|
Reiniging en onderhoud
Oppervlaktebehandeling met de laser
version française
Sinds de eerste realisatie van een werkende laser door Theodore Maiman van het
Hughes Research Laboratorium in mei 1960, zijn honderden lasertypen gemaakt.
Gekeken naar praktische bruikbaarheid voor de materiaalbewerking in zowel
technisch als economisch opzicht blijft er echter een handvol over. Van belang
voor praktische toepassing zijn de wijze van pompen, de golflengte van het
laserlicht, het energetisch rendement, de manier waarop verlieswarmte wordt
afgevoerd en de levensduur.
De meest gebruikelijke indeling van lasertypen is die naar de aggregatietoestand
van het lasermedium: vaste stof (Nd:YAG) of gas (CO2). Een materiaal is geschikt
als lasermedium als het de juiste elektronische configuraties bezit. Hoewel dat
in de praktijk meer om handen heeft dan simpelweg beschikken over een hoog en
een laag energieniveau, zijn toch vrij veel materialen bruikbaar.
Werkingsproces
Met de laser valt alles te verwijderen wat maar laserenergie opneemt.
Organische materialen zoals rubber, vetten, olie en verf, maar ook anorganische
aanslag zoals roest, verdwijnen als sneeuw voor de zon. Laserreinigen gaat het
best met Nd:YAG-laser. Bij dat type laser is de energiehoeveelheid goed te
doseren via een uitgekiend pulsmanagement. Een belangrijk operationeel voordeel
is de geleiding van de bundel via glasvezels. Hoe het reinigingsproces precies
verloopt, is afhankelijk van de intensiteit van de laserstraal en van de duur
van de blootstelling aan het laserlicht. In het algemeen is er sprake van een
puls met hoge energie van een korte duur. Door de thermische scholgolf raakt het
vuil los. Bij heel hoge energie kan de vuillaag verdampen of ioniseren. Ook
kunnen ‘vuilmoleculen’ gekraakt worden tot kleinere, vluchtige eenheden. Het
risico voor beschadiging van het te reinigen object zelf is doorgaans
verwaarloosbaar.
Een metalen oppervlak reflecteert de laserstraling voor het overgrote deel. De
hoeveelheid opgenomen energie is dan veel te klein om schade te berokkenen. Dit
zelfbegrenzende effect is uiteraard afhankelijk van de energieopname van de te
verwijderen laag. Hoe snel een laag is te verwijderen is niet alleen afhankelijk
van de dikte ervan, maar ook van het verschil in energieadsorptie tussen
substraat en verontreiniging. Ook het beschikbare laservermogen heeft invloed.
Oppervlaktebehandeling met de laser bestaat er dus in een component te scannen
onder een laserbundel met als doel de microstructuur of samenstelling van het
oppervlak te wijzigen. De bewegende laserbundel zorgt er immers voor dat een
thermische cyclus geïnduceerd wordt in het materiaal. In de eerste stap van het
proces stijgt de oppervlaktetemperatuur door de absorptie van het laserlicht.
Deze wordt gevolgd door een snelle afkoeling (self quenching) door
warmtediffusie naar de koude bulk. Hierdoor ontstaat een specifieke
oppervlaktestructuur die door klassieke processen niet kan gerealiseerd worden.
Laserreinigen
Dat de laser fysiek het te bewerken onderdeel niet aanraakt, geeft een groot
aantal mogelijkheden om verschillende bewerkingen uit te voeren op oppervlakken
van vaak willekeurige vorm en/of uit vaak willekeurig materiaal. Daarbij zijn
geen chemicaliën nodig die speciale maatregelen behoeven. Er is geen
straalmiddel nodig dat aan slijtage onderhevig is, en naderhand als chemisch
afval moet worden behandeld. De hoeveelheid afval wordt qua volume dus beperkt,
omdat het straalmiddel – licht – schoon is en schoon blijft. Min of meer
gelijkwaardig uit te voeren laser-oppervlaktebehandelingn zijn, laserreinigen en
laserpolijsten.
