WO2021116176A1 - Vorrichtung und verfahren zur oberflächenbearbeitung eines werkstücks, insbesondere einer natursteinplatte - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur oberflächenbearbeitung eines werkstücks, insbesondere einer natursteinplatte Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for surface treatment of a workpiece, in particular a natural stone slab.
  • the invention relates to a device and a method for non-contact surface treatment of natural stone slabs of different thicknesses for use as building material in the interior and exterior.
  • Natural stone panels which are considered to be a natural raw material, are produced by quarrying in order to then produce individual natural stone panels from a solid natural stone block by sawing the natural stone block vertically into individual panels with diamond-tipped sawing tools, usually with panel thicknesses between 1 and 10 cm each by type of rock, subsequent processing steps and intended use.
  • the resulting diamond-sawn surface is flat and smooth, but shows clearly recognizable saw marks. This raw state is rarely used. Rather, this surface is the starting point for all further surface processing.
  • Sandblasted surfaces for example, are created by bombarding the natural stone with an abrasive, which results in the smallest amount of material being removed and increases the roughness of the surface.
  • Bush-hammered surfaces are created with chisels, automated or hand-operated. Here, too, material removal occurs, which is finer or coarser depending on the sharpness and shape of the chisel tool.
  • Flamed Surfaces are created by thermal treatment, in which mainly air, oxygen and propane are burned and this flame is directed at the workpiece with one or more flame nozzles.
  • Corrugated or sawn surfaces are produced with diamond-tipped sawing tools and only sawn or scored. Corrugated or sawn surfaces can be produced in a limited variety, depending on the properties and guidance of the tool and thus the complexity of the machine. The sawn-in surfaces can then be chipped off in order to produce surfaces with rough cracks at regular intervals.
  • Another surface technology that can be mentioned for natural stones that are easy to split, such as slate or gneiss, is the original split shape. In order to produce this shape, raw material is forcibly separated with great force.
  • each of the above surfaces can also be brushed afterwards.
  • plastic or diamond brushes act on the surface, smoothing sharp edges, but preserving the unevenness of the upstream technology.
  • surface technologies that can be created by fine-tuning or a combination of the surface technologies just mentioned.
  • grinding and brushing techniques which, however, only change the nature of the natural stone slightly.
  • Leather, satin finishing, oiling and the like can be named here as examples.
  • the thickness of the natural stone slab is often chosen on the basis of its own weight and its stability.
  • the mechanical processing method used also determines the possible material thickness, whereby the plate is produced thicker than would be possible due to the inherent stability due to the forces acting on it during processing.
  • Thinner slabs have the advantage that existing resources can be used more effectively, that is, a larger number of slabs can be produced from one stone block.
  • thinner panels can be handled better in logistics and on the construction site, i.e. transported and laid.
  • the thermal treatment is also a very energy-intensive process in which air, pure oxygen, propane and water are consumed.
  • the following consumption values are given: 3000 liters / min air (at 7 bar), 1400 liters / min oxygen ( 02), 1000 liters / min propane, 5 liters / min water.
  • the possibilities, the complexity and the Flexibility and individualization of the natural stone surfaces are expanded and the production steps for the production of surface characteristics on natural stone slabs of different dimensions are made more flexible and efficient and the degree of automation increased.
  • the invention should also be able to process the surfaces of dolomite, Jurassic limestone or similar natural stones without local compression of the crystal structure.
  • This provides a device and a method for the surface treatment of workpieces, in particular natural stones, which avoids the disadvantages of the aforementioned prior art and which in particular reduces tool and machine wear as well as overall costs.
  • the possibilities, the complexity and the flexibility and individualization of the natural stone surfaces are expanded and the production steps for the production of surface characteristics on natural stone slabs of different dimensions are made more flexible and efficient and the degree of automation increased.
  • Different surface characteristics can be produced, which differ in their visual appearance, shape, distribution and degree of material removal, as well as in the type of interaction that causes a certain surface characteristic.
  • the invention also enables the surfaces of dolomite, Jurassic limestone or similar natural stones to be machined without local compression of the crystal structure. Processing of different dimensions and / or materials in series is also possible.
  • DE 19816442 A1 describes a method for processing the surface of installed floor panels by means of a laser. Similar methods are described, for example, in DE 19843498 A1. However, these known methods are limited to special applications and individual materials or require additional application of chemical substances.
  • DE 19518270 C1 relates to a method for producing non-slip floor coverings by the targeted introduction of pulsed laser beams onto polished or shiny surfaces of granite slabs. This creates microsuction cups that are invisible to the human eye.
  • a device for the surface treatment of a workpiece in particular a natural stone slab, which has a laser beam source for generating a continuous laser beam, controllable processing optics for focusing and beam deflection of the laser beam and an optical detection unit for three-dimensional detection and / or measurement of the workpiece.
  • a lot of smoke and dust is generated, which can possibly influence the optical properties of the laser beam.
  • An air flow preferably parallel and in close proximity to the processed plane, for example caused by an exhaust system installed over the entire processing field, can achieve constant process conditions by effectively removing smoke and dust from the interaction zone.
  • the processing optics can preferably have a controllable focusing unit and a controllable deflection unit.
  • the controllable focusing unit can have a focusing lens which is seated on a motorized axis, as a result of which the focus position can be modified in the z-direction.
  • the motorized z-axis is particularly preferred for this method, since with the help of a controllable focusing unit, in contrast to a conventional, rigid focusing lens with image field correction (so-called flat field lenses), the focal length of the system can be dynamically adjusted without changing the lens systems. This allows the implementation of different process conditions and thus different natural stone surfaces with one device.
  • the controllable focusing lens offers the possibility of generating a working area of at least 1500 x 1500 mm 2 , which enables large natural stone slabs to be processed.
  • the weight of the natural stone slabs is generally about 30 kg / m 2 to 150 kg / m 2, depending on the thickness and material.
  • Another advantage of the variable focusing unit is that The fact that, in contrast to F-Theta lenses, this enables focal lengths of 2000 mm and more to be achieved for the first time. On the one hand, this enables large working distances (distance between the processing optics and the processing plane), whereby the processing optics are additionally protected from possible process splashes or broken material. On the other hand, the method also achieves advantageous focusing conditions due to the large focal lengths.
  • the processing optics can consist of a beam shaping element which collimates the laser beam entering the processing optics.
  • a further beam shaping element can be inserted into the beam path, which is provided to modify the intensity profile in the processing plane, for example to generate a so-called top-hat beam profile or to generate a ring beam profile.
  • the workpiece to be machined is detected punctually or flatly in its lateral dimensions and thickness, or the distance to the machining optics. It is also possible to split a laser beam source into several partial beams via beam splitters and to control them independently of one another. Furthermore, several lasers can also be used in parallel, synchronously or one after the other, with at least one processing optics or one processing optics for each laser. The number of laser beam sources used can be determined depending on the complexity, productivity and size of the workpieces to be processed.
  • a small gas flow in the form of a so-called crossjet could be used to protect the processing optics.
  • This volume flow protects the processing optics from process splashes or splintered material by applying a gas flow parallel to the processing optics.
  • process splashes that break out of the material and damage the processing optics are deflected by the gas volume flow and thus do not hit sensitive optics or additional protective glass.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that a data processing unit is provided for controlling the laser beam source, the processing optics and the optical detection unit. Furthermore, an advantageous embodiment includes that an image processing unit for recording, transmitting, processing and further processing of pixel data of the optical Detection unit is provided.
  • the image processing unit could be designed as software on the data processing unit. Since the composition of most natural stones is inhomogeneous, the optical detection unit can be designed in such a way that it uses image processing software to identify the quartzite components locally via contrast ratios and informs the control unit so that the laser-specific parameters are automatically adapted locally from a database with parameter sets. As a result, the method according to the invention can also be carried out in a highly automated manner in the case of material inhomogeneities.
  • Process parameters for the respective processing steps can be defined via the data processing unit, ie at which point on the workpiece, which type of interaction is to take place.
  • the laser intensity can be set on the processing level by adjusting the laser power and the process beam diameter.
  • the process beam diameter could preferably be adapted by changing the focal plane of the laser beam.
  • a processing field of 1500 mm x 1500 mm can be implemented per laser and per processing unit.
  • the focal plane could be tracked via a motorized and controllable focusing unit. This unit works very precisely, which means that the sensitive focusing conditions of the laser beam can be maintained.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that a conveying unit is provided for conveying the workpieces from a receiving system into a processing field and out of the processing field.
  • the conveyor unit is preferably designed to convey workpieces greater than or equal to 1500 mm ⁇ 1500 mm and / or a weight greater than or equal to 30 kg / m 2 , preferably 100 kg / m 2 .
  • the device can provide a system for reorienting natural stone slabs, for example in order to position vertically stored raw slabs in the horizontal position and on the conveyor unit, for example by means of receiving systems with vacuum knobs.
  • the orientation, dimensions and thickness and / or type of material of the conveyed workpieces can be determined , whereby the processing can be carried out automatically and independently of orientation, dimensions and material thickness. If the above-mentioned image processing is also used, the processing can also be carried out independently of the type of natural stone, as well as material inhomogeneities for a certain type of natural stone.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that a graphical user interface is provided.
  • a graphical user interface is provided.
  • the image field or the contours of the panel to be processed could be displayed and then the type of processing could be determined via main categories, e.g. upper category "Flames” , Upper category “sandblasting", upper category “sticking” and upper category “structuring”.
  • the respective upper category then has sub-categories, which describe the shape and pattern of the removal (e.g. contours, points, lines, polynomials, defined patterns, etc.), the degree of the removal (e.g. depth, extent, etc.) and determine the distribution and density of the pattern.
  • a type of cluster or a type of imaginary film in the graphical user interface can be placed graphically on the plate to be processed. This process can be repeated as often as desired so that new surfaces can be displayed through this arrangement.
  • the individual clusters could also be processed according to a defined priority so that desired effects such as the representation of patterns and shapes on a previously flamed surface can be achieved.
  • a clearly defined parameter set is stored depending on the material, which is then loaded and applied accordingly by the control technology.
  • the optical detection unit has a three-dimensional camera system or a two-dimensional camera system with at least one laser measuring device, an ultrasonic measuring device or any other suitable sensor.
  • the imaging two-dimensional camera system can have corresponding image processing software in order to detect material peculiarities or material discontinuities (material inhomogeneity) by means of contrast ratios. These can be quartzite veins in dolomite plates, for example.
  • the camera system can record this contrast ratio and localize it using the image processing software, so that process parameters that have been specifically changed can be applied using the calculated coordinates.
  • the 2D camera system can for example be provided together with a laser distance measuring device or with several spatially resolved laser distance sensors or ultrasonic sensors. Flat height information is then generated by extrapolating the individual points.
  • the two-dimensional camera system could also be expanded with a three-dimensional camera system based on stereoscopy or triangulation technology and corresponding image processing software.
  • a three-dimensional image processing system can solve two-dimensional and three-dimensional image processing tasks so that, in further embodiments, a quality control can be carried out with a three-dimensional image processing system, e.g. comparison of the actual and target states of material removal, extent of the structures, etc., and can be automated. Furthermore, a three-dimensional image processing system can measure the distance between the processing optics and the processing plane, so that this information can be used to flexibly adapt the focus position of the laser beam to the respective material. This eliminates the process step of measuring the material thickness using the laser measuring devices. In this embodiment, the information is automatically forwarded from the image processing unit to the data processing unit. In this way, natural stone panels of different thicknesses can be processed one after the other in a very flexible manner.
  • the slope can also be measured on large panels. Inclined panels or panels placed diagonally can often have a height difference of several millimeters over their entire length have what would be unfavorable for the process stability. By measuring the inclined position, the focus position can be adjusted automatically.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that the focus position of the laser beam of the laser beam source lies outside the workpiece plane.
  • the focal plane of the laser beam does not have to be on the workpiece surface, but can also be in front of it, a so-called intermediate focus, or behind it, a so-called imaginary focus.
  • defocused beam properties can be generated which are particularly suitable for thermally induced surfaces, for example a flamed surface. Defocusing can create process conditions that allow the natural stone slab to be heated over a large area, creating a process result that is based on classic flames.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that the graphical user interface for inputting the type of material and / or type of processing to achieve a target state via predefined surface characteristics or main categories and associated settings, which shape and pattern of the removal, the degree of removal , Distribution and density of the pattern is provided.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that the laser beam of the laser beam source has a beam quality M 2 of less than or equal to 1.5.
  • the laser beam of the laser beam source advantageously has a power of greater than or equal to 1 kW.
  • the intensity of the laser beam that strikes the material can be set within a range of 1 kW / cm 2 to 60 MW / cm 2 in a reproducible manner maximum intensity increases.
  • a stability of the laser intensity of about +/- 10% means due to the quadratic relationship having to maintain a stability of the process beam diameter of a maximum of +/- 5% between the process beam diameter and the laser intensity.
  • an advantageous embodiment of the device according to the invention includes that the laser beam of the laser beam source preferably has a wavelength of 1000 nm up to and including 1100 nm or 10.6 gm, preferably from 1030 nm up to and including 1064 nm.
