Principio, tipos y aplicaciones de la tecnología de limpieza láser.

El principio, los tipos y las aplicaciones delimpieza lásertecnología

La tecnología de limpieza láser es una aplicación exitosa de la tecnología láser en el campo de la ingeniería. Su principio básico consiste en utilizar la alta densidad de energía del láser para interactuar con los contaminantes adheridos al sustrato de la pieza de trabajo, provocando su separación del sustrato mediante expansión térmica instantánea, fusión y evaporación de gases. La tecnología de limpieza láser se caracteriza por su alta eficiencia, respeto al medio ambiente y ahorro de energía. Se ha aplicado con éxito en campos como la limpieza de moldes de neumáticos, la eliminación de pintura de fuselajes de aeronaves y la restauración de reliquias culturales.

Las tecnologías de limpieza tradicionales incluyen:limpieza por fricción mecánica(limpieza por chorro de arena, limpieza por chorro de agua a alta presión, etc.), limpieza química anticorrosión, limpieza ultrasónica, limpieza con hielo seco, etc. Estas tecnologías de limpieza se han utilizado ampliamente en diversas industrias. Por ejemplo, la limpieza por chorro de arena puede eliminar manchas de óxido, rebabas en superficies metálicas y barniz de triple acción en placas de circuitos impresos mediante la selección de abrasivos de diferente dureza. La tecnología de limpieza química anticorrosión se utiliza ampliamente para la limpieza de manchas de aceite en superficies de equipos, incrustaciones en calderas y oleoductos. Si bien estas tecnologías de limpieza están bien desarrolladas, aún presentan algunos problemas. Por ejemplo, la limpieza por chorro de arena puede dañar fácilmente la superficie tratada, y la limpieza química anticorrosión puede causar contaminación ambiental y corrosión de la superficie limpiada si no se maneja adecuadamente. La aparición de la tecnología de limpieza láser representa una revolución en la tecnología de limpieza. Aprovecha la alta densidad de energía, la alta precisión y la eficiente transmisión de la energía láser, y tiene ventajas evidentes sobre las tecnologías de limpieza tradicionales en términos de eficiencia, precisión y área de limpieza. Puede evitar eficazmente la contaminación ambiental causada por la limpieza química anticorrosión y otras tecnologías de limpieza, y no dañará el sustrato.

Elprincipio de limpieza láser

¿Qué es la limpieza láser? La limpieza láser es un proceso en el que se utiliza un haz láser para eliminar material de la superficie de un sólido (o a veces un líquido). Con un flujo láser bajo, el material se calienta por la energía láser absorbida y se evapora o sublima. Con un flujo láser alto, el material generalmente se convierte en plasma. Normalmente, la limpieza láser se refiere a la eliminación de material mediante láseres pulsados, pero si la intensidad del láser es suficientemente alta, se puede utilizar un haz láser de onda continua para ablacionar el material. El láser excimer de luz ultravioleta profunda se utiliza principalmente para la ablación óptica. La longitud de onda del láser utilizada para la ablación óptica es de aproximadamente 200 nm. La profundidad de absorción de la energía láser y la cantidad de material eliminado por un solo pulso láser dependen de las propiedades ópticas del material, así como de la longitud de onda del láser y la duración del pulso. La masa total ablacionada del objetivo por cada pulso láser se denomina tasa de ablación. La velocidad de escaneo del haz láser y la cobertura de la línea de escaneo, entre otros factores, influyen significativamente en el proceso de ablación.

Tipos de tecnología de limpieza láser

1) Limpieza en seco con láser: La limpieza en seco con láser se refiere a la irradiación directa de la pieza de trabajo mediante un láser pulsado, lo que provoca que los contaminantes de la base o la superficie absorban energía y aumenten su temperatura, resultando en una expansión térmica o vibración térmica de la base, separándolas así. Este método se puede dividir a grandes rasgos en dos situaciones: una es que los contaminantes de la superficie absorben la energía del láser y se expanden; la otra es que la base absorbe la energía del láser y genera vibración térmica. En 1969, SM Bedair et al. descubrieron que varios métodos de tratamiento de superficies, como el tratamiento térmico, la corrosión química y la limpieza con chorro de arena, tienen diferentes inconvenientes. Al mismo tiempo, la alta densidad de energía después del enfoque del láser puede hacer posible el fenómeno de evaporación de la superficie del material, lo que permite la posibilidad de una limpieza no destructiva de la superficie del material. Mediante experimentos, se descubrió que el uso de un láser Q-switched de rubí con una densidad de potencia de 30 MW/cm2 puede lograr la limpieza de contaminantes de la superficie del material de silicio sin dañar la base, y por primera vez, se logró la limpieza en seco con láser de contaminantes de la superficie del material. La tasa global se puede expresar mediante la tasa de desprendimiento de fragmentos de la capa de película, de la siguiente manera:

En la fórmula, ε representa el índice de energía del pulso láser, h representa el índice de espesor de la capa de película contaminante y E representa el índice del módulo elástico de la capa de película.

