JPH10309516A - レーザ塗装除去方法及びレーザ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学薬品を用いることなく、塗装膜の除去が
可能な塗装膜除去方法、及びその塗装膜除去に適したレ
ーザ処理装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光を処理対象物の表面に照射し、
かつ処理対象物の表面におけるレーザ光のエネルギ密度
を変化させることができるエネルギ密度可変光学系を用
いて、表面に塗装膜が形成された処理対象物の表面にレ
ーザ光を照射する。塗装膜の少なくとも上層部分がアブ
レーションにより除去される。アブレーション中に、処
理対象物の表面のレーザ照射部分の色を観測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いた
塗装除去方法及びその塗装除去方法に適したレーザ処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機等の機体外板の塗装除去には、主
にメチレンクロライドと呼ばれる毒性の強い薬品が用い
られている。従来は、塗装表面にこの薬剤を吹き付け、
塗料を脆弱化させた後、手作業で塗装膜を機体外板表面
からかき落とすことによって除去していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の塗装膜除去
方法は危険であるばかりでなく、作業効率も低い。ま
た、除去物の回収及び廃棄処理にも問題がある。

【０００４】本発明の目的は、化学薬品を用いることな
く、塗装膜の除去が可能な塗装膜除去方法、及びその塗
装膜除去に適したレーザ処理装置を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、レーザ光を処理対象物の表面に照射し、かつ該処理
対象物の表面におけるレーザ光のエネルギ密度を変化さ
せることができるエネルギ密度可変光学系を用いて、表
面に塗装膜が形成された処理対象物の該表面にレーザ光
を照射し、該塗装膜の少なくとも上層部分をアブレーシ
ョンにより除去するとともに、前記処理対象物の表面の
レーザ照射部分の色を観測する工程を有する塗装除去方
法が提供される。

【０００６】照射レーザ光のエネルギ密度が低すぎる
と、アブレーションが生じない。また、エネルギ密度が
高すぎると、塗装膜の下地材料が損傷を受けてしまう。
すなわち、塗装膜をアブレーションにより除去する際に
は、エネルギ密度の好適な範囲が存在する。エネルギ密
度可変光学系を用いることにより、エネルギ密度を好適
な範囲に設定することができる。アブレーション中の処
理対象物の表面の色を観測することにより、下地表面が
露出したか否かを検出することができる。

【０００７】本発明の他の観点によると、レーザ光を集
光もしくは発散し処理対象物の表面に照射するレンズ
と、前記レンズを支持し、前記処理対象物表面から前記
レンズまでの高さを調節可能なレンズ支持機構と、前記
処理対象物の表面のレーザ照射された領域の色を観測す
る色センサと、判定基準となる基準色を記憶し、前記色
センサにより観測された色を前記基準色と比較し、両者
が一致するかまたは近似する場合、終了処理を実行する
色判定手段とを有するレーザ処理装置が提供される。

【０００８】処理対象物表面からレンズまでの高さを変
えることにより、処理対象物表面におけるレーザ光のエ
ネルギ密度を変えることができる。色センサにより、ア
ブレーション中の処理対象物の表面の色を観測すること
ができる。色の変化により、塗装膜が除去されたことを
検出することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例によるレ
ーザ処理装置の概略斜視図を示す。処理対象物１の表面
にレーザ照射ヘッド１０が接触している。レーザ照射ヘ
ッド１０は、処理対象物１側に開口を有する箱型容器１
１と、その内部に収納された光学部品を含んで構成され
ている。箱型容器１１の側面に透明窓１２が取り付けら
れており、透明窓１２を通して内部を目視観察すること
ができる。なお、箱型容器１１自体を透明な材料で形成
してもよい。

【００１０】レーザ照射ヘッド１０は、マニピュレータ
アーム５０の先端に取り付けられている。マニピュレー
タアーム５０は、マニピュレータ本体５１により制御さ
れ、レーザ照射ヘッド１０を処理対象物１の表面の所望
の位置に移動させ支持する。

【００１１】レーザ光発生装置６０から出力したレーザ
ビームが、ビーム整形用光学部品６１、ビーム伝送用ア
ーム６２を通ってレーザ照射ヘッド１０内に導かれる。

【００１２】レーザ光発生装置６０は、例えば横方向励
起大気圧型ＣＯ₂ レーザ装置（ＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザ装
置）である。ＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザ装置は、波長９〜１
１μｍのレーザビームをパルス的に出力する。

