Wizyta na Zamku Królewskim na Wawelu

W dniu 24.06.2021 mieliśmy przyjemność gościć na Zamku Królewskim na Wawelu, wizytę rozpoczęliśmy od krótkiej prelekcji, podczas której wyjaśniono podstawowe zasady działania lasera czyszczącego, oraz możliwości jego stosowania. W prelekcji uczestniczyło około dwudziestu osób. Po zakończeniu omawiania aspektów teoretycznych przeszliśmy do części praktycznej, podczas której z zachowaniem szególknej ostrożności przeprowadzane były próby czyszczenia zabytków.

Zdjęcie wykonane podczas prelekcji.

Podczas czyszczenia zabytków musieliśmy zachować szczególną ostrożność, dlatego też zdecydowaliśmy się na rozpoczęcie prac na bardzo niskich mocach urządzenia, oraz wysokich częstotliwościach. To pozwoliło nam ocenić jak sparametryzować urządzenie w konkretnych przypadkach. A tych było bardzo dużo, od czyszczenia złoceń na drewnie, przez czyszczenie zabytkowych rejestracji samochodowych, drobnych detali z różnych stopów miedzi, po czyszczenie różnego rodzaju kamieni.

Zdjęcie wykonane podczas prezentacji praktycznego czyszczenia laserowego
Czyszczenie pozłacanego elementu drewnianego
Usuwanie farby z drewnianego elementu
Oczyszczanie zabytkowego zdobienia na kaflu

Czyszczenie wszystkich próbek przeszło znakomicie. Jednak odmówiliśmy użycia lasera na zabytkowym obrazie, ponieważ ze względu na jego bardzo ciemny kolor obawialiśmy się że mógłby ulec uszkodzeniu. Wstępne czyszczenie na innym, kremowym obrazie wyszło bardzo dobrze.

 Niezmiernie cieszymy się, że mogliśmy zaprezentować działanie naszego lasera w tak pięknym miejscu jak Wawel. Mamy też pewność, że laser czyszczący firmy ECL doskonale poradzi sobie z wyzwaniami z którymi mierzą się konserwatorzy zabytków z Zamku Królewskiego na Wawelu.

Już niedługo udostępnimy nagrania z poszczególnych czyszczeń wykonanych w dzisiejszym dniu.

Do zobaczenia!

Porównanie laserów czyszczących ze źródłami o pracy ciągłej i impulsowej

W dzisiejszym artykule przyjrzymy się relatywnej nowości na rynku czyszczenia laserowego, czyli laserom czyszczącym ze źródłami pracy ciągłej. Na wstępie wyjaśnimy sobie główne różnice technologiczne występujące pomiędzy źródłami pracy ciągłej a źródłami impulsowymi.

Źródło impulsowe – jest to źródło promieniowania laserowego, które emitowane jest w postaci pojedynczych impulsów. Impulsy te, to pojedyncze błyśnięcia światła, podobnie jak w lampie stroboskopowej, jednak emitowane są z o wiele wyższymi częstotliwościami. Kontrola nad częstotliwością padania impulsów, oraz nad czasem ich trwania(w zależności od skomplikowania źródła czas może być regulowany, lub nie), oraz fakt, że rozkład energii w wiązce jest równomierny(Tzw. Top-hat), pozwala na efektywne i precyzyjne prowadzenie procesu czyszczenia. Niestety skomplikowanie układów optoelektrycznych stosowanych w celu uzyskania takiego stopnia kontroli przekłada się bezpośrednio na wysoką cenę, oraz relatywnie niskie moce tych źródeł.

Źródło pracy ciągłej – jest to źródło promieniowania laserowego, które emitowane jest w reżimie pracy ciągłej. Oznacza to, że promieniowanie emitowane jest cały czas, ze stałym natężeniem. Najczęstszym rozkładem gęstości mocy w przekroju wiązki jest rozkład Gaussowski. Czyli w plamce, którą świecimy na powierzchnię materiału, największe natężenie energii znajduje się najbliżej środka plamki. W tych źródłach jedyny stopień kontroli sterowniczej mamy nad mocą emitowanej wiązki. Jednak mały stopień skomplikowania układów optoelektrycznych pozwala na olbrzymie zredukowanie kosztów produkcji.

Wykresy przedstawiające Rozkłady gęstości mocy w wiązkach, po lewej rozkład Gaussa, po prawej Top-hat.

Wiemy już jakie są podstawowe różnice pomiędzy źródłem pracy ciągłej, a źródłem impulsowym. Idealnym do zastosowania w procesie czyszczenia wydaje się, mimo swojej ceny, źródło pracy impulsowej. Jednak czy na pewno? To wszystko zależy od tego co chcemy robić. Lasery czyszczące pracy ciągłej są szybsze i tańsze, jednak przekłada się to na bardzo słabą jakość obróbki. Lasery pracy ciągłej będą przetapiać/przepalać czyszczoną powierzchnię, ze względu na o wiele większą ilość energii wypromieniowywanej na powierzchnię materiału.  Różnice w jakości obróbki widać na poniższym porównaniu.

Efekty usuwania farby z powierzchni stopu aluminium

Podczas przeprowadzonej próby usuwano farbę z próbek wykonanych ze stopu aluminium. Zdjęcie 1 przedstawia efekt czyszczenia laserem impulsowym, a zdjęcie 2 pokazuje jak wygląda powierzchnia po wyczyszczeniu laserem ze źródłem pracy ciągłej. Po wyczyszczeniu laserem impulsowym można zaobserwować znikome ilości mikrouszkodzeń, oraz brak linii po przejściu wiązki laserowej. Natomiast na próbce wyczyszczonej laserem ze źródłem pracy ciągłej widać, że farba została usunięta, lecz powierzchnia uległa mocnemu przetopieniu. Widać również ślady w miejscach w których przechodziła wiązka laserowa.

Efekty usuwania farby z powierzchni stali węglowej

Podczas kolejnej próby usuwano farbę z powierzchni stali węglowej. Zdjęcie 3 pokazuje powierzchnię po oczyszczeniu laserem ze źródłem impulsowym, a zdjęcie 4 przedstawia powierzchnię po oczyszczeniu laserem o pracy ciągłej. Jak widać na zdjęciach próbek, ma miejsce sytuacja analogiczna do poprzedniego badania, próbka oczyszczona laserem impulsowym nosi znamiona mikro-przetopień, które wręcz pomagają wygładzić naturalnie chropowatą stal. Nie widać też śladów po przejściu wiązki laserowej. W drugim przypadku, po obróbce przeprowadzonej laserem ze źródłem pracy ciągłej widać drastyczną zmianę struktury powierzchni. W obu przypadkach jednak farba została usunięta z powierzchni materiału.

Ponadto można zauważyć, jak różnie zachowują się materiały podczas prowadzenia procesu czyszczenia laserowego. Szczególnie jest to widoczne na przykładzie pracy lasera ze źródłem ciągłym. Aluminium, pomimo tego, że powierzchniowo uległo przetopieniu, zachowało jednak powtarzalną strukturę powierzchni. Co innego wydarzyło się na powierzchni stali, tutaj możemy zauważyć, że powierzchnia stała się bardzo nieregularna, z bardzo dużą chropowatością. Wynika to z tego, że materiały te mają różny współczynnik absorpcji dla długości fali światła 1064nm.

