DE10113494A1

DE10113494A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtragen von Schichten von einer Oberfläche

Info

Publication number: DE10113494A1
Application number: DE10113494A
Authority: DE
Inventors: Jochen Stollenwerk; Konrad Wissenbach; Edwin Buechter; Winfried Barkhausen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Clean Lasersysteme GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Clean Lasersysteme GmbH
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2002-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Schichten von einer Oberfläche mit einem Lichtleiter, dessen Kerndurchmesser maximal 400 mum beträgt sowie die Verwendung der Vorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Verfahren. Dazu ist eine Laserstrahlquelle vorgesehen, die einen Strahl mit niedriger Divergenz erzeugt. Die Vorrichtung weist einen Vorteil auf, dass Schichten mit einem hohen Arbeitsabstand zwischen Oberfläche und einem Bearbeitungskopf möglich ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Schichten von einer Oberfläche gemäß Anspruch 1. Die Vorrichtung erlaubt es, von Oberflächen mit einem Bearbeitungsabstand von mehr als 100 mm Schichten lasergestützt abzutragen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Abtragen von Rost und Farbschichten. So können von Hochspannungsmasten Farbschichten und Rost abgetragen werden.

Stand der Technik

Um von Oberflächen Schichten abzutragen werden zunehmend lasergestützte Verfahren entwickelt. Diese erlauben im Vergleich zu mechanischen Verfahren höhere Arbeitsgeschwindigkeiten, wenn ausreichende Laserleistung zur Verfügung steht. Vor allem weisen Vorrichtungen zur lasergestützten Abtragung einen wesentlich niedrigeren Verschleiß als mechanisch arbeitende Abtragungswerkzeuge auf. Zudem treten bei mechanisch arbeitenden Verfahren Reibungskräfte zwischen Werkzeug und Werkstück auf, die entweder eine entsprechende Befestigung des Werkzeugs erfordern oder einen Kraftaufwand des Benutzers erfordern. Daher bietet es sich an lasergestützte Verfahren zum Abtragen von Schichten einzusetzen.

Vielfach ist es nötig, die Laserstrahlung durch einen Lichtleiter von der Laserstrahlquelle zur Oberfläche mit der abzutragenden Schicht zu führen. Ein derartiges Verfahren ist in der DE 69 01 6051 T2 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird die Laserstrahlung mit einer optischen Faser auf eine zu reinigende Oberfläche geführt. Durch die Laserstrahlung werden in der abzutragenden Schicht nichtthermische Schockwellen erzeugt, die eine zumindest teilweise Ablösung einer Schmutzschicht von einer zu reinigenden Oberfläche bewirken. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet dieser Erfindung ist die Reinigung von verschmutzten Fassaden.

Es ist auch möglich, die Oberfläche durch Verdampfen der abzutragenden Schicht zu reinigen. Ein derartiges Verfahren findet sich in einem Prospekt des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff und Strahltechnik IWS, Dresden aus dem Jahr 1997. Die auf die abzutragende Schicht auftreffende Laserstrahlung führt zu einer Erwärmung und anschließenden Verdampfung des abzutragenden Materials. Hierzu wird ein gepulster Laser eingesetzt. Damit wird erreicht, dass zwar das abzutragende Material schlagartig erwärmt wird, nicht aber der Grundwerkstoff, von dem das Material abzutragen ist. Dieses Verfahren eignet sich zur Abtragung vielfältiger Schichten, unter anderem auch zum Abtrag alter Farbschichten.

Es ist eine Frage des Bedarfs, auch dieses Verfahren dadurch zu ergänzen, dass die Strahlung vom Laser zur abzutragenden Schicht in einem Lichtleiter geführt wird. Dabei ist es notwendig, die Strahlung aus dem Lichtleiter auszukoppeln und geeignet zu fokussieren, um eine hinreichende Intensität auf der abzutragenden Schicht zu erreichen.

Die Auskopplung und Fokussierung der Strahlung erfolgt durch ein Linsensystem. Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, dieses Linsensystem in einem portablen Bearbeitungskopf unterzubringen. Damit ist der zur Verfügung stehende Raum für das Linsensystem eingeschränkt. Bei den bisher bekannten Vorrichtungen ist es daher nicht möglich, die aus dem Lichtleiter austretende Strahlung derart zu fokussieren, dass der Brennpunkt der Strahlung in einem Abstand von mehr als 100 mm vom Bearbeitungskopf liegt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zu runde die Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zu entwickeln, die es gestatten aus einem Lichtleiter austretende Laserstrahlung mit einer mittleren Leistung von mindestens 150 Watt und einer Pulsleitung von mindestens 50 kW in einem portablen Bearbeitungskopf so zu fokussieren, dass der Brennpunkt der Strahlung in einem Abstand von mehr als 100 mm vom Bearbeitungskopf liegt.

Die Lösung dieses technischen Problems wird durch die Merkmale der unabhängigen Vorrichtungs- und Verfahrensansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die genannten Probleme den Einsatz eines Lichtleiters mit einem Kerndurchmesser, der nicht größer als 400 µm ist, erfordern.

