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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Abtragen von
verunreinigtem Festbeton.
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Das
Beaufschlagen von Festbeton mit Laserstrahlen ist unter anderem
durch die Druckschrift
US 5,554,335 (Verfahren
zum Gravieren von Keramikoberflächen
durch eine lokale Bestrahlung mit Laserstrahlen) bekannt. Dabei
wird durch das Bestrahlen mit dem Laser eine Nut in die Oberfläche des
Keramikkörpers
eingebracht. Die Oberfläche
dieser Nut verglast bei Vorhandensein entsprechender Materialien
in der Keramik. Dadurch erfolgt eine Beschriftung eines Körpers aus
der Keramik, wobei ein Abtragen nicht vorgesehen ist.
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Ein
Abtragen von Schichten ist durch die Druckschrift
DE 694 09 066 T2 (Verfahren
zur Behandlung einer Oberfläche)
bekannt. Mit dem Bestrahlen der Oberfläche eines Betonkörpers wird durch
Dehydratisierung des Betons eine Schicht vom Körper gelöst. Dabei kann aber nicht sichergestellt werden,
dass diese Schicht keine Verbindungen zum Körper besitzt. Damit sind zum
einen nachfolgende Arbeiten zum Entfernen dieser Schichten notwendig und
zum anderen können
Verunreinigungen in die obere Schicht des Betonkörpers gelangen, so dass wiederum
ein Betonkörper
mit Verunreinigungen vorhanden ist.
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Durch
die Druckschrift WO 94/23854 ist ein Verfahren zum Entfernen von
kontaminierten Oberflächen
durch Bestrahlen bekannt, wobei durch das Bestrahlen im Zusammenhang
mit einem inerten Gas eine Schicht anderer Zusammensetzung entsteht.
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Der
im Patentanspruch 1 und 5 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, verunreinigten Festbeton gezielt abzutragen.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 und 5 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
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Die
Verfahren und Einrichtungen zum Abtragen von verunreinigtem Festbeton
zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass mit Laserstrahlen wenigstens
eines Lasers gezielt ein Bereich eines Körpers aus dem verunreinigten
Festbeton durch Bestrahlen mit Laserstrahlen schichtweise abgetragen werden
kann. Dazu wird ein Bereich eines Körpers aus dem verunreinigten
Festbeton durch Bestrahlen mit Laserstrahlen wenigstens eines Lasers
in einen schmelzflüssigen
und/oder gasförmigen
Zustand versetzt und Festbeton in diesem wenigstens einem Zustand
mittels einer darauf gerichteten Blasdüse während oder nach dem Bestrahlen
mit Laserstrahlen durch wenigstens einen Impuls eines Blasgasstromes
weggeblasen. Die Blasdüse
ist Bestandteil einer Vorrichtung, die über der Bearbeitungsfläche angeordnet
ist und weiterhin eine die Laserstrahlen des Lasers auskoppelnde
Einrichtung, eine Kollimier- und/oder Fokussieroptik für die Laserstrahlen
und eine die Temperatur des durch die Laserstrahlen beaufschlagten
Körpers
des verunreinigten Festbetons messende Einrichtung aufweist. Die
Blasdüse
ist über
ein gesteuertes Ventil mit einem Verdichter oder einem Behälter mit
komprimiertem Gas verbunden und der Laser, die Temperatur messende
Einrichtung und das gesteuerte Ventil sind mit einer Steuereinrichtung
gekoppelt.
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Die
Laserstrahlen treffen auf die Oberfläche des Körpers aus dem verunreinigten
Festbeton, werden dort absorbiert und überführen das Material in einen
schmelzflüssigen
und/oder gasförmigen
Zustand. Festbeton ist dabei bekannterweise ein Baustoffgemenge
aus Bindemitteln, Zuschlagstoffen und Wasser. Es handelt sich um
einen gezielt hergestellter Stein, der aus einem Gemisch von Zement,
Betonzuschlag und Wasser, auch mit Betonzusatzmitteln und Betonzusatzstoffen
durch Erhärten
des Zementleims (Wasser-Zement-Gemisch) entsteht. Mit dem Übergang
in eine schmelzflüssige
Phase ändern
sich die Absorptionsbedingungen wesentlich. Beim Einsatz von Dioden-
oder Nd:YAG-Lasern ist durch die Transparenz der entstehenden glasartigen Phasen
ein Einkoppeln der Energie in tiefere Schichten gegeben. Das damit
verbundene Ausbilden einer Volumenwärmequelle steigert die Effektivität des Prozesses.