Wykres absorpcyjności wybranych materiałów dla poszczególnych długości fal światła.

Jak widać na powyższym wykresie stal oraz aluminium mają różny współczynnik absorpcji dla długości fali światła 1064nm. Oznacza to, że aluminium z niższym współczynnikiem absorpcyjności nie będzie pochłaniać tyle energii co stal, której współczynnik absorpcyjności jest o wiele wyższy. Do tego dochodzą jeszcze takie właściwości materiałów jak współczynnik przewodności cieplnej, czy chociażby tempera topnienia danego stopu.

                Podsumowując to czego się dowiedzieliśmy, lasery impulsowe są bardziej precyzyjne w procesie czyszczenia w stosunku do laserów ze źródłami pracy ciągłej. Podczas używania laserów impulsowych mamy dużo większą kontrolę nad ilością ciepła wprowadzaną do materiału, co pozwala na uniknięcie mikro-przetopów powierzchni. Z drugiej strony jednak lasery o pracy ciągłej pozwalają na zwiększenie prędkości czyszczenia przez zastosowanie źródeł o kilkukrotnie większej mocy niż dostępne źródła impulsowe. Oczywiście w grę wchodzi też cena tych urządzeń, lasery o pracy ciągłej są o wiele tańsze niż lasery impulsowe.

                Ze względu na fundamentalne różnice, wynikające z wydajności oraz jakości czyszczenia, lasery te mają różne od siebie zastosowania. Lasery impulsowe odnajdują swoje zastosowanie w procesach czyszczenia, w których wymagana jest wysoka precyzja, oraz ścisła kontrola temperatury powierzchni podczas czyszczenia. Są to procesy takie jak czyszczenie form, zabytków, cienkich blach karoserii samochodowych, czy czyszczenie wałów różnego typu. Lasery pracy ciągłej odnajdują jednak swoje zastosowanie w procesach, w których wymagane jest szybkie oczyszczenie powierzchni, bez względu na jej stan po czyszczeniu. Taki proces ma zastosowanie podczas czyszczenia wielkopowierzchniowych struktur stalowych takich jak hangary, mosty czy rurociągi.

Już wkrótce lasery ze źródłami pracy ciągłej zawitają do oferty laserów czyszczących firmy ECLTECH Sp. z o.o. . Mamy pewność, że lasery tego typu znajdą swoje grono odbiorców i ułatwią pracę w wielu zakładach.

W firmie ECLTECH Sp. z o.o. nie zakupicie Państwo „kota w worku”. Nie pozostawiamy żadnego pytania związanego z czyszczeniem laserowym bez rzetelnej odpowiedzi. Niestraszne są nam kwestie bezpieczeństwa pracy i wymogów prawnych związanych z laserami. Nie boimy się także „ubrudzić” sobie rąk wykonując badania, lub prezentacje dla naszych klientów. Jest tak, ponieważ

SPRZEDAWCÓW JEST WIELU
CENTRUM LASERÓW CZYSZCZĄCYCH JEST TYLKO JEDNO

-Kamil Adamczak –

Wizyta w Doctor Classic

W poprzednim tygodniu zespół ECL Tech Polska miał przyjemność przeprowadzić prezentację czyszczenia laserowego w szczególnym miejscu jakim jest firma Doctor Classic. To miejsce gdzie spotykają się miłość do samochodów i pełen profesjonalizm. Doctor Classic to rodzinna firma, która od wielu lat zajmuje się renowacją klasycznych modeli samochodów Mercedes, Porsche i Ferrari. Co roku to miejsce opusza kilkanaście aut przywróconych ze stanu, dla niektórych nadających się jedynie na złom, do fabrycznie nowej maszyny. Cały proces renowacji auta jest ogromnie pracochłonny, zaczynając od wyczyszczenia i odratowania jak największego obszaru podwozia i nadwozia, przechodząc przez skrupulatne nanoszenie nowych powłok lakierniczych, kończąc na niesamowicie dokładnym zamontowaniu całego wyposażenia wnętrza. No i oczywiście w między czasie trzeba odrestaurować cały silnik i sprawić żeby funkcjonował bez zarzutów, to leży w rękach fachowców z Doctor Classic.

Wracając do etapu czyszczenia trzeba liczyć się z godzinami pracy nad usuwaniem starych powłok lakierniczych, nawarstwionej przez lata rdzy i osadów w postaci tłuszczów, pyłów i wszystkiego co zdołało osiąść na powierzchni. Należy wykonać całą tą pracę ze szczególną dokładnością, aby odpowiednio przygotować odbudowaną ramę do ponownego malowania, które ma zabezpieczyć auto przed korozją. Do tej pory w procesie technologicznym oczyszczania ekipa Doctor Classic korzystała z konwencjonalnych metod ,piaskowania, szkiełkowania lub po prostu szlifowania, przy pomocy których w sposób mechaniczny usuwane były wszystkie nawarstwienia. Jednak metody takie okazują się niekiedy za mało wydajne lub są po prostu zbyt inwazyjne dla czyszczonych powierzchni, a sam proces bywa czasem zbyt czasochłonny.

Po nawiązaniu kontaktu, spakowaliśmy nasz „kwantowy generator impulsów” i pojechaliśmy sprawdzić jak możemy pomóc usprawnić proces czyszczenia w Doctor Classic. Do naszych celów otrzymaliśmy nadwozie pokryte starymi powłok lakierniczych oraz niezliczonymi warstwami rdzy, tłuszczów i wszystkiego co przez lata osiadło na powierzchni ramy i karoserii auta. Dodatkowo ekipa Doctor Classic dorzuciła kilka pojedynczych elementów aby sprawdzić jak szybko laser usunie nawarstwienia ze starego kolektora, czy dobrze poradzi sobie z niewielkimi elementami jak śruby, sprężyny pokrytymi bliżej niezidentyfikowanymi zanieczyszczeniami.

Po tysiącach wyrzuconych laserowych impulsów, milionach dźwięcznie odparowanych cząsteczek zdołaliśmy usunąć zanieczyszczenia z każdej podsuwanej nam powierzchni, jednak jeśli chodzi o wydajność czyszczenia wiele tu zależy od mocy urządzenia i zakresu jego częstotliwości, którymi jesteśmy optymalnie parametryzować urządzenie aby dostosować je do oczyszczania interesujących nas powierzchni. Ocenę wydajności jaką uzyskaliśmy w procesie pozostawiam po stronie ekipy z Doctor Classic. Cieszymy się, że mogliśmy przeprowadzić prezentację w tak niecodziennym miejscu, kto wie może za jakiś czas po ulicach Krakowa zacznie jeździć odrestaurowane Porsche 911 z laserową wiązką ECL Tech Polska na boku.  

Dostawa sprzętu laserowego dla Henniges Automotive Prudnik

Nawet w dobie trwającej epidemii nie ustajemy w wysiłkach, aby zrewolucjonizować rynek czyszczenia w Polsce. W dniu 23.11.2020 dostarczyliśmy naszemu klientowi w Prudniku nowoczesny laser czyszczący ECL S 200L.  Dostarczony laser posiada polskie menu i polską instrukcję obsługi. W zestawie dostarczyliśmy również dwie pary okularów z odpowiednim atestem, oraz trzy szkła osłony soczewki głowicy. Cała procedura odbyła się w pozytywnym nastroju któremu na pewno towarzyszyło dużo uśmiechu, aczkolwiek nie mamy na to dowodów, ponieważ wszyscy byliśmy uzbrojeni w maseczki.