  • a CO2 laser Wavelength 10.6 pm
  • an infrared laser wavelength between 1000 nm and 1100 nm with a high power of> 1.5 kW can be used.
  • the process beam diameter i.e. the diameter of the laser beam of the laser beam source on the plane of the workpiece, hits the workpiece with a diameter of 100 pm - 20 mm (defined by the second moment of the intensity distribution) and will thereby vaporize, sublime, melt or heat material.
  • the type of interaction is influenced by the intensity of the laser beam.
  • the intensity is defined as the quotient of the average laser power to the cross-sectional area of the laser beam on the plane of the workpiece.
  • the device according to the invention is expanded by a further laser source which implements large-area process beam diameters of greater than 10 mm in parallel, synchronously or alternately with a beam quality M 2 of at least 1.5 and worse.
  • the processing optics are expanded with LED lighting aimed at the processing field in order to ensure suitable exposure for existing camera systems in the visible area.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that the processing optics have controllable lenses with a focal length change of at least 500 mm and the focal length is preferably adjustable in a range from 300 mm up to and including 3000 mm.
  • the adjustable focusing unit With the adjustable focusing unit, every point on the processing plane can be controlled and the focus plane readjusted. This may be necessary because a spherical focus position plane is also imaged by the spherical focusing lens.
  • a lens is inside controlled by the focusing unit, as a result of which the initially collimated laser beam now strikes the focusing lens in a divergent manner, whereby the focus position can be influenced.
  • the optical path length of the laser beam also influences the focus diameter of the laser beam in a linear relationship according to equation 1.
  • a minimum working distance orthogonal distance between the focusing element and the processing plane
  • Equation 1 d f focus diameter of the focused beam
  • the processing optics are designed in such a way that a working distance of at least 2315 mm is maintained.
  • the processing optics could also work with flat field focusing elements (e.g. an F-Theta lens element) for focusing and field correction of the laser beam. Only one focal length can be implemented with a flat field element, so that different working distances can be achieved by moving the entire processing optics or the entire workpiece holder.
  • flat field focusing elements e.g. an F-Theta lens element
  • An exemplary implementation of the working distance with simultaneous dynamic control of the working distance is the focusing and deflection of the laser beam by means of controllable focusing lenses, so-called 3-axis scan units.
  • this unit consists of a convex and a concave lens; the first lens is concave and controllable and, through linear movements, modifies the collimated laser beam into a divergent laser beam and thus controls the divergence and the diameter of the laser beam that hits the convex focusing lens, thereby influencing the focus position of the laser beam.
  • the necessary correction data for the parameters are calculated, simulated and saved as a file in the data processing unit. Correction data means the positions calculated for the laser parameters along the linear axis of the first lens for each point on the processing plane.
  • the focal position must be corrected for each point on the processing plane, which is achieved by linear movements of the first controllable concave lens.
  • Each point on the processing plane must therefore be explicitly assigned a position of the controllable lens on its linear axis.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that the position of the processing optics and the optical detection unit can be adjusted vertically and horizontally along the machine axes.
  • the processing optics are additionally moved in at least one further linear axis or rotational axis relative to the workpiece.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention includes that a robot system moves the position of the processing optics and the optical detection unit.
  • the number of degrees of freedom of the movable axes should not be limited in this sense, since, depending on the application-specific requirements, not only the surface facing the machining optics is machined, but also the edges orthogonal to it, so that further rotary axes or multi-axis robots are used in further embodiments in order to be able to rotate the processing optics or, to a certain extent, the workpiece support.
  • one or more thermal imaging cameras or one or more pyrometers could be provided in order to be able to measure the temperature distribution on the natural stone surface during the surface treatment “flames”. The data determined are then compared with previously programmed target values in order to be able to take corrective measures with the aid of the laser-specific and control-related parameters.
  • This embodiment increases the degree of automatability and at the same time carries out an indirect quality control. This embodiment is used when natural stone is “flamed”, i.e.
  • a method for surface treatment of a workpiece which has the following steps: a) providing a workpiece, in particular a natural stone slab; b) three-dimensional measurement of the workpiece with an optical detection unit; c) focusing and beam deflection of a laser beam from a laser beam source with processing optics; d) Surface treatment of the workpiece by means of a laser beam according to the set process parameters.
  • the provision of the workpiece is understood to mean, in particular, the lifting and conveying of the workpiece in the course of the method.
  • the method according to the invention can reproduce surface characteristics such as sandblasted, bush hammered, flamed, etc., the machining being carried out contactless and free of forces and thus reducing tool wear.
  • the present method saves resources, since no gases or water are used, or only small amounts compared to conventional machining methods.
  • the thicknesses of the natural stone slabs are selected in conventional methods according to the processing method. Large mechanical forces act on the material, especially when it is stuck or sandblasted. In order to prevent cracks or breaks within the slabs, the natural stone slabs for this type of processing method are rarely made in thicknesses less than 20 mm.
  • the panels are usually cut with an allowance for processing in order to then cut the material into shape again after processing, since the edges of the natural stone panels are usually broken off during processing.
  • there are no longer any forces acting on the material which means that material thicknesses of less than 20 mm with similar surface characteristics can be implemented without any problems or the natural stone slabs can be cut to the desired size before processing, as the processing is gentle and takes place free of forces, thus avoiding the breakout of the edges with similar processing results as with bush-hammered or sand-blasted surface characteristics.
  • An air flow can advantageously be provided parallel and directly above the workpiece surface in order to keep the interaction zone and the entire air space between the workpiece and the processing plane free of dust and smoke.
  • the natural stone to be worked here in particular dolomite or Jurassic limestone, does not experience any mechanical forces during processing, so that the material is spared, no crystalline densities are formed, which increases the value of the natural stone and its character comes into its own.
  • the contactless processing of the natural stone opens up new possibilities in the design of the natural stone slabs in terms of shape and thickness.
  • the method according to the invention can be used for igneous rocks (igneous rocks), sedimentary rocks (sedimentary rocks) and metamorphic rocks (metamorphic rocks).
  • Igneous rocks emerged from the crystallization of igneous melts. The structure is mostly directionless and the individual minerals and quantities are usually homogeneously distributed.
  • the igneous rocks include granite, granodiorite, syenite, diorite and rhyolite.
  • Sedimentary rocks are rocks formed by weathering, erosion and deposition, including sandstone, limestone, dolomite, marl, arkose and breccia.
  • Metamorphic rocks are formerly sedimentary rocks or igneous rocks, which have been changed in mineral composition and structure by metamorphosis.
  • Metamorphic rocks can be divided into quartzite, gneiss or slate, among others.
  • the group of metamorphic rocks includes marble, gneiss, mica schist and others.
  • Granite, marble, limestone, travertine, sandstone, serpentinite, shell limestone, dolomite, gneiss, alabaster or slate can be processed using the process.
  • the laser-specific and control parameters are adjusted in order to achieve the expected result.
  • a high power density is required in order to be able to remove these quartzite components. It is similar with granite or slate.
  • the composition of the mineral components requires a very high power density.
  • Certain sandstones or limestones can be effectively processed with power densities that are 10 times lower. This is due, for example, to the fact that, in contrast to some other natural stones, certain natural stones have a decomposition temperature that is usually lower than the melting or boiling temperature.
  • An advantageous development of the method according to the invention includes that an input of the type of material and / or the target state on a graphical user interface via already predefined surface characteristics or via main categories and associated settings, which form and pattern of removal, degree of removal, distribution and Have density of the pattern takes place.
  • the processing laser beam is designed as a continuous laser beam, for example with a wavelength in the infrared range between 1000 nm and 1100 nm and preferably acts on the workpiece with an average power of 1.5 kW.
  • the laser beam source can be designed as a so-called continuous wave laser beam source.
  • An advantageous development of the method according to the invention includes that an automatic selection of process parameters takes place by a data processing unit on the basis of data of the image processing unit and / or of data entered or selected on the graphical user interface.
  • process parameters are used that decompose, evaporate or sublime the material, depending on the material properties of the natural stone to be processed.
  • the type of interaction is determined by the locally prevailing process temperature in the material, which is dependent on the material-specific thermal conductivities and which is dependent on the power density acting on the material.
  • the power density provided can be adapted by the ratio of the locally injected amount of energy of the laser beam per exposure time of the laser beam within the interaction zone and the cross-sectional area of the laser beam, i.e. ultimately the process beam diameter.
  • An advantageous further development of the method according to the invention includes that the calculation of the lateral dimensions, the relative distance to the processing optics and the detection and localization of structural and / or color peculiarities / differences is carried out by the optical detection unit.
  • the optical detection unit In order to generate the different types of interaction, such as sublimation, evaporation, melting, heating, etc., in a stable and reproducible manner, it is necessary to precisely determine the distance between the processing optics and the workpiece surface so that the power density can be adapted to the process result.
  • a combination of the device according to the invention or the method according to the invention with a device for brushing or polishing and another device for cutting natural stone materials has the advantage that the entire natural stone processing can be carried out in a very compact and flexible production line, starting with the surface processing of the raw panels in large format by the device according to the invention, via additional surface processing methods that cannot be fulfilled with the device according to the invention (e.g. brushing, leather or polishing), through to raw panel cutting in tile format.
  • natural stone slabs are oriented as raw slabs or in an already cut format by means of a receiving system and positioned on the conveyor unit.
  • the conveyor unit transports the natural stone slabs into the processing field of the processing optics or the processing optics.
  • the optical detection unit is preferably installed in front of the processing field so that the workpiece is already there is measured before it is immediately edited in the editing field.
  • the workpiece is checked for material peculiarities with the optical detection unit by processing the pixel values in the image processing software with appropriate algorithms. For example, quartzite fractions could be localized in the material before processing so that an adapted parameter set can then be used locally at these points during processing.
  • the type of natural stone to be processed and, preferably graphically, the type of surface processing is defined.
  • the basic type of surface characteristics is defined in so-called main categories, eg the main category "Flames", the main category “Sandblasting", the main category “Congestion” and the main category “Structuring”.
  • the respective upper category then has sub-categories, which describe the shape and pattern of the removal (e.g. contours, points, lines, polynomials, defined patterns, etc.), the degree of the removal (e.g. depth, extent, etc.) and determine the distribution and density of the pattern. All of these parameters and changes should be shown graphically in the user interface.
  • a kind of cluster or a kind of imaginary film is graphically placed on the panel to be processed in the operator interface. This process can be repeated as often as desired so that new surfaces can be displayed through this arrangement.
  • the design of the surface using upper and lower categories is not carried out on the control panel of the machine, but on an external computer with appropriate software and an interface to the machine. For this design, the degree of freedom of design can be blocked or regulated to a certain extent for certain access levels on the part of the machine operator.
  • At least one laser beam is focused on the workpiece, the focal plane not always being on the workpiece plane.
  • the data processing unit controls the processing optics (s) so that the laser-specific parameters suitable for the respective process are implemented.
  • the analyzes of the image processing task are also taken into account so that every material composition within the plate can be processed with the optimal set of parameters.
  • This data set of laser-specific parameters is from the respective process and the material to be processed and is entered into the data processing unit.
  • Some parameters that are important for process control include the intensity of the laser radiation, the diameter of the laser beam at the level of the workpiece (the so-called process beam diameter) and the time of the action of the laser beam on the workpiece to be processed.
  • Figure 1 is a perspective view of an embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a perspective detailed view from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a plan view of the device from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a plan view of the detailed view from FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a side view of the device from FIG. 1;
  • FIG. 6 is a front view of the device from FIG. 1;
  • FIG. 7 shows a detailed representation of the processing head of the device from FIG. 1.
  • the workpieces 1, here dolomite plates lie horizontally or vertically stacked in the starting position in the work area suitable for the receiving system 2.
  • the recording system 2 positions a dolomite plate 1 on the conveyor unit 3 in each case. While the dolomite plate 1 is conveyed by the conveyor unit 3 into the processing field 4 of the processing optics 5, the profile of the dolomite plate 1 is measured by the optical detection unit 6.
  • the optical detection unit includes a 3D camera system from Tordivel AS based on the Stereo technology.
  • the recordings are processed in image processing software and algorithms used to process the pixel data. The dimensions of the plate, the thickness of the plate and the position of the plate relative to the processing optics at the time of the measurement emerge from the measured workpiece profile.
  • This information can also be used to determine further process-relevant workpiece properties, such as the inclined position of the plate plane, via the image processing software.
  • the software with which the process result can be designed and defined is operated either on the user interface of the machine 7 or on an external data processing unit 9.
  • a batch of 50 dolomite slabs measuring 1 mx 1 m, each with the same surface characteristics, is to be created.
  • a flamed surface characteristic is created that has additional line-like structures.
  • very different diameters of a laser beam 8 and very different laser intensities with variable exposure times are used.
  • the process result is loaded into the data processing unit 9 before the processing of the dolomite plates and is not changed for the batch of 50 plates.
