近年、レーザー洗浄は工業製造分野における研究のホットスポットの一つとなっており、その研究はプロセス、理論、装置、応用など多岐にわたる。工業用途において、レーザー洗浄技術は、鋼鉄、アルミニウム、チタン、ガラス、複合材料など、さまざまな基材表面を確実に洗浄することが可能であり、航空宇宙、航空、船舶、高速鉄道、自動車、金型、原子力発電、海洋など、幅広い産業分野に応用されている。
1960年代に誕生したレーザー洗浄技術は、優れた洗浄効果、幅広い用途、高精度、非接触、アクセス性といった利点を有しています。工業製造、生産、メンテナンスなどの分野において幅広い応用が期待されており、従来の洗浄方法を部分的または完全に置き換えることが期待され、21世紀において最も有望なグリーン洗浄技術となるでしょう。
レーザー洗浄方法
レーザー洗浄プロセスは非常に複雑で、さまざまな材料除去メカニズムが関与しています。レーザー洗浄方法では、洗浄プロセスにはさまざまなメカニズムが同時に存在する可能性があり、これは主にレーザーと材料の相互作用に起因し、材料表面のアブレーション、分解、イオン化、劣化、溶融、燃焼、蒸発、振動、スパッタリング、膨張、収縮、爆発、剥離、脱落などの物理的および化学的変化プロセスが含まれます。
現在、代表的なレーザー洗浄方法は主に3つあります。レーザーアブレーション洗浄、液膜アシストレーザー洗浄、そしてレーザー衝撃波洗浄です。
レーザーアブレーション洗浄法
主な処理メカニズムは、熱膨張、蒸発、アブレーション、および相爆発です。レーザーは基板表面から除去される材料に直接作用し、周囲環境は空気、希薄ガス、または真空のいずれかです。操作条件はシンプルで、さまざまなコーティング、塗料、粒子、または汚れの除去に広く使用されています。下の図は、レーザーアブレーション洗浄方法のプロセス図を示しています。
材料表面にレーザーを照射すると、基板と洗浄材が最初に熱膨張します。洗浄材とレーザーの相互作用時間が増加するにつれて、温度が洗浄材のキャビテーション閾値よりも低い場合、洗浄材は物理的に変化するだけで、洗浄材と基板の熱膨張係数の差によって界面に圧力が生じ、洗浄材が座屈したり、基板表面から引き裂かれたり、亀裂が入ったり、機械的に破壊されたり、振動で粉砕されたりして、洗浄材はジェット噴射によって除去されるか、基板表面から剥がれ落ちます。
洗浄材のガス化閾値温度よりも温度が高い場合、次の2つの状況が発生します。1) 洗浄材のアブレーション閾値が基板よりも低い場合。2) 洗浄材のアブレーション閾値が基板よりも高い場合。
これら２つの洗浄ケースでは、材料の溶融、キャビテーション、アブレーションなどの物理化学的変化が起こりますが、洗浄メカニズムはより複雑で、熱効果に加えて、洗浄材料と基板間の分子結合の切断、洗浄材料の分解または劣化、相爆発、洗浄材料のガス化、瞬間的なイオン化、プラズマの生成なども含まれる可能性があります。
（１）液体膜アシストレーザー洗浄
この方法のメカニズムは主に液膜沸騰蒸発や振動などであり、適切なレーザー波長を選択することで、レーザーアブレーション洗浄プロセスにおける衝撃圧力の不足を補い、除去がより困難な洗浄対象物の一部を除去することができる。
下図に示すように、洗浄対象物の表面をあらかじめ液体膜（水、エタノール、その他の液体）で覆い、そこにレーザーを照射します。液体膜はレーザーエネルギーを吸収し、液体媒体が激しく爆発します。沸騰した液体の爆発は高速で移動し、そのエネルギーが洗浄対象物の表面へ伝達されます。この瞬間的な爆発力は、表面の汚れを除去するのに十分であり、洗浄目的を達成します。
液体膜を用いたレーザー洗浄法には2つの欠点がある。
手続きが煩雑で、プロセスを制御するのが難しい。
液体膜を使用するため、洗浄後の基板表面の化学組成が変化しやすく、新たな物質が発生しやすい。
（１）レーザー衝撃波式洗浄方法
処理方法とメカニズムは、最初の2つとは大きく異なり、主に衝撃波による除去機構であり、洗浄対象は主に粒子で、主に粒子（サブミクロンまたはナノスケール）の除去を目的としています。処理要件は非常に厳しく、空気のイオン化能力を確保するだけでなく、レーザーと基板間の適切な距離を維持し、粒子への衝撃力が十分に大きくなるようにする必要があります。
レーザー衝撃波洗浄プロセスの概略図を以下に示します。レーザーは基板表面の方向と平行に照射され、基板には接触しません。ワークピースまたはレーザーヘッドを移動してレーザーの焦点をレーザー出力付近の粒子に合わせると、焦点で空気の電離現象が発生し、衝撃波が生じます。衝撃波は急速に球状に膨張し、粒子に接触します。衝撃波の横方向成分のモーメントが粒子の縦方向成分のモーメントと粒子の付着力よりも大きい場合、粒子は転がりながら除去されます。
