Princípio, tipos e aplicações da tecnologia de limpeza a laser

O princípio, os tipos e as aplicações delimpeza a lasertecnologia

A tecnologia de limpeza a laser é uma aplicação bem-sucedida da tecnologia laser na área da engenharia. Seu princípio básico consiste em utilizar a alta densidade de energia do laser para interagir com os contaminantes aderidos ao substrato da peça de trabalho, fazendo com que se separem do substrato por meio de expansão térmica instantânea, fusão e evaporação de gases. A tecnologia de limpeza a laser caracteriza-se pela alta eficiência, respeito ao meio ambiente e economia de energia. Ela tem sido aplicada com sucesso em áreas como limpeza de moldes de pneus, remoção de tinta de fuselagem de aeronaves e restauração de relíquias culturais.

As tecnologias de limpeza tradicionais incluemlimpeza por fricção mecânica(Limpeza por jateamento de areia, limpeza com jato de água de alta pressão, etc.), limpeza química anticorrosiva, limpeza ultrassônica, limpeza com gelo seco, etc. Essas tecnologias de limpeza têm sido amplamente utilizadas em diversos setores. Por exemplo, a limpeza por jateamento de areia pode remover manchas de ferrugem, rebarbas e verniz anticorrosivo em placas de circuito impresso, selecionando abrasivos de diferentes durezas. A limpeza química anticorrosiva é amplamente utilizada na remoção de manchas de óleo em superfícies de equipamentos, incrustações em caldeiras e oleodutos. Embora essas tecnologias de limpeza estejam bem desenvolvidas, ainda apresentam alguns problemas. Por exemplo, a limpeza por jateamento de areia pode facilmente danificar a superfície tratada, e a limpeza química anticorrosiva pode causar poluição ambiental e corrosão da superfície limpa se não for realizada corretamente. O surgimento da tecnologia de limpeza a laser representa uma revolução na tecnologia de limpeza. Ela aproveita a alta densidade de energia, a alta precisão e a transmissão eficiente da energia do laser, apresentando vantagens evidentes sobre as tecnologias de limpeza tradicionais em termos de eficiência, precisão e abrangência da limpeza. Ela evita eficazmente a poluição ambiental causada pela limpeza química anticorrosiva e outras tecnologias de limpeza, além de não danificar o substrato.

Oprincípio da limpeza a laser

O que é limpeza a laser? A limpeza a laser é um processo no qual um feixe de laser é usado para remover material da superfície de um sólido (ou, às vezes, de um líquido). Com um fluxo de laser baixo, o material é aquecido pela energia absorvida e evapora ou sublima. Com um fluxo de laser alto, o material geralmente se transforma em plasma. Normalmente, a limpeza a laser se refere à remoção de material usando lasers pulsados, mas se a intensidade do laser for suficientemente alta, um feixe de laser de onda contínua pode ser usado para ablação do material. O laser de excímero de luz ultravioleta profunda é usado principalmente para ablação óptica. O comprimento de onda do laser usado para ablação óptica é de aproximadamente 200 nm. A profundidade de absorção da energia do laser e a quantidade de material removido por um único pulso de laser dependem das propriedades ópticas do material, bem como do comprimento de onda e da duração do pulso do laser. A massa total ablada do alvo por cada pulso de laser é geralmente chamada de taxa de ablação. A velocidade de varredura do feixe de laser e a cobertura da linha de varredura, entre outros fatores, afetam significativamente o processo de ablação.

Tipos de tecnologia de limpeza a laser

1) Limpeza a seco a laser: A limpeza a seco a laser refere-se à irradiação direta da peça a ser limpa por um laser pulsado, fazendo com que os contaminantes da superfície ou da base absorvam energia e aumentem de temperatura, resultando em expansão térmica ou vibração térmica da base, separando-a. Este método pode ser dividido em duas situações: uma em que os contaminantes da superfície absorvem a energia do laser e se expandem; a outra em que a base absorve a energia do laser e gera vibração térmica. Em 1969, SM Bedair et al. descobriram que vários métodos de tratamento de superfície, como tratamento térmico, corrosão química e jateamento de areia, apresentam diferentes desvantagens. Ao mesmo tempo, a alta densidade de energia após o foco do laser possibilita o fenômeno de evaporação da superfície do material, o que permite a limpeza não destrutiva da superfície do material. Através de experimentos, descobriu-se que o uso de um laser de rubi comutado por Q, com densidade de potência de 30 MW/cm², permite a limpeza de contaminantes da superfície de silício sem danificar a base, e, pela primeira vez, foi realizada a limpeza a seco a laser de contaminantes da superfície do material. A taxa global pode ser expressa pela taxa de desprendimento de fragmentos da camada do filme, da seguinte forma:

Na fórmula, ε representa o índice de energia do pulso de laser, h representa o índice de espessura da camada de filme poluente e E representa o índice do módulo de elasticidade da camada de filme.

