è troppo elevata, danneggerà il rotolo di carta durante la rimozione delle macchie. Zhang Xiaotong et al. hanno restaurato con successo un reperto in bronzo dorato utilizzando il metodo del film liquido a irradiazione verticale laser. Zhang Licheng et al. Yuan Xiaodong et al. hanno utilizzato la tecnologia di pulizia laser nel restauro di una statuetta femminile in ceramica dipinta della dinastia Han. Hanno inoltre studiato l'effetto della tecnologia di pulizia laser nella pulizia di reperti in pietra e confrontato i danni al corpo in arenaria prima e dopo la pulizia, nonché gli effetti della pulizia di macchie di inchiostro, inquinamento da fumo e inquinamento da pittura.

Conclusione: La tecnologia di pulizia laser è una tecnica relativamente avanzata, con ampie prospettive di ricerca e applicazione in settori ad alta precisione come quello aerospaziale, delle attrezzature militari e dell'ingegneria elettronica ed elettrica. Attualmente, la tecnologia di pulizia laser è stata applicata con successo in alcuni settori, grazie alla sua efficienza, al rispetto dell'ambiente e alle eccellenti prestazioni di pulizia. I suoi campi di applicazione si stanno gradualmente espandendo. Lo sviluppo della tecnologia di pulizia laser non solo ha raggiunto una maturità in settori come la rimozione di vernice e ruggine, ma negli ultimi anni sono stati segnalati anche utilizzi del laser per pulire lo strato di ossido sui fili metallici. L'espansione dei campi di applicazione esistenti e lo sviluppo di nuovi campi sono alla base dello sviluppo della tecnologia di pulizia laser. La ricerca e lo sviluppo di nuove apparecchiature per la pulizia laser mostreranno una differenziazione, con conseguenti diverse funzionalità. In futuro, sarà possibile realizzare una pulizia laser completamente automatizzata attraverso la cooperazione con robot industriali. Il trend di sviluppo della tecnologia di pulizia laser è il seguente:

(1) Rafforzare la ricerca sulla teoria della pulizia laser per guidare l'applicazione della tecnologia di pulizia laser. Dopo aver esaminato un gran numero di documenti, si è constatato che non esiste un sistema teorico maturo a supporto della tecnologia di pulizia laser e che la maggior parte degli studi si basa su esperimenti. Stabilire un sistema teorico per la pulizia laser è il fondamento per l'ulteriore sviluppo e la maturazione della tecnologia di pulizia laser.

(2) Espansione dei campi di applicazione esistenti e sviluppo di nuovi campi di applicazione. La tecnologia di pulizia laser è stata applicata con successo in settori quali la rimozione di vernice e ruggine, e negli ultimi anni sono stati segnalati casi di utilizzo del laser per pulire lo strato di ossido sui fili metallici. L'espansione dei campi di applicazione esistenti e lo sviluppo di nuovi campi rappresentano un terreno fertile per lo sviluppo della tecnologia di pulizia laser.

(3) Ricerca e sviluppo di nuove apparecchiature per la pulizia laser. Lo sviluppo di nuove apparecchiature per la pulizia laser mostrerà una differenziazione. Un tipo è costituito da apparecchiature con una certa universalità che coprono molteplici campi di applicazione, come ad esempio un dispositivo in grado di eseguire simultaneamente le funzioni di rimozione della vernice e della ruggine. L'altro tipo è costituito da apparecchiature specializzate per esigenze specifiche, come la progettazione di dispositivi o fibre ottiche specifici per ottenere la funzione di pulizia di contaminanti in piccoli spazi. Attraverso la cooperazione con robot industriali, la pulizia laser completamente automatica è anche una direzione applicativa popolare.