2) Limpieza húmeda con láser: Antes de exponer la pieza a limpiar al láser pulsado, se aplica una película líquida de pre-recubrimiento superficial. Bajo la acción del láser, la temperatura de la película líquida aumenta rápidamente y se vaporiza. En el momento de la vaporización, se genera una onda de impacto que actúa sobre las partículas contaminantes y provoca su desprendimiento del sustrato. Este método requiere que el sustrato y la película líquida no reaccionen entre sí, lo que limita el rango de materiales aplicables. En 1991, K. Imen et al. abordaron el problema de los contaminantes residuales de partículas submicrométricas en las superficies de obleas semiconductoras y materiales metálicos después de utilizar métodos de limpieza tradicionales, y estudiaron la aplicación de un recubrimiento sobre la superficie del sustrato que pudiera absorber eficientemente la energía del láser. Posteriormente, utilizando un láser de CO2, la película absorbió la energía del láser, aumentó rápidamente su temperatura y hirvió, generando una vaporización explosiva que eliminó los contaminantes de la superficie del sustrato. Este método de limpieza se denomina limpieza húmeda con láser.

3) Limpieza por ondas de choque de plasma láser: Las ondas de choque de plasma láser se generan cuando el láser irradia el aire y provoca la formación de una onda de choque de plasma esférica. Esta onda actúa sobre la superficie de la pieza a limpiar y libera energía para eliminar los contaminantes. El láser no actúa sobre el sustrato, por lo que no lo daña. La tecnología de limpieza por ondas de choque de plasma láser permite limpiar partículas con diámetros de varias decenas de nanómetros, sin restricciones en la longitud de onda del láser. El principio físico de la limpieza por plasma se puede resumir de la siguiente manera: a) El haz láser emitido es absorbido por la capa de contaminación en la superficie tratada. b) La gran cantidad de absorción forma un plasma en rápida expansión (gas inestable altamente ionizado) y genera una onda de impacto. c) La onda de impacto fragmenta y elimina los contaminantes. d) El ancho del pulso de luz debe ser lo suficientemente corto para evitar la acumulación térmica que podría dañar la superficie tratada. e) Los experimentos han demostrado que, cuando hay óxidos en la superficie metálica, se genera plasma en dicha superficie. El plasma solo se genera cuando la densidad de energía supera el umbral, que depende de la capa de contaminación o de óxido eliminada. Este efecto umbral es crucial para una limpieza eficaz, garantizando al mismo tiempo la seguridad del material del sustrato. La aparición del plasma también tiene un segundo umbral. Si la densidad de energía supera este umbral, el material del sustrato se dañará. Para lograr una limpieza eficaz y garantizar la seguridad del material del sustrato, los parámetros del láser deben ajustarse según la situación para asegurar que la densidad de energía del pulso de luz se mantenga estrictamente entre los dos umbrales. En 2001, JM Lee et al. aprovecharon la característica de que los láseres de alta potencia producen ondas de choque de plasma al enfocarse, y utilizaron un láser pulsado con una densidad de energía de 2,0 J/cm² (mucho mayor que el umbral de daño de las obleas de silicio) para irradiar paralelamente a la oblea de silicio, logrando limpiar con éxito partículas de tungsteno de 1 μm adsorbidas en su superficie. Este método de limpieza se denomina limpieza por ondas de choque de plasma láser y, estrictamente hablando, se trata de un tipo de limpieza láser en seco. El propósito original de estas tres tecnologías de limpieza láser era eliminar las partículas diminutas de la superficie de las obleas semiconductoras. Se puede decir que la tecnología de limpieza láser surgió con el desarrollo de la tecnología de semiconductores. Sin embargo, esta tecnología se ha aplicado continuamente a otros campos, como la limpieza de moldes de neumáticos, la eliminación de pintura de fuselajes de aeronaves y la restauración de superficies de objetos. Bajo la radiación láser, se puede inyectar gas inerte sobre la superficie del sustrato. Cuando los contaminantes se desprenden de la superficie, el gas los elimina inmediatamente, evitando así la recontaminación y la oxidación de la superficie.

