Kako funkcioniše laserska ablacija pri čišćenju metala?

Presudno je međudejstvo materijala, strukture slojeva, laserskog izvora, energije impulsa, fokusa, brzine obrade i željenog stanja površine. Tek kada se ovi činioci međusobno usklade, nastaje stabilan i ekonomski isplativ proces.

Zbog toga se ovaj članak ne bavi uopšteno mogućnostima primene ove tehnologije, već ciljano činiocima koji utiču na skidanje materijala sa metalnih površina.

Šta odlučuje o tome da li će sloj biti skinut?

Pri obradi lasersko zračenje pogađa postojeći površinski sloj i podlogu ispod njega. Sloj i podloga mogu se znatno razlikovati po apsorpciji, provođenju toplote, refleksiji i termičkom ponašanju.

Fizička osnova objašnjena je u rečniku Beamlux pod pojmom laserska ablacija. Za praktičnu primenu je pre svega presudno da li do sloja koji treba ukloniti stiže dovoljno energije da bi nastalo kontrolisano skidanje materijala. Pri tome zajedno deluje više veličina:

• Snaga lasera, energija impulsa i trajanje impulsa
• Frekvencija i prečnik snopa
• Položaj fokusa i širina skeniranja
• Brzina kretanja i broj prelaza
• optička svojstva premaza
• termička svojstva osnovnog materijala

Fraunhoferov institut za lasersku tehniku ILT izričito opisuje postupke zasnovane na laseru za čišćenje, uklanjanje premaza i pripremu površina. Pri tome se mogu koristiti kako pulsni tako i kontinuirani izvori snopa.

Za korisnike iz toga sledi važan zaključak: univerzalan skup parametara za svaku metalnu površinu ne postoji. Tanka površinska rđa na čeličnom limu tehnički je drugačiji zadatak od višeslojnog nanosa laka na mašinskom delu ili tankog oksidnog sloja na nerđajućem čeliku.

Osnovni materijal i pokrivni sloj posmatrati odvojeno

Kod nove primene treba posmatrati najmanje dva nivoa: osnovni materijal i sloj koji treba ukloniti. Kao osnovni materijal u obzir dolaze na primer čelik, nerđajući čelik, aluminijum ili bakar. Iznad njega se mogu nalaziti rđa, lak, kovarina, oksidi, ostaci iz proizvodnje ili drugi slojevi.

Za proces nije važno samo šta treba ukloniti. Jednako je važno kako površina treba da izgleda posle obrade i kako će se dalje obrađivati. Masivan čelični nosač, koji se zatim iznova premazuje, postavlja drugačije zahteve nego vidljiva površina od nerđajućeg čelika. I površina za zavarivanje može zahtevati drugačije ciljno stanje nego površina za lepljenje.

Pitanje da li laser može da obrađuje određeni metal zato je preusko postavljeno. Tehnički je korisnije: koji sloj treba ukloniti sa kog osnovnog materijala i koje je stanje površine posle toga potrebno? Tek sa ovim podacima proces se može smisleno proceniti.

Gustina energije i prag ablacije

Dve važne veličine su gustina energije i prag ablacije. Sam podatak o snazi lasera još ne opisuje koliko koncentrisano energija zaista stiže na površinu.

Ako se energija koncentriše na malu površinu, menja se lokalno opterećenje. Ako se snop pomera brže, skraćuje se vreme međudejstva na pojedinačnom mestu. Kod više prelaza, nasuprot tome, raste ukupan unos energije. Zbog toga dva rukovaoca sa istom mašinom mogu postići različite rezultate ako rade sa drugačijim rastojanjima, brzinama ili širinama skeniranja.

Zato se u stabilnom industrijskom procesu ne utvrđuje samo broj vati. Definiše se više parametara i oni se međusobno usklađuju. Kod delova koji se ponavljaju to je posebno važno: kada je pogodan procesni prozor jednom utvrđen, parametri se mogu dokumentovati i ponovo koristiti. Time od ručne obrade nastaje ponovljiv proces.

Zašto pulsni laseri rade drugačije od CW sistema

Pri izboru sistema najpre se često porede vrednosti snage. Sistem od 2.000 vati na tehničkom listu neizbežno deluje snažnije od uređaja sa 200 ili 300 vati. Takvo posmatranje je ipak nepotpuno kada se međusobno porede različite vrste lasera.

Pulsni laser prenosi energiju u kratkim impulsima. Unutar tih impulsa mogu nastati visoke vršne snage. CW laser nasuprot tome radi sa kontinuiranom predajom snage. Time se razlikuju i međudejstva sa površinom.

Pulsni sistemi su često zanimljivi kada je potrebno kontrolisano i precizno skidanje materijala. CW sistemi dolaze do izražaja kada treba obraditi robusne i veće površine. Fraunhofer IWS takođe pokazuje da se i pulsni sistemi i snažni laseri sa kontinuiranim radom mogu koristiti za pripremu površina.