Een goed voorbeeld vinden we bij bandenmatrijzen voor autobanden. Een laser
reinigt die uitstekend: grofweg een kleine dertig 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 kan werken. Een tweede
belangrijk voordeel is dat het laserlicht de vaak gespecialiseerde vorm van de
matrijs niet veranderd. 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.
De energie in de laserstraal verhoogt in de eerste plaats de energie in de
atomen of moleculen in het getroffen oppervlak, en daarmee loopt de temperatuur
in dat oppervlak op. Deze warmtebeïnvloeding bij reiniging zal gebruikelijk ook
beperkt blijven tot enkele honderdsten van een millimeter, of nog minder,
waarmee onthardingsverschijnselen bij staal bovendien vermeden worden. En dan
nog: bij reiniging is de opwarming gebruikelijk niet meer dan een 20 à 30° C,
eigenlijk nauwelijks merkbaar.
Voor deze reinigingsbehandelingen is de benodigde energie relatief laag. Echter
ook hier is de reinigingssnelheid recht evenredig aan geïnstalleerd vermogen en
vanzelfsprekend afhankelijk van de mate van vervuiling en/of gewenste reinheid,
laagdikte en materiaaleigenschappen.
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
een zodanige energieverhoging geeft, dat er werkelijk iets zal ontstaan,
namelijk, een reiniging of afbreken van de toplaag. 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.
Laserbronnen
De laserbronnen die voornamelijk gebruikt worden voor de
oppervlaktebehandeling van materialen zijn de hoogvermogen IR-lasers: CO2,
Nd:YAG en diodelasers. De bundelkwaliteit (divergentie van de bundel,
focuseerbaarheid), wat heel belangrijk is voor lasersnijden en –lassen, is voor
deze toepassingen van minder belang. Voor oppervlaktebehandeling is wel een
minimaal vermogen van 1 of meer kW noodzakelijk.
Zoals reeds aangehaald is het noodzakelijk dat er een interactie optreedt tussen
het laserlicht en het materiaal, zodat het laserlicht geabsorbeerd wordt door
het materiaal. Deze absorptie is enerzijds afhankelijk van de golflengte van het
laserlicht en varieert anderzijds van materiaal tot materiaal. Bij metalen, in
tegenstelling tot kunststoffen, gebeurt de absorptie voornamelijk aan het
oppervlak. Aluminium reflecteert nagenoeg volledig het CO2 en ook heel sterk het
Nd:YAG licht en vertoont een absorptiemaximum rond 800 nm (golflengte van
diodelaser). Deze reflectie kan opgevangen worden door het aanbrengen van
absorberende coatings, het behandelen van het oppervlak en het verwarmen van de
component.
De industrie past in hoofdzaak CO2-, Nd:YAG-, en excimerlasers toe. Diode-lasers
zijn in opmars. Ieder type laser heeft zijn eigen specifieke kenmerken die ze
geschikt maakt voor verschillende soorten van materiaalbewerking. Advies is in
deze dan ook onvermijdelijk.
CO2-laser
De bekendste telg in het geslacht van industriële lasers, en het werkpaard
voor de metaalindustrie is de CO2-laser, die beschikbaar zijn met een
continuvermogen tot 45 kW. Het lasermedium is koolzuurgas. Het licht afkomstig
van deze bron (eigenlijk gaat het om warmtestraling) heeft een golflengte van
10,6 µm, dat is gemiddeld zo’n twintig keer langer dan dat van zichtbaar licht.
Omdat metalen dat (infrarode) licht flink reflecteren moet relatief veel
vermogen naar het materiaaloppervlak worden gestraald. De CO2-laser vindt veel
toepassing in traditioneel verspanende bewerkingen zoals snijden en boren en op
gebieden waar de inbreng van thermische effecten van belang zijn, zoals lassen
en harden.
