В последние годы большое внимание уделяется лазерной очистке и удалению краски, поскольку традиционные методы удаления краски, такие как пескоструйная очистка и химическое удаление краски, вызывают большое загрязнение окружающей среды. Пришло время воспользоваться средствами для удаления зеленой краски. При правильном управлении такими параметрами, как ширина импульса, плотность энергии, частота повторения и размер луча, лазеры можно использовать для выполнения высококачественных работ и удаления покрытий. [Ссылка 1] Преимущества лазерного удаления краски можно резюмировать следующим образом:
● Меньше расходных материалов
● Меньше вторичных отходов
● Отсутствие механического повреждения подложки при использовании контролируемых параметров лазера.
● Улучшенная адгезия благодаря уменьшению шероховатости поверхности.
● Быстрее, чем традиционные методы.
● Более эффективный, чем традиционные методы.
Есть два способа добиться лазерной очистки. Первый — это лазерная абляция, при которой импульс высокой энергии или интенсивный луч непрерывной волны генерирует плазму в покрытии, а ударная волна, создаваемая плазмой, разрывает покрытие на частицы. Второй — термическое разложение, при котором луч непрерывной волны меньшей энергии или длинный импульс могут нагревать поверхность и в конечном итоге испарять покрытие. Эти два механизма показаны на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1. Этапы лазерной абляции
Рисунок 2. Этапы термического разложения
Каким бы ни был механизм, неконтролируемые параметры лазера могут повредить подложку и вызвать проблемы. Для лазерной очистки можно использовать как непрерывные, так и импульсные лазеры, но важно понимать, какое различное воздействие эти лазеры оказывают на разные подложки. Поглощение непрерывного лазера подложкой зависит от его длины волны, причем более короткие волны обычно приводят к большему поглощению. С другой стороны, для классического импульсного лазера глубина проникновения LT в подложку не зависит от длины волны и вместо этого зависит от ширины импульса τp лазера и коэффициента диффузии D подложки, как показано в уравнении 1.
Для классического импульсного лазера увеличение ширины импульса увеличивает порог абляции, который определяется как минимальная энергия, необходимая для удаления единицы объема материала, согласно следующему уравнению:
где ρ — плотность, а Hv — теплота испарения (количество тепла, необходимое для испарения единицы массы материала, в Джоулях на грамм). Таким образом, более длинные импульсы снижают эффективность абляции. Классические импульсные лазеры также зависят от частоты повторения импульсов, причем эффективность абляции увеличивается с увеличением частоты повторения.
Было проведено исследование непрерывной и импульсной работы лазеров с использованием волоконного лазера с длиной волны 1,07 мкм [ссылка 2]. В этом исследовании один и тот же непрерывный лазер включался и выключался для получения импульсов большой ширины. Это исследование показало, что в режиме непрерывного излучения удельная энергия (определяемая как энергия, необходимая для удаления единицы объема материала (мм3) в джоулях и обратно пропорциональная эффективности абляции) уменьшается с увеличением скорости сканирования и мощности лазера. Установлено, что для импульсного режима эффективность абляции зависит от скважности (отношения ширины импульса к временному интервалу между двумя импульсами). Увеличивая рабочий цикл, увеличивалась эффективность абляции. В этом отличие от классических импульсных лазеров, где при фиксированной частоте повторения увеличение ширины импульса (и, следовательно, рабочего цикла) снижает эффективность абляции. На рисунке 3 сравнивается удельная энергия в зависимости от мощности и скорости сканирования для непрерывного лазера с частотой 1 кГц и импульсного лазера (т. е. включенного и выключенного непрерывного лазера) на подложке из нержавеющей стали.
Рисунок 3: Левый график показывает зависимость удельной энергии непрерывного лазера от мощности лазера, а правый график показывает зависимость удельной энергии импульса с частотой 1 кГц от рабочего цикла лазера.
Пиковая мощность импульсного лазера (т.е. непрерывного лазера, который включается и выключается) составляет 1800 Вт, а его средняя мощность почти такая же, как у непрерывного лазера, но, как видно из графика, удельная энергия составляет почти 2 раз ниже. Импульсный режим по сравнению с режимом CW. В режиме непрерывного излучения потери больше, чем в импульсном, поскольку мощность его лазера всегда находится на пике.
Однако режим работы лазера не является единственным фактором, который следует учитывать при принятии решения о том, использовать ли для лазерной очистки импульсный (т. е. непрерывный) или непрерывный лазер. Режим сканирования также является еще одним важным фактором, который следует учитывать. Важно, чтобы время взаимодействия лазерного луча с покрытием было коротким, чтобы эффект
термические повреждения минимальны. Этого можно достичь, используя короткие импульсы с высокой пиковой интенсивностью или используя непрерывный лазер и высокую скорость сканирования.
Учитывая, что непрерывная мощность лазера обычно более мощная, дешевая и более надежная, чем импульсные лазеры, это неплохой выбор для лазерной очистки. К сожалению, гальванометрические сканеры, традиционно используемые для лазерной очистки, не могут работать с лазерами мощностью в несколько киловатт. Сканеры гальванометров, используемые для мощных лазеров, также довольно тяжелы и не могут работать на высоких скоростях сканирования. Поэтому был предложен новый тип сканера, называемый полигональным сканером, который имеет только одну движущуюся часть — многоугольник [ссылка 3]. Эти полигональные сканеры способны обрабатывать лазеры более высокой мощности и, как было продемонстрировано, в три раза быстрее, чем гальванометрические сканеры. Используя умеренную скорость вращения, полигональные сканеры могут обеспечить скорость сканирования поверхности, превышающую 50 метров в секунду. Такая высокая скорость сканирования позволяет сократить время взаимодействия луча с рабочей поверхностью и использовать лазер очень высокой мощности. Сканер Фигигона.
Таким образом, выбор использования непрерывного или импульсного лазера (т. е. непрерывного или классического короткоимпульсного лазера, который включается и выключается) для лазерной очистки зависит от нескольких факторов, таких как тип подложки, поглощающая способность покрытия и стоимость лазера. Комбинация полигонального сканера и непрерывного лазера обеспечивает высокую скорость сканирования и является многообещающим вариантом, когда классические импульсные лазеры недоступны.
