WO2013064321A1 - Verfahren zum rückstandslosen abtragen von mineralischen baumaterialien und werkzeugmaschine - Google Patents

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WO2013064321A1 PCT/EP2012/069508 EP2012069508W WO2013064321A1 WO 2013064321 A1 WO2013064321 A1 WO 2013064321A1 EP 2012069508 W EP2012069508 W EP 2012069508W WO 2013064321 A1 WO2013064321 A1 WO 2013064321A1
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fluence
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Nikolaus Hannoschoeck
Serhey Khandozhko
Günter SANCHEN
Klaus Stolberg
Susanna FRIEDEL
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials

Definitions

  • the present invention relates to a method of cutting or drilling mineral building materials, such as concrete.
  • a method is known, for example, from JP2007230230A2.
  • a laser beam with a power of 5kW melts the concrete locally.
  • the solidifying melt is very brittle and is subsequently knocked off.
  • the method is only slightly suitable for building materials.
  • the problem is the brittle residues, which endanger, for example, a secure anchoring a dowel in a borehole.
  • the effort for a thorough cleaning is very high.
  • the cut edges and drill edges after cleaning are insufficiently defined for later anchoring other elements, such as the dowel.
  • the inventive method for residue-free removal of mineral building materials includes the steps: A workpiece made of a mineral building material is irradiated with a laser beam for generating a laser spot on the surface of the workpiece. An airflow is directed to the laser spot. A fluence of the laser spot is set to a first fluence in the range between 0.2 megawatt per square centimeter (hereafter abbreviated to MW / cm 2 ) and 1 MW / cm 2 . Increasing the fluence of the laser spot to a second fluence of at least 1 gigawatt per square centimeter (abbreviated to GW / cm 2 ) if the surface in the region of the laser spot contains a material other than a cement matrix.
  • MW / cm 2 0.2 megawatt per square centimeter
  • GW / cm 2 gigawatt per square centimeter
  • the other materials are aggregates such as sand, rock and also materials for increasing the strength such as reinforcing steel.
  • the second fluence is sufficient to ablate almost all materials of the concrete by ablation.
  • the materials should be transferred in theory abruptly directly into the gas phase. Condensation near the cutting or drilling point should prevent an air jet. Nevertheless, glassy residues arise at the cut surfaces. It was recognized that a low fluence specifically for the cement matrix avoids the formation of vitreous residues.
  • the proportion of aggregates should be within the light spot at least 50%, preferably 90% before the fluence is raised to the second value range.
  • light not only designates the visible spectral range of electromagnetic radiation, but also simplifies the term ultraviolet and infrared radiation.
  • a laser is not to be understood as a coherent source of visible electromagnetic radiation but as defined above.
  • the fluence is set between 2 GW / cm 2 and 10 GW / cm 2 if the surface contains iron, granite or limestone in the region of the laser spot.
  • the fluence is preferably reset to the first fluence value when the laser spot falls on a predominantly cementitious matrix area.
  • the fluence can be adjusted between 10 GW / cm 2 and 30 GW / cm 2 if the surface contains quartzite in the area of the laser spot.
  • An ablation rate of the surface can be determined within the laser fluence with the first fluence, and if the ablation rate exceeds a threshold, the material in the region of the laser spot is determined as a cement matrix. Otherwise, if the removal rate is below the threshold, the material in the region of the laser spot is determined to be the other material.
  • the removal rate can be used as a distinguishing feature for the materials.
  • the removal rate can be determined by measuring a depression of the surface in the region of the laser spot.
  • a composition of the surface can be determined in the region of the laser spot by means of a camera and an image evaluation.
  • a machine tool for removing mineral building materials has a laser light source for generating a laser spot on a surface of a workpiece.
  • a sensor is provided for identifying a material in the region of the laser spot.
  • a controller configured to set a fluence in the laser spot to a range between 0.2 MW / cm 2 and 1 MW / cm 2 and, if the material contains material other than cement matrix, to increase the fluence to at least 1 GW / cm 2 .
  • Fig. 1 is a hand tool
  • Fig. 1 shows schematically a hand tool 1 when drilling a hole in a steel-reinforced concrete wall.
  • the hand tool 1 has a laser light source 2, which generates a laser beam 3.
  • the laser light source 2 is preferably a pulsed solid-state laser, e.g. based on a neodymium-doped or ytterbium-doped YAG crystal, or a fiber laser.
