EP0991511A1 - Verfahren zur modifizierung von holzoberflächen - Google Patents

Verfahren zur modifizierung von holzoberflächen

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EP0991511A1
EP0991511A1 EP98928129A EP98928129A EP0991511A1 EP 0991511 A1 EP0991511 A1 EP 0991511A1 EP 98928129 A EP98928129 A EP 98928129A EP 98928129 A EP98928129 A EP 98928129A EP 0991511 A1 EP0991511 A1 EP 0991511A1
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EP
European Patent Office
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wood
radiation
energy
energy source
laser
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Application number
EP98928129A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Panzner
Günther WIEDEMANN
Andreas Lenk
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27M—WORKING OF WOOD NOT PROVIDED FOR IN SUBCLASSES B27B - B27L; MANUFACTURE OF SPECIFIC WOODEN ARTICLES
    • B27M1/00—Working of wood not provided for in subclasses B27B - B27L, e.g. by stretching
    • B27M1/06—Working of wood not provided for in subclasses B27B - B27L, e.g. by stretching by burning or charring, e.g. cutting with hot wire
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30—Organic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the invention relates to the field of processing or wood finishing of materials or components made from the ecological and renewable raw material wood.
  • One area of application of the invention is, for example, the gluing and coating of wood, where the use of the invention leads to higher strengths and durability.
  • the general area of application is all branches of industry that deal in any way with wood and wood processing and processing. In addition to conventional woodworking and processing industries, the restoration of components, building and works of art etc. made of wood or with a wood surface, for example by removing damaged wood surface layers or parts thereof, is also counted.
  • the durability of protective coatings on wooden surfaces and the strength of adhesive bonds between wooden parts can be significantly increased if the coating material or the adhesive can penetrate deeper into the wooden surface. This is prevented in the case of mechanically processed wood surfaces by a layer of destroyed wood structure, which mainly consists of compressed wood fibers. There was therefore a need to remove this layer with destroyed wood structure.
  • this method is inconceivable, for example, for the restoration of components, buildings and works of art made of wood or with a wooden surface.
  • the invention is based on the object of proposing a method for modifying, for example machining, in particular for removing or removing layers of wood surfaces, by means of which the disadvantages of the prior art are eliminated.
  • Claims 2 to 20 represent advantageous embodiments.
  • the process for modifying wooden surfaces, in particular for removing layers of wood on the wooden surface is carried out using high-energy electromagnetic radiation.
  • this modification of wooden surfaces takes place through thermal absorption.
  • a powerful energy source preferably a laser source (e.g. C0 2 -cw laser), with which high-energy electromagnetic radiation is generated, focused and directed onto the surface of the wood surface, so that during a short exposure time, preferably ⁇ 1 ms , the wooden surface is suddenly heated so strongly in a thin layer that the essential part of the volume thus heated is also evaporated suddenly or converted into plasma.
  • the partial active surface of the energy source on the wooden surface which is small compared to the processing surface, is continuously guided over this or the desired segments or contours thereof.
  • a laser ablation process is used to remove the layer on the wood surface, for example the layer with a destroyed wood structure.
  • a thermal process is carried out in the method according to the invention.
  • the removal is carried out by thermal absorption via the excitation of phonons in the different wood molecules and subsequent thermal removal process.
  • the coupling of the radiation in particular of laser radiation, causes the surface to heat up rapidly, which mainly leads to partially explosive evaporation with plasma formation.
  • Prerequisites for a removal free of damage to the remaining wood surface are short ones Exposure times to this radiation, which prevents a deep thermal effect with disadvantageous phenomena, such as partial melting and especially charring.
  • Such short exposure times can be achieved either by a rapid relative movement between the laser beam and the workpiece and / or by using lasers with short pulses.
  • the rapid relative movement can be achieved by rapid movement of the wood under a laser beam, for example a cw laser beam, or by a rapid movement of the laser beam, for example a cw laser beam, over the wooden surface or by a combined movement.
