دستگاه تمیزکاری لیزری

تمیز کاری لیزری

۱.مقدمه

تمیزکاری با لیزر یک فناوری پیشرفته پاکسازی سطح است که می‌تواند منجر به بخار شدن فوری و جدا شدن متعلقات موجود در سطح زیربنا مانند آلودگی‌ها، زنگ‌زدگی و پوشش‌ها شود؛ این فناوری از یک پرتو لیزر با انرژی بالا برای تابش بر روی سطح مؤلفه‌ها استفاده می‌کند. در مقایسه با فناوری‌های معمول پاکسازی سطح، تمیزکاری با لیزر مزایای دقت، کارایی و کنترل‌پذیری را دارا است. در این مقاله ما به بررسی مکانیسم پاکسازی با لیزر می پردازیم.

لیزر یکی از مهم‌ترین اختراعات علوم طبیعی در قرن بیستم است. از زمان تولید اولین تجهیزات لیزر در سال 1960 ، لیزرها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد و ارزشمندشان به سرعت در زمینه‌های مختلف به کار رفته‌اند. تکنولوژی لیزر در حال حاضر در تقریباً تمامی زمینه‌ها مانند صنعت، کشاورزی، پزشکی، دفاع ملی و غیره به کار رفته‌اند . بر اساس مکانیزم تعامل بین پرتو لیزری و مواد، فناوری پاکسازی با لیزر برای تمیز کردن سطوح پیشنهاد شده است. نسبت به فناوری‌های معمول پاکسازی سطح مانند پاکسازی مکانیکی، پاکسازی شیمیایی و پاکسازی اولتراسونیک، پاکسازی با لیزر دارای مزایایی از قبیل دقت و کارایی بالا، سازگاری با محیط زیست، کمترین آسیب به سطح، قابل کنترل بودن و قابلیت استفاده در طیف گسترده‌ای از کاربردها است .بنابراین، پاکسازی با لیزر به عنوان یک فناوری پیشرفته در زمینه پاکسازی سطح مورد توجه قرار گرفته است و قابلیت جایگزینی فناوری‌های دیگر را دارد.

در سال 1969، بدیر و همکاران برای اولین بار مفهوم پاکسازی با لیزر را پیشنهاد دادند و از پاکسازی با لیزر برای حذف آلاینده‌ها از سطوح سیلیکون بدون تحمیل هرگونه آسیب سطحی استفاده کردند. در سال 1973، پاکسازی با لیزر در حفاظت از آثار فرهنگی استفاده شد. در سال 1995، پاکسازی با لیزر برای حذف پوشش‌های متصل به سطوح هواپیماها مورد استفاده قرار گرفت و نشان داد که قابلیت سازگاری و کارایی آن در پاکسازی سطوح حساس هواپیماها وجود دارد. در سال 2001، لی و همکاران با استفاده از لیزرها برای یونیزاسیون هوا، کشف کردند که یک امواج شوک پلاسمایی ناشی از لیزر می‌تواند ذرات ریز روی سطح وافرها را به طور موثری حذف کند.

۲.مکانیسم تمیز کاری لیزری

از آنجا که تعامل بین پرتو لیزر و یک ماده شامل یک سری فرآیند‌های فیزیکی و شیمیایی از قبیل تجزیه‌شدگی، یون‌زایی، ارتعاش، گسترش، خارج کردن، لایه‌برداری، بخار سازی و انفجار است، مکانیزم‌های پاکسازی با لیزر بسیار پیچیده هستند. در حال حاضر، مکانیزم‌های پاکسازی با لیزر اصولاً شامل مکانیزم تابش حرارتی لیزر، مکانیزم تنش حرارتی لیزر و مکانیزم موج شوک پلاسما هستند.

زمانی که پیوستها از سطح زیرینه‌ها حذف می‌شوند، مکانیزم‌های مختلف رقابتی پاکسازی با لیزر وجود دارند. اهمیت هر مکانیزم وابسته به عمق‌های نفوذ نوری و طول‌های انتشار حرارتی است. علاوه بر این، اهمیت نسبی هر مکانیزم وابسته به پارامترهای فیزیکی نظیر محیط پاکسازی با لیزر، مواد زیرینه و آلاینده‌ها است. بنابراین، ضروری است جزئیات مکانیزم‌های اساسی تکنولوژی پاکسازی با لیزر را خلاصه کنیم.

۱.۲.مکانیسم تبخیر حرارتی لیزر

هنگامی که یک پرتو لیزر پالسی مستقیماً متعلقات روی سطوح زیرلایه ها را تحت تابش قرار می دهد.دمای متعلقات و مواد زیرلایه به سرعت افزایش می یابد. هنگامی که درجه حرارت از آستانه تبدیل به گاز فراتر می رود، متعلقات  تبخیر می شوند. 