  • the data processing unit 9 assigns the defined laser-specific, material-specific and control-specific parameters to these process results and thus controls the laser beam source 10, the processing optics 5 and the machine axes. For this surface characteristic approx. 60 minutes per m 2 with an average laser power of 1.5 kW are required for processing.
  • the data processing unit 9 uses the defined material and the type of processing to calculate the processing time and defines the feed rate of the conveyor unit 3.
  • An exception are processes defined in the data processing unit 9 that could imply a high thermal load in the material. The so-called flaming almost always falls under this category, depending on the duration of the processing and the type of material, so that this type of process requires a separate strategy. In this case it is advantageous to convey the dolomite plates completely and centrally into the processing field 4 before processing begins.
  • the first process step in processing the dolomite slabs is to expose the dolomite slabs completely or partially with a laser beam diameter> 3 mm so that the dolomite slabs reach a specific process temperature within the interaction zone and certain mineral components are broken out of the dolomite slabs, creating a rustic one Surface characteristics emerge that are based on conventional Process is referred to as a flamed surface.
  • different irradiation strategies are selected depending on the size, thickness and desired process result. For example, one eighth of the area is exposed first, in order to then expose another eighth away from the adjacent areas of the previously processed eighth. If the two surfaces have been completely processed, the next two surfaces that are not immediately adjacent are processed in the same way.
  • the line-like structure in all its diversity i.e. in the entire defined structural strength and shape, is implemented on the entire dolomite plate.
  • Each structure thickness corresponds to separate process parameters, so that a certain focus position is required for each structure characteristic to be implemented. Due to the laser intensity and exposure time, it is ensured that the thermal load during structuring is much lower than that of large-area irradiation, the so-called flames, so that the material can cool down a little during structuring and a critical temperature that the dolomite plates can be exceeded could possibly damage it is excluded. Therefore, no separate process strategy is provided for this process step of structuring compared to the previous large-area exposure.
  • the optical detection unit 6 and corresponding image processing are used to carry out a quality check by identifying and localizing quartzite veins by the contrast difference of the pixel values from the image processing system and then processing them with the laser beam 8 and adapted intensity in order to achieve homogeneous processing create.
  • This process step is preferably carried out before processing so the material peculiarities were already known and localized before processing. This means that different process parameters can be reacted to during exposure in order to create a uniformly flamed surface.
  • the plate is relocated by a further receiving unit 2 at the end of the conveyor unit 3.
  • Jurassic limestone plates belong to the type of sedimentary rock and are suitable for both indoor and outdoor construction.
  • the nomenclature is not uniform, so that the Jura limestone described here can also be listed under Jura, Jura stone, Jura marble, or the like.
  • the chemical composition of the material does not allow flamed processing.
  • Jurassic lime is offered in polished, brushed, sandblasted, bush hammered, fluted or scored / sawn versions.
  • Each of the surface characteristics mentioned requires at least one specific tool, usually also a specific machine.
  • the device according to the invention has the advantage that the surface characteristics listed can be carried out by one machine alone. Furthermore, the device according to the invention can carry out a large number of other surface changes that can be mapped onto Jurassic limestone. Another advantage is the contactless and therefore wear-free machining for the tool and gentle on the workpiece. Sandblasted and bush hammered machining can be cited as an example, whereby the high forces acting on the material compress the minerals in the material locally, which is expressed in a white crystalline discoloration and is undesirable because this discoloration causes the natural characteristic of the stone is lost.
  • the Jurassic limestone slabs 1 are stacked (horizontally or vertically) in the starting position in the working field suitable for the recording system 2.
  • the receiving system 2 positions a Jura limestone plate 1 on the conveyor unit 3. While the Jura limestone plate is conveyed from the conveyor unit 3 into the processing field 4 of the processing optics 5 in the direction of the arrow F, the profile of the Jura limestone plate becomes measured by means of optical detection unit 6.
  • the dimensions of the plate, the thickness of the plate and the position of the plate relative to the processing optics at the time of the measurement emerge from the measured profile.
  • the software with which the process result can be designed and defined is operated either on the control panel of the machine or on an external computer.
  • a batch of 50 Jurassic limestone slabs measuring 1 x 1 m 2 is to be created.
  • a surface characteristic is created that resembles a very rustic flamed surface, with fine features of a roughly bush hammered and then brushed surface.
  • very different process beam diameters and very different laser intensities with variable exposure times are used.
  • the desired process result is loaded into the data processing unit before the processing of the Jura limestone slab and is not changed for the batch of 50 Jura limestone slabs.
  • the data processing unit then assigns the laser-specific, material-specific and control-specific parameters to these process results and thus controls the laser beam source, the processing optics and the process along the machine axes.
  • the data processing unit can use the material, its size and the type of processing to calculate the processing time to be expected and defines the feed rate of the conveyor unit, in this example 2.2 cm / min. This means that as soon as a plate enters the processing field of the processing optics, the feed of the conveyor unit is set to the feed defined by the data processing unit. It is provided that a safety factor can be entered in the software which generates a feed rate that is slower by this factor than the value calculated by the data processing unit.
  • the data processing unit also uses the progress of the previous plate to calculate the exact point in time at which the next plate will be picked up and positioned on the conveyor unit.
  • a distance can be defined in the software that the individual plates should keep to one another.
  • material processing begins. Processing advances as the conveyor unit progresses. The individual processing steps that lead to the selected process result require repeated adjustment of the parameters. To the rustic To generate surface characteristics, different degrees of material removal and material melt are generated. This requires repeated changes of the focus position in order to guarantee the process-specific laser intensities for the respective interaction and the dimensions and strengths of the generated shapes that are relevant to the result.
  • the panel is either forwarded by the conveyor system to a further processing station, e.g. for brushing, or relocated by another receiving unit at the end of the conveyor unit.
  • Dolomite belongs to the family of sedimentary rocks. As a rule, dolomite plates are compatible with all conventional surface treatment methods. This means that dolomite can be offered in all conventionally available surface finishes.
  • the advantage of the present invention is to produce conventionally producible surface characteristics with the listed advantages by means of laser technology and at the same time to expand the possibility of surface characteristics for dolomite and to reduce the previous expenditure per surface.
  • a flamed surface is implemented into which line-like structures are then incorporated.
  • the structures are also executed in different thicknesses. This surface is not possible with conventional mechanical means.
  • high forces act due to the mechanical processing, which means that the dolomite plates can generally not be processed with a material thickness of less than 20 mm.
  • structures are incorporated without contact and force-free, which makes it possible to process panels with a thickness of less than 20 mm without having to accept damage.
  • Another advantage of the present invention is to produce flamed surface characteristics for the first time in a more flexible, resource-conserving and cheaper way by heating the surface of the natural stone, dolomite in the following example, with a low-intensity laser beam, which causes certain mineral components to burst.
  • the entire machine technology is much simpler because no media are burned or act on the material to reach the necessary process temperature. Since structures can be created with the same laser beam, complex surface characteristics can be realized with one machine and without changing tools.
  • Slate is the name of a type of rock whose mineral stock contains not only clay minerals but also quartz and color-bound minerals such as chlorite, hematite or bitumina. Slate was given the colloquial term slate, as this type of rock is characterized by a flat, parallel dividing surface created by directed pressure, which is called foliation. This foliation leads to the property of cleavage.
  • Roofing slate mining was of great importance in Germany for many centuries.
  • slate is finding its way more and more into the areas of wall cladding, floor slate, terrace covering or raw material for sculptures or everyday objects.
  • black slate panels are processed.
  • the slate is locally brought very precisely to a process temperature using the process steps mentioned.
  • hydrocarbon molecules are removed from the black shale, which are responsible for the characteristic black color.
  • a clay-colored mass is retained, which, together with the naturally occurring pyrite and the pyrrhotite produced from it when the process temperature is applied, has a characteristic color.
  • the color ranges from shimmering gold to bronze to matt brown.
  • the processing of the slate creates an impressive color change that gives a dark slate a new kind of surface character. It For example, marbled structures can be applied, which creates a natural-looking marbling in a golden-brown color on the natural slate stone.
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiment specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different designs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken unterschiedlicher Größe, insbesondere von Natursteinplatten, welche eine Laserstrahlenquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, eine Bearbeitungsoptik zur Fokussierung und Strahlablenkung des Laserstrahls und eine optische Erfassungseinheit zur dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte; Dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks mit einer optischen Erfassungseinheit; Fokussierung und Strahlablenkung eines Laserstrahls einer Laserstrahlenquelle mit einer Bearbeitungsoptik; Oberflächenbearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahl entsprechend eingestellten Prozessparametern. Hierdurch wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächigenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere Natursteinen, zur Verfügung gestellt, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert werden. Dabei werden die Möglichkeiten, die Komplexität und die Flexibilität und Individualisierung der Natursteinoberflächen erweitert und die Produktionsschritte zur Herstellung von Oberflächencharakteristiken auf Natursteinplatten unterschiedlicher Abmessungen flexibler und effizienter gestaltet und der Automatisierungsgrad erhöht. Dabei sind unterschiedliche Oberflächencharakteristika herstellbar, die sich in Form, Verteilung und Grad des Materialabtrags, sowie in der Art der Wechselwirkung, die eine bestimmte Oberflächencharakteristik hervorruft, unterscheiden. Insbesondere sind durch die Erfindung auch die Oberflächen von Dolomit, Jurakalkstein oder ähnlich gearteten Natursteinen ohne lokale Verdichtung der Kristallstruktur bearbeitbar. Ferner ist eine hintereinandergeschaltete Bearbeitung von unterschiedlichen Abmessungen und/oder Materialien möglich.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR OBERFLÄCHENBEARBEITUNG EINES WERKSTÜCKS, INSBESONDERE EINER NATURSTEINPLATTE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontaktlosen Oberflächenbearbeitung von Natursteinplatten unterschiedlicher Dicken für die Verwendung als Baumaterial im Innen- und Außenbereich.
Stand der Technik
Im Innenausbau und Faßadenbau, sowie dem Garten- und Landschaftsbau, also allgemein in der Baubranche, werden Natursteine eingesetzt, deren Oberflächen mechanisch, teils auch thermisch bearbeitet werden. Danach soll eine Funktion, etwa eine notwendige Rutschhemmung von Bodenbelägen, oder eine bestimmte Oberflächenstruktur bzw. Anmutung des jeweiligen Natursteins erzeugt werden.
Hergestellt werden Natursteinplatten, die als natürlicher Rohstoff gelten, durch den Abbau in Steinbrüchen, um anschließend aus einem massiven Natursteinblock einzelne Natursteinplatten zu produzieren, indem der Natursteinblock mit diamantbesetzten Sägewerkzeugen vertikal in einzelne Platten gesägt wird, üblicherweise mit Plattenstärken zwischen 1 und 10 cm, je nach Gesteinsart, nachfolgende Bearbeitungsschritte und Verwendungszweck.
Die daraus entstandene diamantgesägte Oberfläche ist eben und glatt, zeigt aber deutlich erkennbare Sägespuren. Dieser Rohzustand kommt kaum zum Einsatz. Vielmehr ist diese Oberfläche der Ausgangspunkt Sämtlicherweiterer Oberflächenbearbeitungen. Sandgestrahlte Oberflächen etwa werden durch Beschuss des Natursteins mit Abrasivmittel erzeugt, wodurch kleinster Materialabtrag entsteht und die Rauigkeit der Oberfläche erhöht. Gestockte Oberflächen dagegen werden mittels Meißel erzeugt, automatisiert oder handgeführt. Auch hier entsteht Materialabtrag, der je nach Schärfe und Form des Meißelwerkzeugs feiner oder gröber ausfällt. Geflammte Oberflächen werden durch thermische Behandlung erzeugt, indem hauptsächlich Luft, Sauerstoff und Propan verbrannt wird und diese Flamme mit einer oder mehreren Flammdüsen auf das Werkstück gerichtet ist. Die Temperaturverhältnisse im Material erzeugen ein Aufplatzen bestimmter Körner, abhängig von Materialzusammensetzung und Temperatur. Geschliffene Oberflächen lassen die Sägespuren der diamantgesägten Ausgangsoberflächen nach und nach verschwinden. Polierte Oberflächen sind eine weitere Stufe der geschliffenen Bearbeitung und zeigen aufgrund der extremen glätte glasartigen Charakter. Geriffelte oder gesägte Oberflächen werden mit diamantbesetzten Sägewerkzeugen hergestellt und hierbei nur angesägt, oder angeritzt. Geriffelte oder gesägte Oberflächen können in beschränkter Vielfalt hergestellt werden, je nach Eigenschaften und Führung des Werkzeugs und somit Komplexität der Maschine. Anschließend können eingesägte Oberflächen abgeschlagen werden, um in regelmäßigen Abständen spaltraue Oberflächen herzustellen. Als weitere Oberflächentechnik kann für gut spaltbare Natursteine, wie beispielsweise Tonschiefer oder Gneise, die ursprüngliche, gespaltene Form genannt werden. Um diese Form herzustellen, wird Rohmaterial mit großem Kraftaufwand gewaltsam getrennt.
