DE102019219275A1

DE102019219275A1 - Vorrichtung und verfahren zur oberflächenbearbeitung eines werkstücks, insbesondere einer natursteinplatte

Info

Publication number: DE102019219275A1
Application number: DE102019219275.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Savoe & Co Kg De GmbH
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10
Also published as: EP4087702A1; WO2021116176A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken unterschiedlicher Größe, insbesondere von Natursteinplatten, welche eine Laserstrahlenquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, eine Bearbeitungsoptik zur Fokussierung und Strahlablenkung des Laserstrahls und eine optische Erfassungseinheit zur dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte; Dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks mit einer optischen Erfassungseinheit; Fokussierung und Strahlablenkung eines Laserstrahls einer Laserstrahlenquelle mit einer Bearbeitungsoptik; Oberflächenbearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahl entsprechend eingestellten Prozessparametern. Hierdurch wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächigenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere Natursteinen, zur Verfügung gestellt, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert werden. Dabei werden die Möglichkeiten, die Komplexität und die Flexibilität und Individualisierung der Natursteinoberflächen erweitert und die Produktionsschritte zur Herstellung von Oberflächencharakteristiken auf Natursteinplatten unterschiedlicher Abmessungen flexibler und effizienter gestaltet und der Automatisierungsgrad erhöht. Dabei sind unterschiedliche Oberflächencharakteristika herstellbar, die sich in Form, Verteilung und Grad des Materialabtrags, sowie in der Art der Wechselwirkung, die eine bestimmte Oberflächencharakteristik hervorruft, unterscheiden. Insbesondere sind durch die Erfindung auch die Oberflächen von Dolomit, Jurakalkstein oder ähnlich gearteten Natursteinen ohne lokale Verdichtung der Kristallstruktur bearbeitbar. Ferner ist eine hintereinandergeschaltete Bearbeitung von unterschiedlichen Abmessungen und/oder Materialien möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontaktlosen Oberflächenbearbeitung von Natursteinplatten unterschiedlicher Dicken für die Verwendung als Baumaterial im Innen- und Außenbereich.
Stand der Technik
Im Innenausbau und Faßadenbau, sowie dem Garten- und Landschaftsbau, also allgemein in der Baubranche, werden Natursteine eingesetzt, deren Oberflächen mechanisch, teils auch thermisch bearbeitet werden. Danach soll eine Funktion, etwa eine notwendige Rutschhemmung von Bodenbelägen, oder eine bestimmte Oberflächenstruktur bzw. Anmutung des jeweiligen Natursteins erzeugt werden.
Hergestellt werden Natursteinplatten, die als natürlicher Rohstoff gelten, durch den Abbau in Steinbrüchen, um anschließend aus einem massiven Natursteinblock einzelne Natursteinplatten zu produzieren, indem der Natursteinblock mit diamantbesetzten Sägewerkzeugen vertikal in einzelne Platten gesägt wird, üblicherweise mit Plattenstärken zwischen 1 und 10 cm, je nach Gesteinsart, nachfolgende Bearbeitungsschritte und Verwendungszweck.
Die daraus entstandene diamantgesägte Oberfläche ist eben und glatt, zeigt aber deutlich erkennbare Sägespuren. Dieser Rohzustand kommt kaum zum Einsatz. Vielmehr ist diese Oberfläche der Ausgangspunkt sämtlicher weiterer Oberflächenbearbeitungen. Sandgestrahlte Oberflächen etwa werden durch Beschuss des Natursteins mit Abrasivmittel erzeugt, wodurch kleinster Materialabtrag entsteht und die Rauigkeit der Oberfläche erhöht. Gestockte Oberflächen dagegen werden mittels Meißel erzeugt, automatisiert oder handgeführt. Auch hier entsteht Materialabtrag, der je nach Schärfe und Form des Meißelwerkzeugs feiner oder gröber ausfällt. Geflammte Oberflächen werden durch thermische Behandlung erzeugt, indem hauptsächlich Luft, Sauerstoff und Propan verbrannt wird und diese Flamme mit einer oder mehreren Flammdüsen auf das Werkstück gerichtet ist. Die Temperaturverhältnisse im Material erzeugen ein Aufplatzen bestimmter Körner, abhängig von Materialzusammensetzung und Temperatur. Geschliffene Oberflächen lassen die Sägespuren der diamantgesägten Ausgangsoberflächen nach und nach verschwinden. Polierte Oberflächen sind eine weitere Stufe der geschliffenen Bearbeitung und zeigen aufgrund der extremen glätte glasartigen Charakter. Geriffelte oder gesägte Oberflächen werden mit diamantbesetzten Sägewerkzeugen hergestellt und hierbei nur angesägt, oder angeritzt. Geriffelte oder gesägte Oberflächen können in beschränkter Vielfalt hergestellt werden, je nach Eigenschaften und Führung des Werkzeugs und somit Komplexität der Maschine. Anschließend können eingesägte Oberflächen abgeschlagen werden, um in regelmäßigen Abständen spaltraue Oberflächen herzustellen. Als weitere Oberflächentechnik kann für gut spaltbare Natursteine, wie beispielsweise Tonschiefer oder Gneise, die ursprüngliche, gespaltete Form genannt werden. Um diese Form herzustellen, wird Rohmaterial mit großem Kraftaufwand gewaltsam getrennt.
Jede der oben genannten Oberflächen kann zudem anschließend noch gebürstet werden. Hier wirken Kunststoff- oder Diamantbürsten auf die Oberfläche, wodurch scharfe Kanten geglättet werden, die Unebenheit der vorgeschalteten Technik jedoch erhalten bleibt. Ebenso gibt es weitere Oberflächentechniken, die durch Feinabstimmungen oder Kombination der eben genannten Oberflächentechniken erstellt werden können. Zudem gibt es Weiterbildungen der Schleif- und Bürsttechniken, die den Naturstein jedoch nur gering in seiner Beschaffenheit verändern. Als Beispiel kann hier das Ledern, das Satinieren, das Ölen und Ähnliche genannt werden.
Jede der genannten möglichen Oberflächen benötigen in der industriellen Herstellung spezifische Anlagen oder Werkzeuge, wodurch die betriebswirtschaftlichen Aufwendungen pro erzielbare Oberflächenkonfiguration sehr hoch sind.
Ein weiterer Nachteil der mechanischen Bearbeitungsverfahren ist die Reaktion des jeweiligen Materials auf die enormen Kräfte, die auf das Material wirken. Sie ist bei vielen sandgestrahlten oder gestockten Natursteinarten, wie z.B. Dolomit oder Jurakalkstein, durch ausgeprägte weiße Verfärbungen in der Wechselwirkungszone gekennzeichnet, dadurch hervorgerufen, dass durch die Krafteinwirkung zwar Material abgetragen wird, aber eben auch lokal verdichtet wird und sich diese verdichtete Kristallstruktur nun weiß oder milchig darstellt. Dies hat zur Folge, dass die Charakteristik des Steins ungewollt stark verändert wird und sich einzelne natürlich vorkommende Strukturen, mineralische Adern oder Farbsegmente nicht mehr oder nur noch schwer erkennen lassen und somit verloren gehen und damit die Wertigkeit des Natursteins mindern.
