UDK 535.374:535-2:669.71 ISSN 1580-2949 Strokovni članek MTAEC9, 37(5)261(2003) OPTODINAMSKO SPREMLJANJE PROCESA ODSTRANJEVANJA BARVE V REALNEM ČASU REAL-TIME OPTODYNAMIC MONITORING OF A PULSED-LASER DECOATING RATE Matija Milanič, Matija Jezeršek, Aleš Babnik, Janez Možina Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija matija.milanicŽfs.uni-lj.si Prejem rokopisa – received: 2002-10-03; sprejem za objavo - accepted for publication: 2003-06-23 V postopku laserskega odstranjevanja sloja barve z aluminijaste podlage smo uporabili dva čistilna laserja: ekscimernega ter bliskovnega Nd:YAG. Z namenom podrobnega razumevanja medsebojnih vplivov med pojavi, ki nastajajo med procesom laserskega odstranjevanja, smo sočasno uporabljali tri optične merilnike. Optodinamske signale v aluminijasti podlagi smo merili z Michelsonovim interferometrom s kompenziranim krakom (ACMI), optodinamske signale v zraku tik nad obdelovalno površino pa z lasersko odklonsko sondo (LBP). Geometrijo ter s tem globino in volumen nastajajočih kraterjev smo merili z laserskim anamorfnim profilomerom (LAP). Na osnovi opravljenih meritev smo ugotovili, da je bliskovni Nd:YAG laser ustreznejši v primerjavi z ekscimernim laserskim izvirom ter da obstaja linearna povezava med količino odstranjene snovi in integralom optodinamskega signala, izmerjenega tako z ACMI kot tudi z LBP. Ključne besede: optodinamika, lasersko čiščenje, Michelsonov interferometer, laserska odklonska sonda A laser-based paint-de-coating process was studied by using two different cleaning lasers: an eximer laser and a pulsed Nd:YAG laser. In order to understand in detail the interacting impacts, which act during the laser-based de-coating process, it was monitored simultaneously by three optical measures. The optodynamic signals in the aluminum substrate were measured by an arm-compensated Michelson interferometer (ACMI) and optodynamic signals in the surrounding air, above the treated surface, were measured using a laser-beam probe (LBP). The geometry of the growing crater was measured using a laser anamorph profilomer (LAP). The experimental results showed the better suitability of the Nd:YAG laser compared to the excimer laser. We also found a linear correlation between the quantity of ablated material and the integral of an optodynamic signal measured by the ACMI and the LBP. Keywords: optodynamics, laser decoating, Michelson interferometer, laser-beam deflection probe 1 UVOD Svetovne potrebe po odstranjevanju slojev barv ali oksidov z različnih tehničnih površin so ogromne. Vsako leto je treba očistiti več sto milijonov kvadratnih metrov površin ladij, letal, kipov, mostov in drugih vrst kovinskih in nekovinskih površin. Poleg konvencionalnih tehnik, kot so čiščenje z vodnim curkom (water jet), ultrazvokom, s peskanjem ipd., prihajajo čedalje bolj v ospredje tudi sodobne tehnike, kot sta plazemsko in lasersko čiščenje površin. Prednosti laserskega čiščenja so pred konvencionalnimi tehnikami predvsem v zmožnosti selektivnega odstranjevanja snovi, ki je posledica različne absorpcije snovi za posamezno vrsto laserske svetlobe, nadalje v zmožnosti natančnega lociranja mesta čiščenja ter še nadalje majhnega vpliva na okolje, saj niso potrebni nobeni kemični pripomočki1. Ustrezen nadzor procesa je bistven pri zagotavljanju optimalne hitrosti in kakovosti laserskega (in tudi drugih vrst) odstranjevanja barve oziroma oksidov. Med parametri procesa sta najvplivnejša svetlobna intenziteta in energija, pri čemer se slednja izraža v obsevalnem času za primer kontinuiranega oziroma v številu bliskov v primeru bliskovnega laserja. V literaturi je moč zaslediti različne tehnike nadzora, ki jih glede na vrsto zaznaval delimo na svetlobne in zvočne 2. Med svetlobne spadajo videonadzor očiščene površine ter spektralni senzorji (odbojnostni in absorpcijski), ki zaznavajo kemično sestavo obsevanega materiala ter s tem prehod med zaželenim odstranjevanjem plasti barve oziroma oksida in nezaželenim odstranjevanjem - poškodbo osnovnega materiala. Z zvočnimi senzorji (mikrofoni, PZT pospeškomeri itd.) posredno merimo intenzivnost odstranjevanja plasti. Njihova prednost pred svetlobnimi senzorji je predvsem v