Welche Materialien und Oberflächen können mit Laserschutzgeräten gereinigt werden?(1)

Grundlagen der Laserschmelze

Die Laserschmelze basiert auf der kontrollierten Wechselwirkung zwischen gepulster Laserstrahlung und Materialoberflächen. Sie entfernt unerwünschte Schichten wie Oxide, Farben, Fette und Rückstände ohne mechanischen Kontakt, Schleifmittel oder Chemikalien. Der Reinigungsprozess erfolgt über zwei primäre physikalische Mechanismen: photo-thermische und photo-mechanische Effekte, die beide von den Betriebsparametern des Lasers beeinflusst werden. Ein tiefes Verständnis dieser Prinzipien ist entscheidend, um die Reinigungseffizienz sicherzustellen und gleichzeitig die Integrität des Grundmaterials zu schützen.

Physikalische Mechanismen der Laserschmelze

Photo-thermischer Mechanismus

Der photo-thermische Effekt beruht auf selektiver Erwärmung. Wenn der Laserstrahl auf die Oberfläche trifft, absorbiert die Verschmutzungsschicht die Laserenergie und erwärmt sich schnell. Diese Wärme kann Folgendes verursachen:

Thermische Ausdehnung, die zur Delamination führt.

Verdampfung oder Pyrolyse der Verunreinigung.

Schmelzen und erneutes Erstarren lockern die Bindung zum Substrat.

Dieser Mechanismus ist am effektivsten, wenn die Verunreinigung bei der gewählten Laserwellenlänge eine deutlich höhere optische Absorption als das Substrat aufweist. Beispielsweise absorbiert Rost oder Farbe oft Infrarot-Wellenlängen besser als das darunterliegende Metall.

Photo-mechanischer Mechanismus

Beim photo-mechanischen Prozess setzen ultrakurze Laserpulse (typischerweise Pikosekunden- oder Femtosekundenpulse) Energie so schnell frei, dass die Wärmeleitung minimal ist. Anstelle einer Erhitzung verursacht die intensive Energie:

Schnelle Plasmabildung oder Mikroexplosionen an der Oberfläche der Verunreinigung.

Erzeugung von Schockwellen, die Verunreinigungen physikalisch wegbefördern.

Spannungsrisse in spröden Schichten wie Korrosion oder Kohlenstoffablagerungen.

Dieser Mechanismus eignet sich ideal für empfindliche Substrate oder Anwendungen, bei denen Wärme minimiert werden muss, wie beispielsweise im Denkmalschutz oder in der Mikroelektronik.

Wichtige Laserparameter

Die Wirksamkeit und Sicherheit der Lasersäuberung hängt stark von der korrekten Einstellung mehrerer Laserparameter ab:

Wellenlänge

Die Laserwellenlänge bestimmt, wie viel Energie vom Schadstoff und vom Substrat absorbiert wird. Häufig verwendete Wellenlängen sind:

1064 nm (Infrarot): Geeignet für Metalle und Oxide.

532 nm (Grün): Wirksamer bei Pigmenten und Lacken.

355 nm oder 248 nm (UV): Am besten geeignet für organische und polymerbasierte Verunreinigungen.

Ziel ist es, eine Wellenlänge zu wählen, die vom Schadstoff stark, vom Substrat jedoch schwach absorbiert wird.

Pulsdauer

Die Pulsbreite beeinflusst die Tiefe und Geschwindigkeit des Energieeintrags:

Nanosekundenpulse: Mäßige thermische Effekte; gut geeignet für die allgemeine Reinigung.

Pikosekunden/Femtosekundenpulse: Ultrapräzise, minimale Wärmeausbreitung; ideal für empfindliche Oberflächen.

Kürzere Pulse reduzieren wärmebeeinflusste Zonen und verbessern die Reinigungsselektivität.

Pulsenergie und Wiederholrate

Pulsenergie (gemessen in Millijoule oder Joule): Definiert, wie viel Energie pro Puls abgegeben wird. Höhere Energie kann dickere oder widerstandsfähigere Schichten entfernen, erhöht jedoch das Risiko von Substratschäden.

Wiederholrate (gemessen in Hz oder kHz): Steuert, wie häufig Pulse ausgesendet werden. Hohe Wiederholraten ermöglichen eine schnellere Reinigung, können aber zu thermischer Aufheizung führen, wenn sie nicht sorgfältig geregelt werden.

Spotgröße und Überlappung

Die Spotgröße beeinflusst die Auflösung und Intensität. Kleinere Spots ermöglichen präzisere Arbeit, während größere Spots größere Flächen schneller reinigen.

Überlappung bezieht sich darauf, wie stark jeder Puls mit dem vorherigen überlappt. Typische Überlappungen liegen zwischen 50–90 %, um eine gleichmäßige Reinigung sicherzustellen. Zu geringe Überlappung verursacht Streifen; zu hohe Überlappung kann die Oberfläche überhitzen.

Wechselwirkung mit Verunreinigungen im Vergleich zu Substraten

Ein zentrales Prinzip der Lasersäuberung ist die selektive Ablation – die Fähigkeit, Verunreinigungen zu entfernen, ohne das darunterliegende Material zu beschädigen. Dies hängt ab von:

Absorptionskontrast: Die Verunreinigung muss die Laserenergie effektiver absorbieren als das Substrat.

Wärmeleitfähigkeit: Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Kupfer, Aluminium) leiten Wärme schnell ab, wodurch das Beschädigungsrisiko verringert wird.

Haftfestigkeit: Locker gebundene Schichten lassen sich leichter durch photo-mechanische Effekte entfernen, während stark haftende Beschichtungen möglicherweise eine höhere Fluenz oder mehrere Durchgänge erfordern.

Die Lasersäuberung muss für jede Anwendung sorgfältig kalibriert werden, wobei Dicke, Zusammensetzung und Bindungsfestigkeit der Verunreinigung sowie die Empfindlichkeit des Substrats berücksichtigt werden müssen.

Die Laserreinigung ist ein hochgradig kontrollierter Prozess, der auf den physikalischen Prinzipien der Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Material beruht. Egal ob thermische Energie verwendet wird, um Verunreinigungen zu verdampfen, oder mechanische Schockwellen, um sie zu lösen – die Technik bietet eine beispiellose Präzision. Ihr Erfolg hängt davon ab, die Laserparameter an jede spezifische Materialkombination anzupassen, um eine maximale Entfernung von Verunreinigungen bei gleichzeitiger Erhaltung der Oberflächenintegrität zu gewährleisten. Durch das gezielte Beherrschen der photo-thermischen und photo-mechanischen Effekte sowie die Anpassung von Parametern wie Wellenlänge, Impulsenergie und Spotgröße kann die Laserreinigung sicher und effektiv in einer Vielzahl industrieller und spezialisierter Anwendungen eingesetzt werden.