في السنوات الأخيرة، أصبح التنظيف بالليزر أحد أبرز مجالات البحث في التصنيع الصناعي، حيث يشمل البحث العملية والنظرية والمعدات والتطبيقات. وفي التطبيقات الصناعية، أثبتت تقنية التنظيف بالليزر قدرتها على تنظيف عدد كبير من أسطح المواد المختلفة بكفاءة عالية، بما في ذلك الفولاذ والألومنيوم والتيتانيوم والزجاج والمواد المركبة، وغيرها. وتشمل الصناعات المطبقة مجالات متنوعة كالفضاء والطيران والشحن والسكك الحديدية فائقة السرعة والسيارات والقوالب والطاقة النووية والبحرية وغيرها.
تتميز تقنية التنظيف بالليزر، التي يعود تاريخها إلى ستينيات القرن الماضي، بمزايا عديدة، منها فعالية التنظيف العالية، وتعدد استخداماتها، ودقتها المتناهية، وعدم الحاجة إلى التلامس، وسهولة الوصول إليها. وتتمتع هذه التقنية بآفاق تطبيق واسعة في مجالات التصنيع والإنتاج والصيانة وغيرها، ومن المتوقع أن تحل جزئيًا أو كليًا محل أساليب التنظيف التقليدية، لتصبح بذلك تقنية التنظيف الصديقة للبيئة الأكثر واعدة في القرن الحادي والعشرين.
طريقة التنظيف بالليزر
تُعد عملية التنظيف بالليزر عملية معقدة للغاية، إذ تتضمن آليات متعددة لإزالة المواد. ففي طريقة التنظيف بالليزر، قد تتواجد في عملية التنظيف نفسها آليات متعددة، ويعزى ذلك بشكل أساسي إلى التفاعل بين الليزر والمادة، بما في ذلك استئصال سطح المادة، والتحلل، والتأين، والتدهور، والانصهار، والاحتراق، والتبخر، والاهتزاز، والرش، والتمدد، والانكماش، والانفجار، والتقشير، والتساقط، وغيرها من التغيرات الفيزيائية والكيميائية.
في الوقت الحاضر، تنقسم طرق التنظيف بالليزر النموذجية إلى ثلاث طرق رئيسية: التنظيف بالاستئصال بالليزر، والتنظيف بالليزر بمساعدة الأغشية السائلة، وطرق التنظيف بموجات الصدمة الليزرية.
طريقة التنظيف بالاستئصال بالليزر
تتمثل الآليات المنهجية الرئيسية في التمدد الحراري، والتبخير، والاستئصال، وانفجار الطور. يعمل الليزر مباشرةً على المادة المراد إزالتها من سطح الركيزة، ويمكن أن تكون الظروف المحيطة هواءً أو غازًا مخففًا أو فراغًا. ظروف التشغيل بسيطة، وهي الأكثر شيوعًا لإزالة مجموعة متنوعة من الطلاءات، والدهانات، والجسيمات، والأوساخ. يوضح الرسم البياني أدناه مخطط عملية التنظيف بالاستئصال الليزري.
عند تسليط أشعة الليزر على سطح المادة، يتمدد كل من الركيزة ومواد التنظيف حراريًا في البداية. ومع ازدياد مدة تفاعل الليزر مع مادة التنظيف، إذا كانت درجة الحرارة أقل من عتبة التكهف لمادة التنظيف، فإن مادة التنظيف تخضع فقط لعملية تغير فيزيائي. ويؤدي اختلاف معامل التمدد الحراري بين مادة التنظيف والركيزة إلى ضغط عند السطح الفاصل، مما يتسبب في انبعاج مادة التنظيف، وتمزقها من سطح الركيزة، وتشققها، وكسرها ميكانيكيًا، وسحقها بالاهتزاز، وما إلى ذلك. وفي النهاية، تُزال مادة التنظيف عن طريق نفث الليزر أو تُجرّد من سطح الركيزة.
إذا كانت درجة الحرارة أعلى من درجة حرارة عتبة التغويز لمادة التنظيف، فسيكون هناك حالتان: 1) عتبة التآكل لمادة التنظيف أقل من الركيزة؛ 2) عتبة التآكل لمادة التنظيف أكبر من الركيزة.
هاتان الحالتان لتنظيف المواد هما الانصهار والتجويف والاستئصال والتغيرات الفيزيائية والكيميائية الأخرى، وآلية التنظيف أكثر تعقيدًا، بالإضافة إلى التأثيرات الحرارية، ولكنها قد تشمل أيضًا كسر الروابط الجزيئية بين مواد التنظيف والركائز، وتحلل أو تدهور مواد التنظيف، وانفجار الطور، وتأين مواد التنظيف الفوري، وتوليد البلازما.