Przekazanie urządzenia odbyło się wraz ze szkoleniem pięciu pracowników na operatorów lasera czyszczącego. Uczestnicy najpierw odbyli szkolenie teoretyczne, na którym dowiedzieli się na czym dokładnie polega proces ablacji i w jaki sposób przebiega proces czyszczenia. Ponadto pracownicy dowiedzieli się jak prowadzić i parametryzować proces czyszczenia w swoim zakładzie, oraz w jaki sposób konserwować urządzenie i jak o nie dbać. Uczestnicy szkolenia dowiedzieli się też jak prowadzić obróbkę laserową i jak dbać o bezpieczeństwo nie tylko swoje ale i swojego otoczenia.

Po zakończonym szkoleniu teoretycznym przeszliśmy do praktycznego użytkowania sprzętu, każdy z uczestników zapoznał się z procedurami uruchomienia i wyłączenia sprzętu, konserwacji urządzenia i parametryzacji obróbki. Każdy szybko przekonał się że urządzenie jest bardzo proste w obsłudze i proces czyszczenia przebiega szybko i sprawnie na formach przygotowanych przez firmę do przeprowadzenia szkolenia, tych samych które będą czyszczone na co dzień w zakładzie.

Razem z całym zespołem firmy ECL-TECH POLSKA jesteśmy pewni, że zastosowanie naszego sprzętu w procesach czyszczenia w firmie Henniges Automotive Prudnik usprawni i przyśpieszy proces produkcyjny, oraz wydłuży żywotność form a tym samym zmniejszy koszt ich eksploatacji.

Zasada działania źródła laserowego

W dzisiejszym artykule chciałbym szczegółowo omówić na jakiej zasadzie działa źródło laserowe. W publikacji „Budowa Lasera Czyszczącego” poznaliśmy tajemnice wnętrza urządzenia, dzisiaj chciałbym skupić się na rezonatorze, w którym zachodzi cała akcja laserowa.

Żeby zrozumieć na czym polega kształtowanie promieniowania laserowego musimy skupić się przez chwilę na elementarnych budulcach otaczającego nas świata jakim są atomy. Atom składa się z gęstego jądra złożonego z chmury dodatnich ładunków oraz z otaczających go na różnych orbitach elektronów o ładunkach ujemnych. I to właśnie zachowanie elektronów na poszczególnych orbitach atomu odgrywa najistotniejszą rolę w całym procesie kształtowania promieniowania laserowego.

Rys.1 Budowa atomu

Na początku XX wieku fizyka zakładała istnienie jedynie dwóch zjawisk jakie mogą zajść na orbicie atomu,  pochłanianie energii z otoczenia (absorbcję) oraz spontaniczne emitowanie jej w postaci pojedynczych fotonów.  

W momencie gdy elektrony krążące po orbicie podstawowej pochłoną energie z otoczenia „wskakują” na wyższą orbitę i przechodzą w tzw. stan wzbudzony. Po pewnym czasie powracają na  poprzednią orbitę emitując przy tym foton w losowym kierunku. Emisję takiego fotonu nazywamy spontaniczną, jest ona bezpośrednio odpowiedzialna za świecenie każdego ciała, rozgrzanego gazu, topionego materiału itp.

Rys.2 Schemat emisji spontanicznej: A) elektron w stanie wzbudzonym B) emisja fotonu C) elektron w stanie podstawowym

W 1917 roku Albert  Einstein rozważając teorię spontanicznej emisji promieniowania doszedł do wniosku, że poza procesami absorbcji energii z otoczenia przez elektron i jego spontanicznego powrotu na orbitę podstawową musi jeszcze występować zjawisko, w którym wymuszamy na elektronie przejście do stanu podstawowego. Okazało się, że miał rację i takie zjawisko również występuję w momencie gdy pobudzimy elektron na orbicie wzbudzonej fotonem o podobnej energii. „Przeskakuję” on wtedy na niższą orbitę emitując przy tym dodatkowy foton o takim samym kierunku i parametrach jak foton, którym wzbudziliśmy elektron.

Rys. 3 Schemat emisji wymuszonej: A) elektron w stanie wzbudzonym B) pobudzenie elektronu za pomocą fotonu C) elektron w stanie podstawowym i emisja dodatkowego fotonu

Założenia Einsteina były prawidłowe udowodnił, że poza spontaniczną emisją fotonu istnieje jeszcze zjawisko emisji wymuszonej. Jednak na praktyczne wykorzystanie jego założeń trzeba było czekać około 40 lat aby zbudować urządzenie dziś nazywane LASER, które dokładnie oznacza Light Amplification by Stimuleted Emission of Radioation i można tłumaczyć to jako Wzmocnienie Światła przez Wymuszoną Emisję Promieniowania.

Wiemy już jak przebiega proces emisji wymuszonej, teraz chciałbym omówić w jaki sposób to zjawisko wykorzystywane jest w rezonatorze laserowym i jak przyczynia się do ukształtowania wiązki promieniowania. Zacznijmy od budowy rezonatora laserowego, najważniejszym jego składnikiem jest ośrodek czynny, gdzie następuję pobudzanie atomów w celu zapoczątkowania emisji wymuszonej i wywołania lawiny wygenerowanych tym sposobem jednakowych fotonów.

Atomy w ośrodku czynnym są dobierane w taki sposób aby zapewnić odpowiednią długość fali generowanego promieniowania. Odległość pomiędzy poziomami energetycznymi (podstawowym i wzbudzonym) równa jest długości fali w jakiej pracować będzie dane urządzenie laserowe. Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego lasery możemy podzielić na następujące typy:

NA CIELE STAŁYM, gdzie atomy w ośrodku czynnym mają postać kryształu o konkretnych parametrach.

GAZOWE, gdzie ośrodkiem czynnym jest odpowiednio dobrana mieszanina gazów z odpowiednio reagującymi na emisję światła atomami.

CIECZOWE, które wykorzystują mieszankę barwników i rozpuszczalników do uzyskania odpowiedniego czynnika aktywnego w ośrodku.

PÓŁPRZEWODNIKOWE, gdzie pompowanie odbywa się zazwyczaj za pomocą złączy p-n zasilanych elektrycznie, nazywane również laserami diodowymi.

NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH, gdzie w odróżnieniu od pozostałych typów laserów generowanie promieniowania laserowego odbywa się za pomocą bardzo szybko poruszających się elektronów w specjalnie ukształtowanych polu magnetycznym.

Kolejnym ważnym elementem rezonatora jest tzw. układ pompujący. Jest to system, który zapewnia ciągłe pobudzanie kolejnych atomów w ośrodku czynnym i wywołuję w nich emisję. W rzeczywistości „pompowanie” odbywa się za pomocą lamp błyskowych, wyładowań elektrycznych, szeregu diod laserowych, reakcji chemicznych, a w niektórych urządzeniach przeprowadzane jest z wykorzystaniem innych laserów.