Jede der oben genannten Oberflächen kann zudem anschließend noch gebürstet werden. Hier wirken Kunststoff- oder Diamantbürsten auf die Oberfläche, wodurch scharfe Kanten geglättet werden, die Unebenheit der vorgeschalteten Technik jedoch erhalten bleibt. Ebenso gibt es weitere Oberflächentechniken, die durch Feinabstimmungen oder Kombination der eben genannten Oberflächentechniken erstellt werden können. Zudem gibt es Weiterbildungen der Schleif- und Bürsttechniken, die den Naturstein jedoch nur gering in seiner Beschaffenheit verändern. Als Beispiel kann hier das Ledern, das Satinieren, das Ölen und Ähnliche genannt werden.
Jede der genannten möglichen Oberflächen benötigen in der industriellen Herstellung spezifische Anlagen oder Werkzeuge, wodurch die betriebswirtschaftlichen Aufwendungen pro erzielbare Oberflächenkonfiguration sehr hoch sind.
Ein weiterer Nachteil der mechanischen Bearbeitungsverfahren ist die Reaktion des jeweiligen Materials auf die enormen Kräfte, die auf das Material wirken. Sie ist bei vielen sandgestrahlten oder gestockten Natursteinarten, wie z.B. Dolomit oder Jurakalkstein, durch ausgeprägte weiße Verfärbungen in der Wechselwirkungszone gekennzeichnet, dadurch hervorgerufen, dass durch die Krafteinwirkung zwar Material abgetragen wird, aber eben auch lokal verdichtet wird und sich diese verdichtete Kristallstruktur nun weiß oder milchig darstellt. Dies hat zur Folge, dass die Charakteristik des Steins ungewollt stark verändert wird und sich einzelne natürlich vorkommende Strukturen, mineralische Adern oder Farbsegmente nicht mehr oder nur noch schwer erkennen lassen und somit verloren gehen und damit die Wertigkeit des Natursteins mindern.
Des Weiteren wird die Dicke der Natursteinplatte oftmals aufgrund ihres Eigengewichts und ihrer Stabilität gewählt. Oft bestimmt auch das angewandte mechanische Bearbeitungsverfahren die mögliche Materialstärke, wodurch die Platte aufgrund der daran wirkenden Kräfte während der Bearbeitung dicker produziert wird, als durch die Eigenstabilität möglich wäre. Dünnere Platten besitzen den Vorteil, dass bestehende Ressourcen effektiver genutzt werden können, das heißt, aus einem Steinblock lässt sich eine größere Plattenmenge erzeugen. Ebenso lassen sich dünner ausgeführte Platten in der Logistik und auf der Baustelle, besser handhaben, das heißt transportieren und verlegen.
Die thermische Behandlung, das sogenannte „Flammen“, ist zudem ein sehr energieintensiver Prozess, bei dem Luft, reiner Sauerstoff, Propan und Wasser verbraucht wird. Um ein Beispiel einer Flammanlage zu nennen, die 10 - 50 m2 geflammten Naturstein pro Stunde hersteilen kann und damit als eher kleine Anlage gilt, werden folgende Verbrauchswerte angegeben: 3000 Liter/min Luft (bei 7 bar), 1400 Liter/min Sauerstoff (02), 1000 Liter/min Propan, 5 Liter/min Wasser. Hinzu kommen Aufwendungen zur technischen und organisatorischen Abwasserentsorgung und Medienversorgung und -lagerung.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere Natursteinen, zur Verfügung zu stellen, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert wird. Dabei sollen die Möglichkeiten, die Komplexität und die Flexibilität und Individualisierung der Natursteinoberflächen erweitert und die Produktionsschritte zur Herstellung von Oberflächencharakteristiken auf Natursteinplatten unterschiedlicher Abmessungen flexibler und effizienter gestaltet und der Automatisierungsgrad erhöht werden. Dabei sollen unterschiedliche Oberflächencharakteristika herstellbar sein, die sich in ihrer optischen Anmutung, Form, Verteilung und Grad des Materialabtrags, sowie in der Art der Wechselwirkung, die eine bestimmte Oberflächencharakteristik hervorruft, unterscheiden. Insbesondere sollen durch die Erfindung auch die Oberflächen von Dolomit, Jurakalkstein oder ähnlich gearteten Natursteinen ohne lokale Verdichtung der Kristallstruktur bearbeitbar sein. Ferner soll eine hintereinandergeschaltete Bearbeitung von unterschiedlichen Abmessungen und/oder Materialien möglich sein.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmale des Anspruch 1 und von einem Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hierdurch wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere Natursteinen, zur Verfügung gestellt, welche(s) die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und wodurch insbesondere Werkzeug- und Maschinenverschleiß sowie die Gesamtkosten verringert werden. Dabei werden die Möglichkeiten, die Komplexität und die Flexibilität und Individualisierung der Natursteinoberflächen erweitert und die Produktionsschritte zur Herstellung von Oberflächencharakteristiken auf Natursteinplatten unterschiedlicher Abmessungen flexibler und effizienter gestaltet und der Automatisierungsgrad erhöht. Dabei sind unterschiedliche Oberflächencharakteristika herstellbar, die sich in ihrer optischen Anmutung, Form, Verteilung und Grad des Materialabtrags, sowie in der Art der Wechselwirkung, die eine bestimmte Oberflächencharakteristik hervorruft, unterscheiden. Insbesondere sind durch die Erfindung auch die Oberflächen von Dolomit, Jurakalkstein oder ähnlich gearteten Natursteinen ohne lokale Verdichtung der Kristallstruktur bearbeitbar. Ferner ist eine hintereinandergeschaltete Bearbeitung von unterschiedlichen Abmessungen und/oder Materialien möglich. Zwar sind auch vereinzelt Versuche zur Laserbearbeitung von Natursteinen bekannt. So beschreibt die DE 19816442 A1 beispielsweise ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von verlegten Fußbodenplatten mittels Laser. Ähnliche Verfahren sind beispielsweise in der DE 19843498 A1 beschrieben. Allerdings sind diese bekannten Verfahren auf Spezialanwendungen und einzelne Materialien beschränkt oder bedürfen zusätzliches Aufbringen chemischer Substanzen. Die DE 19518270 C1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen rutschfester Bodenbeläge durch gezieltes Einbringen gepulster Laserstrahlen auf polierte bzw. glänzende Oberflächen von Granitplatten. Dadurch werden für das menschliche Auge nicht sichtbare Mikrosaugnäpfe erzeugt.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte, vorgesehen, welche eine Laserstrahlenquelle zum Erzeugen eines kontinuierlichen Laserstrahls, eine ansteuerbaren Bearbeitungsoptik zur Fokussierung und Strahlablenkung des Laserstrahls und eine optische Erfassungseinheit zur dreidimensionalen Erfassung und/oder Vermessung des Werkstücks aufweist. Während der Bearbeitung der Natursteinplatten entsteht sehr viel Rauch und Staub, der die optischen Eigenschaften des Laserstrahls möglicherweise beeinflussen kann. Ein Luftstrom, vorzugsweise parallel und in unmittelbarer Nähe zur bearbeiteten Ebene, beispielsweise verursacht durch eine über das gesamte Bearbeitungsfeld installierte Absaugung, kann gleichbleibende Prozessbedingungen erreichen, indem entstehender Rauch und Staub effektiv aus der Wechselwirkungszone entfernt wird. Die Bearbeitungsoptik kann bevorzugt eine ansteuerbare Fokussiereinheit und eine ansteuerbaren Ablenkeinheit aufweisen. Die ansteuerbare Fokussiereinheit kann eine Fokussierlinse aufweisen, die auf einer motorisierten Achse sitzt, wodurch die Fokuslage in z-Richtung modifiziert werden kann. Die motorisierte z-Achse ist für dieses Verfahren besonders bevorzugt, da mithilfe einer ansteuerbaren Fokussiereinheit, im Gegensatz zu einer konventionellen, starren Fokussierlinse mit Bildfeldkorrektur (sog. Planfeld-Linsen), die Brennweite des Systems dynamisch angepasst werden kann, ohne Wechsel der Linsensysteme. Dies erlaubt die Realisierung unterschiedlicher Prozessbedingungen und damit unterschiedlicher Natursteinoberflächen mit einer Vorrichtung. Außerdem bietet die ansteuerbare Fokussierlinse die Möglichkeit ein Arbeitsfeld von mindestens 1500 x 1500 mm2 zu erzeugen, was die Bearbeitung großer Natursteinplatten ermöglicht. Dabei beträgt das Gewicht der Natursteinplatten je nach Dicke und Material im allgemeinen etwa 30 kg/m2 bis 150 kg/m2. Ein weiterer Vorteil der variablen Fokussiereinheit ist die Tatsache, dass dadurch im Gegensatz zu F-Theta Linsen erstmalig Brennweiten von 2000 mm und mehr erreicht werden können. Zum einen werden dadurch große Arbeitsabstände (Abstand zwischen Bearbeitungsoptik und Bearbeitungsebene) realisierbar, wodurch die Bearbeitungsoptik vor möglichen Prozess-Spritzern oder ausgebrochenem Material zusätzlich geschützt wird. Zum anderen werden durch die großen Brennweiten auch dem Verfahren vorteilhafte Fokussierbedingungen erreicht. Des Weiteren kann die Bearbeitungsoptik aus einem Strahlformungselement bestehen, das den in die Bearbeitungsoptik eintreffenden Laserstrahl kollimiert. In einer weiteren Ausführung kann ein weiteres Strahlformungselement in den Strahlengang eingesetzt werden, das dafür vorgesehen ist, das Intensitätsprofil in der Bearbeitungsebene zu modifizieren, z.B. um ein sog. top-hat-Strahlprofil zu erzeugen oder um ein Ring- Strahlprofil zu erzeugen. Des Weiteren wird mit mindestens einer optischen Erfassungseinheit punktuell oder flächig das zu bearbeitende Werkstück in seinen lateralen Ausmaßen und Dicke, bzw. Abstand zur Bearbeitungsoptik erfasst. Es ist zudem möglich, eine Laserstrahlenquelle über Strahlteiler in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen und unabhängig voneinander anzusteuern. Ferner können in weiteren Ausführungen auch mehrere Laser parallel, synchron oder nacheinander eingesetzt werden, mit mindestens einer Bearbeitungsoptik oder je Laser einer Bearbeitungsoptik. Die Anzahl der eingesetzten Laserstrahlenquellen kann je nach Komplexität, Produktivität und Größe der zu bearbeiteten Werkstücke festgelegt werden.
Ferner könnte ein geringer Gasstrom in Form eines sogenannten Crossjet zum Schutz der Bearbeitungsoptik eingesetzt werden. Dieser Volumenstrom schützt die Bearbeitungsoptik vor Prozess-Spritzern oder abgesplittertem Material, indem ein Gasstrom parallel zur Bearbeitungsoptik angewendet wird. Dadurch werden Prozess- Spritzer, die vom Material ausbrechen und die Bearbeitungsoptik beschädigen könnten von dem Gasvolumenstrom abgelenkt und treffen damit nicht auf empfindliche Optiken oder zusätzlich schützende Schutzgläser.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass eine Datenverarbeitungseinheit zum Steuern der Laserstrahlenquelle, der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist. Ferner beinhaltet eine vorteilhafte Ausführungsform, dass eine Bildverarbeitungseinheit zum Aufnehmen, Übertragen, Bearbeiten und Weiterverarbeiten von Pixeldaten der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist. Dabei könnte die Bildverarbeitungseinheit als Software auf der Datenverarbeitungseinheit ausgestaltet sein. Da die Zusammensetzung der meisten Natursteine inhomogen ist, kann die optische Erfassungseinheit derart ausgebildet sein, dass sie mit einer Bildverarbeitungssoftware über Kontrastverhältnisse die Quarzit-Anteile lokal identifiziert und der Steuerungseinheit mitteilt, sodass lokal die laserspezifischen Parameter automatisch aus einer Datenbank mit Parametersätzen angepasst werden. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Materialinhomogenitäten hochautomatisiert ausgeführt werden. Über die Datenverarbeitungseinheit können Prozessparameter für die jeweiligen Bearbeitungsschritte definiert werden, d.h. an welcher Stelle auf dem Werkstück, welche Art von Wechselwirkung stattfinden soll. Beispielsweise kann die Laserintensität auf der Bearbeitungsebene durch Anpassung der Laserleistung und des Prozessstrahldurchmessers eingestellt werden. Bevorzugt könnte der Prozessstrahldurchmesser angepasst werden, indem die Fokusebene des Laserstrahls verändert wird. Beispielsweise kann ein Bearbeitungsfeld pro Laser und pro Bearbeitungseinheit von 1500 mm x 1500 mm umgesetzt werden. Um zu gewährleisten, dass über das gesamte Bearbeitungsfeld von 1500 mm x 1500 mm die Fokusebene des Laserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene konstant bleibt, könnte die Fokusebene über eine motorisierte und regelbare Fokussiereinheit nachgeführt werden. Diese Einheit arbeitet sehr präzise, wodurch die empfindlichen Fokussierbedingungen des Laserstrahls eingehalten werden können.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass eine Fördereinheit zum Fördern der Werkstücke von einem Aufnahmesystem in ein Bearbeitungsfeld und aus dem Bearbeitungsfeld heraus vorgesehen ist. Dabei ist die Fördereinheit vorzugsweise zum Fördern von Werkstücken größer oder gleich 1500 mm x 1500 mm und/oder einem Gewicht von größer oder gleich 30 kg/m2, vorzugsweise 100 kg/m2 ausgebildet. Des Weiteren kann die Vorrichtung ein System zum Umorientieren von Natursteinplatten vorsehen, beispielsweise, um senkrecht gelagerte Rohplatten in die waagerechte Position und auf die Fördereinheit zu positionieren, beispielsweise durch Aufnahmesysteme mit Unterdruck-Noppen.