Nd:YAG-laser
Dit tweede lasertype dat geschikt is voor materiaalbewerking is een
vastestoflaser, die licht levert met een golflengte van 1,06 µm. Dat is net niet
zichtbaar en ligt in het nabij-infrarode deel van het elektromagnetisch
spectrum. De absorptie door metalen is aanzienlijk beter dan bij de
CO2-straling. Toch zijn de lasers bij vergelijkbaar vermogen compacter dan de
CO2-laser. De Nd:YAG-laser is populair in toepassingen zoals markeren en
graveren maar is ook steeds vaker terug te vinden in de ‘zware’ toepassingen
zoals snijden en boren. De eenvoudiger bundelgeleiding is hier een praktisch
voordeel boven de CO2-laser
Excimerlaser
De excimerlaser, een gaslaser, biedt de kortste golflengte van de lasertypen
die in de materiaalbewerking te vinden zijn. Het lasergas bestaat uit
combinaties van edelgassen (argon, krypton en xenon) en halogenen (fluor en
chloor), en de golflengtes liggen tussen 0,193 µm en 0,351 µm. Het is
ultraviolet licht dat goed door B-materialen wordt geabsorbeerd. Het realiseren
van een excimerlaser is geen sinecure in verband met de agressieve
halogeengassen. Systemen met vermogens tot enkele honderden Watts zijn
commercieel verkrijgbaar.
Diode-laser
De diodelaser is een halfgeleiderlaser op een chip. Licht ontstaat hier op
het grensvlak van twee materialen met verschillende geleidingskarakteristiek,
onder invloed van een elektrische spanning. De golflengte van een diodelaser
varieert afhankelijk van de keuze voor de halfgeleidende materialen van 0,45 µm
(zichtbaar blauw) tot in het infrarood (2,5 µm). Er zijn inmiddels multi-kW
lasers beschikbaar met een bundelkwaliteit die vergelijkbaar is met die van CO2-
of de Nd:YAG-laser. Een belangrijk voordeel van de diode-laser is zijn hoge
rendement: rond 50 procent is haalbaar.
Risico’s
Tijdens bewerkingen met de laser moet men wel enige voorzorgsmaatregelen nemen
om bepaalde risico’s te vermijden. Zo kan laserstraling een risico vormen voor
huid en ogen, maar niet voor inwendige delen van het lichaam. De indringdiepte
van laserstraling is immers gering. Bij de huid wordt alle straling in de
buitenste lagen geabsorbeerd. Echter de interactie tussen laserbundel en huid is
divers. Voor de hand ligt verbranding, want de temperatuur kan plaatselijk zeer
sterk oplopen. In de praktijk blijken kleine maar diepe brandwondjes door
laserstraling vrij langzaam, maar wel volledig te genezen.
De interactie tussen laser en materiaal resulteert echter ook in een risico van
blootstelling aan straling. Dit betreft niet alleen de (al dan niet diffuus)
gereflecteerde laserbundel, maar ook straling die door het materiaal zelf wordt
uitgezonden. Bij zeer hoge temperaturen heeft deze ‘zwart lichaamstraling’ een
grote intensiteit met daarin relatief veel UV-straling en blauw licht. Zeker bij
het laserlassen en andere processen waarbij sprake is van zogenaamde
‘pluimstraling’ zijn schadelijke stralingniveaus niet ondenkbeeldig.
In een studie, uitgevoerd in het kader van het Europese EUREKA-project, wordt
nadrukkelijk gewezen op het vrijkomen van toxische stoffen bij snijden, boren en
soms ook bij oppervlaktebehandeling van metalen en kunststoffen. Tenslotte zijn
ook meer algemene bewerkingsrisico’s te identificeren zoals wegspattende
(slak)deeltjes, de aanwezigheid van hete werkstukoppervlakken en brand- en
explosiegevaar.
In de praktijk blijken de risico’s echter alleszins hanteerbaar, zo concluderen
de onderzoekers in het EUREKA-project. Zeker bij normaal gebruik bieden
technische veiligheidsvoorzieningen goede mogelijkheden de risico’s te
reduceren. Onder niet normale omstandigheden zoals bij onderhoud en
instelwerkzaamheden is dat minder het geval. Vooral dan is het zaak persoonlijke
beschermingsmiddelen te dragen, de voorschriften op te volgen en veilige
werkwijzen te hanteren.