Ośrodek czynny ograniczony jest na swoich końcach dwoma zwierciadłami, jedno z nich całkowicie odbija promieniowanie drugie z kolei jest częściowo przepuszczające, mają one za zadanie zapętlić atomy w ośrodku czynnym do momentu uzyskania odpowiedniego stanu nazywanego inwersją obsadzeń.

Rys. 4 Budowa rezonatora laserowego

W skrócie należy doprowadzić do momentu, w którym większość atomów posiada elektrony na orbitach wzbudzonych. Dzięki temu wyemitowanie przez jeden taki atom fotonu w wyniku emisji wymuszonej doprowadzi do powstania lawiny fotonów o takiej samej energii wyrzucanych przez sąsiadujące atomu. W efekcie dochodzi do powstania ogromnej ilości nowych fotonów o takiej samej energii, kierunku oraz długości fali. To właśnie wtedy rozpoczyna się akcja laserowa.

W ECL Tech Polska do czyszczenia wykorzystujemy laser włóknowy nazywany również fibrowym (ang. fiber = włókno), który jest typem urządzenia półprzewodnikowego. Lasery te cieszą się coraz większą popularnością z uwagi na swoją długą żywotność, która wynika ze specyficznie skonstruowanego ośrodka czynnego. W laserach tego typu jest nim światłowód, który bezpośrednio jest połączony ze źródłem laserowym. Pompowanie odbywa się z wykorzystaniem szeregu diod, które wysyłają kolejne porcje światła bezpośrednio do światłowodu. Składa się on z 4 warstw:

POWŁOKA , która jest ochronną warstwą całego światłowodu. Jest odpowiedzialna za ochronę światłowodu przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Rys. 5 Budowa światłowodu laserowego

BUFOR nie posiada specjalnych własności transmisyjnych, posiada najmniejszy współczynnik załamania światła, jego zadaniem jest uniemożliwienie wydostania się promieniowania na zewnętrze światłowodu.

PŁASZCZ  posiada mniejszy współczynnik załamania światła niż rdzeń, umożliwia on dostanie się promieniowania do najgłębszej warstwy światłowodu i zapewnia optymalnej transmisji energii pompowania rdzenia.

RDZEŃ posiada najwyższy współczynnik załamania światła ponadto domieszkowany jest pierwiastkami ziem rzadkich, w przypadku naszego lasera są to aktywne jony iterbu, którego atomy gwarantują powstanie fali o długości 1064 nanometrów.

Podsumowując, budowa źródła laserowego jest ograniczona do kilku elementów, które spełniają dość proste funkcje jednak parametry urządzenia jakie chcemy uzyskać bezpośrednio wpływają na budowę ośrodka czynnego i sposób w jaki będziemy go pompować.

Opracowanie modelu teoretycznego emisji wymuszonej było niezwykłym osiągnięciem co doprowadziło do powstania wielu odmian urządzeń laserowych, które cały czas są rozwijane. Lasery włóknowe dopiero od jakiejś dekady prężnie zdobywają przemysł, już teraz z roku na rok charakteryzują się znacznie większymi mocami i lepszą stabilnością. Otwiera to wiele możliwości zastosowania tego typu urządzeń. Jedną z nich jest coraz lepiej rozwijane czyszczenie laserowe.

Mam nadzieję, że powyższy artykuł przybliżył was jeszcze bardziej do świata laserów i pokazał, że ta dziedzina techniki ma przed sobą jeszcze wiele do zaoferowania. Wkrótce na stronie pojawi się kolejny artykuł z dziedziny kompendium wiedzy o laserach.

-Karol Woźniak-

Ablacja laserowa i jej wykorzystanie w procesie czyszczenia laserowego

W poniższym artykule postaram się omówić czym właściwie jest ablacja laserowa i w jaki sposób wykorzystywana jest ona podczas procesów czyszczenia laserowego. Ablacja jest terminem, który często można spotkać w kontekście operacji medycznych, inżynierii materiałowej czy chociażby medycyny estetycznej. Zacznijmy od definicji encyklopedycznej: „Ablacja (łac. ablatio = odjęcie) w geologii oznacza stopniowe niszczenie, kruszenie się powierzchni lądu, także lodowca, na skutek działania wody, wiatru i temperatury. W technice lotniczej jest to sposób chłodzenia powierzchni bardzo szybkich statków powietrznych podczas lotu w gęstych warstwach atmosfery przez odparowanie, lub inaczej odsublimowanie (sublimacja oznacza bezpośrednie przejście materiału ze stanu stałego w stan gazowy) niektórych metali lub tworzyw sztucznych stanowiących zewnętrzną warstwę pokrywy tych statków”1. Więc ablacja laserowa nie jest niczym innym jak po prostu odparowaniem cząstek materiału, które pochłonęły padające na nie światło lasera. Jednak aby sama ablacja mogła dojść do skutku musi wpłynąć na to szereg zdarzeń.

Wyobraźmy sobie wiązkę lasera w postaci tysięcy fotonów, które padają na obrabianą powierzchnię. Każdy foton zderza się z powierzchnią materiału powoduje pobudzanie pojedynczych atomów, które zderzając się ze swoimi sąsiadami zwiększając temperaturę, a tym samym energię. W pewnym momencie wytworzona w ten sposób energia przekracza wartość krytyczną zwaną progiem ablacyjnym, dochodzi wtedy do rozerwania połączeń pomiędzy atomami materiału i tym samym oderwania ich z jego powierzchni.

Podczas całego tego procesu dochodzi do rozpylania na powierzchni materiału dużej ilości najróżniejszych elementów jakimi są pojedyncze atomów, elektrony, molekuły itp. Tworzą one „chmurę” elementów na powierzchni materiału, w której powstaje plazma, która przenosi dodatkowe ciepło w głąb materiału. Plazma zawsze pojawia się w miejscach gdzie działają dwa czynniki, duże ilości gazu (w tym przypadku „chmura” powstałych elementów) i wyładowania energii, można ją zauważyć chociażby podczas procesu spawania. Grubość usuniętego materiału w procesie ablacji, skala w jakiej się nagrzeje i stopień zmian jakie zajdą w jego strukturze chemicznej zależy od kilku czynników. Są to:

MOC urządzenia laserowego przy jakiej będziemy przeprowadzać proces ablacji,

CZĘSTOTLIWOŚĆ emitowanych impulsów promieniowania laserowego.

Te dwa parametry bezpośrednio będą kształtować nam tzw. strefę wpływu ciepła w materiale. Jest to wielkość obszaru, w którym będą widoczne zmiany w składzie chemicznym spowodowane wzrostem temperatury w materiale. W zależności od obrabianego materiału ważne jest odpowiednie ustawienie tych dwóch parametrów.

DŁUGOŚĆ FALI jaką charakteryzuję się użytkowane przez nas urządzenie laserowe.

W naszej firmie pracujemy na laserze włóknowym, nazywanym czasem fibrowym (ang. fiber = włókno), który emituję wiązkę promieniowania laserowego o długości 1064 nanometrów. Długość ta należy do spektrum światła podczerwonego, fale w tym zakresie są bardzo słabo pochłaniane przez materiały metalowe. Wynika to z tego, że energia pojedynczej cząsteczki światła, tj. fotonu jest zbyt mała by rozerwać wiązanie pomiędzy pojedynczymi cząstkami materiału. Skutkuję to jedynie tym, że przy dłuższym naświetlaniu jednego miejsca takim laserem możemy doprowadzić do jego znacznego nagrzania, a czasami do przetopienia jego powierzchni.

