DE69323412T2 - Verfahren zum lokalisierten Glasieren der Oberflächen von keramischen Gegenständen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Keramik und insbesondere betrifft sie Verfahren zum lokalisierten Glasieren von keramischen Gegenständen. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind insbesondere bei der Reparatur von Glasurschäden anwendbar.
• Viele keramische Handelsprodukte sind mit glatten, glasartigen Oberflächenschichten versehen, die im allgemeinen als Glasuren bezeichnet werden. Nur als Beispiel, Installationseinrichtungen aus Sanitärkeramik, wie Badewannen, Spülbecken und Toiletten, die im allgemeinen im Keramikhandel als "Weißware" bezeichnet werden, haben eine Glasur über einer darunterliegenden Keramikstruktur. Die Glasur auf solchen Gegenständen ist sowohl aus ästhetischen als auch funktionellen Gründen wichtig. Schäden in der Glasur, wie zum Beispiel Sprünge oder Risse, können das Aussehen des Gegenstandes beschädigen und außerdem sanitäre Probleme, Korrosion und andere funktionelle Probleme bei der Anwendung hervorrufen. Demzufolge machen erhebliche Schäden in der Glasur den Gegenstand unverkäuflich und erfordern es, daß der Gegenstand entweder weggeworfen oder anderweitig nachbearbeitet wird, um die Glasur zu reparieren.
• Gebräuchliche Nachbearbeitungsverfahren umfassen das Aufbringen eines pulverförmigen Materiales oder einer Fritte, die eine ähnliche Zusammensetzung wie die zu reparierende Glasurschicht hat, gefolgt von einem Nachbrennen des gesamten Gegenstandes. Im wesentlichen umfaßt der Nachbrennprozeß die Wiederholung des zuerst zum Bilden der Glasurschicht angewandten Brennprozesses, d. h., Erwärmen des gesamten Gegenstandes auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur der Glasurschicht, gefolgt vom langsamen, allmählichen Abkühlen des Gegenstandes. Die Kosten solch eines Nachbrennschrittes betragen einen Hauptteil der Kosten des ursprünglichen Gegenstandes. Deshalb sucht die Keramikindustrie seit langem einen praktikableren Reparaturprozess.
• Es wurden verschiedene Versuche gemacht, um Glasurschäden mit nichtkeramischen Materialien zu reparieren, wie zum Beispiel Farben oder Epoxydharzen. Diese Verfahren umgehen den Nachbrennschritt, verursachenen jedoch andere Schwierigkeiten in bezug auf chemische Kompatibilität, das farbliche Zusammenpassen der Reparatur mit der Originalglasur und die Haltbarkeit der Reparatur. Brockway u. a., US-Patent 4,338,114, und Heineken u. a., US-Patent 4,731,254, offenbaren beide die Anwendung eines Laserstrahles zum Schmelzen eines lokalen Bereiches eines Glasgegenstandes um einen Riss, Kratzer oder anderen Schaden herum, wodurch das lokale Schmelzen des Glases und Reparieren des Gegenstandes bewirkt wird. Diese beiden Patente erfordern explizit, daß der gesamte Gegenstand, bevor er dem Laserstrahl ausgesetzt wird, auf ungefähr die Erweichungstemperatur vorgewärmt wird. Dieses mildert die während der lokalen Erwärmung durch den Laser und das nachfolgende Abkühlen des lokal erwärmten Bereiches auftretenden Wärmespannungen. Die Notwendigkeit eines solchen Vorwärmens ist ein sehr wesentlicher Nachteil. Somit würde die Vorerwärmung und das erforderliche langsame Abkühlen nach dem Vorwärmen im wesentlichen genauso teuer wie der Nachbrennprozeß ohne die Laserbehandlung sein.
• Petitbon, US-Patent 4,814,575 und der entsprechende Artikel von Petitbon u. a. "Laser Surface Treatment of Ceramic Coatings", Materials Science and Engineering, A121, Seiten 545-548 (1989) offenbaren Verfahren zur Laserbehandlung von Zirkoniumbeschichtungen, z. B. solche, die auf Turbinenblättern und Dieselmotorteilen verwendet werden, bei denen der Laser üblicherweise wesentlich weniger als 1 s, und üblicherweise weniger als 0,1 s auf jeden Punkt auf der Oberfläche einwirkt. Das in dem Artikel von Petitbon festgestellte Endergebnis ist, daß selbst bei einem relativ robusten Material wie Zirkonium "unregelmäßige Mikrorisse" auftreten, außer es gibt "gegenwirkende Behandlungen mit chemischen Modifikationen der Zirkoniumoberfläche", wie sie durch ein Aluminiumpulver in der Behandlung vorgesehen werden. Offensichtlich gibt diese Arbeit keine Anregung, daß ihre Verfahren auf gewöhnliche Keramik angewendet werden könnten, wie jene, die in der Weißwarenindustrie verwendet wird, oder insbesondere auf die Glasuren, die auf Gegenstände wie Weißware aufgebracht werden.
• Das US-Patent 3,663,793 (Petro u. a.) offenbart ein Verfahren zum Versehen eines Glas- oder Keramikgegenstandes mit einem dekorativen Muster unter Anwendung eines CO&sub2;-Lasergerätes mit einer Leistung von 100 W und einer Linse zum Defokussieren des Laserstrahles, um eine lokalisierte Erwärmung über einem großen Bereich zu erzeugen. Dieses Verfahren erfordert die Beschichtung des Gegenstandes mit einem Glasmaterial, Beaufschlagen des Gegenstandes mit dem Laserstrahl und einer Reduktionsgasflamme und Verändern der Position des Gegenstandes in bezug auf den Strahl in solch einer Art und Weise, daß der Laserstrahl den Gegenstand scannt und vorgegebene Teile der Glasschicht schmilzt. Um das thermisch ausgelöste Auftreten von Rissen in den Glas- oder Keramikgegenständen zu vermeiden, ist die Schicht vorzugsweise in Form einer Fritte aufgebracht und der Gegenstand wird auf eine Temperatur nahe oder über seinem Formänderungspunkt vorgewärmt. Somit wird die Fritte unmittelbar bevor der glasierte, erwärmte Gegenstand der Reduktionsgasflamme und dem Laserstrahl ausgesetzt wird, an der Stelle geschmolzen.
• Der Artikel von S. Dallaire und P. Cielo "Laser Spot Glazing of whitewares" (CERA- MIC ENGINEERING AND SCIENCE PROCEEDINGS - Vol. 5, no. 11, November 1984, Seiten 936-940) offenbart einige Versuche betreffend die Möglichkeit der lokalen Wärmebehandlung der Oberfläche von Weißwaren mit Hilfe eines Laserstrahles, um eine direkte und schnelle Reparatur von kleinen Schäden zu erreichen. Die Versuchsapparatur zum Auswerten der Strahlungseffekte umfaßt einen CO&sub2;-Dauerstrichlaser mit einer Leistung von 10 W und ein variables Fokussystem zum Verändern des Abstandes zwischen dem gebündelten Strahl und der behandelten Oberfläche. Allgemein wurde gefunden, daß das Oberflächenschmelzen mit relativ niedrigen Laserleistungspegeln, mit geringer Materialzersetzung und guten Oberflächeneigenschaften des behandelten Bereiches durch geeignete Auswahl des Intensitätsprofiles und der Verweilzeit des Laserstrahles erreicht werden kann. Man ist jedoch auf einige Probleme gestoßen, wenn breite Hohlräume, die zuvor mit ungebranntem Glasurkitt gefüllt wurden, behandelt werden.
• Deshalb besteht immer noch das Bedürfnis für verbesserte Verfahren zum lokalen Glasieren der Oberfläche von Keramikgegenständen und insbesondere zum lokalen Neuglasieren der Oberflächen der Gegenstände, wie zum Beispiel Weißware, die Glasurschäden haben.