  • An emission wavelength is preferably near infrared, e.g. between 1000 nm and 1100 nm or up to a wavelength of 2000 nm.
  • the hand tool 1 has a housing 4 with a handle 5 for guiding the hand tool 1.
  • An energy supply to the laser light source 2 is preferably carried out electrically by mains connection or by means of a battery pack 6, the the housing 4 is releasably secured.
  • An alternative provides a light guide in which a laser beam of a pump light source is guided to the laser light source 2.
  • a controller 7 can switch the laser light source 2 between a pulsating and a continuous wave mode or between different pulse durations with correspondingly different repetition rates.
  • a pulse length is preferably below 5000 ns, e.g. between 200 ns and 700 ns.
  • a mean optical output power is in the range of 1 watt to 10 watts.
  • An optical imaging device 8 includes an objective 9 to focus the laser beam 3 on the wall or other workpiece.
  • the objective 9 has a controlled focusing device 10, which adjusts a diameter of the laser spot 11 on the wall.
  • the focusing device 10 can, for example, move the objective 9 with actuators along an optical axis.
  • a deflection device 12 with, for example, one or more mirrors moves the laser spot 11 automatically over a region to be processed.
  • the area to be machined eg a borehole, is significantly larger than the diameter of the laser spot 11 from 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the diameter of the laser beam or laser spot 11 is given by the circle at the edge of which the fluence drops to 1 / e (37%) with respect to the center.
  • a sensor 13 detects the composition of the material on which the laser spot 11 falls. In this case, essentially only the material exposed on the surface is of importance.
  • the sensor 13 can distinguish between at least cement matrix and aggregates.
  • One embodiment is based on a CCD chip, a camera 14, etc. and an image evaluation unit 15. Fine-grained material, for example having feature sizes smaller than 3 mm, preferably 1 mm, are recognized as a cement matrix. Larger structures are aggregates such as grains of sand, stones etc. or reinforcements.
  • the controller 7 receives the signals from the sensor 13.
  • the fluence (power per area) of the laser spot 11 is set as a function of the detected material.
  • the fluence is set to a first value range of 0.2 megawatt per square centimeter [MW / cm 2 ] to 1 MW / cm 2 by default. This fluence is maintained when the laser spot falls on a cement matrix, ie the sensor 13 recognizes the area as a cement matrix. If the sensor 13 determines that the range contains additives, the fluence is raised.
  • the fluence is increased to a second value range between 2 gigawatts per square centimeter [GW / cm 2 ] and 10 GW / cm 2 .
  • the fluence is reset to the first range of values when the laser spot falls back onto the cement matrix.
  • the fluence of the laser spot 11 is indicated as its peak in the center of the laser spot.
  • Parts of the laser spot 1 1 may be due to an inhomogeneous degradation of the material outside a focal plane of the laser beam 3.
  • the sensor 13 primarily takes into account the material composition which lies in the focal plane.
  • the focusing device 10 detects the focal plane with increasing degradation.
  • the focal plane is in the plane of the hitherto at least highly degraded surface sections for the cement matrix and most aggregates, i. the surface portion at the smallest distance to the power tool 1.
  • Switching to the higher fluence with the second range of values preferably takes place only when the cement matrix is completely or at least 90% removed in the light spot 1 1 which is present in the focal plane.
  • the process first removes the cement matrix before aggregates are broken down.
  • the fluence with the first value range is preferably achieved by operating the laser light source 2 in continuous wave mode.
  • the fluence of the second value range is a change of the operating mode of the laser light source 2 in a pulsed operation, eg with pulses of a duration between 200 ns and 700 ns achieved.
  • the controller 7 causes a corresponding adjustment of the laser light source 2.
  • the controller 7 includes, for example, an optical modulator 16 which is disposed within the optical resonator 17 of the laser light source 2. For pulsed operation, the quality of the resonator 17 is temporarily reduced by the optical modulator 16 to a low value in order to allow saturation of the optically active medium 18 of the laser light source 2.
  • the quality is briefly increased for the pulse duration to a higher value, whereby the laser light pulse is released.
  • the quality is permanently maintained at the higher, typically maximum, value.
