Was ist der Unterschied zwischen kontinuierlicher Laserreinigung und gepulster Laserreinigung?

Die Lasersäuberungstechnologie, als effiziente und umweltfreundliche Methode zur Oberflächenreinigung, wird hauptsächlich anhand der unterschiedlichen Ausgabemethoden des Lasers in kontinuierliche Laserreinigung und gepulste Laserreinigung unterteilt. Zwischen beiden bestehen erhebliche Unterschiede hinsichtlich ihres Wirkmechanismus, der Prozessparameter, der Reinigungswirkung und der Anwendungsgebiete.
I. Wirkmechanismus
Die kontinuierliche Laserreinigung verwendet einen Laserstrahl mit konstanter Ausgangsleistung, der die Oberfläche des Werkstücks kontinuierlich bestrahlt. Der Reinigungsmechanismus beruht hauptsächlich auf dem thermischen Effekt. Wenn Verunreinigungen oder Beschichtungen die Laserenergie absorbieren, steigt ihre Temperatur stetig an, wodurch sie schließlich durch Prozesse wie Schmelzen, Verdampfen oder thermische Expansion entfernt werden. Die thermische Belastung des Substrats ist dabei relativ kontinuierlich und tiefgreifend.
Die gepulste Lasersäuberung verwendet eine periodische Ausgabe von Laserpulsen mit hoher Spitzenleistung, wobei jeder Puls eine extrem kurze Dauer (typischerweise im Nanosekunden-, Pikosekunden- oder sogar Femtosekundenbereich) aufweist. Der Reinigungsmechanismus kombiniert thermische und mechanische Effekte. Die Verunreinigungen werden innerhalb eines äußerst kurzen Zeitraums schnell erhitzt, verdampft oder ionisiert und erzeugen intensive Stoßwellen. Diese Stoßwellen nutzen ihre Kraft, um die Verunreinigungen von der Substratoberfläche „abzuschwingen“. Aufgrund der kurzen Dauer der Einwirkung hat die Wärme keine Zeit, in größerem Maßstab in das Substrat geleitet zu werden, sodass die wärmeeinflusste Zone relativ klein bleibt.
II. Wichtige Prozessparameter
Die Kernparameter der kontinuierlichen Lasersäuberung sind die Laserleistung (Watt, W) und die Scangeschwindigkeit. Durch die Abstimmung von Leistung und Geschwindigkeit kann die Energieeintragsmenge pro Flächeneinheit (Energiedichte) gesteuert werden.
Die Kernparameter der gepulsten Lasersäuberung sind weitaus komplexer und umfassen hauptsächlich:
Pulsenergie (Joule, J): Die Energie, die in einem einzelnen Puls enthalten ist.
Pulsbreite (Sekunden, s): Die Dauer eines einzelnen Pulses, die die Leistungsdichte bestimmt.
Wiederholungsfrequenz (Hertz, Hz): Die Anzahl der pro Sekunde ausgegebenen Pulse, die die Reinigungseffizienz beeinflusst.
Leistungsdichte (Watt pro Quadratzentimeter, W/cm²): Sie wird sowohl durch die Pulsenergie als auch durch die Pulsbreite bestimmt und ist der entscheidende Faktor für die Erzeugung mechanischer Effekte.
III. Reinigungswirkung und Eigenschaften
Reinigungseffizienz: Bei gleicher Durchschnittsleistung weist der kontinuierliche Laser aufgrund seiner ununterbrochenen Energieabgabe normalerweise eine höhere Materialabtragsgeschwindigkeit und damit eine höhere Reinigungseffizienz auf. Die Reinigungseffizienz des gepulsten Lasers ist durch die Wiederholungsfrequenz begrenzt.
Wärmeeinfluss: Der Dauerlaser liefert eine große und kontinuierliche Wärmeenergie an das Substrat, wodurch thermische Schäden am Substrat, wie Schmelzen, Verformung und Änderungen der Mikrostruktur, begünstigt werden. Dieses Risiko ist besonders hoch bei wärmeempfindlichen Materialien. Der thermisch beeinflusste Bereich des gepulsten Lasers ist gering, wodurch eine „kaltbearbeitende“ Prozessführung ermöglicht wird, die sich besser für die Reinigung präziser und wärmeempfindlicher Bauteile eignet.
Reinigungsgenauigkeit und Steuerbarkeit: Durch die Kontrolle der Energie und Anzahl einzelner Pulse kann der gepulste Laser eine schichtweise Entfernung der Verschmutzungsschicht erreichen, was eine höhere Kontrollgenauigkeit ermöglicht und eine selektive Reinigung ohne Beschädigung des Substrats einfacher macht. Die Kontrollgenauigkeit des Dauerlasers ist vergleichsweise geringer.
Anwendungsbereich des Reinigungsmechanismus: Der kontinuierliche Laser eignet sich besser zum Entfernen von Verunreinigungen mit relativ schwacher Haftkraft auf dem Untergrund oder solchen, die durch thermische Effekte effektiv entfernt werden können, wie z. B. Ölflecken, Farbe, Gummi usw. Die mechanische Schlagwirkung des gepulsten Lasers ist effektiver beim Entfernen festhaftender Partikel (wie Staub, Metallpartikel), Oxidschichten und winziger Partikel.
Gerätekosten und Komplexität: Puls-Laser, insbesondere Ultrakurzpuls-Laser, weisen im Allgemeinen eine höhere technische Komplexität und höhere Herstellungskosten auf als Dauerstrichlaser gleicher Durchschnittsleistung.
IV. Anwendungsszenarien
Kontinuierliche Laserreinigung: Diese Methode wird häufig in großflächigen, hocheffizienten makroskopischen Reinigungsszenarien eingesetzt, wie z. B. bei der Lackentfernung an Schiffsrümpfen, der Vorbehandlung großer Stahlbauoberflächen und der Reinigung von Reifenformen. Sie ist anwendbar in Bereichen, in denen keine strengen Anforderungen an thermische Schädigungen des Untergrunds bestehen.
Gepulste Laserreinigung: Wird häufig in den Bereichen hochpräzise und materialschonende Mikrobearbeitung sowie Reinigung eingesetzt, beispielsweise zur Reinigung elektronischer Bauteile, Restaurierung von Kulturgütern, Dekontamination präziser Formen, Entfernung von Partikeln von der Oberfläche von Halbleiterwafern sowie zur Wartung von Schlüsselkomponenten in der Luft- und Raumfahrt.

Die kontinuierliche Laserreinigung und die gepulste Laserreinigung sind zwei technische Ansätze, die auf unterschiedlichen physikalischen Mechanismen basieren. Die kontinuierliche Laserreinigung beruht hauptsächlich auf thermischen Effekten und zeichnet sich durch hohe Effizienz und großflächige Reinigung aus; die gepulste Laserreinigung kombiniert thermische und mechanische Effekte und bietet als zentrale Vorteile hohe Präzision und geringe thermische Schädigung. In der praktischen Anwendung müssen Faktoren wie die Materialeigenschaften des zu reinigenden Objekts, die Art der Verunreinigungen, die Präzisionsanforderungen sowie die Toleranz gegenüber thermischen Einwirkungen umfassend berücksichtigt und die geeignete Technologie ausgewählt werden.