• Die vorliegende Erfindung wendet sich diesen Bedürfnissen zu:
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Verfahren zum lokalen Glasieren der Oberfläche von Keramikgegenständen. Der Ausdruck "Keramik", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bezieht sich auf im wesentlichen anorganisches, nichtmetallisches Material. Keramik umfaßt, ist jedoch nicht beschränkt auf Materialien wie Steingut, Porzellan, feuerfeste Stoffe, Tonprodukte für Baukeramik, Email, Zemente, Glas, Glaskeramik, elektrooptische Keramik, Emaillen, keramische Karbide, Boride und Nitride, ferroelektrische Keramik und silikatfreie Gläser. Desweiteren umfaßt der Ausdruck "Keramik", wie er hierin verwendet wird, außerdem Zusammensetzungen, die nennenswerte Mengen keramischer Materialien zusam men mit anderen Materialien enthalten, wie zum Beispiel Metallkeramikzusammensetzungen. Verfahren gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen vorzugsweise die Schritte des Schmelzens von Keramikmaterial an der zu glasierenden Stelle durch Einsatz von Strahlungsenergie, die hierin als "Schmelzstrahlungsenergie" bezeichnet wird, auf eine Schmelzzone auf der Oberfläche des Gegenstandes, die jene Stelle umgibt, und dann Kühlen der Schmelzzone durch Aufbringen weiterer Strahlungsenergie, die hierin als "Kühlstrahlungsenergie" bezeichnet wird, auf eine Kühlzone auf der Oberfläche, die die Schmelzzone umgibt. Die Kühlstrahlungsenergie verlangsamt das Abkühlen der Schmelzzone und begrenzt die in dem Gegenstand dicht an der Schmelzzone auftretende Wärmespannung während des Abkühlens. Vorzugsweise ist die Kühlstrahlungsenergie wirksam, um die Wärmespannung in dem Gegenstand auf der Oberfläche während des Abkühlens auf weniger als die Bruchspannung des Keramikmaterials zu begrenzen, so daß die Abkühlung ohne Erzeugen von Rissen in der Oberfläche ausgeführt werden kann. Verfahren gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen vorzugsweise vor dem Schmelzschritt, d. h. vor dem Einsatz der Schmelzstrahlungsenergie, außerdem den Schritt des Vorwärmens der Schmelzzone durch den Einsatz anderer Strahlungsenergie, die hierin als "Vorwärmstrahlungsenergie" bezeichnet wird, auf einer Vorwärmzone auf der Oberfläche, die die Schmelzzone umgibt, wodurch die Schmelzzone vorgewärmt wird und die Wärmespannung in dem Gegenstand dicht an der Schmelzzone während des Schmelzschrittes begrenzt wird. Vorzugsweise wird die Grundmaterialtemperatur des Gegenstandes -- die Temperatur jener Teile, die nicht durch die Strahlungsenergie beeinflußt sind -- weit unterhalb der Schmelztemperatur auf der Oberfläche des Keramikmaterials gehalten, und üblicherweise unterhalb der Kühl- und Erweichungstemperaturen jeglicher Glasmaterialien auf der Oberfläche. Vorzugsweise wird die Grundmaterialtemperatur des Gegenstandes auf ungefähr Raumtemperatur gehalten, und der Gegenstand als Ganzes in dem Prozeß nicht erwärmt.
• Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Wärmespannungen durch geeignete Steuerung des Strahlungsenergieeinsatzes erfolgreich kontrolliert werden können. Vorzugsweise sind die Kühlzone und die Vorwärmzone größer als die Schmelzzone. Das heißt, die Kühlstrahlungsenergie und die Vorwärmstrahlungsenergie werden bevorzugt über eine größere Zone der Oberfläche aufgebracht als die Schmelzstrahlungsenergie, so daß die Vorwärm- und Kühlstrahlungsenergien nicht nur die Schmelzzone selbst beeinflussen, sondern auch den Bereich, der die Schmelzzone umgibt. Die Kühlstrahlungsenergie hat vorzugsweise eine geringere Leistungsdichte als die Schmelzstrahlungsenergie. Die Vor wärmstrahlungsenergie kann ebenfalls eine geringere Leistungsdichte als die Leistungsdichte der Schmelzstrahlungsenergie haben. Die Leistungsdichte der Kühlstrahlungsenergie kann sich während des Kühlschrittes allmählich verringern, während die Leistungsdichte der Vorwärmstrahlungsenergie im Vorwärmschritt allmählich zunehmen kann. Somit kann der Bereich einschließlich der zu glasierenden Zone zuerst über eine relativ große Zone der Vorwärmstrahlungsenergie mit geringer, jedoch allmählich ansteigender Leistungsdichte ausgesetzt werden, dann der Schmelzstrahlungsenergie mit einer relativ hohen Leistungsdichte ausgesetzt werden, die ausreichend ist, um das lokale Schmelzen nur an der kleinen Schmelzzone hervorzurufen, und dann der Kühlstrahlungsenergie über eine relativ große Kühlzone mit allmählich geringer werdender Leistungsdichte ausgesetzt werden.
• Gemäß einem anderen Weg ist es durch Verändern der zeitlich auf einen gegebenen Bereich der Oberfläche ausgeübten Strahlungsenergiebedingungen möglich, die Oberfläche ohne Auslösen von zerstörender Wärmespannung auf eine Schmelztemperatur herauf und wieder zurück auf Raumtemperatur zu bringen.
• Die Schmelz- und Kühlschritte können unter Anwendung eines Einzelstrahles der Strahlungsenergie ausgeführt werden, der so gerichtet wird, daß er an einer fixierten Stelle auf der Oberfläche des Gegenstandes auftrifft. Die Konfiguration des Strahles wird zeitlich verändert, so daß der Strahl während des Schmelzschrittes eine relativ hohe Leistungsdichte und während des Kühlschrittes eine niedrigere Leistungsdichte hat. Bevorzugt hat der Strahl während des Schmelzschrittes einen relativ kleinen Schmelzstrahldurchmesser und mindestens während des letzten Teiles des Kühlschrittes einen größeren Kühlstrahldurchmesser. Der gleiche Strahl kann außerdem den Vorwärmschritt ausführen, indem der Strahl bevorzugt einen relativ großen Vorwärmstrahldurchmesser hat, der während des Anfangsteiles des Vorwärmschrittes größer ist als der Schmelzstrahldurchmesser. Die Konfiguration des Strahles kann durch Verändern des Fokus eines optischen Elementes verändert werden, das den Strahl auf die Oberfläche lenkt, um den Strahl während der Vorwärm- und Kühlschritte zu defokussieren und den Strahl während des Schmelzschrittes enger zu bündeln. Bevorzugt ist der Durchmesser des Strahles während des Schmelzschrittes ungefähr 10 mm oder weniger, noch bevorzugter ungefähr 0,1-5,0 mm, und die Schmelzzone, in der das Schmelzen stattfindet, hat den gleichen oder einen kleineren Durchmesser. Der Kühlstrahldurchmesser und somit der Durchmesser der Kühlzone ist vorzugsweise zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 15 mm, jedoch in jedem Fall wesentlich größer als der Durchmesser des Strahles während des Schmelzschrittes. Der Vorwärmstrahldurchmesser und die Vorwärmzone sind von vergleichbaren Ausmaßen wie der Kühlstrahldurchmesser und die Kühlzone. Die Strahlungsenergie hat vorzugsweise eine Leistungsdichte von mindestens ungefähr 200 W/cm² während des Schmelzschrittes, während die während des Kühlschrittes eingesetzte Strahlungsenergie vorzugsweise eine zeitlich gemittelte Leistungsdichte von weniger als 200 W/cm² hat. Bevorzugt fällt die während des Kühlschrittes verwendete Leistungsdichte während jenes Schrittes allmählich auf null ab. Der Kühlschritt hat bevorzugt eine beträchtliche Dauer, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,5 s und ungefähr 10 s, noch bevorzugter zwischen 1 s und 5 s. Der Schmelzschritt ist normalerweise beträchtlich kürzer, am meisten bevorzugt zwischen ungefähr 0,1 und ungefähr 1,0 s. Der Vorwärmschritt hat üblicherweise eine Dauer, die gleich oder geringer als die Dauer des Kühlschrittes ist, meistens zwischen ungefähr 0,25 und ungefähr 2,5 s. Somit beträgt die Zeit, die zum Behandeln jedes Teiles der Oberfläche erforderlich ist, normalerweise beträchtlich weniger als 15 s und normalerweise weniger als ungefähr 5 s.