In Kombination mit der dreidimensionalen Erfassungseinheit können Orientierung, Abmessungen und Dicke und/oder Materialart der geförderten Werkstücke bestimmt werden, wodurch die Bearbeitung automatisiert und unabhängig von Orientierung, Abmessungen und Materialstärke ausgeführt werden kann. Wird außerdem eine oben genannte Bildverarbeitung verwendet, kann die Bearbeitung zudem unabhängig von der Naturstein-Art, sowie Materialinhomogenitäten für eine bestimmte Naturstein-Art ausgeführt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass eine graphische Benutzerschnittstelle vorgesehen ist. Hierdurch könnte beispielsweise mithilfe einer Steuerungsmöglichkeit in der graphische Benutzerschnittstelle bzw. der GUI (=graphical user interface) das Bildfeld oder die Konturen der zu bearbeitenden Platte dargestellt und anschließend über Ober-Kategorien die Art der Bearbeitung bestimmt werden, z.B. Ober-Kategorie „Flammen“, Ober-Kategorie „Sandstrahlen“, Ober- Kategorie „Stocken“ und Ober-Kategorie „Strukturieren“. Die jeweilige Ober-Kategorie weist dann Unter-Kategorien auf, die über Form und Muster des Abtrags (z.B. Konturen, Punkte, Linien, Polynome, definierte Musterzüge, etc.), über den Grad des Abtrags (z.B. Tiefe, Ausmaß, etc.) und über die Verteilung und Dichte des Musters bestimmen. So kann graphisch eine Art Cluster oder eine Art imaginäre Folie in der graphischen Benutzerschnittstelle auf die zu bearbeitende Platte gelegt werden. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden wie gewünscht, sodass sich durch diese Anordnung neue Oberflächen darstellen lassen. Die einzelnen Cluster könnten ebenso nach festgelegter Priorität abgearbeitet werden, sodass sich gewünschte Effekte wie z.B. der Darstellung von Muster und Formen auf einer zuvor geflammten Oberfläche realisieren lassen. Für jede dieser Oberflächenkategorien oder Oberflächencharakteristika ist ein vom Material abhängiger klar definierter Parametersatz hinterlegt, der dann entsprechend von der Steuerungstechnik geladen und angewandt wird. Durch diese Gestaltung der Oberflächenbearbeitung von Natursteinen ergeben sich deutliche Vorteile in der Möglichkeit der Gestaltung und Oberflächenvielfalt, mit dem zusätzlichen Kostenvorteil, dass für all diese Oberflächencharakteristika keine spezifischen Werkzeuge und Maschinen verwendet werden müssen und dass sich diese Oberflächencharakteristika mit einem hohen Maß an Flexibilität umsetzen lassen. Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich nun Kleinserien von wenigen zehn bis hundert Quadratmeter effizient umsetzen, da keine Rüstzeiten notwendig sind und sich Änderungen in der Produktion in wenigen Schritten umsetzen oder automatisieren lassen. Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die optische Erfassungseinheit ein dreidimensionales Kamerasystem oder ein zweidimensionales Kamerasystem mit zumindest einem Lasermessgerät, einem Ultraschallmessgerät oder jedem anderen geeigneten Sensor aufweist. Das bildgebende zweidimensionale Kamerasystem kann eine entsprechende Bildverarbeitungssoftware aufweisen, um mittels Kontrastverhältnissen Materialbesonderheiten oder Materialunstetigkeiten (Materialinhomogenität) zu erfassen. Dies können beispielsweise Quarzit-Adern in Dolomit-Platten sein. Um das Bearbeitungsergebnis von Dolomit-Platten zu verbessern, bedarf es einem gesonderten Parametersatz zur Bearbeitung der Quarzit- Adern die auf der Oberfläche der Dolomit-Platten erscheinen. Diese Quarzit-Adern erscheinen weiß-kristallin und unterscheiden sich deutlich vom umgebenden grau dunklem Dolomit-Gestein. Das Kamerasystem kann dieses Kontrastverhältnis aufnehmen und mittels der Bildverarbeitungssoftware lokalisieren, sodass durch die berechneten Koordinaten gezielt veränderte Prozessparameter angewendet werden können. Das 2D-Kamerasystem kann beispielsweise zusammen mit einem Laserentfernungsmessgerät bzw. mit mehreren ortsaufgelösten Laser-Abstandssensoren oder Ultraschallsensoren vorgesehen sein. Flächige Höheninformation wird dann durch Extrapolieren der einzelnen Punkte generiert. Das zweidimensionale Kamerasystem könnte auch mit einem dreidimensionalen Kamerasystem auf Basis der Stereoskopie oder der Triangulationstechnik und entsprechender Bildverarbeitungssoftware erweitert werden. Ein dreidimensionales Bildverarbeitungssystem kann zweidimensionale und dreidimensionale Bildverarbeitungsaufgaben lösen, sodass in weiteren Ausführungsformen mit einem dreidimensionalen Bildverarbeitungssystem eine Gütekontrolle durchgeführt, z.B. Vergleich der Ist- und Sollzustände von Materialabtrag, Ausmaß der Strukturen, etc., und automatisiert werden kann. Des Weiteren kann ein dreidimensionales Bildverarbeitungssystem den Abstand zwischen Bearbeitungsoptik und Bearbeitungsebene messen, sodass diese Information verwendet werden kann, um die Fokuslage des Laserstrahls flexibel an das jeweilige Material anzupassen. Dadurch entfällt der Prozessschritt, die Materialstärke über die Lasermessgeräte zu messen. Die Information wird in dieser Ausführungsform automatisch von der Bildverarbeitungseinheit an die Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet. So können sehr flexibel unterschiedlich dicke Natursteinplatten nacheinander bearbeitet werden. Ebenso kann die Schräge bei großen Platten vermessen werden. Schräge Platten oder schräg aufgelegte Platten können in ihrer gesamten Länge oftmals mehrere Millimeter Höhenunterschied aufweisen, was für die Prozessstabilität ungünstig wäre. Durch die Vermessung der Schräglage kann die Fokuslage automatisiert angepasst werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Fokuslage des Laserstrahls der Laserstrahlenquelle außerhalb der Werkstückebene liegt. D.h., die Fokusebene des Laserstrahls muss nicht auf der Werkstückoberfläche liegen, sondern kann auch davor liegen, ein sog. Zwischenfokus, oder auch dahinter, ein so genannter imaginärer Fokus. Dadurch können beispielsweise defokussierte Strahleigenschaften erzeugt werden, die insbesondere für thermisch induzierte Oberflächen, etwa einer geflammten Oberfläche, geeignet sind. Durch eine Defokussierung können Prozessbedingungen geschaffen werden, die eine großflächige Erwärmung der Naturstein-Platte zulassen, wodurch ein dem klassischen Flammen nachempfundenes Prozessergebnis entsteht.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die graphische Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Materialart und/oder Art der Bearbeitung zum Erreichen eines Soll-Zustands über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, vorgesehen ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Strahlqualität M2 von kleiner oder gleich 1,5 aufweist. Vorteilhafterweise weist der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Leistung von größer oder gleich 1 kW auf. Um die große Vielfalt an Oberflächencharakteristika umsetzen zu können, kann die Intensität des Laserstrahls der auf das Material trifft gezielt innerhalb einer Bandbreite von 1 kW/cm2 bis 60 MW/cm2 reproduzierbar eingestellt werden, wobei mit zunehmender Laserleistung in weiteren Ausführungen auch entsprechend die maximale Intensität zunimmt.
Aus den bisherigen Arbeiten mit Naturstein hat sich für die unterschiedlichen Prozesse ergeben, dass es vorteilhaft ist, die Laserintensität für das jeweilige Material und den jeweiligen Prozess auf etwa +/- 10 % konstant zu halten. Eine Stabilität der Laserintensität von etwa +/- 10 % bedeutet aufgrund der quadratischen Beziehung zwischen Prozessstrahldurchmesser und Laserintensität eine Stabilität des Prozessstrahldurchmessers von maximal +/- 5 % einhalten zu müssen.
Ferner beinhaltet eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle vorzugsweise eine Wellenlänge von einschließlich 1000 nm bis einschließlich 1100 nm oder von 10,6 gm aufweist, vorzugsweise von einschließlich 1030 nm bis einschließlich 1064 nm. Beispielsweise könnte ein CO2-Laser (Wellenlänge 10,6 pm) und/oder ein Infrarot-Laser (Wellenlänge zwischen 1000 nm und 1100 nm) mit hoher Leistung von >1,5 kW eingesetzt werden.
Der Prozessstrahldurchmesser, d.h. der Durchmesser des Laserstrahls der Laserstrahlenquelle auf der Ebene des Werkstücks, trifft mit einem Durchmesser von 100 pm - 20 mm (definiert über das zweite Moment der Intensitätsverteilung) auf das Werkstück und wird dadurch Material verdampfen, sublimieren, schmelzen oder erwärmen. Die Art der Wechselwirkung wird durch die Intensität des Laserstrahls beeinflusst. Die Intensität definiert sich als Quotient aus mittlerer Laserleistung zur Querschnittsfläche des Laserstrahls auf der Ebene des Werkstücks.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung um eine weitere Laserquelle erweitert, die parallel, synchron oder abwechselnd großflächige Prozessstrahldurchmesser von größer 10 mm mit einer Strahlqualität M2 von mindestens 1 ,5 und schlechter umsetzt. In einer weiteren Ausführung wird die Bearbeitungsoptik mit einer auf das Bearbeitungsfeld gerichteten LED-Beleuchtung erweitert, um eine geeignete Belichtung für vorhandene Kamerasysteme im sichtbaren Bereich zu gewährleisten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Bearbeitungsoptik ansteuerbare Linsen mit einer Brennweitenänderung von mimdestens 500 mm aufweist und die Brennweite vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 300 mm bis einschließlich 3000 mm einstellbar ist. Mit der regelbaren Fokussiereinheit lässt sich jeder Punkt auf der Bearbeitungsebene ansteuern und die Fokusebene nachregeln. Dies kann notwendig sein, da durch die sphärische Fokussierlinse auch eine sphärische Fokuslagenebene abgebildet wird. Um die Fokuslage nun auf die ebene Bearbeitungsebene abzubilden, wird eine Linse innerhalb der Fokussiereinheit angesteuert, wodurch der anfänglich kollimierte Laserstrahl nun divergent auf die Fokussierlinse trifft, wodurch sich die Fokuslage beeinflussen lässt.
Die optische Weglänge des Laserstrahls beeinflusst außerdem den Fokusdurchmesser des Laserstrahls in linearer Beziehung nach Gleichung 1. Für den konkreten Anwendungsfall der hier vorliegenden Vorrichtung zur Bearbeitung von Natursteinplatten innerhalb eines rechteckigen Bearbeitungsfeldes von mindestens 1500 mm x 1500 mm ergibt sich ein Mindest-Arbeitsabstand (orthogonaler Abstand zwischen Fokussierelement und Bearbeitungsebene) der eingerichtet werden muss, damit die Differenz der optischen Weglängen zwischen senkrecht auftreffendem Strahl und in die Ecken der Bearbeitungsebene fokussiertem Strahl maximal +1-5 % beträgt. Für ein Bearbeitungsfeld von 1500 mm x 1500 mm entspricht das nach Gleichung 2 einem Arbeitsabstand von mindestens 2315 mm.
Gleichung 1 :
Figure imgf000014_0001
df Fokusdurchmesser des fokussierten Strahls
M2 Strahlqualität f Brennweite der Linse, bzw. optische Weglänge l Wellenlänge des Laserstrahls dL Strahldurchmesser auf Fokussierlinse de Fokusdurchmesser des Eingangsstrahles
0e Divergenz (im Vollwinkel) des Eingangsstrahles
Gleichung 2: a2 + b2 = c2 mit c < 1,1 a a Senkrechter Abstand zwischen Fokussiereinheit und Mittelpunkt der Bearbeitungsebene b Strecke zwischen Mittelpunkt und Eckpunkt der Bearbeitungsebene c Abstand zwischen Fokussiereinheit und Eckpunkt der Bearbeitungsebene
Je größer der Arbeitsabstand gewählt wird, desto kleiner fällt das Verhältnis der optischen Weglängen zwischen senkrecht auftreffendem Strahl und in die Ecken der Bearbeitungsebene fokussiertem Strahl aus (bei gleichbleibender Größe der Bearbeitungsebene). Für ein Bearbeitungsfeld von 1500 x 1500 mm2 wird die Bearbeitungsoptik, insbesondere die Fokussierbedingung so ausgelegt, dass ein Arbeitsabstand von mindestens 2315 mm eingehalten wird.
