Czyszczenie laserowe

Zdjęcie: P-Laser

 

Czyszczenie laserowe, znane również pod nazwą ablacja laserowa, to proces, w którym za pomocą promienia laserowego usuwa się zanieczyszczenia, farby, rdzę lub inne niechciane substancje z powierzchni materiału. Technika ta uznawana jest za nieinwazyjną, co oznacza, że można ją wykorzystać w wielu dziedzinach przemysłu i poza nim.

 

Metoda ablacji jest nowoczesną alternatywą dla standardowych procesów czyszczenia, takich jak piaskowanie, sodowanie, szkiełkowanie czy czyszczenie powierzchni suchym lodem. O atutach czyszczenia laserowego napiszemy więcej w dalszej części tekstu, warto jednak już na wstępie podać dwie główne zalety tej metody – nieinwazyjność i szybkość. Pracę, która zwykle zajmowała kilka godzin, używając lasera można wykonać w kilka-kilkanaście minut. To ważny atut. Do rozstrzygnięcia pozostaje pytanie, czy bardziej opłacalny jest zakup urządzenia do laserowej ablacji, czy korzystanie z outsourcingu.

 

Trochę o technologii

Jak wiemy z lekcji fizyki, światło laserowe składa się z fotonów emitowanych przez określone źródło, które charakteryzują się jednolitym kierunkiem propagacji (zjawisko związane ze swobodnym rozchodzeniem się fal w jakimś ośrodku), tą samą długością fali oraz identycznym poziomem energii. Ten skoncentrowany strumień światła jest następnie kierowany na obrabianą powierzchnię, gdzie jego energia jest absorbowana, aż do osiągnięcia wartości krytycznej znanej jako próg ablacyjny.

Osiągnięcie tego progu prowadzi do procesu, w którym wiązania między cząsteczkami materiału zostają przerwane, umożliwiając ich oderwanie od powierzchni. Co ciekawe, materiał ten poddawany jest procesowi sublimacji – przechodzi bezpośrednio ze stanu stałego do gazowego, pomijając fazę ciekłą. To właśnie jest sedno ablacji laserowej – skoncentrowana, precyzyjna eliminacja zanieczyszczeń z powierzchni materiału, wykorzystująca energię laserową.

Mechanizm ablacji laserowej wykorzystuje różnicę absorpcyjności – unikalną właściwość, która pozwala na zrozumienie, jak dużo energii (w postaci światła o określonej długości fali) może zostać pochłonięte przez daną powierzchnię. Ta różnica absorpcyjności jest kluczowa, gdyż różni się znacząco między metalami a zanieczyszczeniami obecnymi na ich powierzchniach. Energia pochłonięta przez zanieczyszczenia w końcu prowadzi do rozerwania ich molekularnych więzów, umożliwiając ich łatwe usunięcie.

Podczas ablacji laserowej, proces gwałtownego odparowywania zanieczyszczeń generuje falę akustyczną. Ta fala na początku kieruje się w stronę podłoża materiału, ale po spotkaniu z granicą między zanieczyszczeniami a materiałem zmienia kierunek. Teraz porusza się w przeciwnym, wspomagając proces „wyrzucania” odłączonych cząsteczek zanieczyszczeń do atmosfery. To synergiczne działanie zapewnia efektywność i dokładność procedury ablacji laserowej.

 

Zalety ablacji laserowej

Ablacja laserowa zrewolucjonizowała proces czyszczenia i renowacji wielu różnych powierzchni. Zastosowanie tej metody pozwala na automatyczne i bezdotykowe usuwanie zanieczyszczeń. Dzięki temu można ją z powodzeniem stosować nawet na delikatnych powierzchniach, bez obaw o ich uszkodzenie. Co więcej, laser oferuje możliwość punktowego działania, co jest szczególnie ważne przy oczyszczaniu delikatnych komponentów elektronicznych czy usuwaniu rdzy z podzespołów silników mechanicznych. Selektywne czyszczenie umożliwia obróbkę wybranych obszarów, dostosowując grubość usuwanej warstwy do indywidualnych potrzeb aplikacji.

W przypadku obróbki metali, laserowe czyszczenie umożliwia precyzyjne rozbicie warstwy korozji, przynosząc efekty nieporównywalne z konwencjonalnymi metodami. Co więcej, po zakończeniu procesu nie jest wymagana dodatkowa obróbka mechaniczna ani inna obróbka poprocesowa metalu, co stanowi istotną oszczędność czasu i zasobów.