• Die Schmelz- und Kühlschritte können durch Einsatz einer relativen Bewegung zwischen dem Strahlungsenergiestrahl und dem zu behandelnden Gegenstand auf kontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Basis ausgeführt werden. Diese Anordnung wendet mindestens einen Strahlungsenergiestrahl an, der so ausgebildet ist, daß er die Schmelzstrahlungsenergie mit einer relativ hohen Schmelzleistungsdichte in einem Schmelzbereich enthält, und außerdem die Kühlstrahlungsenergie mit einer Kühlleistungsdichte umfaßt, die geringer als die Schmelzleistungsdichte in einem an den Schmelzbereich angrenzenden, jedoch von diesem in eine erste Richtung versetzten Kühlbereich ist. Die Oberfläche des Keramikgegenstandes wird in die erste Richtung in bezug auf mindestens einen Strahlungsenergiestrahl bewegt, so daß aufeinanderfolgende Teile der Oberfläche den Schmelzbereich passieren und dann den Kühlbereich passieren. Bevorzugt schließt der mindestens eine Strahl desweiteren in einem zum Schmelzbereich benachbarten, jedoch vom Schmelzbereich in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung versetzten Vorwärmbereich Vorwärmstrahlungsenergie mit einer Vorwärmleistungsdichte ein, die geringer ist als die Schmelzleistungsdichte. Somit passiert jeder Teil der Oberfläche, der die Schmelz- und Kühlbereiche passiert, zuerst den Vorwärmbereich, bevor er in den Schmelzbereich eintritt. Die Vorwärm- und Schmelzbereiche sind vorzugsweise benachbart und die Schmelz- und Kühlbereiche können ebenfalls benachbart sein. Die Vorwärm-, Schmelz- und Kühlbereiche können alle als Teile eines einzelnen Strahlungenergiestrahles vorgesehen sein, wie zum Beispiel eines Strahles mit einer im wesentlichen Gaußschen Verteilung der Leistungsdichte in den ersten und zweiten Richtungen. Der Bewegungsschritt kann so ausgeführt werden, daß jeder Teil der Oberfläche die Vorwärm-, Schmelz- und Kühlzonen während einer Durchgangszeit von zwischen ungefähr 2 und ungefähr 10 s passiert. Bevorzugt ist die von dem Strahl oder den Strahlen definierte Durchgangszeit durch die Vorwärm-, Schmelz- und Kühlbereiche so, daß die Vorwärm-, Schmelz- und Kühlschritte mit den oben angegebenen Zeitdauern vorgesehen werden.
• Der behandelte Keramikgegenstand hat auf seiner Oberfläche bevorzugt ein glasartiges, schmelzbares Material, wie zum Beispiel eine Glasur, und das während des Schmelzschrittes geschmolzene Keramikmaterial umfaßt einen Teil der Glasur, der innerhalb der Schmelzzonen liegt. Wo die Glasur Schäden in Form von kleinen Rissen oder Löchern hat, deckt das geschmolzene Material die Fehler ab und stellt eine Oberfläche zur Verfügung, die das Aussehen einer perfekten gleichmäßigen Glasur hat. In der oder neben der durch die Strahlungsenergie behandelten Zone kann zusätzliches Material in der Form eines pulverförmigen glasartigen Materiales oder einer Fritte auf der Oberfläche vorgesehen werden. Das zusätzliche Material verschmilzt bevorzugt mit dem Material des Gegenstandes selbst. Die Glasur und/oder das zusätzliche glasartige Material können im wesentlichen alle Glasuren umfassen, die zu dekorativen und/oder sanitären Zwecken auf keramischen Gegenständen verwendet werden, wie zum Beispiel die üblichen glasbildenden Zusammensetzungen, die Komponenten umfassen, die aus Gruppen ausgewählt werden, die aus SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, B&sub2;O&sub5;, PbO und den Oxiden des Natriums, Kaliums, Kalziums, Magnesiums, Chroms, Phosphors und Zirkoniums bestehen.
• Vorrichtungen zum Ausführen der oben erläuterten Verfahren werden ebenfalls offenbart.
• Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die Arbeitsschritte der Vorrichtung der Fig. 1 darstellt.
• Fig. 3 ist eine fragmentarische, schematische, perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Ausführen eines anderen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Leistungsverteilung in einem Lichtstrahl zeigt.
• Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Lichtstrahlanordnung.
• Die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Laser 10. Der Laser 10 ist angeordnet, um Licht in einem Wellenlängenbereich auszustrahlen, das mindestens teilweise durch das auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes vorhandene Material absorbiert wird, während jenes Material im festen Zustand ist. Für Glasuren, wie zum Beispiel jene, die bei konventioneller Weißware zu finden sind, und für andere Keramik werden Wellenlängen im Infrarotbereich des Spektrums stark absorbiert und werden demzufolge bevorzugt. Hochleistungsinfrarotlaser umfassen Yag-Laser oder Yttrium-aluminiumgarnet-Laser, die üblicherweise mit 1,06 um Wellenlängen arbeiten, und CO&sub2;-Laser, die üblicherweise mit 10,6 um Wellenlängen arbeiten. Einer von diesen kann verwendet werden. CO&sub2;-Laser werden insofern bevorzugt, als sie verhältnismäßig preiswert und leicht erhältlich sind. Ein geeigneter CO&sub2;-Laser wird unter der Handelsmarke SURGILASE von Surgilase Incorporated of Warwick, Rhode Island, verkauft.
• Der Laser 10 ist mit einem variablen optischen Fokussiersystem 12 und mit einer Vorrichtung 14 zum Bewegen der Elemente des variablen Fokussierlinsensystems versehen. Das Linsensystem 12 ist in Fig. 1 als einfache, bewegliche Einzelelementlinse schematisch dargestellt. In der Praxis kann das variable optische Fokussiersystem kompliziertere Anordnungen von optischen Elementen umfassen, wie zum Beispiel ein aus mehreren Elementen bestehendes Varioobjektiv oder Spiegelanordnungen mit veränderlicher Geometrie. Das variable Fokussiersystem, das meistens mit der zuvor genannten SURGILASE-Lasereinheit als ein variables Leistungsdichteelement oder "Mikrochirurgie-Adapter" verwendet wird, kann angewandt werden. Die Bewegungseinrichtung 14 umfaßt geeignete Servomotoren, Stellantriebe mit Linearbewegung und dergleichen zum Bedienen der beweglichen Elemente des variablen Fokussierlinsensystems 12.
