เทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เป็นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ที่ประสบความสำเร็จในสาขาวิศวกรรม หลักการพื้นฐานคือการใช้ประโยชน์จากความหนาแน่นพลังงานสูงของเลเซอร์เพื่อสร้างปฏิสัมพันธ์ระหว่างลำแสงเลเซอร์กับสิ่งปนเปื้อนที่เกาะติดอยู่บนพื้นผิวชิ้นงาน สิ่งปนเปื้อนจะถูกแยกออกจากพื้นผิวด้วยการขยายตัวทางความร้อนอย่างฉับพลัน การหลอมเหลว การระเหยของก๊าซ และกลไกอื่นๆ เทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีประสิทธิภาพสูง เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และประหยัดพลังงาน จึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ประสบความสำเร็จในด้านการทำความสะอาดแม่พิมพ์ยาง การลอกสีตัวถังเครื่องบิน การบูรณะโบราณวัตถุ และสาขาอื่นๆ
เทคโนโลยีการทำความสะอาดแบบดั้งเดิม ได้แก่ การทำความสะอาดด้วยแรงเสียดทานเชิงกล (การพ่นทราย การทำความสะอาดด้วยน้ำแรงดันสูง ฯลฯ) การทำความสะอาดด้วยสารเคมีกัดกร่อน การทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราโซนิค การทำความสะอาดด้วยน้ำแข็งแห้ง และอื่นๆ เทคโนโลยีเหล่านี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ ตัวอย่างเช่น การพ่นทรายสามารถกำจัดคราบสนิม รอยขรุขระ และสารเคลือบป้องกันบนแผงวงจรได้โดยการเลือกใช้สารขัดถูที่มีความแข็งต่างกัน การทำความสะอาดด้วยสารเคมีกัดกร่อนถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางสำหรับการกำจัดคราบน้ำมันบนพื้นผิวอุปกรณ์ การทำความสะอาดคราบตะกรันในหม้อไอน้ำ และการกำจัดสิ่งอุดตันในท่อส่งน้ำมัน แม้ว่าวิธีการแบบดั้งเดิมจะพัฒนามาอย่างดีแล้ว แต่ก็มีข้อเสียที่สำคัญคือ การพ่นทรายทำให้พื้นผิวที่ได้รับการบำบัดเสียหายได้ง่าย และการทำความสะอาดด้วยสารเคมีกัดกร่อนก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมและอาจกัดกร่อนวัสดุหากใช้งานไม่ถูกต้อง การเกิดขึ้นของการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ถือเป็นการปฏิวัติเทคโนโลยีการทำความสะอาด การใช้ความหนาแน่นของพลังงานสูง ความแม่นยำ และการส่งผ่านที่มีประสิทธิภาพของเลเซอร์ ทำให้การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีการแบบดั้งเดิมในด้านประสิทธิภาพ ความแม่นยำ และการกำหนดตำแหน่ง นอกจากนี้ยังช่วยขจัดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมจากการทำความสะอาดด้วยสารเคมีและไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อวัสดุ
หลักการของการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์
การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์คืออะไรกันแน่? มันหมายถึงกระบวนการกำจัดวัสดุออกจากพื้นผิวของแข็ง (หรือบางครั้งก็ของเหลว) โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ ที่ความเข้มแสงเลเซอร์ต่ำ พลังงานเลเซอร์ที่ถูกดูดซับจะทำให้วัสดุร้อนขึ้น ส่งผลให้เกิดการระเหยหรือการระเหิด ที่ความเข้มแสงเลเซอร์สูง วัสดุมักจะเปลี่ยนเป็นพลาสมา การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์มักใช้เลเซอร์แบบพัลส์ในการกำจัดวัสดุ แม้ว่าลำแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่องก็สามารถกำจัดวัสดุได้หากมีความเข้มสูงเพียงพอ เลเซอร์เอ็กไซเมอร์อัลตราไวโอเลตช่วงคลื่นลึกประมาณ 200 นาโนเมตร มักใช้สำหรับการกำจัดวัสดุด้วยแสงเป็นหลัก
