eng
Выпуск #4/2016
С. Джакщик, С. Блей
Экологические аспекты процесса испарения материалов при обработке фемтосекундными лазерами: системы очистки воздуха
Экологические аспекты процесса испарения материалов при обработке фемтосекундными лазерами: системы очистки воздуха
Просмотры: 3907
Лазерная обработка материалов ультракороткими импульсами при производстве тугоплавкого стекла, структурировании тонких пленок для фотовольтаики и электродов для литий-ионных батарей сопровождается появлением смога испаряемых частиц. Понимание природы возникающих испарений – важный фактор в прогнозировании качества продукции, безопасности персонала и срока службы промышленного оборудования.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.26.31
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.26.31
Теги: extraction and filtration system femtosecond laser laser fumes safety of personnel ultra-fast laser безопасность труда лазерный смог лазеры с ультракороткими импульсами системы вытяжки и фильтрации фемтосекундные лазеры
В современном производстве высокотехнологичных продуктов все чаще стали вести обработку материалов с помощью лазеров с ультракороткими импульсами благодаря возможности добиться требуемого качества обработки материала, не доводя его до расплавления. Более глубокое понимание процесса испарения материала при лазерной обработке играет важную роль в вопросах экологии, безопасности и здоровья персонала. Производство тугоплавкого стекла, структурирование тонких пленок для фотовольтаики и электродов для литий-ионных батарей – в этих, да и практически во всех других передовых технологиях используется лазерная обработка ультракороткими импульсами [1–6].
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Представленное здесь исследование было выполнено с использованием фемтосекундного лазера с длиной волны 1064 нм [3]. Изучалась корреляция между типом удаляемого материала, распределением частиц по размерам, а также их концентрацией. В частности, была оценена разница между размерами испаряемых частиц стали и пластика. Взвесь, образованная в результате лазерной обработки, захватывалась вблизи источника и перемещалась к системе фильтров. Распределение частиц по размерам определялось непрерывно с использованием системы измерения размеров взвешенных частиц (Engine Exhaust Particle Size – EEPS) – в диапазоне от 5,6 до 560 нм. Положительно заряженные частицы двигались в электрическом поле в направлении электрометров, которые регистрировали их заряд. Было принято, что заряд частицы пропорционален площади ее поверхности. В соответствии с подвижностью частиц в электрическом поле они достигали различных электрометров. Исходя из величины электротоков, рассчитывалось распределение частиц по размерам. Кроме того, с помощью метода вторичной электронной микроскопии (SEM) исследовались формы образцов частиц, взятых с поверхности фильтров.
Неочищенный газ был отфильтрован с помощью системы LAS-260 (рис.1), оснащенной гофрированным фильтром грубой очистки серии F9. Данный гофрированный фильтр имеет большую площадь поверхности для обеспечения длительного срока службы. Фильтр второй ступени класса HEPA H14 пропускал только 0,005% частиц от общего потока. Далее поток пропускался через фильтр на основе активированного угля для удаления вредных газов, образовавшихся в результате процесса лазерной обработки. Дополнительно была определена производительность системы LAS-260. Для этой цели лазер был переведен в стационарный режим работы. Производились измерения неочищенного и очищенного газов с помощью EEPS.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис.2–5 показаны изображения, полученные методом SEM, где определяется форма исследуемых частиц. Как и предполагалось, большинство этих частиц не были расплавлены. Однако некоторые частицы оказались полусферическими, что является признаком достаточности тепловой энергии для плавления этого материала. Размеры частиц имеют малую величину, порядка 100–200 нм. В сравнении с металлическими частицами пластиковые примеси выглядят меньше. Они образуют небольшие агломерированные пластины на фильтре. Частицы имеют кубическую форму. Процесс формирования пластин может быть вызван тепловой энергией на стадии агломерации на фильтре.
Основываясь на этих данных, технология фильтрации должна быть пересмотрена. В процессе вытяжки требуется принять во внимание высокую кинетическую энергию частиц. В особенности это касается частиц с небольшими размерами, которые имеют высокое ускорение. Основное правило состоит в том, чтобы переместить точку вытяжки выше для захвата мелких частиц нанометрового диапазона. В связи с тем, что размер этих частиц составляет порядка нескольких нанометров, они могут проходить через аэрогематический барьер, что способно нанести вред здоровью человека. Поэтому стандартные технологии фильтрации во многих случаях не подходят для очистки воздуха. На рис.6 показан принцип фильтрации частиц, который реализован в установке LAS-260; большинство частиц удерживается в фильтре грубой очистки (F9), что обеспечивает низкие эксплуатационные затраты для пользователя.
