Prinsip, jenis, dan aplikasi daripembersihan laserteknologi
Teknologi pembersihan laser merupakan aplikasi teknologi laser yang sukses di bidang teknik. Prinsip dasarnya adalah memanfaatkan kepadatan energi laser yang tinggi untuk berinteraksi dengan kontaminan yang menempel pada substrat benda kerja, menyebabkan kontaminan tersebut terpisah dari substrat dalam bentuk ekspansi termal instan, peleburan, dan penguapan gas. Teknologi pembersihan laser dicirikan oleh efisiensi tinggi, ramah lingkungan, dan hemat energi. Teknologi ini telah berhasil diterapkan di berbagai bidang seperti pembersihan cetakan ban, penghilangan cat badan pesawat terbang, dan restorasi peninggalan budaya.
Teknologi pembersihan tradisional meliputi:pembersihan gesekan mekanis(Pembersihan dengan sandblasting, pembersihan dengan jet air bertekanan tinggi, dll.), pembersihan korosi kimia, pembersihan ultrasonik, pembersihan es kering, dll. Teknologi pembersihan ini telah banyak digunakan di berbagai industri. Misalnya, pembersihan dengan sandblasting dapat menghilangkan noda karat logam, gerinda permukaan logam, dan lapisan pernis tiga lapis pada papan sirkuit dengan memilih bahan abrasif dengan kekerasan yang berbeda. Teknologi pembersihan korosi kimia banyak digunakan dalam pembersihan noda minyak pada permukaan peralatan, kerak pada boiler, dan pipa minyak. Meskipun teknologi pembersihan ini telah berkembang dengan baik, teknologi ini masih memiliki beberapa masalah. Misalnya, pembersihan dengan sandblasting dapat dengan mudah menyebabkan kerusakan pada permukaan yang dibersihkan, dan pembersihan korosi kimia dapat menyebabkan polusi lingkungan dan korosi pada permukaan yang dibersihkan jika tidak ditangani dengan benar. Munculnya teknologi pembersihan laser merupakan revolusi dalam teknologi pembersihan. Teknologi ini memanfaatkan kepadatan energi yang tinggi, presisi tinggi, dan transmisi energi laser yang efisien, dan memiliki keunggulan yang jelas dibandingkan teknologi pembersihan tradisional dalam hal efisiensi pembersihan, presisi pembersihan, dan lokasi pembersihan. Teknologi ini dapat secara efektif menghindari polusi lingkungan yang disebabkan oleh pembersihan korosi kimia dan teknologi pembersihan lainnya, dan tidak akan menyebabkan kerusakan pada substrat.
Jadi, apa itu pembersihan laser? Pembersihan laser adalah proses di mana sinar laser digunakan untuk menghilangkan material dari permukaan benda padat (atau terkadang cairan). Pada fluks laser rendah, material dipanaskan oleh energi laser yang diserap dan menguap atau menyublim. Pada fluks laser tinggi, material biasanya berubah menjadi plasma. Biasanya, pembersihan laser mengacu pada penghilangan material menggunakan laser berdenyut, tetapi jika intensitas laser cukup tinggi, sinar laser gelombang kontinu dapat digunakan untuk mengablasi material. Laser excimer cahaya ultraviolet dalam terutama digunakan untuk ablasi optik. Panjang gelombang laser yang digunakan untuk ablasi optik sekitar 200 nm. Kedalaman penyerapan energi laser dan jumlah material yang dihilangkan oleh satu pulsa laser bergantung pada sifat optik material, serta panjang gelombang laser dan panjang pulsa. Massa total yang diablasi dari target oleh setiap pulsa laser biasanya disebut laju ablasi. Kecepatan pemindaian sinar laser dan cakupan garis pemindaian, dll., akan sangat memengaruhi proses ablasi.