【００１３】ビーム整形用光学部品６１は、レーザ光発
生装置６０から出力したレーザビームの断面形状を所望
の形に整形する。例えば、矩形状の貫通孔を有するアパ
ーチャにより構成され、レーザビームの断面形状を矩形
状に整形する。

【００１４】ビーム伝送用アーム６２は、例えば複数の
関節を有する屈伸可能なアームであり、レーザ照射ヘッ
ド１０の移動に追随し、ビーム整形用光学部品６１を通
過したレーザビームをレーザ照射ヘッド１０まで導く。

【００１５】レーザ照射ヘッド１０に、ガス導入管１３
及びガス排気管１５が取り付けられている。ガス導入管
１３はガス供給装置１４に接続されており、ガス供給装
置１４からガス導入管１３を通してレーザ照射ヘッド１
０内にガスが導入される。ガス排気管１５はガス排気装
置１６に接続されており、ガス排気装置１６は、ガス排
気管１５を通してレーザ照射ヘッド１０内のガスを排気
する。

【００１６】図２は、図１のレーザ照射ヘッド１０の概
略断面図を示す。処理対象物１側の面が開口した箱型容
器１１が、その開口の周囲を処理対象物１の表面にほぼ
接するように保持されている。箱型容器１１の開口部と
対向する面に形成された貫通孔１７にレーザ伝送用アー
ム６２が連結されている。レーザ伝送用アーム６２内を
伝送されたレーザビーム６３が、貫通孔１７を通って箱
型容器１１内に導入される。

【００１７】箱型容器１１内に導入されたレーザビーム
は、ハーフミラー２０及びホモジナイザ３１を透過し偏
向器２１及び２２により反射され、集光レンズ２３に入
射する。集光レンズ２３により集光されたレーザビーム
は、処理対象物１の表面に照射される。

【００１８】ハーフミラー２０は、レーザビームの一部
を反射し、エネルギセンサ３０に入射させる。エネルギ
センサ３０は、レーザビームのエネルギを測定する。

【００１９】ホモジナイザ３１は、レーザビームの断面
内の強度分布をほぼ一様にする。偏向器２１及び２２
は、それぞれレーザビームの照射位置を、処理対象物１
の表面内の相互に直交するＹ軸方向及びＸ軸方向に移動
させる。偏向器２１及び２２は、例えばガルバノミラー
により構成される。偏向器２１及び２２をガルバノミラ
ーとした場合、レーザ照射位置の移動速度を一定に保つ
ために、集光レンズ２３をアークサインレンズとするこ
とが好ましい。偏向器２１及び２２によるレーザビーム
の偏向角が時間に比例して変化する場合には、同様の理
由から集光レンズ２３をｆθレンズとすることが好まし
い。なお、偏向器２１及び２２として回転ポリゴンミラ
ーを用いてもよい。また、ｆθレンズを用いた場合で
も、ガルバノミラーの角度変化が時間に対して非線形に
なるように動作させることにより、レーザ照射位置での
移動速度を一定に保つことが可能となる。

【００２０】集光レンズ２３は、集光レンズ支持機構２
４により箱型容器１１の側面に取り付けられている。集
光レンズ支持機構２４は、処理対象物１の表面から集光
レンズ２３までの高さを調節することができる。集光レ
ンズ２３に、高さセンサ２５が取り付けられている。高
さセンサ２５は、処理対象物１の表面から集光レンズ２
３までの高さを検出し、高さ制御装置２６に検出信号を
送出する。

【００２１】高さ制御装置２６には、予め高さ目標値が
記憶されている。高さ制御装置２６は、高さセンサ２５
から受信した検出信号に基づき、集光レンズ２３の高さ
が目標値に近づくように集光レンズ支持機構２４を制御
し、集光レンズ２３の高さを調節する。

【００２２】箱型容器１１内に、可視光レーザ装置３２
が設置されている。可視光レーザ装置３２は、例えばＨ
ｅＮｅレーザ装置等である。可視光レーザ装置３２から
出力された可視レーザビームは、ハーフミラー２０によ
り反射され、貫通孔１７を通って入射したレーザビーム
と同一の光軸に沿って伝搬する。従って、可視レーザビ
ームは、処理対象物１の表面のうちＴＥＡ−ＣＯ₂ レー
ザ光とほぼ同一の領域を照射する。このため、図１に示
す透明窓１２を通してレーザビームの照射位置を目視観
察することができる。

【００２３】箱型容器１１内に、ノズル４０と４１が配
置されている。ノズル４０と４１は、箱型容器１１の側
壁に取り付けられたガス導入管１３に連通している。ノ
ズル４０は、処理対象物１の表面のレーザビーム照射位
置及びその近傍にガスを噴出する。ノズル４１は、集光
レンズ２３の処理対象物１側の面に向かってガスを噴出
する。このガス流により、処理対象物１の表面からの飛
散物が集光レンズ２３の表面に付着することを抑制する
ことができる。