enostavni uporabi, slabost pa težavna in nezanesljiva interpretacija merjenega akustičnega signala. V tem članku predstavljamo nadzorovan sistem za lasersko odstranjevanje barve. Nadzor smo izvedli z uporabo dveh optičnih senzorjev, ki sočasno merita optodinamske pojave, vzbujene v okoliškem zraku ter v osnovnem materialu. Optodinamski pojavi v zraku se izražajo v obliki zvočnega signala in jih merimo z lasersko odklonsko sondo (LBP), v osnovnem materialu pa v obliki širjenja ultrazvočnih valov in jih merimo z Michelsonovim interferometrom s kompenziranim krakom (ACMI). Sočasno pa smo kot referenco merili obliko nastajajočega kraterja v plasti barve z uporabo laserskega anamorfnega profilomera (LAP). Namen opravljenih meritev je bil najti povezavo med značilnimi MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 5 261 M. MILANIČ ET AL.: OPTODINAMSKO SPREMLJANJE PROCESA ODSTRANJEVANJA BARVE V REALNEM ČASU parametri optodinamskih signalov ter količino odstranjene snovi. 2 POSTAVITEV EKSPERIMENTA Kot izvir laserske svetlobe za odstranjevanje barve smo uporabili bliskovni Nd:YAG-laser (valovna dolžina 1064 nm, dolžina bliska 6 ns, energija bliska 416 mJ) in ekscimerni XeCl-bliskovni laser (valovna dolžina 308 nm, dolžina bliska 20 ns, energija bliska 100 mJ). Intenziteto svetlobe na mestu obdelave smo nastavili tik pod mejo ablacije na površini aluminija, in sicer z nastavljanjem parametrov vzbujanja (gonilna napetost bliskavke) ter z nastavitvijo premera žarka na mestu obdelave. Kot vzorec nam je rabila aluminijasta plošča debeline 20 mm, ki je bila na strani obdelave prevlečena s slojem barve debeline od 0,1 do 0,15 mm. Površina druge strani vzorca je bila zrcalno polirana. Plošča je bila pritrjena na dvodimenzionalno pozicionirno mizico, s katero smo zagotovili računalniško voden pomik obdelo-vanca prečno proti čistilnemu žarku med obdelavo oziroma napram merilnemu žarku med fazo merjenja profila kraterja. Uporabili smo tehniko suhega čiščenja površine 3. Proces čiščenja smo spremljali s tremi merilniki: a) Michelsonov interferometer s kompenziranim krakom (ACMI) 2,5 nam je omogočal opazovanje premika zrcalne površine aluminijastega vzorca. Pomikje posledica na mestu obdelave generiranega optodinamskega signala, ki se širi po vzorcu do zadnje površine. Pasovna širina kompenzacijske povratne zanke referenčnega kraka interferometra v ACMI HeNe laser BS1 Fotodioda E Slika 3: Signal laserske odklonske sonde (LBP) kot sprememba napetosti na fotodiodi v normiranih enotah (p.e.) v odvisnosti od časa Figure 3: The acquired signals from the laser-beam probe (LBP) as voltage on the photodiode in average units (au) vs. time (t) N = l N = 5 N = 10 N = 15 Slika 4: Oblika kraterja po prvem, petem, desetem in petnajstem laserskem blisku, izmerjena z laserskim anamorfnim profilomerom (LAP) Figure 4: Shape of the ablated area after the first, fifth, tenth and fifteenth laser pulse, measured by the laser anamorph profilomer (LAP) k čV. -¦— ¦¦¦¦•- Excimer 1 Nd:YAG | 'X ¦-¦-¦- 10 20 30 N 40 50 Slika 5: Odvisnost med amplitudo (A) optodinamskega signala ACMI in laserskimi bliski (N) pri ekscimernem in Nd:YAG-laserju Figure 5: Relationship of the optodynamic signal amplitude (A) aquired by the ACMI to the laser pulse (N) with excimer and Nd:YAG tridimenzionalne površine smo izračunali globino in volumen kraterja. Pri primerjavi rezultatov procesa odstranjevanja barve z ekscimerjem in Nd:YAG-laserjem je jasno, da imajo značilni parametri pri prvem drugačno odvisnost od števila bliskov kot pri drugem. Slika 5 prikazuje odvisnost amplitude optodinamskega signala ACMI v odvisnosti od števila bliskov za oba čistilna laserja. Ob koncu procesa amplituda signala pri Nd:YAG pade skoraj na 0, pri ekscimerju pa ostane še vedno opazno velika. Opazna je tudi razlika v hitrosti odstranjevanja. Z Nd:YAG-laserjem potrebujemo č15 bliskov, z ekscimer laserjem pa č50 bliskov za odstranitev enake količine barve. Slika 6 prikazuje odvisnost učinkovitosti odstranjevanja barve od števila bliskov pri Nd:YAG laserju. Učinkovitost odstranjevanja barve Ra je razmerje med odstranjenim volumnom snovi in energijo laserskega bliska 8. Če uporabimo ekscimer kot čistilni laser, je