Pobierz Charakterystyka stanów powierzchni przed, podczas i po oczyszczaniu impulskowym promieniowaniem lasera i więcej Publikacje w PDF z Engineering tylko na Docsity!
ANDRZEJ KOSS *^ , JAN MARCZAK **
CHARAKTERYSTYKA STANÓW POWIERZCHNI
PRZED, PODCZAS I PO OCZYSZCZANIU
IMPULSOWYM PROMIENIOWANIEM LASERA
SURFACE STATE CHARACTERISTICS BEFORE, DURING
AND AFTER CLEANING UP BY PULSED LASER RADIATION
S t r e s z c z e n i e
Konserwacja bezcennych obiektów jest procesem dostarczającym konserwatorom wielu trudnych zagadnień komplementarnych, a ich oczyszczanie jest jednym z krytycznych etapów tego procesu. Ogromna różnorodność rodzaju nawarstwień, jak również szeroki wachlarz wyboru parametrów wiązki laserowej (długości fali, gęstości energii), dostarcza jedynej w swoim rodzaju najwszechstronniejszej, jak do tej pory technologii usuwania nawarstwień obcych z dzieł sztuki i z obiektów architektonicznych. Laserowa technika usuwania warstw wierzchnich – zanieczyszczających powierzchnię dzieł sztuki i obiektów zabytkowych w architekturze (np. nawarstwień, przemalowań, pożółkłych werniksów lub czarnych skorup) za pomocą promieniowania laserowego jest metodą nowoczesną. Oferuje ona szereg niespotykanych do tej pory zalet w porównaniu do metod tradycyjnych (mechanicznych i chemicznych). Zebrane dane stanowią bazę służącą do porównań zachowania się barw trakcie następnych sesji pomiarowych w latach przyszłych, a także do dalszych porównań w miarę upływu czasu.
Słowa kluczowe: oczyszczanie, promieniowanie laserowe, dzieła sztuki, obiekty zabytkowe
A b s t r a c t
Conservation of invaluable objects is the process that involves many complementary questions that need to be solved and cleaning up constitutes one of the critical stages of that process. Laser based technique of removing the external layers polluting the surfaces of works of art or historical objects in architecture (deposits, repainted fragments, yellowed varnishes, black incrustations) is very effective, modern method. It offers several unparalleled up to present advantages in comparison to traditional methods (mechanical, chemical). In practice, most cases are complicated objects with complex technology and individual state of maintenance, being the result of many different factors and changes within the materials used. That is why the traditional techniques application is restricted in situations where each detail requires different parameters of cleaning up. Specific laser features, decrease in the cost of their usage and reduction in dimensions of laser system equipment led to the increasing applications of these techniques in conservation works in the recent years. Keywords: cleaning up, laser radiation, works of art, historical objects
** (^) Dr hab. inż. – Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej - Warszawa
1. Wstęp
Po ponad 30 latach od pierwszej próby [1], laserowe oczyszczanie powierzchni przestało być laboratoryjną ciekawostką i stało się dojrzałym procesem technologicznym, szeroko stosowanym w przemyśle elektronicznym, lotniczym, jądrowym, a także w konserwacji dzieł sztuki [2-5]. Dostępne do niedawna metody oczyszczania powierzchni w konserwacji opierały się o mechaniczne lub chemiczne techniki, wybierane zwykle przez indywidualnego konserwatora. Tradycyjne techniki czyszczenia w praktyce bardzo trudno się kontroluje. Zastosowanie techniki laserowej daje w praktyce możliwości pełnej kontroli procesu usuwania nawarstwień [6]. Bezdotykowe, selektywne i precyzyjne działania wiązki światła stanowią podstawowe zalety bez – inwazyjnego działania na nawarstwienia mniej lub ściślej przylegające do powierzchni dzieła. W procesie „obróbki” różnych materiałów i usuwania ich warstw wierzchnich, wykorzystuje się impulsową laserową ablację. Pojęcie „ablacja laserowa” oznacza usuwanie warstw wierzchnich materiałów o kontrolowanej grubości, w wyniku absorpcji impulsowego promieniowania laserowego, szybkiego nagrzania i odparowania warstwy wierzchniej. W praktyce konserwatorskiej najczęściej spotykamy wiele skomplikowanych obiektów o szczególnie złożonej budowie technologicznej i indywidualnym stanie zachowania wynikającym z wpływu różnorodnych czynników i zmian w samym budulcu użytym do ich wykonania. Ogranicza to często możliwość zastosowania metod konwencjonalnych, a każdy detal wymaga odrębnych ustalonych parametrów czyszczenia. Specyficzne właściwości laserów, coraz niższe koszty urządzeń i zmniejszanie rozmiarów różnych systemów laserowych doprowadziły do ich wzrastającego zastosowania w konserwacji w ostatnich dziesięciu latach.