【００２４】箱型容器１１内に配置されたガス吸引口４
２が、箱型容器１１の側壁に取り付けられたガス排気管
１５に連通している。ガス吸引口４２の先端は、処理対
象物１の表面のレーザ照射位置の方を向く。ガス吸引口
４２は、箱型容器１１内のガスを排気するとともに、レ
ーザ照射部分から飛散した除去物を排出することができ
る。

【００２５】ガス吸引口４２の先端近傍に、色センサ４
３及び温度センサ４４が取り付けられている。

【００２６】色センサ４３は、例えばＣＣＤを含んで構
成され、処理対象物１のレーザビーム照射位置及びその
近傍の色を検出する。色センサ４３の出力信号は、色判
定装置４６に入力される。色判定装置４６には、予め判
定基準となる基準色の範囲が記憶されている。この基準
色の範囲は、例えば色度図内に指定されたある基準領域
により特定される。

【００２７】色判定装置４６は、色センサ４３により検
出された色が、基準色の範囲内であるか否か、すなわ
ち、基準色と一致または近似するか否かを判定する。例
えば、検出された色の色度図内の位置を求め、この位置
が色度図内の基準領域内か否かを判定する。

【００２８】塗装膜の下地表面の色と塗装膜の色とが異
なる場合、下地表面の色を含むある範囲を基準色の範囲
として設定しておくことにより、下地表面が露出したか
否かを判定することができる。

【００２９】温度センサ４４は、例えば放射温度計であ
り、処理対象物１の表面のレーザビーム照射位置及びそ
の近傍の温度を検出する。温度センサ４４の出力信号
は、温度異常検出装置４５に入力される。温度異常検出
装置４５には、予め判定基準となる基準温度が記憶され
ている。

【００３０】温度異常検出装置４５は、温度センサ４４
により検出された温度と基準温度とを比較する。検出温
度が基準温度よりも高い場合には、異常処理を実行す
る。異常処理は、例えばレーザ光照射の停止等である。

【００３１】次に、図１及び図２に示すレーザ処理装置
の動作を、処理対象物表面の塗装膜を除去する場合を例
にとって説明する。

【００３２】図２に示すレーザ照射ヘッド１０に入射し
たレーザビームが、処理対象物１の表面に照射され、塗
装膜がアブレーションにより除去される。処理対処物１
の表面におけるレーザビームのエネルギ密度（フルエン
ス）が低すぎる場合には、塗装膜はアブレーションされ
ない。また、エネルギ密度が高すぎる場合には、塗装膜
の下地材料が損傷を受けてしまう。従って、レーザビー
ムのエネルギ密度を、下地材料が損傷を受けず、かつ塗
装膜がアブレーションされるような範囲に設定すること
が好ましい。なお、レーザ光発生装置６０から出力され
たレーザビームのエネルギ密度が十分高い場合には、集
光レンズ２３の代わりに発散レンズを用いる場合もあり
得る。

【００３３】集光レンズ支持機構２４により、処理対象
物１の表面から集光レンズ２３までの高さを調節して照
射領域の面積を変えることにより、エネルギ密度を調節
することができる。エネルギ密度の好適な範囲は、下地
材料及び塗装膜の種類によって異なる。従って、予め異
なるエネルギ密度で予備実験を行い、好適なエネルギ密
度の範囲、すなわち好適な集光レンズ２３の高さを決定
しておくことが好ましい。

【００３４】高さ制御装置２６に、集光レンズ２３の好
適な高さを記憶させておく。高さ制御装置２６が、高さ
センサ２５により検出された高さと、予め記憶されてい
る好適な高さとを比較し、好適な高さに近づくように集
光レンズ支持機構２４を制御する。この高さ制御によ
り、常時好適なエネルギ密度でアブレーションを行うこ
とができる。

【００３５】偏向器２２により、レーザビームの照射位
置をＸ軸方向に掃引し、その後偏向器２１によりＹ軸方
向に照射位置をずらす。再び偏向器２２により照射位置
をＸ軸方向に掃引し、Ｘ軸方向に関して前回の掃引と同
じ範囲にレーザ光を照射する。この掃引を繰り返すこと
により、処理対象物１の表面のある領域の塗装膜をアブ
レーションにより除去することができる。