Die thermische Behandlung, das so genannte „Flammen“, ist zudem ein sehr energieintensiver Prozess, bei dem Luft, reiner Sauerstoff, Propan und Wasser verbraucht wird. Um ein Beispiel einer Flammanlage zu nennen, die 10 - 50 m² geflammten Naturstein pro Stunde herstellen kann und damit als eher kleine Anlage gilt, werden folgende Verbrauchswerte angegeben: 3000 Liter/min Luft (bei 7 bar), 1400 Liter/min Sauerstoff (02), 1000 Liter/min Propan, 5 Liter/min Wasser. Hinzu kommen Aufwendungen zur technischen und organisatorischen Abwasserentsorgung und Medienversorgung und -lagerung.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere Natursteinen, zur Verfügung zu stellen, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert wird. Dabei sollen die Möglichkeiten, die Komplexität und die Flexibilität und Individualisierung der Natursteinoberflächen erweitert und die Produktionsschritte zur Herstellung von Oberflächencharakteristiken auf Natursteinplatten unterschiedlicher Abmessungen flexibler und effizienter gestaltet und der Automatisierungsgrad erhöht werden. Dabei sollen unterschiedliche Oberflächencharakteristika herstellbar sein, die sich in Form, Verteilung und Grad des Materialabtrags, sowie in der Art der Wechselwirkung, die eine bestimmte Oberflächencharakteristik hervorruft, unterscheiden. Insbesondere sollen durch die Erfindung auch die Oberflächen von Dolomit, Jurakalkstein oder ähnlich gearteten Natursteinen ohne lokale Verdichtung der Kristallstruktur bearbeitbar sein. Ferner soll eine hintereinandergeschaltete Bearbeitung von unterschiedlichen Abmessungen und/oder Materialien möglich sein.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmale des Anspruch 1 und von einem Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hierdurch wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere Natursteinen, zur Verfügung gestellt, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert werden. Dabei werden die Möglichkeiten, die Komplexität und die Flexibilität und Individualisierung der Natursteinoberflächen erweitert und die Produktionsschritte zur Herstellung von Oberflächencharakteristiken auf Natursteinplatten unterschiedlicher Abmessungen flexibler und effizienter gestaltet und der Automatisierungsgrad erhöht. Dabei sind unterschiedliche Oberflächencharakteristika herstellbar, die sich in Form, Verteilung und Grad des Materialabtrags, sowie in der Art der Wechselwirkung, die eine bestimmte Oberflächencharakteristik hervorruft, unterscheiden. Insbesondere sind durch die Erfindung auch die Oberflächen von Dolomit, Jurakalkstein oder ähnlich gearteten Natursteinen ohne lokale Verdichtung der Kristallstruktur bearbeitbar. Ferner ist eine hintereinandergeschaltete Bearbeitung von unterschiedlichen Abmessungen und/oder Materialien möglich.
Zwar sind auch vereinzelt Versuche zur Laserbearbeitung von Natursteinen bekannt. So beschreibt die DE 19816442 A1 beispielsweise ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von verlegten Fußbodenplatten mittels Laser. Ähnliche Verfahren sind in der DE 19518270 C1 oder der DE 19843498 A1 beschrieben. Allerdings sind diese bekannten Verfahren auf Spezialanwendungen und einzelne Materialien beschränkt oder bedürfen zusätzliches Aufbringen chemischer Substanzen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte, vorgesehen, welche eine Laserstrahlenquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, eine Bearbeitungsoptik zur Fokussierung und Strahlablenkung des Laserstrahls und eine optische Erfassungseinheit zur dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks aufweist. Die Bearbeitungsoptik kann bevorzugt eine ansteuerbare Fokussiereinheit und eine ansteuerbaren Ablenkeinheit aufweisen. Die ansteuerbare Fokussiereinheit kann eine Fokussierlinse aufweisen, die auf einer motorisierten Achse sitzt, wodurch die Fokuslage in z-Richtung modifiziert werden kann. Die motorisierte z-Achse ist für dieses Verfahren besonders bevorzugt, da mithilfe einer ansteuerbaren Fokussiereinheit im Gegensatz zu einer konventionellen, starren Fokussierlinse mit Bildfeldkorrektur (sog. Planfeld-Linsen) die Brennweite des Systems dynamisch angepasst werden kann, ohne Wechsel der Linsensysteme. Außerdem bietet die ansteuerbare Fokussierlinse die Möglichkeit ein Arbeitsfeld von mindestens 1500 × 1500 mm² zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil der variablen Fokussiereinheit ist die Tatsache, dass dadurch im Gegensatz zu F-Theta Linsen erstmalig Brennweiten von 2000 mm und mehr erreicht werden können. Zum einen werden dadurch große Arbeitsabstände (Abstand zwischen Bearbeitungsoptik und Bearbeitungsebene) realisierbar, wodurch die Bearbeitungsoptik vor möglichen Prozess-Spritzern oder ausgebrochenem Material zusätzlich geschützt wird. Zum anderen werden durch die großen Brennweiten auch dem Verfahren vorteilhafte Fokussierbedingungen erreicht. Des Weiteren kann die Bearbeitungsoptik aus einem Strahlformungselement bestehen, das den in die Bearbeitungsoptik eintreffenden Laserstrahl kollimiert. In einer weiteren Ausführung kann ein weiteres Strahlformungselement in den Strahlengang eingesetzt werden, das dafür vorgesehen ist, das Intensitätsprofil in der Bearbeitungsebene zu modifizieren, z.B. um ein sog. top-hat-Strahlprofil zu erzeugen oder um ein Ring-Strahlprofil zu erzeugen. Des Weiteren wird mit mindestens einer optischen Erfassungseinheit punktuell oder flächig das zu bearbeitende Werkstück in seinen lateralen Ausmaßen und Dicke, bzw. Abstand zur Bearbeitungsoptik erfasst. Es ist zudem möglich, eine Laserstrahlenquelle über Strahlteiler in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen und unabhängig voneinander anzusteuern. Ferner können in weiteren Ausführungen auch mehrere Laser parallel, synchron oder nacheinander eingesetzt werden, mit mindestens einer Bearbeitungsoptik oder je Laser einer Bearbeitungsoptik. Die Anzahl der eingesetzten Laserstrahlenquellen kann je nach Komplexität, Produktivität und Größe der zu bearbeiteten Werkstücke festgelegt werden.
