Katerih materialov in površin se lahko očisti s pomočjo laserjev?(1)

Načela laserjenja

Laserско čiščenje temelji na nadzorovanem medsebojnem delovanju impulznega laserskega sevanja in površin materialov. Odstrani nezaželene plasti, kot so oksidi, barve, masti in ostanki, brez mehanskega stika, abrazivov ali kemikalij. Postopek čiščenja deluje prek dveh glavnih fizičnih mehanizmov: foto-termalni in foto-mehanski učinki, ki sta oba odvisna od obratovalnih parametrov lasera. Globoko razumevanje teh načel je bistveno za zagotavljanje učinkovitosti čiščenja, hkrati pa zaščiti celovitost osnovnega materiala.

Fizični mehanizmi laserskega čiščenja

Foto-termalni mehanizem

Foto-termalni učinek temelji na selektivnem segrevanju. Ko laserski žarek zadene površino, plast onesnaževal absorbira energijo lasera in se hitro segreje. To toploto lahko povzroči:

Toplotno raztezanje, ki vodi do odplastevanja.

Izparjanje ali pirolizo onesnaževala.

Taljenje in ponovno strjevanje, kar oslabi vez z podlago.

Ta mehanizem je najučinkovitejši, kadar kontaminant močno bolj absorbira optično energijo kot podlaga pri izbrani valovni dolžini laserja. Na primer, rjava ali barva pogosto bolje absorbirata infrardeče valovne dolžine kot osnovni kovinski material.

Foto-mehanski mehanizem

Pri foto-mehanskem postopku ultrakratki laserski sunki (običajno pikosekundni ali femtosekundni) prenašajo energijo tako hitro, da je toplotna prevodnost minimalna. Namesto segrevanja intenzivna energija povzroči:

Hitro nastajanje plazme ali mikroeksplozije na površini kontaminanta.

Ustvarjanje udarnih valov, ki fizikalno odstranjujejo kontaminante.

Napetostne razpoke v krhkih slojih, kot so korozija ali odlagisca ogljika.

Ta mehanizem je idealen za občutljive podlage ali aplikacije, kjer je potrebno minimizirati toploto, na primer pri ohranjanju dediščine ali v mikroelektroniki.

Ključni parametri laserja

Učinkovitost in varnost laserskega čiščenja zelo zavisa od pravilne nastavitve več laserskih parametrov:

Valovna dolžina

Laserjska valovna dolžina določa, koliko energije absorbirata onesnaževalo in podlaga. Pogosto uporabljene valovne dolžine vključujejo:

1064 nm (infrardeča): primerna za kovine in okside.

532 nm (zelena): učinkovitejša pri pigmentih in barvah.

355 nm ali 248 nm (UV): najboljša za organske in polimere temelječe onesnaževalce.

Cilj je izbrati valovno dolžino, ki jo močno absorbira onesnaževalo, podlaga pa jo slabše absorbira.

Trajanje impulza

Trajanje impulza vpliva na globino in hitrost prenosa energije:

Nanosekundni impulzi: zmerni toplotni učinki; dobri za splošno čiščenje.

Pikosekundni/femtosekundni impulzi: ultra natančni, minimalna toplotna difuzija; idealni za občutljive površine.

Krajši impulzi zmanjšujejo toplotno vplivljena območja in izboljšujejo selektivnost čiščenja.

Energija impulza in frekvenca ponavljanja

Pulsna energija (merjena v milidžulih ali džulih): Določa količino energije, ki se prenese na posamezen pulz. Višja energija omogoča odstranjevanje debelejših ali trših slojev, vendar poveča tveganje poškodbe podlage.

Ponavljalna frekvenca (merjena v Hz ali kHz): Nadzoruje pogostost izmenjave pulzov. Visoke ponavljalne frekvence omogočajo hitrejše čiščenje, vendar lahko povzročijo toplotno nabiranje, če ni ustrezno nadzorovano.

Velikost lise in prekrivanje

Velikost lise vpliva na ločljivost in intenzivnost. Manjše lisice omogočajo natančnejše delo, medtem ko večje lisice hitreje očistijo širše površine.

Prekrivanje opisuje, koliko se vsak pulz prekriva s prejšnjim. Tipična prekrivanja segajo od 50–90 %, da se zagotovi enakomerno čiščenje. Premajhno prekrivanje povzroči brazgotine; preveliko pa lahko pregrevi površino.

Medsebojno delovanje onesnažil in podlag

Enega osrednjih načel pri laserskem čiščenju je selektivna ablacija – sposobnost odstranjevanja onesnažil brez poškodbe osnovnega materiala. To je odvisno od:

Apsorpcijski kontrast: onesnaževalo mora učinkoviteje absorbirati lasersko energijo kot podlaga.

Toplotna prevodnost: podlage z visoko toplotno prevodnostjo (npr. baker, aluminij) hitro razpršujejo toploto, s čimer se zmanjša tveganje poškodb.

Trdnost lepljenja: ohlapno povezani sloji so lažje odstraniti s foto-mehanskimi učinki, medtem ko močno prilepljene prevleke zahtevajo višjo gostoto energije ali več prehodov.

Laserjevo čiščenje je treba natančno umeriti za vsako posamezno uporabo, pri čemer je treba upoštevati debelino, sestavo in trdnost vezi onesnaževala ter občutljivost podlage.

Laserjevo čiščenje je zelo natančen proces, ki temelji na fiziki interakcije laserja in materiala. Ne glede na to, ali uporablja toplotno energijo za izhlapevanje onesnaževalcev ali mehanske udarne valove za njihovo odstranjevanje, ponuja tehnika nepremagovljivo natančnost. Njegov uspeh je odvisen od prilagoditve parametrov laserja za vsako specifično kombinacijo materialov, pri čemer se maksimalizira odstranjevanje onesnaževalcev in hkrati ohranja integriteta površine. Z obvladovanjem foto-termičnih in foto-mehanskih mehanizmov ter prilagajanjem parametrov, kot so valovna dolžina, energija impulza in velikost lise, je mogoče laserjevo čiščenje varno in učinkovito uporabiti v širokem spektru industrijskih in specializiranih aplikacij.