【００３６】図１に示すマニピュレータアーム５０を駆
動してレーザ照射ヘッド１０の位置を移動させ、上記Ｘ
軸及びＹ軸方向の掃引を繰り返し実行する。このように
して、処理対象物１の表面の広い領域の塗装膜をアブレ
ーションにより除去することができる。

【００３７】レーザ照射ヘッド１０を移動させると、処
理対象物１の表面の曲率の変化、凹凸等により、その表
面から集光レンズ２３までの高さが変動する場合があ
る。この場合、高さセンサ２５と高さ制御装置２６によ
り、集光レンズ２３の高さを一定に保つことができる。
このため、処理対象物１の表面におけるレーザ光のエネ
ルギ密度を一定に維持することができ、安定したアブレ
ーションを行うことが可能になる。

【００３８】なお、偏向器２１による掃引方向と偏向器
２２による掃引方向とは、必ずしも直交させる必要はな
い。両者の掃引方向が相互に交わる関係にあればよい。

【００３９】また、上述の掃引方法では、偏向器２１と
２２を用いて２次元的に掃引する場合を説明したが、い
ずれか一方の偏向器のみを用いて１次元的に掃引を行っ
てもよい。この場合、図１に示すマニピュレータアーム
５０により、掃引方向に交わる方向にレーザ照射ヘッド
１０を移動させる。このようにして、処理対処物１の表
面の広い領域にレーザビームを照射することができる。

【００４０】ノズル４０から処理対象物１の表面にガス
を吹き付けることにより、表面の温度上昇を抑制するこ
とができる。なお、吹き付けガスとして、処理対象物１
を酸化しないガス、例えばＡｒガス、Ｈｅガス等の不活
性ガス、もしくはＮ₂ ガス等を用いることが好ましい。
なお、耐酸化性の高い材料を処理する場合には、空気を
吹き付けてもよい。また、処理対象物１の表面から飛散
した除去物は、ガス吸引口４２から排出される。

【００４１】レーザアブレーションによる塗装膜の除去
が行われている間も、温度異常検出装置４５が、処理対
象物１の表面温度の正常性を監視している。処理対象物
１の表面温度が、予め設定されている基準温度を超える
と異常処理が実行される。異常処理は、例えば、レーザ
光照射の停止、警報の鳴動等である。なお、検出温度が
基準温度を超えた場合、レーザ光のパルス繰り返し周波
数を低下させてもよい。

【００４２】このように、レーザアブレーションを利用
することにより、有毒な化学薬品を使用することなく塗
装膜の除去を行うことができる。

【００４３】アブレーション中に処理対象物１の表面温
度を監視しているため、温度上昇による処理対象物１の
損傷、変質等を防止することができる。

【００４４】国際航空輸送協会（ＩＡＴＡ）の基準によ
ると、航空機の機体表面の塗装膜を除去する際に、機体
表面温度を８０℃以下に維持しなければならない。例え
ば、温度異常検出装置に設定しておく基準温度を７５℃
とすることにより、機体表面温度がＩＡＴＡ基準を満た
しているか否かを確認しながら塗装膜の除去を行うこと
ができる。

【００４５】また、色判定装置４６で処理対象物１の表
面の色を観測しているため、塗装膜が完全に除去された
か否かを判定することができる。航空機の塗装膜は、通
常、接着及び防錆のためのプライマ層、及びその上に塗
布された化粧用のトップコート層の２層からなる。プラ
イマ層とトップコート層の色が異なる場合には、色判定
装置４６により、トップコート層が除去されてプライマ
層が露出したことを検出することができる。

【００４６】また、塗装膜の厚さにむらがある場合、全
面に同一の条件でレーザ照射を行ったのでは、塗装膜を
除去しきれない領域が生ずる。色判定装置４６で下地表
面が露出したか否かを判定しながらレーザ照射を行うこ
とにより、塗装膜に厚さむらがある場合にも、除去残り
の発生を防止することができる。

【００４７】次に、図３を参照して塗装膜除去の実験結
果について説明する。実験には、アルミ板の表面上に航
空機の機体の塗装に使用される厚さ約８０μｍの塗装膜
を形成したサンプルを用いた。レーザ光発生装置６０
は、繰り返し周波数１００Ｈｚでパルスレーザ光を出力
するＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザ装置である。処理対象物１の
表面におけるレーザビームのエネルギ密度は約５Ｊ／ｃ
ｍ² 、照射領域の形状は、約１４ｍｍ×１ｍｍの長方形
である。このとき、アブレーション除去される領域は約
５ｍｍ×０．５ｍｍの長方形状である。ショット間の移
動距離は約０．５ｍｍである。また、レーザビーム照射
位置のＸ軸方向の掃引速度を２５ｍｍ／ｓとした。