učinkovitost čiščenja na začetku nižja, vendar proti 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 7-\ 6 l5 IE 4H 'o č 3 2 H 0 VI —¦— Excimer -¦¦•¦¦-¦ Nd YAG ¦v-Č—X"N-—ČV \ N Slika 6: Odvisnost učinkovitosti odstranjevanja barve (Ra) od laserskih bliskov (N) pri ekscimernem in Nd:YAG laserju Figure 6: Relationship of ablation rate (Ra) to the laser pulse (N) with excimer and Nd:YAG sources MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 5 263 M. MILANIČ ET AL.: OPTODINAMSKO SPREMLJANJE PROCESA ODSTRANJEVANJA BARVE V REALNEM ČASU 100 80 60 1 X E 40 20 0 -20 -40 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Ra Oo"1V/mj Slika 7: Povezava med učinkovitostjo odstranjevanja barve (Ra) in integralom optodinamskega signala ACMI pri Nd:YAG- izviru Figure 7: Correlation of ablation rate (Ra) and integral of opto-dynamic signal of the ACMI at the Nd:YAG source koncu procesa močno naraste. Pri Nd:YAG-izviru pa je proces vseskozi enako učinkovit, dokler na koncu učinkovitost odstranjevanja ne pade na vrednost 0. To pomeni, da je osvetljevano področje popolnoma očiščeno barve. Učinkovitost odstranjevanja barve je z Nd:YAG-laserjem dosti višja kot z ekscimernim, kar je tudi zahtevalo nadaljnje izvajanje eksperimentov samo s prvim. Slika 7 prikazuje povezavo med integralom optodinamskega signala ACMI in učinkovitostjo odstranjevanja barve Ra. S slike je lepo razvidna linearna korelacija med obema veličinama. Ker obstaja direktna povezava med prvim in drugim, za spremljanje procesa laserskega odstranjevanja zadošča že samo merjenje optodinamskega signala, saj lahko ob poznanju snovnih parametrov samo iz njegovega integrala določimo količino odstranjene snovi. Negativne vrednosti učinkovitosti čiščenja R* (slika 7) so posledica napake merjenja površine kraterja v zaključni fazi odstranjevanja. Primerjali smo tudi rezultate, dobljene z ACMI in LBP. Korelacije so v obeh primerih zelo podobne, s tem da se pri LBP pojavi večja disperzija, kar pa je v največji meri posledica rahlega spreminjanja razdalje vzorec-sondin žarek, za kar je ta instrument izredno občutljiv. Do spreminjanja te razdalje je prišlo zaradi premikanja vzorca med postopkom skeniranja kraterja z LAP. 4 SKLEP V tem članku smo predstavili tehniko spremljanja procesa laserskega odstranjevanja barve z dvema raz-ličnima bliskovnima laserjema (ekscimer in Nd:YAG). Sistem za nadzor procesa je sestavljen iz treh merilnikov: ACMI in LBP sta namenjena zajemanju optodinamskih signalov, LAP pa za merjenje profila kraterja. Ugotovili smo, da je Nd:YAG-laser bolj učinkovit pri odstranjevanju barve kot ekscimerni, zato smo nadaljnje eksperimente izvajali samo z Nd:YAG-laserjem. Primerjali smo različne parametre optodinamskega signala in rastočega kraterja, pri čemer smo ugotovili, da obstaja linearna korelacija med integralom optodinamskega signala in količino odstranjene snovi. Tako je že samo iz optodinamskega signala in parametrov snovi mogoče določiti količino odstranjene snovi. Primerjali smo tudi rezultate, dobljene z ACMI in LBP, in ugotovili, da so med seboj primerljivi. Disperzija je pri LBP nekoliko večja, vendar sta oba merilnika primerna za spremljanje procesa laserskega odstranjevanja barve. 5 LITERATURA 1 P. W. Fecsik, F. A. Lancaster, Laser-Based Paint Decoating Process, Metal Finishing, 98 (2000) 11, 10-14 2 Lovoi, et al., Method of and apparatus for the removal of paint and the like from a substrate, United States Patent, 4 (1986), 588-885 3 V. B. Bregar, J. Možina, Optoacustic analysis of the laser-cleaning process, Applied surface science, 185 (2002), 277-288 4 J. Diaci, J. Možina, Optical detection and analysis of nonlinear optoacustic waves, Physical Acustics: Fundamentals and applications, ed. Leroy O., Breazedale M. A., Plenum (1990) 5 C. H. Palmer, R. E. Green, Mat.Eval. 35 (1978), 10 6 Donges Axel, Lasermeßtechnik, Heidelberg, Hüthig (1993) 7 Sidney F. Ray, Applied Photographic Optics, Focal press (1994) 8 X. Zhou, K. Imasaki, H. Furukawa, H. Umino, K. Sakagishi, S. Nakai, C. Yamanaka, Simulation study and experiment on laser-ablation surface cleaning, Optics & Laser Technology, 33 (2001), 189-194 264 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 5