  • the sensor 13 may also distinguish pure quartzite from the cement matrix and other aggregates. Quartzite can be distinguished from the other materials by its near infrared transparency. If the quartzite grains have a diameter of more than 1 mm, the fluence is preferably set to a third value range between 10 GW / cm 2 and 30 GW / cm 2 .
  • a nozzle 19 directs an air jet at the laser spot 11.
  • the material ablated by the laser beam 3 is blown away.
  • An alternative sucks the material from the region of the laser spot 11 by means of a nozzle.
  • Another sensor 20 may determine the local distance 21 of the area illuminated by the laser spot 11 to the handheld power tool 1.
  • the sensor 20 is, for example, an element of the focusing device 10.
  • the sensor 20 determines the removal rate based on a change in the distance 21 over time.
  • the laser spot 11 preferably has a fluence within the value range.
  • a threshold value for the removal rate is determined on the basis of an expected removal rate of cement matrix for the laser spot 11. The threshold value can be determined dynamically or preferably fixed.
  • the illuminated area is identified as containing cement matrix and the fluence is maintained. Otherwise, if the removal rate falls below the threshold value, the range is detected as consisting of an additive, the fluence is increased to the second value range. The rate of removal is continuously monitored, if it increases again after removal of the aggregate, the fluence is reduced to the first value range.
  • the change of the fluence from the first value range into the second value range can be assisted by a stronger focusing of the laser spot 11.
  • a diameter of the laser spot 11 may be up to 10 times greater than in the second value range.
  • the focusing device 10 changes its accordingly Imaging properties.
  • the focus always remains on the surface.
  • a beam expansion increases the beam diameter before the last collimating lens to the smaller laser spot 11, and increases the beam diameter to produce the larger laser spot 11.
  • Removal of quartzite can be assisted by defocusing the laser beam 3.
  • the laser beam 3 is focused under the surface.
  • the focal point is between 500 ⁇ and 800 ⁇ below the surface.
  • Quartzite is slightly transparent to the laser beams of the wavelength used in the near infrared. Although the intensity decreases due to absorption, there is an improved degradation behavior, which is attributed to particle breakup due to thermomechanical stresses.
  • the focusing device 10 is switched upon detection of quartzite in the laser spot 11 to adjust the focus below the surface.
  • the fluence must be adjusted so that the fluence in the third range of values is set in the focus without the material, ie as if focusing on the surface. For other materials, the focus is preferably returned to the surface.

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Abstract

Ein Verfahren zum rückstandslosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien, insbesondere zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, beinhaltet die Schritte: Ein Werkstück aus einem mineralischen Baumaterial wird mit einem Laserstrahl zum Erzeugen eines Laserflecks (11) auf der Oberfläche des Werkstücks angestrahlt. Ein Luftstrom wird auf den Laserflecks (11) gerichtet. Eine Fluenz des Laserflecks (11) wird auf eine erste Fluenz im Bereich zwischen 0,2 MW/cm2 und 1 MW/cm2 eingestellt. Erhöhen der Fluenz des Laserflecks (11) auf eine zweite Fluenz von wenigstens 1 GW/cm2, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11) ein anderes Material als Zementmatrix enthält.