که این  با پدیده ای همچون احتراق، تجزیه، فرسایش، لایه برداری، و غیره همراه است. همانطور که در شکل نشان داده شده است، فرآیند تبخیر به عنوان مکانیزم تبخیر حرارتی لیزری شناخته می شود. هنگامی که سطح زیرلایه در معرض نور لیزر پرانرژی فرابنفش قرار می گیرد، ممکن است منجر به ظهور اثرات فتوشیمیایی می شود . اثر فتو شیمیایی رخ می دهد فقط زمانی که انرژی فوتون بیشتر از اتصال مولکولی در این زمان باشد، پیوندهای مولکولی از انقباضات شکسته می شوند و مواد به حالت شل تبدیل می شوند که در توسعه و گسترش تبخیر لایه کثیف مفید است. این قسمتی از فرایند تمیزکاری بالیزر در صنعت است.

۲.۲. مکانیسم استرس حرارتی لیزر

مکانیسم تنش حرارتی لیزر مکانیزم دیگری است که در زمینه های مورد بحث قرار گرفته است . بر خلاف مکانیسم فرسایش حرارتی لیزر، مکانیسم استرس حرارتی لیزر از اثر تنش ناشی از پرتو لیزر به جای اثر حرارتی لیزر استفاده می کند. وقتی که پرتو لیزر پالسی مستقیماً به سطح زیرلایه، متعلقات و بستر تابش می کند مواد انرژی پالس لیزر را جذب می کنند و باعث افزایش دما می شوند.

چون عرض لیزر پالس بسیار کوتاه است، فرآیند گرم کردن و خنک کردن مواد در زمان بسیار کوتاهی انجام می شود که منجر به انبساط حرارتی سریع و بالا بردن جامد با فشار بالا می شود. نیروی بالابر جامد از نیروی واندروالسی پیشی میگیرد و متعلقات از سطح زیرلایه پاشیده می شوند.فاکس و همکاران اثر تنش حرارتی لیزر را اولین بار کشف کردند. آن‌ها متوجه شدند زمانی که پرتو لیزر تابانده شده به سطح  همراه با اثر انفجار باشد  نوساناتی در تخته نازک مشاهده می‌شود که منجر به جداشدن متعلقات از زیر لایه می‌شود. در این قسمت هم با بخش دیگری از دستگاه تمیزکاری لیزری و نحوه کارکرد ان در این فرایند اشنا شدیم.

۳.۲. مکانیسم موج شوک پلاسما

مکانیسم موج شوک پلاسما با مکانیسمی که قبلا معرفی شد بسیار متفاوت است مکانیسم های تمیز کردن لیزر به جای تابش مستقیم سطح زیرلایه، تابش لیزر موازی با سطح زیرلایه است. پرتو لیزر پالسی از طریق لنز فوکوس و بر روی متعلقات فوقانی  متمرکز شده است. لازم به ذکر است که پرتو لیزر مستقیماً با متعلقات تماس پیدا نمی‌کند و فاصله آنها بسیار کوتاه است(به طور کلی در چند میلی متر). زمانی که چگالی انرژی لیزر بیشتر از آستانه شکست هوای محیط باشد، هوا شکسته میشود و یونیزاسیون در همان زمان شکل میگیرد که منجر به عرضه پلاسما می شود. 

این مکانیسم از یونیزاسیون ایجاد شده توسط یک پرتو لیزر عمود مشخص میشود .پرتو عمود بر لیزر تبخیر مواد سطح  را تحریک می کند سپس بخار تا حدی یونیزه می شود و به طور موثر انرژی لیزر را جذب می کند ، که منجر به فشارهای بالا و موج ضربه می شود. اگر چه روند دومی شامل تولید پلاسما است و روش تمیز کردن و محیط نسبی  از روش موج شوک پلاسما متفاوت است. مکانیسم شوک پلاسما از زیر مجموعهه های تمیزکاری لیزری است که مختصرا در این مقاله به ان اشاره شده است.

۳.کاربردهای معمولی تمیزکاری لیزری درصنعت 

تجهیزات صنعتی شامل مواد مختلفی از زیرلایه است و ویژگی های تمیزکاری با با لیزر برای مواد مختلف متفاوت است. در این بخش، کاربردهای معمولی پاکسازی با لیزر در صنعت برای مواد فلزی، مواد غیر فلزی، عناصر نیمه هادی و سایر کاربردهای آن معرفی شده است. برخی از مشکلات تمیز کردن موجود نیز شرح داده شده است.

