Prinzip, Arten und Anwendungen vonLaserreinigungTechnologie
Die Laserreinigungstechnologie ist eine erfolgreiche Anwendung der Lasertechnologie im Ingenieurwesen. Ihr Grundprinzip beruht auf der Nutzung der hohen Energiedichte des Lasers, um mit den am Werkstück haftenden Verunreinigungen zu interagieren. Diese lösen sich durch sofortige thermische Ausdehnung, Schmelzen und Verdampfung vom Substrat. Die Laserreinigungstechnologie zeichnet sich durch hohe Effizienz, Umweltfreundlichkeit und Energieeinsparung aus. Sie wird erfolgreich in Bereichen wie der Reinigung von Reifenformen, der Entfernung von Flugzeuglack und der Restaurierung von Kulturgütern eingesetzt.
Zu den traditionellen Reinigungstechnologien gehörenmechanische Reibungsreinigung(Sandstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen usw.), chemische Korrosionsreinigung, Ultraschallreinigung, Trockeneisreinigung usw. Diese Reinigungstechnologien finden in verschiedenen Branchen breite Anwendung. Beispielsweise lassen sich durch Sandstrahlen mit Hilfe von Strahlmitteln unterschiedlicher Härte Metallrostflecken, Metallgrate und Dreischichtlack auf Leiterplatten entfernen. Chemische Korrosionsreinigung wird häufig zur Beseitigung von Ölflecken auf Anlagenoberflächen, Kesselstein und Ölleitungen eingesetzt. Trotz ihrer fortgeschrittenen Entwicklung weisen diese Technologien weiterhin Probleme auf. So kann Sandstrahlen die behandelte Oberfläche leicht beschädigen, und bei unsachgemäßer Anwendung kann chemische Korrosionsreinigung Umweltverschmutzung und Korrosion der gereinigten Oberfläche verursachen. Die Laserreinigungstechnologie stellt eine Revolution in der Reinigungstechnik dar. Sie nutzt die hohe Energiedichte, Präzision und effiziente Übertragung von Laserenergie und bietet gegenüber traditionellen Reinigungstechnologien deutliche Vorteile hinsichtlich Reinigungseffizienz, Präzision und gezielter Anwendung. Sie vermeidet effektiv Umweltverschmutzungen durch chemische Korrosionsreinigung und andere Reinigungstechnologien und schont das Substrat.
Was ist Laserreinigung? Bei der Laserreinigung wird ein Laserstrahl eingesetzt, um Material von der Oberfläche eines Festkörpers (oder manchmal auch einer Flüssigkeit) abzutragen. Bei geringer Laserintensität wird das Material durch die absorbierte Laserenergie erhitzt und verdampft oder sublimiert. Bei hoher Laserintensität wandelt sich das Material üblicherweise in Plasma um. Üblicherweise bezeichnet Laserreinigung die Materialabtragung mittels gepulster Laser. Ist die Laserintensität jedoch hoch genug, kann auch ein Dauerstrichlaser (CW-Laser) zur Ablation des Materials verwendet werden. Excimerlaser im tiefen Ultraviolettbereich werden hauptsächlich für die optische Ablation eingesetzt. Die Wellenlänge für die optische Ablation beträgt etwa 200 nm. Die Absorptionstiefe der Laserenergie und die Menge des von einem einzelnen Laserpuls abgetragenen Materials hängen von den optischen Eigenschaften des Materials sowie von der Laserwellenlänge und der Pulsdauer ab. Die Gesamtmasse, die von jedem Laserpuls vom Zielmaterial abgetragen wird, wird üblicherweise als Ablationsrate bezeichnet. Die Scangeschwindigkeit des Laserstrahls und die Abdeckung der Scanlinie beeinflussen den Ablationsprozess maßgeblich.