Rys.1 Absorbcja śwatła laserowego dla wybranych metali

Skoro mamy już obraz tego jak przebiega ablacja laserowa przejdźmy do jej praktycznego wykorzystania w procesie czyszczenia. Wiemy już, że podczas czyszczenia laserowego używamy odpowiedniej długości fali, która jest bardzo słabo pochłaniania przez materiały metalowe, a całkiem dobrze absorbują ją zanieczyszczenia na obrabianej powierzchni. Proces czyszczenia laserowego sprowadza się więc do odpowiedniego sparametryzowania urządzenia w taki sposób aby jak największa część światła, które wydostaje się z lasera zostało pochłonięte przez nawarstwienia znajdujące się na czyszczonej powierzchni.

Czyszczenie laserowe wykorzystuję właśnie te różnicę pochłanialności, która jest zupełnie inna dla metali i zanieczyszczeń składających się najczęściej z powłok lakierniczych, rdzy, tłuszczu, pyłów i wielu innych drobnych cząstek. Proces czyszczenia składa się więc z następujących etapów:

  1. Światło lasera trafia na czyszczoną powierzchnie powodując zwiększanie się energii w nawarstwieniach, dochodzi do przekroczenia progu ablacji w wyniku czego część materiału zostaje odparowana.
  2.  Generowana jest plazma, która przenosi część powstającego ciepła w głąb zanieczyszczeń.
  3. W wyniku nagłego oderwania zanieczyszczeń dochodzi do powstania fali akustycznej, która porusza się w stronę podłoża. Fala akustyczna odbija się od materiału podłoża i zaczyna poruszać się w przeciwną stronę, powoduję przy tym powstawanie dodatkowych sił w nawarstwieniach, które pomagają szybciej rozbijać kolejne warstwy zanieczyszczenia.
  4. Na koniec fala akustyczna wspomaga „wyrzucanie” oderwanych zniszczeń w powietrze, efekt ten można zauważyć oraz usłyszeć podczas każdego procesu czyszczenia laserowego. Drobinki zanieczyszczeń są z dużą prędkością wyrzucane w powietrze i towarzyszy temu „świszczenie”, które niektórzy wykorzystują podczas czyszczenia laserowego. Im głośniejsze „świszczenie” tym lepiej światło lasera jest pochłaniane przez zanieczyszczenia.
Rys.2 Schemat przebiegu czyszczenia laserowego z wykorzystaniem ablacji laserowej

Odpowiednie dobranie parametrów procesu czyszczenia laserowego charakteryzuję się tym, że po usunięciu zanieczyszczeń z powierzchni materiału światło nagle przestaje być pochłaniane, „świszczenie” ucicha, a w powietrze przestają być wybijane cząsteczki. Zupełnie inne parametry będą dobierane dla czyszczenia powierzchni z materiałem podłoża ze stali konstrukcyjnej, inne dla podłoża żeliwnego, a jeszcze inne dla podłoża aluminiowego czy miedzianego. Do tego jeszcze dochodzi rodzaj zabrudzenia i jego grubość. W ECL Tech Polska cały czas badamy nowe sposoby wykorzystania światła do czyszczenia powierzchni starając się stworzyć przy tym schemat doboru optymalnych parametrów dla każdej napotkanej powierzchni.

 Mam nadzieję, że powyższy artykuł chociaż trochę rozjaśnił Wam na czym polega czyszczenie laserowe i pokazał, że w gruncie rzeczy ablacja laserowa brzmi tylko tak poważnie a w rezultacie jest dość prostym procesem, na który składa się kila równie prostych zjawisk. W następnym tygodniu na stronie pojawi się kolejny artykuł jeszcze bardziej przybliżający Was do świata laserów.

1. Encyklopedia fizyki, PWN, Warszawa 1974.

-Karol Woźniak-

Bezpieczna praca z laserami czyszczącymi

W dzisiejszym artykule zajmiemy się bezpieczeństwem pracy z laserem czyszczącym. Czyszczenie laserowe jest niesamowitym i hipnotyzującym procesem, bardzo łatwo można zapomnieć o otaczającym nas świecie i po prostu patrzeć na dziejącą się magię.

Jednak jak wiadomo – maszyny, które są źle użytkowane, mogą nam wyrządzić krzywdę – źle używany laser może stać się skrajnie niebezpiecznym narzędziem. Oczywiście można temu zapobiec, pamiętając o kilku procedurach bezpieczeństwa, które pozwolą nam cieszyć się bezawaryjną pracą.

Pierwsze pytanie które może się nasuwać to „dlaczego laser jest niebezpieczny?”. Odpowiedzi na to pytanie jest kilka i postaram się na nie wszystkie odpowiedzieć.  Niebezpieczeństwo pracy z laserem różni się od niebezpieczeństw związanych z pracą z innymi maszynami – nie występują tu duże wirujące elementy, nie grożą nam też obrażenia wywołane nagle odrywającymi się elementami obrabianymi, jak na przykład przy cięciu piłą tarczową. Co więc nam grozi?

Pierwsze zagrożenie na które należy zwrócić uwagę wynika z faktu, że laser czyszczący jest urządzeniem elektrycznym, zasilanym napięciem 230V. Z tego wynika, że możemy być narażeni na ryzyko porażenia prądem. Na tym temacie nie będziemy się skupiać zbyt szczegółowo, ponieważ każdy z nas miał do czynienia z urządzeniem elektrycznym (chociażby z komputerem) i wie jakie jest ryzyko. W tym przypadku wystarczy zastosować kabel z uziemieniem i dbać o to, żeby nie pracować na przykład na deszczu, co może spowodować zwarcie.

Teraz przejdziemy do najważniejszej kwestii pracy z laserem czyszczącym, którą jest ochrona oczu. W źródle lasera czyszczącego generowana jest wiązka laserowa wysokiej mocy (100-500W), urządzenie laserowe klasyfikowane jest jako laser klasy 4.

Tabela 1. Klasy laserów

No dobra, wiemy już że taka moc wiązki jest zaklasyfikowana jako klasa 4, co teraz? Odpowiedź jest bardzo krótka – okulary. Do pracy z laserem czyszczącym potrzebne są nam odpowiednie i co najważniejsze ATESTOWANE okulary. Dla przypomnienia, bądź dla uświadomienia, sprzedaż nieatestowanych środków ochrony osobistej jest PRZESTĘPSTWEM. Piszę o tym, ponieważ widuję często na różnych portalach okulary do pracy z laserami za dosłownie grosze. Wiemy już, że okulary muszą mieć atest, ale jak rozpoznać że są to atestowane i przede wszystkim odpowiednie dla nas okulary? Po pierwsze atestowane okulary na szkłach mają nadruki do jakich laserów się nadają, mają określony zakres fal i przepuszczalność promieniowania. Po drugie – cena. Bezpieczne i atestowane okulary nigdy nie będą kosztować dwudziestu złotych, ich ceny potrafią sięgać nawet tysiąca złotych, w zależności od ilości powłok itp.