Warto także zwrócić uwagę na proekologiczne aspekty ablacji laserowej. Proces ten nie generuje żadnych szkodliwych związków chemicznych, a odpady są pochłaniane przez specjalistyczne filtry, chroniąc tym samym środowisko naturalne. Procedura ta jest w pełni zgodna z wytycznymi dotyczącymi ochrony środowiska. Eliminuje konieczność pokrywania kosztów związanych z utylizacją resztek farby, starych części czy odpadów chemicznych. Dodatkowo, lasery impulsowe oparte na technologii światłowodowej cechują się niskim zużyciem energii elektrycznej.

Ablacja laserowa to nie tylko ekologiczna, ale też efektywna metoda czyszczenia. Znacznie skraca czas obróbki, co przekłada się na dłuższą żywotność oraz większą odporność materiału na zabrudzenia. Warto także zauważyć, że precyzyjne oczyszczanie laserowe nie jest jedynie metodą eliminacji rdzy z powierzchni metalowych, ale także nieabrazyjną techniką polerowania elementów stalowych oraz modyfikowania ich właściwości adhezyjnych. Przygotowanie metalu do następnych etapów obróbki, niezależnie czy odbywa się to w garażu domowym, warsztacie samochodowym czy na szeroką skalę w przemyśle, często bywa procesem skomplikowanym.

Ze względu na swoje walory, czyszczenie laserowe znajduje zastosowanie w różnych branżach, ułatwiając przygotowanie metalu do dalszych prac. Może być z powodzeniem używane m.in. do odtłuszczenia metalu przed malowaniem, usuwania starych powłok lakierniczych i technicznych, czy precyzyjnego czyszczenia powierzchni metalowych przed spawaniem lub klejeniem.

Wiązka lasera nie ingeruje w oczyszczany materiał, tylko usuwa zanieczyszczenia lub stare powłoki lakiernicze, chroniąc w ten sposób nawet najbardziej wrażliwe materiały. Proces ten charakteryzuje się także wysokim poziomem czystości materiału po obróbce.

 

Co usunie laser?

Jedną z charakterystycznych zalet tej technologii jest możliwość pracy z materiałami o wysokich właściwościach refleksyjnych, czyli takimi, które naturalnie odbijają promienie słoneczne. Wykorzystując tę innowacyjną metodę , można skutecznie eliminować różnego typu zabrudzenia i nieczystości, włączając w to:

  • rdzę, tlenki metali oraz korozję,
  • różnorodne lakiery i powłoki farbowe,
  • zbędne tłuszcze,
  • oleje i smary techniczne,
  • osady sadzy i zjawiska zadymienia,
  • niechciane graffiti oraz porosty na ścianach,
  • różnego typu naloty i osady,
  • nieestetyczne przebarwienia,
  • i wiele innych, niepożądanych substancji i materiałów.

Dzięki tej technologii, możliwe jest osiągnięcie bezprecedensowej czystości i odnowy powierzchni, której nie można uzyskać za pomocą innych metod.

Czyszczenie laserowe można wykorzystać w wielu branżach – praktycznie wszędzie tam, gdzie liczy się wysoki poziom efektywności oczyszczania powierzchni, a także możliwość dopasowania mocy wiązki laserowej do indywidualnych potrzeb

 

Rodzaje i możliwości czyszczenia laserowego

Bardzo często w urządzeniach do ablacji wykorzystywane są głowice czyszczące typu Linear, które cechują się skanem liniowym. Jego zaletą jest to, że przy optymalnej parametryzacji, zapewnia doskonałą penetrację naświetlanej powierzchni. W głowicach czyszczących tego typu możliwa jest manipulacja prędkością obrotu zwierciadła i szerokością skanu roboczego w czasie trwania obróbki.

Jeśli parametry głowicy oraz częstotliwość padania impulsów promieniowania laserowego są odpowiednio dobrane, można uzyskać skan roboczy optymalnie penetrujący każdy rodzaj nawarstwienia, który przekazuje jedynie niewielką ilość ciepła do materiału podłoża.

Tego typu głowice najczęściej wykorzystywane są tam, gdzie może być konieczne szybkie manipulowanie skanem roboczym, bez zatrzymania pracy urządzenia.

Innym rodzaj głowic wyposażony jest w skan 2D (Two-Dimensional). Ich charakterystyczną cechą jest dwuwymiarowy skan roboczy, który precyzyjnie penetruje naświetlaną powierzchnię. W tym wariancie możliwe jest zaprogramowanie różnych wariantów trybu pracy głowicy i dostosowanie czyszczenia do potrzeb wybranej powłoki i powierzchni.