Description

Verfahren zum rückstandslosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien und
Werkzeugmaschine GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, wie beispielsweise Beton. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der JP2007230230A2 bekannt. Ein Laserstrahl mit einer Leistung von 5kW schmilzt lokal den Beton auf. Die erstarrende Schmelze ist sehr spröde und wird nachträglich abgeschlagen. Das Verfahren ist nur ansatzweise für Baumaterialien geeignet. Problematisch sind die spröden Rückstände, welche beispielsweise ein sicheres Verankern eines Dübels in einem Bohrloch gefährden. Der Aufwand für eine sorgfältige Reinigung ist sehr hoch. Ferner sind die Schnittkanten und Bohrränder nach dem Reinigen nur unzureichend für eine spätere Verankerung weiterer Elemente, wie den Dübel, definiert.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren zum rückstandslosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien, insbesondere zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, beinhaltet die Schritte: Ein Werkstück aus einem mineralischen Baumaterial wird mit einem Laserstrahl zum Erzeugen eines Laserflecks auf der Oberfläche des Werkstücks angestrahlt. Ein Luftstrom wird auf den Laserflecks gerichtet. Eine Fluenz des Laserflecks wird auf eine erste Fluenz im Bereich zwischen 0,2 Megawatt pro Quadratzentimeter (nachfolgend abgekürzt MW/cm2) und 1 MW/cm2 eingestellt. Erhöhen der Fluenz des Laserflecks auf eine zweite Fluenz von wenigstens 1 Gigawatt pro Quadratzentimeter (abgekürzt GW/cm2), wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks ein anderes Material als Zementmatrix enthält. Die anderen Materialen sind Zuschlagsstoffe wie Sand, Gestein und auch Materialen zum Erhöhen der Festigkeit wie Armierungsstahl. Die zweite Fluenz ist ausreichend nahezu alle Materialen des Betons per Ablation abzutragen. Die Materialen sollten in Theorie schlagartig direkt in die Gasphase überführt werden. Ein Kondensieren in der Nähe der Schnitt- oder Bohrstelle soll ein Luftstrahl verhindern. Dennoch ergeben sich glasartige Rückstände an den Schnittflächen. Es wurde erkannt, dass eine niedrige Fluenz spezifisch für die Zementmatrix das Entstehen der glasartigen Rückstände vermeidet. Der Anteil des Zuschlagstoffe soll innerhalb des Lichtflecks wenigstens 50 %, vorzugsweise 90 % betragen, bevor die Fluenz auf den zweiten Wertebereich angehoben wird.
Im Kontext der Anmeldung bezeichnet Licht nicht nur den sichtbaren Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung, sondern bezeichnet vereinfachend auch ultraviolette und infrarote Strahlung. Gleichermaßen ist ein Laser nicht auf eine kohärente Quelle sichtbarer elektromagnetischer Strahlung sondern Lichts nach obiger Auslegung zu verstehen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, die Fluenz zwischen 2 GW/cm2 und 10 GW/cm2 eingestellt wird, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks Eisen, Granit oder Kalkstein enthält. Die Fluenz wird vorzugsweise auf den ersten Fluenzwert zurückgesetzt, wenn der Laserfleck auf einen nur oder vorwiegend Zementmatrixhaitigen Bereich fällt. Die Fluenz kann zwischen 10 GW/cm2 und 30 GW/cm2 eingestellt werden, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks Quarzit enthält.
Eine Abtragsrate der Oberfläche kann innerhalb des Laserflecks mit der ersten Fluenz ermittelt werden und falls die Abtragsrate einen Schwellwert überschreitet, wird das Material im Bereich des Laserflecks als Zementmatrix bestimmt. Andernfalls, wenn die Abtragsrate den Schwellwert unterschreitet, wird das Material im Bereich des Laserflecks als das andere Material bestimmt. Die Abtragsrate kann als Erkennungsmerkmal für die Materialien herangezogen werden. Die Abtragsrate kann durch Ausmessen einer Vertiefung der Oberfläche im Bereich des Laserflecks ermittelt werden. Eine Zusammensetzung der Oberfläche kann im Bereich des Laserflecks mittels einer Kamera und einer Bildauswertung ermittelt werden.
Eine Werkzeugmaschine zum Abtragen von mineralischen Baumaterialen hat eine Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Laserflecks auf einer Oberfläche eines Werkstücks. Ein Sensor ist zum Identifizieren eines Materials im Bereich des Laserflecks vorgesehen. Eine Steuerung in eingerichtet eine Fluenz im Laserfleck auf einen Bereich zwischen 0,2 MW/cm2 und 1 MW/cm2 einzustellen und falls das Material anderes Material als Zementmatrix enthält, die Fluenz auf wenigstens 1 GW/cm2 zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen: Fig. 1 eine Handwerkzeugmaschine
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt schematisch eine Handwerkzeugmaschine 1 beim Bohren eines Lochs in eine stahlarmierte Betonwand. Die Handwerkzeugmaschine 1 hat eine Laserlichtquelle 2, die einen Laserstrahl 3 erzeugt. Die Laserlichtquelle 2 ist vorzugsweise ein gepulster Festkörperlaser, z.B. basierend auf einem Neodym-dotierten oder Ytterbium-dotieren YAG Kristall, oder einen Faserlaser. Eine Emissionswellenlänge liegt vorzugweise im nahen Infrarot z.B. zwischen 1000 nm und 1100 nm oder bis zu einer Wellenlänge von 2000 nm. Die Handwerkzeugmaschine 1 hat ein Gehäuse 4 mit einem Handgriff 5 zum Führen der Handwerkzeugmaschine 1. Eine Energieversorgung der Laserlichtquelle 2 erfolgt vorzugsweise elektrisch per Netzanschluss oder mittels eines Batteriepakets 6, das an dem Gehäuse 4 lösbar befestigt ist. Eine Alternative sieht einen Lichtleiter vor, in welchem ein Laserstrahl einer Pumplichtquelle zu dem Laserlichtquelle 2 geführt wird. Eine Steuerung 7 kann die Laserlichtquelle 2 zwischen einem pulsenden und einem Dauerstrichmodus oder zwischen unterschiedlichen Pulsdauern mit entsprechend verschiedenen Repetitionsraten umschalten. Eine Pulslänge liegt vorzugsweise unterhalb einer 5000 ns, z.B. zwischen 200 ns und 700 ns. Eine mittlere optische Ausgangsleistung liegt im Bereich von 1 Watt bis 10 Watt.
