حظيت تطبيقات التنظيف وإزالة الطلاء بالليزر باهتمام كبير في السنوات الأخيرة، حيث أن طرق إزالة الطلاء التقليدية مثل السفع الرملي وتجريد الطلاء الكيميائي تولد الكثير من التلوث البيئي. لقد حان الوقت للاستفادة من حلول إزالة الطلاء الأخضر. من خلال التحكم بشكل صحيح في المعلمات مثل عرض النبضة وكثافة الطاقة ومعدل التكرار وحجم الشعاع، يمكن استخدام الليزر لأداء عمل عالي الجودة وإزالة الطلاءات [المرجع 1] ويمكن تلخيص مزايا إزالة الطلاء بالليزر على النحو التالي:
● عدد أقل من المواد الاستهلاكية
● تقليل النفايات الثانوية
● لا يوجد أي ضرر ميكانيكي للركيزة بسبب استخدام معلمات الليزر الخاضعة للرقابة
● التصاق أفضل بسبب انخفاض خشونة السطح
● أسرع من الطرق التقليدية
● أكثر كفاءة من الطرق التقليدية
هناك طريقتان لتحقيق التنظيف بالليزر. الأول هو الاستئصال بالليزر، حيث تعمل نبضة عالية الطاقة أو شعاع موجي مستمر ومكثف على توليد بلازما في الطلاء، وموجة الصدمة الناتجة عن البلازما ستفجر الطلاء إلى جزيئات. والثاني هو التحلل الحراري، حيث يمكن لشعاع موجة مستمر منخفض الطاقة أو نبض طويل أن يسخن السطح ويتبخر الطلاء في النهاية.
مهما كانت الآلية، فإن معلمات الليزر غير المنضبطة يمكن أن تلحق الضرر بالركيزة وتسبب مشاكل. يمكن استخدام كل من الليزر المستمر والنبضي للتنظيف بالليزر، ولكن من الضروري فهم التأثيرات المختلفة التي تنتجها هذه الليزر على ركائز مختلفة. يعتمد امتصاص الركيزة لليزر المستمر على الطول الموجي، حيث تؤدي الأطوال الموجية الأقصر عمومًا إلى امتصاص أكبر. من ناحية أخرى، بالنسبة لليزر النبضي الكلاسيكي، يكون عمق الاختراق LT في الركيزة مستقلاً عن الطول الموجي ويعتمد بدلاً من ذلك على عرض النبضة τp لليزر ومعامل الانتشار D للركيزة، كما هو موضح في المعادلة 1.
بالنسبة لليزر النبضي الكلاسيكي، تؤدي الزيادة في عرض النبضة إلى زيادة عتبة الاجتثاث، والتي يتم تعريفها على أنها الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لإزالة وحدة حجم المادة وفقًا للمعادلة التالية:
حيث ρ هي الكثافة وHv هي حرارة التبخر (كمية الحرارة اللازمة لتبخير وحدة كتلة المادة بالجول لكل جرام). وبالتالي، فإن النبضات الأطول تقلل من كفاءة الاجتثاث. ويعتمد الليزر النبضي الكلاسيكي أيضًا على معدل تكرار النبضة، حيث تزداد كفاءة الاجتثاث مع زيادة معدل التكرار.
تم إجراء دراسة لفحص أوضاع التشغيل CW والنبض لليزر باستخدام ليزر ألياف 1.07 ميكرومتر [المرجع 2]. في هذه الدراسة، تم تشغيل وإيقاف نفس ليزر CW لإنتاج نبضات طويلة العرض. وجدت هذه الدراسة أنه في وضع CW، تتناقص الطاقة المحددة (التي تُعرف بأنها الطاقة المطلوبة لإزالة وحدة حجم المادة (مم 3) بالجول وتتناسب عكسيًا مع كفاءة الاجتثاث) مع زيادة سرعة المسح وقوة الليزر. بالنسبة للوضع النبضي، وجد أن كفاءة الاجتثاث تعتمد على دورة العمل (نسبة عرض النبضة إلى الفاصل الزمني بين نبضتين). مع زيادة دورة العمل، زادت كفاءة الاجتثاث. وهذا على النقيض من الليزر النبضي الكلاسيكي، حيث تؤدي زيادة عرض النبضة (وبالتالي دورة العمل)، بمعدل تكرار ثابت، إلى تقليل كفاءة الاجتثاث. يقارن الشكل 3 الطاقة المحددة مقابل الطاقة وسرعة المسح الضوئي لليزر CW بقدرة 1 كيلو هرتز والليزر النبضي (أي تشغيل وإيقاف ليزر CW) على ركيزة من الفولاذ المقاوم للصدأ.
