Laserreinigungs- und Farbentfernungsanwendungen haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten, da herkömmliche Methoden zur Farbentfernung wie Sandstrahlen und chemisches Entlacken eine große Umweltverschmutzung verursachen. Es ist an der Zeit, die Vorteile von Lösungen zur Entfernung grüner Farbe zu nutzen. Durch die richtige Steuerung von Parametern wie Impulsbreite, Energiedichte, Wiederholungsrate und Strahlgröße können Laser zur Durchführung hochwertiger Arbeiten und zur Entfernung von Beschichtungen eingesetzt werden [Referenz 1]. Die Vorteile der Laserlackentfernung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
● Weniger Verbrauchsmaterialien
● Reduzierter Sekundärabfall
● Keine mechanische Beschädigung des Substrats durch den Einsatz kontrollierter Laserparameter
● Bessere Haftung durch geringere Oberflächenrauheit
● Schneller als herkömmliche Methoden
● Effizienter als herkömmliche Methoden
Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Laserreinigung zu erreichen. Die erste ist die Laserablation, bei der ein Hochenergieimpuls oder ein intensiver Dauerstrichstrahl ein Plasma in der Beschichtung erzeugt und die vom Plasma erzeugte Stoßwelle die Beschichtung in Partikel zersprengt. Die zweite Möglichkeit ist die thermische Zersetzung, bei der ein energieärmerer Dauerstrichstrahl oder ein langer Impuls die Oberfläche erhitzen und schließlich die Beschichtung verdampfen lassen kann.
Unabhängig vom Mechanismus können unkontrollierte Laserparameter das Substrat beschädigen und Probleme verursachen. Für die Laserreinigung können sowohl kontinuierliche als auch gepulste Laser verwendet werden. Es ist jedoch erforderlich, die unterschiedlichen Auswirkungen dieser Laser auf verschiedene Substrate zu verstehen. Die Absorption eines kontinuierlichen Lasers durch ein Substrat hängt von seiner Wellenlänge ab, wobei kürzere Wellenlängen im Allgemeinen zu einer stärkeren Absorption führen. Bei einem klassischen gepulsten Laser hingegen ist die Eindringtiefe LT in das Substrat unabhängig von der Wellenlänge und hängt stattdessen von der Pulsbreite τp des Lasers und dem Diffusionskoeffizienten D des Substrats ab, wie in Gleichung 1 dargestellt.
Bei einem klassischen gepulsten Laser erhöht eine Erhöhung der Pulsbreite die Ablationsschwelle, die als die minimale Energie definiert ist, die erforderlich ist, um eine Materialvolumeneinheit gemäß der folgenden Gleichung zu entfernen:
Dabei ist ρ die Dichte und Hv die Verdampfungswärme (die Wärmemenge, die erforderlich ist, um eine Materialeinheit in Joule pro Gramm zu verdampfen). Daher verringern längere Pulse die Ablationseffizienz. Auch bei klassischen gepulsten Lasern kommt es auf die Pulswiederholungsrate an, wobei die Ablationseffizienz mit zunehmender Wiederholungsrate zunimmt.
Es wurde eine Studie durchgeführt, um die CW- und gepulsten Betriebsmodi eines Lasers mit einem 1,07-μm-Faserlaser zu untersuchen [Ref. 2]. In dieser Studie wurde derselbe CW-Laser ein- und ausgeschaltet, um Impulse mit großer Breite zu erzeugen. Diese Studie ergab, dass im CW-Modus die spezifische Energie (definiert als die Energie, die zum Entfernen einer Materialvolumeneinheit (mm3) in Joule erforderlich ist und umgekehrt proportional zur Ablationseffizienz) mit zunehmender Scangeschwindigkeit und Laserleistung abnimmt. Für den gepulsten Modus wurde festgestellt, dass die Ablationseffizienz vom Arbeitszyklus (dem Verhältnis der Impulsbreite zum Zeitintervall zwischen zwei Impulsen) abhängt. Durch die Erhöhung des Arbeitszyklus stieg die Ablationseffizienz. Dies steht im Gegensatz zu klassischen gepulsten Lasern, bei denen bei einer festen Wiederholungsrate eine Erhöhung der Pulsbreite (und damit des Arbeitszyklus) die Ablationseffizienz verringert. Abbildung 3 vergleicht die spezifische Energie mit der Leistung und der Scangeschwindigkeit für einen 1-kHz-CW-Laser und einen gepulsten Laser (dh einen ein- und ausgeschalteten CW-Laser) auf einem Edelstahlsubstrat.
Der gepulste Laser (d. h. ein ein- und ausgeschalteter CW-Laser) hat eine Spitzenleistung von 1800 W und eine durchschnittliche Leistung, die fast mit der des CW-Lasers übereinstimmt, aber wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist die spezifische Energie fast zweimal niedriger . Gepulster Modus versus CW-Modus. Der CW-Modus scheint mehr Verluste zu haben als der gepulste Modus, da die Laserleistung immer auf dem Spitzenwert ist.
Allerdings ist die Art und Weise, in der der Laser betrieben wird, nicht der einzige Faktor bei der Entscheidung, ob für die Laserreinigung ein gepulster Laser (d. h. Dauerstrich an und aus) oder ein Dauerstrichlaser verwendet werden soll. Das Scanmuster ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Es ist wichtig, dass die Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahl und Beschichtung kurz ist, damit die Auswirkungen thermischer Schäden minimal sind. Dies kann durch die Verwendung kurzer Pulse mit hoher Spitzenintensität oder durch die Verwendung eines kontinuierlichen Lasers und hoher Scangeschwindigkeiten erreicht werden.
Wenn man bedenkt, dass kontinuierliche Laserleistung im Allgemeinen leistungsstärker, kostengünstiger und robuster ist als gepulste Laser, ist sie keine schlechte Wahl für die Laserreinigung. Leider können die traditionell zur Laserreinigung verwendeten Galvanometerscanner keine Multi-Kilowatt-Laser verarbeiten. Galvanometerscanner für Hochleistungslaser sind außerdem recht schwer und können nicht mit hohen Scangeschwindigkeiten betrieben werden. Daher wurde ein neuer Scannertyp namens Polygonscanner vorgeschlagen, der nur einen beweglichen Teil hat, das Polygon [Referenz 3]. Diese Polygonscanner sind in der Lage, höhere Laserleistungen zu verarbeiten und sind nachweislich dreimal schneller als Galvanometerscanner. Mit moderaten Rotationsgeschwindigkeiten können Polygonscanner Oberflächenscangeschwindigkeiten von über 50 Metern pro Sekunde erreichen. Diese hohe Scangeschwindigkeit ermöglicht kurze Wechselwirkungszeiten des Strahls mit der Arbeitsoberfläche und ermöglicht den Einsatz sehr hoher Laserleistungen. Abbildung 4 zeigt den Aufbau eines Polygonscanners.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entscheidung für die Verwendung eines CW- oder gepulsten Lasers (d. h. CW- oder klassische Kurzpulslaser, die ein- und ausgeschaltet werden) zur Laserreinigung von mehreren Faktoren abhängt, wie z. B. der Art des Substrats, dem Absorptionsvermögen der Beschichtung, und die Kosten des Lasers. Die Kombination eines Polygonscanners und eines kontinuierlichen Lasers kann hohe Scangeschwindigkeiten ermöglichen und ist eine vielversprechende Option, die in Betracht gezogen werden kann, wenn klassische gepulste Laser nicht verfügbar sind.