Klase snage zato ne treba shvatati kao jednostavan redosled. Pravo pitanje glasi: koja tehnologija na konkretnom delu daje traženi rezultat u potrebnom procesnom vremenu? Ovo poređenje detaljnije obrađuje članak o unosu energije kod obe izvedbe.

Energija impulsa, frekvencija i brzina obrade

Naročito kod pulsnih sistema broj vati sam po sebi nije dovoljan. Pored prosečne snage, središnju ulogu imaju energija impulsa, trajanje impulsa i frekvencija. Energija impulsa označava energiju pojedinačnog impulsa. Frekvencija pokazuje koliko se impulsa stvara u toku jedne sekunde.

Istovremeno se snop kreće preko površine. To kretanje stvara preklapanje pojedinačnih tačaka obrade. Ako se radi sporo, pojedina mesta mogu češće biti izložena energiji. Pri većoj brzini kretanja opada vreme dejstva po jedinici površine. Zbog toga različite kombinacije mogu dovesti do veoma različitih rezultata.

Tanak površinski film moguće je obraditi jednim brzim prelazom. Deblji premaz može zahtevati više prolaza. Kod industrijskih primena zato uvek treba odmeriti odnos između kvaliteta i vremena ciklusa. Tehnički odličan rezultat nije dovoljan za serijsku proizvodnju ako se potrebno taktno vreme znatno prekorači.

Položaj fokusa i širina skeniranja

Položaj fokusa utiče na to kako se energija snopa raspoređuje po površini radnog komada. Već i promena radnog rastojanja zato može uticati na rezultat.

Tome se dodaje širina skeniranja. Široko skeniranje po jednom pokretu pokriva veću površinu. Istovremeno se, međutim, menja raspodela energije. Zato „šire“ nije automatski i „brže“: velika širina skeniranja sa premalom delotvornom gustinom energije može dovesti do toga da premaz ne bude potpuno uklonjen. Premala širina skeniranja, nasuprot tome, može nepotrebno oduzeti mnogo vremena.

Za visok učinak po površini moraju da se usklade širina skeniranja, snaga, rastojanje i brzina kretanja. Upravo kod ručno vođenih sistema dodatnu ulogu igra ravnomerno kretanje rukovaoca. Kod automatizovanih procesa takvi tokovi kretanja mogu veoma precizno da se reprodukuju.

Rđa, lak i oksidi zahtevaju različite procese

Pojam nečistoća tehnički obuhvata veoma različite materijale.

Slojevi korozije

Rđa se može javiti kao lagana površinska rđa ili kao izražen sloj korozije. Kod duboke korozije mora da se uzme u obzir da laser može da ukloni postojeće produkte korozije, ali ne obnavlja već izgubljeni osnovni materijal. Za opšti slučaj primene postoji zasebna stranica Obrada rđe laserom na različitim metalnim površinama. Ovaj članak razmatra isključivo tehničke uticajne veličine.

Slojevi laka

Industrijski sloj laka može da se sastoji od osnovnog premaza, međuslojeva i završnog laka. Pojedinačni slojevi mogu različito da reaguju na unetu energiju. Proces se zato može promeniti pri prelasku sa jednog sloja laka na sledeći.

Oksidni slojevi

Oksidi mogu biti izuzetno tanki ili se javiti kao jasno izražena kovarina. U ovu oblast spadaju i boje pobojenja nakon procesa zavarivanja. Tanak oksidni sloj ne zahteva obavezno iste parametre kao masivna kovarina na toplovaljanom delu.

Čelik, nerđajući čelik i aluminijum

Čelik

Čelik spada u često obrađivane materijale. Pored postojeće rđe ili premaza važno je i šta sledi nakon obrade. Da li se deo premazuje, zavaruje, lepi ili se samo čisti? Taj naredni postupak definiše željeno stanje površine.

Nerđajući čelik

Kod nerđajućeg čelika u prvom planu mogu biti oksidi, promene boje i industrijski ostaci. Upravo kod vidljivih površina ne treba proveriti samo da li se sloj uklanja, već i kako se menjaju struktura i izgled.

Aluminijum

Aluminijum ima drugačija svojstva refleksije i toplotne provodljivosti nego čelik. Parametri zato ne bi trebalo da se neprovereno prenose sa čeličnog dela na aluminijum. Pored toga, različite legure aluminijuma se međusobno razlikuju. Kod delova visoke vrednosti proba na originalnom materijalu je zato posebno korisna.

Zašto je test materijala presudan za proces

Teorijski tehnički podaci daju prvu orijentaciju. Za stvarnu odluku o investiciji ili o procesu proba obrade je često znatno informativnija. Test materijala pokazuje na primer:

• da li se željeni sloj u potpunosti uklanja
• kako površina zatim izgleda
• koliko je prelaza potrebno
• koja se brzina može postići
• da li je pulsni ili CW sistem pogodniji
• koja klasa snage deluje smisleno

Za preduzeća je posebno važno stvarno vreme procesa. Mašina tehnički može da postigne veoma dobar rezultat, a da ipak bude prespora za sopstveni obim proizvodnje. Obrnuto, za male komponente visoke vrednosti niža klasa snage može biti ekonomski potpuno dovoljna. Beamlux nudi testove materijala i demonstracije uživo za konkretne primene.