  • the lasers used should preferably work in the infrared spectral range, since there is a high optical absorption of the wood and the absorbed laser radiation is largely converted into thermal energy, which is used for evaporation.
  • the laser radiation can be focused or unfocused depending on the respective application.
  • the removal according to the invention is brought about by a thermal process (heating, evaporation).
  • Preferred lasers are therefore C0 2 lasers (cw lasers), which can also work continuously (not pulsed), since the method according to the invention opens up the possibility of realizing the short exposure times required and thus also in continuous operation by means of rapid relative movements work without damage in continuous operation.
  • the method according to the invention thus enables the use of C0 2 -cw lasers which are available with a high average power, are considerably cheaper to operate and can be easily integrated into a mechanical woodworking machine. This significantly improves the process described in patent application WO 95/25621 and enables the process to be used economically in the wood industry.
  • the variant of the method according to the invention shown in this exemplary embodiment is outlined in FIG. 1.
  • the focused beam of a C0 2 -cw laser 1 is guided by means of a scanner mirror 2 so quickly perpendicular to the longitudinal axis of the board over the wooden surface of a board 3 to be processed that the short exposure times arise.
  • the laser beam is focused by a focusing mirror 4 in such a way that the power densities required for removal are achieved over the entire width of the board.
  • the board feed 5 takes place at such a speed that removal by multiple scanning with the laser beam with track overlap takes place, which frees the wooden surface of residues of the mechanical processing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung von Holzoberflächen, insbesondere durch schichtweises Abtragen. Sie beinhaltet eine thermisch bedingte Oberflächenmodifizierung von Holz mittels energiereicher Strahlung. Erfindungsgemäss erfolgt diese Modifizierung durch thermische Absorption, wobei die energiereiche Strahlung bewirkt, dass während einer kurzen Einwirkzeit an der Einwirkfläche der Strahlung auf der Holzoberfläche eine dünne Holzschicht schlagartig so stark aufgeheizt wird, dass der wesentliche Teil des so aufgeheizten Volumens ebenso schlagartig verdampft bzw. in Plasma überführt wird.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Modifizierung von Holzoberflächen
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Bearbeitung bzw. Holzveredelung von Werkstoffen oder Bauteilen aus dem ökologischen und nachwachsenden Rohstoff Holz. Ein Einsatzgebiet der Erfindung ist beispielsweise die Verklebung und das Beschichten von Holz, wo der Einsatz der Erfindung zum Erreichen höherer Festigkeiten bzw. Standzeiten führt. Generelles Anwendungsgebiet sind alle Industriezweige, die sich in irgendeiner Weise mit Holz und Holzbe- sowie -Verarbeitung befassen. Dazu wird neben herkömmlichen Holzbe- und -verarbeitenden Industrien auch die Restauration von Bauteilen, Bau- und Kunstwerken usw. aus Holz bzw. mit Holzoberfläche, beispielsweise durch Abtrag beschädigter Holzoberflächenschichten bzw. Teilen davon, gezählt.
Die Haltbarkeit von Schutzbeschichtungen auf Holzoberflächen bzw. die Festigkeit von Klebeverbindungen zwischen Holzteilen kann wesentlich gesteigert werden, wenn das Beschichtungsmaterial bzw. der Klebstoff tiefer in die Holzoberfläche eindringen kann. Das wird bei mechanisch bearbeiteten Holzoberflächen durch eine Schicht zerstörter Holzstruktur, die hauptsächlich aus zusammengepreßten Holzfasern besteht, verhindert. Es bestand somit die Notwendigkeit, diese Schicht mit zerstörter Holzstruktur abzutragen.
