Laserstrahlreinigung

Die Laserstrahlreinigung ist ein berührungsfreies und bauteilschonendes Verfahren, mit dem, bei entsprechender Prozessregelung, scharf abgegrenzte Bereiche gereinigt und Schichten definierter Dicke abgetragen werden können. Dabei wird nur eine sehr dünne Schicht des Grundwerkstoffes einer Wärmebeeinflussung ausgesetzt. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieses noch jungen Verfahrens werden bislang noch nicht ausgeschöpft. Bisherige Einsatzbeispiele sind das Entlacken und Entschichten metallischer Bauteile, insbesondere in der Flugzeugindustrie, die Entfernung von Foto- oder Lötstopplacken auf Leiterplatten, die Reinigung von Kunstwerken und Gemälden, das Präzisionsentlacken zur selektiven galvanischen Oberflächenbeschichtung sowie das Reinigen von Tiefdruckzylindern. Die erzielte Abtragsgeschwindigkeit kann, je nach Anlage und zu entfernender Schicht, mehr als 10 m²/h betragen.

Bild: JOT 03/2000

Physikalischer Hintergrund

Bei der Laserstrahlreinigung wird ein leistungsstarker, fokussierter Laserstrahl über die zu reinigende Oberfläche geführt. Die Deckschicht nimmt einen großen Teil der Leistung auf. Die Lichtenergie des Laserstrahls wird dabei direkt in thermische Energie umgewandelt und verdampft die Schmutzschicht. Bei der schlagartigen Verdampfung wird eine Plasmaschockwelle erzeugt, durch die auch nicht verdampfbare Partikel entfernt werden. Eine zusätzliche Reinigungswirkung ergibt sich durch die Übertragung von Photonenimpulsen auf die Schmutzpartikel.

Beim Entlacken mit Laserstrahlung absorbiert die oberste Lackschicht die Laserstrahlung und wandelt sie in Wärme um. Dadurch kommt es lokal begrenzt zu einer Aufheizung über die Zersetzungstemperatur des organischen Lackbindemittels. Die Bestandteile des Lackes gehen daraufhin in die Gasphase über, strömen als Rauchpartikel aus der Wechselwirkungszone ab oder werden in Form kleiner Lacksplitter von der Oberfläche abgesprengt. Der Grundwerkstoff wird bei der Laserreinigung nicht angegriffen und aufgrund der sehr schnellen Energieeintragung auch nur einer geringen Wärmebeeinflussung ausgesetzt. Bei exakter Führung der Parameter ist auch eine selektive Entlackung, das heißt, das Entfernen der obersten Lackschicht ohne Beschädigung der darunter liegenden, möglich.

Bild: Entlacken mit gepulsten Laserstrahlen (JOT-Journal für Oberflächentechnik 01/99)

Eine Möglichkeit der Entfernung von nicht verdampf- oder zersetzbaren Partikel stellt die Übertragung von Photonenimpulsen dar. Compton beobachtete 1922, dass Photonen, die sich in einer elektromagnetischen Welle fortbewegen, einen Impuls mit sich führen. Bei der Absorption der Photonen geht der Impuls auf die Schmutzteilchen über und lässt diese von der Oberfläche in die Höhe "springen". Die so abgelösten Partikel können von einem inerten Gasstrom aufgenommen und weggeblasen werden. Die Gasströmung sollte dabei laminar und parallel zur Bauteiloberfläche fließen. Auf diese Weise kann eine Rückverschmutzung der Bauteiloberfläche vermieden werden. Für die Gasströmung werden zumeist Stickstoff, saubere Luft oder Argon eingesetzt. Edelgasmischungen sind teuer, haben jedoch eine hohe Aufnahmefähigkeit für Verschmutzungen.

Zur Laserstrahlreinigung werden unterschiedliche Lasertypen eingesetzt, die nach der Länge der erzeugten Laserpulse unterschieden werden können. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die bislang zur Reinigung eingesetzten Laserarten.

	Dauerstrichlaser	Langpulslaser	Kurzpulslaser	Ultrakurzpulslaser
Pulsdauer t	10 ms < t	500 ns < t < 10 ms	10 ns < t < 500 ns	t < 10 ns
Beispiele	cw-Nd:YAG-Laser cw-CO₂-Laser	np-Nd:YAG-Laser np-CO₂-Laser TE-CO₂-Laser	Kupferdampflaser Nd:YAG-Laser Excimerlaser TEA-CO₂-Laser	Excimerlaser

Haupteinsatzgebiete

Die Laserstrahlreinigung ist ein berührungsfreies und werkstoffschonendes Verfahren, mit dem, bei entsprechender Prozessregelung, scharf abgegrenzte Bereiche gereinigt und Schichten definierter Dicke abgetragen werden können. Dabei wird nur eine sehr dünne Schicht des Grundwerkstoffes einer Wärmebeeinflussung ausgesetzt.

Bild: Querschnitt durch eine lasergereinigte Stromschiene

(Das Schichtsystem wurde bei der Reinigung nicht beschädigt)

"Entlacken mit Laserstrahlung" JOT-Journal für Oberflächentechnik 08/99

Die vielfältige Einsatzmöglichkeiten dieses noch jungen Verfahrens werden bislang noch nicht ausgeschöpft. Bisherige Einsatzbeispiele sind das Entlacken und Entschichten metallischer Bauteile, insbesondere in der Flugzeugindustrie, die Entfernung von Foto- oder Lötstopplacken auf Leiterplatten, die Reinigung von Kunstwerken und Gemälden, das Präzisionsentlacken zur selektiven galvanischen Oberflächenbeschichtung sowie das Reinigen von Tiefdruckzylindern.

