Aplikáciám laserového čistenia a odstraňovania náterov sa v posledných rokoch venuje veľká pozornosť, pretože tradičné metódy odstraňovania náterov, ako je pieskovanie a chemické odstraňovanie náterov, spôsobujú veľké znečistenie životného prostredia. Je čas využiť riešenia na odstraňovanie zelenej farby. Správnym riadením parametrov, ako je šírka impulzu, hustota energie, opakovacia frekvencia a veľkosť lúča, možno lasery použiť na vykonávanie vysokokvalitnej práce a odstraňovanie povlakov [Odkaz 1] Výhody odstraňovania náterov laserom možno zhrnúť takto:
● Menej spotrebného materiálu
● Menej sekundárneho odpadu
● Žiadne mechanické poškodenie substrátu pomocou kontrolovaných parametrov lasera
● Lepšia priľnavosť vďaka zníženej drsnosti povrchu
● Rýchlejšie ako tradičné metódy
● Efektívnejšie ako tradičné metódy
Existujú dva spôsoby, ako dosiahnuť laserové čistenie. Prvým je laserová ablácia, kde vysokoenergetický pulz alebo intenzívny kontinuálny vlnový lúč vygeneruje plazmu v povlaku a rázová vlna generovaná plazmou roztrhne povlak na častice. Druhým je tepelný rozklad, pri ktorom môže lúč s nižšou energiou súvislej vlny alebo dlhý impulz zahriať povrch a prípadne odpariť povlak. Tieto dva mechanizmy sú znázornené na obrázkoch 1 a 2.
Obrázok 1 Kroky laserovej ablácie
Obrázok 2 Kroky tepelného rozkladu
Bez ohľadu na mechanizmus môžu nekontrolované parametre lasera poškodiť substrát a spôsobiť problémy. Na čistenie laserom možno použiť kontinuálne aj pulzné lasery, ale je dôležité pochopiť rôzne účinky, ktoré tieto lasery vytvárajú na rôznych substrátoch. Absorpcia kontinuálneho lasera substrátom závisí od jeho vlnovej dĺžky, pričom kratšie vlnové dĺžky majú vo všeobecnosti za následok väčšiu absorpciu. Na druhej strane pre klasický pulzný laser je hĺbka prieniku LT do substrátu nezávislá od vlnovej dĺžky a závisí namiesto toho od šírky impulzu τp lasera a difúzivity D substrátu, ako je znázornené v rovnici 1.
Pri klasickom pulznom laseri zvýšenie šírky pulzu zvyšuje ablačný prah, ktorý je definovaný ako minimálna energia potrebná na odstránenie jednotkového objemu materiálu podľa nasledujúcej rovnice:
kde ρ je hustota a Hv je teplo vyparovania (množstvo tepla potrebné na odparenie jednotkovej hmotnosti materiálu v jouloch na gram). Dlhšie impulzy teda znižujú účinnosť ablácie. Klasické pulzné lasery závisia aj od frekvencie opakovania impulzov, pričom účinnosť ablácie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou opakovania.
Bola vykonaná štúdia skúmajúca CW a pulznú prevádzku laserov s použitím 1,07 μm vláknového lasera [odkaz 2]. V tejto štúdii sa zapínal a vypínal rovnaký kontinuálny laser, aby produkoval impulzy s veľkou šírkou. Táto štúdia zistila, že v režime CW sa špecifická energia (definovaná ako energia potrebná na odstránenie jednotky objemu materiálu (mm3) v jouloch a nepriamo úmerná účinnosti ablácie) znižuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou skenovania a výkonom lasera. Pre impulzný režim sa zistilo, že účinnosť ablácie závisí od pracovného cyklu (pomer šírky impulzu k časovému intervalu medzi dvoma impulzmi). Zvyšovaním pracovného cyklu sa zvýšila účinnosť ablácie. To je na rozdiel od klasických pulzných laserov, kde pri pevnej opakovacej frekvencii zväčšenie šírky pulzu (a tým aj pracovného cyklu) znižuje účinnosť ablácie. Obrázok 3 porovnáva špecifickú energiu s výkonom a rýchlosťou skenovania pre 1 kHz CW laser a pulzný laser (tj CW laser zapnutý a vypnutý) na substráte z nehrdzavejúcej ocele.
Obrázok 3: Ľavý graf ukazuje špecifickú energiu CW lasera verzus výkon lasera a pravý graf ukazuje špecifickú energiu impulzu 1 kHz verzus pracovný cyklus lasera
Špičkový výkon pulzného lasera (tj CW lasera, ktorý sa zapína a vypína) je 1800 W a jeho priemerný výkon je takmer rovnaký ako CW laser, ale ako je možné vidieť z grafu, špecifická energia je takmer 2 krát nižšia. Pulzný režim v porovnaní s režimom CW. Zdá sa, že režim CW má viac strát v porovnaní s pulzným režimom, pretože jeho výkon lasera je vždy špičkový.
Prevádzkový režim lasera však nie je jediným hľadiskom pri rozhodovaní, či na čistenie lasera použiť pulzný (tj zapnuté a vypnuté kontinuálne vlnenie) alebo kontinuálne vlnový laser. Režim skenovania je tiež ďalším dôležitým faktorom, ktorý treba zvážiť. Je dôležité, aby čas interakcie medzi laserovým lúčom a povlakom bol krátky, aby sa dosiahol účinok
tepelné poškodenie je minimálne. To sa dá dosiahnuť použitím krátkych impulzov s vysokou špičkovou intenzitou alebo použitím kontinuálneho lasera a vysokých rýchlostí skenovania.
Vzhľadom na to, že nepretržitý výkon lasera je vo všeobecnosti výkonnejší, lacnejší a odolnejší ako pulzné lasery, nie je to zlá voľba na čistenie laserom. Žiaľ, galvanometrové skenery, ktoré sa tradične používajú na čistenie laserov, nezvládajú multikilowattové lasery. Galvanometrové skenery používané pre vysokovýkonné lasery sú tiež dosť ťažké a nemôžu pracovať pri vysokých rýchlostiach skenovania. Preto bol navrhnutý nový typ skenera nazývaný polygónový skener, ktorý má len jednu pohyblivú časť, polygón [odkaz 3]. Tieto polygónové skenery sú schopné zvládnuť vyššie laserové výkony a bolo preukázané, že sú trikrát rýchlejšie ako galvanometrové skenery. Pomocou skromných rýchlostí otáčania môžu polygónové skenery produkovať rýchlosť skenovania povrchu viac ako 50 metrov za sekundu. Táto vysoká rýchlosť skenovania umožňuje krátky čas interakcie lúča s pracovným povrchom a umožňuje použitie veľmi vysokých výkonov lasera. Skener Figuygon.
Stručne povedané, výber použitia CW alebo pulzného lasera (tj CW alebo klasických krátkopulzných laserov, ktoré sa zapínajú a vypínajú) na čistenie lasera závisí od niekoľkých faktorov, ako je typ substrátu, nasiakavosť povlaku a náklady na laser. Kombinácia polygónového skenera a kontinuálneho lasera vytvára vysoké rýchlosti skenovania a je sľubnou možnosťou, ktorú treba zvážiť, keď nie sú dostupné klasické pulzné lasery