• Die Bearbeitungsvorrichtung umfaßt desweiteren einen Werkstückträger 16, der so ausgebildet ist, daß die zu bearbeitenden Gegenstände in vorgegebener räumlicher Beziehung zum Linsensystem 12 getragen werden. Die Konfiguration des Linsensystems und die Position des Trägers 16 werden so ausgewählt, daß eine Oberfläche S des Werkstückes, wenn ein Werkstück W durch einen Werkstückträger 16 gehalten wird, in einer vorgewählten Brennebene F angeordnet ist, die eine vorgewählte räumliche Beziehung zum Linsensystem 12 hat. Das optische System 1 2 ist so angeordnet, daß, wenn das System in einer ersten Position ist, wie es in durchgehenden Linien in Fig. 1 gezeigt ist, ein aus dem Laser 10 austretender Lichtstrahl 18 entlang einer Strahlachse 26 projiziert und zu einem relativ engen Lichtpunkt 20 gebündelt wird, der die Achse 26 auf der Brennebene F und der Oberfläche S umgibt, während der Lichtstrahl 18, wenn das Linsensystem 12 in einer zweiten Position ist, die mit 12' in gestrichelten Linien in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, an derselben Strahlachse 26 entlang projiziert, jedoch etwas defokussiert wird, um einen etwas größeren Lichtpunkt 22 abzudecken, der die Achse 26 auf der Brennebene F und der Oberfläche S umgibt. Der Laser 10 und die Bewegungseinrichtung 14 sind mit einer Zeitgeber- und Steuereinrichtung 24 verbunden, die die geeigneten Eigenschaften zum Betätigen der Bewegungseinrichtung und des Lasers in einer vorgegebenen Arbeitsfolge und zum Steuern der durch den Laser 10 während eines jeden Arbeitszyklus in seinem ausgehenden Strahl 18 ausgegebenen Gesamtleistung besitzt. Am bevorzugtesten sind die Zeitgeber- und Steuereinrichtung und der Laser 10 so angeordnet, daß der Laser 10 an- und ausgestellt und der Laser 10 mit kontinuierlicher variabler Gesamtstrahlungsenergie im Strahl 18 bedient wird.
• In einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Werkstück W wie zuvor angegeben auf dem Träger 16 angeordnet, so daß seine Oberseite S in der zuvor erwähnten Brennebene F liegt und sich die Oberseite des Werkstückes im wesentlichen senkrecht zur Strahlachse 26 erstreckt. Wie dargestellt ist, hat das Werkstück W eine Grundschicht 28 aus einem keramischen Material und eine Glasurschicht 30, die über der Grundschicht liegt und die obere Fläche S des Werkstückes definiert. Die Glasurschicht ist üblicherweise zwischen ungefähr 0,05 mm und ungefähr 0,5 mm dick und bevorzugt mindestens ungefähr 0,1 mm dick, während die darunterliegende Grundschicht 28 gewöhnlich um das Vielfache dicker als die Glasurschicht ist. Die Glasurschicht 30 besteht im wesentlichen aus einem glasartigen, gläsernen Keramikmaterial. Dieses Material schließt überlicherweise einen oder mehrere Bestandteile ein, ist jedoch nicht auf diese beschränkt, die aus der aus SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, B&sub2;O&sub5;, PbO, Na&sub2;O, K&sub2;O, CaO, MgO und Kombinationen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt werden, und kann außerdem andere Bestandteile enthalten, wie zum Beispiel Pigmente oder Trübungsmittel. Eine übliche, bearbeitbare Art des Glasurmateriales ist die gewöhnlich als Nachbrandglasur bezeichnete.
• Das Material der Glasurschicht 30 hat physikalische Solleigenschaften entsprechend den unten in Tabelle I gezeigten Eigenschaften. Tabelle I
• Die Nachbrenntemperatur, die in Tabelle I erwähnt ist, ist die Temperatur, bei der das Oberschichtmaterial fließt und "sich selbst heilt", um die Spalten oder Risse in einem relativ kurzen Zeitraum zu schließen. Die Nachbrenntemperatur entspricht somit der Temperatur, bei der die Viskosität des Materiales unter ungefähr 3.000 Poise fällt.
• Die Unterlage 28 kann im wesentlichen jedes Material einschließen, das mit der Oberflächenschicht 30 kompatibel ist. Wie weiter unten beschrieben wird, sind die während des Prozesses auftretenden Wirkungen im wesentlichen auf die Oberseite der Oberflächenschicht begrenzt, d. h., auf jenen Teil der Schicht 30, der sich innerhalb von ungefähr 1 mm der oberen Fläche befindet. Wenn die obere Fläche 30 eine Dicke hat, die wesentlich größer als dieser Bereich ist, breiten sich die durch das lokalisierte Erhitzen an der oberen Fläche erzeugten Wirkungen, wie die Wärmeausdehnung, nicht wesentlich in die Grundschicht aus, und umgekehrt beeinflussen die Wirkungen, wie die Wärmeleitung, in der Grundschicht die Erhitzungs- und Abkühlprozesse nicht nennenswert. Deshalb sind die Eigenschaften des Grundmateriales für das Verfahren unwichtig. Wenn die obere Schicht 30 dünner als ungefähr 0,1 mm dick ist, so daß der Wärmeprozess mit der Grundschicht 28 wesentlich in Wechselwirkung steht, sollte die Grundschicht möglichst physikalische Eigenschaften besitzen, wie sie oben für die obere Schicht dargelegt sind. Typische Grundschichten umfassen Aluminosilikat/Silikat-Keramik, wie zum Beispiel Ton/Feldspat/Flint-Mischungen, wie sie für übliche Weißware verwendet werden, als auch Gußemaille und solche Zusammensetzungen, wie Emailleoberflächenmaterial mit Akrylgrundschicht, für das AMERICAST® die registrierte Handelsmarke der American Standard, Inc., ist.
• Wie in Fig. 2 zu sehen ist, hat das spezielle, bearbeitete Werkstück einen Fehler in Form eines Sprunges oder Risses 32 in der Schicht 30. Ein Reparaturmaterial oder eine Fritte 34 wird auf und neben der Beschädigung 32 auf der oberen Fläche S des Werkstückes angeordnet. Die Fritte 34 kann aus dem gleichen Material bestehen, wie es in der oberen Schicht 30 des Werkstückes vorhanden ist, oder aus einem anderen Material, das mit dem Material der oberen Schicht chemisch und physikalisch kompatibel ist, so daß keine unerwünschten chemischen Reaktionen auftreten, wenn diese beiden Materialien im geschmolzenen Zustand miteinander in Kontakt kommen. Am meisten bevorzugt hat die Fritte und jede Zwischenmischung aus der Fritte und dem Oberschichtmaterial physikalische Eigenschaften (einschließlich dem Ausdehnungskoeffizienten), die jenen des Oberschichtmateriales nahe kommen. Die Nachbrenntemperatur der Fritte und/oder die Nachbrenntemperatur einer Mischung aus der Fritte und dem Oberschichtmaterial kann niedriger sein als die entsprechende Nachbrenntemperatur des Oberschichtmateriales selbst. Es gibt im wesentlichen keine untere Grenze für die Nachbrenntemperatur der Fritte (außer der Gebrauchstemperatur des fertigen Produktes). Wenn die ästhetischen Eigenschaften des fertigen Produktes wichtig sind, kann das Reparaturmaterial so ausgewählt werden, daß eine gute farbliche Abstimmung mit dem Material der Oberschicht erhalten wird.
• Das Werkstück wird mit der optischen Vorrichtung 12 so ausgerichtet, daß ein Teil der Werkstückoberfläche S. an dem die Behandlung gewünscht wird, mit der Strahlachse 26 ausgerichtet ist. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann dieser Teil einen Teil der Beschädigung 32 umfassen. Die Zeitgeber- und Steuereinrichtung 24 betätigt die Bewegungseinrichtung 14, um die optische Vorrichtung 12 in die zweite oder defokussierte Position 12' zu bringen, und betätigt den Laser 10, um einen Strahl mit Vorwärmstrahlungsenergie einzusetzen. Diese Vorwärmstrahlungsenergie wird zu Beginn auf die relativ große Zone oder den relativ großen Lichtpunkt 22 gebündelt, der die Strahlachse 26 umgibt, wodurch Vorwärmstrahlungsenergie auf einer Vorwärmzone eingesetzt wird, die einen Durchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich dem Strahldurchmesser ist, d. h., im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Lichtpunktes 22.
