WO2000067975A1 - Verfahren zum trennen von bauteilen oder dergleichen und druckkammerkopf zum durhführen des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum trennen von bauteilen oder dergleichen und druckkammerkopf zum durhführen des verfahrens Download PDF

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WO2000067975A1
WO2000067975A1 PCT/DE2000/001527 DE0001527W WO0067975A1 WO 2000067975 A1 WO2000067975 A1 WO 2000067975A1 DE 0001527 W DE0001527 W DE 0001527W WO 0067975 A1 WO0067975 A1 WO 0067975A1
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pressure chamber
chamber head
separation
laser
energy radiation
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Andreas Lenk
Günter Wiedemann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B23K9/013—Arc cutting, gouging, scarfing or desurfacing

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for separating / cutting components, workpieces and / or test specimens of any thickness, size and other dimensions made of concrete, stone and other mineral building materials with economically acceptable separation speeds.
  • the areas of application of the invention are in particular in the separation of concrete and stone slabs.
  • the invention can be used particularly advantageously for separating / cutting concrete slabs in the building industry, in particular in the construction or renovation of buildings, workshops, residential buildings, etc. Therefore, the invention is also ideal for the renovation of residential buildings that were built in the so-called slab construction, often called concrete slab construction.
  • JP 3081080, JP 1271085 and JP 63224891 search for suitable foci.
  • JP 60155318 by means of a directed gas jet
  • JP 62179884 by means of a sandblast
  • JP 63157778 and in JP 59194805 by means of mechanical devices.
  • a third group of patent publications includes the use of additives such as water (JP 10018612 and JP 1015296), flux (JP 63157780, JP 59194805 and US 4,227,582) or exothermic powder mixtures (JP 63056378), all of which are intended to the melt backwards, ie to drive out to the laser.
  • additives such as water (JP 10018612 and JP 1015296), flux (JP 63157780, JP 59194805 and US 4,227,582) or exothermic powder mixtures (JP 63056378), all of which are intended to the melt backwards, ie to drive out to the laser.
  • a disadvantage of all of the above methods, in which an attempt is made to cut concrete by means of a laser beam, is, however, that due to the problems mentioned (for example the problem of molten concrete or the removal of the melt from the direct processing location), laser beam cutting in comparison to the mechanical ones Concrete cutting processes are not an economical alternative due to the fact that the maximum possible maximum processing speed is too low and, moreover, they are not flexible enough, e.g. for use directly on the construction site, and are therefore not used in industry.
  • the separation process is a thermal separation process, the separation being carried out by means of high-energy radiation, preferably high-energy radiation with a power of 1 KW to 50 KW, and the Material is briefly melted on the separation seam / cutting seam during the separation process.
  • the source generating the high-energy radiation can advantageously be a laser, a plasma source and / or an arc source or a plasma torch.
  • the source generating the high-energy radiation is a laser
  • this laser has a power of 1 KW to 20 KW and it is advantageous if in this case the Nd-YAG laser used or a diode laser is used.
  • the source generating the high-energy radiation is a laser
  • the thermal separation process is carried out in such a way that the component, the workpiece and / or the test specimen at the separation point or interface along the separation seam / Cutting seam is melted on a thin, extremely narrow line and the laser radiation used has a wavelength that the material absorbs as well as possible in the solid state and reflects or transmits as well as possible in the liquid state.
  • the separation or interface lies under a pressure chamber head during the separation or cutting process.
  • the high-energy radiation is guided through the wall of the pressure chamber head through to the separation or interface, the pressure chamber head during the separation or cutting process with a process gas, the pressure in the pressure chamber of which can be varied easily and quickly in accordance with the process requirements, and so on is selected so that it does not hinder the high-energy radiation in its course, is filled.
  • a cutting channel then forms along the dividing or cutting line, along which the melt is driven out.
  • the process gas pressure in the pressure chamber head is set in the pressure chamber head in such a way that a gas flow forms which drives the melt out of the separation or cutting joint, which is also referred to as the separation or cutting channel, and in the event of the separation or cutting channel becoming blocked built up such a high pressure is that the separation or cutting channel is cleared again in the event of a blockage at the point of the current energy input.
  • the cut concrete immediately after the point of the current energy input is not tightly closed but pressure-tight. This means that immediately after the cut, the kerf is closed by a porous and glassy, irregularly solidified melt, the mechanical strength of which is so low that it is possible to remove the cut contour easily, without effort and without damaging the interface.
  • the pressure chamber head used should have facilities for the supply or discharge of the process gas (s) and for the entry of the high-energy radiation, and it should be such that the melt can be driven off.
  • the end of the pressure chamber head is placed pressure-tight on the component, the workpiece and / or the test specimen above the separation or interface, which can be achieved in that the pressure chamber head and component, workpiece and / or test specimen at least one large-area, flexible and thermally resistant sealing ring (for example one or more silicone sealing rings) is attached or is located there.
  • the high-energy radiation is laser radiation which is generated by means of an Nd-YAG laser or a diode laser
  • the Nd-YAG laser or the diode laser by means of an optical fiber are connected to the pressure chamber head.