ElAplicación de la tecnología de limpieza láser

1) En el campo de los semiconductores, la limpieza de obleas semiconductoras y sustratos ópticos implica el mismo proceso, que consiste en procesar las materias primas para darles las formas requeridas mediante corte, pulido, etc. Durante este proceso, se introducen contaminantes particulados, que son difíciles de eliminar y causan graves problemas de contaminación repetida. Los contaminantes en la superficie de las obleas semiconductoras pueden afectar la calidad de la impresión de la placa de circuitos, acortando así la vida útil de los chips semiconductores. Los contaminantes en la superficie de los sustratos ópticos pueden afectar la calidad de los dispositivos y recubrimientos ópticos, y pueden provocar una distribución desigual de la energía, acortando su vida útil. Dado que la limpieza láser en seco es propensa a causar daños en la superficie del sustrato, este método de limpieza se utiliza menos en la limpieza de obleas semiconductoras y sustratos ópticos. La limpieza láser húmeda y la limpieza láser de ondas de choque de plasma tienen aplicaciones más exitosas en este campo. Xu Chuanyi et al. estudiaron la deposición de pintura magnética especial a microescala en la superficie de sustratos ópticos ultralisos como película dieléctrica, y luego utilizaron un láser pulsado para la limpieza. El efecto de limpieza fue bueno, aunque aumentó el número de partículas de impurezas por unidad de área, el tamaño y el área de cobertura de las partículas de impurezas se redujeron significativamente. Este método puede limpiar eficazmente las partículas de impurezas a microescala en la superficie de sustratos ópticos ultralisos. Zhang Ping estudió la influencia de la distancia de trabajo y la energía del láser en el efecto de limpieza de contaminantes de diferentes tamaños de partículas en la tecnología de limpieza por plasma láser. Los resultados experimentales mostraron que, para partículas de poliestireno en sustratos de vidrio conductor, la distancia de trabajo óptima para una energía de 240 mJ fue de 1,90 mm. A medida que aumentaba la energía del láser, el efecto de limpieza mejoraba significativamente y los contaminantes de partículas grandes se limpiaban con mayor facilidad.

2) En el campo de los materiales metálicos, la limpieza de superficies metálicas difiere de la limpieza de obleas semiconductoras y sustratos ópticos. Los contaminantes a limpiar pertenecen a la categoría macroscópica. Estos contaminantes en la superficie de los materiales metálicos incluyen principalmente la capa de óxido (capa de herrumbre), la capa de pintura, el recubrimiento y otras adherencias, y se pueden clasificar en contaminantes orgánicos (como la capa de pintura y el recubrimiento) e inorgánicos (como la capa de herrumbre). La limpieza de los contaminantes superficiales de los materiales metálicos tiene como objetivo principal cumplir con los requisitos de procesamiento o uso posteriores, como eliminar aproximadamente 10 μm de la capa de óxido de la superficie de piezas de aleación de titanio antes de la soldadura, eliminar el recubrimiento de pintura original en la superficie de la piel de las aeronaves durante reparaciones importantes para facilitar el repintado, y limpiar regularmente las partículas de caucho adheridas al molde de neumáticos para garantizar la limpieza de la superficie y la calidad y vida útil del molde. El umbral de daño de los materiales metálicos es mayor que el umbral de limpieza láser de sus contaminantes superficiales. Al seleccionar un láser de potencia adecuada, se puede lograr un mejor efecto de limpieza. Esta tecnología se ha aplicado con éxito en algunos campos. Wang Lihua y colaboradores estudiaron la aplicación de la tecnología de limpieza láser en el tratamiento de capas de óxido en superficies de aleaciones de aluminio y titanio. Los resultados de la investigación mostraron que el uso de un láser con una densidad de energía de 5,1 J/cm² podía limpiar la capa de óxido en la superficie de la aleación de aluminio A5083-111H manteniendo la buena calidad del sustrato, y el uso de un láser pulsado con una potencia media de 100 W en modo de escaneo podía limpiar eficazmente la capa de óxido en la superficie de las aleaciones de titanio y mejorar la dureza de la superficie del material. Empresas nacionales como Ruike Laser, Daqu Laser y Shenzhen Chuangxin han desarrollado equipos de limpieza láser que se han utilizado ampliamente para limpiar moldes de caucho como neumáticos, capas de óxido metálico y manchas de aceite en la superficie de componentes.