Arten der Laserreinigungstechnologie
1) Lasertrockenreinigung: Bei der Lasertrockenreinigung wird das Werkstück direkt mit einem gepulsten Laser bestrahlt. Dadurch absorbieren die Grund- oder Oberflächenverunreinigungen Energie und erwärmen sich. Dies führt zu einer thermischen Ausdehnung oder Vibration des Grundmaterials, wodurch sich Material und Werkstück trennen. Man kann dieses Verfahren grob in zwei Fälle unterteilen: Entweder absorbieren die Oberflächenverunreinigungen die Laserenergie und dehnen sich aus, oder das Grundmaterial absorbiert die Laserenergie und erzeugt thermische Vibrationen. 1969 entdeckten SM Bedair et al., dass verschiedene Oberflächenbehandlungsverfahren wie Wärmebehandlung, chemische Korrosion und Sandstrahlen jeweils unterschiedliche Nachteile aufweisen. Gleichzeitig ermöglicht die hohe Energiedichte nach der Laserfokussierung die Verdampfung der Materialoberfläche und damit eine zerstörungsfreie Reinigung. Experimente zeigten, dass mit einem gütegeschalteten Rubinlaser mit einer Leistungsdichte von 30 MW/cm² Silizium-Oberflächenverunreinigungen entfernt werden können, ohne das Grundmaterial zu beschädigen. Damit wurde erstmals eine Lasertrockenreinigung von Materialoberflächenverunreinigungen realisiert. Die Gesamtrate kann durch die Ablösungsrate der Filmschichtfragmente wie folgt ausgedrückt werden:
In der Formel steht ε für den Laserpulsenergieindex, h für den Dickenindex der Schadstofffilmschicht und E für den Elastizitätsmodulindex der Filmschicht.
2) Laser-Nassreinigung: Bevor das zu reinigende Werkstück dem gepulsten Laser ausgesetzt wird, wird ein flüssiger Vorbeschichtungsfilm auf die Oberfläche aufgetragen. Unter Lasereinwirkung erhitzt sich der Flüssigkeitsfilm rapide und verdampft. Im Moment der Verdampfung entsteht eine Stoßwelle, die auf die Schadstoffpartikel einwirkt und diese vom Substrat ablöst. Dieses Verfahren setzt voraus, dass Substrat und Flüssigkeitsfilm nicht miteinander reagieren, was die Auswahl an anwendbaren Materialien einschränkt. 1991 befassten sich K. Imen et al. mit dem Problem von Restverunreinigungen im Submikrometerbereich auf der Oberfläche von Halbleiterwafern und Metallwerkstoffen nach Anwendung herkömmlicher Reinigungsmethoden. Sie untersuchten die Anwendung einer Beschichtung des Substratmaterials mit einem Film, der Laserenergie effizient absorbieren kann. Anschließend wurde der Film mit einem CO₂-Laser behandelt. Dabei absorbierte er die Laserenergie, erhitzte sich rapide und verdampfte explosionsartig, wodurch die Verunreinigungen von der Substratoberfläche entfernt wurden. Dieses Reinigungsverfahren wird als Laser-Nassreinigung bezeichnet.
3) Laserplasma-Stoßwellenreinigung: Laserplasma-Stoßwellen entstehen, wenn ein Laser auf ein Luftmedium trifft und eine sphärische Plasma-Stoßwelle bildet. Diese Stoßwelle wirkt auf die Oberfläche des zu reinigenden Werkstücks und setzt dabei Energie frei, um die Verunreinigungen zu entfernen. Da der Laser nicht auf das Substrat einwirkt, wird dieses nicht beschädigt. Mit der Laserplasma-Stoßwellenreinigung lassen sich Partikel mit Durchmessern von mehreren zehn Nanometern entfernen, und es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Laserwellenlänge. Das physikalische Prinzip der Plasmareinigung lässt sich wie folgt zusammenfassen: a) Der vom Laser emittierte Strahl wird von der Verunreinigungsschicht auf der zu behandelnden Oberfläche absorbiert. b) Die hohe Absorption führt zur Bildung eines sich schnell ausdehnenden Plasmas (hochionisiertes, instabiles Gas), das eine Stoßwelle erzeugt. c) Die Stoßwelle fragmentiert die Verunreinigungen und entfernt sie. d) Die Pulsdauer des Lichtimpulses muss kurz genug sein, um eine thermische Überhitzung und damit eine Beschädigung der Oberfläche zu vermeiden. e) Experimente haben gezeigt, dass bei Vorhandensein von Oxiden auf der Metalloberfläche Plasma entsteht. Plasma entsteht nur, wenn die Energiedichte einen Schwellenwert