DE102011085772A1

DE102011085772A1 - Verfahren zum rückstandlosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien und Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102011085772A1
Application number: DE102011085772A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Hannoschöck; Serhey Khandozhko; Günter Sanchen; Klaus Stolberg
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-08
Also published as: WO2013064321A1

Abstract

Ein Verfahren zum rückstandslosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien, insbesondere zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, beinhaltet die Schritte: Ein Werkstück aus einem mineralischen Baumaterial wird mit einem Laserstrahl zum Erzeugen eines Laserflecks auf der Oberfläche des Werkstücks angestrahlt. Ein Luftstrom wird auf den Laserflecks gerichtet. Eine Fluenz des Laserflecks wird auf eine erste Fluenz im Bereich zwischen 0,2 MW/cm2 und 1 MW/cm2 eingestellt. Erhöhen der Fluenz des Laserflecks auf eine zweite Fluenz von wenigstens 1 GW/cm2, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks ein anderes Material als Zementmatrix enthält.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, wie beispielsweise Beton. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der JP2007230230A2 bekannt. Ein Laserstrahl mit einer Leistung von 5kW schmilzt lokal den Beton auf. Die erstarrende Schmelze ist sehr spröde und wird nachträglich abgeschlagen. Das Verfahren ist nur ansatzweise für Baumaterialien geeignet. Problematisch sind die spröden Rückstände, welche beispielsweise ein sicheres Verankern eines Dübels in einem Bohrloch gefährden. Der Aufwand für eine sorgfältige Reinigung ist sehr hoch. Ferner sind die Schnittkanten und Bohrränder nach dem Reinigen nur unzureichend für eine spätere Verankerung weiterer Elemente, wie den Dübel, definiert.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren zum rückstandslosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien, insbesondere zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, beinhaltet die Schritte: Ein Werkstück aus einem mineralischen Baumaterial wird mit einem Laserstrahl zum Erzeugen eines Laserflecks auf der Oberfläche des Werkstücks angestrahlt. Ein Luftstrom wird auf den Laserflecks gerichtet. Eine Fluenz des Laserflecks wird auf eine erste Fluenz im Bereich zwischen 0,2 Megawatt pro Quadratzentimeter (nachfolgend abgekürzt MW/cm²) und 1 MW/cm² eingestellt. Erhöhen der Fluenz des Laserflecks auf eine zweite Fluenz von wenigstens 1 Gigawatt pro Quadratzentimeter (abgekürzt GW/cm²), wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks ein anderes Material als Zementmatrix enthält. Die anderen Materialen sind Zuschlagsstoffe wie Sand, Gestein und auch Materialen zum Erhöhen der Festigkeit wie Armierungsstahl. Die zweite Fluenz ist ausreichend nahezu alle Materialen des Betons per Ablation abzutragen. Die Materialen sollten in Theorie schlagartig direkt in die Gasphase überführt werden. Ein Kondensieren in der Nähe der Schnitt- oder Bohrstelle soll ein Luftstrahl verhindern. Dennoch ergeben sich glasartige Rückstände an den Schnittflächen. Es wurde erkannt, dass eine niedrige Fluenz spezifisch für die Zementmatrix das Entstehen der glasartigen Rückstände vermeidet. Der Anteil des Zuschlagstoffe soll innerhalb des Lichtflecks wenigstens 50 %, vorzugsweise 90 % betragen, bevor die Fluenz auf den zweiten Wertebereich angehoben wird.
Im Kontext der Anmeldung bezeichnet Licht nicht nur den sichtbaren Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung, sondern bezeichnet vereinfachend auch ultraviolette und infrarote Strahlung. Gleichermaßen ist ein Laser nicht auf eine kohärente Quelle sichtbarer elektromagnetischer Strahlung sondern Lichts nach obiger Auslegung zu verstehen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, die Fluenz zwischen 2 GW/cm² und 10 GW/cm² eingestellt wird, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks Eisen, Granit oder Kalkstein enthält. Die Fluenz wird vorzugsweise auf den ersten Fluenzwert zurückgesetzt, wenn der Laserfleck auf einen nur oder vorwiegend Zementmatrixhaltigen Bereich fällt. Die Fluenz kann zwischen 10 GW/cm² und 30 GW/cm² eingestellt werden, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks Quarzit enthält.
Eine Abtragsrate der Oberfläche kann innerhalb des Laserflecks mit der ersten Fluenz ermittelt werden und falls die Abtragsrate einen Schwellwert überschreitet, wird das Material im Bereich des Laserflecks als Zementmatrix bestimmt. Andernfalls, wenn die Abtragsrate den Schwellwert unterschreitet, wird das Material im Bereich des Laserflecks als das andere Material bestimmt. Die Abtragsrate kann als Erkennungsmerkmal für die Materialien herangezogen werden. Die Abtragsrate kann durch Ausmessen einer Vertiefung der Oberfläche im Bereich des Laserflecks ermittelt werden. Eine Zusammensetzung der Oberfläche kann im Bereich des Laserflecks mittels einer Kamera und einer Bildauswertung ermittelt werden.
