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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.