Die Laserstrahlreinigung ist für nahezu jegliche Bauteilgröße und -geometrie einsetzbar. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von dem Entlacken kompletter Flugzeuge bis hin zum Entfernen von dünnen Schichten und Partikeln von Wafern und Elektronikkomponenten. Mit geeigneter Optik ist es möglich, Frontseiten, Rückseiten, Ränder von glatten Oberflächen, gewölbten Oberflächen und Oberflächen mit nicht zusammentreffenden Flächen, ebenso wie Röhren oder nur definierte Bereiche zu reinigen.

Steckverbinder entlacken (JOT 08/99)

Freilegen von Kontaktstellen (JOT 07/99)

Versuchsanlage zur Flugzeugentlackung (JOT 01/99)

Von Aluminium, Edelstahl und Chrom über Kunststoff, bis hin zu Zellulose, können mit diesem Verfahren alle gebräuchlichen Werkstoffe gereinigt werden.

Die entfernbaren Verschmutzungen können organisch oder anorganisch sein. Beispiele für entfernbare Verschmutzungen sind: Lackfarbe, öliger Schmutz, Flugrost, kleine Partikel, dünne Filmschichten, Haftmittel, Urethan- und Oxidschichten sowie auch Gold- und Siliziumpartikel.

Umwelt- und Arbeitsschutz

Bei der Laserstrahlreinigung werden Partikel und Schmutzfilme ohne Einsatz von Reinigern oder Strahlmitteln abgetragen. Den zu entsorgenden Abfall stellen somit lediglich die entfernten Verschmutzungen dar. Diese müssen in Form von kleinen Partikeln und Rauchteilchen aus der abgesaugten Luft bzw. dem verwendeten Prozessgas ausgefiltert werden. Für Epoxidschichten und bleibasierte Farbbeschichtungen beträgt der dabei entstehende Müll ca. 25 % der ehemals vorhandenen Beschichtungsmenge. Bei der Laserstrahlreinigung handelt es sich um ein sicheres und, im Vergleich zu konventionellen Verfahren, umweltfreundliches Reinigungsverfahren.

Abfallmenge bei der Laserstrahlreinigung und der herkömmlichen Entschichtung.
"Laser in der Oberflächenbearbeitung" JOT-Journal für Oberflächentechnik 07/99

Anlagen und Kosten

Ein Laserstrahl-Reinigungsgerät besteht aus einer Laserquelle, einem optischen Leiter, um den Strahl auf die Oberfläche zu lenken, einer beweglichen oder festen Bühne, auf der sich das zu reinigende Bauteil befindet, und Gasanschlüssen für die Gaszufuhr und Gasabsaugung. Um den Strahl über die Bauteiloberfläche bewegen zu können, kann entweder das Bauteil mit einer beweglichen Bühne entsprechend verfahren werden, oder das Bauteil steht still und der Laserstrahl wird mit eine Scan-Optik oder einem Roboterarm über die Oberfläche geführt. Der Einsatz einer beweglichen Bühne ist für die meisten Anwendungen wirtschaftlicher.

Mit einer mittelgroßen Anlage können Abtragsleistungen von bis zu 10 m²/h erreicht werden. Die Abtragsleistung ist dabei stark von der Art und Dicke der zu entfernenden Schicht abhängig. Bei dickeren Schichten (dicker als einige wenige Hundertstel Millimeter) sind in der Regel mehrere Überfahrten erforderlich.

Bild: JOT 03/2000

Anlagenbeispiele

Geräte für Werkstätten und Restauratoren
Mobile Geräte für den Außenbereich
Geräte für Automatisierung und Roboterführung

Referenzen

E. Büchter
Lackabtrag mit Festkörperlaser rechnet sich
JOT-Journal für Oberflächentechnik, Nr. 3 (2000), 2000

A. C. Engelsberg
Laser-Assisted Cleaning Proves Promising
The Magazine of Critical Cleaning Technology, Mai 1995, S. 35 - 42; 1995

A. C. Engelsberg
Laser-Assisted Cleaning Leaves the Laboratory
The Magazine of Critical Cleaning Technology, Mai 1998, S. 39 - 48; 1998

D. Fitzpatrick Bethell
Laser Cleaning Beams in on Flat Panel Displays
Internet-Artikel, 2001, www.partscleaningweb.com

J. Jetter
Entlacken mit gepulster Laserstrahlung – Stand der Technik
JOT-Journal für Oberflächentechnik, Nr. 1 (1999), 1999

R. Lotze, J. Birkel, K. Wissenbach
Entlacken mit Laserstrahlung – Neue industrielle Anwendungen
JOT-Journal für Oberflächentechnik, Nr. 8 (1999), 1999

C. Manz, V. Zafiropulos
Laserentlackung – Stand der Entwicklung
JOT-Journal für Oberflächentechnik, Nr. 3 (1997), 1997

R. M. Miller
Transient Beams: Portable Laser Systems for Cleaning and Coatings Removal
The Magazine of Critical Cleaning Technology, Juli 1999, S. 16 - 25; 1999

C. T. Walters, J. L. Dulaney
Lasers Demonstrate Potential, With Focus on Precision Cleaning
The Magazine of Critical Cleaning Technology, Mai 1994, S. 33 - 37; 1994

Online-Magazin "Precision Cleaning Web"
www.precisioncleaningweb.com

US-Amerikanische Wissensbasis "Sage: Solvent Alternatives Guide"
http://sage.rti.org

Name des Autors: team