2) Limpeza úmida a laser: Antes da peça a ser limpa ser exposta ao laser pulsado, aplica-se uma película líquida de pré-revestimento na superfície. Sob a ação do laser, a temperatura da película líquida aumenta rapidamente e ela vaporiza. No momento da vaporização, gera-se uma onda de impacto que atua sobre as partículas poluentes, fazendo com que se desprendam do substrato. Este método exige que o substrato e a película líquida não reajam entre si, limitando, assim, a gama de materiais aplicáveis. Em 1991, K. Imen et al. abordaram o problema de partículas poluentes residuais submicrométricas nas superfícies de wafers semicondutores e materiais metálicos após a utilização de métodos de limpeza tradicionais e estudaram a aplicação de uma película sobre a superfície do substrato que pudesse absorver eficientemente a energia do laser. Posteriormente, utilizando um laser de CO2, a película absorveu a energia do laser e aumentou rapidamente de temperatura, entrando em ebulição e gerando vaporização explosiva, que removeu os poluentes da superfície do substrato. Este método de limpeza é denominado limpeza úmida a laser.

3) Limpeza por Ondas de Choque de Plasma a Laser: Ondas de choque de plasma a laser são geradas quando o laser irradia o ar, formando uma onda de choque esférica. Essa onda de choque atua sobre a superfície da peça a ser limpa, liberando energia para remover os poluentes. O laser não atua sobre o substrato, evitando danos. A tecnologia de limpeza por ondas de choque de plasma a laser permite a limpeza de partículas com diâmetros de dezenas de nanômetros, sem restrições quanto ao comprimento de onda do laser. O princípio físico da limpeza por plasma pode ser resumido da seguinte forma: a) O feixe de laser emitido é absorvido pela camada de contaminação na superfície tratada. b) A grande quantidade de absorção forma um plasma em rápida expansão (gás instável altamente ionizado) e gera uma onda de impacto. c) A onda de impacto fragmenta e remove os poluentes. d) A largura do pulso de luz deve ser suficientemente curta para evitar o acúmulo térmico que poderia danificar a superfície tratada. e) Experimentos demonstraram que, na presença de óxidos na superfície metálica, o plasma é gerado nessa superfície. O plasma só é gerado quando a densidade de energia excede um determinado limiar, que depende da camada de contaminação ou da camada de óxido removida. Esse efeito de limiar é crucial para uma limpeza eficaz, garantindo a segurança do material do substrato. O surgimento do plasma também possui um segundo limiar. Se a densidade de energia exceder esse limiar, o material do substrato será danificado. Para realizar uma limpeza eficaz, garantindo a segurança do material do substrato, os parâmetros do laser devem ser ajustados de acordo com a situação, assegurando que a densidade de energia do pulso de luz permaneça estritamente entre os dois limiares. Em 2001, JM Lee et al. exploraram a característica de lasers de alta potência produzirem ondas de choque de plasma quando focalizados e utilizaram um laser pulsado com densidade de energia de 2,0 J/cm² (muito superior ao limiar de dano de wafers de silício) para irradiar paralelamente ao wafer de silício, removendo com sucesso partículas de tungstênio de 1 μm adsorvidas na superfície do wafer. Esse método de limpeza é denominado limpeza por ondas de choque de plasma a laser e, em termos estritos, é um tipo de limpeza a laser a seco. O objetivo original dessas três tecnologias de limpeza a laser era remover partículas minúsculas da superfície de wafers semicondutores. Pode-se dizer que a tecnologia de limpeza a laser surgiu com o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores. No entanto, essa tecnologia tem sido continuamente aplicada em outros campos, como a limpeza de moldes de pneus, a remoção de tinta da fuselagem de aeronaves e a restauração da superfície de artefatos. Sob a radiação do laser, um gás inerte é soprado sobre a superfície do substrato. Quando os contaminantes são removidos da superfície, são imediatamente expelidos pelo gás, evitando a recontaminação e a oxidação da superfície.

