DE102022000006A1

DE102022000006A1 - Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken und Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022000006A1
Application number: DE102022000006.7A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2022-01-04
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken mit natürlichen Oberflächen wie Natursteinplatten, und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung, welche eine Laserstrahlenquelle und einen Abstandssensor aufweist, um einen Abstand zwischen einem relativ zur Laserstrahlquelle definierten primären Ort und einem sekundären Ort auf dem Werkstück zu erfassen, und/oder einen Qualitätssensor aufweist, um eine Qualität des Werkstücks zu erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken mit natürlichen Oberflächen wie Natursteinplatten, und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung.
Es ist bekannt, Werkstücke mit definierten Oberflächen so zu bearbeiten, dass die Werkstücke nach der Bearbeitung eine definierte Oberfläche aufweisen. Außerdem können Oberflächen von Werkstücken mit einem Laser bearbeitet werden, um einen bestimmten Materialabtrag zu erzielen, um die Werkstücke zu reinigen, zu beschichten zu härten oder auch zu schneiden.
Besondere Probleme bereiten jedoch natürliche Oberflächen von natürlich entstandenen Werkstücken. Derartige Werkstücke wie beispielsweise Holz, Stein und Leder können strukturierte Oberflächen haben, bei denen jeder Punkt der Oberfläche anders bearbeitet werden müsste, um bei der Bearbeitung der Werkstücke ein einheitliches reproduzierbares Ergebnis zu erzielen.
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 natürliche Rohstoffe 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, nachfolgenden Bearbeitungsschritten 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 abrasiven Mitteln erzeugt, wodurch kleinster Materialabtrag entsteht und die Rauigkeit der Oberfläche erhöht wird. Gestockte Oberflächen dagegen werden mittels Meißel erzeugt, automatisiert oder handgefiihrt. Auch hier entsteht Materialabtrag, der je nach Schärfe und Form des Mei-ßelwerkzeugs 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 Beispiele können hier das Ledern, das Satinieren, das Ölen und ähnliche genannt werden.
Die genannten möglichen Oberflächen benötigen in der industriellen Herstellung spezifische Anlagen oder Werkzeuge, wodurch die betriebswirtschaftlichen Aufwendungen pro erzielbarer 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft aber generell die Bearbeitung von mineralischen Materialien, wie etwa Beton, Porzellan, Glas, die nicht zwingend natürlich abgebaut sein müssen, sondern auch künstlich hergestellt, zusammengesetzt oder erstellt sein können. Diese Oberflächen können aber müssen nicht besondere Oberflächen wie beispielsweise Oberflächen mit einer unregelmäßigen Struktur, Einschlüssen oder besonderen Farben, Schattierungen und/oder Adern sein. Anwendungsbeispiele sind daher auch jegliches Gestein oder der Putz an einer Wandfläche.
Weitere Anwendungsbeispiele sind die Bearbeitung von Böden, Innen- und Außenwänden, insbesondere an Gebäuden.
Eine besondere Aufgabe liegt darin, dass in der Regel jedes Werkstück eine andere Oberfläche hat. Bei Natursteinplatten ist zwar optisch leicht zu erkennen, ob sie dazu geeignet sind, beispielsweise eine spezielle Struktur oder Prägung aufzubringen. Es werden aber umfangreiche Voranalysen und große Datensätze benötigt, um das Bauteil so zu erfassen, dass es anschließend bearbeitet werden kann.
Hierbei ist in der Regel nicht nur die Topographie der Oberfläche zu erfassen, sondern häufig weist bereits eine spezielle Farbgebung der Oberfläche mit Einschlüssen, Adern und Farbunterschieden auf eine unterschiedliche Materialfestigkeit hin.
Wenn mehrere ähnliche Oberflächen von Natursteinplatten identisch mit einem Laser bearbeitet werden, dann entsteht ein unterschiedliches Ergebnis, da die Orte auf der Oberfläche unterschiedlich auf den Laser reagieren und da die Oberfläche eine natürliche von Werkstück zu Werkstück unterschiedliche Oberfläche aufweist. Darüber hinaus können auch die Ränder des Werkstücks von Werkstück zu Werkstück unterschiedlich sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert werden. 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 mit einer Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruch 1 und mit einem Verfahren zur Verwendung dieser Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hierdurch werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere Natursteinen, zur Verfügung gestellt, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeiden und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert werden. Unter einer Veränderung der Qualität des Werkstücks wird auch en Schneidprozess verstanden, der entweder nur Einschnitte erzeugt oder das Werkstück in Teile zerlegt. Außerdem kann die Oberflächenbehandlung auch an einer Wand wie z.B. einer stationären Wand eines Tunnels eingesetzt werden.
