Oppervlaktebehandeling VH Consult

Oppervlaktebehandeling met de laser

Laserreinigen en laserpolijsten

Dat de laser fysiek het te bewerken onderdeel niet aanraakt, geeft een groot aantal mogelijkheden een aantal bewerkingen op oppervlakken van vaak willekeurige vorm en/of uit vaak willekeurig materiaal, uit te voeren.
Min of meer gelijkwaardig uit te voeren laser-oppervlaktebehandelingen zijn:

Hoe werkt dit proces?

Laserlicht bevat energie, van een te kiezen golflengte en intensiteit. Bij treffen van een oppervlak kan een laserstraal die energie op dat oppervlak overdragen.
Deze energieoverdracht is niet voor alle materialen gelijk: sommige materialen, zoals glas en plexiglas geleiden licht met golflengte λ =  600 ‐ 800 nm uitstekend en nemen dus geen energie op. Metalen, en kunststoffen als epoxy's en polyurethanen, doen dat wel, ook weer afhankelijk van de golflengte.
Het functioneren van de laser zelf hangt samen met gebruikte optische mogelijkheden als pulsfrequentie, straalspreiding, invalshoek en vanzelfsprekend het ingezette laservermogen.

Laserreinigen

De energie in de laserstraal verhoogt in de eerste plaats de energie in de atomen of moleculen in het getroffen oppervlak.
De hoge energiepulsen vernielen de bindingen tussen de moleculen, waardoor grote moleculen afbreken en in dampvorm overgaan. Vervolgens is die damp, het ‘zuivere’ afval, eenvoudig op te slaan in een absoluut‐filter.
Vanzelfsprekend loopt de temperatuur in dat oppervlak op, maar deze warmtebeïnvloeding bij reiniging blijft gebruikelijk ook beperkt tot enkele honderstes van millimeters, of nog minder, waarmee onthardingsverschijnselen bij staal en ook Al‐legeringen zich eigenlijk niet voordoen.
Een reiniging veroorzaakt een opwarming van niet meer dan een 20 - 30 °C, eigenlijk niet eens merkbaar in ‘gewone’ toepassingen.
De benodigde energie blijft relatief laag, dat wil zeggen, met een laserenergie van ≈ 100 W zijn al behoorlijke reinigingsacties voor industriële toepassingen mogelijk.
Daarbij zijn geen nare chemicaliën nodig, die speciale ARBO-maatregelen behoeven.

Een goed voorbeeld vinden we bij bandenmatrijzen voor autobanden. Een laser reinigt die uitstekend: grofweg een 30 minuten voor een complete reiniging is een haalbare waarde. Bovendien hoeft de matrijs niet te worden uitgebouwd, omdat een laserkop ook in een hete omgeving werken kan.
Een tweede belangrijk voordeel is dat het laserlicht de vaak gespecialiseerde vorm van de matrijs niet verandert: de vorm blijft behouden en de levensduur van de matrijs verlengt daardoor aanzienlijk.
In de gereedschapbewerking vinden lasers eveneens vele goede toepassingen, voor zowel reinigen als polijsten.

Er is geen straalmiddel nodig, dat aan slijtage onderhevig is, en naderhand als chemisch afval moet worden behandeld.
In het onderhoud van bruggen, vooral als die over een rivier gaan, heeft de laser grote voordelen: er is geen straalgrit nodig, dat op zich ook weer is vervuild, de hoeveelheid afval die zo ontstaat is een factor ∼ 500 kleiner.
De bij RWS gebruikelijke koolteerepoxy overleeft een laserbehandeling dus zeker niet en het resultaat is een 100 % schoon oppervlak, zelfs steriel. De hoeveelheid afval wordt qua volume dus zeer beperkt, omdat het straalmiddel ‐ licht ‐ schoon is, schoon blijft en niet slijt.
Nog niet duidelijk is hoe een laser‐gereinigd oppervlak te vergelijken valt met een normaal SA2½ gestraald oppervlak: er vindt immers geen aantasting plaats van het aangestraalde oppervlak.

Wat voor reinigingssnelheid is er te behalen?

Om de gedachten te bepalen: 2 cm2/sec een goede praktijkwaarde.
Ook hier is de reinigingssnelheid recht evenredig aan geïnstalleerd vermogen en vanzelfsprekend afhankelijk van:

Als voorbeeld van de invloed van de materiaaleigenschappen geldt de mate waarin het oppervlak de energie van de laser opneemt, geleidt ofwel kan reflecteren. Bij geleiden of reflecteren gebeurt er niet veel, maar als de energie wordt opgenomen, dan kan het nog zo zijn dat het materiaal alleen maar zacht wordt en verder niets doet. De bedoeling is natuurlijk dat de laser de te treffen lagen zoveel energie overdraagt, dat de werkelijk opgenomen energie reiniging of afbreken van de toplaag tot gevolg heeft.
Zo breekt met relatief geringe energie een vervuilde laag van bijvoorbeeld vet en olie af: het residu is gewoonlijk dampvormig en daardoor eenvoudig af te zuigen.