Kada veća snaga zaista ima smisla

Veća snaga može doneti prednost pre svega onda kada u kratkom vremenu treba obraditi veće površine ili veće količine sloja koji se uklanja. To važi na primer za robusne metalne delove u održavanju.

Najveća snaga je, međutim, prednost samo onda ako se željeno stanje površine i dalje pouzdano postiže. Za poređenje zato treba uzeti u obzir najmanje tri činioca: Da li se postiže definisano ciljno stanje? Da li je obrada dovoljno brza? Može li se rezultat proizvesti ponovljivo? Tek kada su ispunjene sve tri tačke, klasa snage može smisleno da se oceni.

Pregled sistema Beamlux za profesionalne primene prikazuje dostupne izvedbe i opsege snage.

Automatizacija i ponovljivi procesi

Postupci obrade površine zasnovani na laseru načelno su dobro pogodni za automatizovane tokove. Skeneri, roboti ili osni sistemi mogu ponovljivo da prate zadate putanje obrade. To je zanimljivo na primer za:

• površine za zavarivanje i površine za lepljenje
• kontaktne zone
• lokalne zone premaza
• geometrije alata koje se ponavljaju

Fraunhofer ILT izričito navodi integraciju odgovarajućih procesa čišćenja i uklanjanja premaza u industrijske proizvodne tokove kao oblast primene. Fraunhofer IWS takođe opisuje pripreme površine koje se mogu automatizovati i sisteme zasnovane na skeneru. Kada je utvrđen stabilan procesni prozor, kretanje, brzina i parametri lasera mogu da se dokumentuju. Time raste ponovljivost. Dodatna polja primene sažeta su na stranici Oblasti primene za delove i površine.

Zaštita na radu i odsisavanje deo su procesa

Tehnička optimizacija procesa ne sme da se posmatra odvojeno od zaštite na radu. Ručno vođeni sistemi velike snage mogu biti laseri klase 4. Praktični vodič DGUV-a FBHM-139 „Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung“, izdanje 06/2024, izričito obrađuje ručno vođene laserske uređaje klase 4.

Pored laserskog zračenja pritom se uzimaju u obzir i opasne materije koje nastaju i zahvatanje procesnih emisija. Odgovarajuće procesno odsisavanje zato je deo profesionalnog koncepta radnog mesta. Dodatne tačke mogu biti:

• procena rizika i kontrola pristupa
• zaklanjanje laserskog područja
• obuka zaposlenih i odgovarajuća zaštita očiju
• uzimanje refleksija u obzir
• opasnost od požara i procena uklonjenih materija

Za procenu opasnosti i zaštitnih mera relevantna su pored toga i tehnička pravila TROS Laserstrahlung. BAuA objavljuje odgovarajuće delove u izdanju iz jula 2018. Upravo kod promenljivih mesta primene mora dodatno da se proceni i konkretno okruženje. Najvažnije tačke sažima stranica Bezbednosne napomene o klasi lasera 4.

Zaključak: procesni prozor je važniji od broja vati

Kako funkcioniše laserska ablacija pri čišćenju metala? Kratak odgovor glasi: kroz kontrolisano međudejstvo laserske energije, sloja, osnovnog materijala i kretanja. Za industrijsku praksu presudno je da se iz toga razvije ponovljiv proces.

O rezultatu ne odlučuje pojedinačni pokazatelj. Materijal, premaz, tip lasera, parametri pulsa, gustina energije, položaj fokusa, širina skeniranja i brzina deluju zajedno. Zato dva tehnički veoma različita sistema mogu oba biti ispravna — za različite zadatke. Pulsni sistem može biti smislen za precizne obrade. CW sistem velike snage može doneti prednosti kod robusnih većih površina.

Ko želi da ovlada procesom, mora da zna šta upravlja skidanjem materijala. Smislen postupak glasi: odrediti osnovni materijal, analizirati sloj koji treba ukloniti, utvrditi željeno stanje površine, definisati potreban učinak po površini, uporediti pogodne tipove lasera, testirati na originalnom materijalu, zajedno oceniti kvalitet i vreme procesa — i tek zatim izabrati odgovarajuću klasu snage. Tako od specifikacije uređaja nastaje pouzdan B2B proces.

Izvori

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — „Reinigen“: informacije o laserskom čišćenju, uklanjanju premaza i pripremi površine.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — informacije o pripremi površine, tehnici spajanja i laserskim procesima zasnovanim na skeneru.
• DGUV — FBHM-139 „Radovi mlaznim čišćenjem – čišćenje i uklanjanje premaza laserskim zračenjem“, izdanje 06/2024.
• BAuA — TROS Laserstrahlung, izdanje iz jula 2018.

Povezani sadržaji