Eine Werkzeugmaschine zum Abtragen von mineralischen Baumaterialen hat eine Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Laserflecks auf einer Oberfläche eines Werkstücks. Ein Sensor ist zum Identifizieren eines Materials im Bereich des Laserflecks vorgesehen. Eine Steuerung in eingerichtet eine Fluenz im Laserfleck auf einen Bereich zwischen 0,2 MW/cm² und 1 MW/cm² einzustellen und falls das Material anderes Material als Zementmatrix enthält, die Fluenz auf wenigstens 1 GW/cm² zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:
1 eine Handwerkzeugmaschine
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch eine Handwerkzeugmaschine 1 beim Bohren eines Lochs in eine stahlarmierte Betonwand. Die Handwerkzeugmaschine 1 hat eine Laserlichtquelle 2, die einen Laserstrahl 3 erzeugt. Die Laserlichtquelle 2 ist vorzugsweise ein gepulster Festkörperlaser, z.B. basierend auf einem Neodym-dotierten oder Ytterbium-dotieren YAG Kristall, oder einen Faserlaser. Eine Emissionswellenlänge liegt vorzugweise im nahen Infrarot z.B. zwischen 1000 nm und 1100 nm oder bis zu einer Wellenlänge von 2000 nm. Die Handwerkzeugmaschine 1 hat ein Gehäuse 4 mit einem Handgriff 5 zum Führen der Handwerkzeugmaschine 1. Eine Energieversorgung der Laserlichtquelle 2 erfolgt vorzugsweise elektrisch per Netzanschluss oder mittels eines Batteriepakets 6, das an dem Gehäuse 4 lösbar befestigt ist. Eine Alternative sieht einen Lichtleiter vor, in welchem ein Laserstrahl einer Pumplichtquelle zu dem Laserlichtquelle 2 geführt wird.
Eine Steuerung 7 kann die Laserlichtquelle 2 zwischen einem pulsenden und einem Dauerstrichmodus oder zwischen unterschiedlichen Pulsdauern mit entsprechend verschiedenen Repetitionsraten umschalten. Eine Pulslänge liegt vorzugsweise unterhalb einer 5000 ns, z.B. zwischen 200 ns und 700 ns. Eine mittlere optische Ausgangsleistung liegt im Bereich von 1 Watt bis 10 Watt.
Eine optische Abbildungseinrichtung 8 enthält ein Objektiv 9, um den Laserstrahl 3 auf die Wand oder sonstiges Werkstück zu fokussieren. Das Objektiv 9 hat eine geregelte Fokussiereinrichtung 10, welche einen Durchmesser des Laserflecks 11 auf der Wand einstellt. Die Fokussiereinrichtung 10 kann beispielsweise das Objektiv 9 mit Aktuatoren längs einer optischen Achse verschieben. Eine Ablenkrichtung 12 mit beispielsweise ein oder mehreren Spiegeln bewegt den Laserfleck 11 automatisch über einen zu bearbeitenden Bereich. Typischerweise ist der zu bearbeitenden Bereich, z.B. ein Bohrloch, deutlich größer als der Durchmesser des Laserflecks 11 von 10 µm bis 100 µm. Der Durchmesser des Laserstrahls oder Laserflecks 11 sei durch den Kreis vorgegeben, an dessen Rand die Fluenz auf 1/e (37 %) gegenüber dem Zentrum abfällt.
Ein Sensor 13 ermittelt die Zusammensetzung des Materials, auf welches der Laserfleck 11 fällt. Hierbei ist im wesentlichen nur das an der Oberfläche freiliegende Material von Bedeutung. Der Sensor 13 kann wenigstens zwischen Zementmatrix und Zuschlagstoffen unterscheiden. Eine Ausführungsform basiert auf einem CCD-Chip, einer Kamera 14, etc. und einer Bildauswertungseinheit 15. Feinkörniges Material z.B. mit Strukturgrößen kleiner als 3 mm, vorzugsweise 1 mm werden als Zementmatrix erkannt. Größere Strukturen sind Zuschlagstoffe wie Sandkörner, Steine etc. oder Armierungen.