ความลึกของพลังงานเลเซอร์การดูดซับและปริมาณวัสดุที่ถูกกำจัดออกต่อพัลส์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแสงของวัสดุ รวมถึงความยาวคลื่นของเลเซอร์และระยะเวลาของพัลส์ อัตราการกัดเซาะคือปริมาณมวลรวมที่ถูกกัดเซาะออกจากเป้าหมายต่อพัลส์ คุณลักษณะของรังสีเลเซอร์ เช่น ความเร็วในการสแกนและการครอบคลุมของเส้น มีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการกัดเซาะ
ประเภทของเทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์
1) การซักแห้งด้วยเลเซอร์
การซักแห้งด้วยเลเซอร์เกี่ยวข้องกับ...การฉายแสงเลเซอร์แบบพัลส์โดยตรงไปยังชิ้นงาน สารปนเปื้อนหรือพื้นผิวจะดูดซับพลังงานเลเซอร์ ทำให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นและเกิดการขยายตัวทางความร้อน หรือเกิดการสั่นสะเทือนทางความร้อนของพื้นผิว ซึ่งจะทำให้สารปนเปื้อนแยกออกจากพื้นผิว กระบวนการนี้เกิดขึ้นได้สองกรณี คือ สารปนเปื้อนบนพื้นผิวดูดซับพลังงานเลเซอร์และขยายตัว หรือพื้นผิวดูดซับพลังงานและสั่นสะเทือนทางความร้อน
ในปี 1969 SM Bedair และคณะ พบว่าการปรับสภาพพื้นผิวแบบดั้งเดิม (การอบด้วยความร้อน การกัดกร่อนทางเคมี การพ่นทราย) ล้วนมีข้อจำกัด พวกเขาพบว่าความหนาแน่นพลังงานสูงของเลเซอร์แบบโฟกัสสามารถทำให้วัสดุบนพื้นผิวระเหยไปได้โดยไม่ทำลายวัสดุพื้นฐาน การทดลองยืนยันว่าเลเซอร์ทับทิมแบบ Q-switched ที่มีความหนาแน่นพลังงาน 30 MW/cm² สามารถทำความสะอาดสิ่งปนเปื้อนออกจากพื้นผิวซิลิคอนได้โดยไม่ทำลายวัสดุพื้นฐาน ซึ่งนับเป็นการนำการทำความสะอาดแบบแห้งด้วยเลเซอร์มาใช้เป็นครั้งแรก
อัตราการทำความสะอาดโดยรวมสามารถแสดงได้ผ่านอัตราการหลุดลอกของเศษฟิล์ม ดังแสดงในภาพด้านล่าง:
(สูตร: ε—ดัชนีพลังงานพัลส์เลเซอร์; h—ดัชนีความหนาของฟิล์มสิ่งปนเปื้อน; E—ดัชนีโมดูลัสความยืดหยุ่นของฟิล์ม)
2) การทำความสะอาดแบบเปียกด้วยเลเซอร์
ก่อนการฉายแสงเลเซอร์แบบพัลส์ จะมีการเคลือบฟิล์มเหลวลงบนพื้นผิวชิ้นงานก่อน พลังงานเลเซอร์จะให้ความร้อนและทำให้ฟิล์มระเหยอย่างรวดเร็ว ก่อให้เกิดคลื่นกระแทกฉับพลันที่ช่วยแยกอนุภาคสิ่งปนเปื้อนออกจากพื้นผิว วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องมีปฏิกิริยาเคมีระหว่างพื้นผิวและฟิล์มเหลว จึงจำกัดวัสดุที่สามารถใช้งานได้
ในปี 1991 K. Imen และคณะ ได้ศึกษาเกี่ยวกับสารปนเปื้อนขนาดเล็กกว่าไมครอนที่หลงเหลืออยู่บนแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์และโลหะหลังจากการทำความสะอาดแบบดั้งเดิม พวกเขาเคลือบพื้นผิวด้วยฟิล์มดูดซับแสงเลเซอร์และฉายแสงเลเซอร์ CO₂ ลงบนฟิล์ม ฟิล์มจะดูดซับพลังงาน ร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว เดือด และระเหยกลายเป็นไออย่างรุนแรง ทำให้สารปนเปื้อนบนพื้นผิวถูกกำจัดออกไป ซึ่งนี่คือที่มาของการทำความสะอาดแบบเปียกด้วยเลเซอร์