Eine optische Abbildungseinrichtung 8 enthält ein Objektiv 9, um den Laserstrahl 3 auf die Wand oder sonstiges Werkstück zu fokussieren. Das Objektiv 9 hat eine geregelte Fokussiereinrichtung 10, welche einen Durchmesser des Laserflecks 11 auf der Wand einstellt. Die Fokussiereinrichtung 10 kann beispielsweise das Objektiv 9 mit Aktuatoren längs einer optischen Achse verschieben. Eine Ablenkrichtung 12 mit beispielsweise ein oder mehreren Spiegeln bewegt den Laserfleck 11 automatisch über einen zu bearbeitenden Bereich. Typischerweise ist der zu bearbeitenden Bereich, z.B. ein Bohrloch, deutlich größer als der Durchmesser des Laserflecks 11 von 10 μιη bis 100 μιη. Der Durchmesser des Laserstrahls oder Laserflecks 11 sei durch den Kreis vorgegeben, an dessen Rand die Fluenz auf 1/e (37 %) gegenüber dem Zentrum abfällt. Ein Sensor 13 ermittelt die Zusammensetzung des Materials, auf welches der Laserfleck 11 fällt. Hierbei ist im wesentlichen nur das an der Oberfläche freiliegende Material von Bedeutung. Der Sensor 13 kann wenigstens zwischen Zementmatrix und Zuschlagstoffen unterscheiden. Eine Ausführungsform basiert auf einem CCD-Chip, einer Kamera 14, etc. und einer Bildauswertungseinheit 15. Feinkörniges Material z.B. mit Strukturgrößen kleiner als 3 mm, vorzugsweise 1 mm werden als Zementmatrix erkannt. Größere Strukturen sind Zuschlagstoffe wie Sandkörner, Steine etc. oder Armierungen.
Die Steuerung 7 empfängt die Signale des Sensors 13. Die Fluenz (Leistung pro Fläche) des Laserflecks 11 wird in Abhängigkeit des erkannten Materials eingestellt. Vorzugsweise standardmäßig wird die Fluenz auf einen ersten Wertebereich von 0,2 Megawatt pro Quadratzentimeter [MW/cm2] bis 1 MW/cm2 eingestellt. Diese Fluenz wird beibehalten, wenn der Laserfleck auf eine Zementmatrix fällt, d.h. der Sensor 13 den Bereich als Zementmatrix erkennt. Ermittelt der Sensor 13, dass der Bereich Zuschlagstoffe enthält, wird die Fluenz angehoben. Vorzugsweise wird die Fluenz auf einen zweiten Wertebereich zwischen 2 Gigawatt pro Quadratzentimeter [GW/cm2] und 10 GW/cm2 angehoben. Die Fluenz wird auf den ersten Wertebereich zurückgesetzt, wenn der Laserfleck wieder auf Zementmatrix fällt. Die Fluenz des Laserflecks 11 ist als dessen Spitzenwert im Zentrum des Laserflecks angegeben.
Teile des Laserflecks 1 1 können aufgrund eines inhomogenen Abbaus des Materials außerhalb einer Fokalebene des Laserstrahls 3 liegen. Der Sensor 13 berücksichtigt vorrangig die Materialzusammensetzung, welche in der Fokalebene liegt. Die Fokussiereinrichtung 10 führt die Fokalebene mit zunehmenden Abbau nach. Vorzugsweise ist die Fokalebene in der Ebene der bisher am wenigstens stark abgebauten Oberflächenabschnitte für die Zementmatrix und die meisten Zuschlagstoffe, d.h. die Oberflächenabschnitt im geringsten Abstand zu der Handwerkzeugmaschine 1.