  • the source for generating the high-energy radiation including its supply devices, such as devices for power supply and cooling, is installed in a transportable manner, for example on a container are.
  • the performance of the invention can be further improved if, in addition to the first source generating high-energy radiation, a further source generating high-energy radiation is used, the first source generating high-energy radiation, however, still determining the location of the interaction zone . It has proven to be advantageous if the energy input is realized with the combustible, exothermally reacting working gas mixture with the additional high-energy radiation source, the best results being achieved if the first high-energy radiation source is a laser (for example Nd.YAG- Laser or diode laser) and the additional energy input is realized by means of an arc discharge or by means of a plasma torch.
  • a laser for example Nd.YAG- Laser or diode laser
  • the pressure chamber head according to the invention is described in one or more of claims 23 to 30.
  • this pressure chamber head consists of a suitable and stable material, preferably metal (for example aluminum), in the pressure chamber devices for low-loss coupling of the high-energy radiation and for the inlet of the process gas are provided that the pressure chamber head an opening for Has workpiece, component and / or test specimen so that the high-energy radiation with the necessary, preferably undiminished, power density reaches the workpiece, the component and / or the test specimen in such a way that the volume of the pressure chamber is optimized (in average / typical application this is Volume of the pressure chamber approx.
  • metal for example aluminum
  • 1 liter is that in the case of a Blockage of the cutting channel an effective overpressure, which is sufficient to open the cutting channel again, can build up in a relatively short time, preferably ⁇ 1 s, that the pressure chamber head is movable towards the surface of the component, the workpiece and / or the test specimen and that Pressure chamber head to the workpiece, component and / or specimen surface has at least one seal with which the pressure tightness and mobility of the pressure chamber head are guaranteed at the same time, which is preferably achieved with at least one large-area, flexible and thermally resistant sealing ring. The best results were achieved when at least one silicone sealing ring is used as the seal.
  • the device for low-loss coupling of the laser radiation is a window, for example glass (BK7) coated with an anti-reflective coating, wherein the focusing of the laser beam can take place inside or outside the pressure chamber head .
  • the basic idea of the solution according to the invention was to eliminate or remove the disadvantages of the prior art, in particular when using the renovation of residential buildings which were built in concrete slab construction and in which a new cut of the apartments is required, for cutting or separating with a special cutting head, which is also called pressure chamber head in the text.
  • Nd-YAG lasers and / or diode lasers have proven to be particularly favorable as lasers to be used.
  • Diode lasers and / or an Nd-YAG laser were selected as particularly preferred for use in the following three reasons:
  • the laser beam of an Nd-YAG laser or a diode laser can be coupled into a flexible optical fiber and passed on over 100 m and more without major losses. This allows the laser and other pe ⁇ phere assemblies (e.g. cooling the laser) outside the respective residential building, To be placed in a transportable container, for example.
  • diode-pumped Nd-YAG lasers and diode lasers in the multi-kW range will be available, which are characterized by a very high degree of efficiency and a compact design. Both are very important, in particular for the construction of a mobile and construction site-compatible system.
  • the main problem with laser beam cutting of mineral or building materials is that it is not possible here, as for example with laser beam flame cutting of metals, to use an exothermic reaction to support the cutting process with the help of a process gas. Cutting required that an inert process gas drive off the melt.
  • the laser beam cutting of materials differs from the laser beam cutting of metals in that mineral materials tend to increase their volume noticeably during melting, and larger volumes have to be driven out due to the material thickness> 70 mm to be separated Furthermore, the temperature required to achieve a sufficiently viscous melt is far higher than that of metals in the case of mineral materials or building materials. The melt of mineral materials or building materials therefore tends very quickly to return to a glassy, porous and low-strength mass to freeze
  • This pressure chamber head essentially consists of a pressure-tight volume, the size of which results from the technical boundary conditions and which is partially limited by the component, the workpiece and / or the test specimen.
  • a window for the laser must be provided in the pressure chamber head in such a way that the laser can irradiate precisely the surface of the workpiece, which also closes the volume mentioned
  • Said volume must further have a gas port through which the volume can be set by means of the process gas under overpressure While ⁇ the cutting process may then, the process gas through the kerf exit again sets the cutting channel, is during the cutting process with melt in the volume a Overpressure built up, which in the area of the laser action or in the area of the momentary energy input throws a part of the melt out of the joint (pressure chamber). This effect, which was surprisingly found, also avoids unnecessary cooling of the melting zone.
  • a pressure chamber head (1) which has a volume of approximately 700 cm 3 , 70 mm thick concrete (7) was achieved with a feed rate of up to 25 mm / min separate.
  • the feed direction (4) was directed vertically downwards.
  • An Nd-YAG laser was used.
  • the laser power was 2.7 kW and the gas pressure at the inlet (2) was 5 bar (air).
  • the laser was connected to the processing head (8) by an optical fiber (0.4 mm).
  • the focal length of the machining head (8) was 600 mm.
  • the laser beam (3) passes through an antireflection-coated glass window (6) into the pressure chamber head (1) and was focused on the surface of the concrete (7).
  • the pressure chamber head was provided with a rubber seal (5), the outside diameter of which was 60 mm and the inside diameter of 20 mm.