• Der Strahlungsenergiestrahl kann eine im wesentlichen Gaußsche Verteilung der Leistungsdichte haben, so daß die Leistungsdichte des Strahles mit dem Abstand von der Achse 26 ohne plötzlichen Abfall oder Abschnitt allmählich abnimmt. Deshalb wird der Radius des Strahles als der Punkt genommen, wo die Leistungsdichte das 1/e-fache ihres Spitzenwertes beträgt, d. h., wo die Leistungsdichte das 0,368-fache der Leistungsdichte im Mittelpunkt des Strahles beträgt. Somit kann der Durchmesser des Strahles und demzufolge der Durchmesser des durch den Strahl beleuchteten Lichtpunktes als dopplter Radius genommen werden. Der auf diese Art und Weise berechnete Durchmesser wird in der vorliegenden Offenbarung als der "1/e-Durchmesser" bezeichnet. Außer wenn es anders angegeben wird, sind Strahldurchmesser, auf die in dieser Offenbarung Bezug genommen wird, 1/e-Strahldurchmesser. Auch der Ausdruck "Leistungsdichte", wie er in dieser Offenbarung unter Bezugnahme auf ein Strahlenbündel mit ungleichmäßiger Leistungsdichte verwendet wird, meint die durchschnittliche Leistungsdichte im Strahldurchmesser.
• Die Vorwärmstrahlungsenergie wird somit während dieses Anfangsteiles der Vorwärmstufe des Verfahrens auf eine Vorwärmzone auf der oberen Fläche aufgebracht, die mit dem Lichtpunkt 22 endet. Der Vorwärmstrahldurchmesser und somit der Durchmesser des Vorwärmlichtpunktes oder der Vorwärmzone 22 ist am Beginn des Vorwärmschrittes bevorzugt zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 15 mm, und noch bevorzugter zwischen ungefähr 2 mm und ungefähr 10 mm. Mit Fortschreiten des Vorwärmschrittes aktiviert die Zeitgeber- und Steuereinheit den Laser 10 zum allmählichen Erhöhen seiner Gesamtleistungsabgabe, und betätigt die Bewegungseinrichtung 14, um die Vorrichtung allmählich aus ihrer zweiten Position 12' in ihre erste Position 12 zu bringen, wodurch der Brennpunkt des Strahles vom großen Lichtpunkt 22 allmählich auf den relativ schmalen Lichtpunkt 20 eingeengt wird. Somit steigt die durchschnittliche Leistungsdichte in dem Strahl an der oberen Fläche des Werkstückes während der Vorwärmstufe allmählich an. Die Leistungsdichte beginnt üblicherweise auf einem sehr niedrigen Wert, ungefähr 0, und steigt während dieses Vorwärmschrittes allmählich auf ungefähr 200 Watt pro Quadratzentimeter an. Gleichzeitig verringert sich der Durchmesser des Strahles vom Anfangs-Vorwärmstrahldurchmesser auf einen End-Vorwärmstrahldurchmesser, der gleich dem unten erläuterten Schmelzstrahldurchmesser ist. Vorzugsweise beträgt die Dauer des Vorwärmschrittes ungefähr 0,25 bis ungefähr 2,5 s.
• Unmittelbar nach dem Vorwärmschritt beginnt ein Schmelzschritt. Im Schmelzschritt betätigt die Zeitgeber- und Steuereinrichtung die Bewegungseinrichtung, um die optische Einrichtung 12 in ihrer ersten oder engen Lichtpunktposition zu halten, wodurch der Lichtstrahl aus dem Laser 18 auf den Lichtpunkt mit relativ engem Durchmesser 20 gebündelt wird, der die Strahlachse 26 umgibt. Somit wird der Durchmesser des Strahles auf der Werkstückoberfläche auf einem Schmelzstrahldurchmesser von weniger als ungefähr 10 mm, und bevorzugt zwischen ungefähr 0,1 mm und ungefähr 4 mm gehalten. Somit wird der Lichtstrahl vom Laser 10 im wesentlichen in einer Schmelzzone mit relativ kleinem Durchmesser mit gleichem Ende wie der Lichtpunkt 20 aufgebracht. In diesem Verfahrensschritt des Prozesses hält die Zeitgeber- und Steuereinheit den Laser 10 auf einer relativ hohen, konstanten Gesamtausgangsleistung. Somit wird eine relativ hohe, konstante Leistungsdichte in der Schmelzzone aufgebracht. Während dieses Verfahrensschrittes erreichen das Material der oberen Schicht 30 und das Reparaturmaterial 34 in der Schmelzzone 20 auf der Oberfläche des Werkstückes ihre Schmelztemperaturen, schmelzen und bilden eine kontinuierliche flüssige Phase auf der Oberfläche. Dieser Verfahrensschritt dauert üblicherweise ungefähr 0,1 bis ungefähr 1 s, und am bevorzugtesten ungefähr 0,5 s. Bevorzugt beträgt die in diesem Verfahrensschritt eingesetzte Leistungsdichte mehr als 200 Watt pro Quadratzentimeter, und noch bevorzugter zwischen ungefähr 200 und ungefähr 400 Watt pro Quadratzentimeter. Die Gesamtleistung liegt bevorzugt zwischen ungefähr 5 und ungefähr 20 W im Schmelzschritt, und die der Schmelzzone insgesamt zugeführte Energie beträgt bevorzugt ungefähr 2,5 bis ungefähr 10 J. Die gesamte, in dem Schmelzschritt eingesetzte Energie und Leistungsdichte sollte nicht so groß sein, daß eine wesentliche Verdampfung der flüchtigeren Komponenten in dem Oberschichtenmaterial des Werkstückes oder im Reparaturmaterial bewirkt wird. Die geschmolzenen Materialien haben jedoch üblicherweise ein wesentlich geringeres Absorbtionsvermögen für die Strahlungsenergie des Strahles als die festen Materialien. Die geschmolzenen Materialien tendieren dahin, einen kleineren Anteil der auftreffenden Strahlungsenergie zu absorbieren und einen größeren Anteil jener auftreffenden Energie zu reflektieren. Dieses führt zu einem Selbstbegrenzungseffekt und zum Verhindern des Überhitzens des geschmolzenen Materiales. Da die Oberfläche in der Schmelzzone und in unmittelbarer Umgebung der Schmelzzone während des Schmelzschrittes eine stark erhöhte Temperatur hat, und jene Teile der oberen Schicht 30, die von der Schmelzzone entfernt sind, die Grundmaterialtemperatur des Materials haben, d. h.. ungefähr Raumtemperatur, bestehen zwischen den Teilen der oberen Schicht 30 wesentliche Temperaturunterschiede. Die während der Vorwärmstufe auf die Oberfläche in der Vorwärmzone aufgebrachte Energie führt dazu, die Temperaturgefälle zu mildern und das Reißen infolge der Wärmespannungen im Schmelzschritt zu vermeiden. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht durch irgendeine Verfahrenstheorie beschränkt ist, wird angenommen, daß das Schmelzen in der Schmelzzone auch Wärmespannung verringert.