Ein Umschalten auf die höhere Fluenz mit dem zweiten Wertebereich erfolgt vorzugsweise erst, wenn die Zementmatrix in dem in der Fokalebene anteiligen Lichtfleck 1 1 vollständig oder wenigstens zu 90 % entfernt ist. Das Verfahren entfernt zuerst die Zementmatrix bevor Zuschlagstoffe abgebaut werden.
Die Fluenz mit dem ersten Wertebereich wird vorzugsweise durch Betreiben der Laserlichtquelle 2 im Dauerstrichmodus erreicht. Die Fluenz des zweiten Wertebereichs wird einen Wechsel des Betriebsmodus der Laserlichtquelle 2 in einen gepulsten Betrieb, z.B. mit Pulsen einer Dauer zwischen 200 ns und 700 ns, erreicht. Die Steuerung 7 veranlasst eine entsprechende Einstellung der Laserlichtquelle 2. Die Steuerung 7 beinhaltet beispielsweise einen optischen Modulator 16, welcher innerhalb des optischen Resonators 17 der Laserlichtquelle 2 angeordnet ist. Für den gepulsten Betrieb wird die Güte des Resonators 17 durch den optischen Modulator 16 zeitweise auf einen niedrigen Wert abgesenkt, um ein Sättigen des optisch aktiven Mediums 18 der Laserlichtquelle 2 zu ermöglichen. Sobald das Medium 18 gesättigt ist, wird die Güte kurzzeitig für die Pulsdauer auf einen höheren Wert erhöht, wodurch der Laserlichtpuls freigegeben wird. Im Dauerstrichbetrieb ist die Güte dauerhaft auf dem höheren, typischer Weise maximalen, Wert gehalten. Der Sensor 13 kann auch reines Quarzit von der Zementmatrix und den anderen Zuschlagstoffen unterscheiden. Quarzit kann anhand seiner Transparenz im nahen Infrarot von den anderen Materialen unterschieden werden. Sofern die Quarzitkörner einen Durchmesser von mehr als 1 mm aufweisen, wird die Fluenz vorzugsweise auf einen dritten Wertebereich zwischen 10 GW/cm2 und 30 GW/cm2 eingestellt.
Eine Düse 19 richtet einen Luftstrahl auf den Laserfleck 11. Das durch den Laserstrahl 3 per Ablation abgetragene Material wird weggeblasen. Eine Alternative saugt das Material mittels einer Düse aus dem Bereich des Laserflecks 11 ab. Ein anderer Sensor 20 kann den lokalen Abstand 21 des von dem Laserfleck 11 beleuchteten Bereichs zu der Handwerkzeugmaschine 1 bestimmen. Der Sensor 20 ist beispielsweise ein Element der Fokussiereinrichtung 10. Der Sensor 20 bestimmt die Abtragsrate anhand einer Änderung des Abstands 21 über die Zeit. Der Laserfleck 11 hat vorzugsweise eine Fluenz innerhalb des Wertebereichs. Ein Schwellwert für die Abtragsrate wird anhand einer zu erwartenden Abtragsrate von Zementmatrix für den Laserfleck 11 festgelegt. Der Schwellwert kann dynamisch ermittelt oder vorzugsweise fest vorgegeben sein. Überschreitet die Abtragsrate den Schwellwert, wird der beleuchtete Bereich als Zementmatrixhaltig erkannt und die Fluenz beibehalten. Andernfalls, unterschreitet die Abtragsrate den Schwellwert, wird der Bereich als aus einem Zuschlagstoff bestehend erkannt, die Fluenz wird auf den zweiten Wertebereich erhöht. Die Abtragsrate wird durchgehend überwacht, falls diese nach Abtragen des Zuschlagstoffs wieder ansteigt, wird die Fluenz auf den ersten Wertebereich reduziert.