Hubert Lahaut
Nettoyage et entretien
Traitement de surface au laser
Depuis la première réalisation d’un laser opérationnel par Theodore Maiman du
laboratoire Hughes Research en mai 1960, des centaines de modèles de laser ont
été fabriqués. Vu leur efficacité en traitement des matériaux tant sur le plan
technique qu’économique, seule une poignée reste en course dans ce domaine. Le
pompage, la longueur d’onde de la lumière laser, le rendement énergétique, le
type d’évacuation de la chaleur résiduelle et la durée de vie jouent également
un rôle pour l’application pratique.
La répartition classique des modèles laser s’appuie sur l’état d’agrégation du
milieu actif du laser : substance solide (Nd:YAG) ou gaz (CO2). Un matériau
convient comme milieu actif de laser s’il possède les bonnes configurations
électroniques. Même si cela suppose dans la pratique plus qu’une simple
disposition d’un niveau d’énergie élevé ou faible, de nombreux matériaux peuvent
être utilisés.
Processus de fonctionnement
Le laser permet d’éliminer tout ce que peut absorber son énergie. Des
matériaux organiques comme le caoutchouc, les graisses, l’huile et la peinture,
de même que les dépôts inorganiques comme la rouille fondent comme neige au
soleil. Le laser Nd:YAG offre le meilleur résultat de nettoyage au laser. Avec
ce type de laser, la quantité d’énergie peut être parfaitement dosée par une
gestion astucieuse des impulsions. Le guidage du faisceau via des fibres
optiques constitue un avantage opérationnel important. Le déroulement précis du
processus de nettoyage dépend de l’intensité du rayon laser et de la durée
d’exposition à sa lumière. De manière générale, on parle d’une impulsion à
grande énergie de courte durée. La crasse se détache sous l’effet de l’onde de
choc thermique. Une énergie très élevée peut évaporer ou ioniser la couche de
saleté. Les ‘molécules de saleté’ peuvent également être brisées en unités plus
petites et volatiles. Le risque d’endommager l’objet à nettoyer est généralement
insignifiant. Une surface métallique réfléchit la majorité du rayonnement laser.
La quantité d’énergie absorbée est alors beaucoup trop petite pour provoquer un
quelconque dégât. Cet effet autolimitant dépend naturellement de l’énergie
absorbée par la couche à enlever. La vitesse d’enlèvement d’une couche ne dépend
pas seulement de son épaisseur mais aussi de la différence d’absorption
d’énergie entre le substrat et la saleté. La puissance disponible du laser
influence aussi ce paramètre. Le traitement de surface au laser consiste donc à
scanner un composant sous un faisceau laser afin de modifier la microstructure
ou la composition de la surface. Le déplacement du faisceau laser génère un
cycle thermique dans le matériau. Dans la première phase du processus, la
température de surface augmente suite à l’absorption de la lumière laser. Cette
phase est suivie d’un refroidissement rapide (self quenching) par diffusion de
la chaleur vers la masse froide. Il en résulte une structure de surface
spécifique qu’il est impossible d’obtenir par des processus classiques.
Nettoyage au laser
En ne touchant pas physiquement à l’élément à traiter, le laser permet de
réaliser différentes opérations sur des surfaces de formes et de matériaux
aléatoires. Il ne réclame pas non plus de produits chimiques nécessitant des
mesures particulières. Il ne fait pas appel à des moyens abrasifs risquant de
s’user et de devoir être traités par la suite comme déchet chimique. La quantité
de déchets en termes de volume est dès lors réduite puisque l’outil abrasif – la
lumière – reste beau et propre. Le nettoyage et le polissage au laser sont deux
types de traitement de surface au laser relativement semblables au niveau de
l’exécution. Les moules des pneus de voiture constituent un bel exemple. Le
nettoyage au laser est parfait et réalisé complètement en moins de trente
minutes. En outre, le moule ne doit pas être démonté puisqu’une tête de laser
peut également travailler dans un environnement chaud. Autre avantage important,
la lumière laser ne modifie pas la forme souvent spécifique du moule. La forme
est préservée et la durée de vie du moule est dès lors considérablement
prolongée. Les lasers connaissent aussi beaucoup d’applications dans l’usinage
d’outils, tant pour le nettoyage que pour le polissage. L’énergie du rayon laser
augmente d’abord le niveau énergétique des atomes ou molécules de la surface
touchée. Dès lors, la température de cette couche augmente. Cette influence de
la chaleur lors du nettoyage restera généralement limitée à quelques centièmes
de millimètre ou moins encore, permettant en outre d’éviter les phénomènes
d’adoucissement de l’acier. De plus, lors du nettoyage, l’échauffement ne
dépasse généralement pas les 20 à 30°C et est donc à peine perceptible.