На рис.7 показаны результаты, полученные системой EEPS в ходе абляции пластика. Статистический максимум образуют частицы с размером около 90 нм, имеющие концентрацию порядка 3–4 · 105 частиц на кубический сантиметр. Это значение превосходит допустимые концентрации для обеспечения высокого качества продукции и сохранения здоровья персонала. Использование системы фильтров в установке LAS-260 показало, что концентрация частиц в очищенном газе находится на том же уровне, что и референсный сигнал, то есть <<102 частиц на кубический сантиметр. Таким образом, стало возможным добиться высококачественной очистки воздуха при лазерной обработке материалов.
ВЫВОДЫ
В работе были проведены исследования распределения частиц по размерам в ходе обработки материала сверхбыстрым лазером, работающим в фемтосекундном диапазоне. В ходе измерений были зарегистрированы частицы с характерными размерами 50–200 нм, их концентрация составляла до 106 частиц/см 3. С использованием новой установки LAS-260, содержащей гофрированный фильтр грубой очистки и HEPA фильтр тонкой очистки, удалось достичь осаждения более 99% частиц. Стоит отметить, что для снижения энергозатрат в случае обработки нетоксичных и немутагенных материалов очищенный воздух может возвращаться в рабочее пространство.
* * *
Авторы выражают признательность сотрудникам института Фраунгофера (Дрезден) за предоставление лазера для проведения экспериментов, а также Министерству Образования Германии за финансовое обеспечение части данной работы, входящей в проект MWT.
ЛИТЕРАТУРА
1. Leitz K. H., Redlingshцfer B., Reg Y., Otto A., Schmidt M. Metal ablation with short and ultrashort laser pulses. – Physics Procedia, 2011, Bd. 12, S. 230–238.
2. Hдnel J., Bleul K., Zolk M., Keiper B., Petsch T., Bonitz J., Kaufmann C. Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung von Silizium-Mikrosystemen. – MikroSystemTechnik, 2011.
3. Kaspar J., Luft A., Nolte S., Will M., Beyer E. Helical drilling of silicon wafers with ns to fs pulses: Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy characterization of drilled through-holes. – J. Laser Appl., 2006, v.18, 85; http://dx.doi.org/10.2351/1.2164480.
4. Engelhart P., Hermann S., Neubert T., Plagwitz H., Grischke R., Meyer R., Klug U., Schoonderbeek A., Stute U., Brendel R. Laser ablation of SiO2 for locally contacted Si solar cells with ultra-short pulses. – Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2007, Bd. 15, № 6, S. 521–527.
5. Weiler S., Sutter D., Koerber C. Von der Idee zum fertigen Produkt. – Laser Technik Journal, 2008, Bd. 5, № 5, S. 43–46.
6. Holtkamp: Mikrostrukturieren mit Zukunft. – Laser-Technik-Journal, 2011, Nr.2, p.37–40.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Представленное здесь исследование было выполнено с использованием фемтосекундного лазера с длиной волны 1064 нм [3]. Изучалась корреляция между типом удаляемого материала, распределением частиц по размерам, а также их концентрацией. В частности, была оценена разница между размерами испаряемых частиц стали и пластика. Взвесь, образованная в результате лазерной обработки, захватывалась вблизи источника и перемещалась к системе фильтров. Распределение частиц по размерам определялось непрерывно с использованием системы измерения размеров взвешенных частиц (Engine Exhaust Particle Size – EEPS) – в диапазоне от 5,6 до 560 нм. Положительно заряженные частицы двигались в электрическом поле в направлении электрометров, которые регистрировали их заряд. Было принято, что заряд частицы пропорционален площади ее поверхности. В соответствии с подвижностью частиц в электрическом поле они достигали различных электрометров. Исходя из величины электротоков, рассчитывалось распределение частиц по размерам. Кроме того, с помощью метода вторичной электронной микроскопии (SEM) исследовались формы образцов частиц, взятых с поверхности фильтров.