• In einem dem Schmelzschritt unmittelbar folgenden Kühlschritt betätigt die Zeitge ber- und Steuereinheit die Bewegungseinrichtung 14 zum Einleiten der Bewegung der optischen Einrichtung 12 aus ihrer ersten oder eng fokussierenden Position in ihre zweite oder weit fokussierende Position, um den Durchmesser des auf die Oberfläche des Werkstückes auftreffenden Strahles allmählich zu vergrößern. Somit hat der Strahl am Ende dieses Kühlschrittes einen End-Kühlstrahldurchmesser erreicht, der wesentlich größer ist als der Schmelzstrahldurchmesser, der in dem Schmelzschritt verwendet wird. Vorzugsweise ist der Kühlstrahldurchmesser am Ende des Kühlschrittes zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 15 mm, und noch bevorzugter zwischen ungefähr 2 und ungefähr 12 mm. Bevorzugt beträgt der Kühlstrahldurchmesser das ungefähr 1,2- bis ungefähr 2,0-fache des Schmelzstrahldurchmessers, und der Vorwärmstrahldurchmesser ist ungefähr der gleiche wie der Kühlstrahldurchmesser. Somit wird während des Kühlschrittes die Strahlungsenergie auf eine Kühlzone aufgebracht, die ebenfalls mit dem Lichtpunkt 22 endet, und größer ist als die Schmelzzone und die Schmelzzone einschließt. Während dieses Kühlschrittes wird außerdem die Gesamtausgangsleistung vom Laser 10 allmählich reduziert. Somit verringert sich die Leistungsdichte während des Kühlschrittes allmählich von dem während des Schmelzschrittes aufgebrachten Niveau. Bevorzugt beträgt die zeitlich gemittelte Leistungsdichte während des Kühlschrittes des Verfahrens beträchtlich weniger als 200 W/cm². Im Kühlschritt wird die Leistungsdichte allmählich auf Null reduziert. Bevorzugt hat der Kühlschritt eine Dauer von ungefähr 0,5 s bis ungefähr 10 s, noch bevorzugter zwischen ungefähr 1 s und ungefähr 5 s, und am bevorzugtesten ungefähr 2,5 s. Während des Kühlschrittes kühlt die Schmelzzone ab und die während des Schmelzschrittes verflüssigte Phase wird fest. Die während des Kühlschrittes des Verfahrens auf die Kühlzone aufgebrachte Strahlungsenergie vermindert die Geschwindigkeit des Abkühlens der Schmelzzone und der umgebenden Bereiche und verringert die Wärmespannungen, die während dieses Kühlprozesses auftreten. Unter den oben erläuterten, bevorzugten Bedingungen ist die Kühlstrahlungsenergie wirksam, um die Zug- und Druckkühlspannungen unterhalb der Zug- bzw. Druckfestigkeiten des Oberschichtmateriales zu halten. Somit erzeugen die während der Kühlung auftretenden Wärmespannungen kein Reißen der oberen Schicht oder der neugebildeten festen Phase. Obwohl der Ausdruck "Kühlen" in bezug auf diesen Verfahrensschritt verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht durch irgendeine Verfahrenstheorie beschränkt. Somit sollte der Ausdruck "Kühlen", wie er in bezug auf diesen Verfahrensschritt verwendet wird, nicht so verstanden werden, daß es unbedingt erforderlich ist, daß der Kühlschritt das allmähliche Fließen oder Entspannung umfaßt, wie es während eines klassischen, großtechnischen Kühlprozesses auftreten kann.
• Sobald der Kühlschritt beendet ist, kann das Verfahren an einem anderen Teil des Werkstückes wiederholt werden. Zum Beispiel kann das Werkstück in bezug auf die Strahlachse 26 verschoben werden, wie zum Beispiel durch Bewegen des Trägers 16.
• Eine Vorrichtung zum Ausführen eines anderen Verfahrens gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Vorrichtung umfaßt einen Laser 110, der ähnlich dem oben erläuterten Laser 10 ist, und ein unveränderliches optisches Fokussiersystem 112, das so angeordnet ist, daß der Strahl vom Laser 110 entlang einer unveränderlichen optischen Achse 126 gerichtet und der Strahl auf einen Lichtpunkt 121 mit konstantem Durchmesser D auf der Brennebene gebündelt wird. Das unveränderliche optische Fokussiersystem stellt somit eine Hochleistungsdichte in einem Schmelzbereich zur Verfügung, der dem Lichtpunkt 121 entspricht. Weil die Leistungsverteilung des Strahles jedoch im wesentlichen eine Gaußsche und im wesentlichen zylindrisch symmetrisch um die Strahlachse 126 ist, stellt der gebündelte Strahl eine beträchtliche Leistungsdichte in einem breiteren, umrandeten Bereich 125 zur Verfügung, der den Schmelzbereich 121 umgibt. Etwas von dieser Energie fällt in einen Kühlbereich 127, der benachbart zu dem Schmelzbereich 121 ist, jedoch von diesem in einer ersten Richtung versetzt ist, die durch den Pfeil "+X" in Fig. 3 angezeigt ist. Andere Teile dieser Energie fallen in einen Vorwärmbereich 129, der benachbart zum Schmelzbereich 121 ist, jedoch von diesem in der zweiten, entgegengesetzten Richtung, die durch den Pfeil "-X" in Fig. 3 angezeigt ist, versetzt ist. Gleichermaßen fallen weitere Anteile der Energie in dem Strahl in Seitenbereiche 131, die von dem Schmelzbereich in seitlichen Richtungen quer zu der ersten und zweiten Richtung versetzt sind. Die Seitenbereiche 131 sind zu den Vorwärm-, Schmelz- und Kühlzonen benachbart. Obwohl die Bereiche zur Klarheit der Darstellung in Fig. 3 mit deutlich definierten Grenzen dargestellt sind, sollte erkennbar sein, daß diese Bereiche allmählich ineinander verschmelzen. Die jeweilige durchschnittliche Leistungsdichte im Kühlbereich 127 und im Vorwärmbereich 129 ist niedriger als die durchschnittliche Leistungsdichte im Schmelzbereich 121. Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Leistungsverteilung der Strahlung in dem Strahl als eine Funktion des Abstandes in den +X und -X-Richtungen von der Strahlachse 126 darstellt. Die Kurve 133 zeigt die Leistungsdichte.
• Die Vorrichtung umfaßt außerdem einen Werkstückträger 116 und einen Stellantrieb mit Linearbewegung 140, der mit dem Träger 116 verbunden ist. Der Stellantrieb 140 ist so angeordnet, daß er den Träger und somit jedes auf diesem angeordnete Werkstück mit einer vorgewählten Bewegungsgeschwindigkeit in die erste oder +X-Richtung bewegt.
• In einem Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Werkstück W auf einem Träger 116 befestigt und wird durch den Stellantrieb 140 mit einer vorgewählten, im wesentlichen konstanten Bewegungsgeschwindigkeit bewegt. Diese Bewegung schiebt die Werkstückoberfläche am Strahlungsenergiestrahl vorbei, so daß jeder Teil der Werkstückoberfläche zuerst den Vorwärmbereich 129 des Strahles, dann den Schmelzbereich 121 und schließlich den Kühlbereich 127 passiert. Bevor eine Zone der Werkstückoberfläche in den Schmelzbereich 121 eintritt, werden somit jene Zone der Oberfläche und benachbarte Zonen der Werkstückoberfläche vorgewärmt, indem sie im Vorwärmbereich 129 des Strahles der Vorwärmstrahlung mit relativ niedriger Leistungsdichte ausgesetzt werden. Da jede Zone den Schmelzbereich 121 des Strahles passiert, wird jene Zone im Schmelzbereich des Strahles der Schmelzstrahlung mit relativ hoher Leistungsdichte ausgesetzt, wobei das Material an der Werkstückoberfläche auf seine Schmelztemperatur gebracht wird. Gleichzeitig werden benachbarte Zonen, die seitlich von der im Schmelzbereich des Strahles behandelten Zone versetzt sind, der zusätzlichen Strahlung mit relativ geringer Leistungsdichte in den seitlichen Bereichen 131 ausgesetzt. Nachdem jede Zone der Oberfläche der Schmelzstrahlungsenergie im Schmelzbereich 121 ausgesetzt wurde, passiert jene Zone der Oberfläche den Kühlbereich 127, wo sowohl jene Zone als auch eine umliegende, größere Kühlzone der Oberfläche der Kühlstrahlung mit relativ geringer Leistungsdichte ausgesetzt werden. Da sich jede Zone der Werkstückoberfläche in die + X- Richtung bewegt (von rechts nach links in Fig. 4), wird jene Zone der allmählich ansteigenden Leistungsdichte ausgesetzt, wenn sie den Vorwärmbereich 129 passiert, und der allmählich abfallenden Leistungsdichte, wenn sie den Kühlbereich 127 passiert, wie es am besten im Zusammenhang mit Fig. 4 zu erkennen ist.