  • the concrete could be separated smoothly and without affecting the quality of the cut.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen/Schneiden von Bauteilen, Werkstücken und/oder Probekörpern beliebiger Dicken, Größe und weiterer Abmessungen aus Beton, werkstein und anderen mineralischen Baustoffen. Sie ist bevorzugt im Bauwesen, beispielsweise bei der Sanierung von Gebäuden, Werkhallen und Wohnhäusern, bevorzugt beim Trennen von Beton- und Steinplatten einsetzbar. Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Trennen/Schneiden von Bauteilen, Werkstücken und/oder Probekörpern dadurch gekennzeichnet, daß der Trennprozeß ein thermischer Trennprozeß ist, wobei die Trennung mittels energiereicher Strahlung (3) erfolgt und der Werkstoff beim Trennprozeß an der Trennungsnaht/Schneidnaht kurzzeitig aufgeschmolzen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, bei der insbesondere ein erfindungsgemäß entsprechend konzipierter Druckkammerkopf (1) zum Einsatz gelangt.

Description

VERFAHREN ZUMTRENNENVON BAUTEILEN ODERDERGLEICHENUND DRUCKKAMMERKOPF ZUMDURHFÜHRENDESVERFAHREN
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen/Schneiden von Bauteilen, Werkstücken und/oder Probekörpern beliebiger Dicke, Größe und weiterer Abmessungen aus Beton, Werkstein und anderen mineralischen Baustoffen mit wirtschaftlich vertretbaren Trenngeschwindigkeiten. Die Anwendungsgebiete der Erfindung liegen insbesondere im.Trennen von Beton- und Steinplatten. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung zum Trennen/Schneiden von Betonplatten im Bauwesen, insbesondere beim Bau oder der Sanierung von Gebäuden, Werkhallen, Wohnhäusern usw., einsetzbar. Deshalb ist die Erfindung auch bestens bei der Sanierung von Wohngebäuden, die in der sogenannten Plattenbauweise, oft auch Betonplatten- Bauweise genannt, gebaut wurden, einsetzbar.
Das Trennen von Beton und Stein wird gegenwärtig nahezu ausschließlich durch mechanische Verfahren , wie zum Beispiel Diamantsäge, Bohrkronen, Trennschleifen u.a., realisiert.
Vereinzelt wird auch das Thermische Trennen von Beton angewendet. Dazu wird die sogenannte Sauerstofflanze oder ein Plasmabrenner eingesetzt (siehe hierzu US 5,532,449 und US 5,773,785)
In einigen Veröffentlichungen wird diesbezüglich auch die Frage des Laserstrahl- Schneiden von Beton diskutiert, wobei die Lasertechnik bisher im Bereich der mineralischen Baustoffen nur sehr vereinzelt (zum Beispiel Rutschhemmung von Fußbodenplatten und Laserreinigen in der Denkmalpflege) Anwendung gefunden hat.
Das Problem des Laserstrahl-Schneiden von Beton wird in einigen japanischen Patentveröffentlichungen diskutiert, wobei sich als großes Problem heraustellte, daß der Beton beim Schneiden mittels Laserstrahl schmilzt. So wird beispielsweise in JP 3081080, JP 1271085 und JP 63224891 nach geeigneten Fokussierungen gesucht.
Andere japanische Patentveröffentlichungen befassen sich mit einem geeigneten Austrieb der Schmelze. So erfolgt das Austreiben der Schmelze in JP 60155318 mittels eines gerichteten Gasstrahls, in JP 62179884 mittels eines Sandstrahls und in JP 63157778 und in JP 59194805 mittels mechanischer Einrichtungen.
Eine dritte Gruppe von Patentveröffentlichungen beinhaltet die Verwendung von Zusätzen, wie beispielsweise Wasser (JP 10018612 und JP 1015296), Flußmittel (JP 63157780, JP 59194805 und US 4,227,582) oder exotherm reagierenden Pulvermischungen (JP 63056378), wobei bei allen diesen Verfahrensweisen beabsichtigt ist, die Schmelze nach hinten, d.h. zum Laser hin auszutreiben. Das hat jedoch zur Folge, daß mit diesen Verfahren ein vollständiges Durchtrennen/Durchschneiden des Beton nicht angestrebt werden kann.
Nachteilig bei allen oben genannten Verfahren, bei denen versucht wird, Beton mittels Laserstrahl zu schneiden ist aber, daß aufgrund der angesprochenen Probleme (beispielsweise Problem des geschmolzenen Betons bzw. des entfernen der Schmelze vom direkten Bearbeitungsort) das Laserstrahl-Schneiden im Vergleich zu den mechanischen Betonschneidverfahren auf Grund der viel zu geringen maximal möglichen Bearbeitungsgeschwindigkeit keine wirtschaftliche Alternative darstellt, außerdem zu wenig flexibel, beispielsweise für einen Einsatz direkt auf der Baustelle, ist und somit in der Industrie keine Anwendung findet.