【００４８】図３は、レーザビーム照射履歴を示す。ま
ず、矢印Ｓ１で示すように偏向器２２によりＸ軸方向に
約５ｃｍ掃引する。次に、偏向器２１によりＹ軸方向に
約０．５ｃｍずらし、矢印Ｓ２で示すように再び偏向器
２２によりＸ軸方向に関して同じ範囲を掃引する。さら
に、Ｙ軸方向に約０．５ｃｍずらし、矢印Ｓ３で示すよ
うにＸ軸方向に関して同じ範囲を掃引する。矢印Ｓ１〜
Ｓ３の掃引により、約５ｃｍ×１．５ｃｍの長方形の領
域にレーザビームを照射することができる。矢印Ｓ１〜
Ｓ３の掃引を３回繰り返し実行する。

【００４９】その結果、アルミ板表面の塗装膜はほぼ完
全に除去され、母材であるアルミ板の表面が露出した。
アルミ板の表面の損傷は見られなかった。

【００５０】上記実験では、処理対象物表面の同一領域
に３回のレーザ照射を行った。レーザ照射回数を減らす
ことにより、塗装膜の下層部分を残し、上層部分のみを
除去することができる。航空機の機体表面の塗装膜は、
通常、接着及び防錆のためのプライマ層と、その上に塗
布された化粧のためのトップコート層からなる。レーザ
照射回数を調節することにより、例えばトップコート層
のみを除去することが可能になる。

【００５１】上記実施例では、レーザ光発生装置として
パルス発振型のＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザ装置を用いた場合
を説明したが、その他のレーザ装置を用いてもよい。例
えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ装
置、エキシマレーザ装置、銅蒸気レーザ装置、ＣＯレー
ザ装置、半導体レーザ装置等を用いてもよい。また、パ
ルス発振型に限る必要はなく、連続発振型のレーザ装置
を用いてもよい。また、これらレーザ装置から出力され
たレーザ光の高調波、例えば第２〜第５高調波、または
ラマン変換光等を用いてもよい。

【００５２】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザアブレーションを利用することにより、化学薬品
を使用することなく、処理対象物の表面に形成された塗
装膜を除去することができる。また、処理対象物表面か
ら集光レンズまでの高さを調節することにより、レーザ
ビームのエネルギ密度を好適な範囲に設定することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるレーザ処理装置の概略を
示す斜視図である。

【図２】図１に示すレーザ照射ヘッドの概略を示す断面
図である。

【図３】レーザビームの掃引の様子を説明するための図
である。

【符号の説明】

１ 処理対象物 １０ レーザ照射ヘッド １１ 箱型容器 １２ 透明窓 １３ ガス導入管 １４ ガス供給装置 １５ ガス排気管 １６ ガス排気装置 １７ 貫通孔 ２０ ハーフミラー ２１、２２ 偏向器 ２３ 集光レンズ ２４ 集光レンズ支持機構 ２５ 高さセンサ ２６ 高さ制御装置 ３０ エネルギセンサ ３１ ホモジナイザ ３２ 可視光レーザ装置 ４０、４１ ノズル ４２ ガス吸引口 ４３ 色センサ ４４ 温度センサ ４５ 温度異常検出装置 ４６ 色判定装置 ５０ マニピュレータアーム ５１ マニピュレータ本体 ６０ レーザ光発生装置 ６１ ビーム整形用光学部品 ６２ レーザ伝送用アーム ６３ レーザビーム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を処理対象物の表面に照射し、
   かつ該処理対象物の表面におけるレーザ光のエネルギ密
   度を変化させることができるエネルギ密度可変光学系を
   用いて、表面に塗装膜が形成された処理対象物の該表面
   にレーザ光を照射し、該塗装膜の少なくとも上層部分を
   アブレーションにより除去するとともに、前記処理対象
   物の表面のレーザ照射部分の色を観測する工程を有する
   塗装除去方法。
2. 【請求項２】 レーザ光を集光もしくは発散し処理対象
   物の表面に照射するレンズと、 前記レンズを支持し、前記処理対象物表面から前記レン
   ズまでの高さを調節可能なレンズ支持機構と、 前記処理対象物の表面のレーザ照射された領域の色を観
   測する色センサと、 判定基準となる基準色を記憶し、前記色センサにより観
   測された色を前記基準色と比較し、両者が一致するかま
   たは近似する場合、終了処理を実行する色判定手段とを
   有するレーザ処理装置。