Oaplicação da tecnologia de limpeza a laser

1) No setor de semicondutores, a limpeza de wafers semicondutores e substratos ópticos envolve o mesmo processo: processar as matérias-primas nos formatos desejados por meio de corte, retificação, etc. Durante esse processo, contaminantes particulados são introduzidos, os quais são difíceis de remover e causam problemas graves de contaminação recorrente. Os contaminantes na superfície dos wafers semicondutores podem afetar a qualidade da impressão da placa de circuito impresso, reduzindo assim a vida útil dos chips semicondutores. Os contaminantes na superfície dos substratos ópticos podem afetar a qualidade dos dispositivos e revestimentos ópticos, podendo levar à distribuição desigual de energia, também reduzindo sua vida útil. Como a limpeza a seco a laser é propensa a danificar a superfície do substrato, esse método de limpeza é menos utilizado na limpeza de wafers semicondutores e substratos ópticos. A limpeza úmida a laser e a limpeza por ondas de choque de plasma a laser têm aplicações mais bem-sucedidas nesse campo. Xu Chuanyi et al. estudaram a deposição de uma tinta magnética especial em microescala na superfície de substratos ópticos ultralisos como um filme dielétrico e, em seguida, utilizaram um laser pulsado para a limpeza. O efeito de limpeza foi bom, embora o número de partículas de impureza por unidade de área tenha aumentado, o tamanho e a área de cobertura das partículas de impureza foram significativamente reduzidos. Este método pode limpar eficazmente partículas de impureza em microescala na superfície de substratos ópticos ultralisos. Zhang Ping estudou a influência da distância de trabalho e da energia do laser no efeito de limpeza de contaminantes de diferentes tamanhos de partículas na tecnologia de limpeza por plasma a laser. Os resultados experimentais mostraram que, para partículas de poliestireno em substratos de vidro condutor, a distância de trabalho ideal para uma energia de 240 mJ foi de 1,90 mm. À medida que a energia do laser aumentou, o efeito de limpeza melhorou significativamente e os contaminantes de partículas maiores foram mais fáceis de limpar.

2) No campo dos materiais metálicos, a limpeza de superfícies metálicas difere da limpeza de wafers semicondutores e substratos ópticos. Os contaminantes a serem removidos pertencem à categoria macroscópica. Os contaminantes na superfície de materiais metálicos incluem principalmente camadas de óxido (ferrugem), camadas de tinta, revestimentos e outras incrustações, podendo ser classificados em contaminantes orgânicos (como camadas de tinta e revestimentos) e inorgânicos (como ferrugem). A limpeza de contaminantes na superfície de materiais metálicos visa principalmente atender aos requisitos de processamento ou uso subsequentes, como a remoção de cerca de 10 μm de camada de óxido da superfície de peças de liga de titânio antes da soldagem, a remoção da tinta original da superfície de aeronaves durante grandes reparos para facilitar a repintura e a limpeza regular de partículas de borracha aderidas ao molde de pneus para garantir a limpeza da superfície e a qualidade e vida útil do molde. O limiar de dano dos materiais metálicos é maior do que o limiar de limpeza a laser de seus contaminantes superficiais. Selecionando um laser com potência adequada, é possível obter um melhor efeito de limpeza. Essa tecnologia já foi aplicada com sucesso em alguns campos. Wang Lihua et al. estudaram a aplicação da tecnologia de limpeza a laser no tratamento de camadas de óxido nas superfícies de ligas de alumínio e titânio. Os resultados da pesquisa mostraram que o uso de um laser com densidade de energia de 5,1 J/cm² foi capaz de limpar a camada de óxido na superfície da liga de alumínio A5083-111H, mantendo a qualidade do substrato. Além disso, o uso de um laser pulsado com potência média de 100 W, em modo de varredura, foi eficaz na limpeza da camada de óxido na superfície de ligas de titânio, melhorando a dureza da superfície do material. Empresas nacionais como Ruike Laser, Daqu Laser e Shenzhen Chuangxin desenvolveram equipamentos de limpeza a laser que têm sido amplamente utilizados para a limpeza de moldes de borracha, como pneus, camadas de ferrugem em metais e manchas de óleo na superfície de componentes.