Die oben angesprochenen mechanischen Verfahren haben allerdings den großen Nachteil, daß bei ihrem Einsatz durch große Staubentwicklung und den bei der Bearbeitung entstehenden Lärm sowohl die Umwelt als auch der Mensch, der das Verfahren durchführt sehr stark belastet sind und sogar Gesundheitsschädigungen nicht auszuschließen sind. Beispielsweise ist es im Rahmen der Sanierung von Wohngebäuden, die in Betonplatten-Bauweise gebaut wurden, oft notwendig, den Zuschnitt der Wohnungen zu verändern. Das mit einem Neuzuschnitt der Wohnungen sehr oft verbundene mechanische Sägen neuer Fenster- und Türöffnungen in nichttragende Wände ist allerdings bei Einsatz der angesprochenen mechanischen Verfahren mit einer sehr starken Lärm- und Staubemission verbunden und es entsteht durch den bei diesen Verfahren notwendigen Kühlwassereinsatz eine beträchtliche Durchfeuchtung des gesamten Gebäudes. All diese Umstände erzwingen für die Durchführung der baulichen Maßnahmen den vollständigen Leerzug des Wohngebäudes für einen längeren Zeitraum, der weitere hohe Kosten verursacht.
Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen mit denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit welchem Beton, Werkstein und andere mineralische Baustoffe umweit- und gesundheitsfreundlich und zudem mindestens so wirtschaftlich, wie mechanische Verfahren, geschnitten/getrennt werden kann.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art vorzuschlagen, das geräuscharm ist und wasserfrei (ohne separate Kühlwasserzufuhr) durchgeführt werden kann und das somit auch zum Schneiden und Trennen von Bauteilen, Werkstücken und/oder Probekörpern aus Beton, Werkstein und anderen mineralischen Werk- bzw. Baustoffen direkt in Gebäuden, beispielsweise bei der Gebäudesanierung, geeignet ist, wobei der Leerzug des Gebäudes bei Durchführung des Verfahrens nicht zwingend notwendig ist.
Darüber hinaus ist es noch Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, anzugeben.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben betreffend das Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 22 und betreffend die Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 23 bis 30 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Trennen/Schneiden von Bauteilen, Werkstücken und/oder Probekorpem ist der Trennprozeß ein thermischer Trennprozeß, wobei die Trennung mittels energiereicher Strahlung, vorzugsweise energiereiche Strahlung mit einer Leistung von 1 KW bis 50 KW, erfolgt, und der Werkstoff beim Trennprozeß an der Trennungsnaht/Schneidnaht kurzzeitig aufgeschmolzen wird.
Die die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle kann dabei je nach Anwendungsfall vorteilhafterweise ein Laser, eine Plasmaquelle und/oder eine Bogenquelle oder ein Plasmabrenner sein.
Ist die die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle ein Laser so ist es von Vorteil, wenn dieser Laser eine Leistung von 1 KW bis 20 KW hat und es ist günstig, wenn in diesem Fall dann der eingesetzte ein Nd-YAG-Laser oder ein Diodenlaser ist.
Für den Fall, daß die die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle ein Laser ist, ist- es weiterhin von Vorteil, wenn der thermische Trennprozeß so erfolgt, daß das Bauteil, das Werkstück und/oder der Probekörper an der Trennungsstelle bzw. Schnittstelle entlang der Trennungsnaht/Schneidnaht auf einer dünnen, äußerst schmalen Linie aufgeschmolzen wird und die eingesetzte Laserstrahlung eine Wellenlänge besitzt, die der Werkstoff in festem Zustand möglichst gut absorbiert und in flüssigem Zustand möglichst gut reflektiert oder transmittiert.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Trennungs- bzw. Schnittstelle während des Trennbzw Schneidprozesses unter einem Druckkammerkopf liegt. Die energiereiche Strahlung wird dabei durch die Wandung des Druckkammerkopfes hindurch auf die Trennungs- bzw. Schnittstelle geführt, wobei der Druckkammerkopf während des Trenn- bzw. Schneidprozesses mit einem Prozeßgas, dessen Druck in der Druckkammer entsprechend der Prozeßerfordernisse leicht und schnell variierbar ist und das so ausgewählt ist, daß es die energiereiche Strahlung in ihrem Gang nicht behindert, gefüllt ist. An der Trennungs- bzw. Schnittlinie bildet sich dann ein Schneidkanal, entlang dessen die Schmelze ausgetrieben wird. Der Prozeßgasdruck im Druckkammerkopf wird im Druckkammerkopf so eingestellt, daß sich eine Gasströmung ausbildet, die die Schmelze aus der Trenn- bzw. Schneidfuge, die auch als Trennungs- bzw. Schneidkanal bezeichnet wird, austreibt und im Falle der Verstopfung des Trennungs- bzw. Schneidkanals ein so hoher Überdruck aufgebaut wird, daß der Trennungs- bzw. Schneidkanal im Falle einer Verstopfung an der Stelle des momentanen Energieeintrages wieder freigedrückt wird. Es hat sich an dieser Stelle als wesentlich herausgestellt und es sei deshalb auch besonders darauf hingewiesen, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der geschnittene Beton unmittelbar hinter der Stelle des momentanen Energieeintrages nicht fest aber druckdicht verschlossen ist. Das heißt, daß unmittelbar nach dem Schnitt die Schnittfuge durch eine poröse und glasig unregelmäßig erstarrte Schmelze verschlossen ist, deren mechanische Festigkeit so gering ist, daß das Herausnehmen der geschnittenen Kontur problemlos, ohne Aufwand und ohne Schädigung der Schnittstelle möglich ist.