Ferner könnte ein geringer Gasstrom in Form eines so genannten Crossjet zum Schutz der Bearbeitungsoptik eingesetzt werden. Dieser Volumenstrom schützt die Bearbeitungsoptik vor Prozess-Spritzern oder abgesplittertem Material, indem ein Gasstrom parallel zur Bearbeitungsoptik angewendet wird. Dadurch werden Prozess-Spritzer, die vom Material ausbrechen und die Bearbeitungsoptik beschädigen könnten von dem Gasvolumenstrom abgelenkt und treffen damit nicht auf empfindliche Optiken oder zusätzlich schützende Schutzgläser.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass eine Datenverarbeitungseinheit zum Steuern der Laserstrahlenquelle, der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist. Ferner beinhaltet eine vorteilhafte Ausführungsform, dass eine Bildverarbeitungseinheit zum Aufnehmen, Übertragen, Bearbeiten und Weiterverarbeiten von Pixeldaten der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist. Dabei könnte die Bildverarbeitungseinheit als Software auf der Datenverarbeitungseinheit ausgestaltet sein. Da die Zusammensetzung der meisten Natursteine inhomogen ist, kann die optische Erfassungseinheit derart ausgebildet sein, dass sie mit einer Bildverarbeitungssoftware über Kontrastverhältnisse die Quarzit-Anteile lokal identifiziert und der Steuerungseinheit mitteilt, sodass lokal die laserspezifischen Parameter automatisch aus einer Datenbank mit Parametersätzen angepasst werden. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Materialinhomogenitäten hochautomatisiert ausgeführt werden. Über die Datenverarbeitungseinheit können Prozessparameter für die jeweiligen Bearbeitungsschritte definiert werden, d.h. an welcher Stelle auf dem Werkstück welche Art von Wechselwirkung stattfinden soll. Beispielsweise kann die Laserintensität auf der Bearbeitungsebene durch Anpassung der Laserleistung und des Prozessstrahldurchmessers eingestellt werden. Bevorzugt könnte der Prozessstrahldurchmesser angepasst werden, indem die Fokusebene des Laserstrahls verändert wird. Beispielsweise kann ein Bearbeitungsfeld pro Laser und pro Bearbeitungseinheit von 1500 mm x 1500 mm umgesetzt werden. Um zu gewährleisten, dass über das gesamte Bearbeitungsfeld von 1500 mm x 1500 mm die Fokusebene des Laserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene konstant bleibt, könnte die Fokusebene über eine motorisierte und regelbare Fokussiereinheit nachgeführt werden. Diese Einheit arbeitet sehr präzise, wodurch die empfindlichen Fokussierbedingungen des Laserstrahls eingehalten werden können.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass eine Fördereinheit zum Fördern der Werkstücke von einem Aufnahmesystem in ein Bearbeitungsfeld und aus dem Bearbeitungsfeld heraus vorgesehen ist. Des Weiteren kann die Vorrichtung ein System zum Umorientieren von Natursteinplatten vorsehen, beispielsweise, um senkrecht gelagerte Rohplatten in die waagerechte Position und auf die Fördereinheit zu positionieren, beispielsweise durch Aufnahmesysteme mit Unterdruck-Noppen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass eine graphische Benutzerschnittstelle vorgesehen ist. Hierdurch könnte beispielsweise mithilfe einer Steuerungsmöglichkeit in der graphische Benutzerschnittstelle bzw. der GUI (=graphical user interface) das Bildfeld oder die Konturen der zu bearbeitenden Platte dargestellt und anschließend über Ober-Kategorien die Art der Bearbeitung bestimmt werden, z.B. Ober-Kategorie „Flammen“, Ober-Kategorie „Sandstrahlen“, Ober-Kategorie „Stocken“ und Ober-Kategorie „Strukturieren“. Die jeweilige Ober-Kategorie weist dann Unter-Kategorien auf, die über Form und Muster des Abtrags (z.B. Konturen, Punkte, Linien, Polynome, definierte Musterzüge, etc.), über den Grad des Abtrags (z.B. Tiefe, Ausmaß, etc.) und über die Verteilung und Dichte des Musters bestimmen. So kann graphisch eine Art Cluster oder eine Art imaginäre Folie in der graphischen Benutzerschnittstelle auf die zu bearbeitende Platte gelegt werden. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden wie gewünscht, sodass sich durch diese Anordnung neue Oberflächen darstellen lassen. Die einzelnen Cluster könnten ebenso nach festgelegter Priorität abgearbeitet werden, sodass sich gewünschte Effekte wie z.B. der Darstellung von Muster und Formen auf einer zuvor geflammten Oberfläche realisieren lassen. Für jede dieser Oberflächenkategorien oder Oberflächencharakteristika ist ein vom Material abhängiger klar definierter Parametersatz hinterlegt, der dann entsprechend von der Steuerungstechnik geladen und angewandt wird. Durch diese Gestaltung der Oberflächenbearbeitung von Natursteinen ergeben sich deutliche Vorteile in der Möglichkeit der Gestaltung und Oberflächenvielfalt, mit dem zusätzlichen Kostenvorteil, dass für all diese Oberflächencharakteristika keine spezifischen Werkzeuge und Maschinen verwendet werden müssen und dass sich diese Oberflächencharakteristika mit einem hohen Maß an Flexibilität umsetzen lassen. Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich nun Kleinserien von wenigen zehn bis hundert Quadratmeter effizient umsetzen, da keine Rüstzeiten notwendig sind und sich Änderungen in der Produktion in wenigen Schritten umsetzen oder automatisieren lassen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die optische Erfassungseinheit ein dreidimensionales Kamerasystem oder ein zweidimensionales Kamerasystem mit zumindest einem Lasermessgerät, einem Ultraschallmessgerät oder jedem anderen geeigneten Sensor aufweist aufweist. Das bildgebende zweidimensionale Kamerasystem kann eine entsprechende Bildverarbeitungssoftware aufweisen, um mittels Kontrastverhältnissen Materialbesonderheiten oder Materialunstetigkeiten (Materialinhomogenität) zu erfassen. Dies können beispielsweise Quarzit-Adern in Dolomit-Platten sein. Um das Bearbeitungsergebnis von Dolomit-Platten zu verbessern, bedarf es einem gesonderten Parametersatz zur Bearbeitung der Quarzit-Adern die auf der Oberfläche der Dolomit-Platten erscheinen. Diese Quarzit-Adern erscheinen weiß-kristallin und unterscheiden sich deutlich vom umgebenden grau-dunklem Dolomit-Gestein. Das Kamerasystem kann dieses Kontrastverhältnis aufnehmen und mittels der Bildverarbeitungssoftware lokalisieren, sodass durch die berechneten Koordinaten gezielt veränderte Prozessparameter angewendet werden können. Das 2D-Kamerasystem kann beispielsweise zusammen mit einem Laserentfernungsmessgerät bzw. mit mehreren ortsaufgelösten Laser-Abstandssensoren oder Ultraschallsensoren vorgesehen sein. Flächige Höheninformation wird dann durch Extrapolieren der einzelnen Punkte generiert. Das zweidimensionale Kamerasystem könnte auch mit einem dreidimensionalen Kamerasystem auf Basis der Stereoskopie- oder der Triangulationstechnik und entsprechender Bildverarbeitungssoftware erweitert werden. Ein dreidimensionales Bildverarbeitungssystem kann zweidimensionale und dreidimensionale Bildverarbeitungsaufgaben lösen, sodass in weiteren Ausführungsformen mit einem dreidimensionalen Bildverarbeitungssystem eine Gütekontrolle durchgeführt, z.B. Vergleich der Ist- und Sollzustände von Materialabtrag, Ausmaß der Strukturen, etc., und automatisiert werden kann. Des Weiteren kann ein dreidimensionales Bildverarbeitungssystem den Abstand zwischen Bearbeitungsoptik und Bearbeitungsebene messen, sodass diese Information verwendet werden kann, um die Fokuslage des Laserstrahls flexibel an das jeweilige Material anzupassen. Dadurch entfällt der Prozessschritt, die Materialstärke über die Lasermessgeräte zu messen. Die Information wird in dieser Ausführungsform automatisch von der Bildverarbeitungseinheit an die Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet. So können sehr flexibel unterschiedlich dicke Natursteinplatten nacheinander bearbeitet werden. Ebenso kann die Schräge bei großen Platten vermessen werden. Schräge Platten oder schräg aufgelegte Platten können in ihrer gesamten Länge oftmals mehrere Millimeter Höhenunterschied aufweisen, was für die Prozessstabilität ungünstig wäre. Durch die Vermessung der Schräglage kann die Fokuslage automatisiert angepasst werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Fokuslage des Laserstrahls der Laserstrahlenquelle außerhalb der Werkstückebene liegt. D.h., die Fokusebene des Laserstrahls muss nicht auf der Werkstückoberfläche liegen, sondern kann auch davor liegen, ein sog. Zwischenfokus, oder auch dahinter, ein so genannter imaginärer Fokus.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die graphische Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Materialart und/oder Art der Bearbeitung zum Erreichen eines Soll-Zustands über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, vorgesehen ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Strahlqualität M² von kleiner oder gleich 1,5 aufweist. Vorteilhafterweise weist der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Leistung von größer oder gleich 1 kW auf. Um die große Vielfalt an Oberflächencharakteristika umsetzen zu können, kann die Intensität des Laserstrahls der auf das Material trifft gezielt innerhalb einer Bandbreite von 1 kW/cm² bis 60 MW/cm² reproduzierbar eingestellt werden, wobei mit zunehmender Laserleistung in weiteren Ausführungen auch entsprechend die maximale Intensität zunimmt.
Aus den bisherigen Arbeiten mit Naturstein hat sich für die unterschiedlichen Prozesse ergeben, dass es vorteilhaft ist, die Laserintensität für das jeweilige Material und den jeweiligen Prozess auf etwa +/- 10 % konstant zu halten. Eine Stabilität der Laserintensität von etwa +/- 10 % bedeutet aufgrund der quadratischen Beziehung zwischen Prozessstrahldurchmesser und Laserintensität eine Stabilität des Prozessstrahldurchmessers von maximal +/- 5 % einhalten zu müssen.