Dabei werden insbesondere auch 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 es müssen zusätzliche chemische Substanzen aufgebracht werden.
Die WO 2021/116176 A1 schlägt ein Verfahren vor, bei dem vor der Berarbeitung die Abmessungen des Werkstücks mit einer optischen Erfassungseinheit dreidimensional erfasst werden. Dadurch wird ein großer Datensatz erzeugt, der es anschließend erleichtert, das Werkstück individuell gemäß seiner vorher erfassten Qualität zu bearbeiten.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere von Werkstücken mit natürlichen Oberflächen wie Natursteinplatten, vorgesehen, welche eine Laserstrahlenquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls aufweist. Die Laserstrahlenquelle weist vorzugsweise eine Bearbeitungsoptik zur Fokussierung und Strahlablenkung des Laserstrahls auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Werkstück zu bearbeiten, ohne vorher einen großen Datensatz der dreidimensionalen Werkstückbeschaffenheit erstellen zu müssen. Außerdem entfällt eine aufwändige Kalibrierung zwischen der Position des Lasers und dem Werkstück. Letztlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren dadurch auch eine schnellere Bearbeitung.
Die Vorrichtung kann mit Spiegeln zur Umlenkung des Laserstrahls ausgerüstet sein. Dabei kann der Laser ortsfest sein oder nur wenig bewegt werden. Der Laser kann aber auch an einem Roboterarm angeordnet sein, um von unterschiedlichen Richtungen und/oder in Unterschiedlichen Abständen das Werkstück zu bearbeiten. Besonders vorteilhaft ist eine Kombination aus einer Grobpositionierung des Lasers mit einem Roboterarm und einer Feinpositionierung mit einer Spiegeleinrichtung. Dabei kann dann auch nach der Grobpositionierung eine bestimmte Fläche auf dem Werkstück bearbeitet werden und danach kann dann eine andere Fläche oder auch eine angrenzende Fläche bearbeitet werden. Eine Teilfläche kann beispielsweise ein Quadrat oder ein Rechteck mit 10 bis 20 cm Kantenlänge sein.
Um eine Verunreinigung der Optik des Lasers oder der Spiegel zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass ein Abstand zwischen etwa 0,5 m und 2 m und vorzugsweise von etwa 1 m bis 1,5 m zwischen der Optik und dem Werkstück eingehalten wird.
Die Verwendung einer Software ermöglicht es z.B. ein Muster einzugeben, sowie dann mit der Software zu errechnen, welches der kürzeste Weg ist, mit dem man den Laser ansteuert, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit effektiv zu gestalten, zum Beispiel eben die diagonale Anordnung von Rechteckflächen, wenn eine diagonale Ader der einzige Bereich der Laserbearbeitung ist.
Das Werkstück kann zum Beispiel auf einer steuerbaren Plattform fixiert sein, gegebenenfalls nach links und rechts oben und unten oder auch drehbar, so dass die Kombination der Bearbeitung effektiver wird.
Bei der Softwareprogrammierung kann man vorsehen, dass zum Beispiel der Computer speichert, welche Geschwindigkeit der Arbeitsverlauf hat, wenn er versuchsweise das Werkstück bewegt oder eben den Laser, und dass man diese Erfahrungswerte speichert und daraus dann Rückschlüsse zieht für den Fall, dass bestimmte Muster in bestimmte Plattengrö-ßen eingeprägt werden sollen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass man eine komplette Erfassung des Werkstücks gar nicht benötigt, sondern den Abstand zwischen Laser und Oberfläche an jedem beliebigen Punkt misst und dann in Relation zu den nächsten oder vorangegangenen Punkt setzt und damit z.B. eine glatte Oberfläche erzeugt. Es kann auch optisch zusätzlich sukzessive währen der Bearbeitung vermessen werden, um zu sehen, ob die Intensität des Laserstrahls zu unterschiedlichen Tiefenwirkungen führt, und um daraus Rückschlüsse auf die Oberfläche bzw. die Inhalte, wie etwa Kristalleinschlüsse, zu schließen und ähnliches.
Im Gegensatz zum Stand der Technik könnte man bei einer nicht ebenen Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks, ein Abbild speichern, etwa, wenn man eine Versteinerung vor sich hat.