(1)التنظيف بالليزر بمساعدة الأغشية السائلة
تعتمد آلية هذه الطريقة بشكل أساسي على غليان طبقة سائلة وتبخيرها واهتزازها، وما إلى ذلك. ويتطلب استخدامها اختيار الطول الموجي المناسب لليزر، وذلك لتعويض نقص ضغط التأثير في عملية التنظيف بالاستئصال الليزري، ويمكن استخدامها لإزالة بعض الأجسام التي يصعب إزالتها.
كما هو موضح في الشكل أدناه، تُغطى سطح الجسم المراد تنظيفه بطبقة رقيقة من سائل (ماء، إيثانول، أو سوائل أخرى)، ثم يُسلط عليها شعاع ليزر. تمتص هذه الطبقة طاقة الليزر، مما يؤدي إلى انفجار قوي للسائل. يتحرك السائل المغلي بسرعة عالية، وتنتقل الطاقة إلى سطح المادة المراد تنظيفها، وتكون قوة الانفجار العابرة العالية كافية لإزالة الأوساخ السطحية وتحقيق أهداف التنظيف.
تتضمن طريقة التنظيف بالليزر بمساعدة الأغشية السائلة عيبين.
عملية معقدة ويصعب التحكم بها.
بسبب استخدام طبقة سائلة، فإن التركيب الكيميائي لسطح الركيزة بعد التنظيف يسهل تغييره وتكوين مواد جديدة.
(1)طريقة التنظيف بموجة الصدمة الليزرية
تختلف آلية العمل ومنهجيته اختلافًا كبيرًا عن الطريقتين السابقتين، حيث تعتمد الآلية بشكل أساسي على إزالة الجسيمات بقوة الموجة الصدمية، وتستهدف بشكل رئيسي إزالة الجسيمات (دون الميكرون أو النانوية). وتتطلب هذه العملية معايير صارمة للغاية، لضمان قدرة الليزر على تأيين الهواء، وللحفاظ على مسافة مناسبة بينه وبين الركيزة لضمان تأثير قوة الصدمة على الجسيمات بشكل كافٍ.
يوضح الشكل التخطيطي أدناه عملية التنظيف بموجات الصدمة الليزرية. يُسلط الليزر موازيًا لسطح الركيزة دون ملامستها. عند تحريك قطعة العمل أو رأس الليزر لضبط بؤرة الليزر على الجسيم بالقرب من مخرج الليزر، تحدث ظاهرة تأين الهواء في نقطة التركيز، مما يُولد موجات صدمية تتمدد بسرعة بشكل كروي، وتمتد لتلامس الجسيمات. عندما يتجاوز عزم المركبة العرضية لموجة الصدمة على الجسيم عزم المركبة الطولية وقوة التصاق الجسيم، يُزال الجسيم بالتدحرج.
تقنية التنظيف بالليزر
تعتمد آلية التنظيف بالليزر بشكل أساسي على امتصاص سطح الجسم لطاقة الليزر، أو التبخر والتطاير، أو التمدد الحراري الفوري للتغلب على امتصاص الجزيئات على السطح، وبالتالي إزالة الجسم من السطح، ومن ثم تحقيق غرض التنظيف.
يمكن تلخيصها تقريبًا على النحو التالي: 1. تحلل البخار بالليزر، 2. إزالة الطبقة السطحية بالليزر، 3. التمدد الحراري لجزيئات الأوساخ، 4. اهتزاز سطح الركيزة واهتزاز الجزيئات (أربعة جوانب).
بالمقارنة مع عملية التنظيف التقليدية، تتميز تقنية التنظيف بالليزر بالخصائص التالية.
1. إنها عملية تنظيف "جافة"، لا تستخدم أي محلول تنظيف أو محاليل كيميائية أخرى، وتكون درجة النظافة أعلى بكثير من عملية التنظيف الكيميائي.
2. نطاق إزالة الأوساخ ونطاق المواد القابلة للتطبيق واسع جدًا، و
3. من خلال تنظيم معلمات عملية الليزر، لا يمكن إتلاف سطح الركيزة على أساس الإزالة الفعالة للملوثات، ويكون السطح جيدًا كالجديد.
4. يمكن أتمتة عملية التنظيف بالليزر بسهولة.
5. يمكن استخدام معدات التطهير بالليزر لفترة طويلة، بتكاليف تشغيل منخفضة.
6. تقنية التنظيف بالليزر هي عملية تنظيف صديقة للبيئة، حيث يتم التخلص من النفايات على شكل مسحوق صلب صغير الحجم وسهل التخزين، ولن تلوث البيئة بشكل أساسي.
