Abtrag dünner Krusten und Korrosionsschichten von

mineralischen Werkstoffoberflächen mittels Laserbestrahlung

Schnell, A.; Goretzki, L.; Kaps, Ch.

Bauhaus-Universität Weimar ­ Fachbereich Bauchemie, Coudraystr. 13c

D-99423 Weimar/ Thüringen

Abstract

Seit etwa einem Jahrzehnt wird neben herkömmlichen mechanischen oder

chemischen Abtragsmechanismen zunehmend die Laserstrahlreinigung als

berührungsloses Reinigungsverfahren für verschiedene mineralische

Werkstoffoberflächen eingesetzt. Beispiele hierfür sind vor allem der Abtrag

dünner Schmutzkrusten und Filme von Sandstein-, Marmor- oder

Glasoberflächen (auch farblich gefasst) in der Denkmalpflege sowie seit kurzem

die Reinigung von verschmutzten keramischen Oberflächen von Druckwalzen.

Die eingesetzten gepulsten Nd-YAG

Laser arbeiten im infraroten

Wellenlängenbereich mit Pulsdauern um 6 Nanosekunden. Die Pulsspitzenleis-

tung ist hoch, so dass die abzutragenden Materialien durch thermische

Spannungen abgesprengt bzw. zersetzt oder verdampft werden. Gleichzeitig

besteht jedoch die Gefahr, dass bei zu hohen Energiedichten des Lasers der zu

reinigende Werkstoff selbst verändert werden kann. Dieser ungewollte

Nebeneffekt ist ebenso wie der Abtragsmechanismus selbst in der Regel

thermischer Natur und tritt auf, wenn die Modifikationsschwelle (Energiedichte,

bei der eine Veränderung erfolgt) des zu reinigenden Materials gering ist.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden Zustände von lasergereinigten

Oberflächen dokumentiert und analysiert. Die Dicke der veränderten

Materialschichten beträgt einige hundert Nanometer bis 1 Mikrometer. Die

Veränderungen der laserbehandelten Oberflächen wurden analytisch mittels

ESEM, EDX und XRD erfasst. In diesem Beitrag werden einige wichtige

Ergebnisse zu Untersuchungen an Marmoroberflächen sowie verschiedenen

Pigmenten, die in Farbfassungen (beispielsweise auf Sandstein) enthalten sind,

vorgestellt.

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Ausgangssituation

Zum Abtrag dünner Krusten und Korrosionsschichten von verschiedenen

mineralischen Oberflächen in der Denkmalpflege (z. B. Naturstein oder Glas)

werden vornehmlich gepulste Nd-YAG Laser eingesetzt ­ typische Daten eines

solchen Lasersystems sind:

- Wellenlänge = 1064 nm

- Energiedichte = 0,2 bis 1,0 J/cm²

- Pulsdauer tH = 6 bis 10 ns

- Pulsfolgefrequenz fP = 1 bis 50 s-1

Abb. 1: Prinzip der Laserstrahlreinigung

Die abzutragende Schmutzschicht absorbiert das Laserlicht und wird zersetzt,

verdampft oder durch thermische Spannungen abgesprengt. Vollständig

reflektierende Oberflächen (Fall

a) bzw. Materialien, die das Laserlicht

transmittieren lassen (Fall b), führen zu einem ,,selbstregulierenden Prozess"

(Abb. 1). Absorbiert auch der Untergrund das Laserlicht (Fall c), kann dies zu

Veränderungen am zu reinigenden Werkstoff selbst führen. Dieser Effekt ist

selbstverständlich in der Praxis unerwünscht und tritt auf, wenn die

Modifikationsschwelle (Energiedichte, bei der eine Veränderung erfolgt) des zu

reinigenden Materials geringer als die applizierte Laserenergiedichte ist.

Im folgenden werden Zustände von Pigment- und Marmoroberflächen nach

einer Laserbehandlung dokumentiert. Diese Materialen sollen jeweils

beispielhaft für einen durch den Restaurator zu reinigenden gefassten und

ungefassten Untergrund stehen. Gleichzeitig soll hier angemerkt werden, dass

in den vergangenen Jahren vermehrt versucht wurde, neben ungefassten

Natursteinoberflächen auch farblich gefasste Objekte mittels Laserablation von

Schmutzkrusten und anderen Auflagerungen zu befreien. Dabei wurde

festgestellt, dass Schäden an den Farbfassungen (Verfärbungen, vollständiger

Abtrag) auftreten können. Zu ähnlichen Erfahrungen kam man bei der

Reinigung von ungefassten Marmoroberflächen.

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Experimentelle Methoden, Analyseverfahren

Im Rahmen eines Forschungsprojektes

wurden Werkstoffoberflächen mit

unterschiedlichen Energiedichten laserbe-

handelt. Beim verwendeten Lasergerät

handelt es sich um einen in der Praxis

eingesetzten Nd-YAG Laser (Abb. 2) mit

einer festen Wellenlänge von 1064 nm und

einer Pulsdauer von 6 ns. Es wurden

Energiedichten verwendet, die deutlich

oberhalb der Modifikationsschwelle des

jeweiligen Materials liegen (etwa 500 bis

750 mJ/cm²), jedoch problemlos vom

eingesetzten Lasergerät erreicht werden

können.

Die Veränderungen der laserbehandelten Abb. 2: Nd-YAG Lasergerät

Oberflächen wurden analytisch mittels

ESEM, EDX und XRD erfasst. Aufgrund

der geringen Dicke der veränderten Materialschichten konnte der Zustand

dieser Schichten selbst mittels XRD im streifenden Einfall (GID, grazing

incidence diffraction) nur in wenigen Fällen charakterisiert werden. Der

Schwerpunkt bei den folgenden Ergebnissen liegt daher bei der optischen

Charakterisierung mittels ESEM.

Ergebnisse

Trifft Laserlicht auf eine Materialoberfläche und absorbiert dieses Material das

Laserlicht, führt die absorbierte Energie bei Überschreitung der

Schwellenergiedichte zu Dissoziations-, Anregungs- oder Schwingungsprozes-

sen (Wärmeentwicklung). Photochemische Prozesse können mittels Laserlicht

nur ausgelöst werden, wenn die Photonenenergie oberhalb der

Bindungsenergie liegt. Dies ist in der Regel nur mit UV-Lasern möglich. Die

vom eingesetzten Nd-YAG-Laser (IR-Laser) emittierte Photonenenergie reicht

hierfür nicht aus. Die Photonenenergie des infraroten Laserlichts kann jedoch in

begrenztem Umfang thermisch induzierte Prozesse einleiten.

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