• Die Vorwärm- und Kühlschritte in diesem Verfahren erfüllen ungefähr die gleiche Funktion wie jene oben in Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläuterte. In diesem Falle werden die wichtigen Parameter der Vorwärm- und Kühlschritte, wie zum Beispiel die Intensität der in jenen Schritten eingesetzten Strahlungsenergie, die Änderungsgeschwindigkeit jener Intensität mit der Zeit und die Dauer jener Schritte, sowohl durch die Eigenschaften des durch den Laser 110 und das optische System 112 aufgebrachten Strahles als auch der Bewegungsgeschwindigkeit der Werkstückoberfläche gesteuert. Für Bearbeitungsmaterialien, die die oben erläuterten Eigenschaften haben, hat der Strahl bevorzugt eine Gesamtleistung zwischen ungefähr 5 und ungefähr 25 W, noch bevorzugter zwischen ungefähr 10 und ungefähr 20 W, und einen 1 /e-Durchmesser von ungefähr 0,5 cm. Die Bewegungsgeschwindigket der Oberfläche in die erste Richtung quer zur Strahlenachse beträgt bevorzugt ungefähr 0,5 bis ungefähr 2,0 mm/sek, und noch bevorzugter ungefähr 1,2 mm/sek. Die Durchgangszeit durch den 1 /e-Strahldurchmesser, d. h., durch den Schmelzbereich 121, beträgt bevorzugt zwischen ungefähr 0,2 und ungefähr 2,0 s. Theoretisch erstreckt sich die Gaußsche Leistungsverteilung des Strahles über eine unendliche Strecke, und somit würden die Vorwärm- und Kühlschritte von einer unendlichen Dauer sein. In der Praxis kann die Außengrenze des Randbereiches 125 des Strahles als in einem Abstand liegend angenommen werden, der gleich dem ungefähr 2,5-fachen des 1/e-Radius des Strahles ist. Somit kann der Vorwärmbereich 129 als sich von ungefähr X = -1,25D bis X = -D/2 erstreckend angenommen werden, während der Kühlbereich 127 als sich von X = + D/2 bis X = 1,25D erstreckend angenommen werden kann, wobei X der Abstand von der Strahlachse 126 und D der 1/e-Strahldurchmesser ist. Die Dauer der Vorwärm- und Kühlschritte, die als die Durchgangszeiten durch diese Zonen berechnet werden, sollte zwischen ungefähr 0,5 Sek. und ungefähr 10 Sek., noch bevorzugter zwischen ungefähr 2 Sek. und ungefähr 4 Sek. sein.
• Wie leicht verständlich sein wird, können verschiedene Abweichungen und Kombinationen der oben erläuterten Merkmale ohne Abweichen von der durch die Patentansprüche festgelegten Erfindung verwendet werden. In der Anordnung von Fig. 3 wird die relative Bewegung zwischen dem Strahlungsenergiestrahl und der Werkstückoberfläche durch Bewegen des Werkstückes vorgesehen, während der Strahl in bezug auf einen feststehenden Bezugsrahmen fixiert ist. Genau der gleiche Effekt kann durch Fixieren des Werkstückes und Bewegen des Strahles, wie z. B. durch Richten des Strahles auf einen Spiegel und allmähliches Bewegen des Spiegels, oder durch Anwendung eines biegsamen Wellenleiters oder durch Anwendung einer Kombination von Spiegeln, wie sie in einem Gelenkarm in chirurgischen Lasergerätschaften angewandt wird, erreicht werden. In der Anordnung der Fig. 3 wird die Strahlungsenergie als ein einzelner, im wesentlichen Gaußscher Strahl eingesetzt, wobei die Strahlachse senkrecht zu der Ebene der Werkstückoberfläche ist, so daß der Strahl ein kreisförmiges symmetrisches Muster bildet, wie es dargestellt ist. Der vom Strahl auf der Oberfläche gebildete Lichtpunkt muß jedoch nicht kreisförmig sein, sondern kann stattdessen elliptisch oder asymmetrisch sein, wie bei zur Werkstückoberflächenebene schräger Strahlachse. Tatsächlich muß die Strahlungsenergie nicht als ein Einzelstrahl aufgebracht werden. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, können mehrere Strahlen 200, 202 und 204 vorgesehen und entsprechend auf die Schmelz-, Vorwärm- und Kühlzonen gerichtet werden. Hier ist der durch den Strahl 204 begrenzte Kühlbereich wiederum von dem durch den Strahl 200 begrenzten Schmelzbereich in eine Richtung versetzt, während der durch den Strahl 202 begrenzte Vorwärmbereich in der entgegengesetzten Richtung versetzt ist. Auch in dieser Darstellung sind die Strahlen mit klar definierten Grenzen gezeichnet. In Wirklichkeit würden sich die Randbereiche der verschiedenen Strahlen im Schmelzbereich überlappen. Wie dargestellt ist, hat der Strahl 202 einen etwas kleineren Durchmesser als der Strahl 204, um eine Vorwärmzeit vorzusehen, die kürzer als die Kühlzeit ist.
• In einer weiteren Variante kann der Vorwärmschritt weggelassen werden. Somit kann in einer veränderlichen Strahlanordnung, wie zum Beispiel jene der Fig. 1 und 2, der Strahl in seiner Schmelzkonfiguration gestartet werden, während in den versetzten Strahlanordnungen, wie sie durch die Fig. 3-5 gezeigt sind, der Vorwärmbereich des Strahles weggelassen werden kann. Diese Variante ist im allgemeinen unerwünscht, da sie das Material während des Anfangsabschnittes des Schmelzschrittes wesentlich höheren Wärmespannungen aussetzt. Wenn das Material jedoch besonders günstige Eigenschaften hat, wie zum Beispiel einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder sehr hohe Festigkeit, können diese Spannungen manchmal toleriert werden. In der Anordnung der Fig. 1 und 2 kann der Brennpunkt des Strahles auf der Werkstückoberfläche auch durch Bewegen des Werkstückes zum oder weg vom optischen System eingestellt werden.
• Die oben erläuterten Verfahren werden verwendet, um Fehler in der Glasur zu reparieren. Die gleichen Verfahren können zum Hinzufügen von Glasur in lokalisierten Bereichen angewandt werden. Zum Beispiel kann eine Fritte mit kontrastierender Farbe auf eine Glasur geschmolzen werden, um lokalisierte Materialien auf einer Glasuroberfläche vorzusehen. Diese Techniken können bei anderen Werkstückoberflächen als Glasur verwendet werden. Zum Beispiel kann der bearbeitete Gegenstand eine feste Glasplatte oder anderes Glasmaterial sein.
• Da diese und andere Abweichungen und Kombinationen der oben beschriebenen Merkmale ohne Abweichen von der durch die Patentansprüche festgelegten vorliegenden Erfindung angewandt werden können, sollte die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mehr als Illustration als zur Beschränkung der in den Patentansprüchen festgelegten Erfindung angesehen werden.