L’énergie nécessaire pour ces traitements de nettoyage est relativement faible.
Cependant, ici aussi, la vitesse de nettoyage est proportionnelle à la puissance
installée. Elle dépend naturellement du degré de saleté et/ou de la propreté
souhaitée, de l’épaisseur de la couche et des caractéristiques du matériau. Le
degré d’absorption, de conduction ou de réflexion de l’énergie du laser par la
surface illustre l’importance des caractéristiques du matériau. Il ne se passe
pas grand-chose lors de la conduction ou de la réflexion. Toutefois, il se peut
que l’absorption d’énergie entraîne simplement une plus grande malléabilité du
matériau, sans plus. Le laser a naturellement pour but de provoquer une hausse
d’énergie dans les couches visées afin d’induire un réel changement, à savoir un
nettoyage ou une décomposition de la couche supérieure. Une énergie relativement
faible permet par exemple de décomposer une couche de graisse et d’huile. Le
résidu généralement vaporeux peut alors être aspiré.
Sources laser
Les sources laser principalement utilisées pour le traitement de surface des
matériaux sont les lasers IR à haute puissance : les lasers CO2, Nd:YAG et à
diode. La qualité du faisceau (divergence du faisceau, possibilité de
focaliser), qui est très importante lors de la découpe et du soudage au laser,
revêt une moins grande importance pour ces applications. Le traitement de
surface requiert toutefois une puissance minimale de 1 kW ou plus.
Comme nous l’avons déjà dit, il est nécessaire d’avoir une interaction entre la
lumière du laser et le matériau, afin que le matériau absorbe la lumière laser.
Cette absorption dépend d’une part de la longueur d’onde de la lumière laser et
varie d’autre part d’un matériau à l’autre. Contrairement aux matières
synthétiques, les métaux présentent surtout une absorption en surface.
L’aluminium réfléchit quasi entièrement le CO2 et dans une grande mesure aussi
la lumière Nd:YAG. Il affiche une absorption maximale à environ 800 nm (longueur
d’onde du laser à diode). Cette réflexion peut être compensée par l’application
de revêtements absorbants, le traitement de la surface et le chauffage du
matériau. L’industrie utilise surtout des lasers CO2, Nd:YAG et à excimère. Les
lasers à diode connaissent un succès grandissant. Chaque type de laser a ses
caractéristiques spécifiques qui le destinent à différents types de traitement
de matériaux. Le conseil est dès lors incontournable.
Laser CO2
Le laser CO2 est le plus célèbre de la famille des lasers industriels et la
bête de travail dans l’industrie du métal. Il est disponible avec une puissance
continue pouvant atteindre 45 kW. Le milieu actif du laser est le dioxyde de
carbone. La lumière provenant de cette source (il s’agit en fait d’un
rayonnement de chaleur) a une longueur d’onde de 10,6 µm, ce qui équivaut en
moyenne à vingt fois celle de la lumière visible. Puisque les métaux
réfléchissent cette lumière (infrarouge), la puissance rayonnée vers la surface
du matériau doit être relativement importante. Le laser CO2 est fréquemment
utilisé dans les traitements d’usinage classiques comme la découpe et le forage
ainsi que dans des domaines où l’apport d’effets thermiques doit être important,
par exemple le soudage et la trempe.