überschreitet, der von der abgetragenen Kontaminations- oder Oxidschicht abhängt. Dieser Schwellenwerteffekt ist entscheidend für eine effektive Reinigung unter Schonung des Substratmaterials. Die Plasmabildung weist zudem einen zweiten Schwellenwert auf: Wird dieser überschritten, wird das Substratmaterial beschädigt. Um eine effektive Reinigung bei gleichzeitiger Schonung des Substratmaterials zu gewährleisten, müssen die Laserparameter situationsabhängig angepasst werden, sodass die Energiedichte des Lichtpulses exakt zwischen den beiden Schwellenwerten liegt. Im Jahr 2001 nutzten J. M. Lee et al. die Eigenschaft von Hochleistungslasern, bei Fokussierung Plasma-Stoßwellen zu erzeugen. Sie bestrahlten den Siliziumwafer parallel mit einem Pulslaser mit einer Energiedichte von 2,0 J/cm² (deutlich über der Zerstörschwelle von Siliziumwafern) und entfernten so erfolgreich 1 µm große Wolframpartikel, die auf der Oberfläche des Siliziumwafers adsorbiert waren. Dieses Reinigungsverfahren wird als Laser-Plasma-Stoßwellenreinigung bezeichnet und ist, streng genommen, eine Form der Trockenlaserreinigung. Ursprünglich dienten diese drei Laserreinigungstechnologien der Entfernung kleinster Partikel von der Oberfläche von Halbleiterwafern. Man kann sagen, dass die Laserreinigungstechnologie parallel zur Entwicklung der Halbleitertechnologie entstand. Mittlerweile findet sie jedoch auch in anderen Bereichen Anwendung, beispielsweise bei der Reinigung von Reifenformen, der Entfernung von Flugzeuglack und der Oberflächenrestaurierung von Artefakten. Während der Laserbestrahlung wird ein Inertgas auf die Substratoberfläche geblasen. Die abgelösten Verunreinigungen werden durch das Gas sofort entfernt, um eine erneute Verschmutzung und Oxidation der Oberfläche zu verhindern.
DerAnwendung der Laserreinigungstechnologie
1) In der Halbleiterindustrie erfolgt die Reinigung von Halbleiterwafern und optischen Substraten nach demselben Verfahren: Die Rohmaterialien werden durch Schneiden, Schleifen usw. in die gewünschte Form gebracht. Dabei gelangen partikuläre Verunreinigungen in die Oberfläche, die schwer zu entfernen sind und zu wiederholten, schwerwiegenden Verschmutzungsproblemen führen. Die Verunreinigungen auf der Oberfläche von Halbleiterwafern können die Qualität des Leiterplattendrucks beeinträchtigen und somit die Lebensdauer von Halbleiterchips verkürzen. Verunreinigungen auf der Oberfläche optischer Substrate können die Qualität optischer Bauelemente und Beschichtungen beeinträchtigen und zu einer ungleichmäßigen Energieverteilung führen, was ebenfalls die Lebensdauer verkürzt. Da die Lasertrockenreinigung die Substratoberfläche beschädigen kann, wird dieses Reinigungsverfahren für Halbleiterwafer und optische Substrate seltener eingesetzt. Lasernassreinigung und Laserplasma-Stoßwellenreinigung haben sich in diesem Bereich als erfolgreicher erwiesen. Xu Chuanyi et al. untersuchten die Abscheidung einer speziellen magnetischen Mikrofarbe als dielektrischen Film auf der Oberfläche ultra-glatter optischer Substrate und reinigten diese anschließend mit einem gepulsten Laser. Die Reinigungswirkung war gut; obwohl die Anzahl der Verunreinigungspartikel pro Flächeneinheit zunahm, wurden deren Größe und Bedeckungsgrad deutlich reduziert. Mit diesem Verfahren lassen sich mikrometergroße Verunreinigungspartikel auf der Oberfläche ultra-glatter optischer Substrate effektiv entfernen. Zhang Ping untersuchte den Einfluss des Arbeitsabstands und der Laserenergie auf die Reinigungswirkung von Verunreinigungen unterschiedlicher Partikelgröße bei der Laserplasma-Reinigung. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass für Polystyrolpartikel auf leitfähigen Glassubstraten der optimale Arbeitsabstand bei einer Energie von 240 mJ 1,90 mm beträgt. Mit steigender Laserenergie verbesserte sich die Reinigungswirkung deutlich, und auch größere Partikelverunreinigungen ließen sich leichter entfernen.