Ferner beinhaltet eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle vorzugsweise eine Wellenlänge von einschließlich 1000 nm bis einschließlich 1100 nm oder von 10,6 µm aufweist, vorzugsweise von einschließlich 1030 nm bis einschließlich 1064 nm. Beispielsweise könnte ein CO2-Laser (Wellenlänge 10,6 µm) und/oder ein Infrarot-Laser (Wellenlänge zwischen 1000 nm und 1100 nm) mit hoher Leistung von >1,5 kW eingesetzt werden.
Der Prozessstrahldurchmesser, d.h. der Durchmesser des Laserstrahls der Laserstrahlenquelle auf der Ebene des Werkstücks, trifft mit einem Durchmesser von 100 µm - 20 mm (definiert über das zweite Moment der Intensitätsverteilung) auf das Werkstück und wird dadurch Material verdampfen, sublimieren, schmelzen oder erwärmen. Die Art der Wechselwirkung wird durch die Intensität des Laserstrahls beeinflusst. Die Intensität definiert sich als Quotient aus mittlerer Laserleistung zur Querschnittsfläche des Laserstrahls auf der Ebene des Werkstücks.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung um eine weitere Laserquelle erweitert, die parallel, synchron oder abwechselnd großflächige Prozessstrahldurchmesser von größer 10 mm mit einer Strahlqualität M² von mindestens 1,5 und schlechter umsetzt. In einer weiteren Ausführung wird die Bearbeitungsoptik mit einer auf das Bearbeitungsfeld gerichteten LED-Beleuchtung erweitert, um eine geeignete Belichtung für vorhandene Kamerasysteme im sichtbaren Bereich zu gewährleisten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Brennweite der Bearbeitungsoptik in einem Bereich von einschließlich 300 mm bis einschließlich 3000 mm einstellbar ist. Mit der regelbaren Fokussiereinheit lässt sich jeder Punkt auf der Bearbeitungsebene ansteuern und die Fokusebene nachregeln. Dies kann notwendig sein, da durch die sphärische Fokussierlinse auch eine sphärische Fokuslagenebene abgebildet wird. Um die Fokuslage nun auf die ebene Bearbeitungsebene abzubilden, wird eine Linse innerhalb der Fokussiereinheit angesteuert, wodurch der anfänglich kollimierte Laserstrahl nun divergent auf die Fokussierlinse trifft, wodurch sich die Fokuslage beeinflussen lässt.
Die optische Weglänge des Laserstrahls beeinflusst außerdem den Fokusdurchmesser des Laserstrahls in linearer Beziehung nach Gleichung 1. Für den konkreten Anwendungsfall der hier vorliegenden Vorrichtung zur Bearbeitung von Natursteinplatten innerhalb eines rechteckigen Bearbeitungsfeldes von mindestens 1500 mm x 1500 mm ergibt sich ein Mindest-Arbeitsabstand (orthogonaler Abstand zwischen Fokussierelement und Bearbeitungsebene) der eingerichtet werden muss, damit die Differenz der optischen Weglängen zwischen senkrecht auftreffendem Strahl und in die Ecken der Bearbeitungsebene fokussiertem Strahl maximal +/-5 % beträgt. Für ein Bearbeitungsfeld von 1500 mm x 1500 mm entspricht das nach Gleichung 2 einem Arbeitsabstand von mindestens 2315 mm. $d_{f} \approx \frac{M^{2} \cdot f \cdot 4 \cdot λ}{d_{L} \cdot π} \approx \frac{d_{e} \cdot θ_{e} \cdot f}{d_{L}}$

df: Fokusdurchmesser des fokussierten Strahls
M2: Strahlqualität
f: Brennweite der Linse, bzw. optische Weglänge
λ: Wellenlänge des Laserstrahls
dL: Strahldurchmesser auf Fokussierlinse
de: Fokusdurchmesser des Eingangsstrahles
θe: Divergenz (im Vollwinkel) des Eingangsstrahles

\begin{matrix} a^{2} + b^{2} = c^{2} \\ mit c \leq 1,1 \cdot a \end{matrix}

a: Senkrechter Abstand zwischen Fokussiereinheit und Mittelpunkt der Bearbeitungsebene
b: Strecke zwischen Mittelpunkt und Eckpunkt der Bearbeitungsebene

c: Abstand zwischen Fokussiereinheit und Eckpunkt der Bearbeitungsebene

Je größer der Arbeitsabstand gewählt wird, desto kleiner fällt die Differenz der optischen Weglängen zwischen senkrecht auftreffendem Strahl und in die Ecken der Bearbeitungsebene fokussiertem Strahl aus (bei gleichbleibender Größe der Bearbeitungsebene). Für ein Bearbeitungsfeld von 1500 × 1500 mm² wird die Bearbeitungsoptik, insbesondere die Fokussierbedingung so ausgelegt, dass ein Arbeitsabstand von mindestens 2315 mm eingehalten wird.
Die Bearbeitungsoptik könnte auch mit Planfeld-Fokussierelementen (z.B. einem F-Theta Linsenelement) zur Fokussierung und Feldkorrektur des Laserstrahls arbeiten. Mit einem Planfeld-Element lässt sich nur eine Brennweite umsetzen, sodass unterschiedliche Arbeitsabstände durch Bewegung der gesamten Bearbeitungsoptik oder der gesamten Werkstückaufnahme realisiert werden können.
Eine beispielhafte Realisierung des Arbeitsabstands bei gleichzeitig dynamischer Steuerung des Arbeitsabstandes ist die Fokussierung und Auslenkung des Laserstrahls mittels ansteuerbaren Fokussierlinsen, sogenannter 3-Achs-Scan-Einheit. Diese Einheit besteht aus zwei konvexen Linsen; die erste Linse ist ansteuerbar und modifiziert durch Linearbewegungen den kollimiert auftreffenden Laserstrahl in einen divergenten Laserstrahl und steuert damit die Divergenz und den Durchmesser des Laserstrahls der auf die fixierte Fokussierlinse trifft, wodurch die Fokuslage des Laserstrahls beeinflusst wird. Die notwendigen Korrekturdaten werden für die Parameter berechnet, simuliert und als Datei in der Datenverarbeitungseinheit gespeichert. Mit Korrekturdaten sind die für die Laserparameter berechneten Positionen entlang der Linearachse der ersten Linse für jeden Punkt auf der Bearbeitungsebene gemeint. Für jeden Punkt auf der Bearbeitungsebene muss die Fokuslage korrigiert werden, was durch lineare Bewegungen der ersten ansteuerbaren konvexen Linse realisiert wird. Jedem Punkt auf der Bearbeitungsebene muss demnach explizit eine Position der ansteuerbaren Linse auf ihrer Linearachse zugeteilt werden. Diese Daten werden nach laserspezifischen Parametern (z.B. Wellenlänge, Strahlqualität, Divergenz, Strahldurchmesser, etc.) und anlagenspezifischen Parameter (geforderter Arbeitsabstand, geforderter Fokusdurchmesser, geforderter Prozessstrahldurchmesser, geforderte Divergenz, etc.) erstellt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit senkrecht und horizontal entlang der Maschinenachsen einstellbar ist. In einer anderen Ausführungsform wird die Bearbeitungsoptik zusätzlich in mindestens einer weiteren Linearachse oder Rotationsachse relativ zum Werkstück bewegt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass ein Robotersystem die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit verfährt. Die Anzahl der Freiheitsgrade der beweglichen Achsen sollte in diesem Sinne nicht begrenzt sein, da je nach anwendungsspezifischen Anforderungen nicht nur die zur Bearbeitungsoptik zugeneigte Oberfläche bearbeitet wird, sondern auch die orthogonal dazu liegenden Kanten, sodass in weiteren Ausführungsformen weitere Drehachsen oder Mehrachs-Roboter eingesetzt werden können, um die Bearbeitungsoptik oder in gewissem Maße auch die Werkstückauflage drehen zu können.
