ما هي المواد والأسطح التي يمكن تنظيفها باستخدام آلات التنظيف بالليزر؟ (1)

مبادئ التنظيف بالليزر

يعتمد التنظيف بالليزر على التفاعل المضبوط بين الإشعاع الليزري النبضي وأسطح المواد. ويُزيل هذا الأسلوب الطبقات غير المرغوب فيها، مثل الأكاسيد والدهانات والزيوت والمخلفات، دون الحاجة إلى تلامس ميكانيكي أو مواد كاشطة أو كيميائية. ويعمل عملية التنظيف من خلال آليتين فيزيائيتين رئيسيتين: التأثير الحراري الضوئي والتأثير الميكانيكي الضوئي، وكلاهما يتأثر بمعطيات تشغيل الليزر. ومن الضروري فهم هذه المبادئ جيدًا لضمان كفاءة التنظيف مع الحفاظ على سلامة المادة الأساسية.

الآليات الفيزيائية للتنظيف بالليزر

الآلية الحرارية الضوئية

تعتمد الظاهرة الحرارية الضوئية على التسخين الانتقائي. وعندما يصطدم شعاع الليزر بالسطح، تمتص الطبقة الملوثة طاقة الليزر وتسخن بسرعة. ويمكن أن يؤدي هذا الحرارة إلى:

التوسع الحراري الذي يؤدي إلى التقشير.

تبخر أو تحلل حراري للمادة الملوثة.

انصهار وتصلب مجددًا يؤدي إلى تخفيف الالتصاق بالطبقة الأساسية.

يكون هذا الأسلوب فعالاً بشكل أكبر عندما يكون الملوث يمتص الضوء بشكل أكبر بكثير من الركيزة عند الطول الموجي الليزري المختار. على سبيل المثال، غالبًا ما تمتص الصدأ أو الطلاء الأطوال الموجية تحت الحمراء بشكل أفضل من المعدن الكامن وراءها.

الأسلوب الضوئي-الميكانيكي

في العملية الضوئية-الميكانيكية، تقوم النبضات الليزرية القصيرة جدًا (عادة بيكوثانية أو فيمتوثانية) بإدخال الطاقة بسرعة كبيرة لدرجة أن التوصيل الحراري يكون ضئيلاً جدًا. بدلًا من التسخين، تؤدي الطاقة العالية إلى:

تكوّن سريع للبلازما أو انفجارات ميكروسكوبية على سطح الملوث.

توليد موجات صدمية تُقذف بها الملوثات بعيدًا بشكل مادي.

تشققات ناتجة عن الإجهاد في الطبقات الهشة، مثل التآكل أو رواسب الكربون.

يُعد هذا الأسلوب مثاليًا للركائز الحساسة أو التطبيقات التي يجب فيها تقليل الحرارة إلى أدنى حد، مثل حفظ التراث أو الإلكترونيات الدقيقة.

معلمات الليزر الأساسية

تعتمد كفاءة وسلامة التنظيف بالليزر اعتمادًا كبيرًا على ضبط دقيق لمجموعة من معايير الليزر:

الطول الموجي

تحدد طول موجة الليزر كمية الطاقة التي تمتصها الشوائب والركيزة. وتشمل الأطوال الموجية المستخدمة بشكل شائع ما يلي:

1064 نانومتر (أشعة تحت حمراء): مناسبة للمعادن والأكاسيد.

532 نانومتر (أخضر): أكثر فعالية على الأصباغ والدهانات.

355 نانومتر أو 248 نانومتر (أشعة فوق بنفسجية): الأفضل للشوائب العضوية والقائمة على البوليمرات.

الهدف هو اختيار طول موجة يتم امتصاصه بقوة من قبل الشوائب ولكن بشكل ضعيف من قبل الركيزة.

مدة النبضة

يؤثر زمن النبضة على عمق وسرعة انتقال الطاقة:

نبضات النانوثانية: تأثيرات حرارية معتدلة؛ جيدة للتنظيف العام.

نبضات البيكو ثانية/الفيمتوثانية: دقيقة جدًا، مع انتشار حراري ضئيل جدًا؛ مثالية للأسطح الحساسة.

تقلل النبضات القصيرة من المناطق المتأثرة بالحرارة وتحسن دقة التنظيف الانتقائي.

طاقة النبضة ومعدل التكرار

طاقة النبضة (تُقاس بالمللي جول أو الجول): تحدد كمية الطاقة التي تُسلّم في كل نبضة. يمكن للطاقة الأعلى إزالة الطبقات السميكة أو الأكثر صلابة، ولكنها تزيد من خطر تلف الطبقة الأساسية.

معدل التكرار (يُقاس بوحدة الهيرتز أو الكيلو هيرتز): يتحكم في تواتر تسليم النبضات. تتيح معدلات التكرار العالية تنظيفًا أسرع، ولكنها قد تسبب تراكم الحرارة إذا لم تُدار بعناية.

حجم البقعة والتداخل

يؤثر حجم البقعة على الدقة والشدة. تسمح البقع الصغيرة بأعمال دقيقة، بينما تقوم البقع الكبيرة بتنظيف مناطق أوسع بشكل أسرع.

يشير التداخل إلى مدى تداخل كل نبضة مع النبضة السابقة. تتراوح التداخلات النموذجية بين 50–90٪ لضمان تنظيف موحد. يؤدي التداخل القليل جدًا إلى ظهور خطوط؛ أما التداخل الكبير جدًا فقد يسخن السطح أكثر من اللازم.

التفاعل مع الملوثات مقابل المواد الأساسية

المبدأ المركزي في التنظيف بالليزر هو الاستئصال الانتقائي — القدرة على إزالة الملوثات دون الإضرار بالمادة الأساسية. ويعتمد هذا على:

تباين الامتصاص: يجب أن تمتص الشائبة طاقة الليزر بشكل أكثر فعالية من الركيزة.

التوصيل الحراري: تُبدد الركائز عالية التوصيلية (مثل النحاس، الألومنيوم) الحرارة بسرعة، مما يقلل من خطر التلف.

قوة الالتصاق: تكون الطبقات المرتبطة بشكل فضفاض أسهل في الإزالة من خلال التأثيرات الضوئية الميكانيكية، في حين قد تتطلب الطلاءات ذات الالتصاق القوي كثافة طاقة أعلى أو مروراً متعدداً.

يجب معايرة تنظيف الليزر بعناية لكل تطبيق، مع أخذ سمك الشائبة وتركيبها وقوة ارتباطها في الاعتبار، وكذلك حساسية الركيزة.

التنظيف بالليزر هو عملية خاضعة للتحكم الدقيق تعتمد على فيزياء تفاعل الليزر مع المواد. سواء كان الاعتماد على الطاقة الحرارية لتبخير الملوثات أو استخدام موجات صدمية ميكانيكية لإزالتها، فإن هذه التقنية توفر دقة لا مثيل لها. ويعتمد نجاحها على ضبط معايير الليزر بما يناسب كل تركيب مادي معين، بهدف تحقيق أقصى قدر من إزالة الملوثات مع الحفاظ على سلامة السطح. ومن خلال إتقان الآليتين الفوتونية-الحرارية والفوتونية-الميكانيكية وضبط المعايير مثل الطول الموجي، وطاقة النبضة، وحجم البقعة، يمكن تطبيق التنظيف بالليزر بشكل آمن وفعال عبر مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والمتخصصة.