Die Bearbeitungsoptik könnte auch mit Planfeld-Fokussierelementen (z.B. einem F-Theta Linsenelement) zur Fokussierung und Feldkorrektur des Laserstrahls arbeiten. Mit einem Planfeld-Element lässt sich nur eine Brennweite umsetzen, sodass unterschiedliche Arbeitsabstände durch Bewegung der gesamten Bearbeitungsoptik oder der gesamten Werkstückaufnahme realisiert werden können.
Eine beispielhafte Realisierung des Arbeitsabstands bei gleichzeitig dynamischer Steuerung des Arbeitsabstandes ist die Fokussierung und Auslenkung des Laserstrahls mittels ansteuerbaren Fokussierlinsen, sogenannter 3-Achs-Scan-Einheit. Diese Einheit besteht im einfachsten Fall aus einer konvexen und einer konkaven Linsen; die erste Linse ist konkav und ansteuerbar und modifiziert durch Linearbewegungen den kollimiert auftreffenden Laserstrahl in einen divergenten Laserstrahl und steuert damit die Divergenz und den Durchmesser des Laserstrahls der auf die konvexe Fokussierlinse trifft, wodurch die Fokuslage des Laserstrahls beeinflusst wird. Die notwendigen Korrekturdaten werden für die Parameter berechnet, simuliert und als Datei in der Datenverarbeitungseinheit gespeichert. Mit Korrekturdaten sind die für die Laserparameter berechneten Positionen entlang der Linearachse der ersten Linse für jeden Punkt auf der Bearbeitungsebene gemeint. Für jeden Punkt auf der Bearbeitungsebene muss die Fokuslage korrigiert werden, was durch lineare Bewegungen der ersten ansteuerbaren konkaven Linse realisiert wird. Jedem Punkt auf der Bearbeitungsebene muss demnach explizit eine Position der ansteuerbaren Linse auf ihrer Linearachse zugeteilt werden. Diese Daten werden nach laserspezifischen Parametern (z.B. Wellenlänge, Strahlqualität, Divergenz, Strahldurchmesser, etc.) und anlagenspezifischen Parameter (geforderter Arbeitsabstand, geforderter Fokusdurchmesser, geforderter Prozessstrahldurchmesser, geforderte Divergenz, etc.) erstellt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit senkrecht und horizontal entlang der Maschinenachsen einstellbar ist. In einer anderen Ausführungsform wird die Bearbeitungsoptik zusätzlich in mindestens einer weiteren Linearachse oder Rotationsachse relativ zum Werkstück bewegt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass ein Robotersystem die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit verfährt. Die Anzahl der Freiheitsgrade der beweglichen Achsen sollte in diesem Sinne nicht begrenzt sein, da je nach anwendungsspezifischen Anforderungen nicht nur die zur Bearbeitungsoptik zugeneigte Oberfläche bearbeitet wird, sondern auch die orthogonal dazu liegenden Kanten, sodass in weiteren Ausführungsformen weitere Drehachsen oder Mehrachs-Roboter eingesetzt werden können, um die Bearbeitungsoptik oder in gewissem Maße auch die Werkstückauflage drehen zu können.
Ferner könnten eine oder mehrere Wärmebildkameras oder ein oder mehrere Pyrometer vorgesehen sein, um während der Oberflächenbearbeitung „Flammen“ die Temperaturverteilung auf der Natursteinoberfläche messen zu können. Die ermittelten Daten werden dann mit vorher programmierten Soll-Werten verglichen, um daraus Korrekturmaßnahmen mithilfe der laserspezifischen und steuerungstechnischen Parameter treffen zu können. Durch diese Ausführungsform wird der Grad der Automatisierbarkeit erhöht und zugleich eine indirekte Qualitätskontrolle durchgeführt. Diese Ausführungsform kommt zum Einsatz, wenn Naturstein „geflammt“ wird, also oberflächlich erwärmt wird oder allgemein bei materialabtragenden Bearbeitungen zur Kontrolle der mittleren Temperaturverteilung im Werkstück, um frühzeitig eine thermische Überlastung des Materials zu erkennen, und damit einem Bruch oder einem Riss durch zu hohe thermisch induzierte mechanische Spannungen vorzubeugen oder entsprechende kühlende Gegenmaßnahmen während der Bearbeitung einzuleiten. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks vorgesehen, welches folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte; b) Dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks mit einer optischen Erfassungseinheit; c) Fokussierung und Strahlablenkung eines Laserstrahls einer Laserstrahlenquelle mit einer Bearbeitungsoptik; d) Oberflächenbearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahl entsprechend eingestellten Prozessparametern.
Unter Bereitstellen des Werkstücks wird dabei insbesondere auch das Heben und Fördern des Werkstücks im Zuge des Verfahrens verstanden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann Oberflächencharakteristika, wie beispielsweise sandgestrahlt, gestockt, geflammt, etc. abbilden, wobei die Bearbeitung kontaktlos und kräftefrei durchgeführt wird und damit den Werkzeugverschleiß verringert. Ferner werden durch das vorliegende Verfahren Ressourcen geschont, da keine bzw. im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungsverfahren nur geringe Mengen Gase oder Wasser eingesetzt werden. Des Weiteren werden die Dicken der Natursteinplatten in herkömmlichen Verfahren nach dem Bearbeitungsverfahren ausgewählt. Insbesondere beim Stocken oder beim Sandstrahlen wirken große mechanische Kräfte auf das Material. Um Rissen oder Brüche innerhalb der Platten vorzubeugen, werden die Natursteinplatten für diese Art von Bearbeitungsverfahren selten in Stärken kleiner 20 mm ausgeführt. Zudem werden die Platten für die Bearbeitung meist mit einem Aufmaß zugeschnitten, um dann nach der Bearbeitung das Material erneut in Form zu schneiden, da in der Regel die Kanten der Natursteinplatten durch die Bearbeitung ausgebrochen sind. Unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens, Laserstrahlung als bearbeitendes Werkzeug zu verwenden, wirken keine Kräfte mehr auf das Material, wodurch problemlos Materialstärken kleiner 20 mm mit ähnlicher Oberflächencharakteristik ausgeführt werden können oder die Natursteinplatten bereits vor der Bearbeitung auf Sollmaß geschnitten werden können, da die Bearbeitung schonend und kräftefrei stattfindet und dadurch der Ausbruch der Kanten bei ähnlichen Bearbeitungsergebnissen, wie bei gestockten oder sandgestrahlten Oberflächencharakteristika vermieden wird. Vorteilhafterweise kann ein Luftstrom parallel und unmittelbar über der Werkstückoberfläche vorgesehen sein, um die Wechselwirkungszone, sowie den gesamten Luftraum zwischen Werkstück und Bearbeitungsebene frei von Staub und Rauch zu halten.
Ferner erfährt der zu bearbeitende Naturstein, hier insbesondere Dolomit oder Jurakalkstein, während der Bearbeitung keine mechanischen Kräfte, sodass das Material geschont wird, sich keine kristallinen Verdichtungen bilden, wodurch die Wertigkeit des Natursteins erhöht und dessen Charakter besser zur Geltung kommt. Zum anderen ergeben sich durch die berührungslose Bearbeitung des Natursteins neue Möglichkeiten in der Gestaltung der Natursteinplatten in Form und Dicke. Mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahren ist es möglich größere Plattenmaße ab 1 ,0 x 1 ,5 m2 von bis zu 1 ,5 x 3,0 m2 mit Materialstärken <20 mm zu bearbeiten, was mit konventionellen mechanischen Bearbeitungsverfahren nicht möglich ist, da durch die Bearbeitung derart hohe Spannungen in das Material eingetragen werden, dass die Gefahr von Risse oder Ausbrüche besteht und diese Risse in einem weiteren Produktionsschritt verklebt werden müssen oder die Platten nicht mehr verwendet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für magmatische Gesteine (Magmatite), Sedimentgesteine (Sedimentite) sowie Metamorphe Gesteine (Metamorphite) angewendet werden. Magmatische Gesteine sind aus der Kristallisation magmatischer Schmelzen entstanden. Das Gefüge ist meist richtungslos und die einzelnen Mineralien und Mengen sind in der Regel homogen verteilt. Zu den magmatischen Gesteinen zählen unter anderen Granit, Granodiorit, Syenit, Diorit und Rhyolith. Sedimentgesteine sind durch Verwitterung, Abtragung und Ablagerung entstandene Gesteine, darunter zählen unter anderen Sandstein, Kalkstein, Dolomit, Mergel, Arkose und Breccie. Metamorphe Gesteine sind ehemals Sedimentgesteine oder Magmatische Gesteine, welche durch Metamorphose in Mineralbestand und Gefüge verändert wurden. Metamorphe Gesteine können unter anderen unterteilt werden in Quarzite, Gneise oder Schiefer. Unter die Gruppe der metamorphen Gesteine zählen z.B. Marmor, Gneis, Glimmerschiefer, und weitere. Unter anderem können durch das Verfahren Granit, Marmor, Kalkstein, Travertin, Sandstein, Serpentinit, Muschelkalk, Dolomit, Gneis, Alabaster oder Schiefer bearbeitet werden.
Je nach Art des Natursteins, demnach je nach Mineralart und Mineralbestand, werden die laserspezifischen und steuerungstechnischen Parameter angepasst, um das zu erwartende Ergebnis zu erzielen. So bedarf es z.B. zur Bearbeitung von Quarzit oder Quarzit-Adern in Sedimentgesteinen einer hohen Leistungsdichte, um diese Quarzit- Anteile abtragen zu können. Ähnlich verhält es sich mit Granit oder Schiefer. Die Zusammensetzung der mineralischen Bestandteile erfordert eine sehr hohe Leistungsdichte. Bestimmte Sandsteine, oder Kalksteine dagegen lassen sich bereits mit um Faktor 10 geringeren Leistungsdichten effektiv bearbeiten. Dies liegt z.B. daran, dass bestimmte Natursteine im Gegensatz zu manch anderen Natursteinen eine Zersetzungstemperatur besitzen, die zudem in der Regel niedriger als die Schmelz- oder Siedetemperatur ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass eine Eingabe der Materialart und/oder des Soll-Zustands auf einer graphischen Benutzerschnittstelle über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder über Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, erfolgt. Der Bearbeitungslaserstrahl ist dabei als kontinuierlicher Laserstrahl ausgebildet, beispielsweise mit einer Wellenlänge im infraroten Bereich zwischen 1000 nm und 1100 nm und wirkt vorzugsweise mit einer mittleren Leistung von 1,5 kW auf das Werkstück ein. Die Laserstralenquelle kann dabei als eine sogenannte continious wave Laserstrahlenquelle ausgebildet sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass eine automatische Auswahl von Prozessparametern durch eine Datenverarbeitungseinheit auf Basis von Daten der Bildverarbeitungseinheit und/oder von auf der graphischen Benutzerschnittstelle eingegebenen bzw. ausgewählte Daten erfolgt. Um eine Oberflächencharakteristik herzustellen, die z.B. das konventionelle Sandstrahlen oder Stocken abbilden soll, werden dagegen Prozessparameter angewendet, die das Material zersetzen, verdampfen oder sublimieren, abhängig von den Materialeigenschaften des zu bearbeitenden Natursteins. Die Art der Wechselwirkung wird durch die lokal im Material vorherrschende Prozesstemperatur bestimmt, die abhängig von den materialspezifischen Wärmeleitfähigkeiten ist und die abhängig von der auf das Material einwirkenden Leistungsdichte ist. Die bereitgestellte Leistungsdichte kann durch das Verhältnis der lokal eingekoppelten Energiemenge des Laserstrahls pro Einwirkdauer des Laserstrahls innerhalb der Wechselwirkungszone und der Querschnittsfläche des Laserstrahls, also letztendlich des Prozessstrahldurchmessers angepasst werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Berechnung der lateralen Ausmaße, des relativen Abstands zur Bearbeitungsoptik und zur Erkennung und Lokalisierung von strukturellen und/oder farblichen Besonderheiten/Unterschieden durch die optische Erfassungseinheit erfolgt. Um die unterschiedlichen Arten der Wechselwirkung, wie beispielsweise das Sublimieren, Verdampfen, Schmelzen, Erwärmen, etc. stabil und reproduzierbar zu erzeugen, ist es notwendig den Abstand der Bearbeitungsoptik zur Werkstückoberfläche exakt zu bestimmen, damit die Leistungsdichte dem Prozessergebnis angepasst werden kann.
