A limpeza a laser é um método eficaz para remover partículas sujas e filmes de diferentes materiais e tamanhos de uma superfície sólida.
Ao usar um laser contínuo ou pulsado de alto brilho e bem direcionado, um feixe de laser com um formato de ponto específico e distribuição de energia é formado após o foco óptico e a modelagem do ponto. O feixe de laser é então irradiado sobre a superfície do material contaminado que precisa ser limpo.
Após o material contaminante fixado na superfície absorver a energia do laser, ele passará por uma série de processos físicos e químicos complexos, como vibração, fusão, combustão e até mesmo vaporização, fazendo com que o poluente se desprenda da superfície do material.
Mesmo que o laser seja aplicado na superfície limpa, a maior parte dele será refletida sem causar danos ao substrato, conseguindo assim o efeito de limpeza.
Veja na figura a seguir um exemplo de limpeza de liga de alumínio com tinta vermelha na superfície.
A limpeza a laser pode ser classificada de acordo com diferentes critérios. Por exemplo, pode ser dividido em limpeza a laser a seco e limpeza a laser úmida com base no fato de um filme líquido ser aplicado à superfície do substrato durante o processo de limpeza a laser.
O primeiro envolve a irradiação direta da superfície poluente com feixes de laser, enquanto o último requer a aplicação de umidade ou filme líquido na superfície a ser limpa. A limpeza a laser úmido é eficiente, mas requer revestimento manual do filme líquido, que não deve alterar as propriedades do material do substrato.
Portanto, em comparação com a tecnologia de limpeza a laser a seco, o escopo de aplicação da limpeza a laser úmido é um tanto limitado.
A limpeza a laser a seco é atualmente o método de limpeza a laser mais utilizado, no qual feixes de laser são usados para irradiar diretamente a superfície da peça de trabalho para remover partículas e filmes.
Limpeza a laser a seco
O princípio básico da limpeza a laser a seco é que quando as partículas e o substrato são irradiados por feixes de laser, a energia luminosa absorvida é convertida em energia térmica instantaneamente. Isto provoca expansão térmica instantânea das partículas, substrato ou ambos, gerando uma aceleração entre eles.
A força produzida por esta aceleração supera a força de adesão entre as partículas e o substrato, fazendo com que as partículas se desprendam da superfície do substrato.
(1) A limpeza a laser a seco pode ser dividida em duas formas principais de acordo com diferentes mecanismos de absorção:
Para partículas de poeira com pontos de fusão superiores aos da matriz (ou com taxas de absorção do laser significativamente diferentes):
A absorção de partículas sob irradiação laser é mais forte (a) ou mais fraca (b) que a do substrato. Neste caso, a energia absorvida do laser é convertida em energia térmica, causando expansão térmica das partículas.
Embora a quantidade de expansão térmica seja muito pequena, ela ocorre dentro de um período de tempo extremamente curto, resultando em uma enorme aceleração instantânea atuando no substrato entre as partículas e o substrato.
Enquanto isso, o substrato também atua sobre as partículas, superando a força de adesão entre elas e fazendo com que as partículas se desprendam do substrato, conforme mostra a Figura 1.
(2) Para sujeira com pontos de ebulição mais baixos:
A sujeira da superfície absorve diretamente a energia do laser, causando ebulição e evaporação instantânea em alta temperatura, que remove a sujeira por vaporização direta. O princípio é mostrado na Figura 2.
Princípio de limpeza úmida a laser
A limpeza úmida a laser, também conhecida como limpeza a vapor a laser, é um método de limpeza a laser no qual há uma película líquida fina ou média de vários micrômetros na superfície do objeto limpo.
Comparada com a lavagem a seco, a limpeza a úmido envolve a presença de tal filme, que, quando irradiado pelo feixe de laser, sofre um aumento instantâneo de temperatura e gera um grande número de bolhas que produzem reações de gaseificação.
A força de impacto gerada pela explosão da gaseificação supera a força de adesão entre as partículas e o substrato.
Dependendo dos diferentes coeficientes de absorção do comprimento de onda do laser por partículas, filmes líquidos e substratos, a limpeza úmida a laser pode ser dividida em três tipos.
(1) Quando o substrato absorve fortemente a energia do laser:
Quando o laser é irradiado sobre o substrato e o filme líquido, a absorção do substrato pelo laser é muito maior do que a do filme líquido.
Portanto, ocorre um fenômeno de vaporização explosiva na junção entre o substrato e o filme líquido, conforme mostrado na figura abaixo. Em teoria, quanto mais estreito o tempo de pulso, mais fácil é produzir superaquecimento na junção, resultando em maior força de impacto explosivo.