Ferner könnten eine oder mehrere Wärmebildkameras oder ein oder mehrere Pyrometer vorgesehen sein, um während der Oberflächenbearbeitung „Flammen“ die Temperaturverteilung auf der Natursteinoberfläche messen zu können. Die ermittelten Daten werden dann mit vorher programmierten Soll-Werten verglichen, um daraus Korrekturmaßnahmen mithilfe der laserspezifischen und steuerungstechnischen Parameter treffen zu können. Durch diese Ausführungsform wird der Grad der Automatisierbarkeit erhöht und zugleich eine indirekte Qualitätskontrolle durchgeführt. Diese Ausführungsform kommt zum Einsatz, wenn Naturstein „geflammt“ wird, also oberflächlich erwärmt wird oder allgemein bei materialabtragenden Bearbeitungen zur Kontrolle der mittleren Temperaturverteilung im Werkstück, um frühzeitig eine thermische Überlastung des Materials zu erkennen, und damit einem Bruch oder einem Riss durch zu hohe thermisch induzierte mechanische Spannungen vorzubeugen oder entsprechende kühlende Gegenmaßnahmen während der Bearbeitung einzuleiten.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks vorgesehen, welches folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte;
b) Dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks mit einer optischen Erfassungseinheit;
c) Fokussierung und Strahlablenkung eines Laserstrahls einer Laserstrahlenquelle mit einer Bearbeitungsoptik;
d) Oberflächenbearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahl entsprechend eingestellten Prozessparametern.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann Oberflächencharakteristika, wie beispielsweise sandgestrahlt, gestockt, geflammt, etc. abbilden, wobei die Bearbeitung kontaktlos und kräftefrei durchgeführt wird und damit den Werkzeugverschleiß verringert. Ferner werden durch das vorliegende Verfahren Ressourcen geschont, da keine bzw. nur geringe Mengen Gase oder Wasser eingesetzt werden. Des Weiteren werden die Dicken der Natursteinplatten in herkömmlichen Verfahren nach dem Bearbeitungsverfahren ausgewählt. Insbesondere beim Stocken oder beim Sandstrahlen wirken große mechanische Kräfte auf das Material. Um Rissen oder Brüche innerhalb der Platten vorzubeugen, werden die Natursteinplatten für diese Art von Bearbeitungsverfahren selten in Stärken kleiner 20 mm ausgeführt. Zudem werden die Platten für die Bearbeitung meist mit einem Aufmaß zugeschnitten, um dann nach der Bearbeitung das Material erneut in Form zu schneiden, da in der Regel die Kanten der Natursteinplatten durch die Bearbeitung ausgebrochen sind. Unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens, Laserstrahlung als bearbeitendes Werkzeug zu verwenden, wirken keine Kräfte mehr auf das Material, wodurch problemlos Materialstärken kleiner 20 mm mit ähnlicher Oberflächencharakteristik ausgeführt werden können oder die Natursteinplatten bereits vor der Bearbeitung auf Sollmaß geschnitten werden können, da die Bearbeitung schonend und kräftefrei stattfindet und dadurch der Ausbruch der Kanten bei ähnlichen Bearbeitungsergebnissen, wie bei gestockten oder sandgestrahlten Oberflächencharakteristika vermieden wird.
Ferner erfährt der zu bearbeitende Naturstein, hier insbesondere Dolomit oder Jurakalkstein, während der Bearbeitung keine mechanischen Kräfte, so dass das Material geschont wird, sich keine kristallinen Verdichtungen bilden, wodurch die Wertigkeit des Natursteins erhöht und dessen Charakter besser zur Geltung kommt. Zum anderen ergeben sich durch die berührungslose Bearbeitung des Natursteins neue Möglichkeiten in der Gestaltung der Natursteinplatten in Form und Dicke. So ist es mit konventionellen mechanischen Bearbeitungsverfahren nicht möglich größere Plattenmaße ab 1,0 × 1,5 m² von bis zu 1,5 × 3,0 m² mit Materialstärken <20 mm mechanisch zu bearbeiten, da durch die Bearbeitung derart hohe Spannungen in das Material eingetragen werden, dass die Gefahr von Risse oder Ausbrüche besteht und diese Risse in einem weiteren Produktionsschritt verklebt werden müssen oder die Platten nicht mehr verwendet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für magmatische Gesteine (Magmatite), Sedimentgesteine (Sedimentite) sowie Metamorphe Gesteine (Metamorphite) angewendet werden. Magmatische Gesteine sind aus der Kristallisation magmatischer Schmelzen entstanden. Das Gefüge ist meist richtungslos und die einzelnen Mineralien und Mengen sind in der Regel homogen verteilt. Zu den magmatischen Gesteinen zählen unter anderen Granit, Granodiorit, Syenit, Diorit und Rhyolith. Sedimentgesteine sind durch Verwitterung, Abtragung und Ablagerung entstandene Gesteine, darunter zählen unter anderen Sandstein, Kalkstein, Dolomit, Mergel, Arkose und Breccie. Metamorphe Gesteine sind ehemals Sedimentgesteine oder Magmatische Gesteine, welche durch Metamorphose in Mineralbestand und Gefüge verändert wurden. Metamorphe Gesteine können unter anderen unterteilt werden in Quarzite, Gneise oder Schiefer. Unter die Gruppe der metamorphen Gesteine zählen z.B. Marmor, Gneis, Glimmerschiefer, und weitere.
Unter anderem können durch das Verfahren Granit, Marmor, Kalkstein, Travertin, Sandstein, Serpentinit, Muschelkalk, Dolomit, Gneis, Alabaster oder Schiefer bearbeitet werden.
Je nach Art des Natursteins, demnach je nach Mineralart und Mineralbestand, werden die laserspezifischen und steuerungstechnischen Parameter angepasst, um das zu erwartende Ergebnis zu erzielen. So bedarf es z.B. zur Bearbeitung von Quarzit oder Quarzit-Adern in Sedimentgesteinen einer hohen Leistungsdichte, um diese Quarzit-Anteile abtragen zu können. Ähnlich verhält es sich mit Granit oder Schiefer. Die Zusammensetzung der mineralischen Bestandteile erfordert eine sehr hohe Leistungsdichte. Bestimmte Sandsteine, oder Kalksteine dagegen lassen sich bereits mit um Faktor 10 geringeren Leistungsdichten effektiv bearbeiten. Dies liegt z.B. daran, dass bestimmte Natursteine im Gegensatz zu manch anderen Natursteinen eine Zersetzungstemperatur besitzen, die zudem in der Regel niedriger als die Schmelz- oder Siedetemperatur ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass eine Eingabe der Materialart und/oder des Soll-Zustands auf einer graphischen Benutzerschnittstelle über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder über Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, erfolgt. Der Bearbeitungslaserstrahl kann dabei als kontinuierlicher oder als gepulster Laserstrahl, beispielsweise mit einer Pulsenergie von zumindest 1 mJ, einwirken.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass eine automatische Auswahl von Prozessparametern durch eine Datenverarbeitungseinheit auf Basis von Daten der Bildverarbeitungseinheit und/oder von auf der graphischen Benutzerschnittstelle eingegebenen bzw. ausgewählte Daten erfolgt. Um eine Oberflächencharakteristik herzustellen, die z.B. das konventionelle Sandstrahlen oder Stocken abbilden soll, werden dagegen Prozessparameter angewendet, die das Material zersetzen, verdampfen oder sublimieren, abhängig von den Materialeigenschaften des zu bearbeitenden Natursteins. Die Art der Wechselwirkung wird durch die lokal im Material vorherrschende Prozesstemperatur bestimmt, die abhängig von den materialspezifischen Wärmeleitfähigkeiten ist und die abhängig von der auf das Material einwirkenden Leistungsdichte ist. Die bereitgestellte Leistungsdichte kann durch das Verhältnis der lokal eingekoppelten Energiemenge des Laserstrahls pro Einwirkdauer des Laserstrahls innerhalb der Wechselwirkungszone und der Querschnittsfläche des Laserstrahls, also letztendlich des Prozessstrahldurchmessers angepasst werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Berechnung der lateralen Ausmaße, des relativen Abstands zur Bearbeitungsoptik und zur Erkennung und Lokalisierung von strukturellen und/oder farblichen Besonderheiten/Unterschieden durch die optische Erfassungseinheit erfolgt. Um die unterschiedlichen Arten der Wechselwirkung, wie beispielsweise das Sublimieren, Verdampfen, Schmelzen, Erwärmen, etc. stabil und reproduzierbar zu erzeugen, ist es notwendig den Abstand der Bearbeitungsoptik zur Werkstückoberfläche exakt zu bestimmen, damit die Leistungsdichte dem Prozessergebnis angepasst werden kann.