Durch eine Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vorrichtung zum Bürsten oder Polieren und einer weiteren Vorrichtung zum Schneiden von Natursteinwerkstoffen erfüllt den Vorteil, dass die komplette Natursteinbearbeitung in einer sehr kompakten und flexiblen Produktionslinie durchgeführt werden kann, beginnend bei der Oberflächenbearbeitung der Rohplatten im Großformat durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, über zusätzliche Oberflächenbearbeitungsverfahren, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erfüllt werden können (z.B. das Bürsten, das Ledern oder das Polieren), bis hin zum Rohplattenzuschnitt in Fliesenformat.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Natursteinplatten als Rohplatten oder in bereits zugeschnittenem Format mittels Aufnahmesystem orientiert und auf die Fördereinheit positioniert. Die Fördereinheit transportiert die Natursteinplatten in das Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsoptik oder der Bearbeitungsoptiken. Bevor die einzelnen Werkstücke in das Bearbeitungsfeld treffen, werden diese von einer optischen Erfassungseinheit erfasst und vermessen. Die optische Erfassungseinheit wird vorzugsweise vor dem Bearbeitungsfeld installiert, damit das Werkstück bereits vermessen ist, bevor es sogleich im Bearbeitungsfeld bearbeitet wird. Außerdem wird das Werkstück mit der optischen Erfassungseinheit auf Materialbesonderheiten überprüft, indem die Pixelwerte in der Bildverarbeitungssoftware mit entsprechenden Algorithmen verarbeitet werden. Z.B. könnten dadurch bereits vor der Bearbeitung Quarzit-Anteile im Material lokalisiert werden, damit anschließend während der Bearbeitung lokal an diesen Stellen ein angepasster Parametersatz angewendet werden kann. In der Software / User Interface wird die Art des zu bearbeitenden Natursteins und bevorzugt graphisch dargestellt, die Art der Oberflächenbearbeitung definiert. In sogenannten Ober-Kategorien wird die grundlegende Art der Oberflächencharakteristik festgelegt, z.B. Ober-Kategorie „Flammen“, Ober-Kategorie „Sandstrahlen“, Ober- Kategorie „Stocken“ und Ober-Kategorie „Strukturieren“. Die jeweilige Ober-Kategorie weist dann Unter-Kategorien auf, die über Form und Muster des Abtrags (z.B. Konturen, Punkte, Linien, Polynome, definierte Musterzüge, etc.), über den Grad des Abtrags (z.B. Tiefe, Ausmaß, etc.) und über die Verteilung und Dichte des Musters bestimmen. All diese Parameter und Änderungen sollen graphisch in der Bediener-Oberfläche dargestellt werden. So wird graphisch eine Art Cluster oder eine Art imaginäre Folie im Bediener Interface auf die zu bearbeitende Platte gelegt. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden wie gewünscht, sodass sich durch diese Anordnung neue Oberflächen darstellen lassen. In einer weiteren Ausführung wird die Gestaltung der Oberfläche über Ober- und Unter-Kategorien nicht am Bedienfeld der Maschine, sondern an einem externen Rechner mit entsprechender Software und Schnittstelle zur Maschine durchgeführt. Für diese Ausführung kann der Freiheitsgrad der Gestaltung in gewissem Maße für bestimmte Zugangsebenen auf Seiten der Maschinenbedienung gesperrt oder reguliert werden. Wurde die Oberflächencharakteristik definiert, werden die einzelnen Cluster an der Maschine nach festgelegter Priorität umgesetzt und abgebildet, sodass sich z.B. gewünschte Effekte wie einer Darstellung von Muster und Formen auf einer zuvor geflammten Oberfläche realisieren lassen. Mindestens ein Laserstrahl wird dabei auf das Werkstück fokussiert, wobei die Fokusebene nicht stets auf der Werkstückebene liegen wird. Je nach Art der Oberflächencharakteristik die in der Software definiert wurde steuert die Datenverarbeitungseinheit die Bearbeitungsoptik(en) so an, damit die für den jeweiligen Prozess geeigneten laserspezifischen Parameter umgesetzt werden. Dabei werden auch die Analysen der Bildverarbeitungsaufgabe berücksichtigt, damit jede Materialzusammensetzung innerhalb der Platte mit dem optimalen Parametersatz bearbeitet werden kann. Dieser Datensatz an laserspezifischen Parametern ist vom jeweiligen Prozess und vom zu bearbeitenden Material abhängig und wird in die Datenverarbeitungseinheit eingepflegt. Einige Parameter die zur Prozess-Steuerung wichtig sind umfassen die Intensität der Laserstrahlung, der Durchmesser des Laserstrahls auf Ebene des Werkstücks (der sog. Prozessstrahldurchmesser) und die Zeit der Einwirkung des Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 2 eine perspektivische Detailansicht aus Figur 1 ;
Figur 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus Figur 1 ;
Fgur 4 eine Draufsicht auf die Detailansicht aus Figur 2;
Figur 5 eine Seitenansicht der Vorrichtung aus Figur 1;
Figur 6 eine Vorderansicht der Vorrichtung aus Figur 1 ;
Figur 7 eine Detaildarstellung des Bearbeitungskopfs der Vorrichtung aus Figur 1.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7, liegen die Werkstücke 1 , hier Dolomitplatten, in Ausgangslage horizontal oder vertikal gestapelt in dem für das Aufnahmesystem 2 geeigneten Arbeitsfeld. Das Aufnahmesystem 2 positioniert jeweils eine Dolomitplatte 1 auf der Fördereinheit 3. Während die Dolomitplatte 1 von der Fördereinheit 3 in das Bearbeitungsfeld 4 der Bearbeitungsoptik 5 befördert wird, wird das Profil der Dolomitplatte 1 von der optischen Erfassungseinheit 6 vermessen. Die optische Erfassungseinheit umfasst ein 3D Kamerasystem der Firma Tordivel AS auf Basis der Stereotechnik. Die Aufnahmen werden in einer Bildverarbeitungssoftware und angewandten Algorithmen zur Verarbeitung der Pixeldaten verarbeitet. Aus dem vermessenen Werkstückprofil gehen die Ausmaße der Platte, die Dicke der Platte, sowie die relative Lage der Platte zur Bearbeitungsoptik zum Zeitpunkt der Messung hervor. Erweitert können mit dieser Information über die Bildverarbeitungssoftware weitere prozessrelevante Werkstückeigenschaften ermittelt werden, wie z.B. die Schräglage der Plattenebene. Die Software mit der das Prozessergebnis gestaltet und definiert werden kann, wird entweder auf der Benutzerschnittstelle der Maschine 7 oder auf einer externen Datenverarbeitungseinheit 9 betrieben. In diesem Beispiel soll eine Charge von 50 Dolomitplatten mit den Maßen 1 m x 1 m mit je der gleichen Oberflächencharakteristik erstellt werden. Im vorliegenden Beispiel wird eine geflammte Oberflächencharakteristik erstellt, die zusätzliche linienartige Strukturen aufweist. Um dieses Prozessergebnis zu erzielen, werden sehr unterschiedliche Durchmesser eines Laserstrahls 8 und sehr unterschiedliche Laserintensitäten mit variablen Einwirkzeiten angewendet. In diesem Beispiel wird das Prozessergebnis vor der Bearbeitung der Dolomitplatten in die Datenverarbeitungseinheit 9 geladen und für die Charge von 50 Platten nicht geändert. Die Datenverarbeitungseinheit 9 ordnet diesen Prozessergebnissen dann die definierten laserspezifischen, materialspezifischen und steuerungsspezifischen Parameter zu und steuert damit die Laserstrahlenquelle 10, die Bearbeitungsoptik 5 und die Maschinenachsen. Für diese Oberflächencharakteristik werden ca. 60 Minuten pro m2 bei einer mittleren Laserleistung von 1,5 kW für die Bearbeitung benötigt. Die Datenverarbeitungseinheit 9 berechnet anhand des definierten Materials und der Art der Bearbeitung, die Bearbeitungsdauer und definiert den Vorschub der Fördereinheit 3. Eine Ausnahme stellen in der Datenverarbeitungseinheit 9 definierte Prozesse dar, die im Material eine hohe thermische Belastung implizieren könnten. Das sogenannte Flammen fällt abhängig von der Dauer der Bearbeitung und Materialart fast immer unter diese Kategorie, so dass diese Prozessart eine gesonderte Strategie verlangt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Dolomitplatten vollständig und zentral in das Bearbeitungsfeld 4 zu befördern bevor die Bearbeitung beginnt. Der erste Prozessschritt der Bearbeitung der Dolomitplatten ist es in diesem Beispiel, die Dolomitplatten vollständig oder partiell mit einem Laserstrahldurchmesser > 3 mm zu belichten damit die Dolomitplatten innerhalb der Wechselwirkungszone eine spezifische Prozesstemperatur erreichen und dadurch bestimmte mineralische Bestandteile aus den Dolomitplatten herausgebrochen werden, wodurch eine rustikale Oberflächencharakteristik entsteht, die nach konventionellen Verfahren als geflammte Oberfläche bezeichnet wird. Um die thermische Belastung innerhalb der Dolomitplatten unkritisch zu halten, werden je nach Größe, Dicke und gewünschten Prozessergebnis unterschiedliche Bestrahlungsstrategien gewählt. Zum Beispiel wird zunächst ein Achtel der Fläche belichtet, um anschließend ein weiteres Achtel abseits der angrenzenden Flächen des vorab bearbeiteten Achtels zu belichten. Wurden die beiden Flächen vollständig bearbeitet, werden die nächsten beiden nicht unmittelbar angrenzenden Flächen in der gleichen Weise bearbeitet.
Daraufhin wird als zweiter Prozessschritt die linienartige Struktur in ihrer gesamten Vielfalt, d.h. in der gesamten definierten Strukturstärke und Form, auf die gesamte Dolomitplatte umgesetzt. Jede Strukturstärke entspricht gesonderten Prozessparametern, so dass für jede zu umsetzende Strukturcharakteristik eine bestimmte Fokuslage benötigt wird. Es ist aufgrund der Laserintensität und Einwirkdauer gewährleistet, dass die thermische Belastung während der Strukturierung sehr viel geringer gegenüber der großflächigen Bestrahlung, dem sog. Flammen ist, sodass sich während der Strukturierung das Material etwas abkühlen kann und das Überschreiten einer kritischen Temperatur, die die Dolomitplatten eventuell beschädigen könnte, ausgeschlossen ist. Daher ist für diesen Prozessschritt der Strukturierung keine gesonderte Prozessstrategie gegenüber dem vorherigen großflächigen Belichten vorgesehen.
Beim sog. Flammen von Dolomit können die im Dolomit vorherrschenden Quarzit-Adern Unregelmäßigkeiten in der Bearbeitung hervorrufen, da Quarzit eine höhere Prozesstemperatur benötigt als die umliegenden Mineralien. Auch mit konventionellen Mitteln hergestellte geflammte Dolomit-Flächen weisen dieses Merkmal auf und müssen gegebenen falls nachgearbeitet werden. Für diese Anwendung empfiehlt es sich ein Kamerasystem in der optischen Erfassungseinheit 6 zu verwenden, um eine Art Güteüberprüfung vorzunehmen, indem Quarzit-Adern durch den Kontrastunterschied vom Bildverarbeitungssystem identifiziert und lokalisiert werden und dann mit dem Laserstrahl 8 und angepasster Intensität bearbeitet werden, um eine homogene Bearbeitung zu erschaffen. Für diese Anwendung wird die optische Erfassungseinheit 6 und entsprechende Bildverarbeitung eingesetzt, um eine Güteüberprüfung vorzunehmen, indem Quarzit-Adern durch den Kontrastunterschied der Pixelwerte vom Bildverarbeitungssystem identifiziert und lokalisiert werden und dann mit dem Laserstrahl 8 und angepasster Intensität bearbeitet werden, um eine homogene Bearbeitung zu erschaffen. Dieser Prozessschritt wird bevorzugt vor der Bearbeitung durchgeführt, damit die Materialbesonderheiten bereits vor der Bearbeitung bekannt und lokalisiert wurden. Damit kann während der Belichtung bereits mit unterschiedlichen Prozessparametern reagiert werden, um eine gleichmäßig geflammte Oberfläche zu erschaffen werden. Ist die Bearbeitung beendet, wird die Platte von einer weiteren Aufnahmeeinheit 2 am Ende der Fördereinheit 3 umgelagert.