يتمتع الليزر النبضي (أي ليزر CW يتم تشغيله وإيقاف تشغيله) بقدرة قصوى تبلغ 1800 واط ومتوسط طاقة تقريبًا نفس طاقة ليزر CW، ولكن كما يمكن ملاحظته من الشكل، فإن الطاقة المحددة أقل مرتين تقريبًا . الوضع النبضي مقابل وضع CW. يبدو أن وضع CW لديه خسائر أكثر من الوضع النبضي لأن طاقة الليزر تكون دائمًا في أعلى قيمة.
ومع ذلك، فإن الوضع الذي يتم فيه تشغيل الليزر ليس هو الاعتبار الوحيد في تحديد ما إذا كان سيتم استخدام موجة ليزر نابضة (أي تشغيل وإيقاف موجة مستمرة) أو ليزر موجة مستمرة للتنظيف بالليزر. يعد نمط المسح أحد الاعتبارات المهمة الأخرى. من المهم أن يكون وقت التفاعل بين شعاع الليزر والطلاء قصيرًا بحيث يكون تأثير الضرر الحراري في حده الأدنى. يمكن تحقيق ذلك باستخدام نبضات قصيرة ذات كثافة ذروة عالية أو باستخدام ليزر مستمر وسرعات مسح سريعة.
وبالنظر إلى أن طاقة الليزر المستمرة بشكل عام أقوى وأرخص وأكثر قوة من الليزر النبضي، فهي ليست خيارًا سيئًا للتنظيف بالليزر. لسوء الحظ، لا تستطيع الماسحات الضوئية الجلفانومترية المستخدمة تقليديًا للتنظيف بالليزر التعامل مع أجهزة الليزر متعددة الكيلووات. الماسحات الضوئية الجلفانومترية المستخدمة في أجهزة الليزر عالية الطاقة ثقيلة جدًا أيضًا ولا يمكن تشغيلها بسرعات مسح عالية. لذلك، تم اقتراح نوع جديد من الماسحات الضوئية يسمى الماسح الضوئي المضلع الذي يحتوي على جزء متحرك واحد فقط، وهو المضلع [المرجع 3]. هذه الماسحات الضوئية المضلعة قادرة على التعامل مع قوى الليزر الأعلى وقد ثبت أنها أسرع بثلاث مرات من الماسحات الضوئية الجلفانومترية. باستخدام سرعات دوران متواضعة، يمكن للماسحات الضوئية للمضلعات إنتاج سرعات مسح سطحي تزيد عن 50 مترًا في الثانية. تسمح سرعة المسح العالية هذه بأوقات تفاعل قصيرة للشعاع مع سطح العمل وتسمح باستخدام قوى ليزر عالية جدًا. ويبين الشكل 4 تصميم الماسح الضوئي المضلع.
باختصار، يعتمد اختيار استخدام الليزر المستمر أو الليزر النبضي (أي الليزر المستمر أو الليزر الكلاسيكي قصير النبض الذي يتم تشغيله وإيقاف تشغيله) للتنظيف بالليزر على عدة عوامل، مثل نوع الركيزة، وامتصاصية الطلاء، وتكلفة الليزر. يمكن للجمع بين الماسح الضوئي المضلع والليزر المستمر أن ينتج سرعات مسح سريعة وهو خيار واعد يمكن أخذه في الاعتبار عند عدم توفر الليزر النبضي الكلاسيكي.