Man könnte dann diese Versteinerung beliebig spiegeln oder vergrößern und in ganze Wände oder andere Oberflächen einfräsen. Deswegen ist es sinnvoll, vor der Bearbeitung des Werkstücks eine Oberflächenerfassung vorzunehmen, die jedoch nicht direkt zur Berarbeitung des Werkstücks fürht sondern nur einen Datensatz bildet, der nachbearbeitet werden kann, um darauf aufbauend de Bearbeitung des Werkstücks oder eines anderen Werkstücks zu planen.
Dadurch können beispielsweise Spiegelungen bei Natursteinen erzeugt werden, Da Versteinerungen sehr interessant sind, kann man diese dann zum Beispiel vergrößern und entsprechend auf Werkstücke aufbringen.
Außerdem können bei vorhandenen Bauwerken bestimmte Bestandteile mit Lasertechnologie erfasst werden, abgespeichert werden und dann genauso oder auch spiegelbildlich an anderer Stelle reproduziert werden. So kann z.B. ein antiker Torbogen, der bei einer Kirche oder bei einem sonstigen alten Gebäude noch vorhanden ist, möglicherweise auch nur in Teilen, reproduziert, bzw. spiegelsymmetrisch ergänzt werden. Auch hier ist eine transportable Einheit von Vorteil, die den Laser und vorzugsweise auch eine Erfassungseinheit aufweist.
Im Stand der Technik wird gerne mit umfangreichen Datenbanken gerechnet, indem nämlich vor Verwendung eines Ausgangsmaterials eingegeben werden muss, welches Material es ist, um dies dann entsprechend zu bearbeiten. Besonders interessant wird dies, wenn das Material Einschlüsse hat, die nicht zu erwarten waren oder unüblich sind, oder es sich um eine Mischung handelt.
Dies kann man sich ersparen, indem man einfach den Laser mit einer gewissen Mindestenergie auf das Material schießen lässt, die Intensität der Abtragung misst und daraus den Rückschluss für die weitere Bearbeitung zieht, da man ja nicht das Material, sondern nur die Oberfläche ändern möchte, indem man in gewissen Abständen abträgt. Es spielt also demnach keine Rolle, ob es Schiefer oder Sandstein ist, sondern es ist allein relevant, wieviel Material bei einer definierten Laserbearbeitung an welcher Stelle abgetragen wird.
Es ist somit möglich, dass mit dem Laser zunächst kurz geklärt wird, wie wenig oder viel Energie er benötigt für einen Mindestabtrag zu erzielen, um dann daraus automatisiert auf die Energie für den weiteren oder zusätzlich gewünschten Abtrag zu schließen, ohne eine Datenbank zu benötigen.
Das ist auch dann interessant, wenn zum Beispiel Einschlüsse vorhanden sind und man festlegt, dass der Laser zunächst mit einem relativ niedrigen Energieeinsatz jeden beliebigen Punkt abtastet und dann erst, wenn er eine unterschiedliche Reaktion hinsichtlich der Abtragintensität feststellt, die Energie bzw. Intensität korrigiert. Dies ist zum Beispiel bei auch lockeren Einschlüssen, Lunkern oder ähnlichem der Fall. Auf diese Art und Weise kann man sozusagen vermeiden, dass Überraschungen entstehen, weil man eine zu hohe Materialhärte oder Dichte voraussetzt und umgekehrt auch den Aufwand vermeiden, jedes Material und die Frage von Einschlüssen vorhersehen oder festlegen zu müssen.
Des Weiteren kann man diese Daten bzw. Erfahrungswerte, die aus einer Oberflächenbearbeitung gewonnen werden, abspeichern und zum Beispiel auch hier, wie oben angesprochen, ein statistisches Programm mit anfügen, wonach man zum Beispiel bei Vergleich sofort feststellt, dass bei einer gewissen Materialhärte die Wahrscheinlichkeit von Einschlüssen mehr oder weniger gering ist und deswegen zum Beispiel der Laser von Anfang an dann nach ersten Testmessungen mit durchgehend höherer oder niedrigerer Intensität arbeiten kann.
Man kann sich dann auch die Überprüfung der Oberflächenstärke des Materials vollständig ersparen, indem man einfach das Material auflegt und nur für den Laser definiert, welche Distanz das Endergebnis zur Arbeitsfläche haben soll, zum Beispiel 20 mm oder 10 mm plus / minus des Profils, das gewünscht ist. Es ist dann gleichgültig, welche Stärke das Ausgangsmaterial hat, da der Laser sukzessive das Ergebnis seines Abtragens kontrolliert und vergleicht.