Zdjęcie 1. Atestowane okulary dla szerokiego zakresu długości fal

Wiemy już co chroni i ile kosztuje. Tylko przed czym chroni? Istnieje sporo różnych rodzajów laserów działających w różnych zakresach promieniowania widzialnego i niewidzialnego. Laser, z którym mamy do czynienia przy czyszczeniu generuje wiązkę promieniowania niewidzialnego o długości fali 1064nm. Na poniższych schematach ukazano w jaki sposób wiązka może trafić w rejon naszego oka.

Schemat .Rodzaje ekspozycji oka na promieniowanie laserowe: a) patrzenie bezpośrednio w wiązkę, b) odbicie zwierciadlane, c) odbicie dyfuzyjne

Wiemy już w jaki sposób wiązka laserowa może trafić w nasze oko, teraz pytanie co może się stać? Przecież jak się popatrzy na żarówkę, to nikt nagle nie ślepnie. Porównanie żarówki i lasera to chyba najlepszy przykład ukazujący to czym faktycznie laser jest. Żarówka (dajmy na to 30W) emituje promieniowanie elektromagnetyczne(światło) w każdym kierunku, czyli jeśli włączymy taką żarówkę to świeci ona dookoła. Laser natomiast generuje wiązkę światła w jednym kierunku, czyli, korzystając z przykładu laser 30W wypromieniowuje właśnie tyle energii w jeden obszar (plamkę). Idąc dalej, dla przykładu, czerwony wskaźnik laserowy znajduje się w klasie 2 (lub 1) urządzeń laserowych, ze względu na niską moc (poniżej 1mW), a jednak dalej może być niebezpieczny. Długa ekspozycja oka na to promieniowanie może doprowadzić do uszkodzenia siatkówki.

W poniższej tabeli przedstawiono zestawienie skutków ekspozycji oka na promieniowanie laserowe w zależności od długości fali:

Tabela 2. Zestawienie skutków ekspozycji oka na różne zakresy promieniowania laserowego

Zagrożenie spowodowane wiązką laserową może prowadzić do wielu nieprzyjemnych i niebezpiecznych objawów jakimi są:

-obrzęk siatkówki

– krwotok

– bruzdy na całej głębokości siatkówki

– odklejanie siatkówki

– martwicę

Reasumując, wydatek nawet rzędu tysiąca złotych to niewielka cena za uniknięcie ślepoty. Jako ciekawostkę dodam, że okulary te ponoć świetnie sprawdzają się za kierownicą samochodu.

Kolejnym niebezpieczeństwem związanym z pracą z laserami czyszczącymi są oparzenia. Ze względu na specyfikę pracy urządzenia, czyli głowica skanująca i impulsowy tryb pracy, poparzenia które mogą wystąpić nie będą wymagały wieloletnich rehabilitacji i przeszczepów skóry. Niemniej jednak skutki mogą być uciążliwe, szczególnie, że promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni jest dość przenikliwe i oparzenia nie goją się zbyt szybko. Ryzyko poparzenia nie jest też specjalnie wysokie w momencie kiedy sprzęt obsługiwany jest przez wyszkolonego operatora. Załóżmy jednak, że nie jesteśmy wyszkolonymi operatorami i nie wiemy co może się stać. Po pierwsze, absolutnie nie wolno kierować otworu, którym laser opuszcza głowicę w kierunku ludzi. I tak, świecenie sobie po ręce nie jest zbyt dobrym pomysłem. Mając już zakodowane w głowie że nie świecimy laserem na siebie i innych, co jeszcze może się stać? Sytuacja ze schematu(1) powtarza się, wiązka może odbić się od obrabianego detalu i wrócić w naszym kierunku. Tutaj zagrożenie wygląda troszkę inaczej, jeżeli wiązka na detalu jest zogniskowana, to pokonując ten sam dystans w drugą stronę już zogniskowana nie będzie, czyli energia która będzie padać na skórę będzie rozproszona w większym obszarze, a my poczujemy jedynie ciepło. Nie znaczy to jednak, że jest to bezpieczna sytuacja, mimo tego, że człowiek wyposażony jest w układ termoregulacji(rozprowadza ciepło po całym organizmie), którym jest układ krwionośny, dalej może dojść do poparzenia. Tutaj ważnym aspektem pracy z laserem czyszczącym jest trzymanie głowicy. Największą wydajność i efektywność uzyskujemy w momencie, kiedy wiązka pada na obrabianą powierzchnię pod kątem 45°. W tym momencie teoretycznie wiązka niezaabsorbowana przez materiał odbija się w przeciwnym do naszego kierunku. Jednak, jak często się zdarza, teoria lubi minąć się z praktyką. Często mamy do czynienia z materiałami o różnych chropowatościach, nierównościach powierzchni i załamaniach, co może spowodować, że wiązka odbita wróci prosto w nas. Teraz najważniejsze, jak się przed tymi zjawiskami chronić? Trzeba się ubrać. Należy chronić ręce (które są najbliżej głowicy), czyli założyć rękawiczki i osłonić skórę na ramionach. Wskazane też jest założenie długich spodni, o butach już nie wspominając.

W tym momencie zagrożenia związane z samym laserem mamy już omówione, wiemy jak się ochronić, jak obsługiwać głowicę i jak się ubierać. Został jeszcze jeden aspekt pracy z laserami czyszczącymi, a mianowicie powstające w trakcie czyszczenia opary.

Zdjęcie 2. Opary powstające w procesie ablacji laserowej

Podczas czyszczenia laserowego, nie ważne jakiego rodzaju zabrudzenia, od powierzchni obrabianego materiału odrywają się cząsteczki i pary zabrudzeń. Czasami jest to delikatny dymek i drobny pył (czyszczenie rdzy), a czasami materiał odparowywany w procesie ablacji zamienia się w gęsty dym(czyszczenie farb i powłok lakierniczych). No dobra, wiemy przecież, że w przyrodzie nic nie ginie i to co usuwamy z powierzchni musi przemieścić się w jakieś inne miejsce. Oczywiście że tak, to do czego zmierzam, to to, że niekoniecznie chcemy, żeby to inne miejsce było naszymi płucami. Opary i gazy powstające w tym procesie mogą być nie tylko nieprzyjemne i gryzące w płuca, w zależności od składu chemicznego usuwanej powłoki, czy zabrudzenia mogą się też okazać toksyczne i przy dłuższej ekspozycji narazić nas na spore powikłania zdrowotne. Na szczęście temu też można zaradzić, korzystając z wydajnego odciągu spawalniczego, bądź zakładając maskę z odpowiednim filtrem.

Ostatnią rzeczą o której wspomnę, jest zagrożenie pożarowe. Laserów nie wolno używać w otoczeniu materiałów łatwopalnych i wybuchowych, nie należy też przetrzymywać uruchomionej głowicy w jednym punkcie, ze względu na możliwość przetopienia, lub podpalenia obrabianego materiału.

Podsumowując, żeby nasza praca była bezpieczna musimy zadbać o ochronę oczu, skóry, płuc i naszego otoczenia. Pamiętając o tych czterech rzeczach możemy w pełni cieszyć się możliwościami jakie oferuje nam laser czyszczący. Do zobaczenia!