Jenis-jenis Teknologi Pembersihan Laser
1) Pembersihan kering laser: Pembersihan kering laser mengacu pada penyinaran langsung benda kerja yang dibersihkan oleh laser berdenyut, yang menyebabkan kontaminan dasar atau permukaan menyerap energi dan meningkatkan suhu, sehingga mengakibatkan pemuaian termal atau getaran termal pada dasar, dan dengan demikian memisahkan keduanya. Metode ini secara kasar dapat dibagi menjadi dua situasi: pertama, kontaminan permukaan menyerap energi laser dan memuai; kedua, dasar menyerap energi laser dan menghasilkan getaran termal. Pada tahun 1969, SM Bedair dkk. menemukan bahwa berbagai metode perawatan permukaan seperti perlakuan panas, korosi kimia, dan pembersihan sandblasting semuanya memiliki kekurangan yang berbeda. Pada saat yang sama, kepadatan energi yang tinggi setelah pemfokusan laser dapat memungkinkan fenomena penguapan permukaan material, yang memungkinkan kemungkinan pembersihan permukaan material tanpa merusak. Melalui percobaan, ditemukan bahwa penggunaan laser Q-switched rubi dengan kepadatan daya 30 MW/cm2 dapat mencapai pembersihan kontaminan permukaan material silikon tanpa merusak dasar, dan untuk pertama kalinya, pembersihan kering laser pada kontaminan permukaan material berhasil direalisasikan. Tingkat keseluruhan dapat dinyatakan dengan tingkat pelepasan fragmen lapisan film, sebagai berikut:
Dalam rumus tersebut, ε mewakili indeks energi pulsa laser, h mewakili indeks ketebalan lapisan film polutan, dan E mewakili indeks modulus elastisitas lapisan film.
2) Pembersihan Basah Laser: Sebelum benda kerja yang akan dibersihkan terpapar laser pulsa, lapisan film cair pra-pelapisan permukaan diaplikasikan. Di bawah pengaruh laser, suhu film cair naik dengan cepat dan menguap. Pada saat penguapan, gelombang tumbukan dihasilkan, yang bekerja pada partikel polutan dan menyebabkan partikel tersebut terlepas dari substrat. Metode ini mensyaratkan bahwa substrat dan film cair tidak bereaksi satu sama lain, sehingga membatasi jangkauan material yang dapat diaplikasikan. Pada tahun 1991, K. Imen dkk. membahas masalah polutan partikel sub-mikron residual pada permukaan wafer semikonduktor dan material logam setelah metode pembersihan tradisional digunakan, dan mempelajari aplikasi pelapisan film pada permukaan substrat material yang dapat menyerap energi laser secara efisien. Selanjutnya, dengan menggunakan laser CO2, film tersebut menyerap energi laser dan suhunya meningkat dengan cepat dan mendidih, menghasilkan penguapan eksplosif, yang menghilangkan polutan dari permukaan substrat. Metode pembersihan ini disebut pembersihan basah laser.