Man kann auch mit der Vorrichtung und dem Verfahren vorhandene Bodenbeläge verändern, indem man diese zum Beispiel mit einem Randdesign versieht, oder auch zum Beispiel nachträglich die Oberfläche stockt, flammt oder auch zum Beispiel Fußabdrücke irgendwelcher Tiere wie etwa Dinosaurier, in große Flächen einfräst oder ähnliches. Damit kann man langweilige Flächen ganz erheblich attraktiv gestalten und nahezu beliebige attraktive Muster nachträglich einfügen. Der Kunde braucht dafür keinen neuen Bodenbelag:.
Der Laser kann mit dem Roboterarm in einem Rohbau aufgestellt werden, zum Beispiel in einem Zimmer, und bearbeitet alle gewünschten Öffnungen.
Der Vorteil ist, dass der Laser in der Lage ist, Schlitze einzufräsen in beliebiger Tiefe, dass er nicht darauf angewiesen ist, kreisförmige Öffnungen wie bei den typischen Bohrern, vorzusehen, sondern auch eckige oder asymmetrische Ausschnitte fertigen kann, wie etwa Ausschnitte für Durchlässe, für irgendwelche Verblendungen oder Filter, für Lüftungsrohre, Wasserleitungen, und ähnliches.
Es könnten Nischen hineingefräst werden, wie auch alle sonstigen beliebigen Öffnungen oder Vertiefungen.
Ein sehr guter Nebeneffekt ist dabei, dass man mit dem Laser extrem präzise arbeiten kann und deswegen im Gegensatz zu den heutigen grobmotorischen Arbeiten, wirklich nur die Ausschnitte erstellt werden, die zum Beispiel für die Rohrleitung, den Kabellauf oder die einzubringende Verblendung tatsächlich erforderlich sind. Damit fällt ein erheblicher Teil des Mehraufwandes für Zukitten, Schadensbeseitigung, zusätzliche Verblendung, etc. weg.
Ein erheblicher Vorteil beim Laser ist auch, dass man kein Wasser benötigt, um die mechanische Erhitzung von Schneidewerkzeugen abzukühlen, das wiederum dann selbst den Bereich rundherum beschädigt oder verunreinigt.
Bei derartigen Vorrichtungen sind die Spiegel am anfälligsten. Diese sind auch der trägste Bereich der Steuerung des Laserpunkts.
Die Mechanik, den Spiegel also zu drehen bzw. zu kippen, damit er den Laserpunkt auf den richtigen Auftreffpunkt auf der Materialoberfläche lenkt, ist anfällig bzw. träge.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Art Reifen mit kleinen Spiegeln bestückt wird, die einen unterschiedlichen Winkel haben und der dann rotiert, so dass der Laser einfach genau den Spiegel beschießt, der gerade richtig ist.
Alternativ kann auch nur nur ein Spiegel auf einer Achse rotieren und der Laser immer genau dann einzusetzen, wenn der rotierende Spiegel gerade den richtigen Winkel hat.
Diese und sinngemäß entsprechende Überlegungen stehen im Raume, um die mechanische Anfälligkeit bzw. auch die Geschwindigkeit zu erhöhen.
Die WO 2021/116176 schlägt eine Erfassungseinheit zur dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks vor. Hier wird ein zunächst ein großer Datensatz zur umfänglichen Erfassung des Werkstücks erzeugt und anschließend wird auf dessen Grundlage das Werkstück mit dem Laser bearbeitet. Die Praxis hat aber gezeigt, dass es schwierig ist, den Laser zum Werkstück zu positionieren und dass während der Bearbeitung der relativ zum Laser bewegten Natursteinplatten der Ort des Lasers relativ zur Natursteinplatte wiederholt kalibriert werden muss. Bereits kleinste Ungenauigkeiten bei der relativen Positionierung führen dazu, dass beispielsweise besonders sensible kleine Adern der Natursteinplatte nicht positionsgenau bearbeitet werden und dadurch das Ergebnis unbrauchbar wird.
Die Bewegung der schweren Natursteinplatten, die unter dem Laser hindurch geführt werden, führt jedoch zwangsläufig zu einen schwer reproduzierbaren Ergebnis.
