Застосування лазерного очищення та видалення фарби привернули велику увагу в останні роки, оскільки традиційні методи видалення фарби, такі як піскоструминна обробка та хімічне видалення фарби, створюють значне забруднення навколишнього середовища. Настав час скористатися рішеннями для видалення зеленої фарби. За допомогою належного контролю таких параметрів, як ширина імпульсу, щільність енергії, частота повторення та розмір променя, лазери можна використовувати для виконання високоякісної роботи та видалення покриттів [Довідка 1]. Переваги лазерного видалення фарби можна підсумувати таким чином:
● Менше витратних матеріалів
● Менше вторинних відходів
● Відсутність механічних пошкоджень основи за допомогою контрольованих параметрів лазера
● Краща адгезія завдяки зменшеній шорсткості поверхні
● Швидше, ніж традиційні методи
● Більш ефективний, ніж традиційні методи
Лазерне очищення можна виконати двома способами. Перший — це лазерна абляція, коли високоенергетичний імпульс або інтенсивний безперервний промінь хвилі генерує плазму в покритті, а ударна хвиля, створена плазмою, розриває покриття на частинки. По-друге, це термічне розкладання, коли безперервний хвильовий промінь або довгий імпульс з нижчою енергією може нагріти поверхню та зрештою випарувати покриття. Ці два механізми показані на малюнках 1 і 2.
Рисунок 1 Етапи лазерної абляції
Рисунок 2 Стадії термічного розкладання
Незалежно від механізму, неконтрольовані лазерні параметри можуть пошкодити підкладку та спричинити проблеми. Для лазерного очищення можна використовувати як безперервні, так і імпульсні лазери, але важливо розуміти різні ефекти, які ці лазери виробляють на різних підкладках. Поглинання безперервного лазера підкладкою залежить від його довжини хвилі, причому коротша довжина хвилі зазвичай призводить до більшого поглинання. Для класичного імпульсного лазера, з іншого боку, глибина проникнення LT у підкладку не залежить від довжини хвилі та залежить натомість від ширини імпульсу τp лазера та коефіцієнта дифузії D підкладки, як показано в рівнянні 1.
Для класичного імпульсного лазера збільшення ширини імпульсу збільшує поріг абляції, який визначається як мінімальна енергія, необхідна для видалення одиниці об’єму матеріалу відповідно до наступного рівняння:
де ρ — щільність, а Hv — теплота пароутворення (кількість тепла, необхідна для випаровування одиниці маси матеріалу в Джоулях на грам). Таким чином, більш тривалі імпульси знижують ефективність абляції. Класичні імпульсні лазери також залежать від частоти повторення імпульсів, при цьому ефективність абляції зростає зі збільшенням частоти повторення.
Було проведено дослідження неперервної та імпульсної роботи лазерів із використанням волоконного лазера 1,07 мкм [Посилання 2]. У цьому дослідженні один і той самий безперервний лазер вмикався та вимикався для отримання імпульсів великої ширини. Це дослідження виявило, що в режимі CW питома енергія (визначена як енергія, необхідна для видалення одиниці об’єму матеріалу (мм3) у Джоулях і обернено пропорційна ефективності абляції) зменшується зі збільшенням швидкості сканування та потужності лазера. Для імпульсного режиму було виявлено, що ефективність абляції залежить від шпаруватості (відношення ширини імпульсу до інтервалу часу між двома імпульсами). Збільшуючи робочий цикл, ефективність абляції зросла. Це на відміну від класичних імпульсних лазерів, де при фіксованій частоті повторення збільшення ширини імпульсу (і, отже, робочого циклу) зменшує ефективність абляції. На рисунку 3 порівнюється питома енергія від потужності та швидкості сканування для лазера CW з частотою 1 кГц і імпульсного лазера (тобто лазер CW увімкнений і вимкнений) на підкладці з нержавіючої сталі.
Рисунок 3: Лівий графік показує питому енергію лазера CW від потужності лазера, а правий графік показує питому енергію імпульсу 1 кГц від робочого циклу лазера
Пікова потужність імпульсного лазера (тобто безперервного лазера, який вмикається та вимикається) становить 1800 Вт, а його середня потужність майже така ж, як у неперервного лазера, але, як видно з графіка, питома енергія майже 2 разів нижче. Імпульсний режим порівняно з режимом CW. Режим CW має більше втрат порівняно з імпульсним режимом, оскільки його потужність лазера завжди на піку.
Однак режим роботи лазера не є єдиним фактором, який слід враховувати при прийнятті рішення щодо використання імпульсного (тобто безперервного лазера, що вмикається та вимикається) чи безперервного лазера для лазерного очищення. Режим сканування також є ще одним важливим фактором, який слід враховувати. Важливо, щоб час взаємодії між лазерним променем і покриттям був коротким, щоб отримати ефект
термічні пошкодження мінімальні. Цього можна досягти за допомогою коротких імпульсів із високою піковою інтенсивністю або за допомогою безперервного лазера та високої швидкості сканування.
Враховуючи, що постійна потужність лазера, як правило, потужніша, дешевша та міцніша, ніж імпульсні лазери, це непоганий вибір для лазерного очищення. На жаль, сканери-гальванометри, які традиційно використовуються для лазерного очищення, не можуть працювати з багатокіловатними лазерами. Гальванометричні сканери, що використовуються для потужних лазерів, також досить важкі і не можуть працювати на високих швидкостях сканування. Таким чином, був запропонований новий тип сканера під назвою багатокутний сканер, який має лише одну рухому частину, багатокутник [Посилання 3]. Ці багатокутні сканери здатні працювати з лазерами з більшою потужністю та, як було продемонстровано, утричі швидші за гальванометричні сканери. Використовуючи помірну швидкість обертання, багатокутні сканери можуть сканувати поверхню зі швидкістю понад 50 метрів на секунду. Ця висока швидкість сканування дозволяє скоротити час взаємодії променя з робочою поверхнею та дозволяє використовувати дуже високу потужність лазера. Сканер Figuygon.
Таким чином, вибір використання неперервного або імпульсного лазера (тобто неперервного або класичного короткоімпульсного лазера, який вмикається та вимикається) для лазерного очищення залежить від кількох факторів, таких як тип основи, поглинаюча здатність покриття та вартість лазера. Комбінація багатокутного сканера та безперервного лазера забезпечує високу швидкість сканування та є багатообіцяючим варіантом для розгляду, коли класичні імпульсні лазери недоступні