3) Pembersihan Gelombang Kejut Plasma Laser: Gelombang kejut plasma laser dihasilkan ketika laser menyinari medium udara dan menyebabkan terbentuknya gelombang kejut plasma berbentuk bola. Gelombang kejut tersebut bekerja pada permukaan benda kerja yang akan dibersihkan dan melepaskan energi untuk menghilangkan polutan. Laser tidak bekerja pada substrat, sehingga tidak menyebabkan kerusakan pada substrat. Teknologi pembersihan gelombang kejut plasma laser kini dapat membersihkan partikel dengan diameter beberapa puluh nanometer, dan tidak ada batasan pada panjang gelombang laser. Prinsip fisik pembersihan plasma dapat diringkas sebagai berikut: a) Sinar laser yang dipancarkan oleh laser diserap oleh lapisan kontaminasi pada permukaan yang diolah. b) Jumlah penyerapan yang besar membentuk plasma yang mengembang dengan cepat (gas tidak stabil yang sangat terionisasi) dan menghasilkan gelombang tumbukan. c) Gelombang tumbukan menyebabkan polutan terfragmentasi dan dihilangkan. d) Lebar pulsa cahaya harus cukup pendek untuk menghindari akumulasi termal yang dapat merusak permukaan yang diolah. e) Percobaan telah menunjukkan bahwa ketika ada oksida pada permukaan logam, plasma dihasilkan pada permukaan logam. Plasma hanya dihasilkan ketika kepadatan energi melebihi ambang batas, yang bergantung pada lapisan kontaminasi atau lapisan oksida yang dihilangkan. Efek ambang batas ini sangat penting untuk pembersihan yang efektif sekaligus memastikan keamanan material substrat. Munculnya plasma juga memiliki ambang batas kedua. Jika kepadatan energi melebihi ambang batas ini, material substrat akan rusak. Untuk melakukan pembersihan yang efektif sekaligus memastikan keamanan material substrat, parameter laser harus disesuaikan dengan situasi untuk memastikan bahwa kepadatan energi pulsa cahaya berada tepat di antara kedua ambang batas tersebut. Pada tahun 2001, JM Lee dkk. memanfaatkan karakteristik bahwa laser daya tinggi menghasilkan gelombang kejut plasma ketika difokuskan, dan menggunakan laser pulsa dengan kepadatan energi 2,0 J/cm2 (jauh lebih tinggi daripada ambang batas kerusakan wafer silikon) untuk menyinari wafer silikon secara paralel, dan berhasil membersihkan partikel tungsten 1 μm yang terserap pada permukaan wafer silikon. Metode pembersihan ini disebut pembersihan gelombang kejut plasma laser, dan secara tegas, pembersihan gelombang kejut plasma laser adalah jenis pembersihan laser kering. Tujuan awal dari ketiga teknologi pembersihan laser ini adalah untuk membersihkan partikel-partikel kecil di permukaan wafer semikonduktor. Dapat dikatakan bahwa teknologi pembersihan laser muncul bersamaan dengan perkembangan teknologi semikonduktor. Namun, teknologi pembersihan laser terus diterapkan di bidang lain, seperti pembersihan cetakan ban, penghilangan cat kulit pesawat terbang, dan restorasi permukaan artefak. Saat berada di bawah radiasi laser, gas inert dapat ditiupkan ke permukaan substrat. Ketika kontaminan terkelupas dari permukaan, kontaminan tersebut akan segera tertiup oleh gas untuk menghindari kontaminasi ulang dan oksidasi permukaan.
Itupenerapan teknologi pembersihan laser
1) Di bidang semikonduktor, pembersihan wafer semikonduktor dan substrat optik melibatkan proses yang sama, yaitu memproses bahan baku menjadi bentuk yang dibutuhkan melalui pemotongan, penggerindaan, dan lain-lain. Selama proses ini, kontaminan partikulat masuk, yang sulit dihilangkan dan menyebabkan masalah kontaminasi berulang yang parah. Kontaminan pada permukaan wafer semikonduktor dapat memengaruhi kualitas pencetakan papan sirkuit, sehingga memperpendek umur pakai chip semikonduktor. Kontaminan pada permukaan substrat optik dapat memengaruhi kualitas perangkat dan lapisan optik, dan dapat menyebabkan distribusi energi yang tidak merata, sehingga memperpendek umur pakainya. Karena pembersihan kering laser cenderung menyebabkan kerusakan pada permukaan substrat, metode pembersihan ini kurang digunakan dalam pembersihan wafer semikonduktor dan substrat optik. Pembersihan basah laser dan pembersihan gelombang kejut plasma laser memiliki aplikasi yang lebih sukses di bidang ini. Xu Chuanyi dkk. mempelajari pengendapan cat magnetik khusus skala mikro pada permukaan substrat optik ultra-halus sebagai film dielektrik, dan kemudian menggunakan laser berdenyut untuk pembersihan. Efek pembersihannya baik, meskipun jumlah partikel pengotor per satuan luas meningkat, ukuran dan luas cakupan partikel pengotor berkurang secara signifikan. Metode ini dapat secara efektif membersihkan partikel pengotor skala mikro pada permukaan substrat optik ultra-halus. Zhang Ping mempelajari pengaruh jarak kerja dan energi laser terhadap efek pembersihan kontaminan dengan ukuran partikel berbeda dalam teknologi pembersihan plasma laser. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa untuk partikel polistirena pada substrat kaca konduktif, jarak kerja optimal untuk energi 240 mJ adalah 1,90 mm. Seiring peningkatan energi laser, efek pembersihan meningkat secara signifikan, dan kontaminan partikel besar lebih mudah dibersihkan.