Erfindungsgemäß wird eine dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks wie sie die WO 2021/116176 vorschlägt nicht benötigt, da die Vorrichtung einen Abstandssensor aufweist, um einen Abstand zwischen einem relativ zur Laserstrahlquelle definierten primären Ort und einem sekundären Ort auf dem Werkstück und/oder einen Qualitätssensor aufweist, um eine Qualität des Werkstücks zu erfassen.
Es kann somit entweder zuerst an einem Punkt oder auf einer Linie oder auch auf einer Fläche der Abstand einer Vielzahl an Punkten auf dem Werkstück zum primären Ort gemessen werden und dann wird je nach gemessenem Abstand das Werkstück mit dem Laser bearbeitet. Sollte das Werkstück bereits eine Senke aufweisen oder durch die vorangegangene Bearbeitung bereits einem Soll-Abstand zum primären Ort aufweisen, entfällt eine weitere Bearbeitung an diesem Ort. Sollte jedoch der Abstand kleiner sein als ein vorgegebener Abstand an diesem Punkt des Werkstücks, dann ist eine Bearbeitung und je nach gemessenem Abstand ggf. sogar eine besonders intensive Bearbeitung durchzuführen.
Die Intensität des Laserstrahls kann konstant bleiben, wenn je nach Abstand der Ort auf der Oberfläche mehrmals bearbeitet wird. Die Intensität kann jedoch auch an den Abstand angepasst werden, um beispielsweise bei geringem Abstand den Ort mit hoher Intensität zu bearbeiten.
Das Verfahren ist einer dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks vorzuziehen, da nicht zuerst ein großer Datensatz erzeugt werden muss und der Ort und die Ausrichtung des Lasers zum Werkstück kalibriert werden müssen. Erfindungsgemäß kann unmittelbar nach der Erfassung des Abstands zwischen dem Laser und einem Ort auf der Oberfläche des Werkstücks dieser Ort entsprechend dem Abstand bearbeitet werden.
Außerdem kann eine Qualität des Werkstücks an einem bestimmten Ort erfasst werden, um bei der Bearbeitung mit dem Laser dies berücksichtigen zu können. Erkennt der Sensor beispielsweise auf einem sonst schwarzen Naturstein eine helle Ader, kann der Ort der hellen Ader anders bearbeitet werden als die Orte des dunklen Natursteins.
Wenn die Laserquelle ortsfest ist und die Natursteinplatte auf einer Ebene bewegt wird, dann zeigt jede Verringerung des Abstands zwischen einem Ort auf dem Werkstück und der Laserquelle eine Erhöhung auf der Natursteinplatte. Entsprechend gilt dies auch, wenn die Natursteinplatte ortsfest ist und die Laserquelle auf einer Ebene bewegt wird.
Die Oberfläche kann dabei entsprechend einer Sollvorgabe bearbeitet werden. Dabei kann individuell an jedem Punkt der Oberfläche dessen Topographie und die Oberflächenbeschaffenheit nach Farbe oder anderen physikalisch messbaren Eigenschaften berücksichtigt werden, um die Intensität des Lasers, dessen Bearbeitungsdauer und/oder Bearbeitungshäufigkeit zu steuern.
Es kann aber auch während der Bearbeitung die Oberflächenbeschaffenheit erfasst werden und dann nicht abhängig von einer unveränderbaren Sollvorgabe sondern abhängig von der gemessenen Oberflächenbeschaffenheit der Laser gesteuert werden. Dies ermöglicht es, charakteristische Oberflächenmuster wie beispielsweise Adern anderer Gesteine, Einschlüsse oder auch nur die natürlich vorgegebene Oberflächenstruktur zu berücksichtigen und entweder besonders hervorzuheben oder individuell zu bearbeiten, um störende Oberflächenstrukturen zu eliminieren.
Es können zwar Datensätze vorgehalten werden, um festzulegen, wie auf eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit zu reagieren ist. Eine dreidimensionale Vermessung und/oder eine zweidimensionale Vermessung sind weiterhin möglich aber für die Durchführung des Verfahrens nicht notwendig, da die Lasereinstellung während der Bearbeitung an die individuellen Oberflächeneigenschaften angepasst werden kann.
Die Bearbeitungsoptik kann bevorzugt eine ansteuerbare Fokussiereinheit und eine ansteuerbare 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.