2. Konieczność badań naukowo – przyrodniczych
Oczyszczanie promieniami lasera powierzchni obiektu, z zamiarem uzyskania poprawy stanu powierzchni, prowadzi do zmiany jej barwy. Poprawa, do której dążymy, może być natury estetycznej i/lub fizycznej. Na przykład wraz ze zdjęciem warstwy wierzchniej (czarnej skorupy lub mikronowej grubości zabrudzeń) zmieniony zostaje zarówno wizerunek estetyczny powierzchni jak również zwiększa się przepuszczalność powierzchni wobec przyjmowania środków konserwujących. Aby móc ocenić rezultat i ewentualnie sterować nim jeszcze podczas procesu oczyszczania względnie zoptymalizować go, konieczne jest scharakteryzowanie powierzchni przed, podczas i po oczyszczaniu. Ponieważ ekspertyza wizualna rozpoznaje tylko bardziej intensywne zmiany kolorystyczne i morfologiczne i opisuje je subiektywnie, trzeba dodatkowo zastosować obiektywne procesy pomiarowe, które umożliwiają kwantyfikację zmian w odniesieniu do stanu wyjściowego na podstawie konkretnych danych liczbowych. Poprzez pomiary na powierzchniach wzorcowych względnie na oczyszczonym obiekcie można obiektywnie zdefiniować stopień oczyszczenia, kontrolować wykonanie oczyszczania oraz długoterminowe zachowanie oczyszczonych powierzchni. Obok aspektu dokumentacyjnego podnieść należy także aspekt naukowo-przyrodniczy badań przy oczyszczaniu promieniami lasera. Dopiero odpowiedzi na pytania o odpowiednią długość fal, konieczną gęstość energii dla usunięcia określonej warstwy brudu i o osiągalną prędkość oczyszczania dopuszczają rozsądne planowanie środków z wyborem odpowiedniego urządzenia laserowego i kalkulację kosztów lub ewentualnie możliwych innych metod alternatywnych. Jednocześnie jako efekt uboczny badania te mogą dostarczyć wiedzy o przyczynach szkód i tym samym mogą dać ważne wskazówki do zapobiegania przyszłym porównywalnym szkodom.
3. Pomiary barwy przed, w trakcie i po oczyszczaniu laserowym
To zasadniczy i nieodzowny pomiar obiektów poddanych procesowi restauracji. Przy szeregowaniu kolorów, wyrażamy ich właściwości za pomocą tonu (barwy), czystości (jasności) i nasycenia (jaskrawości). Ton , czystość i nasycenie , to trzy cechy opisujące świat barw. Wyznaczenie podziałek tonu, czystości i nasycenia stwarza możliwość cyfrowego - obiektywnego pomiaru barwy, a poza tym
T a b e l a 2 Pomiar barwy piaskowca myślenickiego w przełomie i po zmoczeniu Barwa piaskowca myślenickiego w przełomie i po zmoczeniu SCI SCE
L* = 44,27 L* = 44,
a* = -3,40 a* = -3,
b* = 6,99 b* = 6,
Rys. 1. Zdjęcie przedstawiające miejsca pomiarowe piaskowca myślenickiego Fig. 1. Photograph showing measuring point of myślenice type sandstone
3.2. Barwy wapienia ściany tronowej w Kaplicy Batorego
Na rysunku 2 przedstawiono zdjęcia ilustrujące proces oczyszczania ściany tronowej. Na górnej fotografii zilustrowano przeprowadzony standardowy test (widoczne siedem kwadratów) gęstości energii, wymaganej do bezpiecznego i pełnego usunięcia nawarstwienia obcego z płaskorzeźby wapiennej.
a)
B
A
b) c) Rys. 2. Ściana tronowa w Kaplicy Batorego na Wawelu w trakcie testów: Fot. J. Marczak. a), b) przed oczyszczaniem c) po procesie oczyszczania promieniowaniem laserowym Fig. 2. Throne wall in Batory Chapell on Wawel during tests: a), b) before clearing up c) after clearing up with the use of laser radiation
W tabeli 3 przedstawiono pomiar barwy nawarstwienia na wapieniu pińczowskim przed czyszczeniem laserowym - pomiaru dokonano między 3 a 4 kwadratem oraz 5 a 6 licząc od dołu (rys. 2a).
T a b e l a 3 Pomiary barwy nawarstwienia przed oczyszczaniem Pomiar barwy nawarstwienia na wapieniu pińczowskim przed czyszczeniem laserowym
- pomiaru dokonano między 3 a 4 kwadratem
Pomiar barwy nawarstwienia na wapieniu pińczowskim przed czyszczeniem laserowym
- pomiaru dokonano między 5 a 6 kwadratem SCI SCE SCI SCE
L* = 35,50 L* = 35,65 L* = 44,51 L* = 44,
a* = 1,91 a* = 1,92 a* = 1,85 a* = 1,
b* = 8,62 b* = 8,54 b* = 8,87 b* = 8,
Z kolei w tabeli 4 przedstawiono pomiar barwy wapienia pińczowskiego uzyskiwany w trakcie usuwania nawarstwienia promieniowaniem laserowym o zwiększającej się gęstości energii (dawce napromienienia). Od kwadratu Nr 1 do kwadratu Nr 7 (rys. 2) widzimy wzrost współrzędnej L* w miarę wzrostu gęstości energii promieniowania laserowego.
T a b e l a 4 Pomiary barwy w trakcie i po oczyszczeniu laserem Kwadrat 1 Kwadrat 2 Kwadrat 3 Kwadrat 4 Kwadrat 5 Kwadrat 6 Kwadrat 7 L* = 60,36 L* = 63,05 L* = 68,31 L* = 72,28 L* = 73,19 L* = 78,24 L* = 81,
a* = 3,52 a* = 3,99 a* = 3,69 a* = 3,34 a* = 3,28 a* = 2,74 a* = 2,
b* = 16,00 b* = 17,78 b* = 17,63 b* = 17,48 b* = 17,81 b* = 17,88 b* = 15,
Wizualne wrażenia jasności i zabarwienia powierzchni są zawsze subiektywne i dają się w niewystarczający sposób opisać w mowie. Poprzez pomiary barw za pomocą kolorymetru na powierzchniach wzorcowych podczas i po przeprowadzeniu oczyszczania promieniami lasera możliwe jest obiektywne porównanie różnych zabarwień, stwierdzenie kwantytatywnych zmian i dokładne zdefiniowanie celów oczyszczania.