Durch eine Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vorrichtung zum Bürsten oder Polieren und einer weiteren Vorrichtung zum Schneiden von Natursteinwerkstoffen erfüllt den Vorteil, dass die komplette Natursteinbearbeitung in einer sehr kompakten und flexiblen Produktionslinie durchgeführt werden kann, beginnend bei der Oberflächenbearbeitung der Rohplatten im Großformat durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, über zusätzliche Oberflächenbearbeitungsverfahren, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erfüllt werden können (z.B. das Bürsten, das Ledern oder das Polieren), bis hin zum Rohplattenzuschnitt in Fliesenformat.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Natursteinplatten als Rohplatten oder in bereits zugeschnittenem Format mittels Aufnahmesystem orientiert und auf die Fördereinheit positioniert. Die Fördereinheit transportiert die Natursteinplatten in das Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsoptik oder der Bearbeitungsoptiken. Bevor die einzelnen Werkstücke in das Bearbeitungsfeld treffen, werden diese von einer optischen Erfassungseinheit erfasst und vermessen. Die optische Erfassungseinheit wird vorzugsweise vor dem Bearbeitungsfeld installiert, damit das Werkstück bereits vermessen ist, bevor es sogleich im Bearbeitungsfeld bearbeitet wird. Außerdem wird das Werkstück mit der optischen Erfassungseinheit auf Materialbesonderheiten überprüft, indem die Pixelwerte in der Bildverarbeitungssoftware mit entsprechenden Algorithmen verarbeitet werden. Z.B. könnten dadurch bereits vor der Bearbeitung Quarzit-Anteile im Material lokalisiert werden, damit anschließend während der Bearbeitung lokal an diesen Stellen ein angepasster Parametersatz angewendet werden kann. In der Software / User Interface wird die Art des zu bearbeitenden Natursteins und bevorzugt graphisch dargestellt, die Art der Oberflächenbearbeitung definiert, In sogenannten Ober-Kategorien wird die grundlegende Art der Oberflächencharakteristik festgelegt, z.B. Ober-Kategorie „Flammen“, Ober-Kategorie „Sandstrahlen“, Ober-Kategorie „Stocken“ und Ober-Kategorie „Strukturieren“. Die jeweilige Ober-Kategorie weist dann Unter-Kategorien auf, die über Form und Muster des Abtrags (z.B. Konturen, Punkte, Linien, Polynome, definierte Musterzüge, etc.), über den Grad des Abtrags (z.B. Tiefe, Ausmaß, etc.) und über die Verteilung und Dichte des Musters bestimmen. All diese Parameter und Änderungen sollen graphisch in der Bediener-Oberfläche dargestellt werden. So wird graphisch eine Art Cluster oder eine Art imaginäre Folie im Bediener Interface auf die zu bearbeitende Platte gelegt. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden wie gewünscht, sodass sich durch diese Anordnung neue Oberflächen darstellen lassen. In einer weiteren Ausführung wird die Gestaltung der Oberfläche über Ober- und Unter-Kategorien nicht am Bedienfeld der Maschine, sondern an einem externen Rechner mit entsprechender Software und Schnittstelle zur Maschine durchgeführt. Für diese Ausführung kann der Freiheitsgrad der Gestaltung in gewissem Maße für bestimmte Zugangsebenen auf Seiten der Maschinenbedienung gesperrt oder reguliert werden. Wurde die Oberflächencharakteristik definiert, werden die einzelnen Cluster an der Maschine nach festgelegter Priorität umgesetzt und abgebildet, sodass sich z.B. gewünschte Effekte wie einer Darstellung von Muster und Formen auf einer zuvor geflammten Oberfläche realisieren lassen. Mindestens ein Laserstrahl wird dabei auf das Werkstück fokussiert, wobei die Fokusebene nicht stets auf der Werkstückebene liegen wird. Je nach Art der Oberflächencharakteristik die in der Software definiert wurde steuert die Datenverarbeitungseinheit die Bearbeitungsoptik(en) so an, damit die für den jeweiligen Prozess geeigneten laserspezifischen Parameter umgesetzt werden. Dabei werden auch die Analysen der Bildverarbeitungsaufgabe berücksichtigt, damit jede Materialzusammensetzung innerhalb der Platte mit dem optimalen Parametersatz bearbeitet werden kann. Dieser Datensatz an laserspezifischen Parametern ist vom jeweiligen Prozess und vom zu bearbeitenden Material abhängig und wird in die Datenverarbeitungseinheit eingepflegt. Einige Parameter die zur Prozess-Steuerung wichtig sind umfassen die Intensität der Laserstrahlung, der Durchmesser des Laserstrahls auf Ebene des Werkstücks (der sog. Prozessstrahldurchmesser) und die Zeit der Einwirkung des Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 ein perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine perspektivische Detailansicht aus 1;
3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1;
Fgur 4 eine Draufsicht auf die Detailansicht aus 2;
5 eine Seitenansicht der Vorrichtung aus 1;
6 eine Vorderansicht der Vorrichtung aus 1;
7 eine Detaildarstellung des Bearbeitungskopfs der Vorrichtung aus 1.

Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7, liegen die Werkstücke 1, hier Dolomitplatten, in Ausgangslage horizontal oder vertikal gestapelt in dem für das Aufnahmesystem 2 geeigneten Arbeitsfeld. Das Aufnahmesystem 2 positioniert jeweils eine Dolomitplatte 1 auf der Fördereinheit 3. Während die Dolomitplatte 1 von der Fördereinheit 3 in das Bearbeitungsfeld 4 der Bearbeitungsoptik 5 befördert wird, wird das Profil der Dolomitplatte 1 von der optischen Erfassungseinheit 6 vermessen. Die optische Erfassungseinheit umfasst ein 3D Kamerasystem der Firma Tordivel AS auf Basis der Stereotechnik. Die Aufnahmen werden in einer Bildverarbeitungssoftware und angewandten Algorithmen zur Verarbeitung der Pixeldaten verarbeitet. Aus dem vermessenen Werkstückprofil gehen die Ausmaße der Platte, die Dicke der Platte, sowie die relative Lage der Platte zur Bearbeitungsoptik zum Zeitpunkt der Messung hervor. Erweitert können mit dieser Information über die Bildverarbeitungssoftware weitere prozessrelevante Werkstückeigenschaften ermittelt werden, wie z.B. die Schräglage der Plattenebene. Die Software mit der das Prozessergebnis gestaltet und definiert werden kann, wird entweder auf der Benutzerschnittstelle der Maschine 7 oder auf einer externen Datenverarbeitungseinheit 9 betrieben. In diesem Beispiel soll eine Charge von 50 Dolomitplatten mit den Maßen 1 m x 1 m mit je der gleichen Oberflächencharakteristik erstellt werden. Im vorliegenden Beispiel wird eine geflammte Oberflächencharakteristik erstellt, die zusätzliche linienartige Strukturen aufweist. Um dieses Prozessergebnis zu erzielen, werden sehr unterschiedliche Durchmesser eines Laserstrahls 8 und sehr unterschiedliche Laserintensitäten mit variablen Einwirkzeiten angewendet. In diesem Beispiel wird das Prozessergebnis vor der Bearbeitung der Dolomitplatten in die Datenverarbeitungseinheit 9 geladen und für die Charge von 50 Platten nicht geändert.