۱.۳.مواد فلزی

مواد فلزی به طور گسترده در زمینه های صنعتی مانند مونتاژ خودرو، کشتی سازی، هوا فضا و غیره کاربرد دارند. از آنجایی که متعلقاتی مانند فیلم‌های روغن، پوشش‌ها، رنگ‌ها و لایه‌های اکسیدی را می‌توان با موفقیت با پاکسازی با لیزر حذف کرد، می‌توان از خوردگی فلزی جلوگیری کرد و عیوب سطح را ترمیم کرد و در نتیجه عمر مفید قطعات را بهبود بخشید.

۱.۱.۳. فیلم روغن

در زمینه های صنعتی، استفاده از لایه های نفتی برای پوشاندن سطح زیرلایه یکی از موثرترین روش ها برای محافظت از مواد فلزی در برابر اکسیداسیون و خوردگی است. این تکنیک نقش حفاظتی مهمی در تولید، ذخیره سازی و حمل و نقل اجزای فلزی دارد. با این حال، آلاینده هایی مانند لکه های روغن و گرد و غبار تاثیر نامطلوبی بر فرآیندهای جوشکاری، رنگ آمیزی و بسته بندی اجزای فلزی دارند.بنابراین لازم است در فواصل زمانی معین لکه های روغن و آلودگی ها را از سطوح زیرلایه های فلزی پاک کنید. پاکسازی با لیزر یک وسیله کارآمد برای از بین بردن لکه های روغن از سطوح زیر لایه است. و مشخص شده است که آستانه آسیب زیرلایه ها همیشه بیشتر از آستانه تمیز کردن لایه‌های روغن است. بنابراین، پرتو لیزر نمی تواند باعث آسیب حرارتی به زیرلایه شود.

۲.۱.۳ پوشش و رنگ

پوشش ها و رنگ ها روش های مفید دیگری برای محافظت از مواد فلزی در برابر اکسیداسیون و خوردگی هستند. با این حال، با افزایش زمان سرویس مورد نیاز برای پوشش ها و رنگ ها، توانایی های محافظتی آنها به تدریج از بین می رود. در رشته های مهندسی، ابتدا باید پوشش ها و رنگ های نامعتبر قدیمی حذف شوند و سپس با پوشش های جدید جایگزین شوند. به عنوان یک فناوری پیشرفته تمیز کردن سطوح، تمیز کردن لیزری اثر تمیز کنندگی خوبی را هنگام حذف پوشش‌ها یا رنگ‌های زائد از سطوح زیرلایه‌های فلزی نشان می‌دهد.

۳.۱.۳. لایه اکسید     

علاوه بر لایه‌های روغنی و پوشش‌ها، حذف لایه‌های اکسیدی با پاکسازی با لیزر نیز یک دیگر از کاربردهای مهم این دستگاه  است. بر خلاف سایر لایه های سطحی مانند فیلم های روغنی، پوشش ها و رنگ ها، لایه خوردگی مواد فلزی عمدتاً از اکسید خود تشکیل شده است. به این ترتیب، روش های تمیز کردن لیزر برای مواد فلزی مختلف متفاوت است.به عنوان مثال، وان و همکاران.

از تمیز کردن با لیزر برای حذف لایه اکسیدی از سطح فولاد کربن Q235 استفاده کرد. لیزر فیبر با طول موج 1064 نانومتر، عرض پالس 340 نانومتر. آنها دریافتند که تمیز کردن لیزر به طور موثر لایه اکسید را حذف کرده و زبری سطح را کاهش می دهد. علاوه بر این، زمانی که شرایط خوردگی سطح شدید نبود، اثر تمیز کنندگی لیزر بهتر از روش پرداخت مکانیکی بود .

۲.۳. مواد غیر فلزی                                                                       

هنگامی که زیرلایه های غیرفلزی در معرض محیط های مختلف قرار می گیرند، پیوست هایی مانند پوشش های قدیمی، خوردگی اسیدی، لایه برداری و بیوفیلم ها روی سطح ظاهر می شوند. بنابراین، برای بهبود کیفیت و طولانی شدن سطح، لازم است متعلقات سطحی را حذف کنید . مواد شیشه ای، سرامیک و رزین به دلیل خواص عایقی  در بسیاری از زمینه ها کاربرد فراوانی دارند. پاکسازی با لیزر از نظر تمیز کردن سطح این مواد عملکرد خوبی دارد. به عنوان مثال، رن و همکاران از فناوری پاکسازی با لیزر برای حذف آلودگی از قطعات عایق الکتریکی مانند شیشه، سرامیک و لاستیک سیلیکونی استفاده کرد. آنها دریافتند که لیزرها می توانند تمیز کردن غیر مخرب را زمانی که پارامترهای فرآیند لیزر تنظیم می شوند، بدون تأثیر بر عملکرد عایق، به دست آورند. تمیز کردن لیزر همچنین می تواند برای انجام تمیز کردن انتخابی مانند جدا کردن ترکیبی از این مواد استفاده شود.