Für den
CO2-Laser ist die Schmelze weniger transparent. Die geringe Wärmeleitung
des Materials führt
zu einem oberflächennahen
Energiestau, wobei der Wärmetransport
in tiefer liegende Schichten damit nur noch durch die Schmelzbaddynamik (Konvektion)
ermöglicht
wird. Diese ist jedoch innerhalb geringer Schmelzbadtiefen weniger
stark ausgebildet. Bei weiterem Energieeintrag in die oben aufliegende
Schmelze beginnt das Material zu verdampfen. Durch einen gerichteten
Gasstrom aus der Blasdüse
wird die durch die Laserstrahlen des Lasers entstehende Schmelze
ausgetragen und/oder ein daraus entstandenes Gas weggeblasen. Das
gepulste Ausblasen der Schmelze maximiert die Abtragsleistung durch
eine effizientere Energieeinkopplung. Für einen optimalen Schmelzabtrag
ist der Abstand zwischen Blasdüse
und Bearbeitungsstelle gering, so dass die laminare Strömung bis
zum Auftreffpunkt beibehalten wird. Vorteilhafterweise liegt der
Auftreffpunkt dezentral zum Laserstrahl. Durch den Blasgasstrom
wird Schmelze und/oder das daraus entwickelte Gas in eine Vorzugsrichtung
ausgetragen, so dass die Gratbildung an der dem Blasgasstrahl zugewandten
Seite minimiert ist. Es sind kompakte Abprodukte vorhanden.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht damit darin, dass die Viskosität der entstehenden Schmelze über die
Temperatur der Schmelze und die Zusammensetzung des Blasgastromes
insbesondere durch einen erhöhten
Zusatz von Sauerstoff steuerbar ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis
4 und 6 bis 10 angegeben.
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Ein
gleichzeitig an der Bearbeitungsstelle parallel zur Bearbeitungsfläche wirkender
Gasstrom nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 führt vorteilhafterweise
dazu, dass durch die Blasdüse
von der Bearbeitungsstelle weggeblasenes Material mit dem Gasstrom
weiter transportiert wird. Dadurch werden Anlagerungen von weggeblasenen
Partikeln der Schmelze auf der Oberfläche des Festbetons vermieden
und gleichzeitig können
die Partikel vorteilhafterweise gezielt entfernt werden. Der Gasstrom wird
durch eine Saugvorrichtung und/oder einen weiteren Verdichter erzeugt.
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Dazu
ist der schräg
oder parallel zur Oberfläche
des Festbetons angeordnete Endenbereich eines Strömungskanals
nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 oder ein Strömungskanal
nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 7 und 8 mit der Saugvorrichtung
und/oder dem weiteren Verdichter verbunden. Der Strömungskanal
ist entweder ein Rohr mit mindestens zwei Öffnungen für den Durchtritt des Laserstrahles
zur Bearbeitungsfläche oder
besitzt im Querschnitt eine U-Form mit mindestens einer Öffnung für den Durchtritt
des Laserstrahles zur Bearbeitungsfläche. Damit ist jeweils sichergestellt,
dass durch die Blasdüse
von der Bearbeitungsstelle weggeblasenes Material mit dem Gasstrom
des Strömungskanals
weiter transportiert wird.
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Während der
Bestrahlung des Bereiches des Körpers
aus Festbeton wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3
die Temperatur gemessen. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur
des schmelzflüssigen
und/oder gasförmigen
Materials aus dem Festbeton als Steuergröße wirkt wenigstens ein Impuls
des Blasgasstromes über
die Blasdüse auf
die Schmelze und/oder daraus entstandene Gas.
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Nach
der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ist die bestimmte vorgegebene
Temperatur des geschmolzenen Festbetons kleiner als die Verdampfungstemperatur
des Materials des Festbetons, so dass ein Verdampfen von Material
verhindert wird. Verunreinigungen können damit nicht in die Umgebung
gelangen.
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Nach
der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ist der Strömungskanal
mit einer Saugvorrichtung verbunden und wenigstens eine mit dem oder
einem weiteren Verdichter verbundene Düse ist im Strömungskanal
so angeordnet, dass ein zusätzlicher
Gasstrom parallel an der Wandung des Strömungskanals wirkt. Dadurch
werden Ablagerungen aus Material aus dem Festbeton an der Innenwandung
des Strömungskanals
vermieden.