Zum Abtragen dieser Schichten wird in der Patentanmeldung WO 95/25621 vorgeschlagen, in Abhängigkeit von der Holzart gepulstes Licht solch hoher Stärke und Wellenlänge zur Bestrahlung der Oberfläche zu verwenden, daß mit einer ausreichenden Anzahl von Impulsen kovalente Bindungen gebrochen werden können und dadurch die beschriebene Schicht soweit abgetragen werden kann, daß die Zellstruktur sichtbar wird. Das Verfahren hat den Nachteil, daß der Mechanismus des Abtrags durch Aufbrechen kovalenter Bindungen nur durch Impulslaser extrem hoher Impulsleistung (Aufbrechen der Bindungen durch Multiphotonprozesse) oder hoher Impulsleistung und UV- Wellenlängen (wo die Photonenenergie in der Größenordnung der Bindungsenergien der Moleküle liegt) sowie mit Pulszahlen von ca. 100 Schuß pro Flächeneinheit ausgelöst werden kann. Solche Laser stehen derzeit nur mit begrenzten mittleren Leistungen zur Verfügung und sind im Betrieb sehr teuer und schwer in mechanische Holzbearbeitungsmaschinen integrierbar.
Darüber hinaus ist ein Einsatz dieses Verfahrens beispielsweise zur Restauration von Bauteilen, Bau- und Kunstwerken aus Holz bzw. mit Holzoberfläche undenkbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Modifizierung, beispielsweise Bearbeitung , insbesondere zum Abtragen bzw. schichtweisen Abtragen, von Holzoberflächen vorzuschlagen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, das im Betrieb wesentlich kostengünstiger ist, das leicht auch in mechanische Holzbearbeitungsmaschinen integrierbar ist, und das auch zur Restauration von Bauteilen, Bau- und Kunstwerken aus Holz bzw. mit Holzoberfläche einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit einem Verfahren, wie es im Patentanspruch 1 beschrieben ist, gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 20 stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Das Verfahren zur Modifizierung von Holzoberflächen, insbesondere zum schichtweisen Abtragen von Holz auf der Holzoberfläche, wird mittels energiereicher elektromagnetischer Strahlung geführt.
Erfindungsgemäß erfolgt dabei diese Modifizierung von Holzoberflächen durch thermische Absorption. Dabei wird mit Hilfe einer leistungsstarken Energiequelle, vorzugsweise Laserquelle (z.B. C02-cw-Laser), mit der energiereiche elektromagnetische Strahlung erzeugt, gebündelt und gezielt auf die Einwirkfläche auf der Holzoberfläche gerichtet wird, so daß während einer kurzen Einwirkungszeit, vorzugsweise < 1 ms, die Holzoberfläche in einer dünnen Schicht schlagartig so stark aufgeheizt wird, daß der wesentliche Teil des so aufgeheizten Volumens ebenso schlagartig verdampft bzw. in Plasma überführt wird. Dabei wird die gegenüber der Bearbeitungsfläche kleine partielle Einwirkfläche der Energiequelle auf der Holzoberfläche kontinuierlich über diese bzw. die gewünschten Segmente oder Konturen davon geführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Abtragen der Schicht auf der Holzoberfläche, beispielsweise der Schicht mit zerstörter Holzstruktur, ein Laserablationsprozeß genutzt. Im Gegensatz zum Stand der Technik (WO 95/25621), bei dem der Abtrag durch photochemische Zersetzung (direktes Aufbrechen / Aufspalten der kovalenten Bindungen) des Materials Holz oder Holzmoleküle an der Oberfläche erfolgt, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein thermischer Prozeß durchgeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Abtrag durch thermische Absorption über die Anregung von Phononen in den unterschiedlichen Holzmolekülen und anschließendem thermischen Abtragprozeß. Dabei bewirkt die Einkopplung der Strahlung insbesondere von Laserstrahlung, ein schnelles Aufheizen der Oberfläche, das hauptsächlich zum teilweise explosionsartigen Verdampfen mit Plasmabildung führt. Voraussetzung für einen für die zurückbleibende Holzoberfläche schädigungsfreien Abtrag sind kurze Einwirkzeiten dieser Strahlung, die eine thermische Tiefenwirkung mit nachteilhaften Erscheinungen, wie partielles Schmelzen und vor allem Verkohlung verhindert. Solche kurzen Einwirkzeiten können entweder durch eine schnelle Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück und/oder durch die Anwendung von Lasern mit kurzen Impulsen realisiert werden. Die schnelle Relativbewegung kann durch schnelle Bewegung des Holzes unter einem Laserstrahl, beispielsweise cw-Laserstrahl, oder durch eine schnelle Bewegung des Laserstrahles, beispielsweise cw-Laserstrahles, über die Holzoberfläche bzw. durch eine kombinierte Bewegung erreicht werden. Die zur Anwendung kommenden Laser sollten vorzugsweise im infraroten Spektralbereich arbeiten, da dort eine hohe optische Absorption des Holzes vorhanden ist und die absorbierte Laserstrahlung zum größten Teil in thermische Energie umgewandelt wird, die zur Verdampfung genutzt wird. Die Laserstrahlung kann entsprechend dem jweiligen Anwendungsfall fokussiert oder unfokussiert sein.
