W ostatnich latach wiele uwagi poświęcono czyszczeniu laserowemu i usuwaniu farby, ponieważ tradycyjne metody usuwania farby, takie jak piaskowanie i chemiczne usuwanie farby, powodują duże zanieczyszczenie środowiska. Najwyższy czas skorzystać z rozwiązań w zakresie usuwania zielonej farby. Odpowiednio kontrolując parametry, takie jak szerokość impulsu, gęstość energii, częstotliwość powtarzania i rozmiar wiązki, lasery można wykorzystać do wykonywania wysokiej jakości prac i usuwania powłok. [Odnośnik 1] Zalety laserowego usuwania farb można podsumować w następujący sposób:
● Mniej materiałów eksploatacyjnych
● Mniej odpadów wtórnych
● Brak mechanicznych uszkodzeń podłoża przy kontrolowanych parametrach lasera
● Lepsza przyczepność dzięki zmniejszonej chropowatości powierzchni
● Szybciej niż metodami tradycyjnymi
● Bardziej wydajne niż metody tradycyjne
Czyszczenie laserowe można przeprowadzić na dwa sposoby. Pierwszą z nich jest ablacja laserowa, podczas której impuls o wysokiej energii lub intensywna wiązka fali ciągłej wytworzy plazmę w powłoce, a fala uderzeniowa generowana przez plazmę rozerwie powłokę na cząstki. Drugi to rozkład termiczny, podczas którego wiązka fali ciągłej o niższej energii lub długi impuls może ogrzać powierzchnię i ostatecznie odparować powłokę. Te dwa mechanizmy pokazano na rysunkach 1 i 2.
Rysunek 1 Etapy ablacji laserowej
Rysunek 2 Etapy rozkładu termicznego
Niezależnie od mechanizmu, niekontrolowane parametry lasera mogą uszkodzić podłoże i spowodować problemy. Do czyszczenia laserowego można używać zarówno laserów ciągłych, jak i impulsowych, ale ważne jest, aby zrozumieć różne efekty, jakie te lasery wywołują na różnych podłożach. Absorpcja lasera ciągłego przez podłoże zależy od jego długości fali, przy czym krótsze fale zazwyczaj powodują większą absorpcję. Z drugiej strony, w przypadku klasycznego lasera impulsowego głębokość penetracji LT w podłoże jest niezależna od długości fali i zależy od szerokości impulsu τp lasera i dyfuzyjności D podłoża, jak pokazano w równaniu 1.
W przypadku klasycznego lasera impulsowego wzrost szerokości impulsu zwiększa próg ablacji, który definiuje się jako minimalną energię wymaganą do usunięcia jednostkowej objętości materiału zgodnie z następującym równaniem:
gdzie ρ to gęstość, a Hv to ciepło parowania (ilość ciepła potrzebna do odparowania jednostkowej masy materiału w dżulach na gram). Zatem dłuższe impulsy zmniejszają skuteczność ablacji. Klasyczne lasery impulsowe zależą również od częstotliwości powtarzania impulsów, przy czym skuteczność ablacji rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania.
Przeprowadzono badanie badające działanie laserów CW i impulsowych przy użyciu lasera światłowodowego 1,07 μm [Ref 2]. W tym badaniu ten sam laser ciągły był włączany i wyłączany w celu wytworzenia impulsów o dużej szerokości. Badanie to wykazało, że w trybie CW energia właściwa (definiowana jako energia wymagana do usunięcia jednostkowej objętości materiału (mm3) w dżulach i odwrotnie proporcjonalna do wydajności ablacji) maleje wraz ze wzrostem prędkości skanowania i mocy lasera. W przypadku trybu impulsowego stwierdzono, że skuteczność ablacji zależy od cyklu pracy (stosunek szerokości impulsu do odstępu czasu pomiędzy dwoma impulsami). Zwiększając cykl pracy, wzrosła skuteczność ablacji. Inaczej jest w przypadku klasycznych laserów impulsowych, gdzie przy stałej częstotliwości powtarzania zwiększenie szerokości impulsu (a tym samym cyklu pracy) zmniejsza skuteczność ablacji. Rysunek 3 porównuje energię właściwą w funkcji mocy i prędkości skanowania dla lasera CW o częstotliwości 1 kHz i lasera impulsowego (tj. lasera CW włączanego i wyłączanego) na podłożu ze stali nierdzewnej.
Rysunek 3: Lewy wykres przedstawia energię właściwą lasera CW w funkcji mocy lasera, a prawy wykres przedstawia energię właściwą impulsu 1 kHz w zależności od współczynnika wypełnienia lasera
Moc szczytowa lasera impulsowego (czyli lasera CW, który się włącza i wyłącza) wynosi 1800 W, a jego moc średnia jest prawie taka sama jak lasera CW, ale jak widać z wykresu, energia właściwa wynosi prawie 2 razy niższe. Tryb impulsowy w porównaniu do trybu CW. Wydaje się, że tryb CW powoduje większe straty w porównaniu z trybem impulsowym, ponieważ moc lasera jest zawsze najwyższa.
Jednakże tryb pracy lasera nie jest jedynym czynnikiem branym pod uwagę przy podejmowaniu decyzji, czy do czyszczenia laserowego zastosować laser impulsowy (tzn. z falą ciągłą włączaną i wyłączaną), czy laser z falą ciągłą. Tryb skanowania to także kolejna ważna kwestia, którą należy wziąć pod uwagę. Ważne jest, aby czas oddziaływania wiązki lasera z powłoką był krótki, aby był efekt
uszkodzenia termiczne są minimalne. Można to osiągnąć za pomocą krótkich impulsów o dużej intensywności szczytowej lub za pomocą ciągłego lasera i dużych prędkości skanowania.
Biorąc pod uwagę, że ciągła moc lasera jest generalnie mocniejsza, tańsza i bardziej wytrzymała niż lasery impulsowe, nie jest to zły wybór do czyszczenia laserowego. Niestety, skanery galwanometryczne tradycyjnie używane do czyszczenia laserowego nie radzą sobie z laserami wielokilowatowymi. Skanery galwanometryczne stosowane w laserach dużej mocy są również dość ciężkie i nie mogą pracować przy dużych prędkościach skanowania. Dlatego zaproponowano nowy typ skanera, zwany skanerem wielokątnym, który ma tylko jedną ruchomą część, wielokąt [Ref 3]. Te skanery wielokątne są w stanie obsługiwać wyższą moc lasera i okazały się trzy razy szybsze niż skanery galwanometryczne. Przy niewielkich prędkościach obrotowych skanery wielokątne mogą generować prędkości skanowania powierzchni przekraczające 50 metrów na sekundę. Tak duża prędkość skanowania pozwala na skrócenie czasu interakcji wiązki z powierzchnią roboczą i pozwala na zastosowanie bardzo dużych mocy lasera. Skaner Figuygona.
Podsumowując, wybór zastosowania lasera CW lub lasera impulsowego (tj. lasera CW lub klasycznego lasera krótkoimpulsowego, który jest włączany i wyłączany) do czyszczenia laserowego zależy od kilku czynników, takich jak rodzaj podłoża, chłonność powłoki i koszt lasera. Połączenie skanera wielokątnego i lasera ciągłego zapewnia dużą prędkość skanowania i jest obiecującą opcją do rozważenia, gdy nie są dostępne klasyczne lasery impulsowe