Bei der Verfahrensdurchführung sollte der eingesetzte Druckkammerkopf Einrichtungen für die Zu- bzw. Ableitung des/der Prozeßgase und für den Eintritt der energiereichen Strahlung aufweisen und er sollte so beschaffen sein, daß die Schmelze ausgetrieben werden kann. Darüber hinaus ist es sehr vorteilhaft wenn der Druckkammerkopf mit seinem Abschluß über der Trennungs- bzw. Schnittstelle druckdicht auf das Bauteil, das Werkstück und/oder den Probekörper aufgesetzt wird, was dadurch erreicht werden kann, daß sich zwischen Druckkammerkopf und Bauteil, Werkstück und/oder Probekörper mindestens ein großflächiger, flexibler und thermisch beständiger Dichtring (beispielsweise ein oder mehrere Silicon-Dichtringe) angebracht ist bzw. sich dort befindet.
Zur Verfahrensdurchführung hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, daß für den Fall, daß die energiereiche Strahlung eine Laserstrahlung ist, die mittels eines Nd- YAG-Laser oder eines Diodenlaser erzeugt wird, der Nd-YAG-Laser oder der Diodenlaser mittels einer Lichtleitfaser mit dem Druckkammerkopf verbunden sind.
Es hat sich weiterhin bei der Verfahrensdurchführung zur besseren Beherrschung des Schmelzenaustriebes als vorteilhaft erwiesen, wenn die Oberflächenspannung der Schmelze reduziert und/oder die Schmelztemperatur abgesenkt wird, was dadurch erreicht werden kann, indem der Schmelze ein Flußmittel beigegeben wird. Je nach Anwendungsfall ist es vorteilhaft, wenn dieses Flußmittel während der Durchführung des Trennungs- bzw. Schneidprozesses oder vor Beginn des Trennungs- bzw. Schneidprozesses auf die entsprechende Trennungs- bzw. Schnittstelle zugeführt bzw. aufgebracht wird.
Zur Erhöhung der Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des Einsatzes und der Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens ist es sehr vorteilhaft, wenn die Quelle zur Erzeugung der energiereichen Strahlung einschließlich ihrer Versorgungseinrichtungen, wie beispielsweise Einrichtungen zur Stromversorgung und zur Kühlung, transportabel, beispielsweise auf einem Container, installiert sind.
Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen weiter verbessert werden kann, wenn zusätzlich zu der ersten die energiereiche Strahlung erzeugenden Quelle eine weitere energiereiche Strahlung erzeugende Quelle eingesetzt wird, wobei die erste die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle allerdings weiterhin die Lokalisierung der Wechselwirkungszone bestimmt. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn mit der zusätzlichen energiereiche Strahlung erzeugenden Quelle der Energieeintrag mittels eines brennbaren, exotherm reagierenden Arbeitsgasgemisches realisiert wird, wobei die besten Ergebnisse erzielt wurden, wenn die erste energiereiche Strahlung erzeugende Quell ein Laser (beispielsweise Nd.YAG-Laser oder Diodenlaser) ist und der zusätzliche Energieeintrag mittels einer Bogenentladung oder mittels eines Plasmabrenners realisiert wird.
Der erfindungsgemäße Druckkammerkopf ist in einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 30 beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Druckkammerkopf ist besonders hervorzuheben, daß dieser Druckkammerkopf aus geeignetem und stabilem Material, vorzugsweise Metall (zum Beispiel Aluminium) besteht, in der Druckkammer Einrichtungen zur verlustarmen Einkopplung der energiereichen Strahlung und zum Einlaß des Prozeßgases vorgesehen sind, daß der Druckkammerkopf eine Öffnung zum Werkstück, Bauteil und/oder Probekörper hin aufweist, damit die energiereiche Strahlung mit der notwendigen, vorzugsweise unverminderten, Leistungsdichte auf das Werkstück, das Bauteil und/oder den Probekörper gelangt, daß das Volumen der Druckkammer dahingehend optimiert (im durchschnittlichen/typischen Anwendungsfall beträgt das Volumen der Druckkammer ca. 1 Liter) ist, daß sich im Falle einer Verstopfung des Schneidkanals ein wirkungsvoller Überdruck, der ausreicht, den Schneidkanal wieder zu öffnen, in relativ kurzer Zeit, vorzugsweise < 1 s, aufbauen kann, daß der Druckkammerkopf zur Oberfläche des Bauteils, des Werkstücks und/oder des Probekörpers hin beweglich ist und daß der Druckkammerkopf zur Werkstück-, Bauteil- und/oder Probekörperoberfläche hin mindestens eine Dichtung aufweist, mit der die Druckdichtheit und Beweglichkeit des Druckkammerkopfes gleichzeitig gewährleistet sind, was vorzugsweise mit mindestens einem großflächigen, flexiblen und Thermisch beständigen Dichtring erreicht wird. Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn als Dichtung mindestens ein Silicon-Dichtring eingesetzt wird.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß es für den, daß die energiereiche Strahlung Laserstrahlung vorteilhaft ist, wenn die Einrichtung zum verlustarmen Einkoppeln der Laserstrahlung ein Fenster ist, beispielsweise Glas (BK7) antireflexbeschichtet, wobei die Fokussierung des Laserstrahls innerhalb oder außerhalb des Druckkammerkopfes erfolgen kann.