Welke laser is het meest geschikt?

Voor reiniging waren de good‐old CO2‐laser en de Nd-YAG laser veel gebruikte werkpaarden, maar het gaat er om dat bijvoorbeeld de verflaag gevoelig is voor die golflengte en die niet geleiden zal. Voor industriële toepassingen heeft in het bijzonder de Nd‐YAG laser een (veel) te laag rendement en is tegenwoordig verdrongen door de fiberlasers met η ∼ 35%.
De CO2‐laser bedient met zijn langere golflengte een eigen toepassingsgebied.
De inzet van het type laser is sterk afhankelijk van de toepassing en het gevraagd vermogen.
Advies is in dezen eigenlijk onvermijdelijk.

Laserpolijsten

gepolijste snijrand van een ring

Met een wat hogere energie is - ook weer met aangepaste optieken - het oppervlak zeer fijn om te smelten, waardoor gladde en spiegelende oppervlakken ontstaan, met een fijne microstructuur.
Met bepaald meer vermogen in de laser als bij het reinigen het geval is, kan een oppervlak van een metaal of kunststof omsmelten. Door de fijnheid van de besturing, de uitstekende regelbaarheid van het proces, levert dat een buitengewone oppervlaktekwaliteit op, die vergelijkbaar is met polijsten.
Het verschil is echter dat mechanische polijsten het oppervlak niet reinigt en een mooi en glad oppervlak oplevert. De gebruikelijke contaminaties op het oppervlak zijn dan nog steeds in het oppervlak ingebed en/of zijn versmeerd.
Polijsten met laser maakt het niet alleen glad, maar haalt dus ook de verontreinigingen uit het oppervlak, waardoor een zeer zuivere en fijne microstructuur ontstaat. Verontreinigingen in het oppervlak gaan in dampvorm over, analoog aan het reinigen met lasers.
In het algemeen is het bewerkingsresultaat afhankelijk van:

Voor het polijsten is de benodigde laserenergie hoger dan bij het reinigen het geval is, dat wil zeggen, met een laserenergie van ≈ 500 W zijn al een behoorlijk resultaat te verkrijgen is voor industriële toepassingen. Dit hangt ook hier weer af van de toepassing, en met name van de mate waarin het onderliggende materiaal de laserwarmte opneemt. Polijsten van een RVS oppervlak zal met dezelfde energie een hogere waarde per seconde bereiken dan met een ondergrond van bijvoorbeeld Cu of Al.
Maximaal haalbaar is een ruwheidswaarde van Ra = 0,3 µ, uitgaande van een geslepen metalen oppervlak. Omdat de laser het oppervlak fysiek niet beroert, is het polijsten van poreuze oppervlakken eveneens goed mogelijk.

Wat voor snelheid is er te behalen laserpolijsten?

Om de gedachten te bepalen: 20 tot 30 sec/cm2 is in de praktijk haalbaar, onder de juiste omstandigheden. In vergelijking tot het handpolijsten van 3D-oppervlakken in spuitgietgereedschappen is deze techniek grofweg 60 x sneller.
Ook hier is de processnelheid recht evenredig aan geïnstalleerd vermogen en vanzelfsprekend afhankelijk van:

Laserreinigen behoort daarom samen met het laserpolijsten tot de modernste technieken om oppervlaktes te bewerken of te behandelen.
Het proces als werktuig behoeft een nauwkeurige spanbank, die onvermijdelijk deel zal uitmaken van het besluitvormingsproces.

Veiligheid

Lasers voor gebruik in industriële lasprocessen, warmtebehandelingen, oppervlaktebehandelingen en dergelijke, zijn alle klasse 4 lasers, alleen bedoeld voor industrieel gebruik en tevens alleen na voldoende scholing en onder geëigend toezicht.
Dit type lasers, en zeker de hoogvermogen laslasers, kunnen ernstige schade aan het lichaam aanbrengen, in het bijzonder aan de ogen. Die schade is niet herstelbaar.
Bij gebruik van de CO2 laser met λ ∼  1 μm is PMMA of glas van voldoende dikte een veel gebruikte machineafscherming mits van voldoende kwaliteit, maar voor het werken aan of met werkende lasers zijn speciale brillen met speciaal glas noodzaak.
Veelal maken speciale camera's het proces voldoende zichtbaar, zodat operators zich niet in het lichtbereik van de laser behoeven te bevinden.
Het is om die reden dat lasers altijd in licht‐dichte ruimtes moeten staan en bij serieproductie een lichtsluis hebben voor zowel in‐ als uitvoer.

Nieuwe projecten ontstaan door automatisering in de productie en beginnen met (her-)ontwerp.

Customized solutions Production Engineering & Lasertechnology