Anvendelser til laserrensning og malingsfjernelse har fået stor opmærksomhed i de senere år, da traditionelle malingsfjernelsesmetoder som sandblæsning og kemisk malingfjerning genererer en masse miljøforurening. Det er tid til at drage fordel af løsninger til fjernelse af grøn maling. Ved korrekt styring af parametre som pulsbredde, energitæthed, gentagelseshastighed og strålestørrelse kan lasere bruges til at udføre arbejde af høj kvalitet og fjerne belægninger [Reference 1] Fordelene ved fjernelse af lasermaling kan opsummeres som følger:
● Færre forbrugsvarer
● Mindre sekundært affald
● Ingen mekanisk beskadigelse af underlaget ved brug af kontrollerede laserparametre
● Bedre vedhæftning på grund af reduceret overfladeruhed
● Hurtigere end traditionelle metoder
● Mere effektive end traditionelle metoder
Der er to måder at opnå laserrensning på. Den første er laserablation, hvor en højenergipuls eller en intens kontinuerlig bølgestråle vil generere et plasma i belægningen, og stødbølgen, der genereres af plasmaet, vil sprænge belægningen til partikler. Den anden er termisk nedbrydning, hvor en kontinuerlig bølgestråle med lavere energi eller lang puls kan opvarme overfladen og til sidst fordampe belægningen. Disse to mekanismer er vist i figur 1 og 2.
Figur 1 Laser ablationstrin
Figur 2 Termiske nedbrydningstrin
Uanset mekanismen kan ukontrollerede laserparametre beskadige underlaget og forårsage problemer. Både kontinuerlige og pulserende lasere kan bruges til laserrensning, men det er vigtigt at forstå de forskellige effekter, disse lasere frembringer på forskellige substrater. Absorptionen af en kontinuerlig laser af et substrat afhænger af dets bølgelængde, hvor kortere bølgelængder generelt resulterer i større absorption. For en klassisk pulseret laser er indtrængningsdybden LT i substratet derimod uafhængig af bølgelængden og afhænger i stedet af laserens pulsbredde τp og diffusiviteten D af substratet, som vist i ligning 1.
For en klassisk pulseret laser øger en stigning i pulsbredden ablationstærsklen, som er defineret som den mindste energi, der kræves for at fjerne en enhedsvolumen af materiale i henhold til følgende ligning:
hvor ρ er massefylden, og Hv er fordampningsvarmen (den mængde varme, der kræves for at fordampe en enhedsmasse af materiale i joule pr. gram). Således reducerer længere pulser ablationseffektiviteten. Klassiske pulserende lasere afhænger også af pulsgentagelseshastigheden, hvor ablationseffektiviteten stiger, når gentagelseshastigheden stiger.
En undersøgelse er blevet udført, der undersøger CW og pulserende drift af lasere ved hjælp af en 1,07 μm fiberlaser [Ref 2]. I denne undersøgelse blev den samme kontinuerlige laser tændt og slukket for at producere langbreddeimpulser. Denne undersøgelse viste, at i CW-tilstand falder den specifikke energi (defineret som den energi, der kræves for at fjerne en enhedsvolumen af materiale (mm3) i Joule og omvendt proportional med ablationseffektiviteten) med stigende scanningshastighed og lasereffekt. For pulseret tilstand viste det sig, at ablationseffektiviteten var afhængig af arbejdscyklussen (forholdet mellem pulsbredden og tidsintervallet mellem to pulser). Ved at øge arbejdscyklussen øgedes ablationseffektiviteten. Dette er i modsætning til klassiske pulserende lasere, hvor, ved en fast gentagelseshastighed, forøgelse af pulsbredden (og dermed duty cycle) mindsker ablationseffektiviteten. Figur 3 sammenligner den specifikke energi versus effekt og scanningshastighed for en 1 kHz CW-laser og en pulserende laser (dvs. CW-laser tændt og slukket) på et rustfrit stålsubstrat.
Figur 3: Det venstre plot viser den CW laserspecifikke energi versus lasereffekten, og det højre plot viser den 1 kHz pulsspecifikke energi versus laserens arbejdscyklus
Spidseffekten af den pulserende laser (dvs. CW-laser, der tænder og slukker) er 1800 W, og dens gennemsnitlige effekt er næsten den samme som CW-laseren, men som det kan ses fra grafen, er den specifikke energi næsten 2 gange lavere. Pulserende tilstand sammenlignet med CW-tilstand. CW-tilstanden ser ud til at have flere tab sammenlignet med den pulserede tilstand, fordi dens lasereffekt altid er i top.
Imidlertid er laserens driftstilstand ikke den eneste overvejelse, når man skal beslutte, om man skal bruge en pulseret (dvs. kontinuerlig bølge tændt og slukket) eller en kontinuerlig bølgelaser til laserrensning. Scanningstilstanden er også en anden vigtig overvejelse at overveje. Det er vigtigt, at interaktionstiden mellem laserstrålen og belægningen er kort, så effekten
af termisk skade er minimal. Dette kan opnås ved at bruge korte pulser med høj spidsintensitet eller ved at bruge en kontinuerlig laser og høje scanningshastigheder.
I betragtning af at kontinuerlig lasereffekt generelt er mere kraftfuld, billigere og mere robust end pulserende lasere, er det ikke et dårligt valg til laserrensning. Desværre kan galvanometerscannere, der traditionelt bruges til laserrensning, ikke klare multikilowatt-lasere. Galvanometerscannere, der bruges til højeffektlasere, er også ret tunge og kan ikke fungere ved høje scanningshastigheder. Derfor er der blevet foreslået en ny type scanner kaldet en polygonscanner, som kun har én bevægelig del, polygonen [Ref 3]. Disse polygonscannere er i stand til at håndtere højere laserkræfter og har vist sig at være tre gange hurtigere end galvanometerscannere. Ved hjælp af beskedne rotationshastigheder kan polygonscannere producere overfladescanningshastigheder på over 50 meter i sekundet. Denne høje scanningshastighed gør, at strålens interaktionstid med arbejdsfladen er kort og gør det muligt at bruge meget høje lasereffekter. Figuygon scanner.
Sammenfattende afhænger valget af at bruge en CW eller pulserende laser (dvs. CW eller klassiske kortpulslasere, der tændes og slukkes) til laserrensning af flere faktorer, såsom typen af substrat, belægningens absorptionsevne og omkostningerne ved laseren. Kombinationen af en polygonscanner og en kontinuerlig laser giver høje scanningshastigheder og er en lovende mulighed at overveje, når klassiske pulserende lasere ikke er tilgængelige