Die Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung bestand darin, zur Beseitigung der Nachteile des Standes der Technik, insbesondere beim Anwendungsfall der Sanierung von Wohngebäuden, die in Betonplatten-Bauweise gebaut wurden und bei denen ein Neuzuschnitt der Wohnungen erforderlich ist, zum Schneiden bzw. Trennen einen Laserstrahlung zusammen mit einem speziellen Schneidkopf, der im Text auch Druckkammerkopf genannt wird, einzusetzen.
Als einzusetzende Laser haben sich Nd-YAG-Laser und/oder Diodenlaser als besonders günstig herausgestellt.
Als besonders bevorzugt für den Einsatz beim erfindungsgemäßen Verfahren wurden Diodenlaser und/oder eines Nd-YAG-Laser im wesentlichen aus folgenden drei Gründen ausgewählt:
1 . Die Wellenlänge dieser Laser wird vom Beton ausreichend gut absorbiert. Die Betonschmelze ist jedoch noch weitgehend transparent für die Laserstrahlung. Ein Verdampfen der Betonschmelze kann dadurch weitgehend vermieden werden. Die Beschrankung auf den Schmelzprozeß gewährleistet eine hohe energetische Effizienz des Schneidprozesses bei gleichzeitig geringer Belastung durch Sublimationsprodukte
2 Den Laserstrahl eines Nd-YAG-Lasers oder eines Diodenlasers kann man in eine flexible Lichtleitfaser einkoppeln und ohne größere Verluste über 100 m und mehr weiterleiten Dies erlaubt es, den Laser und andere peπphere Baugruppen (beispielsweise Kühlung des Lasers) außerhalb des jeweiligen Wohngebaudes, beispielsweise in einem transportablen Container zu stationieren Ähnliches gilt auch für den Diodenlaser
3 In naher Zukunft werden diodengepumpte Nd-YAG-Laser und Diodenlaser im Multi- kW-Bereich zur Verfugung stehen, die sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine kompakte Bauweise auszeichnen Beides ist insbesondere für den Aufbau einer mobilen und baustellentauglichen Anlage sehr wichtig.
Das wesentliche Problem beim Laserstrahl-Schneiden mineralischer Werk- bzw Baustoffe besteht dann, daß es hier nicht, wie beispielsweise beim Laserstrahl- Brennschneiden von Metallen, möglich ist, mit Hilfe eines Prozeßgases eine exotherme Reaktion zur Unterstützung des Schneidprozesses zu nutzen Es ist beim Laserstrahl-Schneiden erforderlich, daß ein inertes Prozeßgas die Schmelze austreibt.
Das Laserstrahl-Schneiden von Werk- bzw. Baustoffen unterscheidet sich vom Laserstrahl-Schneiden von Metallen außerdem dadurch, daß mineralische Werkbzw Baustoffe dazu neigen, ihr Volumen beim Schmelzen merklich zu vergrößern, und durch die zu trennende Matenaldicke > 70 mm prinzipiell größere Volumina auszutreiben sind Des weiteren liegt die erforderliche Temperatur, um eine ausreichend Viskose Schmelze zu erreichen, bei mineralischen Werk- bzw Baustoffen weit über der von Metallen Die Schmelze mineralischer Werk- bzw Baustoffe neigt deshalb dazu, sehr schnell wieder zu einer glasigen, porigen und wenig Festigkeit aufweisenden Masse zu erstarren
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß mit dem bei der erfindungsgemaßen Losung vorgesehenen Einsatz des Druckkammerkopfes diese oben angesprochenen Schwierigkeiten überwunden werden können Dieser Druckkammerkopf besteht im wesentlichen aus einem druckdichten Volumen, dessen Große sich aus den technischen Randbedingungen ergibt und das teilweise durch das Bauteil, das Werkstuck und/oder den Probekorper begrenzt wird.
Außerdem muß beim Druckkammerkopf ein Fenster für den Laser derart vorgesehen sein, daß der Laser genau die Flache des Werkstuckes bestrahlen kann, die auch das genannte Volumen abschließt
Das genannte Volumen muß ferner einen Gasanschluß besitzen, durch den das Volumen mittels des Prozeßgases unter Überdruck gesetzt werden kann Wahrend ~~ des Schneidvorganges kann dann das Prozeßgas durch die Schnittfuge wieder austreten Setzt sich der Schneidkanal wahrend des Schneidvorganges mit Schmelze zu, wird im Volumen ein Überdruck aufgebaut, der im Bereich der Lasereinwirkuπg bzw im Bereich des momentanen Energieeintrages einen Teil der Schmelze aus der Fuge schleudert (Druckkammer) Durch diesen überraschend gefundenen Effekt wird auch eine unnötige Kühlung der Schmelzzone vermieden.