2) In der Metallbearbeitung unterscheidet sich die Reinigung von Metalloberflächen von der Reinigung von Halbleiterwafern und optischen Substraten. Die zu entfernenden Verunreinigungen gehören zur makroskopischen Kategorie. Zu den Oberflächenverunreinigungen von Metallen zählen hauptsächlich Oxidschichten (Rostschichten), Lackschichten, Beschichtungen und andere Anhaftungen. Man unterscheidet organische (z. B. Lackschichten, Beschichtungen) und anorganische Verunreinigungen (z. B. Rostschichten). Die Reinigung von Metalloberflächen dient vor allem der Erfüllung der Anforderungen für die Weiterverarbeitung oder Verwendung. Beispiele hierfür sind das Entfernen einer ca. 10 µm dicken Oxidschicht von Titanlegierungsteilen vor dem Schweißen, das Entfernen der ursprünglichen Lackierung bei Generalüberholungen von Flugzeugen zur Erleichterung der Neulackierung und die regelmäßige Reinigung von Gummipartikeln an Gummireifenformen, um die Oberflächenreinheit sowie die Qualität und Lebensdauer der Form zu gewährleisten. Die Schädigungsschwelle von Metallen ist höher als die Laserreinigungsschwelle ihrer Oberflächenverunreinigungen. Durch die Wahl eines Lasers mit geeigneter Leistung lässt sich ein besserer Reinigungseffekt erzielen. Diese Technologie wird in einigen Bereichen bereits erfolgreich eingesetzt. Wang Lihua et al. untersuchten die Anwendung der Laserreinigungstechnologie zur Entfernung von Oxidschichten auf Aluminium- und Titanlegierungen. Die Forschungsergebnisse zeigten, dass ein Laser mit einer Energiedichte von 5,1 J/cm² die Oxidschicht auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung A5083-111H unter Erhalt der Substratqualität entfernen kann. Der Einsatz eines gepulsten Lasers mit einer mittleren Leistung von 100 W im Scanmodus ermöglichte die effektive Entfernung der Oxidschicht auf Titanlegierungen und verbesserte die Oberflächenhärte. Chinesische Unternehmen wie Ruike Laser, Daqu Laser und Shenzhen Chuangxin haben Laserreinigungsanlagen entwickelt, die bereits weit verbreitet zur Reinigung von Gummiformen (z. B. für Reifen), von Metallrost und von Ölflecken auf Bauteiloberflächen eingesetzt werden.
3) Im Bereich der Kulturgüter ist die Reinigung von Metall- und Steinrelikten sowie Papieroberflächen unerlässlich, um Verunreinigungen wie Schmutz und Tintenflecken zu entfernen, die sich im Laufe der Zeit gebildet haben. Diese Verunreinigungen müssen für die Restaurierung der Relikte beseitigt werden. Bei Papierarbeiten wie Kalligrafien und Gemälden bildet sich bei unsachgemäßer Lagerung Schimmel, der Flecken verursacht. Diese Flecken beeinträchtigen das ursprüngliche Erscheinungsbild des Papiers erheblich, insbesondere bei Papieren von hohem kulturellem oder historischem Wert, was sich negativ auf dessen Wertschätzung und Schutz auswirkt. Zhao Ying et al. untersuchten die Machbarkeit der Reinigung von Schimmelflecken auf Papierrollen mittels Ultraviolettlaser. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass ein einmaliges Scannen mit einem Laser mit einer Energiedichte von 3,2 J/mm² dünne Flecken entfernen konnte und ein zweimaliges Scannen die Flecken vollständig beseitigte. Eine zu hohe Laserenergie kann die Papierrolle jedoch beschädigen. Zhang Xiaotong et al. restaurierten erfolgreich ein vergoldetes Bronzerelikt mithilfe der vertikalen Laserbestrahlung mit Flüssigfilm. Zhang Licheng et al. Yuan Xiaodong et al. nutzten Laserreinigungstechnologie bei der Restaurierung einer bemalten weiblichen Keramikfigur aus der Han-Dynastie. Sie untersuchten die Wirkung dieser Technologie bei der Reinigung von Steinrelikten und verglichen die Schäden am Sandsteinkörper vor und nach der Reinigung sowie die Reinigungswirkung von Tintenflecken, Rauch und Farbresten.