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Durch
die Verwendung des Verfahrens nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
10 wird vorteilhafterweise die Viskosität der entstehenden Schmelze über die
Temperatur der Schmelze und die Zusammensetzung des Blasgastromes
insbesondere durch einen erhöhten
Zusatz von Sauerstoff steuerbar ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt
und wird im Folgenden näher
beschrieben.
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Es
zeigen
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1 eine
Einrichtung zum Abtragen von verunreinigtem Festbeton und
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2 eine
Detailansicht mit einer zusätzlichen
Flachstrahldüse.
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Ein
Verfahren und eine Einrichtung zum Abtragen von verunreinigtem Festbeton
werden in dem Ausführungsbeispiel
nachfolgend zusammen näher erläutert.
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Eine
Einrichtung zum Abtragen von verunreinigtem Festbeton besteht im
Wesentlichen aus einem Laser 3, einem gesteuerten Ventil 6 nach
einem Verdichter 7, einer Saugvorrichtung 10,
einer Steuereinrichtung 11 und einer Vorrichtung mit einer
Kollimier- und Fokussieroptik 4, einer Blasdüse 5,
einer Temperatur messenden Einrichtung, einem dielektrischen Spiegel 13 und
einem Strömungskanal 8.
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Die 1 zeigt
eine Einrichtung zum Abtragen von verunreinigtem Festbeton in einer
prinzipiellen Darstellung.
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Die
Vorrichtung ist über
die Oberfläche
eines Körpers 1 aus
verunreinigtem Festbeton bewegbar. Dazu ist diese an einem Robotersystem
gekoppelt. An der Vorrichtung befinden sich
- – eine die
Laserstrahlen 2 eines Lasers 3 auskoppelnde Einrichtung,
- – der
dielektrische Spiegel 13,
- – die
Kollimier- und Fokussieroptik 4 für die Laserstrahlen 2,
- – die
auf die Oberfläche
des Körpers 1 aus
dem verunreinigtem Festbeton gerichtete Blasdüse 5,
- – der
Strömungskanal 8 und
- – die
die Temperatur des durch die Laserstrahlen 2 beaufschlagten
Bereiches des Körpers 1 aus dem
verunreinigtem Festbeton messende Einrichtung.
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Die
durch den Laser 3 erzeugten Laserstrahlen 2 gelangen über den
für die
Laserstrahlen 2 hochreflektiven dielektrischen Spiegel 13 sowie
die Kollimier- und Fokussieroptik 4 auf die Oberfläche des Körpers 1 aus
dem verunreinigtem Festbeton. Durch das Bestrahlen wird ein beaufschlagter
Bereich des Körpers 1 in
den schmelzflüssigen
Zustand versetzt. Die Blasdüse 5 ist
mittels einer Schlauchverbindung über ein gesteuertes Ventil 6 mit
dem Verdichter 7 oder einem Behälter mit komprimiertem Gas
verbunden, so dass ein gepulster Blasgasstrom realisierbar ist.
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Die
Blasdüse 5 ist
so an der Vorrichtung angeordnet, dass diese mit einem geringen
Abstand zum Bereich des Körpers 1 endet.
Der Neigungswinkel α zwischen
der Blasdüse 5 und
der Oberfläche des
Körpers 1 ist
größer/gleich
45° und
kleiner/gleich 60°.
Der Auftreffpunkt der Strömung
der Blasdüse 5 ist
dezentral zum Laserstrahl 2. Dadurch wird geschmolzenes
Material des Körpers 1 aus
dem Festbeton weggeblasen.
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Der
Strömungskanal 8 für einen
Gasstrom 9 ist entweder rohr- oder U-förmig ausgebildet und parallel
zur Bearbeitungsfläche
angeordnet, so dass durch die Blasdüse 5 von der Bearbeitungsstelle weggeblasenes
Material mit dem Gasstrom 9 im Strömungskanal 8 weiter
transportiert wird. Dazu ist der Strömungskanal 8 mit der
Saugvorrichtung 10 verbunden. Über einen Filter werden die
abgesaugten Partikel aufgefangen. Für den Durchtritt der Laserstrahlen 2 besitzt
der Strömungskanal 8 entweder zwei
oder eine Öffnung,
so dass die Laserstrahlen 2 ungehindert auf einen Bereich
der Oberfläche
des Körpers 1 aus
dem Festbeton gelangen können.