Mit der hier dargestellten erfindungsgemaßen Losung konnten sämtliche Nachteile des Standes der Technik überwunden werden
Die erfindungsgemaße Losung soll an nachfolgendem Ausfuhrungsbeispiel naher beschrieben werden
Die beigefugte Abbildung skizziert hierbei den schematischen Aufbau des Druckkammerkopfes
Ausführungsbeispiel
Mit einem Druckkammerkopf (1 ), der ein Volumen von zirka 700 cm3 hat, gelang es 70 mm dicken Beton (7) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu 25 mm/min zu trennen. Die Vorschubrichtung (4) war vertikal abwärts gerichtet. Es wurde ein Nd- YAG-Laser eingesetzt. Die Laserleistung betrug 2,7 kW und der Gasdruck am Einlaß (2) war 5 bar (luft). Der Laser war mit dem Bearbeitungskopf (8) durch eine Lichtleitfaser (0 0,4 mm) verbunden. Die Brennweite des Bearbeitungskopfes (8) betrug 600 mm. Der Laserstrahl (3) tritt durch ein antireflexbeschichtetes Glasfenster (6) in den Druckkammerkopf (1 ) und war auf die Oberfläche des Betons (7) fokussiert. Der Druckkammerkopf war mit einer Gummidichtung (5), deren Außendurchmesser 60 mm und deren Innendurchmesser 20 mm betrug, versehen.
Mit der hier beschriebenen Anwendung konnte der Beton glatt und ohne Beeinträchtigung der Qualität des Schnittes getrennt werden.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen und Begriffe
1 - Druckkammerkopf
2 - Einlaß Druckluft/Prozeßgas
3 - Laserstrahl
4 - Vorschubrichtung
5 - Dichtung/Dichtring
6 - Laserstrahleintrittsfenster
7 - Bauteil aus Beton
8 - Bearbeitungskopf

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen/Schneiden von Bauteilen, Werkstücken und/oder Probekörpern beliebiger Dicke, Größe und weiterer Abmessungen aus Beton, Werkstein und anderen mineralischen Baustoffen mit wirtschaftlich vertretbaren TrenngeschwindigkeitenPatentansprüche
1 Verfahren zum Trennen/Schneiden von Bauteilen, Werkstucken und/oder Probekorpem beliebiger Dicke, Große und weiterer Abmessungen aus Beton, Werkstein und anderen mineralischen Baustoffen mit wirtschaftlichen Trenngeschwindigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennprozeß ein thermischer Trennprozeß ist, wobei die Trennung mittels energiereicher Strahlung erfolgt und der Werkstoff beim Trennprozeß an der Trennungsnaht/Schneidnaht kurzzeitig aufgeschmolzen wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte energiereiche Strahlung eine Leistung von 1 KW bis 50 KW aufweist.
3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle ein Laser ist
4 Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Laserstrahlung erzeugende Laser eine Leistung von 1 KW bis 20 KW hat.
5 Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Laser ein Nd-YAG-Laser oder ein Diodenlaser ist.
6 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle eine Plasmaquelle ist
7 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle eine Bogenquelle oder ein Plasmabrenner ist
8 Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Trenπprozeß so erfolgt, daß das Bauteil, das Werkstück und/oder der Probekörper an der Trennungsstelle bzw. Schnittstelle entlang der Trennungsnaht/Schneidnaht auf einer dünnen, äußerst schmalen Linie aufgeschmolzen wird und die eingesetzte Laserstrahlung eine Wellenlänge besitzt.die der Werkstoff in festem Zustand möglichst gut absorbiert und in flüssigem Zustand möglichst gut reflektiert oder transmittiert.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennungs- bzw. Schnittstelle während des Trenn- bzw. Schneidprozesses unter einem Druckkammerkopf liegt, durch dessen Wandung die energiereiche Strahlung hindurch auf die Trennungs- bzw. Schnittstelle geführt wird, wobei der Druckkammerkopf während des Trenn- bzw. Schneidprozesses mit einem Prozeßgas, dessen Druck in der Druckkammer entsprechend der Prozeßerfordernisse leicht und schnell variierbar ist und das so ausgewählt ist, daß es die energiereiche Strahlung in ihrem Gang nicht behindert, gefüllt ist, daß sich an der Trennungs- bzw. Schnittlinie ein Schneidkanal bildet, entlang dessen die Schmelze ausgetrieben wird und der Prozeßgasgasdruck im Druckkammerkopf so eingestellt ist, daß sich eine Gasströmung ausbildet, die die Schmelze aus der Trenn- bzw. Schneidfuge, die auch als Trennungs- bzw. Schneidkanal bezeichnet wird, austreibt und im Falle der Verstopfung des Trennungs- bzw. Schneidkanals ein so hoher Überdruck aufgebaut wird, daß der Trennungs- bzw. Schneidkanal im Falle einer Verstopfung an der Stelle des momentanen Energieeintrages wieder freigedrückt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Druckkammerkopf Einrichtungen für den Eintritt der energiereichen Strahlung und Einrichtungen für die Zu- bzw. Ableitung des/der Prozeßgase aufweist, daß der Druckkammerkopf so beschaffen ist, daß die Schmelze ausgetrieben werden kann und daß der Druckkammerkopf mit seinem Abschluß, über der Trennungs- bzw. Schnittstelle druckdicht auf das Bauteil, das Werkstück und/oder den Probekörper aufgesetzt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdichtheit mit der der Druckkammerkopf aufgesetzt wird dadurch erreicht wird, daß sich zwischen Druckkammerkopf und Bauteil, Werkstück und/oder Probekörper mindestens ein großflächiger, flexibler und thermisch beständiger Dichtring angebracht ist bzw. sich eben dort befindet.