(2) Quando o filme líquido absorve fortemente a energia do laser:
Este princípio de limpeza envolve o filme líquido absorvendo a maior parte da energia do laser e sofrendo vaporização explosiva em sua superfície, conforme mostrado na figura abaixo.
Neste caso, a eficiência da limpeza a laser não é tão boa como quando o substrato absorve o laser, porque a força de impacto explosiva ocorre apenas na superfície do filme líquido.
Quando o substrato absorve o laser, bolhas e explosões ocorrem na junção entre o substrato e o filme líquido, e é mais provável que a força de impacto explosiva empurre as partículas para longe da superfície do substrato. Portanto, o efeito de limpeza da absorção do substrato é melhor.
(3) Quando o substrato e o filme líquido absorvem a energia do laser:
Neste caso, a eficiência da limpeza é baixa. Depois que o laser é irradiado no filme líquido, parte da energia do laser é absorvida e a energia é dispersa por todo o filme líquido.
O filme líquido ferve para produzir bolhas, e a energia restante do laser é absorvida pelo substrato após passar pelo filme líquido, conforme mostrado na figura. Este método requer mais energia do laser para gerar bolhas e explosões em ebulição. Portanto, a eficiência deste método é muito baixa.
Ao usar a absorção de substrato para limpeza úmida a laser, a maior parte da energia do laser é absorvida pelo substrato, causando superaquecimento na junção entre o filme líquido e o substrato, produzindo bolhas na interface.
Em comparação com a limpeza a seco, a limpeza a úmido utiliza a força de impacto explosiva gerada pela explosão da bolha na interface para obter a limpeza a laser.
Ao mesmo tempo, uma certa quantidade de substâncias químicas pode ser adicionada ao filme líquido para reagir com as partículas poluentes e reduzir a força de adesão entre as partículas e os materiais do substrato, diminuindo assim o limite para a limpeza a laser.
Portanto, a limpeza úmida pode melhorar até certo ponto a eficiência da limpeza, mas também apresenta algumas dificuldades. A introdução de uma película líquida pode levar a nova poluição e a espessura da película líquida é difícil de controlar.
Fatores que afetam a qualidade da limpeza a laser
Influência do comprimento de onda do laser:
A premissa da limpeza a laser é a absorção do laser, portanto, ao selecionar uma fonte de laser, é necessário combinar as características de absorção de luz do objeto limpo para escolher um laser que seja adequado para a banda como fonte de laser.
Além disso, pesquisas experimentais realizadas por cientistas estrangeiros mostraram que, para limpar partículas com as mesmas características, quanto menor o comprimento de onda, mais forte será a capacidade de limpeza do laser e menor será o limiar de limpeza.
Portanto, sob a premissa de atender às características de absorção de luz do material, a fim de melhorar o efeito e a eficiência de limpeza, lasers com comprimentos de onda mais curtos devem ser selecionados como fontes de luz de limpeza.
Influência da densidade de potência:
Ao realizar a limpeza a laser, há um limite superior de danos e um limite inferior de limpeza para a densidade de potência do laser. Dentro desta faixa, quanto maior for a densidade de potência do laser durante a limpeza a laser, maior será a capacidade de limpeza e mais significativo será o efeito de limpeza.
Portanto, a densidade de potência do laser deve ser aumentada tanto quanto possível sem danificar o material do substrato.
Influência da largura do pulso:
A fonte de laser para limpeza a laser pode ser luz contínua ou pulsada. Os lasers pulsados podem fornecer potência de pico muito alta, facilitando o atendimento aos requisitos de limite.
Além disso, a pesquisa descobriu que os lasers pulsados têm um impacto menor nos efeitos térmicos dos substratos durante a limpeza, enquanto os lasers contínuos têm uma área de efeito térmico maior.
Influência da velocidade e frequência de varredura:
Obviamente, no processo de limpeza a laser, quanto mais rápida for a velocidade de varredura a laser e menor o número de vezes, maior será a eficiência da limpeza, mas isso pode resultar em uma diminuição na eficácia da limpeza.
Portanto, em aplicações práticas de limpeza, a velocidade e a frequência de varredura apropriadas devem ser selecionadas de acordo com as características do material do objeto limpo e o grau de contaminação. A taxa de sobreposição durante a digitalização também afetará o efeito de limpeza.
Influência da quantidade de desfocagem:
Antes da limpeza a laser, o laser geralmente é focado por meio de uma certa combinação de lentes de foco. Durante o processo real de limpeza a laser, ele geralmente é realizado em um estado desfocado.
Quanto maior for a quantidade de desfocagem, maior será o ponto de luz no material, maior será a área de digitalização e maior será a eficiência. Quando a potência total é constante, quanto menor for a quantidade de desfocagem, maior será a densidade de potência do laser e mais forte será a capacidade de limpeza.