Praca dwuwymiarowa głowic, za sprawą szerokiego zakresu manipulacji wiązką padającą na czyszczony materiał, pozwala na optymalizację procesu obróbki, zapewniając właściwe rozproszenie ciepła na powierzchni. Zaletą tego rozwiązania jest także łatwość czyszczenia uzyskana dzięki powtarzalności przejść skanu roboczego.

Tego typu głowice zwykle znajdują zastosowanie w aplikacjach, w których niezbędna jest duża kontrola nad promieniowaniem, penetrującym naświetlaną powierzchnię.

Na rynku dostępne są także tzw. lasery MOPA. Wykorzystują one wzmacniane boczne wiązki wyemitowane przez źródło laserowe z dodatkowym wzmacniaczem optycznym. Wzmacniacz jest urządzeniem, które odbiera określony sygnał wejściowy i wysyła sygnał wyjściowy o większej mocy optycznej. Te sygnały – wejściowe i wyjściowe – tworzy wiązka promieniowania laserowego, która rozchodzi się we włóknie światłowodu.

Intensyfikacja procesu ma miejsce w tak zwanym medium wzmacniającym, które wymaga „pobudzenia” od zewnętrznego źródła energii. Medium tym jest specjalistyczne włókno wzbogacone jonami metali ziem rzadkich, takimi jak erb, neodym, iterb, prazeodym czy tul, będące rdzeniem struktury światłowodowej poddawanej zewnętrznemu pobudzeniu.

W aktywny komponent uderza dodatkowe, zewnętrzne promieniowanie laserowe, które następnie – wraz z wiązką wydostającą się z głównej diody pompującej – wędruje wzdłuż światłowodu. Tego typu lasery pozwalają na oddzielne manipulowanie szerokim zakresem czasu trwania naświetlania oraz częstotliwością padania impulsów promieniowania laserowego. Gwarantuje to wyższą jakość wiązki, a także lepszą kontrolę nad rozmiarem strefy ciepła wpływającego na naświetlany element.

Kolejnym typem lasera jest urządzenie ze źródłem Q – Switch. Ten rodzaj źródeł korzysta z modulacji dobroci rezonatora (tak nazywana jest miara strat energii w układzie) przy pomocy przełączników Q – Switch. Zachodzi tu zależność, zgodnie z którą im mniejsze straty energii, tym większa dobroć całego układu. W tej technologii cała energia przechowywana jest we wnęce optycznej do chwili, w której przełącznik dobroci określi ją na niskim poziomie.

Gdy dobroć rezonatora przełączona zostanie do stanu wysokiego, dochodzi do uwolnienia całej tej zmagazynowanej energii w postaci jednego impulsu. Jak można zauważyć, modulatory strat energii rezonatora dają możliwość maksymalizacji mocy szczytowej wiązki promieniowania laserowego, poprzez emitowanie tylko tych impulsów, które niosą ze sobą największą energię.

Ten typ źródeł laserowych cechuje węższy zakres częstotliwości padania impulsów emitowanego promieniowania laserowego, a także niezmienny przedział czasu trwania tych impulsów. Modyfikuje go automatycznie źródło laserowe. Dzięki mniej złożonej budowy, tego typu źródła są w stanie wygenerować większą energię impulsu, a to z kolei przekłada się na większą efektywność ablacji.

 

Kupno urządzenia czy outsourcing?

Decyzja o tym, czy zakupić urządzenie czy korzystać w tym zakresie z usług zewnętrznych zależy od tego, jak często w firmie konieczne będzie stosowanie czyszczenia laserowego. Firmy zajmujące się profesjonalnym czyszczeniem laserowym, uzależniają ceny m.in. od powierzchni. Przykładowy koszt czyszczenia laserowego (cennik na 2023 r.), kształtuje się następująco:

  • czyszczenie stali – od 40 zł/m2
  • czyszczenie cegły – od 45 zł/m2
  • czyszczenie drewna – od 55 zł/m2
  • czyszczenie konstrukcji stalowych od 500 zł/tona (minimalna ilość – 5 ton)
  • lub od roboczogodziny – 450 zł/rbh.

Koszt zakupu lasera ablacyjnego jest stosunkowo duży i waha się od ok. 50 000 zł za urządzenie ręczne, do nawet 800 000 zł za urządzenie zautomatyzowane, najnowszej generacji, o mocy 1000 W, dedykowane do zastosowań profesjonalnych.

 

Autor: Damian Żabicki

 

Pełny tekst w wersji PDF poniżej lub proszę kliknąć link do pobrania pliku PDF
GM_2023_5_42_44_Czyszczenie_laserowe

Authors
Góra
English