Laserové technologie čištění způsobily revoluci v různých průmyslových odvětvích, protože nabízejí přesnou, účinnou a ekologickou metodu čištění povrchů. Dvěma významnými pokroky v této oblasti jsou pulzní nanosekundové vláknové laserové čisticí systémy a systémy s kvazikontinuálními vlnami (QCW). Oba systémy využívají laserovou technologii pro účely čištění, ale výrazně se liší v principech fungování, aplikacích, výhodách a nevýhodách. Cílem tohoto článku je objasnit tyto rozdíly a poskytnout náhled na jejich možné využití v různých průmyslových odvětvích.
Laserové čisticí systémy s nanosekundovými pulzy
Pulzní nanosekundové vláknové laserové čisticí systémy pracují na principu vysílání laserových pulzů s vysokým špičkovým výkonem a krátkou dobou trvání (od nanosekund až po stovky nanosekund). Tyto pulzy způsobují okamžitý lokalizovaný ohřev velmi tenké povrchové vrstvy, který vede k odpařování nebo ablaci nečistot bez poškození podkladového materiálu. Díky krátkosti pulzů se energie laseru spotřebovává primárně na odpaření a mikroexploze či plasma. Tyto jevy vedou k menšímu zahřátí čištěných dílů ve srovnání s delšími pulzy nebo působením kontinuálního laseru. Charakter interakce laseru s povrchem také usnadňuje nastavit zařízení tak aby laser nepoškozoval podkladový povrch.
Generování impulzů:
Je více technik pro generaci nanosekundových pulzů o vysoké energii. V našich čisticích laserech využíváme dnes nejpokročilejší systém MOPA (Master Oscillator Power Amplifier), tj. systém kdy nízkovýkonná laserová dioda vyšle laserový pulz o požadované délce a časovém průběhu do soustavy výkonných optických laserových zesilovačů, které jej zesílí na požadovanou úroveň.
Tepelné účinky:
Vysoký špičkový výkon pulzních laserů vede k rychlému lokalizovanému ohřevu, který způsobí odpaření nebo ablaci materiálu dříve, než dojde k významnému odvodu tepla do hloubky podkladového materiálu. Výsledkem je minimální tepelné poškození substrátu a přesné, kontrolovatelné odstranění materiálu.
Interakce s materiálem:
U nanosekundových laserů je primárním mechanismem odstranění nečistot proces známý jako laser-induced breakdown (LIB), kde intenzivní laserový pulz vytváří plazmu a malou explozi, která odstraňuje nečistoty, což umožňuje laseru rozkládat a odstraňovat i průhledné materiály, aniž by se významně ohřívaly v celém objemu. Díky tomu jsou pulzní lasery vhodné pro přesné čištění a mikroobrábění. Změnou délky pulzu lze určit hloubku či agresivitu čištění (čím kratší pulz, tím méně agresivnější, povrchovější interakce).
Aplikace:
Odstraňování rzi a oxidů: Ideální pro odstraňování rzi, oxidů a dalších nečistot z kovových povrchů.
Odstraňování povlaků: Účinné při odstraňování barev, laků a jiných nátěrů z různých podkladů.
Odmašťování: Díky krátkým pulzům a specifické vlnové délce záření spolehlivě odstraní velmi tenké i silné vrstvy olejů a mastnosty bez poškození či prohřátí čištěných dílů.
Přesné čištění: Vhodné pro jemné čisticí úkoly, kde je přesnost nejdůležitější, například v leteckém a elektronickém průmyslu.
Restaurování: Používá se při konzervaci historických artefaktů a uměleckých děl.
Výhody:
Neinvazivnost: v případě vhodného nastavení nedochází k poškození nebo modifikaci povrchu čištěných dílů (není-li to žádoucí).
Přesnost: Vysoká úroveň kontroly nad parametry laseru umožňuje selektivní odstranění nečistot bez poškození podkladu.
Bezkontaktní proces: Eliminuje potřebu použití chemikálií nebo abrazivních materiálů, čímž se snižuje riziko poškození povrchu.
Minimální zbytky: Zanechává minimální nebo žádné zbytky, což vede k čistšímu povrchu.
Výhody pro životní prostředí: Ekologicky šetrný proces bez vzniku nebezpečného odpadu.
Kvazikontinuální (QCW) čisticí laserové systémy
QCW lasery pracují v režimu, který leží mezi kontinuálními (CW) a pulzními lasery. Ve srovnání s tradičními pulzními nanosekundovými lasery dodávají laserovou energii v delších dávkách (mikrosekundy až milisekundy). Tyto záblesky vytvářejí kvazikontinuální výstup, kdy laser pracuje v režimu CW po krátkou dobu, poté se vypne a cyklus se opakuje. V důsledku dlouhých pulzů se charakterem působení blíží více CW laserům než nanosekundovým laserům.