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Die
Temperatur messende Einrichtung an der Vorrichtung ist ein Pyrometer 12.
Das Pyrometer 12 ist über
den dielektrischen Spiegel 13 in den Strahlengang der Laserstrahlen 2 eingebunden.
Der dielektrische Spiegel 13 als wellenlängenselektiver Spiegel
ist für
die Laserstrahlung 2 hochreflektiv und gleichzeitig für den Messbereich
des Pyrometers 12 transmittierend. In einer Ausführungsform
des Spiegels kann dieser geometrisch so ausgestaltet sein, dass über seine
Oberfläche
sowohl die Laserstrahlung 2 als auch die Wellenlänge der
Pyrometerstrahlung auf unterschiedlichen Wegen vom Laser 3 kommen
und zum Pyrometer gelangen.
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Der
Laser 3, die Betätigungseinrichtung
des gesteuerten Ventils 6, der Verdichter 7, die
Saugvorrichtung 10 und das Pyrometer 12 sind mit
der Steuereinrichtung 11 verbunden. Diese ist vorteilhafterweise
eine Datenverarbeitungseinrichtung mit bekannten Ein- und Ausgabekomponenten
zum Beispiel ein Computer. Das gesteuerte Ventil 6 ist über dessen
Betätigungseinrichtung
getaktet, so dass durch die Laserstrahlen 2 geschmolzenes
Material des Festbetons mittels der auf diesen Bereich gerichteten
Blasdüse 5 während oder
nach dem Bestrahlen durch mindestens einen temperaturinduzierten
Einzelimpuls weggeblasen wird. Die Schmelztemperatur wird mit dem
Pyrometer 12 gemessen. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur
wird über
die Steuereinrichtung 11 das gesteuerte Ventil 6 so
betätigt, dass
geschmolzenes Material gepulst ausgetragen wird. Nachdem die Schmelze,
die das darunter liegende Material vom Laserstrahl 2 abschirmt,
aus der Wechselwirkungszone der Laserstrahlen 2 ausgeblasen
worden ist, kann der Laserstrahl 2 wieder neue Gebiete
erfassen und schmelzen. Das kann ein in Bewegungsrichtung der Vorrichtung
neues Gebiet oder ein Gebiet entfernter Schmelze sein, so dass ein neuer
Bereich des Körpers 1 als
Schicht oder Festbeton schichtweise abgetragen wird. Somit wird
die Effizienz des Energieeintrages erhöht. Die Messung der Temperatur
wird weiterhin auch als Überwachung der
Schmelze genutzt, so dass ein unerwünschtes Verdampfen von Bestandteilen
der Schmelze verhindert wird.
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Gleichzeitig
zum Ausblasen wirkt an der Bearbeitungsstelle innerhalb des Strömungskanals 8 der
Gasstrom 9 parallel zur Bearbeitungsfläche, so dass durch die Blasdüse 5 von
der Bearbeitungsstelle weggeblasenes Material mit dem Gasstrom 9 in Richtung
der Saugvorrichtung 10 weiter transportiert wird. Der Querschnitt
dieses Gasstromes 9 ist wesentlich größer als der der Blasdüse 5,
so dass die ausgeblasenen Bestandteile der Schmelze sicher abgesaugt
werden. Der Strömungskanal 8 befindet sich
während
der Bearbeitung des Festbetons 1 unmittelbar auf der Oberfläche des
Körpers 1 aus
dem Festbeton, so dass keine weggeblasenen Bestandteile der Schmelze
nach außen
gelangen können.
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In
einer Ausführungsform
des Ausführungsbeispiels
kann zusätzlich
wenigstens eine Flachstrahldüse 14 innerhalb
des Strömungskanals 8 in Richtung
des Gasstromes 9 vor der Bearbeitungsfläche angeordnet sein (Darstellung
in der 2). Diese Flachstrahldüse 14 ist mit einem
weiteren Verdichter 15 verbunden, so dass an der Wandung
des Strömungskanals 8 ein
zusätzlicher
Gasstrom im Gasstrom 9 des Strömungskanals 8 wirkt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann durch die Laserstrahlung 2 auch ein schmelzflüssiger und/oder
gasförmiger
Zustand des Festbetons erreicht werden, so dass je nach Anforderung
die Auslösung
des Ausblasimpulses auch oberhalb der Verdampfungstemperatur des
Festbetons erfolgen kann.