Die Steuerung 7 empfängt die Signale des Sensors 13. Die Fluenz (Leistung pro Fläche) des Laserflecks 11 wird in Abhängigkeit des erkannten Materials eingestellt. Vorzugsweise standardmäßig wird die Fluenz auf einen ersten Wertebereich von 0,2 Megawatt pro Quadratzentimeter [MW/cm²] bis 1 MW/cm² eingestellt. Diese Fluenz wird beibehalten, wenn der Laserfleck auf eine Zementmatrix fällt, d.h. der Sensor 13 den Bereich als Zementmatrix erkennt. Ermittelt der Sensor 13, dass der Bereich Zuschlagstoffe enthält, wird die Fluenz angehoben. Vorzugsweise wird die Fluenz auf einen zweiten Wertebereich zwischen 2 Gigawatt pro Quadratzentimeter [GW/cm²] und 10 GW/cm² angehoben. Die Fluenz wird auf den ersten Wertebereich zurückgesetzt, wenn der Laserfleck wieder auf Zementmatrix fällt. Die Fluenz des Laserflecks 11 ist als dessen Spitzenwert im Zentrum des Laserflecks angegeben.
Teile des Laserflecks 11 können aufgrund eines inhomogenen Abbaus des Materials außerhalb einer Fokalebene des Laserstrahls 3 liegen. Der Sensor 13 berücksichtigt vorrangig die Materialzusammensetzung, welche in der Fokalebene liegt. Die Fokussiereinrichtung 10 führt die Fokalebene mit zunehmenden Abbau nach. Vorzugsweise ist die Fokalebene in der Ebene der bisher am wenigstens stark abgebauten Oberflächenabschnitte für die Zementmatrix und die meisten Zuschlagstoffe, d.h. die Oberflächenabschnitt im geringsten Abstand zu der Handwerkzeugmaschine 1.
Ein Umschalten auf die höhere Fluenz mit dem zweiten Wertebereich erfolgt vorzugsweise erst, wenn die Zementmatrix in dem in der Fokalebene anteiligen Lichtfleck 11 vollständig oder wenigstens zu 90 % entfernt ist. Das Verfahren entfernt zuerst die Zementmatrix bevor Zuschlagstoffe abgebaut werden.
Die Fluenz mit dem ersten Wertebereich wird vorzugsweise durch Betreiben der Laserlichtquelle 2 im Dauerstrichmodus erreicht. Die Fluenz des zweiten Wertebereichs wird einen Wechsel des Betriebsmodus der Laserlichtquelle 2 in einen gepulsten Betrieb, z.B. mit Pulsen einer Dauer zwischen 200 ns und 700 ns, erreicht. Die Steuerung 7 veranlasst eine entsprechende Einstellung der Laserlichtquelle 2. Die Steuerung 7 beinhaltet beispielsweise einen optischen Modulator 16, welcher innerhalb des optischen Resonators 17 der Laserlichtquelle 2 angeordnet ist. Für den gepulsten Betrieb wird die Güte des Resonators 17 durch den optischen Modulator 16 zeitweise auf einen niedrigen Wert abgesenkt, um ein Sättigen des optisch aktiven Mediums 18 der Laserlichtquelle 2 zu ermöglichen. Sobald das Medium 18 gesättigt ist, wird die Güte kurzzeitig für die Pulsdauer auf einen höheren Wert erhöht, wodurch der Laserlichtpuls freigegeben wird. Im Dauerstrichbetrieb ist die Güte dauerhaft auf dem höheren, typischer Weise maximalen, Wert gehalten.
Der Sensor 13 kann auch reines Quarzit von der Zementmatrix und den anderen Zuschlagstoffen unterscheiden. Quarzit kann anhand seiner Transparenz im nahen Infrarot von den anderen Materialen unterschieden werden. Sofern die Quarzitkörner einen Durchmesser von mehr als 1 mm aufweisen, wird die Fluenz vorzugsweise auf einen dritten Wertebereich zwischen 10 GW/cm² und 30 GW/cm² eingestellt.
Eine Düse 19 richtet einen Luftstrahl auf den Laserfleck 11. Das durch den Laserstrahl 3 per Ablation abgetragene Material wird weggeblasen. Eine Alternative saugt das Material mittels einer Düse aus dem Bereich des Laserflecks 11 ab.
Ein anderer Sensor 20 kann den lokalen Abstand 21 des von dem Laserfleck 11 beleuchteten Bereichs zu der Handwerkzeugmaschine 1 bestimmen. Der Sensor 20 ist beispielsweise ein Element der Fokussiereinrichtung 10. Der Sensor 20 bestimmt die Abtragsrate anhand einer Änderung des Abstands 21 über die Zeit. Der Laserfleck 11 hat vorzugsweise eine Fluenz innerhalb des Wertebereichs. Ein Schwellwert für die Abtragsrate wird anhand einer zu erwartenden Abtragsrate von Zementmatrix für den Laserfleck 11 festgelegt. Der Schwellwert kann dynamisch ermittelt oder vorzugsweise fest vorgegeben sein. Überschreitet die Abtragsrate den Schwellwert, wird der beleuchtete Bereich als Zementmatrixhaltig erkannt und die Fluenz beibehalten. Andernfalls, unterschreitet die Abtragsrate den Schwellwert, wird der Bereich als aus einem Zuschlagstoff bestehend erkannt, die Fluenz wird auf den zweiten Wertebereich erhöht. Die Abtragsrate wird durchgehend überwacht, falls diese nach Abtragen des Zuschlagstoffs wieder ansteigt, wird die Fluenz auf den ersten Wertebereich reduziert.