Die Datenverarbeitungseinheit 9 ordnet diesen Prozessergebnissen dann die definierten laserspezifischen, materialspezifischen und steuerungsspezifischen Parameter zu und steuert damit die Laserstrahlenquelle 10, die Bearbeitungsoptik 5 und die Maschinenachsen. Für diese Oberflächencharakteristik werden ca. 60 Minuten pro m² bei einer mittleren Laserleistung von 1,5 kW für die Bearbeitung benötigt. Die Datenverarbeitungseinheit 9 berechnet anhand des definierten Materials und der Art der Bearbeitung, die Bearbeitungsdauer und definiert den Vorschub der Fördereinheit 3. Eine Ausnahme stellen in der Datenverarbeitungseinheit 9 definierte Prozesse dar, die im Material eine hohe thermische Belastung implizieren könnten. Das sogenannte Flammen fällt abhängig von der Dauer der Bearbeitung und Materialart fast immer unter diese Kategorie, so dass diese Prozessart eine gesonderte Strategie verlangt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Dolomitplatten vollständig und zentral in das Bearbeitungsfeld 4 zu befördern bevor die Bearbeitung beginnt. Der erste Prozessschritt der Bearbeitung der Dolomitplatten ist es in diesem Beispiel, die Dolomitplatten vollständig oder partiell mit einem Laserstrahldurchmesser > 3 mm zu belichten damit die Dolomitplatten innerhalb der Wechselwirkungszone eine spezifische Prozesstemperatur erreichen und dadurch bestimmte mineralische Bestandteile aus den Dolomitplatten herausgebrochen werden, wodurch eine rustikale Oberflächencharakteristik entsteht, die nach konventionellen Verfahren als geflammte Oberfläche bezeichnet wird. Um die thermische Belastung innerhalb der Dolomitplatten unkritisch zu halten, werden je nach Größe, Dicke und gewünschten Prozessergebnis unterschiedliche Bestrahlungsstrategien gewählt. Zum Beispiel wird zunächst ein Achtel der Fläche belichtet, um anschließend ein weiteres Achtel abseits der angrenzenden Flächen des vorab bearbeiteten Achtels zu belichten. Wurden die beiden Flächen vollständig bearbeitet, werden die nächsten beiden nicht unmittelbar angrenzenden Flächen in der gleichen Weise bearbeitet. Daraufhin wird als zweiter Prozessschritt die linienartige Struktur in ihrer gesamten Vielfalt, d.h. in der gesamten definierten Strukturstärke und Form, auf die gesamte Dolomitplatte umgesetzt. Jede Strukturstärke entspricht gesonderten Prozessparametern, so dass für jede zu umsetzende Strukturcharakteristik eine bestimmte Fokuslage benötigt wird. Es ist aufgrund der Laserintensität und Einwirkdauer gewährleistet, dass die thermische Belastung während der Strukturierung sehr viel geringer gegenüber der großflächigen Bestrahlung, dem sog. Flammen ist, sodass sich während der Strukturierung das Material etwas abkühlen kann und das Überschreiten einer kritischen Temperatur, die die Dolomitplatten eventuell beschädigen könnte, ausgeschlossen ist. Daher ist für diesen Prozessschritt der Strukturierung keine gesonderte Prozessstrategie gegenüber dem vorherigen großflächigen Belichten vorgesehen.
Beim sog. Flammen von Dolomit können die im Dolomit vorherrschenden Quarzit-Adern Unregelmäßigkeiten in der Bearbeitung hervorrufen, da Quarzit eine höhere Prozesstemperatur benötigt als die umliegenden Mineralien. Auch mit konventionellen Mitteln hergestellte geflammte Dolomit-Flächen weisen dieses Merkmal auf und müssen gegebenen falls nachgearbeitet werden. Für diese Anwendung empfiehlt es sich ein Kamerasystem in der optischen Erfassungseinheit 6 zu verwenden, um eine Art Güteüberprüfung vorzunehmen, indem Quarzit-Adern durch den Kontrastunterschied vom Bildverarbeitungssystem identifiziert und lokalisiert werden und dann mit dem Laserstrahl 8 und angepasster Intensität bearbeitet werden, um eine homogene Bearbeitung zu erschaffen. Für diese Anwendung wird die optische Erfassungseinheit 6 und entsprechende Bildverarbeitung eingesetzt, um eine Güteüberprüfung vorzunehmen, indem Quarzit-Adern durch den Kontrastunterschied der Pixelwerte vom Bildverarbeitungssystem identifiziert und lokalisiert werden und dann mit dem Laserstrahl 8 und angepasster Intensität bearbeitet werden, um eine homogene Bearbeitung zu erschaffen. Dieser Prozessschritt wird bevorzugt vor der Bearbeitung durchgeführt, damit die Materialbesonderheiten bereits vor der Bearbeitung bekannt und lokalisiert wurden. Damit kann während der Belichtung bereits mit unterschiedlichen Prozessparametern reagiert werden, um eine gleichmäßig geflammte Oberfläche zu erschaffen werden. Ist die Bearbeitung beendet, wird die Platte von einer weiteren Aufnahmeeinheit 2 am Ende der Fördereinheit 3 umgelagert.
Beispiel 1:
Kontaktlose und kräftefreie Oberflächenbearbeitung von Jurakalksteinplatten
Jurakalkplatten gehören zur Art der Sedimentgesteine und eignen sich sowohl für den Innen-, als auch für den Außenbau. Die Nomenklatur ist wie üblich nicht einheitlich, so dass der hier beschriebene Jurakalk auch unter Jura, Jurastein, Juramarmor, o.ä. aufgeführt werden kann. Die chemische Zusammensetzung des Materials lässt eine geflammte Bearbeitung nicht zu. In der Regel wird Jurakalk in polierter, gebürsteter, sandgestrahlter, gestockter, geriffelter oder geritzter/gesägter Ausführung angeboten.
Jede der genannten Oberflächencharakteristika bedarf mindestens ein spezifisches Werkzeug, meist auch eine spezifische Maschine.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die aufgeführten Oberflächencharakteristika von einer Maschine allein ausgeführt werden können. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl weiterer Oberflächenveränderungen ausführen, die auf Jurakalk abgebildet werden können. Ein weiterer Vorteil liegt in der kontaktlosen und damit für das Werkzeug verschleißfreien und für das Werkstück schonenden Bearbeitung. Als Beispiel kann vor allem die sandgestrahlte und gestockte Bearbeitung genannt werden, wobei durch die hohen Kräfte die auf das Material wirken die Mineralien im Material lokal verdichtet werden, was sich in einer weiß-kristallinen Verfärbung äußert und nicht erwünscht ist, da durch diese Verfärbung die natürliche Charakteristik des Steins verloren geht.
