Laserpuhdistus- ja maalinpoistosovellukset ovat saaneet paljon huomiota viime vuosina, sillä perinteiset maalinpoistomenetelmät, kuten hiekkapuhallus ja kemiallinen maalinpoisto, saastuttavat paljon ympäristöä. On aika hyödyntää vihreän maalin poistoratkaisuja. Ohjaamalla oikein parametreja, kuten pulssin leveyttä, energiatiheyttä, toistotiheyttä ja säteen kokoa, laserilla voidaan suorittaa korkealaatuista työtä ja poistaa pinnoitteita [Viite 1] Lasermaalinpoiston edut voidaan tiivistää seuraavasti:
● Vähemmän kulutustarvikkeita
● Vähemmän toissijaista jätettä
● Ei substraatin mekaanisia vaurioita kontrolloiduilla laserparametreilla
● Parempi tarttuvuus pienentyneen pinnan karheuden ansiosta
● Nopeampi kuin perinteiset menetelmät
● Perinteisiä menetelmiä tehokkaampi
Laserpuhdistukseen on kaksi tapaa. Ensimmäinen on laserablaatio, jossa korkeaenerginen pulssi tai intensiivinen jatkuva aaltosäde muodostaa plasman pinnoitteeseen ja plasman synnyttämä shokkiaalto puhaltaa pinnoitteen hiukkasiksi. Toinen on lämpöhajoaminen, jossa alhaisemman energian jatkuva aaltosäde tai pitkä pulssi voi lämmittää pintaa ja lopulta haihduttaa pinnoitteen. Nämä kaksi mekanismia on esitetty kuvissa 1 ja 2.
Kuva 1 Laserablaation vaiheet
Kuva 2 Terminen hajoamisen vaiheet
Olipa mekanismi mikä tahansa, hallitsemattomat laserparametrit voivat vahingoittaa alustaa ja aiheuttaa ongelmia. Laserpuhdistukseen voidaan käyttää sekä jatkuvaa että pulssilaseria, mutta on tärkeää ymmärtää niiden erilaiset vaikutukset eri substraateille. Jatkuvan laserin absorptio substraatilla riippuu sen aallonpituudesta, ja lyhyemmät aallonpituudet johtavat yleensä suurempaan absorptioon. Toisaalta klassisen pulssilaserin tunkeutumissyvyys LT substraattiin on riippumaton aallonpituudesta ja riippuu sen sijaan laserin pulssin leveydestä τp ja substraatin diffuusiivisuudesta D, kuten yhtälössä 1 on esitetty.
Klassisessa pulssilaserissa pulssin leveyden lisäys lisää ablaatiokynnystä, joka määritellään vähimmäisenergiaksi, joka tarvitaan materiaalin tilavuuden poistamiseen seuraavan yhtälön mukaisesti:
missä ρ on tiheys ja Hv on höyrystymislämpö (lämpömäärä, joka tarvitaan materiaalin yksikkömassan höyrystämiseen jouleina grammaa kohti). Siten pidemmät pulssit vähentävät ablaatiotehokkuutta. Klassiset pulssilaserit ovat myös riippuvaisia pulssin toistonopeudesta, ja ablaatioteho kasvaa toistonopeuden kasvaessa.
Lasereiden CW- ja pulssitoimintaa on tutkittu 1,07 μm:n kuitulaserilla [Ref 2]. Tässä tutkimuksessa sama jatkuva laser kytkettiin päälle ja pois päältä pitkien pulssien tuottamiseksi. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että CW-tilassa ominaisenergia (määritelty energiana, joka tarvitaan materiaalin yksikkötilavuuden (mm3) poistamiseen jouleina ja kääntäen verrannollinen ablaatiotehokkuuteen) pienenee skannausnopeuden ja lasertehon kasvaessa. Pulssimoodissa ablaatiotehokkuuden havaittiin riippuvan käyttöjaksosta (pulssin leveyden suhde kahden pulssin väliseen aikaväliin). Käyttöjaksoa lisäämällä ablaatiotehokkuus parani. Tämä on toisin kuin klassisissa pulssilasereissa, joissa kiinteällä toistotaajuudella pulssin leveyden (ja siten käyttöjakson) lisääminen vähentää ablaatiotehokkuutta. Kuvassa 3 verrataan 1 kHz:n CW-laserin ja pulssilaserin (eli CW-laser päälle ja pois päältä) ominaisenergiaa tehoon ja pyyhkäisynopeuteen ruostumattomalla terässubstraatilla.
Kuva 3: Vasen käyrä näyttää CW-laserin ominaisenergian lasertehon funktiona, ja oikea käyrä näyttää 1 kHz:n pulssikohtaisen energian vs. laserin käyttöjakso
Pulssilaserin (eli CW-laserin, joka kytkeytyy päälle ja pois) huipputeho on 1800 W ja sen keskiteho on lähes sama kuin CW-laserin, mutta kuten kaaviosta voidaan havaita, ominaisenergia on lähes 2 kertaa pienempi. Pulssitila verrattuna CW-tilaan. CW-tilassa näyttää olevan enemmän häviöitä kuin pulssitilassa, koska sen laserteho on aina huipussaan.
Laserin toimintatapa ei kuitenkaan ole ainoa seikka päätettäessä, käytetäänkö laserpuhdistukseen pulssi- (eli jatkuva-aalto-aaltoista päälle ja pois päältä) vai jatkuvaa aalto-laseria. Skannaustila on myös toinen tärkeä huomioitava seikka. On tärkeää, että lasersäteen ja pinnoitteen välinen vuorovaikutusaika on lyhyt, jotta vaikutus saadaan aikaan
lämpövauriot ovat minimaaliset. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä lyhyitä pulsseja korkealla huippuintensiteetillä tai käyttämällä jatkuvaa laseria ja nopeita skannausnopeuksia.
Ottaen huomioon, että jatkuva laserteho on yleensä tehokkaampi, halvempi ja kestävämpi kuin pulssilaserit, se ei ole huono valinta laserpuhdistukseen. Valitettavasti perinteisesti laserpuhdistukseen käytetyt galvanometriskannerit eivät kestä usean kilowatin lasereita. Tehokkaissa lasereissa käytettävät galvanometriskannerit ovat myös melko raskaita, eivätkä ne voi toimia suurilla skannausnopeuksilla. Siksi on ehdotettu uudenlaista skanneria, nimeltään polygon scanner, jossa on vain yksi liikkuva osa, polygoni [viite 3]. Nämä polygonskannerit pystyvät käsittelemään suurempia lasertehoja, ja niiden on osoitettu olevan kolme kertaa nopeampia kuin galvanometriskannerit. Vaatimattomilla pyörimisnopeuksilla monikulmiokannerit voivat tuottaa pintaskannausnopeuksia yli 50 metriä sekunnissa. Tämä suuri skannausnopeus mahdollistaa sen, että säteen vuorovaikutusaika työpinnan kanssa on lyhyt ja mahdollistaa erittäin suurten lasertehojen käytön. Figuygon skanneri.
Yhteenvetona voidaan todeta, että CW- tai pulssilaserin (eli CW- tai klassisten lyhytpulssilaserien, jotka kytketään päälle ja pois) käyttö laserpuhdistukseen riippuu useista tekijöistä, kuten substraatin tyypistä, pinnoitteen imukyvystä ja laserin hinta. Monikulmion skannerin ja jatkuvan laserin yhdistelmä tuottaa nopeat skannausnopeudet ja on lupaava vaihtoehto harkittavaksi, kun klassisia pulssilasereita ei ole saatavilla