Die Wechsel der Fluenz von dem ersten Wertebereich in den zweiten Wertebereich kann durch ein stärkeres Fokussieren des Laserflecks 11 unterstützt werden. Beispielsweise kann für den ersten Wertebereich ein Durchmesser des Laserflecks 11 um bis zu 10-fach größer sein, als beim zweiten Wertebereich. Die Fokussiereinrichtung 10 ändert entsprechend ihre Abbildungseigenschaften. Vorzugsweise bleibt der Fokus trotz unterschiedlichen Durchmessers des Laserflecks 11 jeweils auf der Oberfläche. Eine Strahlaufweitung vergrößert den Strahldurchmesser vor der letzten Kollimationslinse, um den kleineren Laserfleck 11, bzw. vergrößert den Strahldurchmesser, um den größeren Laserfleck 11 zu erzeugen.
Ein Abtragen von Quarzit kann durch ein Defokussieren des Laserstrahls 3 unterstützt werden. Der Laserstrahl 3 wird unter die Oberfläche fokussiert. Der Fokuspunkt liegt zwischen 500 µm und 800 µm unter der Oberfläche. Quarzit ist für die Laserstrahlen mit der verwendeten Wellenlänge im nahen Infrarot leicht transparent. Obwohl die Intensität aufgrund der Absorption absinkt, zeigt sich ein verbessertes Abbauverhalten, welches auf ein Ausbrechen von Partikeln aufgrund thermomechanischer Spannungen zurückgeführt wird. Die Fokussiereinrichtung 10 wird beim Erkennen von Quarzit im Laserfleck 11 umgestellt, um den Fokus unterhalb der Oberfläche einzustellen. Die Fluenz ist so einzustellen, dass sich im Fokus ohne dem Material eine Fluenz im dritten Wertebereich einstellt, also wie wenn auf die Oberfläche fokussiert würde. Bei anderen Materialien wird der Fokus vorzugsweise wieder auf die Oberfläche zurückgestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007230230 A2 [0001]

Claims

Verfahren zum rückstandslosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien, insbesondere zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, mit den Schritten: Anstrahlen eines Werkstück aus einem mineralischen Baumaterial mit einem Laserstrahl (3) zum Erzeugen eines Laserflecks (11) auf der Oberfläche des Werkstücks, Erzeugen eines Luftstroms an dem Laserfleck (11), Einstellen einer Fluenz des Laserflecks (11) auf eine erste Fluenz im Bereich zwischen 0,2 MW/cm² und 1 MW/cm², wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11) Zementmatrix enthält und Erhöhen der Fluenz des Laserflecks (11) auf eine zweite Fluenz von wenigstens 1 GW/cm², wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11) ein anderes Material als Zementmatrix enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluenz zwischen 2 GW/cm² und 10 GW/cm² eingestellt wird, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11) Zuschlagstoffe von Beton enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluenz zwischen 10 GW/cm² und 30 GW/cm² eingestellt wird, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11) reines Quarzit enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtragsrate der Oberfläche innerhalb des Laserflecks (11) mit der ersten Fluenz ermittelt wird und falls die Abtragsrate einen Schwellwert überschreitet, das Material im Bereich des Laserflecks (11) als Zementmatrix bestimmt, und falls die Abtragsrate den Schwellwert unterschreitet, das Material im Bereich des Laserflecks (11) als das andere Material bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragsrate durch Ausmessen einer Vertiefung der Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammensetzung der Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11) optisch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fokus des Laserstrahls (3) bei Quarzit 500 µm bis 800 µm unterhalb der Oberfläche eingestellt wird.
Werkzeugmaschine zum Abtragen von mineralischen Baumaterialen mit einer Laserlichtquelle (2) zum Erzeugen eines Laserflecks (11) auf einer Oberfläche eines Werkstücks, einem Sensor (20) zum Identifizieren eines Materials im Bereich des Laserflecks (11), eine Steuerung (7) zum Einstellen einer Fluenz im Laserfleck (11), auf einen Bereich zwischen 0,2 MW/cm² und 1 MW/cm² einstellt und welche falls das Material anderes Material als Zementmatrix enthält, die Fluenz auf wenigstens 1 GW/cm² erhöht.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (2) einen gepulsten Laser mit einer einstellbaren Pulsrate aufweist.