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der eine oder die mehreren eingesetzten Dichtringe Silicon-Dichtringe sind.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die energiereiche Strahlung eine Laserstrahlung ist, die mittels eines Nd-YAG-Laser oder eines Diodenlasers erzeugt wird, der Nd-YAG-Laser oder der Diodenlaser mittels einer Lichtleitfaser mit dem Druckkammerkopf verbunden ist.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Beherrschung des Schmelzenaustriebes die Oberflächenspannung der Schmelze reduziert und/oder die Schmelztemperatur abgesenkt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenspannung der Schmelze reduziert und die Schmelztemperatur abgesenkt wird, indem der Schmelze ein Flußmittel beigegeben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel während der Durchführung des Trennungs- bzw. Schneidprozesses zugeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel bereits vor Beginn des Trennungs- bzw. Schneidprozesses auf die entsprechende Trennungs- bzw. Schnittstelle aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle zur Erzeugung der energiereichen Strahlung einschließlich ihrer Versorgungseinrichtungen, wie beispielsweise Einrichtungen zur Stromversorgung und zur Kühlung, transportabel installiert ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Quelle zur Erzeugung der energiereichen Strahlung auf einem Container installiert ist.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Verfahrens zusätzlich zu der ersten die energiereiche Strahlung erzeugenden Quelle eine weitere energiereiche Strahlung erzeugende Quelle eingesetzt wird, wobei die erste die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle allerdings weiterhin die Lokalisierung der Wechselwirkungszone bestimmt.
21 . Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mit der zusätzlichen energiereiche Strahlung erzeugenden Quelle der Energieeintrag mittels eines brennbaren, exotherm reagierenden Arbeitsgasgemisches realisiert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die erste die energiereiche Strahlung erzeugende Quelle ein Laser , beispielsweise Nd- YAG-Laser oder Diodenlaser, ist und der zusätzliche Energieeintrag mittels einer Bogenentladung oder mittels eines Plasmabrenners realisiert wird.
23. Druckkammerkopf zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkammerkopf aus geeignetem und stabilem Material besteht, in der Druckkammer Einrichtungen zur verlustarmen Einkoppelung der energiereichen Strahlung und zum Einlaß des Prozeßgases vorgesehen sind, daß der Druckkammerkopf eine Öffnung zum Werkstück, Bauteil und/oder Probekörper hin aufweist, damit die energiereiche Strahlung mit der notwendigen, vorzugsweise unverminderten, Leistungsdichte auf das Werkstück, das Bauteil und/oder den Probekörper gelangt, daß das Volumen der Druckkammer dahingehend optimiert ist, daß sich im Falle einer Verstopfung des Schneidkanals ein wirkungsvoller Überdruck, der ausreicht, den Schneidkanal wieder zu öffnen, in relativ kurzer Zeit aufbauen kann, daß der Druckkammerkopf zur Oberfläche des Bauteils, des Werkstücks und/oder des Probekörpers hin beweglich ist und daß der Druckkammerkopf zur Werkstückoberfläche, Bauteiloberfläche und/oder Probekörperoberfläche hin mindestens eine Dichtung aufweist, mit der die Druckdichtheit und Beweglichkeit des Druckkammerkopfes gleichzeitig gewährleistet sind.
24. Druckkammerkopf nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das geeignete stabile Material, aus dem der Druckkammerkopf besteht, Metall, beispielsweise Aluminium ist.
25. Druckkammerkopf nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Druckkammer im durchschnittlichen/typischen Anwenduπgsfall ca. 1 Liter bertägt.
26. Druckkammerkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche von 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Falle einer Verstopfung ein wirkungsvoller Überdruck in < 1s aufbaut.
27. Druckkammerkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche von 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus mindestens einem großflächigem, flexiblen und thermisch beständigen Dichtring besteht.
28. Druckkammerkopf nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß Silicon- Dichtringe eingesetzt werden.
29. Druckkammerkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche von 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle, daß die energiereiche Strahlung Laserstrahlung ist, die Einrichtung zum verlustarmen Einkoppeln der Laserstrahlung ein Fenster ist, wobei die Fokussierung des Laserstrahles innerhalb oder außerhalb des Druckkammerkopfes erfolgen kann.
30. Druckkammerkopf nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster aus Glas BK7 antireflexbeschichtet besteht.
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