3) การทำความสะอาดด้วยคลื่นกระแทกพลาสมาเลเซอร์
คลื่นกระแทกพลาสมาเลเซอร์เกิดขึ้นเมื่อเลเซอร์ทำให้โมเลกุลอากาศแตกตัวเป็นไอออนกลายเป็นคลื่นกระแทกพลาสมาทรงกลมในระหว่างการฉายแสง คลื่นกระแทกเหล่านี้จะพุ่งชนพื้นผิว ปล่อยพลังงานออกมาเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนโดยไม่ทำลายพื้นผิว (เลเซอร์ไม่ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับพื้นผิว) เทคโนโลยีนี้สามารถทำความสะอาดอนุภาคขนาดเล็กถึงระดับหลายสิบนาโนเมตร และไม่มีข้อจำกัดเรื่องความยาวคลื่นของเลเซอร์
หลักการทางกายภาพของการทำความสะอาดด้วยพลาสมาสามารถสรุปได้ดังนี้:
ก) ลำแสงเลเซอร์ถูกดูดซับโดยชั้นสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวเป้าหมาย
b) การดูดซับพลังงานสูงทำให้เกิดพลาสมา (ก๊าซที่ไม่เสถียรและแตกตัวเป็นไอออนสูง) ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วและก่อให้เกิดคลื่นกระแทก
ค) คลื่นกระแทกจะทำให้อนุภาคแตกตัวและกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกไป
d) พัลส์เลเซอร์ต้องสั้นพอเพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมความร้อนที่อาจทำให้พื้นผิวเสียหาย
e) การทดลองแสดงให้เห็นว่าพลาสมาเกิดขึ้นบนพื้นผิวโลหะเมื่อมีออกไซด์อยู่
การเกิดพลาสมาจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ซึ่งขึ้นอยู่กับสิ่งปนเปื้อนหรือชั้นออกไซด์ที่จะกำจัด นอกจากนี้ยังมีเกณฑ์ที่สูงกว่าอีกเกณฑ์หนึ่ง ซึ่งหากเกินกว่านั้นจะทำให้พื้นผิวเสียหาย เพื่อให้การทำความสะอาดมีประสิทธิภาพโดยไม่ทำลายพื้นผิว ต้องปรับพารามิเตอร์ของเลเซอร์เพื่อให้ความหนาแน่นของพลังงานพัลส์อยู่ระหว่างเกณฑ์ทั้งสองนี้
ในปี 2001 JM Lee และคณะ ได้ใช้ประโยชน์จากคลื่นกระแทกพลาสมาจากเลเซอร์โฟกัสกำลังสูง เลเซอร์แบบพัลส์ที่มีความหนาแน่นพลังงาน 2.0 J/cm² (ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัดความเสียหายของซิลิคอนมาก) ฉายแสงไปยังแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนพร้อมกัน ทำให้สามารถกำจัดอนุภาคทังสเตนขนาด 1 μm ได้สำเร็จ กล่าวโดยเคร่งครัดแล้ว การทำความสะอาดด้วยคลื่นกระแทกพลาสมาเลเซอร์เป็นส่วนหนึ่งของการทำความสะอาดแบบแห้ง
เทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ทั้งสามแบบนี้ เดิมทีพัฒนาขึ้นเพื่อกำจัดอนุภาคขนาดเล็กจากแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ แต่ปัจจุบันได้ขยายขอบเขตการใช้งานไปสู่การทำความสะอาดแม่พิมพ์ยางรถยนต์ การลอกสีเคลือบผิวเครื่องบิน การบูรณะโบราณวัตถุ และอื่นๆ อีกมากมาย สามารถเป่าก๊าซเฉื่อยลงบนพื้นผิวระหว่างการฉายแสงเลเซอร์เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่หลุดออกมาได้ทันที ป้องกันการปนเปื้อนซ้ำและการเกิดออกซิเดชัน
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์
1) อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์: การทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์และพื้นผิวรองรับทางแสง
แผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์และวัสดุรองรับทางแสงผ่านกระบวนการแปรรูปที่เหมือนกัน (การตัด การเจียร) เพื่อสร้างรูปทรงที่ต้องการ ซึ่งทำให้เกิดสิ่งปนเปื้อนที่เป็นอนุภาคซึ่งยากต่อการกำจัดและมีแนวโน้มที่จะปนเปื้อนซ้ำ สิ่งปนเปื้อนบนแผ่นเวเฟอร์ทำให้คุณภาพการพิมพ์วงจรลดลงและลดอายุการใช้งานของชิป ส่วนบนวัสดุรองรับทางแสง สิ่งปนเปื้อนจะทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ทางแสงและสารเคลือบเสื่อมลง ทำให้การกระจายพลังงานไม่สม่ำเสมอและลดอายุการใช้งาน
การทำความสะอาดแบบแห้งด้วยเลเซอร์นั้นไม่ค่อยได้ใช้ในบริเวณนี้เนื่องจากมีความเสี่ยงที่จะทำให้พื้นผิวเสียหาย ในขณะที่การทำความสะอาดแบบเปียกและการทำความสะอาดด้วยคลื่นกระแทกพลาสมานั้นมีการใช้งานที่ประสบความสำเร็จมากมาย Xu Chuanyi และคณะ ได้ทำการเคลือบสีแม่เหล็กขนาดไมครอนเป็นฟิล์มไดอิเล็กทริกบนพื้นผิวออปติคอลที่เรียบมาก ทำให้ได้การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีประสิทธิภาพ แม้ว่าอนุภาคสิ่งเจือปนทั้งหมดจะเพิ่มขึ้น แต่ขนาดและการปกคลุมของอนุภาคกลับลดลงอย่างมาก Zhang Ping ได้ศึกษาผลกระทบของระยะการทำงานและพลังงานเลเซอร์ต่อประสิทธิภาพการทำความสะอาดอนุภาคที่มีขนาดแตกต่างกัน การทดลองแสดงให้เห็นว่าเลเซอร์ 240 มิลลิจูล สามารถทำความสะอาดอนุภาคโพลีสไตรีนบนกระจกนำไฟฟ้าได้อย่างเหมาะสมที่สุดที่ระยะการทำงาน 1.90 มิลลิเมตร ประสิทธิภาพการทำความสะอาดดีขึ้นเมื่อพลังงานเลเซอร์สูงขึ้น และอนุภาคขนาดใหญ่จะกำจัดได้ง่ายกว่า
2) อุตสาหกรรมโลหะ: การทำความสะอาดพื้นผิวโลหะ
การทำความสะอาดพื้นผิวโลหะมุ่งเป้าไปที่สิ่งปนเปื้อนขนาดใหญ่ ได้แก่ ชั้นออกไซด์/สนิม สี สารเคลือบ และสิ่งยึดติดอื่นๆ ซึ่งแบ่งออกเป็นสิ่งปนเปื้อนอินทรีย์ (สี สารเคลือบ) หรือสิ่งปนเปื้อนอนินทรีย์ (สนิม) การทำความสะอาดเป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับการแปรรูป/การใช้งานในขั้นตอนต่อไป เช่น การกำจัดชั้นออกไซด์หนา 10 ไมโครเมตรออกจากโลหะผสมไทเทเนียมก่อนการเชื่อม การลอกสีออกจากผิวเครื่องบินเพื่อการทาสีใหม่ และการทำความสะอาดคราบยางจากแม่พิมพ์ยางรถยนต์เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของผลิตภัณฑ์และอายุการใช้งานของแม่พิมพ์
โลหะมีขีดจำกัดความเสียหายที่สูงกว่าขีดจำกัดการกำจัดสิ่งปนเปื้อน ทำให้สามารถทำความสะอาดได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยเลเซอร์ที่มีกำลังเหมาะสม ตัวอย่างการใช้งานที่พัฒนาแล้ว ได้แก่: Wang Lihua และคณะ ได้แสดงให้เห็นว่าเลเซอร์ขนาด 5.1 J/cm² สามารถกำจัดชั้นออกไซด์ออกจากโลหะผสมอะลูมิเนียม A5083-111H ได้โดยไม่ทำลายคุณภาพของพื้นผิว และเลเซอร์แบบพัลส์ขนาด 100 วัตต์ สามารถทำความสะอาดชั้นออกไซด์ของโลหะผสมไทเทเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มความแข็งของพื้นผิว ผู้ผลิตในประเทศ (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) ได้จัดจำหน่ายอุปกรณ์ทำความสะอาดด้วยเลเซอร์อย่างแพร่หลายสำหรับแม่พิมพ์ยาง การกำจัดสนิมโลหะ และการกำจัดคราบน้ำมันบนชิ้นส่วนต่างๆ