Dies erlaubt die Realisierung unterschiedlicher Prozessbedingungen und damit unterschiedlicher Natursteinoberflächen mit einer Vorrichtung. Außerdem bietet die ansteuerbare Fokussierlinse die Möglichkeit ein Arbeitsfeld von mindestens 1500 × 1500 mm² zu erzeugen, was die Bearbeitung großer Natursteinplatten ermöglicht. Dabei beträgt das Gewicht der Natursteinplatten je nach Dicke und Material im Allgemeinen etwa 30 kg/m² bis 150 kg/m². 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 für das 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.
Während der Bearbeitung der Natursteinplatten entsteht sehr viel Rauch und Staub, der die optischen Eigenschaften des Laserstrahls möglicherweise beeinflussen kann. Ein Luftstrom, vorzugsweise parallel und in unmittelbarer Nähe zur bearbeiteten Ebene, beispielsweise verursacht durch eine über das gesamte Bearbeitungsfeld installierte Absaugung, kann gleichbleibende Prozessbedingungen erreichen, indem entstehender Rauch und Staub effektiv aus der Wechselwirkungszone entfernt wird.
Ferner könnte ein geringer Gasstrom in Form eines sogenannten 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/oder 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 × 1500 mm umgesetzt werden. Um zu gewährleisten, dass über das gesamte Bearbeitungsfeld von 1500 mm × 1500 mm die Fokusebene des Laserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene konstant bleibt, kann 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. Dabei ist die Fördereinheit vorzugsweise zum Fördern von Werkstücken größer oder gleich 1500 mm × 1500 mm und/oder einem Gewicht von größer oder gleich 30 kg/m², vorzugsweise 100 kg/m² ausgebildet.
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.
In Kombination mit der dreidimensionalen Erfassungseinheit können Orientierung, Abmessungen und Dicke und/oder Materialart der geförderten Werkstücke bestimmt werden, wodurch die Bearbeitung automatisiert und unabhängig von Orientierung, Abmessungen und Materialstärke ausgeführt werden kann. Wird außerdem eine oben genannte Bildverarbeitung verwendet, kann die Bearbeitung zudem unabhängig von der Natursteinart, sowie Materialinhomogenitäten für eine bestimmte Natursteinart ausgeführt werden.
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, definiert 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 können 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 Quadratmetern 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. 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 eines gesonderten Parametersatzes 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 graudunklen 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. Eine 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 auch 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. Dies ist jedoch nur eine zusätzliche Option. Durch die Vermessung des Abstands zwischen Bearbeitungsoptik und Bearbeitungsebene kann an jeden Punkt der Bearbeitung der Laser optimal eingestellt werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
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. Dadurch können beispielsweise defokussierte Strahleigenschaften erzeugt werden, die insbesondere für thermisch induzierte Oberflächen, etwa einer geflammten Oberfläche, geeignet sind. Durch eine Defokussierung können Prozessbedingungen geschaffen werden, die eine großflächige Erwärmung der Naturstein-Platte zulassen, wodurch ein dem klassischen Flammen nachempfundenes Prozessergebnis entsteht.
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 pm aufweist, vorzugsweise von einschließlich 1030 nm bis einschließlich 1064 nm. Beispielsweise kann ein CO₂-Laser (Wellenlänge 10,6 pm) 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 pm - 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. Vorteilhaft ist jedoch je nach bearbeiteter Oberfläche auch eine Bestrahlung mit einer speziellen Wellenlänge, die auch außerhalb des sichtbaren Lichts liegen kann. Durch die Messung der Reflexion können Materialstrukturen und Materialeigenschaften besonders hervorgehoben werden.
Die Bearbeitungsoptik kann relativ zum Werkstück bewegt werden und/oder das Werkstück kann relativ zur Bearbeitungsoptik bewegt werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Bearbeitungsoptik ansteuerbare Linsen mit einer Brennweitenänderung von mindestens 500 mm aufweist und die Brennweite vorzugsweise 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, kann eine Linse innerhalb der Fokussiereinheit angesteuert werden, 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. Für den konkreten Anwendungsfall der hier vorliegenden Vorrichtung zur Bearbeitung von Natursteinplatten innerhalb eines rechteckigen Bearbeitungsfeldes von mindestens 1500 mm × 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 × 1500 mm entspricht das einem Arbeitsabstand von mindestens 2315 mm.
Je größer der Arbeitsabstand gewählt wird, desto kleiner fällt das Verhältnis 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 kann auch beispielsweise 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 im einfachsten Fall aus einer konvexen und einer konkaven Linse; die erste Linse ist konkav und 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 konvexe 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 konkaven 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 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 insbesondere dann 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.
Ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks kann folgende Schritte aufweisen:

a) Bereitstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte;
b) 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.

Vorteilhaft ist es, wenn direkt vor der Bearbeitung der zu bearbeitende Punkt oder ein zu bearbeitender Bereich des Werkstücks erfasst wird, da dann insbesondere eine dreidimensionale Vermessung des Werkstücks entfallen kann.
Unter Bereitstellen des Werkstücks wird dabei insbesondere auch das Heben und Fördern des Werkstücks im Zuge des Verfahrens verstanden. 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. im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungsverfahren 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.
Vorteilhafterweise kann ein Luftstrom parallel und unmittelbar über der Werkstückoberfläche vorgesehen sein, um die Wechselwirkungszone, sowie den gesamten Luftraum zwischen Werkstück und Bearbeitungsebene frei von Staub und Rauch zu halten. Ferner erfährt der zu bearbeitende Naturstein, hier insbesondere Dolomit oder Jurakalkstein, während der Bearbeitung keine mechanischen Kräfte, sodass 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. Mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahren ist es möglich größere Plattenmaße ab 1,0 × 1,5 m² von bis zu 1,5 × 3,0 m² mit Materialstärken < 20 mm zu bearbeiten, was mit konventionellen mechanischen Bearbeitungsverfahren nicht möglich ist, da durch die Bearbeitung derart hohe Spannungen in das Material eingetragen werden, dass die Gefahr von Rissen oder Ausbrüchen 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 ist dabei als kontinuierlicher Laserstrahl ausgebildet, beispielsweise mit einer Wellenlänge im infraroten Bereich zwischen 1000 nm und 1100 nm und wirkt vorzugsweise mit einer mittleren Leistung von 1,5 kW auf das Werkstück ein. Die Laserstrahlenquelle kann dabei als eine sogenannte continious wave Laserstrahlenquelle ausgebildet sein.
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. ausgewählten 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.
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 Ledem oder das Polieren), bis hin zum Rohplattenzuschnitt in Fliesenformat.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Natursteinplatten als Rohplatten oder in bereits zugeschnittenem Format mittels eines Aufnahmesystems 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, können sie von einer optischen Erfassungseinheit erfasst und vermessen werden. Die optische Erfassungseinheit wird vorzugsweise vor dem Bearbeitungsfeld installiert, damit das Werkstück bereits vermessen ist, bevor es 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 bevorzugt graphisch dargestellt und 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 Oberkategorie „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 können 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 eine 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, dass 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, den Durchmesser des Laserstrahls auf der 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 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine perspektivische Detailansicht aus 1,
3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1,
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 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 kann ein 3D Kamerasystem der Firma Tordivel AS auf Basis der Stereotechnik umfassen. 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. Davon wird für die erfindungsgemäße Bearbeitung jedoch nur ein Abstandssensor benötigt, um einen Abstand zwischen einem relativ zur Laserstrahlquelle definierten primären Ort und einem sekundären Ort auf dem Werkstück zu ermitteln. Außerdem kann die Vorrichtung einen Qualitätssensor aufweisen, um eine Qualität des Werkstücks zu erfassen.
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 × 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 gewünschtem 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 Dolomitflächen weisen dieses Merkmal auf und müssen gegebenenfalls 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 und eine 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 eines spezifischen Werkzeugs, meist auch einer spezifischen 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 der optischen 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 den 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 eine wiederholte Anpassung der Parameter. Um die rustikale Oberflächencharakteristik zu erzeugen, werden ein unterschiedlich starker Materialabtrag und unterschiedliche Materialschmelzen erzeugt. Dies erfordert eine 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.