في ثمانينيات القرن الماضي، أدى التطور السريع لصناعة أشباه الموصلات إلى ظهور متطلبات أعلى فيما يتعلق بتقنية تنظيف جزيئات التلوث الموجودة على سطح قناع رقاقة السيليكون، وتتمثل النقطة الرئيسية في التغلب على تلوث الجسيمات الدقيقة وقوة الامتزاز الكبيرة بين الركيزة، حيث أن طرق التنظيف الكيميائي والميكانيكي والموجات فوق الصوتية التقليدية غير قادرة على تلبية الطلب، ويمكن للتنظيف بالليزر حل مشاكل التلوث هذه، وقد تطورت الأبحاث والتطبيقات ذات الصلة بسرعة.
في عام ١٩٨٧، ظهر أول طلب براءة اختراع للتنظيف بالليزر. وفي التسعينيات، نجح زابكا في تطبيق تقنية التنظيف بالليزر على عملية تصنيع أشباه الموصلات لإزالة الجزيئات الدقيقة من سطح القناع، محققًا بذلك التطبيق المبكر لهذه التقنية في المجال الصناعي. وفي عام ١٩٩٥، استخدم باحثون ليزر ثاني أكسيد الكربون (TEA-CO2) بقوة ٢ كيلوواط لإزالة طلاء جسم الطائرة بنجاح.
مع دخول القرن الحادي والعشرين، ومع التطور السريع لأشعة الليزر النبضية فائقة القصر، ازداد البحث والتطبيق في مجال تقنية التنظيف بالليزر محليًا ودوليًا، مع التركيز على أسطح المواد المعدنية. ومن التطبيقات الأجنبية النموذجية إزالة الطلاء من هياكل الطائرات، وإزالة الشحوم من أسطح القوالب، وإزالة الكربون من داخل المحركات، وتنظيف أسطح الوصلات قبل اللحام. وقد قام معهد إديسون للحام الأمريكي بتنظيف طائرة FG16 الحربية بالليزر، حيث بلغ حجم التنظيف 2.36 سم مكعب في الدقيقة عند استخدام طاقة ليزر تبلغ 1 كيلوواط.
تجدر الإشارة إلى أن البحث والتطبيق في مجال إزالة الطلاء بالليزر من الأجزاء المركبة المتقدمة يُعدّان من أهم المجالات البحثية. فقد تم تطبيق هذه التقنية على شفرات مراوح طائرات الهليكوبتر HG53 وHG56 التابعة للبحرية الأمريكية، وعلى الذيل المسطح للطائرة المقاتلة F16، وغيرها من الأسطح المركبة. أما في الصين، فقد تأخر استخدام المواد المركبة في تطبيقات الطائرات، لذا لا يزال هذا المجال البحثي غير مكتمل.
بالإضافة إلى ذلك، يُعدّ استخدام تقنية التنظيف بالليزر لمعالجة سطح وصلات مركبات ألياف الكربون المقواة بالبوليمر قبل لصقها، بهدف تحسين قوة الوصلة، أحد محاور البحث الحالية. وقد قامت إحدى شركات تصنيع الليزر بتزويد خط إنتاج سيارة أودي TT بمعدات تنظيف بالليزر الليفي لإزالة طبقة الأكسيد من سطح إطار باب السيارة المصنوع من سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن. كما استخدمت شركة رولز رويس في المملكة المتحدة تقنية التنظيف بالليزر لإزالة طبقة الأكسيد من سطح مكونات محرك الطائرة المصنوعة من التيتانيوم.
شهدت تقنية التنظيف بالليزر تطورًا سريعًا خلال العامين الماضيين، حيث حققت تقدمًا ملحوظًا في مجالاتٍ عديدة، بدءًا من معايير عملية التنظيف وآلياتها، مرورًا بأبحاث المواد المراد تنظيفها، وصولًا إلى تطبيقاتها العملية. وبعد العديد من الدراسات النظرية، بات التركيز في هذه التقنية مُنصبًا على التطبيقات العملية، وقد أسفرت هذه التطبيقات عن نتائج واعدة. ومن المتوقع أن تنتشر تقنية التنظيف بالليزر على نطاق أوسع في المستقبل لحماية الآثار والتحف الفنية، نظرًا لتوسع سوقها. ومع تطور العلم والتكنولوجيا، بات تطبيق تقنية التنظيف بالليزر في الصناعة واقعًا ملموسًا، ويتسع نطاق استخداماتها باستمرار.
تركز شركة مافن لأتمتة الليزر على صناعة الليزر منذ 14 عامًا، ونحن متخصصون في تعليم الليزر، ولدينا آلات تنظيف الليزر لخزائن الآلات، وآلات تنظيف الليزر لحقائب اليد، وآلات تنظيف الليزر لحقائب الظهر، وآلات تنظيف الليزر ثلاثية الوظائف. بالإضافة إلى ذلك، لدينا أيضًا آلات لحام الليزر، وآلات قطع الليزر، وآلات نقش تعليم الليزر. إذا كنت مهتمًا بآلاتنا، يمكنك متابعتنا والتواصل معنا.
تاريخ النشر: 14 نوفمبر 2022