Claims (23)

1. Verfahren zum lokalisierten Glasieren eines keramischen Gegenstandes durch Schmelzen von Keramikmaterial an einer Schmelzstelle durch Aufbringen von Schmelzstrahlungsenergie auf eine Schmelzzone (20) auf einer Oberfläche des Gegenstandes, die die Stelle umfaßt, gekennzeichnet durch darauffolgendes Kühlen der Oberfläche des Gegenstandes in der Schmelzzone durch Aufbringen von Kühlstrahlungsenergie auf eine Kühlzone (22) auf der Oberfläche, die die Schmelzzone umfaßt, um dadurch das Abkühlen der Schmelzzone zu verzögern und die in dem Gegenstand angrenzend an der Schmelzzone während jenes Abkühlens auftretende Wärmespannung auf weniger als die Bruchspannung des Keramikmaterials in dem Gegenstand an der Oberfläche zu begrenzen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, desweiteren gekennzeichnet durch den Schritt des Vorwärmens der Schmelzzone durch Aufbringen von Vorwärmstrahlungsenergie auf eine Vorwärmzone (22) auf der Oberfläche, die die Schmelzzone umfaßt, vor dem Schmelzschritt, um die Schmelzzone vorzuwärmen und dadurch die Wärmespannung in dem Gegenstand angrenzend an der Schmelzzone während des Schmelzschrittes zu begrenzen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Gegenstand während dieser Schritte auf einer Grundmaterialtemperatur unterhalb seiner Kühltemperatur gehalten wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Grundmaterialtemperatur des Gegenstandes während dieser Schritte ungefähr Raumtemperatur ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Schmelzstrahlungsenergie eine Schmelzleistungsdichte vorsieht, und gekennzeichnet dadurch, daß der Schritt des Aufbringens der Kühlstrahlungsenergie den Schritt des Aufbringens der Kühlstrahlungsenergie derart umfaßt, daß eine Kühlleistungsdichte, die niedriger als die Schmelzleistungsdichte ist, vorgesehen wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Schritt des Aufbringens der Vorwärmstrahlungsenergie den Schritt des Aufbringens der Vorwärmstrahlungsenergie derart umfaßt, daß eine Vorwärmleistungsdichte, die geringer als die Schmelzleistungsdichte ist, vorgesehen wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 3, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Vorwärmzone (22) größer ist als die Schmelzzone, und daß die Kühlzone (22) größer ist als die Schmelzzone.

8. Verfahren gemäß Anspruch 3, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Vorwärm-, Schmelz- und Kühlschritte des Aufbringens von Schmelzstrahlungsenergie, des Aufbringens von Kühlstrahlungsenergie und des Aufbringens von Vorwärmstrahlungsenergie alle den Schritt des Richtens eines Strahlungsenergiestrahles zum Auftreffen auf die Oberfläche des Gegenstandes an der Stelle umfassen, so daß der Strahl mindestens teilweise während des Vorwärmschrittes an der Stelle einen Vorwärmdurchmesser (d) hat, dann während des Schmelzschrittes einen Schmelzstrahldurchmesser hat, der kleiner ist als der Vorwärmdurchmesser, und dann mindestens teilweise während des Kühlschrittes einen Kühlstrahldurchmesser hat, der größer ist als der Schmelzstrahldurchmesser.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Schmelzstrahldurchmesser ungefähr 10 mm oder weniger ist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Kühlstrahldurchmesser zwischen ungefähr 1 und ungefähr 15 mm und der Vorwärmstrahldurchmesser zwischen ungefähr 1 und ungefähr 15 mm ist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 3, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Schmelzstrahlungsenergie eine Leistungsdichte von mindestens ungefähr 200 W/cm² hat.

12. Verfahren gemäß Anspruch 3, desweiteren gekennzeichnet durch den Schritt des allmählichen Verringerns der Leistung des Strahlungsenergiestrahles während des Kühlschrittes.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Kühlschritt eine Dauer zwischen ungefähr 0,5 s und 10 s, der Schmelzschritt eine Dauer zwischen ungefähr 0,1 s und 1,0 s und der Vorwärmschritt eine Dauer zwischen ungefähr 0,25 s und 2,5 s hat.

14. Verfahren gemäß Anspruch 6, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Vorwärmschritt den Schritt des allmählichen Ansteigens der Leistungsdichte des Strahlungsenergiestrahles umfaßt.

15. Verfahren gemäß Anspruch 1, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Schmelz- und Kühlschritte die Schritte des Vorsehens von mindestens einem Strahlungsenergiestrahl, der in einem Schmelzbereich (121) die Schmelzstrahlungsenergie mit einer Schmelzleistungsdichte und in einem Kühlbereich (127) benachbart zu dem Schmelzbereich, jedoch von diesem in einer ersten Richtung versetzt, die Kühlstrahlungsenergie mit einer Kühlleistungsdichte umfaßt, die geringer ist als die Schmelzleistungsdichte, und des Bewegens der Oberfläche des Gegenstandes in die erste Richtung in bezug auf den mindestens einen Strahl umfassen, so daß Teile der Oberfläche den Schmelzbereich und dann den Kühlbereich passieren.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der mindestens eine Strahl in einem Vorwärmbereich 129, der benachbart zu dem Schmelzbereich, jedoch von diesem in einer zweiten, von der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung versetzt ist, außerdem Vorwärmstrahlungsenergie mit einer Vorwärmleistungsdichte umfaßt, die geringer als die Schmelzleistungsdichte ist, wobei jeder Teil der Oberfläche vor dem Passieren des Schmelzbereiches den Vorwärmbereich passiert.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Vorwärm- und Schmelzbereiche benachbart sind, und weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Schmelz- und Kühlbereiche ebenfalls benachbart sind.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß die Vorwärm-, Schmelz- und Kühlbereiche alle Teile eines Einzelstrahles sind, der eine im wesentlichen Gaußsche Verteilung der Leistungsdichte in den ersten und zweiten Richtungen hat, und daß der Bewegungschritt so ausgeführt wird, daß jeder Teil der Oberfläche den Strahl während einer Durch gangszeit von zwischen ungefähr 0,5 s und ungefähr 10 s passiert.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Strahl einen 1/e-Strahldurchmesser von zwischen ungefähr 1 und ungefähr 10 mm und eine Leistung von ungefähr 5 bis ungefähr 25 Watt hat.

20. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 15, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß der Gegenstand auf der Oberfläche ein glasartiges Material hat und das glasartige Material in dem Schmelzschritt geschmolzen wird.

21. Verfahren gemäß Anspruch 21, desweiteren gekennzeichnet durch den Schritt des Vorsehens einer Fritte (34) auf der Oberfläche an der Fehlerstelle, so daß die Fritte während des Schmelzschrittes geschmolzen wird und mit dem glasartigen Material verschmilzt.

22. Verfahren gemäß Anspruch 21, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß das glasartige Material eine Glasur ist und die Glasurstelle einen Bereich der Oberfläche umfaßt, der eine Fehlerstelle in der Glasur hat, wobei die geschmolzene Fritte und die Glasur gemeinsam eine feste Phase bilden, die die Fehlerstelle nach dem Kühlschritt abdeckt.

23. Verfahren gemäß Anspruch 20, desweiteren gekennzeichnet dadurch, daß das glasartige Material eine Glasur ist und die Glasurstelle einen Bereich der Oberfläche umfaßt, der eine Fehlerstelle in der Glasur besitzt, wobei die geschmolzene Glasur eine feste Phase bildet, die die Fehlerstelle nach dem Kühlschritt abdeckt.