Le applicazioni di pulizia laser e rimozione della vernice hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni, poiché i metodi tradizionali di rimozione della vernice come la sabbiatura e la sverniciatura chimica generano molto inquinamento ambientale. È giunto il momento di sfruttare le soluzioni ecologiche per la rimozione della vernice. Controllando adeguatamente parametri quali larghezza dell'impulso, densità di energia, velocità di ripetizione e dimensione del raggio, i laser possono essere utilizzati per eseguire lavori di alta qualità e rimuovere rivestimenti [Riferimento 1] I vantaggi della rimozione laser della vernice possono essere riassunti come segue:
● Meno materiali di consumo
● Riduzione dei rifiuti secondari
● Nessun danno meccanico al substrato grazie all'uso di parametri laser controllati
● Migliore adesione grazie alla ridotta rugosità superficiale
● Più veloce dei metodi tradizionali
● Più efficiente dei metodi tradizionali
Esistono due modi per ottenere la pulizia laser. La prima è l'ablazione laser, in cui un impulso ad alta energia o un intenso fascio di onde continue genereranno un plasma nel rivestimento e l'onda d'urto generata dal plasma farà esplodere il rivestimento in particelle. Il secondo è la decomposizione termica, in cui un fascio di onde continue a bassa energia o un impulso lungo possono riscaldare la superficie ed eventualmente far evaporare il rivestimento.
Qualunque sia il meccanismo, i parametri laser non controllati possono danneggiare il substrato e causare problemi. Sia i laser continui che quelli pulsati possono essere utilizzati per la pulizia laser, ma è necessario comprendere i diversi effetti che questi laser producono su diversi substrati. L'assorbimento di un laser continuo da parte di un substrato dipende dalla sua lunghezza d'onda, con lunghezze d'onda più corte che generalmente determinano un maggiore assorbimento. Per un laser pulsato classico, invece, la profondità di penetrazione LT nel substrato è indipendente dalla lunghezza d'onda e dipende invece dall'ampiezza dell'impulso τp del laser e dal coefficiente di diffusione D del substrato, come mostrato nell'Equazione 1.
Per un laser pulsato classico, un aumento dell’ampiezza dell’impulso aumenta la soglia di ablazione, che è definita come l’energia minima richiesta per rimuovere un volume unitario di materiale secondo la seguente equazione:
dove ρ è la densità e Hv è il calore di vaporizzazione (la quantità di calore richiesta per vaporizzare un'unità di massa di materiale in Joule per grammo). Pertanto, impulsi più lunghi riducono l’efficienza dell’ablazione. I laser pulsati classici dipendono anche dalla frequenza di ripetizione dell'impulso, dove l'efficienza dell'ablazione aumenta con l'aumentare della frequenza di ripetizione.
È stato condotto uno studio per studiare le modalità di funzionamento CW e pulsato di un laser utilizzando un laser a fibra da 1,07 μm [Rif 2]. In questo studio, lo stesso laser CW è stato acceso e spento per produrre impulsi di lunga ampiezza. Questo studio ha rilevato che in modalità CW, l'energia specifica (definita come l'energia richiesta per rimuovere un'unità di volume di materiale (mm3) in Joule e inversamente proporzionale all'efficienza di ablazione) diminuisce con l'aumentare della velocità di scansione e della potenza del laser. Per la modalità pulsata, è stato riscontrato che l'efficienza dell'ablazione dipende dal ciclo di lavoro (il rapporto tra l'ampiezza dell'impulso e l'intervallo di tempo tra due impulsi). Aumentando il ciclo di lavoro, l’efficienza dell’ablazione è aumentata. Ciò è in contrasto con i classici laser pulsati, dove, a una frequenza di ripetizione fissa, aumentando l’ampiezza dell’impulso (e quindi il ciclo di lavoro) diminuisce l’efficienza dell’ablazione. La Figura 3 confronta l'energia specifica rispetto alla potenza e alla velocità di scansione per un laser CW da 1 kHz e un laser pulsato (ovvero un laser CW acceso e spento) su un substrato di acciaio inossidabile.
Il laser pulsato (cioè un laser CW acceso e spento) ha una potenza di picco di 1800 W ed una potenza media quasi uguale al laser CW, ma come si può osservare dalla figura, l'energia specifica è quasi 2 volte inferiore . Modalità pulsata rispetto alla modalità CW. La modalità CW sembra avere maggiori perdite rispetto alla modalità pulsata perché la potenza del laser è sempre al valore di picco.
Tuttavia, la modalità in cui viene utilizzato il laser non è l'unica considerazione nel decidere se utilizzare un laser a impulsi (cioè, onda continua accesa e spenta) o un laser a onda continua per la pulizia laser. Il modello di scansione è un'altra considerazione importante. È importante che il tempo di interazione tra il raggio laser e il rivestimento sia breve in modo che l'effetto del danno termico sia minimo. Ciò può essere ottenuto utilizzando impulsi brevi con elevata intensità di picco o utilizzando un laser continuo e velocità di scansione elevate.
Considerando che la potenza del laser continuo è generalmente più potente, più economica e più robusta dei laser pulsati, non è una cattiva scelta per la pulizia laser. Sfortunatamente, gli scanner galvanometrici tradizionalmente utilizzati per la pulizia laser non sono in grado di gestire laser multi-kilowatt. Anche gli scanner galvanometrici utilizzati per i laser ad alta potenza sono piuttosto pesanti e non possono funzionare a velocità di scansione elevate. Pertanto, è stato proposto un nuovo tipo di scanner chiamato scanner poligonale che ha una sola parte mobile, il poligono [Riferimento 3]. Questi scanner poligonali sono in grado di gestire potenze laser più elevate e hanno dimostrato di essere tre volte più veloci degli scanner galvanometrici. Utilizzando velocità di rotazione modeste, gli scanner poligonali possono produrre velocità di scansione della superficie superiori a 50 metri al secondo. Questa elevata velocità di scansione consente tempi brevi di interazione del raggio con il piano di lavoro e consente l'utilizzo di potenze laser molto elevate. La Figura 4 mostra il progetto di uno scanner poligonale.
In sintesi, la scelta di utilizzare un laser CW o pulsato (ovvero, laser CW o classici laser a impulsi brevi che vengono accesi e spenti) per la pulizia laser dipende da diversi fattori, come il tipo di substrato, l'assorbenza del rivestimento, e il costo del laser. La combinazione di uno scanner poligonale e di un laser continuo può produrre velocità di scansione elevate ed è un'opzione promettente che può essere presa in considerazione quando i classici laser pulsati non sono disponibili.