Beispiel 1 :
Kontaktlose und kräftefreie Oberflächenbearbeitung von Jurakalksteinplatten
Jurakalkplatten gehören zur Art der Sedimentgesteine und eignen sich sowohl für den Innen-, als auch für den Außenbau. Die Nomenklatur ist wie üblich nicht einheitlich, so dass der hier beschriebene Jurakalk auch unter Jura, Jurastein, Juramarmor, o.ä. aufgeführt werden kann. Die chemische Zusammensetzung des Materials lässt eine geflammte Bearbeitung nicht zu. In der Regel wird Jurakalk in polierter, gebürsteter, sandgestrahlter, gestockter, geriffelter oder geritzter/gesägter Ausführung angeboten. Jede der genannten Oberflächencharakteristika bedarf mindestens ein spezifisches Werkzeug, meist auch eine spezifische Maschine.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die aufgeführten Oberflächencharakteristika von einer Maschine allein ausgeführt werden können. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl weiterer Oberflächenveränderungen ausführen, die auf Jurakalk abgebildet werden können. Ein weiterer Vorteil liegt in der kontaktlosen und damit für das Werkzeug verschleißfreien und für das Werkstück schonenden Bearbeitung. Als Beispiel kann vor allem die sandgestrahlte und gestockte Bearbeitung genannt werden, wobei durch die hohen Kräfte die auf das Material wirken die Mineralien im Material lokal verdichtet werden, was sich in einer weiß-kristallinen Verfärbung äußert und nicht erwünscht ist, da durch diese Verfärbung die natürliche Charakteristik des Steins verloren geht.
Wie in Figuren 1 bis 3 gezeigt, liegen die Jurakalkplatten 1 in Ausgangslage gestapelt (horizontal oder vertikal) in dem für das Aufnahmesystem 2 geeigneten Arbeitsfeld. Das Aufnahmesystem 2 positioniert jeweils eine Jurakalkplatte 1 auf der Fördereinheit 3. Während die Jurakalkplatte von der Fördereinheit 3 in das Bearbeitungsfeld 4 der Bearbeitungsoptik 5 in Pfeilrichtung F befördert wird, wird das Profil der Jurakalkplatte mittels optischer Erfassungseinheit 6 vermessen. Aus dem vermessenen Profil gehen die Ausmaße der Platte, die Dicke der Platte, sowie die relative Lage der Platte zur Bearbeitungsoptik zum Zeitpunkt der Messung hervor. Die Software mit der das Prozessergebnis gestaltet und definiert werden kann, wird entweder auf dem Bedienfeld der Maschine oder auf einem externen Rechner betrieben. In diesem Beispiel soll eine Charge von 50 Jurakalkplatten mit den Maßen 1 x 1 m2 mit je der gleichen Oberflächencharakteristik erstellt werden. In dem hier aufgeführten Beispiel wird eine Oberflächencharakteristik erstellt, die einer sehr rustikal geflammten Oberfläche ähnelt, mit feinen Merkmalen einer grob gestockten und anschließend gebürsteten Oberfläche. Um dieses Prozessergebnis zu erzielen, werden sehr unterschiedliche Prozessstrahldurchmesser und sehr unterschiedliche Laserintensitäten mit variablen Einwirkzeiten angewendet. In diesem Beispiel wird das gewünschte Prozessergebnis vor der Bearbeitung der Jurakalkplatte in die Datenverarbeitungseinheit geladen und für die Charge von 50 Jurakalkplatten nicht geändert. Die Datenverarbeitungseinheit ordnet diesen Prozessergebnissen dann die laserspezifischen, materialspezifischen und steuerungsspezifischen Parametern zu und steuert damit die Laserstrahlenquelle, die Bearbeitungsoptik und das Verfahren entlang der Maschinenachsen. Für diese Oberflächencharakteristik werden ca. 45 Minuten pro m2 bei einer mittleren Laserleistung von 1,5 kW für die Bearbeitung benötigt. Die Datenverarbeitungseinheit kann anhand des Materials, dessen Größe und aufgrund der Art der Bearbeitung berechnen, mit welcher Bearbeitungsdauer zu rechnen ist und definiert den Vorschub der Fördereinheit, in diesem Beispiel 2,2 cm/min. Das bedeutet, sobald eine Platte in das Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsoptik tritt, wird der Vorschub der Fördereinheit auf den von der Datenverarbeitungseinheit definierten Vorschub eingestellt. Es ist vorgesehen, dass in der Software ein Sicherheitsfaktor eingegeben werden kann, der einen um diesen Faktor langsameren Vorschub generiert, als der von der Datenverarbeitungseinheit berechneten Wert. Ebenso berechnet die Datenverarbeitungseinheit anhand des Fortschritts der vorigen Platte den genauen Zeitpunkt zu dem die darauffolgende Platte aufgenommen und auf die Fördereinheit positioniert wird. In der Software kann diesbezüglich ein Abstand definiert werden, den die einzelnen Platten zueinander einhalten sollen. Sobald die Platte in das Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsoptik eintritt, beginnt die Materialbearbeitung. Die Bearbeitung schreitet mit dem Fortschritt der Fördereinheit voran. Die einzelnen Bearbeitungsschritte, die zum gewählten Prozessergebnis führen, erfordern wiederholte Anpassung der Parameter. Um die rustikale Oberflächencharakteristik zu erzeugen, wird unterschiedlich starker Materialabtrag und Materialschmelze erzeugt. Dies erfordert wiederholte Veränderung der Fokuslage, um die prozessspezifischen Laserintensitäten für die jeweilige Wechselwirkung und die ergebnisrelevanten Ausmaße und Stärken der generierten Formen zu gewährleisten. Ist die Bearbeitung beendet, wird die Platte vom Fördersystem entweder an eine weitere Bearbeitungsstation, z.B. zum Bürsten weitergeleitet, oder von einerweiteren Aufnahmeeinheit am Ende der Fördereinheit umgelagert.
Beispiel 2:
Oberflächenbearbeitung zur Herstellung einer Flamm-Charakteristik auf Dolomit-Platten
Dolomit gehört zur Familie der Sedimentgesteine. Dolomitplatten sind in der Regel mit allen konventionell üblichen Verfahren zur Oberflächenbearbeitung kompatibel. Das heißt, Dolomit kann in allen konventionell verfügbaren Oberflächenausführungen angeboten werden.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, konventionell herstellbare Oberflächencharakteristiken unter aufgeführten Vorteilen mittels Lasertechnik herzustellen und zugleich die Möglichkeit an Oberflächencharakteristika für Dolomit zu erweitern und den bisherigen Aufwand pro Oberfläche zu verringern. In diesem Beispiel wird eine geflammte Oberfläche realisiert, in die anschließend linienartige Strukturen eingearbeitet werden. Die Strukturen werden zudem in unterschiedlichen Stärken ausgeführt. Diese Oberfläche ist mit konventionellen maschinellen Mitteln nicht möglich. Für ähnliche Oberflächencharakteristiken, z.B. geriffelte oder geritzte Oberflächen, wirken aufgrund der mechanischen Bearbeitung hohe Kräfte, wodurch die Dolomitplatten in aller Regel nicht unter 20 mm Materialstärke bearbeitet werden können. Durch das hier aufgeführte Verfahren werden Strukturen kontaktlos und kräftefrei eingearbeitet, wodurch es möglich ist auch Platten mit einer Dicke kleiner 20 mm zu bearbeiten, ohne Beschädigungen in Kauf nehmen zu müssen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, erstmalig geflammte Oberflächencharakteristiken flexibler, ressourcenschonender und günstiger herzustellen, indem die Oberfläche des Natursteins, in folgendem Beispiel Dolomit, mit einem Laserstrahl geringer Intensität erwärmt wird, wodurch bestimmte mineralische Bestandteile aufplatzen. Die gesamte Maschinentechnik gestaltet sich wesentlich einfacher, da keine Medien verbrannt werden oder auf das Material wirken, um die notwendige Prozesstemperatur zu erreichen. Da Strukturen mit dem gleichen Laserstrahl erzeugt werden können, lassen sich komplexe Oberflächencharakteristiken mit einer Maschine und ohne Werkzeugwechsel realisieren.
Beispiel 3:
Neuartige Oberfläche auf Tonschiefer
Tonschiefer bezeichnet eine Gesteinsart, deren Mineralbestand neben Tonmineralien auch Quarz und farbgebundene Mineralien wie Chlorite, Hämatit oder Bitumina enthalten. Tonschiefer erhielt den umgangssprachlichen Ausdruck Schiefer, da diese Gesteinsart durch ebene, parallele, durch gerichteten Druck erzeugte Trennfläche gekennzeichnet wird, die sich Schieferung nennt. Diese Schieferung führt zur Eigenschaft der Spaltbarkeit.
Über viele Jahrhunderte hatte der Dachschiefer-Bergbau in Deutschland große Bedeutung. Heute findet Schiefer immer mehr Einzug in den Bereichen Wandverkleidung, Bodenschiefer, Terrassenbelag oder Ausgangsmaterial für Skulpturen oder Gebrauchsgegenstände.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Schwarzschiefer-Platten (Bitumen) bearbeitet. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich eine neuartige Oberfläche auf Schwarzschiefer-Platten zu realisieren. Der Schiefer wird mithilfe genannter Verfahrensschritte lokal sehr präzise auf eine Prozesstemperatur gebracht. Durch Erreichen dieser Prozesstemperatur werden dem Schwarzschiefer Kohlenwasserstoff- Moleküle entzogen, die für die charakteristische schwarze Farbe verantwortlich sind. Durch das entweichen der Kohlenwasserstoff-Verbindungen bleibt eine Ton-farbige Masse erhalten, die zusammen mit dem natürlich vorkommenden Pyrit und dem daraus unter Anwendung der Prozesstemperatur entstehenden Pyrrhotin eine charakteristische Farbe besitzt. Die Farbgebung reicht je nach lokaler Zusammensetzung von gold schimmernd über bronzefarben bis zu matt braun.
Durch die Bearbeitung der Schieferplatten entsteht so ein beeindruckender Farbwechsel, der einer dunklen Schiefer-Platte einen neuartigen Oberflächen-Charakter verleiht. Es können z.B. marmorierte Strukturen aufgebracht werden, die auf dem Schiefer- Naturstein eine natürlich wirkende Marmorierung in gold-brauner Farbe entstehen lässt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken unterschiedlicher Größe, insbesondere von Natursteinplatten, welche eine Laserstrahlenquelle zum Erzeugen eines kontinuierlichen Laserstrahls, eine ansteuerbare Bearbeitungsoptik zur Fokussierung und Strahlablenkung des Laserstrahls und eine optische Erfassungseinheit zur dreidimensionalen Erfassung und/oder Vermessung des Werkstücks aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei eine Datenverarbeitungseinheit zum Steuern der Laserstrahlenquelle, der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Fördereinheit zum Fördern der Werkstücke von einem Aufnahmesystem in ein Bearbeitungsfeld und aus dem Bearbeitungsfeld heraus vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bildverarbeitungseinheit zum Aufnehmen, Übertragen, Bearbeiten und Weiterverarbeiten von Pixeldaten der optischen Erfassungseinheit vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine graphische Benutzerschnittstelle vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Erfassungseinheit ein dreidimensionales Kamerasystem oder ein zweidimensionales Kamerasystem mit zumindest einem Lasermessgerät, einem Ultraschallmessgerät oder jedem anderen geeigneten Sensor aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokuslage des Laserstrahls der Laserstrahlenquelle variabel zur Werkstückebene veränderbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die graphische Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Materialart und/oder Art der Bearbeitung zum Erreichen eines Soll-Zustands über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Strahlqualität M2 von kleiner oder gleich 1 ,5 aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Leistung von größer oder gleich 1 ,5 kW aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl der Laserstrahlenquelle eine Wellenlänge von einschließlich 1000 nm bis einschließlich 1100 nm, oder von 10,6 pm, vorzugsweise von einschließlich 1030 nm bis einschließlich 1064 nm aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennweite der Bearbeitungsoptik in einem Bereich von einschließlich 300 mm bis einschließlich 3000 mm einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit senkrecht und horizontal entlang der Maschinenachsen einstellbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Robotersystem die Position der Bearbeitungsoptik und der optischen Erfassungseinheit verfährt.
15. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, welches folgende Schritte aufweist: e) Bereitstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Natursteinplatte; f) Dreidimensionalen Erfassung und/oder Vermessung des Werkstücks mit einer optischen Erfassungseinheit; g) Fokussierung und Strahlablenkung eines kontinuierlichen Laserstrahls einer Laserstrahlenquelle mit einer ansteuerbaren Bearbeitungsoptik; h) Oberflächenbearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahl entsprechend eingestellten Prozessparametern.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Eingabe der Materialart und/oder des Soll-Zustands auf einer graphischen Benutzerschnittstelle über bereits vordefinierte Oberflächencharakteristika oder über Ober-Kategorien und dazugehörigen Einstellungen, welche Form und Muster des Abtrags, Grad des Abtrags, Verteilung und Dichte des Musters aufweisen, erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei eine automatische Auswahl von Prozessparametern durch eine Datenverarbeitungseinheit auf Basis von Daten der Bildverarbeitungseinheit und/oder von auf der graphischen Benutzerschnittstelle eingegebenen bzw. ausgewählte Daten erfolgt.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnung der lateralen Ausmaße, des relativen Abstands zur Bearbeitungsoptik und zur Erkennung und Lokalisierung von strukturellen und/oder farblichen Besonderheiten/Unterschieden durch die optische Erfassungseinheit erfolgt.
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