3) No campo das relíquias culturais, a limpeza de relíquias de metal e pedra, bem como de superfícies de papel, é necessária para remover contaminantes como sujeira e manchas de tinta que surgem em suas superfícies devido à sua longa história. Esses contaminantes precisam ser removidos para restaurar as relíquias. Em trabalhos em papel, como caligrafias e pinturas, quando armazenados incorretamente, mofo cresce em suas superfícies e forma manchas. Essas manchas afetam seriamente a aparência original do papel, especialmente em papéis com alto valor cultural ou histórico, o que prejudica sua apreciação e proteção. Zhao Ying et al. estudaram a viabilidade do uso de laser ultravioleta para limpar manchas de mofo em rolos de papel. Os resultados experimentais mostraram que o uso de um laser com densidade de energia de 3,2 J/mm² em uma única varredura removeu manchas finas, e duas varreduras removeram as manchas completamente. No entanto, se a energia do laser utilizada for muito alta, danificará o rolo de papel durante a remoção das manchas. Zhang Xiaotong et al. restauraram com sucesso uma relíquia de bronze dourado usando o método de filme líquido por irradiação vertical a laser. Zhang Licheng et al. Yuan Xiaodong e outros pesquisadores utilizaram a tecnologia de limpeza a laser na restauração de uma estatueta de cerâmica feminina pintada da Dinastia Han. Eles também estudaram o efeito da tecnologia de limpeza a laser na limpeza de relíquias de pedra e compararam os danos à estrutura de arenito antes e depois da limpeza, bem como os efeitos da limpeza em manchas de tinta, poluição por fumaça e poluição por pintura.

Conclusão: A tecnologia de limpeza a laser é uma técnica relativamente avançada, com amplas perspectivas de pesquisa e aplicação em áreas de alta precisão, como aeroespacial, equipamentos militares e engenharia eletrônica e elétrica. Atualmente, a tecnologia de limpeza a laser tem sido aplicada com sucesso em algumas áreas, graças à sua eficiência, respeito ao meio ambiente e excelente desempenho de limpeza. Suas áreas de aplicação estão se expandindo gradualmente. O desenvolvimento da tecnologia de limpeza a laser não só atingiu a maturidade em áreas como remoção de tinta e ferrugem, como também há relatos, nos últimos anos, do uso de laser para limpar a camada de óxido em fios metálicos. A expansão dos campos de aplicação existentes e o desenvolvimento de novos campos são a base do desenvolvimento da tecnologia de limpeza a laser. A pesquisa e o desenvolvimento de novos equipamentos de limpeza a laser apresentarão diferenciações, resultando em diversas funções. No futuro, a limpeza a laser totalmente automatizada por meio da cooperação com robôs industriais também será possível. A tendência de desenvolvimento da tecnologia de limpeza a laser é a seguinte:

(1) Fortalecer a pesquisa sobre a teoria da limpeza a laser para orientar a aplicação da tecnologia de limpeza a laser. Após a revisão de um grande número de documentos, constatou-se a ausência de um sistema teórico consolidado que sustente a tecnologia de limpeza a laser, sendo a maioria dos estudos baseada em experimentos. O estabelecimento de um sistema teórico para a limpeza a laser é fundamental para o desenvolvimento e amadurecimento dessa tecnologia.

(2) Expansão dos campos de aplicação existentes e novos campos de aplicação. A tecnologia de limpeza a laser tem sido aplicada com sucesso em áreas como remoção de tinta e ferrugem, e há relatos do uso de laser para limpar a camada de óxido em fios metálicos nos últimos anos. A expansão dos campos de aplicação existentes e o desenvolvimento de novos campos são terreno fértil para o desenvolvimento da tecnologia de limpeza a laser.

(3) Pesquisa e desenvolvimento de novos equipamentos de limpeza a laser. O desenvolvimento de novos equipamentos de limpeza a laser apresentará diferenciação. Um tipo consiste em equipamentos com certa universalidade, abrangendo múltiplos campos de aplicação, como um único dispositivo capaz de realizar simultaneamente as funções de remoção de tinta e ferrugem. O outro tipo consiste em equipamentos especializados para necessidades específicas, como o desenvolvimento de acessórios ou fibras ópticas específicas para realizar a limpeza de poluentes em espaços reduzidos. Através da cooperação com robôs industriais, a limpeza a laser totalmente automática também é uma direção de aplicação popular.