レーザー洗浄技術
レーザー洗浄のメカニズムは、主に対象物の表面がレーザーエネルギーを吸収した後、蒸発・揮発したり、瞬間的な熱膨張を起こしたりして、表面上の粒子の吸着を克服し、対象物の表面から粒子を剥離させることで洗浄目的を達成するというものです。
大まかにまとめると、1. レーザー蒸気分解、2. レーザー剥離、3. 汚れ粒子の熱膨張、4. 基板表面振動と粒子振動の4つの側面である。
従来の洗浄方法と比較して、レーザー洗浄技術には以下の特徴があります。
1. これは「ドライクリーニング」であり、洗浄液やその他の化学溶液は使用せず、化学洗浄プロセスよりもはるかに高い洗浄力があります。
2. 汚れ除去の範囲と適用可能な基材の範囲は非常に広く、
3. レーザー加工パラメータを調整することで、汚染物質を効果的に除去しつつ基板表面を損傷することなく、表面を新品同様の状態にすることができます。
4. レーザー洗浄は容易に自動化できる。
5. レーザー除染装置は長期間使用でき、運用コストが低い。
6. レーザー洗浄技術は、環境に優しい洗浄プロセスであり、廃棄物は固形粉末で、サイズが小さく、保管が容易で、基本的に環境を汚染しません。
1980年代、半導体産業の急速な発展に伴い、シリコンウェハーマスク表面の汚染粒子除去技術に対する要求が高まりました。その鍵となるのは、微粒子と基板間の強い吸着力を克服することです。従来の化学洗浄、機械洗浄、超音波洗浄といった方法では要求を満たすことができず、レーザー洗浄がこうした汚染問題を解決できることから、関連する研究と応用が急速に発展しました。
1987年、レーザー洗浄に関する特許出願が初めて行われた。1990年代には、ザプカが半導体製造工程にレーザー洗浄技術を適用し、マスク表面の微粒子を除去することに成功し、産業分野におけるレーザー洗浄技術の初期の応用を実現した。1995年には、研究者らが2kWのTEA-CO2レーザーを用いて、航空機胴体の塗装除去洗浄に成功した。
21世紀に入り、超短パルスレーザーの急速な発展に伴い、国内外でレーザー洗浄技術の研究開発と応用が徐々に増加し、金属材料の表面に焦点を当てるようになった。海外における代表的な応用例としては、航空機の胴体塗装の除去、金型表面の脱脂、エンジン内部のカーボン除去、溶接前の接合部の表面洗浄などが挙げられる。米国エジソン溶接研究所は、FG16戦闘機のレーザー洗浄において、レーザー出力1kWで毎分2.36cm3の洗浄量を達成した。
特筆すべきは、先進複合材部品のレーザー塗装除去の研究開発と応用も大きな注目を集めている点である。米海軍のHG53、HG56ヘリコプターのプロペラブレードやF16戦闘機のフラットテールなど、複合材表面には既にレーザー塗装除去技術が応用されているが、中国における航空機への複合材応用は遅れており、こうした研究は基本的に未開拓の状態にある。
さらに、接着前にCFRP複合材接合部の表面処理にレーザー洗浄技術を用いて接合部の強度を向上させることも、現在の研究の焦点の一つです。あるレーザー会社は、アウディTTの自動車生産ラインにファイバーレーザー洗浄装置を提供し、軽量アルミニウム合金製ドアフレームの酸化皮膜の表面を洗浄しました。ロールスロイスUKは、チタン製航空エンジン部品の表面の酸化皮膜を洗浄するためにレーザー洗浄を使用しました。
レーザー洗浄技術は過去2年間で急速に発展し、洗浄プロセスのパラメータや洗浄メカニズム、洗浄対象物の研究、応用研究など、あらゆる面で大きな進歩を遂げています。レーザー洗浄技術は多くの理論研究を経て、研究の焦点は常に応用研究へと移り、応用面でも有望な成果を上げています。今後、レーザー洗浄技術は文化財や美術品の保護においてより広く活用されるようになり、その市場は非常に広範になるでしょう。科学技術の発展に伴い、レーザー洗浄技術の産業応用は現実のものとなりつつあり、その適用範囲はますます拡大しています。
メイブンレーザーオートメーション社は、14年間レーザー業界に注力しており、レーザーマーキングを専門としています。当社は、キャビネット型レーザー洗浄機、トロリーケース型レーザー洗浄機、バックパック型レーザー洗浄機、そして3in1レーザー洗浄機を取り扱っています。さらに、レーザー溶接機、レーザー切断機、レーザーマーキング彫刻機もご用意しております。当社の機械にご興味をお持ちでしたら、ぜひフォローしていただき、お気軽にお問い合わせください。
投稿日時：2022年11月14日
