Welche Materialien und Oberflächen können mit Laserschutzgeräten gereinigt werden? (6)

Auswahl des richtigen Lasers und der richtigen Prozessparameter

Die Laserschmelzung ist ein leistungsfähiges Werkzeug – aber nur dann, wenn sie präzise abgestimmt ist. Die Wirksamkeit, Effizienz und Sicherheit jedes Laserschmelzverfahrens hängt von der korrekten Auswahl und dem Ausgleich mehrerer Laser- und Scanparameter ab. Diese Variablen steuern direkt, wie viel Energie die Oberfläche erreicht, wie diese Energie zugeführt wird und wie gut das System zwischen Verunreinigung und Substrat unterscheidet.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen – maximale Schadstoffentfernung bei null oder minimaler Substratschädigung – ist es entscheidend, die folgenden Schlüsselparameter an das spezifische Material, den Verunreinigungstyp und den Oberflächenzustand anzupassen: Wellenlänge, Pulsbreite, Fluenz, Wiederholrate und Scan-Geschwindigkeit.

Wellenlänge

Die Wellenlänge definiert die Farbe (oder technisch ausgedrückt, das Energieniveau) des Laserstrahls und beeinflusst direkt, wie das Material die Energie absorbiert.

Infrarot (1064 nm, Nd:YAG- oder Faserlaser): Wirksam bei Metallen und Oxiden, bei denen Rost oder Verunreinigungen mehr Energie aufnehmen als das Grundmetall.

Grün (532 nm): Bietet eine bessere Absorption bei bestimmten Lacken, Polymeren und Beschichtungen von Leiterplatten.

UV (355 nm, Excimer-Laser): Am besten geeignet für organische Materialien, dünne Schichten und empfindliche Oberflächen wie Kunststoffe oder Elektronik.

Grundprinzip: Wählen Sie eine Wellenlänge, die vom Verunreinigenden stark absorbiert wird, vom Substrat jedoch möglichst wenig, um eine selektive Entfernung sicherzustellen.

Pulsbreite (Pulsdauer)

Die Pulsbreite definiert, wie lange jeder Laserpuls andauert – typischerweise gemessen in Nanosekunden (ns), Pikosekunden (ps) oder Femtosekunden (fs). Sie bestimmt, wie schnell Energie abgegeben wird.

Nanosekunden-Laser (ns): Häufig im industriellen Reinigen eingesetzt; effektiv gegen Rost, Farbe und Zunder, können jedoch geringe thermische Effekte verursachen.

Pikosekunden-Laser (ps): Liefern Energie schneller mit weniger Wärmeübertragung in das Substrat – ideal für Präzisionsanwendungen.

Femtosekunden-Laser (fs): Ultrakurze Pulse erzeugen einen „kalten Ablation“-Effekt – hervorragend geeignet für wärmeempfindliche Materialien oder mikroskalige Oberflächen.

Kürzere Pulsdauern reduzieren die Wärmediffusion, minimieren die wärmeeinwirkungsbehaftete Zone (HAZ) und bewahren die Integrität des Substrats, insbesondere bei reflektierenden oder niedrigschmelzenden Materialien.

Fluenz (Energiedichte)

Die Fluenz ist die Menge an Energie, die pro Impuls und Flächeneinheit übertragen wird (Joule pro cm²). Sie gehört zu den wichtigsten Parametern zur Bestimmung der Reinigungswirksamkeit.

Geringe Fluenz (<1 J/cm²): Kann unzureichend sein, um die Verunreinigung abzutragen, oder nur leicht haftende Materialien entfernen.

Mittlere Fluenz (1–5 J/cm²): Wirksam gegen die meisten gängigen Verunreinigungen wie Rost, Oxide und Farbe.

Hohe Fluenz (>5 J/cm²): Erforderlich für dicke oder hartnäckige Schichten, birgt jedoch das Risiko einer Substratschädigung, wenn nicht ordnungsgemäß gesteuert.

Die optimale Fluenz hängt von der Bindungsstärke und den thermischen Eigenschaften der Verunreinigung ab. Das Überschreiten der Ablationschwelle gewährleistet die Reinigung, sollte aber die Schadensschwelle des Substrats nicht überschreiten.

Wiederholrate (Pulsfrequenz)

Die Wiederholrate bezeichnet die Anzahl der pro Sekunde emittierten Laserpulse, typischerweise gemessen in Kilohertz (kHz).

Niedrige Wiederholraten (<10 kHz): Höhere Energie pro Puls, aber geringere Durchsatzgeschwindigkeit; geeignet für präzise, tiefe Reinigung.

Hohe Wiederholraten (10–200+ kHz): Ermöglichen schnellere Reinigungsgeschwindigkeiten, verringern jedoch die Energie pro Puls; geeignet für leichte Verunreinigungen und große Flächenabdeckung.

Kompromiss: Eine höhere Wiederholrate verbessert die Produktivität, kann jedoch die kumulative Wärmelast erhöhen. Die Wiederholrate muss mit der Scan-Geschwindigkeit und der Abkühlzeit ausbalanciert werden.

Geschwindigkeit des Scans

Die Scan-Geschwindigkeit ist die Rate, mit der sich der Laserstrahl über die Oberfläche bewegt, typischerweise in mm/s oder m/min. Sie beeinflusst direkt, wie viel Energie auf eine bestimmte Fläche abgegeben wird.

Langsame Scan-Geschwindigkeiten: Mehr Energie pro Flächeneinheit; besser geeignet für dicke oder widerstandsfähige Verunreinigungen, jedoch mit höherem Risiko der Erwärmung des Untergrunds.

Schnelle Scan-Geschwindigkeiten: Kürzere Verweilzeit; ideal für dünne Schichten, hochwertige Oberflächen oder Bauteile mit geringer Toleranz.

Optimierungstipp: Die Scan-Geschwindigkeit muss auf die Wiederholrate und die Überlappung der Spotpositionen abgestimmt sein, um eine gleichmäßige Abdeckung ohne Überbelastung sicherzustellen.

Laserreinigung bedeutet nicht einfach nur, einen Laser zu richten und abzufeuern – es handelt sich um einen präzise abgestimmten technischen Prozess. Die Auswahl der richtigen Kombination aus Laser- und Prozessparametern ist entscheidend, um eine hohe Reinigungsleistung bei minimalem Risiko zu gewährleisten.

Die Wellenlänge steuert die materialspezifische Absorption.

Die Impulsbreite bestimmt, wie präzise die Energie abgegeben wird.

Die Fluence bestimmt die Ablationsleistung.

Die Wiederholrate beeinflusst die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die thermische Aufheizung.

Die Scanngeschwindigkeit gewährleistet ein Gleichgewicht zwischen Energieabgabe und Flächenabdeckung.

Jeder Parameter beeinflusst die anderen. Für jede erfolgreiche Anwendung – sei es Rost von Stahl zu entfernen, Farbe von Aluminium zu entfernen oder Folie von Keramik zu entfernen – müssen diese Einstellungen sorgfältig basierend auf den Materialeigenschaften, den Eigenschaften der Verunreinigungen und der erforderlichen Präzision optimiert werden.

Wenn korrekt konfiguriert, wird die Laserreinigung zu einem äußerst effizienten, berührungslosen und selektiven Verfahren, das auch für anspruchsvollste Umgebungen geeignet ist.