Неочищенный газ был отфильтрован с помощью системы LAS-260 (рис.1), оснащенной гофрированным фильтром грубой очистки серии F9. Данный гофрированный фильтр имеет большую площадь поверхности для обеспечения длительного срока службы. Фильтр второй ступени класса HEPA H14 пропускал только 0,005% частиц от общего потока. Далее поток пропускался через фильтр на основе активированного угля для удаления вредных газов, образовавшихся в результате процесса лазерной обработки. Дополнительно была определена производительность системы LAS-260. Для этой цели лазер был переведен в стационарный режим работы. Производились измерения неочищенного и очищенного газов с помощью EEPS.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис.2–5 показаны изображения, полученные методом SEM, где определяется форма исследуемых частиц. Как и предполагалось, большинство этих частиц не были расплавлены. Однако некоторые частицы оказались полусферическими, что является признаком достаточности тепловой энергии для плавления этого материала. Размеры частиц имеют малую величину, порядка 100–200 нм. В сравнении с металлическими частицами пластиковые примеси выглядят меньше. Они образуют небольшие агломерированные пластины на фильтре. Частицы имеют кубическую форму. Процесс формирования пластин может быть вызван тепловой энергией на стадии агломерации на фильтре.
Основываясь на этих данных, технология фильтрации должна быть пересмотрена. В процессе вытяжки требуется принять во внимание высокую кинетическую энергию частиц. В особенности это касается частиц с небольшими размерами, которые имеют высокое ускорение. Основное правило состоит в том, чтобы переместить точку вытяжки выше для захвата мелких частиц нанометрового диапазона. В связи с тем, что размер этих частиц составляет порядка нескольких нанометров, они могут проходить через аэрогематический барьер, что способно нанести вред здоровью человека. Поэтому стандартные технологии фильтрации во многих случаях не подходят для очистки воздуха. На рис.6 показан принцип фильтрации частиц, который реализован в установке LAS-260; большинство частиц удерживается в фильтре грубой очистки (F9), что обеспечивает низкие эксплуатационные затраты для пользователя.
На рис.7 показаны результаты, полученные системой EEPS в ходе абляции пластика. Статистический максимум образуют частицы с размером около 90 нм, имеющие концентрацию порядка 3–4 · 105 частиц на кубический сантиметр. Это значение превосходит допустимые концентрации для обеспечения высокого качества продукции и сохранения здоровья персонала. Использование системы фильтров в установке LAS-260 показало, что концентрация частиц в очищенном газе находится на том же уровне, что и референсный сигнал, то есть <<102 частиц на кубический сантиметр. Таким образом, стало возможным добиться высококачественной очистки воздуха при лазерной обработке материалов.
ВЫВОДЫ
В работе были проведены исследования распределения частиц по размерам в ходе обработки материала сверхбыстрым лазером, работающим в фемтосекундном диапазоне. В ходе измерений были зарегистрированы частицы с характерными размерами 50–200 нм, их концентрация составляла до 106 частиц/см 3. С использованием новой установки LAS-260, содержащей гофрированный фильтр грубой очистки и HEPA фильтр тонкой очистки, удалось достичь осаждения более 99% частиц. Стоит отметить, что для снижения энергозатрат в случае обработки нетоксичных и немутагенных материалов очищенный воздух может возвращаться в рабочее пространство.
* * *
Авторы выражают признательность сотрудникам института Фраунгофера (Дрезден) за предоставление лазера для проведения экспериментов, а также Министерству Образования Германии за финансовое обеспечение части данной работы, входящей в проект MWT.
ЛИТЕРАТУРА
1. Leitz K. H., Redlingshцfer B., Reg Y., Otto A., Schmidt M. Metal ablation with short and ultrashort laser pulses. – Physics Procedia, 2011, Bd. 12, S. 230–238.
2. Hдnel J., Bleul K., Zolk M., Keiper B., Petsch T., Bonitz J., Kaufmann C. Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung von Silizium-Mikrosystemen. – MikroSystemTechnik, 2011.
3. Kaspar J., Luft A., Nolte S., Will M., Beyer E. Helical drilling of silicon wafers with ns to fs pulses: Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy characterization of drilled through-holes. – J. Laser Appl., 2006, v.18, 85; http://dx.doi.org/10.2351/1.2164480.
4. Engelhart P., Hermann S., Neubert T., Plagwitz H., Grischke R., Meyer R., Klug U., Schoonderbeek A., Stute U., Brendel R. Laser ablation of SiO2 for locally contacted Si solar cells with ultra-short pulses. – Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2007, Bd. 15, № 6, S. 521–527.
5. Weiler S., Sutter D., Koerber C. Von der Idee zum fertigen Produkt. – Laser Technik Journal, 2008, Bd. 5, № 5, S. 43–46.
6. Holtkamp: Mikrostrukturieren mit Zukunft. – Laser-Technik-Journal, 2011, Nr.2, p.37–40.
Отзывы читателей