Laser Nd:YAG
Ce deuxième type de laser qui convient pour le traitement de matériaux est
un laser à substance solide. Il fournit une lumière d’une longueur d’onde de
1,06 µm. Cette lumière est à la limite du visible et se situe dans la plage
proche de l’infrarouge du spectre électromagnétique. L’absorption par les métaux
est sensiblement meilleure par rapport au rayonnement CO2. Pourtant, à puissance
comparable, ces lasers sont plus compacts que le laser CO2. Le laser Nd:YAG est
populaire dans des applications comme le marquage et la gravure. Cependant, nous
le retrouvons aussi de plus en plus dans des applications ‘lourdes’ comme la
découpe et le forage. Le guidage simple par faisceau présente un avantage
pratique par rapport au laser à CO2.
Laser à excimère
Le laser à excimère, un laser à gaz, offre la longueur d’onde la plus courte
de tous les types de laser que l’on trouve dans le traitement des matériaux. Le
gaz du laser combine des gaz nobles (argon, crypton et xénon) et des halogènes
(fluor et chlore). Les longueurs d’onde se situent entre 0,193 µm et 0,351 µm.
Cette lumière ultraviolette est bien absorbée par les matériaux B. La
réalisation d’un laser à excimère n’est pas une sinécure en ce qui concerne les
gaz halogènes agressifs. Il existe dans le commerce des systèmes présentant des
puissances de plusieurs centaines de Watts.
Le laser à diode
Le laser à diode est un laser à semi-conducteur sur puce. La lumière naît à
la frontière de deux matériaux présentant, sous l’influence d’une tension
électrique, une caractéristique de conduction différente. La longueur d’onde
d’un laser à diode varie de 0,45µm (bleu visible) à l’infrarouge (2,5µm) en
fonction du choix des matériaux semi-conducteurs. Il existe aujourd’hui des
lasers multi-kW affichant une qualité de faisceau comparable à celle du laser
CO2 ou Nd:YAG. Le laser à diode présente un grand avantage: il offre un
rendement élevé qui peut atteindre environ 50 pour-cent.
Risques
Il est important de prendre des mesures de précaution lors des usinages au
laser afin d’éviter certains risques. Le rayonnement laser peut présenter un
risque pour la peau et les yeux mais pas pour les parties internes du corps. La
profondeur de pénétration d’un rayon laser est en effet faible. Tout le
rayonnement est absorbé par les couches superficielles de la peau. Cependant,
l’interaction entre le faisceau laser et la peau est très variée. La brûlure est
évidente puisque la température peut devenir localement très importante. Dans la
pratique, les petites brûlures profondes provoquées par le rayon laser s’avèrent
guérir lentement mais totalement. L’interaction entre le laser et le matériau
induit aussi un risque d’exposition au rayonnement. Cela concerne non seulement
le faisceau laser réfléchi (diffus ou non), mais aussi le rayonnement renvoyé
par le matériau. Si les températures sont très élevées, ce ‘rayonnement de corps
noir’ de grande intensité comprend beaucoup de rayons UV et de lumière bleue.
Des niveaux de rayonnement nocifs ne sont pas impossibles lors du soudage au
laser et d’autres processus où l’on parle de ‘rayonnement en panache’. Une étude
menée dans le cadre du projet européen EUREKA souligne explicitement la
libération de substances toxiques lors de la découpe, du forage et parfois
aussi, lors du traitement de surface de métaux et matières synthétiques.
Finalement, nous pouvons aussi identifier des risques d’usinage plus généraux
comme les éclaboussures de particules (de scories), la présence de surfaces de
pièces très chaudes et le danger d’incendie et d’explosion. Cependant, selon les
chercheurs du projet EUREKA, les risques restent tout à fait gérables dans la
pratique. En cas d’utilisation normale, les dispositifs de sécurité techniques
permettent de parfaitement réduire les risques. En d’autres circonstances, par
exemple lors de l’entretien et des activités de réglage, cette sécurité est
moins évidente. Il convient alors de porter des moyens de protection personnels,
de suivre les prescriptions et d’adopter des méthodes de travail en toute
sécurité.
Hubert Lahaut
|
