Какви материали и повърхности могат да се почистват с лазерни почистителни машини?(1)

Принципи на лазерното почистване

Лазерното почистване се базира на контролираното взаимодействие между импулсно лазерно излъчване и повърхности на материали. То премахва нежелани слоеве, като оксиди, боя, мазнини и остатъци, без механически контакт, абразиви или химикали. Процесът на почистване работи чрез два основни физически механизма: фото-термичен и фото-механичен ефект, като и двата се влияят от работните параметри на лазера. Дълбоко разбиране на тези принципи е задължително, за да се осигури ефективност на почистването, като същевременно се запази цялостта на основния материал.

Физически механизми на лазерното почистване

Фото-термичен механизъм

Фото-термичният ефект се основава на селективно нагряване. Когато лазерният лъч достигне повърхността, слоят с примеси абсорбира лазерната енергия и бързо се нагрява. Това топлинно въздействие може да причини:

Топлинно разширение, довеждащо до отделяне на слоевете.

Извличане или пиролиза на замърсителя.

Стопяване и преохлаждане, които ослабват връзката с подложката.

Този механизъм е най-ефективен, когато замърсителят има значително по-висока оптична абсорбция в сравнение с подложката при избраната лазерна дължина на вълната. Например ръжта или боята често абсорбират инфрачервените дължини на вълната по-добре от основния метал.

Фотомеханичен механизъм

При фотомеханичния процес ултракъси лазерни импулси (обикновено пикосекундни или фемтосекундни) предават енергия толкова бързо, че топлопроводността е минимална. Вместо нагряване, интензивната енергия причинява:

Бързо образуване на плазма или микровзривове на повърхността на замърсителя.

Генериране на ударна вълна, която физически отстранява замърсителите.

Напрежението предизвиква пукнатини в крехки слоеве, като корозия или въглеродни отлагания.

Този механизъм е идеален за деликатни подложки или приложения, при които топлината трябва да бъде минимизирана, например при запазване на културното наследство или в микроелектрониката.

Ключови лазерни параметри

Ефективността и безопасността на лазерното почистване силно зависят от правилната настройка на няколко лазерни параметъра:

Дължина на вълната

Дължината на лазерната вълна определя колко енергия се абсорбира от замърсителя и подложката. Често използвани дължини на вълната включват:

1064 nm (Инфрачервено): Подходящо за метали и оксиди.

532 nm (Зелено): По-ефективно при пигменти и бояди.

355 nm или 248 nm (УВ): Най-добро за органични и полимерни замърсители.

Целта е да се избере дължина на вълната, която се абсорбира силно от замърсителя, но слабо от подложката.

Продължителност на импулса

Продължителността на импулса влияе на дълбочината и скоростта на предаване на енергия:

Наносекундни импулси: Умерени топлинни ефекти; подходящи за обща почистване.

Пикосекундни/Фемтосекундни импулси: Ултра-прецизни, минимално топлинно разпространение; идеални за чувствителни повърхности.

По-късите импулси намаляват зоните с топлинно въздействие и подобряват селективността на почистването.

Енергия на импулса и честота на повторение

Енергия на импулса (измерена в милиджъули или джъули): Определя колко енергия се доставя на импулс. По-висока енергия може да премахне по-дебели или по-твърди слоеве, но увеличава риска от повреда на основата.

Честота на повторение (измерена в Hz или kHz): Контролира колко често се доставят импулси. Високите честоти на повторение позволяват по-бързо почистване, но могат да причинят топлинно натрупване, ако не се управляват внимателно.

Размер на петното и припокриване

Размерът на петното влияе върху резолюцията и интензитета. По-малките петна позволяват по-прецизна работа, докато по-големите почистват по-широки области по-бързо.

Припокриването показва в каква степен всеки импулс се припокрива с предишния. Типичното припокриване е между 50–90%, за да се осигури равномерно почистване. Твърде малко припокриване причинява ивици; твърде голямо може да прегрява повърхността.

Взаимодействие с замърсителите спрямо основите

Централен принцип при лазерното почистване е селективната аблация — способността да се премахват замърсителите, без да се повреди основният материал. Това зависи от:

Абсорбционен контраст: Загадителят трябва да абсорбира лазерната енергия по-ефективно в сравнение с основата.

Топлопроводимост: Основите с висока проводимост (например мед, алуминий) разсейват топлината бързо, намалявайки риска от повреди.

Якост на адхезия: Слоевете със слабо свързване се премахват по-лесно чрез фотомеханични ефекти, докато силно залепналите покрития могат да изискват по-висока плътност на енергия или многократни проходи.

Лазерното почистване трябва да се калибрира внимателно за всяка отделна употреба, като се има предвид дебелината, съставът и якостта на връзката на замърсителя, както и чувствителността на основата.

Лазерното почистване е висококонтролиран процес, базиран на физиката на взаимодействието между лазера и материала. Независимо дали се използва топлинна енергия за изпаряване на замърсителите, или механични ударни вълни за тяхното премахване, тази техника осигурява безпрецедентна прецизност. Успехът ѝ зависи от настройването на лазерните параметри според всяка конкретна комбинация от материали, като се максимизира премахването на замърсителите, но се запазва цялостността на повърхността. Чрез овладяване на фототоплинните и фотомеханични механизми и настройване на параметри като дължина на вълната, енергия на импулса и размер на петното, лазерното почистване може безопасно и ефективно да се прилага в широк кръг промишлени и специализирани приложения.