3) En el campo de las reliquias culturales, la limpieza de reliquias de metal y piedra y superficies de papel es necesaria para eliminar contaminantes como suciedad y manchas de tinta que aparecen en sus superficies debido a su larga historia. Estos contaminantes deben eliminarse para restaurar las reliquias. Para obras de papel como caligrafía y pinturas, cuando se almacenan incorrectamente, crece moho en sus superficies y forma manchas. Estas manchas afectan seriamente la apariencia original del papel, especialmente para papel con alto valor cultural o histórico, lo que afectará su apreciación y protección. Zhao Ying et al. estudiaron la viabilidad de usar láser ultravioleta para limpiar manchas de moho en rollos de papel. Los resultados experimentales mostraron que usar un láser con una densidad de energía de 3.2 J/mm2 para escanear una vez podía eliminar manchas delgadas, y escanear dos veces podía eliminar completamente las manchas. Sin embargo, si la energía del láser utilizada es demasiado alta, dañará el rollo de papel al eliminar las manchas. Zhang Xiaotong et al. restauraron con éxito una reliquia de bronce dorado utilizando el método de película líquida de irradiación vertical láser. Zhang Licheng et al. Se utilizó tecnología de limpieza láser en la restauración de una figurilla femenina de cerámica pintada de la dinastía Han. Yuan Xiaodong y colaboradores estudiaron el efecto de la tecnología de limpieza láser en la limpieza de reliquias de piedra y compararon los daños en el cuerpo de arenisca antes y después de la limpieza, así como los efectos de la limpieza de manchas de tinta, contaminación por humo y contaminación por pintura.

Conclusión: La tecnología de limpieza láser es una técnica relativamente avanzada, con amplias perspectivas de investigación y aplicación en campos de alta precisión como la industria aeroespacial, el equipamiento militar y la ingeniería electrónica y eléctrica. Actualmente, la tecnología de limpieza láser se ha aplicado con éxito en algunas áreas, gracias a su eficiencia, respeto al medio ambiente y excelente rendimiento de limpieza. Sus áreas de aplicación se están expandiendo gradualmente. El desarrollo de la tecnología de limpieza láser no solo se ha consolidado en áreas como la eliminación de pintura y óxido, sino que también se han reportado casos de uso de láser para limpiar la capa de óxido en cables metálicos en los últimos años. La expansión de los campos de aplicación existentes y el desarrollo de nuevos campos constituyen la base del desarrollo de la tecnología de limpieza láser. La investigación y el desarrollo de nuevos equipos de limpieza láser mostrarán una diferenciación, dando como resultado diversas funciones. En el futuro, también será posible lograr la limpieza láser totalmente automática mediante la cooperación con robots industriales. La tendencia de desarrollo de la tecnología de limpieza láser es la siguiente:

(1) Fortalecer la investigación sobre la teoría de la limpieza láser para orientar la aplicación de la tecnología de limpieza láser. Tras revisar una gran cantidad de documentos, se constata que no existe un sistema teórico maduro que respalde la tecnología de limpieza láser, y la mayoría de los estudios se basan en experimentos. El establecimiento de un sistema teórico de limpieza láser es fundamental para el desarrollo y la consolidación de esta tecnología.

(2) Expansión de los campos de aplicación existentes y desarrollo de nuevos campos. La tecnología de limpieza láser se ha aplicado con éxito en áreas como la eliminación de pintura y óxido, y en los últimos años se han reportado casos de limpieza láser de la capa de óxido en cables metálicos. La expansión de los campos de aplicación existentes y el desarrollo de nuevos campos constituyen un terreno fértil para el desarrollo de la tecnología de limpieza láser.

(3) Investigación y desarrollo de nuevos equipos de limpieza láser. El desarrollo de nuevos equipos de limpieza láser mostrará una diferenciación. Un tipo son equipos con cierta universalidad que abarcan múltiples campos de aplicación, como un solo dispositivo que puede realizar simultáneamente funciones de eliminación de pintura y óxido. El otro tipo son equipos especializados para necesidades específicas, como el diseño de accesorios o fibras ópticas específicas para lograr la función de limpieza de contaminantes en espacios reducidos. Mediante la cooperación con robots industriales, la limpieza láser totalmente automática también es una dirección de aplicación popular.