Beispiel 3: Neuartige Oberfläche auf Tonschiefer
Tonschiefer bezeichnet eine Gesteinsart, deren Mineralbestand neben Tonmineralien auch Quarz und farbgebundene Mineralien wie Chlorite, Hämatit oder Bitumina enthalten. Tonschiefer erhielt den umgangssprachlichen Ausdruck Schiefer, da diese Gesteinsart durch ebene, parallele, durch gerichteten Druck erzeugte Trennflächen gekennzeichnet wird, die sich Schieferung nennt. Diese Schieferung führt zur Eigenschaft der Spaltbarkeit. Über viele Jahrhunderte hatte der Dachschiefer-Bergbau in Deutschland große Bedeutung. Heute findet Schiefer immer mehr Einzug in den Bereichen Wandverkleidung, Bodenschiefer, Terrassenbelag oder Ausgangsmaterial für Skulpturen oder Gebrauchsgegenstände.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Schwarzschiefer-Platten (Bitumen) bearbeitet. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine neuartige Oberfläche auf Schwarzschiefer-Platten zu realisieren. Der Schiefer wird mithilfe genannter Verfahrensschritte lokal sehr präzise auf eine Prozesstemperatur gebracht. Durch Erreichen dieser Prozesstemperatur werden dem Schwarzschiefer Kohlenwasserstoff-Moleküle entzogen, die für die charakteristische schwarze Farbe verantwortlich sind. Durch das Entweichen der Kohlenwasserstoff-Verbindungen bleibt eine Ton-farbige Masse erhalten, die zusammen mit dem natürlich vorkommenden Pyrit und dem daraus unter Anwendung der Prozesstemperatur entstehenden Pyrrhotin eine charakteristische Farbe besitzt. Die Farbgebung reicht je nach lokaler Zusammensetzung von goldschimmernd über bronzefarben bis zu matt braun. Durch die Bearbeitung der Schieferplatten entsteht so ein beeindruckender Farbwechsel, der einer dunklen Schiefer-Platte einen neuartigen Oberflächen-Charakter verleiht. Es können z.B. marmorierte Strukturen aufgebracht werden, die auf dem Schiefer-Naturstein eine natürlich wirkende Marmorierung in gold-brauner Farbe entstehen lässt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. 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
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Zitierte Patentliteratur

DE 19816442 A1 [0023]
DE 19518270 C1 [0023]
DE 19843498 A1 [0023]
WO 2021116176 A1 [0024]
WO 2021116176 [0053, 0055]

Claims

Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken mit mineralischen oder natürlichen Oberflächen wie Natursteinplatten, Beton, Putz, Glas und Porzellan, welche eine Laserstrahlenquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Abstandssensor aufweist, um einen Abstand zwischen einem relativ zur Laserstrahlquelle definierten primären Ort und einem sekundären Ort auf dem Werkstück zu erfassen, und/oder einen Qualitätssensor aufweist, um eine Qualität des Werkstücks zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Richtungssensor aufweist, um die Richtung zwischen dem primären Ort und dem sekundären Ort zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Qualitätssensor eine elektromagnetische Strahlung am sekundären Ort erfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Ort stationär ist und die Laserstrahlenquelle hierzu beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Ort an einem Roboter beweglich zu einer stationären Standfläche angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit einem Roboter bewegliche Absaugeinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein Rotor einer Windkraftanlage ist.
Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück und die Laserstrahlenquelle relativ zueinander bewegt werden und der Abstand zwischen Werkstück und Laserstrahlenquelle und/oder eine Qualität des Werkstücks ermittelt wird und das Werkstück davon abhängig mit der Laserstrahlenquelle bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Abstand und/oder der Qualität die Intensität der Laserstrahlenquelle eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Abstand und/oder der Qualität die Dauer oder die Häufigkeit der Bestrahlung mit der Laserstrahlenquelle eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlenquelle ein Spiegel ist, der einen Laserstrahl umlenkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Ort der Ort der Laserstrahlenquelle ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität eine elektromagnetische Strahlung am sekundären Ort ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück mit einer elektromagnetischen Strahlung angestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität eine Temperatur am sekundären Ort ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität eine Struktur am sekundären Ort ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass, während das Werkzeug und die Laserstrahlenquelle relativ zueinander bewegt werden, der Abstand zwischen Werkstück und Laserstrahlenquelle und/oder eine Qualität des Werkstücks ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Abstand zwischen dem sekundären Ort des Werkstück und der Laserstrahlenquelle und/oder eine Qualität des Werkstücks am sekundären Ort ermittelt wird und dann der sekundäre Ort mit der Laserquelle bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Abstands eine Fläche oder eine punktuelle Intensität des Lichtpunktes des Lasers auf dem Werkstück ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander definierte Teilflächen, wie insbesondere Rechtecke oder Quadrate des Werkstücks bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die zu bearbeitende Fläche, insbesondere auf der Grundlage der Qualität des zu bearbeitenden Werkstücks, ermittelt wird und dann diese Fläche in Teilflächen aufgeteilt wird und dann die Teilflächen bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der relativ zur Laserstrahlquelle definierte primäre Ort und das Werkstück bewegt werden.