Modulací našeho nového QCW laseru je možné vytvářet různě dlouhé pulzy v rozsahu 10 us až 10 ms podle nastavení režimu.
Delší doba trvání pulzu v režimu QCW vede k hlubšímu pronikání tepla do materiálu, tedy k prohloubení tepelně ovlivněné zóny ve srovnání s nanosekundovými lasery. Čištěný díl se tak celý více zahřeje než v případě nanosekundových laserů. QCW lasery proto nejsou vhodné pro velmi choulostivé aplikace (restaurování, odmašťování, čištění forem, …). Zato jsou výhodné pro čištění silnějších vrstev barvy, hrubé hloubkové koroze nebo pro zdrsnění kovových povrchů.
QCW lasery interagují s materiály podobně jako CW lasery, ale s vyšší intenzitou díky koncentrace energie do dlouhých pulzů. Mohou vyvolávat tepelné efekty, jako je tavení, tepelná roztažnost a napětí, které jsou užitečné v aplikacích, jako je svařování, řezání a modifikace povrchu. Interakce je obecně výrazně agresivnější, a to jak vůči kontaminantu, tak vůči substrátu. Narozdíl od nanosekundových laserů z materiálu srší jiskry, pokud je zařízení nastaveno na nejvyšší agresivitu.
Aplikace:
Čištění pro náročné použití: Vhodné pro rozsáhlejší úkony čištění, kdy je třeba ošetřit větší plochu. – NEEE, QCW je naopak velmi pomalé a tím pádem bys větší plochu čistil rok. Jde o speciální maloplošné aplikace.
Příprava a zdrsnění povrchu: Používá se k přípravě povrchů (čištění a zdrsnění) před svařováním nebo lakováním.
Přetavení kovového povrchu: V případě oceli je možné přetavit tenkou povrchovou vrstvu.
Odstranění hloubkové koroze: Díky hloubkovému pronikání energie je možné odstranit i hloubkovou korozi.
Čištění kamene či betonu: Účinné pro odstranění barev a usazenin z pórovitých tepelně odolných materiálů, zejména formou odemletí tenké povrchové vrstvy substrátu spolu s nečistotou.
Výhody:
Přenosnost: Jako u ostatních čisticích laserů lze upravovat povrch velmi lokálně s přesnými konturami.
Cenově výhodné: Obecně nižší provozní náklady ve srovnání s tradičními metodami čištění.
Všestrannost: Vhodnost pro širokou škálu materiálů a povrchů.
Nevýhody:
Hloubkové působení: V porovnání s pulzními nanosekundovými lasery není možné odstranit velmi tenké vrstvy z choulostivých materiálů bez jejich poškození.
Zahřívání materiálu: Charakter interakce vede k objemovému prohřátí substrátu, což představuje riziko tepelného poškození citlivých materiálů.
Omezený špičkový výkon: Systémy QCW nedosahují takových špičkových výkonů jako pulzní nanosekundové systémy, což ovlivňuje jejich účinnost v některých aplikacích.
Shrnutí technologických rozdílů
Doba trvání pulzu a špičkový výkon:
Nanosekundové lasery: Krátké trvání pulzů s velmi vysokým špičkovým výkonem.
QCW lasery: Dlouhé trvání pulzů (milisekundy) se středním špičkovým výkonem.
Tepelný management:
Nanosekundové lasery: Minimalizují tepelné poškození díky bleskové přeměně energie v plasma či exploze a tedy minimálnímu odvodu tepla do substrátu.
QCW lasery: Větší zahřívání a širší tepelně ovlivněné zóny v důsledku pomalejšího uvolňování energie.
Aplikace:
Nanosekundové lasery: Přesné čištění, mikroobrábění, zpracování jemných materiálů a aplikace vyžadující minimální poškození podkladu.
QCW lasery: Náročné agresivní čištění, svařování, modifikace povrchů a aplikace využívající širší tepelné účinky.
Závěr
Jak pulzní nanosekundové laserové čisticí systémy, tak QCW laserové čisticí systémy nabízejí jedinečné výhody a vyhovují různým průmyslovým potřebám. Nanosekundové vláknové lasery vynikají přesností a minimálním poškozením substrátu, takže jsou ideální pro jemné a vysoce přesné aplikace. Naproti tomu vláknové systémy QCW poskytují vysokou agresivitu a energii pro odstranění odolných materiálů nebo silnějších vrstev, zdrsnění nebo přetavení povrchu kovů. Pochopení specifických požadavků aplikace je klíčové pro výběr vhodné technologie laserového čištění, která zajistí optimální výkon a nákladovou efektivitu. S technologickým pokrokem se budou tyto laserové systémy dále vyvíjet a nabízet ještě větší možnosti a efektivitu v průmyslových čisticích procesech.