Im Gegensatz zu dem in WO 95/25621 dargestellten Verfahren wird mit der erfindungsgemäßen Lösung der Abtrag durch einen thermischen Prozeß (Aufheizen, Verdampfen) hervorgerufen. Bevorzugte Laser sind deshalb C02-Laser (cw-Laser), die auch kontinuierlich arbeiten können (nicht gepulst), da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit eröffnet wird, auch im kontinuierlichen Betrieb durch schnelle Relativbewegungen die geforderten kurzen Einwirkzeiten zu realisieren und somit auch im kontinuierlichen Betrieb schädigungsfrei zu arbeiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Benutzung von C02-cw-Lasem, die mit hoher mittlerer Leistung zur Verfügung stehen, im Betrieb wesentlich billiger sind und leicht in eine mechanische Holzbearbeitungsmaschine integrierbar sind. Dadurch wird das in der Patentanmeldung WO 95/25621 beschriebene Verfahren entscheidend verbessert und eine wirtschaftliche Anwendung des Verfahrens in der Holzindustrie ermöglicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden alle genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispieles soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiel
Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Abbildung 1 skizziert. Der fokussierte Strahl eines C02-cw-Lasers 1 wird mittels eines Scannerspiegels 2 so schnell senkrecht zur Brettlängsachse über die zu bearbeitende Holzoberfläche eines Brettes 3 geführt, daß die kurzen Einwirkzeiten entstehen. Die Fokussierung des Laserstrahles erfolgt dabei durch einen Fokussierspiegel 4 so, daß die zum Abtrag erforderlichen Leistungsdichten über die gesamte Brettbreite erreicht werden. In Brettlängsrichtung erfolgt der Brettvorschub 5 mit solcher Geschwindigkeit, daß durch mehrfaches Abrastern mit dem Laserstrahl mit Spurüberlappung ein Abtrag erfolgt, der die Holzoberfläche von Resten der mechanischen Bearbeitung befreit.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen und Begriffe
1 Laserstrahl
2 Scannerspiegel
3 zu bearbeitende Holzoberfläche (Brett)
4 Fokussierspiegel
5 Brettvorschub

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Modifizierung von Holzoberflächen, insbesondere zum schichtweisen Abtragen von Holz auf der Holzoberfläche, mittels energiereicher Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Modifizierung durch thermische Ablation erfolgt, wobei mit Hilfe einer leistungsstarken Energiequelle die energiereiche Strahlung erzeugt, gebündelt und gezielt auf die Einwirkfläche auf der Holzoberfläche gerichtet und in dieser absorbiert wird, so daß während einer kurzen Einwirkzeit die Holzoberfläche in einer dünnen Schicht schlagartig so stark aufgeheizt wird, daß der wesentliche Teil des so aufgeheizten Volumens ebenso schlagartig verdampft bzw. in Plasma überführt wird, wobei die gegenüber der zu bearbeitenden Gesamtoberfläche kleine Einwirkfläche der Energiequelle auf der Holzoberfläche über diese bzw. die gewünschten Segmente oder Konturen daraus geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dad u rch g e ke n n ze ich n et, daß die thermische Absorption über die Anregung von Phononen in den unterschiedlichen Holzmolekülen und anschließenden thermischen Abtragprozeß erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der kleinen partiellen Einwirkfläche der Energiequelle über die Holzoberfläche bzw. Segmente oder Konturen daraus erfolgt, indem der Strahl der Energiequelle selbst und/oder die Holzoberfläche entsprechend bewegt werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h geke n n ze i c h n et, daß mit der leistungsstarken Energiequelle