3) การอนุรักษ์โบราณวัตถุ: การทำความสะอาดโบราณวัตถุและเอกสารโบราณ
โบราณวัตถุที่ทำจากโลหะและหินจะสะสมสิ่งสกปรก คราบหมึก และสารปนเปื้อนอื่นๆ เมื่อเวลาผ่านไป ทำให้ต้องทำความสะอาดเพื่อฟื้นฟูสภาพดั้งเดิม ส่วนโบราณวัตถุที่ทำจากกระดาษ (ภาพวาด งานเขียนพู่กัน) จะเกิดราและคราบสกปรกหากเก็บรักษาไม่ถูกวิธี ทำให้สภาพและคุณค่าทางวัฒนธรรม/ประวัติศาสตร์เสื่อมโทรมลงอย่างมาก
Zhao Ying และคณะ ได้ตรวจสอบการทำความสะอาดคราบราบนกระดาษข้าวด้วยเลเซอร์ UV โดยพบว่า การสแกนเพียงครั้งเดียวที่พลังงาน 3.2 J/mm² สามารถกำจัดคราบราบางๆ ได้ ในขณะที่การสแกนสองครั้งสามารถกำจัดคราบราได้หมด การใช้พลังงานเลเซอร์มากเกินไปจะทำให้กระดาษเสียหาย Zhang Xiaotong ประสบความสำเร็จในการบูรณะโบราณวัตถุทองสัมฤทธิ์ปิดทองโดยใช้วิธีการทำความสะอาดแบบเปียกด้วยเลเซอร์ Zhang Licheng ได้ประยุกต์ใช้การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์กับรูปปั้นดินเผาผู้หญิงที่ทาสีจากสมัยราชวงศ์ฮั่น Yuan Xiaodong และคณะ ได้ประเมินประสิทธิภาพการทำความสะอาดด้วยเลเซอร์สำหรับโบราณวัตถุหิน โดยเปรียบเทียบความเสียหายของพื้นผิวและประสิทธิภาพการกำจัดคราบหมึก ควัน และสีบนหินทราย
บทสรุป
การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีขั้นสูงที่มีศักยภาพในการวิจัยและการประยุกต์ใช้ในด้านการบินและอวกาศ อุปกรณ์ทางทหาร อิเล็กทรอนิกส์ และสาขาที่ต้องการความแม่นยำสูงอื่นๆ เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และให้ผลลัพธ์การทำความสะอาดที่เหนือกว่า เทคโนโลยีนี้จึงเป็นที่ยอมรับในหลายอุตสาหกรรม และการประยุกต์ใช้งานก็ยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากการกำจัดสีและสนิมที่ใช้กันมานานแล้ว ความก้าวหน้าล่าสุดยังรวมถึงการทำความสะอาดชั้นออกไซด์บนสายโลหะด้วยเลเซอร์ การพัฒนาในอนาคตขึ้นอยู่กับการขยายการใช้งานที่มีอยู่ การเข้าสู่สาขาใหม่ และการคิดค้นอุปกรณ์ใหม่ๆ
- เสริมสร้างงานวิจัยเชิงทฤษฎีเพื่อเป็นแนวทางในการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ งานวิจัยในปัจจุบันพึ่งพาการทดลองเป็นอย่างมาก และขาดกรอบทฤษฎีที่สมบูรณ์ การสร้างกรอบดังกล่าวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี
- ขยายการใช้งานในสาขาที่มีอยู่และสาขาใหม่ๆ มีความเชี่ยวชาญในการกำจัดสีและสนิม และการใช้งานที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ ได้แก่ การทำความสะอาดคราบออกไซด์บนลวดโลหะ ซึ่งเป็นพื้นฐานที่อุดมสมบูรณ์สำหรับการเติบโต
- พัฒนาอุปกรณ์ทำความสะอาดด้วยเลเซอร์แบบใหม่ โดยแยกออกเป็นอุปกรณ์อเนกประสงค์ (เช่น อุปกรณ์กำจัดสีและสนิมในตัว) และเครื่องมือเฉพาะทาง (เช่น อุปกรณ์จับยึด/เส้นใยแบบกำหนดเองสำหรับพื้นที่จำกัด) การทำงานแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบผ่านการบูรณาการกับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นทิศทางที่น่าสนใจ
วันที่เผยแพร่: 14 พฤษภาคม 2569