2) Di bidang material logam, pembersihan permukaan material logam berbeda dengan pembersihan wafer semikonduktor dan substrat optik. Kontaminan yang akan dibersihkan termasuk dalam kategori makroskopis. Kontaminan pada permukaan material logam terutama meliputi lapisan oksida (lapisan karat), lapisan cat, lapisan pelapis, dan zat tambahan lainnya, dan dapat diklasifikasikan menjadi kontaminan organik (seperti lapisan cat, lapisan pelapis) dan kontaminan anorganik (seperti lapisan karat). Pembersihan kontaminan permukaan material logam terutama untuk memenuhi persyaratan pemrosesan atau penggunaan selanjutnya, seperti menghilangkan lapisan oksida sekitar 10 μm dari permukaan bagian paduan titanium sebelum pengelasan, menghilangkan lapisan cat asli pada permukaan kulit selama perbaikan besar pesawat terbang untuk memudahkan pengecatan ulang, dan secara teratur membersihkan partikel karet yang menempel pada cetakan ban karet untuk memastikan kebersihan permukaan serta kualitas dan umur pakai cetakan. Ambang batas kerusakan material logam lebih tinggi daripada ambang batas pembersihan laser kontaminan permukaannya. Dengan memilih laser daya yang tepat, efek pembersihan yang lebih baik dapat dicapai. Teknologi ini telah diterapkan secara matang di beberapa bidang. Wang Lihua dkk. mempelajari penerapan teknologi pembersihan laser dalam perawatan lapisan oksida pada permukaan paduan aluminium dan paduan titanium. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan laser dengan kepadatan energi 5,1 J/cm2 dapat membersihkan lapisan oksida pada permukaan paduan aluminium A5083-111H sambil mempertahankan kualitas substrat yang baik, dan penggunaan laser pulsa dengan daya rata-rata 100 W secara pemindaian dapat secara efektif membersihkan lapisan oksida pada permukaan paduan titanium dan meningkatkan kekerasan permukaan material. Perusahaan domestik seperti Ruike Laser, Daqu Laser, dan Shenzhen Chuangxin telah mengembangkan peralatan pembersihan laser yang telah banyak digunakan untuk membersihkan cetakan karet seperti ban, lapisan karat logam, dan noda minyak pada permukaan komponen.
3) Di bidang peninggalan budaya, pembersihan peninggalan logam dan batu serta permukaan kertas diperlukan untuk menghilangkan kontaminan seperti kotoran dan noda tinta yang muncul di permukaannya karena sejarahnya yang panjang. Kontaminan ini perlu dihilangkan untuk memulihkan peninggalan tersebut. Untuk karya kertas seperti kaligrafi dan lukisan, jika disimpan dengan tidak benar, jamur akan tumbuh di permukaannya dan membentuk bintik-bintik. Bintik-bintik ini sangat memengaruhi penampilan asli kertas, terutama untuk kertas dengan nilai budaya atau sejarah yang tinggi, yang akan memengaruhi apresiasi dan perlindungannya. Zhao Ying dkk. mempelajari kelayakan penggunaan laser ultraviolet untuk membersihkan bintik-bintik jamur pada gulungan kertas. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa penggunaan laser dengan kepadatan energi 3,2 J/mm2 untuk pemindaian sekali dapat menghilangkan bintik-bintik tipis, dan pemindaian dua kali dapat menghilangkan bintik-bintik tersebut sepenuhnya. Namun, jika energi laser yang digunakan terlalu tinggi, akan merusak gulungan kertas saat menghilangkan bintik-bintik tersebut. Zhang Xiaotong dkk. berhasil memulihkan peninggalan perunggu berlapis emas menggunakan metode film cair iradiasi vertikal laser. Zhang Licheng dkk. Teknologi pembersihan laser digunakan dalam restorasi patung keramik wanita bercat dari Dinasti Han. Yuan Xiaodong dkk. mempelajari efek teknologi pembersihan laser dalam pembersihan peninggalan batu dan membandingkan kerusakan pada badan batu pasir sebelum dan sesudah pembersihan, serta efek pembersihan noda tinta, polusi asap, dan polusi cat.