energiereiche elektromagnetische Strahlung einer solchen Wellenlänge erzeugt, gebündelt und gerichtet wird, daß sie durch die Bestandteile des Holzes sehr gut, das bedeutet in einer nur sehr dünnen Schicht bereits absorbiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dad u rch g e ke n n ze ich n et, daß die energiereiche Strahlung eine Infrarot (IR)-Strahlung ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d ad u rch g e ke n n ze i ch n et, daß die energiereiche Strahlung eine Wellenlänge λ > 5 μm aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle eine leistungsstarke IR-Quelle eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d ad u rc h g e ke n n ze i c h n et, daß die leistungsstarke IR-Quelle ein IR-Laser ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein IR-Laser mit einer Wellenlänge λ > 5 μm eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h geke n n ze ich n et, daß die Einwirkzeit der energiereichen, gebündelten und gerichteten Strahlung auf der Holzoberfläche < 1 ms ist.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die während der Einwirkzeit bereitgestellte Energie pro partieller Einwirkfläche > 0,5 Jcm"2 ist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die leistungsstarke Energiequelle eine gepulste Strahlung erzeugt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d ad u rch geken nzeich n et, daß die leistungsstarke Energiequelle ein Impulslaser ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer eines Impulses der gewünschten Einwirkzeit der Strahlung auf der Holzoberfläche entspricht.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d ad u rch g eke n n ze ich n et, daß die Impulsdauer eines Impulses < 1 ms ist.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, d a d u r c h gek e n n z e i c h n e t, daß die kontinuierliche Führung der Einwirkfläche der Strahlung auf der Holzoberfläche über diese bzw. Segmente oder Konturen davon erfolgt, indem der Energiestrahl über die Holzoberfläche und/oder die Holzoberfläche jeweils allein oder miteinander so bewegt werden, daß bei jedem Strahlungsimpuls auf der Holzoberfläche eine neue Einwirkfläche erzeugt wird, die an die vorangegangene direkt angrenzt bzw. diese so überlappt, daß sich pro Flächeneinheit eine feste Pulszahl ergibt, und während des Gesamtbearbeitungs- zeitraumes die gesamte gewünschte Holzoberfläche bzw. das Segment davon oder die Kontur mit dem Energiestrahl abgefahren wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch geke n n ze ic h n et, daß die leistungsstarke Energiequelle eine kontinuierliche Strahlung erzeugt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dad u rch g e ke n n zeich net, daß die Energiequelle ein kontinuierlich strahlender Laser (cw-Laser) ist.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Einwirkzeiten, vorzugsweise > 1 ms, auf der Holzoberfläche dadurch erreicht werden, daß der Energiestrahl ein- oder mehrmalig über die Holzoberfläche bzw. Segmente oder Konturen davon bewegt wird und/oder die Holzoberfläche selbst, bzw. falls erforderlich die Holzoberfläche entsprechend den gewünschten zu bearbeitenden Segmenten oder Konturen, bewegt werden, wobei die jeweiligen Bewegungsgeschwindigkeiten von der erforderlichen Einwirkungsdauer des Energiestrahles in der Einwirkfläche auf der Holzoberfläche bestimmt werden.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, d a d u r c h geken nzeich n et, daß als Energiequelle ein impulsförmig oder kontinuierlich strahlender C02-Laser eingesetzt wird.
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