Wie in 1 bis 3 gezeigt, liegen die Jurakalkplatten 1 in Ausgangslage gestapelt (horizontal oder vertikal) in dem für das Aufnahmesystem 2 geeigneten Arbeitsfeld. Das Aufnahmesystem 2 positioniert jeweils eine Jurakalkplatte 1 auf der Fördereinheit 3. Während die Jurakalkplatte von der Fördereinheit 3 in das Bearbeitungsfeld 4 der Bearbeitungsoptik 5 in Pfeilrichtung F befördert wird, wird das Profil der Jurakalkplatte mittels optischer Erfassungseinheit 6 vermessen. Aus dem vermessenen Profil gehen die Ausmaße der Platte, die Dicke der Platte, sowie die relative Lage der Platte zur Bearbeitungsoptik zum Zeitpunkt der Messung hervor. Die Software mit der das Prozessergebnis gestaltet und definiert werden kann, wird entweder auf dem Bedienfeld der Maschine oder auf einem externen Rechner betrieben. In diesem Beispiel soll eine Charge von 50 Jurakalkplatten mit den Maßen 1 × 1 m² mit je der gleichen Oberflächencharakteristik erstellt werden. In dem hier aufgeführten Beispiel wird eine Oberflächencharakteristik erstellt, die einer sehr rustikal geflammten Oberfläche ähnelt, mit feinen Merkmalen einer grob gestockten und anschließend gebürsteten Oberfläche. Um dieses Prozessergebnis zu erzielen, werden sehr unterschiedliche Prozessstrahldurchmesser und sehr unterschiedliche Laserintensitäten mit variablen Einwirkzeiten angewendet. In diesem Beispiel wird das gewünschte Prozessergebnis vor der Bearbeitung der Jurakalkplatte in die Datenverarbeitungseinheit geladen und für die Charge von 50 Jurakalkplatten nicht geändert. Die Datenverarbeitungseinheit ordnet diesen Prozessergebnissen dann die laserspezifischen, materialspezifischen und steuerungsspezifischen Parametern zu und steuert damit die Laserstrahlenquelle, die Bearbeitungsoptik und das Verfahren entlang der Maschinenachsen. Für diese Oberflächencharakteristik werden ca. 45 Minuten pro m² bei einer mittleren Laserleistung von 1,5 kW für die Bearbeitung benötigt. Die Datenverarbeitungseinheit kann anhand des Materials, dessen Größe und aufgrund der Art der Bearbeitung berechnen, mit welcher Bearbeitungsdauer zu rechnen ist und definiert den Vorschub der Fördereinheit, in diesem Beispiel 2,2 cm/min. Das bedeutet, sobald eine Platte in das Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsoptik tritt, wird der Vorschub der Fördereinheit auf den von der Datenverarbeitungseinheit definierten Vorschub eingestellt. Es ist vorgesehen, dass in der Software ein Sicherheitsfaktor eingegeben werden kann, der einen um diesen Faktor langsameren Vorschub generiert, als der von der Datenverarbeitungseinheit berechneten Wert. Ebenso berechnet die Datenverarbeitungseinheit anhand des Fortschritts der vorigen Platte den genauen Zeitpunkt zu dem die darauffolgende Platte aufgenommen und auf die Fördereinheit positioniert wird. In der Software kann diesbezüglich ein Abstand definiert werden, den die einzelnen Platten zueinander einhalten sollen. Sobald die Platte in das Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsoptik eintritt, beginnt die Materialbearbeitung. Die Bearbeitung schreitet mit dem Fortschritt der Fördereinheit voran. Die einzelnen Bearbeitungsschritte, die zum gewählten Prozessergebnis führen, erfordern wiederholte Anpassung der Parameter. Um die rustikale Oberflächencharakteristik zu erzeugen, wird unterschiedlich starker Materialabtrag und Materialschmelze erzeugt. Dies erfordert wiederholte Veränderung der Fokuslage, um die prozessspezifischen Laserintensitäten für die jeweilige Wechselwirkung und die ergebnisrelevanten Ausmaße und Stärken der generierten Formen zu gewährleisten. Ist die Bearbeitung beendet, wird die Platte vom Fördersystem entweder an eine weitere Bearbeitungsstation, z.B. zum Bürsten weitergeleitet, oder von einer weiteren Aufnahmeeinheit am Ende der Fördereinheit umgelagert.
Beispiel 2:
Oberflächenbearbeitung zur Herstellung einer Flamm-Charakteristik auf Dolomit-Platten
Dolomit gehört zur Familie der Sedimentgesteine. Dolomitplatten sind in der Regel mit allen konventionell üblichen Verfahren zur Oberflächenbearbeitung kompatibel. Das heißt, Dolomit kann in allen konventionell verfügbaren Oberflächenausführungen angeboten werden.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, konventionell herstellbare Oberflächencharakteristiken unter aufgeführten Vorteilen mittels Lasertechnik herzustellen und zugleich die Möglichkeit an Oberflächencharakteristika für Dolomit zu erweitern und den bisherigen Aufwand pro Oberfläche zu verringern. In diesem Beispiel wird eine geflammte Oberfläche realisiert, in die anschließend linienartige Strukturen eingearbeitet werden. Die Strukturen werden zudem in unterschiedlichen Stärken ausgeführt. Diese Oberfläche ist mit konventionellen maschinellen Mitteln nicht möglich. Für ähnliche Oberflächencharakteristiken, z.B. geriffelte oder geritzte Oberflächen, wirken aufgrund der mechanischen Bearbeitung hohe Kräfte, wodurch die Dolomitplatten in aller Regel nicht unter 20 mm Materialstärke bearbeitet werden können. Durch das hier aufgeführte Verfahren werden Strukturen kontaktlos und kräftefrei eingearbeitet, wodurch es möglich ist auch Platten mit einer Dicke kleiner 20 mm zu bearbeiten, ohne Beschädigungen in Kauf nehmen zu müssen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, erstmalig geflammte Oberflächencharakteristiken flexibler, ressourcenschonender und günstiger herzustellen, indem die Oberfläche des Natursteins, in folgendem Beispiel Dolomit, mit einem Laserstrahl geringer Intensität erwärmt wird, wodurch bestimmte mineralische Bestandteile aufplatzen. Die gesamte Maschinentechnik gestaltet sich wesentlich einfacher, da keine Medien verbrannt werden oder auf das Material wirken um die notwendige Prozesstemperatur zu erreichen. Da Strukturen mit dem gleichen Laserstrahl erzeugt werden können, lassen sich komplexe Oberflächencharakteristiken mit einer Maschine und ohne Werkzeugwechsel realisieren.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19816442 A1 [0012]
DE 19518270 C1 [0012]
DE 19843498 A1 [0012]

Claims

Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken unterschiedlicher Größe, insbesondere von Natursteinplatten, welche eine Laserstrahlenquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, eine Bearbeitungsoptik zur Fokussierung und Strahlablenkung des Laserstrahls und eine optische Erfassungseinheit zur dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Datenverarbeitungseinheit zum Steuern der Laserstrahlenquelle, der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Fördereinheit zum Fördern der Werkstücke von einem Aufnahmesystem in ein Bearbeitungsfeld und aus dem Bearbeitungsfeld heraus vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bildverarbeitungseinheit zum Aufnehmen, Übertragen, Bearbeiten und Weiterverarbeiten von Pixeldaten der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine graphische Benutzerschnittstelle vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Erfassungseinheit ein dreidimensionales Kamerasystem oder ein zweidimensionales Kamerasystem mit zumindest einem Lasermessgerät, einem Ultraschallmessgerät oder jedem anderen geeigneten Sensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokuslage des Laserstrahls der Laserstrahlenquelle variabel zur Werkstückebene veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die graphische Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Materialart und/oder Art der Bearbeitung zum Erreichen eines Soll-Zustands über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Strahlqualität M² von kleiner oder gleich 1,5 aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Leistung von größer oder gleich 1,5 kW aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Wellenlänge von einschließlich 1000 nm bis einschließlich 1100 nm, oder von 10,6 µm, vorzugsweise von einschließlich 1030 nm bis einschließlich 1064 nm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennweite der Bearbeitungsoptik in einem Bereich von einschließlich 300 mm bis einschließlich 3000 mm einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit senkrecht und horizontal entlang der Maschinenachsen einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Robotersystem die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit verfährt.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, welches folgende Schritte aufweist: e) Bereitstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte; f) Dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks mit einer optischen Erfassungseinheit; g) Fokussierung und Strahlablenkung eines Laserstrahls einer Laserstrahlenquelle mit einer Bearbeitungsoptik; h) Oberflächenbearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahl entsprechend eingestellten Prozessparametern.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Eingabe der Materialart und/oder des Soll-Zustands auf einer graphischen Benutzerschnittstelle über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder über Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei eine automatische Auswahl von Prozessparametern durch eine Datenverarbeitungseinheit auf Basis von Daten der Bildverarbeitungseinheit und/oder von auf der graphischen Benutzerschnittstelle eingegebenen bzw. ausgewählte Daten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnung der lateralen Ausmaße, des relativen Abstands zur Bearbeitungsoptik und zur Erkennung und Lokalisierung von strukturellen und/oder farblichen Besonderheiten/Unterschieden durch die optische Erfassungseinheit erfolgt.