Die Wechsel der Fluenz von dem ersten Wertebereich in den zweiten Wertebereich kann durch ein stärkeres Fokussieren des Laserflecks 11 unterstützt werden. Beispielsweise kann für den ersten Wertebereich ein Durchmesser des Laserflecks 11 um bis zu 10-fach größer sein, als beim zweiten Wertebereich. Die Fokussiereinrichtung 10 ändert entsprechend ihre Abbildungseigenschaften. Vorzugsweise bleibt der Fokus trotz unterschiedlichen Durchmessers des Laserflecks 11 jeweils auf der Oberfläche. Eine Strahlaufweitung vergrößert den Strahldurchmesser vor der letzten Kollimationslinse, um den kleineren Laserfleck 11 , bzw. vergrößert den Strahldurchmesser, um den größeren Laserfleck 11 zu erzeugen.
Ein Abtragen von Quarzit kann durch ein Defokussieren des Laserstrahls 3 unterstützt werden. Der Laserstrahl 3 wird unter die Oberfläche fokussiert. Der Fokuspunkt liegt zwischen 500 μιη und 800 μηι unter der Oberfläche. Quarzit ist für die Laserstrahlen mit der verwendeten Wellenlänge im nahen Infrarot leicht transparent. Obwohl die Intensität aufgrund der Absorption absinkt, zeigt sich ein verbessertes Abbauverhalten, welches auf ein Ausbrechen von Partikeln aufgrund thermomechanischer Spannungen zurückgeführt wird. Die Fokussiereinrichtung 10 wird beim Erkennen von Quarzit im Laserfleck 11 umgestellt, um den Fokus unterhalb der Oberfläche einzustellen. Die Fluenz ist so einzustellen, dass sich im Fokus ohne dem Material eine Fluenz im dritten Wertebereich einstellt, also wie wenn auf die Oberfläche fokussiert würde. Bei anderen Materialien wird der Fokus vorzugsweise wieder auf die Oberfläche zurückgestellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum rückstandslosen Abtragen von mineralischen Baumaterialien, insbesondere zum Schneiden oder Bohren von mineralischen Baumaterialien, mit den Schritten:
Anstrahlen eines Werkstück aus einem mineralischen Baumaterial mit einem Laserstrahl (3) zum Erzeugen eines Laserflecks (11 ) auf der Oberfläche des Werkstücks,
Erzeugen eines Luftstroms an dem Laserfleck (11),
Einstellen einer Fluenz des Laserflecks (11 ) auf eine erste Fluenz im Bereich zwischen 0,2 MW/cm2 und 1 MW/cm2, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11 )
Zementmatrix enthält und
Erhöhen der Fluenz des Laserflecks (11 ) auf eine zweite Fluenz von wenigstens
1 GW/cm2, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11 ) ein anderes Material als Zementmatrix enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fluenz zwischen
2 GW/cm2 und 10 GW/cm2 eingestellt wird, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11 ) Zuschlagstoffe von Beton enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluenz zwischen 10 GW/cm2 und 30 GW/cm2 eingestellt wird, wenn die Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11 ) reines Quarzit enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtragsrate der Oberfläche innerhalb des Laserflecks (11 ) mit der ersten Fluenz ermittelt wird und falls die Abtragsrate einen Schwellwert überschreitet, das Material im Bereich des Laserflecks (11 ) als Zementmatrix bestimmt, und falls die Abtragsrate den Schwellwert unterschreitet, das Material im Bereich des Laserflecks (11 ) als das andere Material bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragsrate durch Ausmessen einer Vertiefung der Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11 ) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammensetzung der Oberfläche im Bereich des Laserflecks (11 ) optisch ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fokus des Laserstrahls (3) bei Quarzit 500 μηι bis 800 μηι unterhalb der Oberfläche eingestellt wird.
Werkzeugmaschine zum Abtragen von mineralischen Baumaterialen mit
einer Laserlichtquelle (2) zum Erzeugen eines Laserflecks (11 ) auf einer Oberfläche eines Werkstücks,
einem Sensor (20) zum Identifizieren eines Materials im Bereich des Laserflecks (11 ), eine Steuerung (7) zum Einstellen einer Fluenz im Laserfleck (11 ), auf einen Bereich zwischen 0,2 MW/cm2 und 1 MW/cm2 einstellt und welche falls das Material anderes Material als Zementmatrix enthält, die Fluenz auf wenigstens 1 GW/cm2 erhöht.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (2) einen gepulsten Laser mit einer einstellbaren Pulsrate aufweist.
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