Laserreinigings- en verfverwijderingstoepassingen hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen, omdat traditionele verfverwijderingsmethoden zoals zandstralen en chemisch ontlakken veel milieuvervuiling veroorzaken. Het is tijd om te profiteren van groene verfverwijderingsoplossingen. Door parameters zoals pulsbreedte, energiedichtheid, herhalingssnelheid en straalgrootte goed te controleren, kunnen lasers worden gebruikt om werk van hoge kwaliteit uit te voeren en coatings te verwijderen [Referentie 1] De voordelen van laserverfverwijdering kunnen als volgt worden samengevat:
● Minder verbruiksartikelen
● Minder secundair afval
● Geen mechanische schade aan het substraat door het gebruik van gecontroleerde laserparameters
● Betere hechting door verminderde oppervlakteruwheid
● Sneller dan traditionele methoden
● Efficiënter dan traditionele methoden
Er zijn twee manieren om laserreiniging te bereiken. De eerste is laserablatie, waarbij een hoogenergetische puls of een intense continue golfbundel een plasma in de coating zal genereren, en de door het plasma gegenereerde schokgolf de coating in deeltjes zal vernietigen. De tweede is thermische ontleding, waarbij een continue golfbundel met lagere energie of een lange puls het oppervlak kan verwarmen en uiteindelijk de coating kan verdampen.
Wat het mechanisme ook is, ongecontroleerde laserparameters kunnen het substraat beschadigen en problemen veroorzaken. Zowel continue als gepulseerde lasers kunnen worden gebruikt voor laserreiniging, maar het is noodzakelijk om de verschillende effecten te begrijpen die deze lasers op verschillende substraten produceren. De absorptie van een continue laser door een substraat hangt af van de golflengte ervan, waarbij kortere golflengten doorgaans resulteren in een grotere absorptie. Voor een klassieke gepulseerde laser is de penetratiediepte LT in het substraat daarentegen onafhankelijk van de golflengte en hangt in plaats daarvan af van de pulsbreedte τp van de laser en de diffusiecoëfficiënt D van het substraat, zoals weergegeven in vergelijking 1.
Voor een klassieke gepulseerde laser verhoogt een toename van de pulsbreedte de ablatiedrempel, die wordt gedefinieerd als de minimale energie die nodig is om een eenheidsvolume materiaal te verwijderen volgens de volgende vergelijking:
waarbij ρ de dichtheid is en Hv de verdampingswarmte is (de hoeveelheid warmte die nodig is om een massa-eenheid materiaal te verdampen in joules per gram). Langere pulsen verminderen dus de ablatie-efficiëntie. Klassieke gepulseerde lasers zijn ook afhankelijk van de pulsherhalingssnelheid, waarbij de ablatie-efficiëntie toeneemt met toenemende herhalingssnelheid.
Er is een onderzoek uitgevoerd om de CW- en gepulseerde werkingsmodi van een laser te onderzoeken met behulp van een fiberlaser van 1,07 μm [Ref 2]. In dit onderzoek werd dezelfde CW-laser aan- en uitgeschakeld om pulsen met een lange breedte te produceren. Uit dit onderzoek is gebleken dat in de CW-modus de specifieke energie (gedefinieerd als de energie die nodig is om een eenheidsvolume materiaal (mm3) in Joules te verwijderen en omgekeerd evenredig met de ablatie-efficiëntie) afneemt naarmate de scansnelheid en het laservermogen toenemen. Voor de gepulseerde modus bleek de ablatie-efficiëntie af te hangen van de duty-cycle (de verhouding van de pulsbreedte tot het tijdsinterval tussen twee pulsen). Door de werkcyclus te verhogen, nam de ablatie-efficiëntie toe. Dit is in tegenstelling tot klassieke gepulseerde lasers, waarbij bij een vaste herhalingsfrequentie het vergroten van de pulsbreedte (en dus de duty-cycle) de ablatie-efficiëntie verlaagt. Figuur 3 vergelijkt de specifieke energie versus vermogen en scansnelheid voor een 1 kHz CW-laser en een gepulseerde laser (dwz een CW-laser die aan en uit wordt geschakeld) op een roestvrijstalen substraat.
De gepulseerde laser (dwz een CW-laser die wordt in- en uitgeschakeld) heeft een piekvermogen van 1800 W en een gemiddeld vermogen dat bijna hetzelfde is als de CW-laser, maar zoals uit de figuur blijkt, is de specifieke energie bijna twee keer lager . Gepulseerde modus versus CW-modus. De CW-modus lijkt meer verliezen te hebben dan de gepulseerde modus, omdat het laservermogen altijd de maximale waarde heeft.
De modus waarin de laser wordt gebruikt is echter niet de enige overweging bij de beslissing of een gepulseerde (dwz continue golf aan en uit) of een continue golflaser voor laserreiniging moet worden gebruikt. Het scanpatroon is een andere belangrijke overweging. Het is belangrijk dat de interactietijd tussen de laserstraal en de coating kort is, zodat het effect van thermische schade minimaal is. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van korte pulsen met een hoge piekintensiteit of door gebruik te maken van een continue laser en hoge scansnelheden.
Aangezien continu laservermogen over het algemeen krachtiger, goedkoper en robuuster is dan gepulseerde lasers, is het geen slechte keuze voor laserreiniging. Helaas kunnen de galvanometerscanners die traditioneel worden gebruikt voor laserreiniging geen lasers van meerdere kilowatts aan. Galvanometerscanners die worden gebruikt voor lasers met hoog vermogen zijn ook behoorlijk zwaar en kunnen niet op hoge scansnelheden werken. Daarom is een nieuw type scanner voorgesteld, een polygoonscanner genaamd, die slechts één bewegend deel heeft, de polygoon [Referentie 3]. Deze polygoonscanners kunnen hogere laservermogens aan en het is aangetoond dat ze drie keer sneller zijn dan galvanometerscanners. Met behulp van bescheiden rotatiesnelheden kunnen polygoonscanners oppervlaktescansnelheden van meer dan 50 meter per seconde produceren. Deze hoge scansnelheid maakt korte interactietijden van de straal met het werkoppervlak mogelijk en maakt het gebruik van zeer hoge laservermogens mogelijk. Figuur 4 toont het ontwerp van een polygoonscanner.
Samenvattend is de keuze voor het gebruik van een CW- of gepulseerde laser (dwz CW- of klassieke kortepulslasers die aan en uit worden geschakeld) voor laserreiniging afhankelijk van verschillende factoren, zoals het type substraat, het absorptievermogen van de coating, en de kosten van de laser. De combinatie van een polygoonscanner en een continue laser kan hoge scansnelheden opleveren en is een veelbelovende optie die kan worden overwogen wanneer klassieke gepulseerde lasers niet beschikbaar zijn.