-Kamil Adamczak-

Budowa Lasera Czyszczącego

        W tym artykule omówimy budowę lasera czyszczącego, z czego się składa i jak to wszystko działa. Laser czyszczący wbrew pozorom nie jest przesadnie skomplikowanym urządzeniem, a do jego działania wykorzystywane jest kilka prostych zjawisk i zależności fizycznych. Na wstępie trzeba napisać, że w tym artykule nie będziemy zajmować się budową źródła laserowego i sposobem generowania wiązki, ponieważ jest to temat na osobny artykuł.

        Do rzeczy, całe urządzenie w najprostszej wersji (czyli takiej bez dodatkowego osprzętu) składa się z następujących elementów:


1. Schemat przedstawiający budowę lasera czyszczącego

  1. Źródło lasera
  2. Światłowód
  3. Głowica robocza
  4. Pulpit sterowniczy
  5. Szafa sterownicza
  6. Chłodnica
  7. Przewody sygnałowe

       Teraz zajmiemy się tym, co na tym schemacie się dzieje i jak pomoże nam to zrozumieć działanie lasera czyszczącego. Pierwszym elementem którym się zajmiemy jest pulpit sterowniczy(4), bo to on pozwala nam całym urządzeniem sterować i modyfikować parametry procesu czyszczenia. Informacja którą zatwierdzamy na pulpicie następnie zostaje przekazana do szafy sterowniczej(5) , w której znajdują się odpowiednie układy, tłumaczące naszą zadaną na pulpicie informację na język zrozumiały przez dalsze elementy maszyny czyli chłodnicę(6), głowicę(3) i źródło lasera(1). Po wybraniu i zatwierdzeniu żądanych parametrów źródło zaczyna emitować odpowiednią wiązkę laserową. Wyemitowana przez źródło wiązka następnie prowadzona jest światłowodem(2) do głowicy, gdzie kierowana odpowiednim układem optycznym opuszcza urządzenie i pozwala nam na wykorzystanie jej podczas obróbki. Nad prawidłową pracą całego układu czuwa chłodnica, która służy do odprowadzania ciepła ze źródła i głowicy. Przewody chłodnicze nie zostały uwzględnione na schemacie, ze względów czysto wizualnych – schemat byłby nieczytelny.

        Kolejnym tematem jest prowadzenie wiązki w głowicy, czyli jak to się dzieje, że źródło generuje wiązkę o przekroju okrągłym (plamkę) a widzimy pracujący pasek?
To wszystko dzięki zastosowaniu odpowiedniego układu optycznego w głowicy, którego schemat przedstawiony został poniżej:


2. Schemat budowy wnętrza głowicy

Na schemacie przedstawiono:

  1. Zakończenie światłowodu
  2. Wiązkę laserową
  3. Zwierciadło stałe
  4. Zwierciadło ruchome
  5. Zestaw soczewek ogniskujących

       Po wygenerowaniu w źródle światło lasera transportowane jest światłowodem. Światłowód zakończony jest zestawem soczewek kolimatora(1), co pozwala na zmianę wiązki rozbieżnej na równoległą. Następnie, równoległa już, wiązka lasera(2) pada na zwierciadło stałe(3), od którego odbija się na zwierciadło umieszczone na silniku galwanometrycznym(4), a następnie pada na zestaw soczewek ogniskujących, co umożliwia skupienie wiązki w odpowiedniej odległości od głowicy. Umieszczenie zwierciadła na silniku galwanometrycznym pozwala na jego obrót. Oczywiście nie chodzi o pełny obrót, tylko obrót o pewien kąt. Kierowanie wiązki polega na zasadzie, która mówi, że kąt padania równa się kątowi odbicia. Wykorzystując ten fakt, za pomocą obracającego się zwierciadła możemy kierować w odpowiednie miejsce. Cały system został opracowany właśnie po to, żeby można było przekształcić „plamkę” lasera w „kreskę”, którą nazywa się skanem, a dzieje się to w następujący sposób:


3. Schemat pokazujący działanie układu zwierciadeł w głowicy lasera czyszczącego.

       Jak widać na schemacie 3. obrócenie zwierciadła powoduje zmianę miejsca w którym wiązka pada na zestaw soczewek skupiających.

       No dobra, tylko dalej nie odpowiada to na nasze pytanie, jak to się dzieje, że laser generuje plamkę, a my widzimy kreskę? Po poznaniu zasady działania całego urządzenia odpowiedź może nasuwać się sama, a mianowicie chodzi o prędkość. Cały system działa z wysoką prędkością, zwierciadło wykonuje ruch prawo-lewo z częstotliwością do 5 kHz. Impulsy w źródle generowane są w zakresach od 10 do 50 kHz. Natomiast odświeżanie obrazu w układzie oko-mózg to maksymalnie 300 Hz, a i tak są to skrajnie rzadkie przypadki.

        Oczywiście istnieją inne metody kierowania wiązki, na przykład składające się z dwóch zwierciadeł obrotowych, co wykorzystywane jest w laserach wysokiej mocy, w celu rozprowadzenia energii na większym obszarze w krótszym czasie. Niemniej jednak żeby zrozumieć jak to wszystko działa wystarczy prostszy przykład. Mam nadzieję, że udało mi się przybliżyć Wam jak zbudowany jest laser czyszczący. Jeżeli pojawią się jakieś pytania to zapraszam do kontaktu, z chęcią rozwieję wszelkie niejasności.

-kontakt-

-Kamil Adamczak-

Udział w Seminarium Obróbki Laserowej

W środę 23.09.2020r. na zaproszenie Centrum Laserowych Technologii Metali w Kielcach zaprezentowaliśmy naszą firmę na organizowanym na Targach Seminarium Obróbki Laserowej, które odbyło się podczas targów stom – LASER w Kielcach. Nasze wystąpienie dotyczyło praktycznego zastosowania laserów impulsowych wysokiej mocy w obróbce powierzchniowej materiałów.


kilka ujęć z naszego wystąpienia na Seminarium Obróbki Laserowej

                Na początku wyjaśniliśmy czym jest mechanizm ablacji laserowej i jak wykorzystywany jest w procesie czyszczenia laserowego. Omówiliśmy też jaki sprzęt mamy do dyspozycji na miejscu i jego najważniejsze parametry techniczne.

                Następna część prezentacji polegała na omówieniu najczęstszych zastosowań procesu czyszczenia laserowego jakimi są:

-czyszczenie rdzy

-czyszczenie zabrudzeń

-usuwanie powłok lakierniczych i farb

                Wszystkie opisane procesy zostały przez nas bardzo dobrze przebadane, stąd nasze wystąpienie opierało się wyłącznie na naszej wiedzy i doświadczeniu. Omówiliśmy z jakimi problemami borykaliśmy się przy opracowywaniu różnych metod czyszczenia i parametryzacji obróbki i skąd te problemy wynikały.

                Kolejnym aspektem który omówiliśmy na naszej prezentacji były aspekty ekonomiczne zastosowania lasera czyszczącego w procesie czyszczenia w firmach, czyli wydajność pracy, niskie zużycie energii i brak jakiegokolwiek medium potrzebnego do czyszczenia.

                Naszą prezentację zakończyliśmy krótkim podsumowaniem naszych ostatnich badań, które na ten moment jeszcze nie są zakończone, ale pokazują bardzo obiecujące wstępne wyniki. Pierwszym badaniem było zlecenie od jednego z naszych klientów polegające na opracowaniu technologii i parametryzacji czyszczenia form żeliwnych do odlewania szkła. Drugim badaniem zaprezentowanym podczas wystąpienia realizowanym w naszej firmie był opracowywany przez nas proces czyszczenia laserowego z wykorzystaniem cienkiej warstwy wody.