۳.۳. عنصر نیمه هادی

با پیشرفت سریع علم و فناوری، قطعات الکترونیکی کوچکتر و کوچکتر می شوند، در حالی که سطح یکپارچگی قطعات الکترونیکی بالاتر و بالاتر می رود. با این حال، کیفیت قطعات الکترونیکی به طور جدی تحت تأثیر ذرات میکرو / نانو ناخالصی در طول فرآیند تولید قرار می گیرد. بنابراین، حذف ذرات میکرو / نانو ناخالصی از سطوح نیمه هادی ها به یک مشکل تبدیل شده است.

در دهه 1990، محققان IBM از روش پاکسازی با لیزر به کمک فیلم مایع برای حذف ذرات از سطوح ماسک‌های نوری استفاده کردند که کاربرد صنعتی پاک‌سازی لیزر اجزای نیمه‌رسانا را ترویج کرد . در مقایسه با فن‌آوری‌های سنتی تمیز کردن نیمه‌رسانا، مانند معرف‌های شیمیایی همراه با تماس فیزیکی، تمیز کردن لیزر دارای مزایایی است که نیازی به تماس نیست، دقت بالایی دارد و آلودگی ایجاد نمی‌کند. بنابراین، تمیز کردن لیزر یکی از امیدوارکننده ترین روش ها برای حذف ذرات آلوده در صنعت نیمه هادی است.

۴.۳. سایرکاربرد ها

علاوه بر زمینه های مواد فلزی، مواد غیر فلزی و عناصر نیمه هادی، فناوری تمیز کردن لیزر به طور گسترده ای در زمینه های دیگر استفاده شده است. در صنعت هسته‌ای، تمیز کردن لیزر موثرترین راه برای مقابله با آلاینده‌های رادیواکتیو مانند حذف ذرات رادیواکتیو از سطح شیشه و آلودگی هسته‌ای از لوله‌های راکتور نیروگاه هسته‌ای است.  رابرتز و همکاران از فناوری تمیز کردن لیزر برای حذف آلودگی ترکیب اورانیوم از سطح یک بستر فلزی استفاده کرد. آلودگی از نظر ضخامت و پوشش بسیار متغیر بود و ظاهر کلی نشان دهنده زنگ زدگی بود. پس از تمیزکاری با لیزر، آلودگی نیترات اورانیل مخلوط شده در لایه زنگ تقریباً به طور کامل از سطح نمونه آزمایشی حذف شد.

در زمینه اپتیک، مواد نوری با تقارن پیروالکتریک و پیزوالکتریک می توانند یک اثر فتوولتائیک حجیم را نشان دهند. استفاده از فناوری تمیز کردن لیزر می تواند آسیب نوری را مهار کند. به عنوان مثال از تمیز کردن لیزر برای تمیز کردن کریستال های لیتیوم نیوبات استفاده کردند که با موفقیت تعداد الکترون های از دست رفته را کاهش داد و از تغییر ضریب شکست در کریستال ها جلوگیری کرد.

تمیز کاری با لیزر می تواند جوهر یا رنگ را از سطوح الیاف طبیعی از جمله چوب و کاغذ پاک کند. به عنوان مثال،. از پاکسازی با لیزر برای پاک کردن لکه های جوهر از نمونه های کاغذ استفاده کرد. لکه جوهر واقع در سطح کاغذ با موفقیت پاک می شود، اما اگر لکه جوهر عمیق بین الیاف نفوذ کرده باشد، پاک کردن کل لکه جوهر دشوار است.

  فناوری تمیز کردن لیزر همچنین می تواند برای حذف بیوفیلم ها در زمینه های زیست پزشکی استفاده شود. در مقایسه با فن‌آوری‌های سنتی تمیز کردن سطوح، پاکسازی لیزر دارای مزایای توانایی تمیز کردن و ضدعفونی بهتر است. تقریباً در همه زمینه‌های تمیز کردن سطوح، تمیز کردن لیزری توانایی جایگزینی فناوری‌های رایج تمیز کردن سطوح یا حتی ایجاد یک روش تمیز کردن سطح جدید را نشان می‌دهد.

در مجموع تمیز کاری با لیزر می تواند اتصالات مختلف را از سطوح مختلف جدا کند و به عنوان یک فناوری پیشرفته تمیز کردن سطوح در نظر گرفته می شود. ما مکانیسم های اساسی فناوری تمیز کردن لیزر را خلاصه کردیم و کاربردهای صنعتی معمولی تمیز کردن لیزر را بیان کردیم. براای مظالعه دقیق تر می توانید به مقاله مرجع رجوع کنید.

https://www.mdpi.com/2227-9717/11/5/1445