Kesimpulan: Teknologi pembersihan laser adalah teknik yang relatif canggih, dengan prospek penelitian dan aplikasi yang luas di bidang presisi tinggi seperti kedirgantaraan, peralatan militer, dan teknik elektronika dan kelistrikan. Saat ini, teknologi pembersihan laser telah berhasil diterapkan di beberapa bidang, berkat efisiensi, ramah lingkungan, dan kinerja pembersihannya yang sangat baik. Area aplikasinya secara bertahap meluas. Pengembangan teknologi pembersihan laser tidak hanya diterapkan secara matang di bidang-bidang seperti penghilangan cat dan penghilangan karat, tetapi juga terdapat laporan penggunaan laser untuk membersihkan lapisan oksida pada kawat logam dalam beberapa tahun terakhir. Perluasan bidang aplikasi yang ada dan pengembangan bidang baru merupakan dasar dari pengembangan teknologi pembersihan laser. Penelitian dan pengembangan peralatan pembersihan laser baru dan pengembangan peralatan pembersihan laser baru akan menunjukkan diferensiasi, menghasilkan berbagai fungsi. Di masa depan, pencapaian pembersihan laser otomatis sepenuhnya melalui kerja sama dengan robot industri juga dapat dicapai. Tren perkembangan teknologi pembersihan laser adalah sebagai berikut:
(1) Memperkuat penelitian teori pembersihan laser untuk memandu penerapan teknologi pembersihan laser. Setelah meninjau sejumlah besar dokumen, ditemukan bahwa belum ada sistem teori yang matang yang mendukung teknologi pembersihan laser, dan sebagian besar penelitian didasarkan pada eksperimen. Membangun sistem teori pembersihan laser merupakan dasar bagi pengembangan dan kematangan teknologi pembersihan laser lebih lanjut.
(2) Perluasan bidang aplikasi yang ada dan bidang aplikasi baru. Teknologi pembersihan laser telah berhasil diterapkan di berbagai bidang seperti penghilangan cat dan penghilangan karat, dan terdapat laporan penggunaan laser untuk membersihkan lapisan oksida pada kawat logam dalam beberapa tahun terakhir. Perluasan bidang aplikasi yang ada dan pengembangan bidang baru merupakan lahan subur bagi pengembangan teknologi pembersihan laser.
(3) Penelitian dan pengembangan peralatan pembersih laser baru. Pengembangan peralatan pembersih laser baru akan menunjukkan diferensiasi. Satu jenis adalah peralatan dengan universalitas tertentu yang mencakup berbagai bidang aplikasi, seperti satu perangkat dapat secara bersamaan melakukan fungsi penghilangan cat dan penghilangan karat. Jenis lainnya adalah peralatan khusus untuk kebutuhan tertentu, seperti mendesain perlengkapan khusus atau serat optik untuk mencapai fungsi pembersihan polutan di ruang kecil. Melalui kerja sama dengan robot industri, pembersihan laser otomatis sepenuhnya juga merupakan arah aplikasi yang populer.
Waktu posting: 17 Juli 2025