Fazit: Die Laserreinigungstechnologie ist eine relativ fortschrittliche Technik mit breiten Forschungs- und Anwendungsperspektiven in hochpräzisen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Militärtechnik sowie Elektronik und Elektrotechnik. Dank ihrer Effizienz, Umweltfreundlichkeit und hervorragenden Reinigungsleistung wird die Laserreinigungstechnologie bereits erfolgreich in einigen Bereichen eingesetzt. Ihre Anwendungsgebiete erweitern sich stetig. Die Entwicklung der Laserreinigungstechnologie hat nicht nur in Bereichen wie der Farb- und Rostentfernung Einzug gehalten, sondern in den letzten Jahren wurden auch Berichte über den Einsatz von Lasern zur Reinigung der Oxidschicht auf Metalldrähten veröffentlicht. Die Erweiterung bestehender und die Erschließung neuer Anwendungsgebiete bilden die Grundlage für die Weiterentwicklung der Laserreinigungstechnologie. Die Forschung und Entwicklung neuer Laserreinigungsanlagen wird sich differenzieren und zu vielfältigen Funktionen führen. Zukünftig ist auch eine vollautomatische Laserreinigung durch die Zusammenarbeit mit Industrierobotern realisierbar. Der Entwicklungstrend der Laserreinigungstechnologie stellt sich wie folgt dar:
(1) Die Forschung zur Theorie der Laserreinigung soll intensiviert werden, um die Anwendung der Laserreinigungstechnologie zu fördern. Nach Durchsicht zahlreicher Dokumente zeigte sich, dass es kein ausgereiftes theoretisches System für die Laserreinigungstechnologie gibt und die meisten Studien auf Experimenten basieren. Die Entwicklung eines solchen theoretischen Systems ist die Grundlage für die Weiterentwicklung und den Reifegrad der Laserreinigungstechnologie.
(2) Erweiterung bestehender und Erschließung neuer Anwendungsgebiete. Die Laserreinigungstechnologie wurde bereits erfolgreich in Bereichen wie der Farb- und Rostentfernung eingesetzt, und in den letzten Jahren gab es Berichte über die Verwendung von Lasern zur Reinigung der Oxidschicht auf Metalldrähten. Die Erweiterung bestehender und die Erschließung neuer Anwendungsgebiete bieten ideale Voraussetzungen für die Weiterentwicklung der Laserreinigungstechnologie.
(3) Forschung und Entwicklung neuer Laserreinigungsanlagen. Die Entwicklung neuer Laserreinigungsanlagen wird sich differenzieren. Zum einen gibt es universell einsetzbare Anlagen für verschiedene Anwendungsbereiche, beispielsweise Geräte, die gleichzeitig Farbe und Rost entfernen können. Zum anderen gibt es spezialisierte Anlagen für spezifische Anforderungen, wie etwa die Entwicklung spezieller Vorrichtungen oder die Verwendung von Glasfasern zur Reinigung von Verunreinigungen in beengten Räumen. Die vollautomatische Laserreinigung in Kombination mit Industrierobotern ist ebenfalls ein vielversprechender Anwendungsbereich.
Veröffentlichungsdatum: 17. Juli 2025