                Seminarium oczywiście nie składało się tylko z naszego wystąpienia, wysłuchaliśmy bardzo ciekawych i interesujących opracowań badań wykonanych przez doktorów i doktorantów Politechniki Świętokrzyskiej, jak i wystąpienia przedstawiciela firmy IPG z którego dowiedzieliśmy się wiele na temat najnowszych technologii wykorzystywanych w wielu procesach obróbki laserowej.

                W następnych artykułach postaram się przybliżyć tematykę praktycznego zastosowania technologii czyszczenia laserowego, błędów jakie można popełnić podczas stosowania tej obróbki, a także o krokach jakie należy podjąć by praca z laserem była bezpieczna i przyjemna. Do zobaczenia!

– Kamil Adamczak-

Laserowe Czyszczenie Rdzy

W tym artykule omówimy praktyczne zastosowanie lasera czyszczącego do usuwania rdzy. Po pierwsze, czym jest rdza? Każdy z nas na pewno spotkał się w swoim życiu z efektem korozji jakim jest rdza, czy to na starym ogrodzeniu, czy wykopując z ziemi jakiś kawałek żelaza, czy, niestety, na podwoziu swojego samochodu. Przechodząc do rzeczy, rdza jest produktem korozji żelaza , czyli powstaje w skutek utleniania się powierzchni żelaza i jego stopów najczęściej w wilgotnej atmosferze. Rdza składa się głównie z tlenków i wodorotlenków żelaza. Potocznie termin „rdza” może też odnosić się do określania innych warstw produktów utleniania metali, takich jak zgorzelina, śniedź czy warstwy pasywujące. Po upłynięciu odpowiedniej ilości czasu, tlenu i wody każdy niezabezpieczony produkt żelazny skoroduje całkowicie i rozpadnie się w pył.

Zdjęcie przedstawiające laser czyszczący rdzę

Rozpadanie się produktów w pył i proch raczej nie jest ich pożądaną właściwością, dlatego żeby uniknąć takiej sytuacji stosuje się różne zabezpieczenia, takie jak na przykład malowanie, cynkowanie, czy ochronę katodową.

No dobra, teraz wiemy już czym jest rdza, czym grozi i jak się przed nią zabezpieczyć. Nasuwa się jednak pytanie, co robić w przypadku, kiedy źle zabezpieczyliśmy produkt, proces korozji już widocznie postępuje, a nam jednak bardzo zależy na tym żeby go zabezpieczyć i dać mu drugą młodość? Tutaj pojawia się wiele różnych technik i procesów które możemy wykorzystać, każdy ma swoje plusy i minusy. Istnieje wiele metod obróbki chemicznej i mechanicznej. Powierzchniowa obróbka ścierna polega na usunięciu warstwy rdzy za pomocą ścierniwa, na przykład piasku, albo szkła. Niestety takie rozwiązanie niesie za sobą sporo negatywnych konsekwencji. Przykładowo, proces piaskowania który, jak sama nazwa wskazuje, zużywa znaczne ilości piasku w trakcie czyszczenia. Jest do dość uporczywy problem, z którym musi uporać się wiele firm z branży produkcyjnej, ponieważ zgodnie z aktualnymi przepisami piasek musi być atestowany. Oznacza to, że musi pochodzić z autoryzowanego źródła i po zużyciu musi zostać zutylizowany w odpowiednim miejscu. A to tylko problem logistyczny. Kolejnym minusem stosowania takiej metody jest możliwość uszkodzenia powierzchni obrabianego detalu, czyli po prostu powstania ubytków. 

Doskonałą alternatywą dla konwencjonalnych metod czyszczenia okazuje się odpowiednie wykorzystanie wiązki laserowej. Odpowiednie ustawienie parametrów pracy urządzenia pozwala na precyzyjne usunięcie rdzy warstwa po warstwie, bez uszkadzania „zdrowego” materiału.  Coś co wydaje się magią ma jednak wytłumaczenie w wielu zjawiskach fizycznych które mają wpływ na ten proces, jak na przykład przewodność cieplna materiału, rodzaj wiązań atomowych, struktura sieci krystalicznych, czy chociaż połączenia międzycząsteczkowe. Kolejną zaletą jest kompaktowość urządzenia, jego mobilność i brak konieczności używania wielkich komór i innych zabezpieczeń. Do obsługi lasera wystarczy wyciąg(żeby odprowadzić odparowane cząstki), okulary ochronne oraz zwykłe rękawice robocze.

Zdjęcie przedstawiające efekt czyszczenia laserowego rdzy

Pytanie które nasuwa się w tym momencie jest następujące: Jaka jest wydajność takiego rozwiązania? Odpowiedź na to pytanie nigdy nie jest prosta i oczywista, ponieważ składa się na nią wiele czynników, którymi są:

-Geometria czyszczonego detalu (czyli po prostu to jaki ma kształt)

-Grubość warstwy rdzy (drobny pyłek z powierzchni usuwa się nawet po jednym przejściu, natomiast nad grubszymi warstwami trzeba się czasem napracować)

-Moc urządzenia laserowego i ustawienie jego parametrów

Mając na uwadze powyższe czynniki, możemy mówić o wydajności czyszczenia laserowego. Przyjmując średnią wartość grubości warstwy rdzy i zakładając, że czyszczona powierzchnia jest płaska, czyli jej geometria nie utrudnia czyszczenia można usystematyzować informacje o wydajności czyszczenia.

Usuwanie rdzy
Grubość0.2mm0.5mm
100 W2㎡/h1㎡/h
200 W5㎡/h3㎡/h
300 W7-8㎡/h5㎡/h
500 W15-20㎡/h8㎡/h
Tabela przedstawiająca wydajność czyszczenia warstw rdzy w zależności od mocy urządzenia i grubości warstwy rdzy

Jak widać na powyższej tabeli średnia wydajność procesu czyszczenia laserowego jest w głównej mierze uzależniona od mocy źródła użytego lasera. Ma to szczególne znaczenie przy czyszczeniu wielkich powierzchni, np. hal konstrukcyjnych, gdzie trzeba przeprowadzić proces renowacji bez zatrzymywania produkcji. Jeśli chodzi o czyszczenie mniejszych detali i powierzchni, na przykład renowację zabytków, w zupełności wystarczy laser o mniejszej mocy źródła. Ponadto należy pamiętać o tym, że laser typu FIBER jest urządzeniem umożliwiającym pracę w reżimie 24/7, a jego konserwacja jest bardzo prosta. 

Podsumowując temat laserowego czyszczenia rdzy, można stwierdzić, że jest to idealne rozwiązanie do usuwania skutków korozji, szczególnie mając na uwadze jego wydajność, zużycie materiałów eksploatacyjnych i łatwość obsługi i uruchomienia. Bardzo ważnym czynnikiem jest też bardzo niski koszt eksploatacji tego urządzenia, ale o tym i o innych ciekawych rzeczach związanych z czyszczeniem laserowym będę pisać w następnych artykułach. Do zobaczenia!

-Kamil Adamczak-