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 Wellenlängenbe¬reich 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.
Inhaltsverzeichnis
- -1- Ausgangssituation
- -2- Experimentelle Methoden, Analyseverfahren
- Ergebnisse
- a) Veränderungen anorganischer Pigmente durch Laserbestrahlung
- b) Veränderungen von Marmoroberflächen durch Laserbestrahlung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Der Text befasst sich mit der Laserstrahlreinigung mineralischer Werkstoffoberflächen. Im Fokus steht die Abtragung dünner Krusten und Korrosionsschichten von Materialien wie Sandstein, Marmor und Glas. Der Text analysiert die Auswirkungen der Laserbehandlung auf die behandelten Oberflächen, insbesondere die Veränderungen, die durch die hohen Energiedichten des Lasers entstehen können.
- Laserstrahlreinigung als berührungsloses Reinigungsverfahren für mineralische Werkstoffoberflächen
- Analyse der Veränderungen an laserbehandelten Oberflächen
- Untersuchung der thermischen Effekte von Laserstrahlung auf verschiedene Materialien
- Dokumentation und Analyse von Zuständen von lasergereinigten Oberflächen
- Anwendung der Laserstrahlreinigung in der Denkmalpflege und anderen Bereichen
Zusammenfassung der Kapitel
-1- Ausgangssituation
Der Text führt in das Thema der Laserstrahlreinigung ein und erläutert die Funktionsweise des Verfahrens. Es werden die typischen Daten eines Nd-YAG Lasersystems genannt, die in der Denkmalpflege zum Abtrag von Krusten und Korrosionsschichten eingesetzt werden. Das Prinzip der Laserstrahlreinigung wird anhand von Abbildungen veranschaulicht, die die unterschiedlichen Reaktionen von reflektierenden, transparenten und absorbierenden Materialien auf Laserlicht zeigen.
-2- Experimentelle Methoden, Analyseverfahren
Dieser Abschnitt beschreibt die experimentellen Methoden und Analyseverfahren, die im Rahmen des Forschungsprojekts zur Untersuchung der Auswirkungen von Laserstrahlung auf Werkstoffoberflächen eingesetzt wurden. Es wird das verwendete Lasergerät (Nd-YAG Laser) vorgestellt und die analytischen Methoden ESEM, EDX und XRD erläutert.
Ergebnisse
Der Abschnitt "Ergebnisse" bietet eine allgemeine Einführung in die physikalischen Prozesse, die bei der Bestrahlung von Materialien mit Laserlicht auftreten. Es wird zwischen thermisch induzierten Prozessen und photochemischen Prozessen unterschieden und die Bedeutung der Schwellenergiedichte für die Auslösung von Veränderungen an der Materialoberfläche erläutert.
a) Veränderungen anorganischer Pigmente durch Laserbestrahlung
Dieser Abschnitt analysiert die Veränderungen, die an verschiedenen anorganischen Pigmenten durch Laserbestrahlung auftreten. Es wird die Einteilung der laserinduzierten Veränderungen in thermisch induzierte Phasenumwandlungen und "komplexe" Zersetzungsreaktionen beschrieben. Die Untersuchungen an dem Pigment Zinnober (HgS) zeigen, dass die Laserstrahlung eine Phasenumwandlung von der roten α-HgS-Modifikation in die schwarze ẞ-Modifikation (Metazinnober) bewirkt. Darüber hinaus werden die Effekte der Laserbehandlung auf andere Pigmente wie Azurit, Malachit, Bleiweiß und Mennige beschrieben. Die ESEM-Aufnahmen von Titanweiß (TiO2) zeigen, dass die TiO2-Partikel bei Laserlichteinwirkung miteinander verschmelzen, wodurch die Farbe des Pigments von weiß zu graublau verändert wird.
b) Veränderungen von Marmoroberflächen durch Laserbestrahlung
Der Abschnitt befasst sich mit den Auswirkungen der Laserstrahlung auf Marmoroberflächen. Es werden gelblich-graue Verfärbungen beschrieben, die bei der Reinigung von historischen Marmoroberflächen beobachtet wurden. Die Untersuchungen an Carrara-Marmor zeigen, dass die Laserbehandlung zu einer Graufärbung der Marmoroberfläche führt. Die ESEM-Aufnahmen zeigen, dass die Laserstrahlung eine Aufschmelzung einer dünnen Oberflächenschicht verursacht. Bei hohen Energiedichten können Absprengungen an der Marmoroberfläche auftreten.
Schlüsselwörter
Laserstrahlreinigung, mineralische Werkstoffoberflächen, Abtragung, Korrosionsschichten, Nd-YAG Laser, thermische Effekte, Phasenumwandlungen, Zersetzungsreaktionen, ESEM, EDX, XRD, Pigmente, Marmor, Denkmalpflege.
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- Dipl.-Ing. Alexander Schnell (Autor), Goretzki Lothar (Autor), Christian Kaps (Autor), 2004, Abtrag dünner Krusten und Korrosionsschichten von mineralischen Werkstoffoberflächen mittels Laserbestrahlung, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/93400