Das aus dem Lichtleiter austretende Licht muss auf die zu bearbeitende Oberfläche gelenkt werden. Das Licht tritt divergent aus dem Lichtleiter aus. Die Querschnittsfläche des lichtführenden Teils des Lichtleiters muss also auf die zu bearbeitende Oberfläche abgebildet werden. Dies erfolgt mit mindestens einer Linse. In der Regel wird ein Linsensystem eingesetzt, das im Bearbeitungskopf angeordnet ist. Der Durchmesser des lichtführenden Teils des Lichtleiters ist der Kerndurchmesser. Der Durchmesser des bestrahlten Bereichs auf der Oberfläche sei der Bilddurchmesser. Der Abstand zwischen Ende des Lichtleiters und dem Linsensystem sei die Gegenstandsweite. Der Abstand zwischen dem Linsensystem und der bestrahlten Oberfläche sei die Bildweite. Dann gilt näherungsweise, dass das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Bilddurchmesser gleich dem Verhältnis von Gegenstandsweite zu Bildweite ist. Da zum Abtragen von Schichten eine hohe Intensität erforderlich ist, darf der Bilddurchmesser nicht zu groß sein. Ebenso verbietet sich bei einem portablen Bearbeitungskopf eine zu große Gegenstandweite. Ein Bearbeitungsabstand von mehr als 100 mm, also ein Abstands zwischen Bearbeitungskopf und zu behandelnder Oberfläche von mehr als 100 mm, wird durch Verwendung eines Lichtleiters mit einem Kerndurchmesser von maximal 400 µm ermöglicht.

Ein hoher Bearbeitungsabstand erleichtert eine zügige Arbeitsweise. Zudem können damit auch von ansonsten schwer zugängigen Oberflächen Schichten abgetragen werden. Im Stand der Technik sind bisher keine Vorrichtungen bekannt, bei denen Lichtleiter mit einem derart niedrigem Kerndurchmesser zur Führung einer Strahlung mit einer Leistung von mehr als 150 Watt und Pulsleistungen von mehr als 50 kW vorgesehen sind. Das liegt daran, dass die Einkopplung von Laserstrahlung mit dieser Leistung mit technischen Problemen verbunden ist, die den Fachmann von der Verwendung derartiger Lichtleiter und entsprechender Laser abhält. Insbesondere ist zu erwähnen, dass bereits wenige Laserpulse, die nicht in den hochtransparenten Kernbereich des Lichtleiters, sondern in die den Kernbereich direkt umgebende Schicht, das sogenannte Cladding, gelangen, ausreichen, den Anfang des Lichtleiters stark zu erhitzen. Dies führt zum Anschmelzen des Kernbereich des Lichtleiters und zur Karboniseirung des Claddings. Der Beginn des Lichtleiters wird damit völlig unbrauchbar und muss zur weiteren Benutzung des Lichtleiters von diesem abgetrennt werden. Nach dem Abtrennen des beschädigten Abschnitts muss der Beginn des Lichtleiters aufwändig poliert werden, damit Strahlung hoher Leistung eingekoppelt werden kann.

Eine besonders effiziente Abtragung von Schichten wird erreicht, wenn ohne Bewegung des Bearbeitungskopfes durch den Benutzer weite Bereich der Oberfläche erreicht werden können. Dazu kann im Bearbeitungskopf ein Strahlablenkmittel vorgesehen sein.

Es ist häufig nicht erwünscht, dass die von den Oberflächen abgetragenen Schichten in die Umgebung gelangen. Dies gilt insbesondere bei umweltgefährdenden Schichten, wie etwa mennigehaltigen alten Farbschichten. Daher ist es vorteilhaft, längs des Lichtleiters einen Schlauch zum Absaugen des abgetragen Materials anzuordnen. Durch diese Maßnahme wird auch die Gesundheitsbelastung des Bedienungspersonals deutlich gesenkt.

Die Bedienung des Bearbeitungskopfes wird durch eine Befestigung des Lichtleiters und des eventuell vorhandenen Absaugschlauchs mit Drehgelenken erheblich erleichtert.

Es hat sich als möglich erwiesen, die Laserstrahlung in einen Lichtleiter mit einem Kerndurchmesser von maximal 300 µm einzukoppeln. Dies ermöglicht einen besonders hohen Bearbeitungsabstand bei gleichzeitig hoher Intensität der Strahlung auf der zu bearbeitenden Oberfläche.

Besonders gute Ergebnisse bei der Abtragung von Schichten lasen sich erzielen, wenn die Laserstrahlquelle ein gütegeschalteter Festkörperlaser mit einer mittleren Ausgangsleistung von mehr als 350 Watt ist. Darüber hinaus ist eine Pulswiederholfrequenz von 5 bis 100 kHz günstig. Sinnvolle Pulsdauern liegen zwischen 30 und 500 ns. Diese Wahl der Laserparameter ermöglicht hinreichende Pulsleistungen, wobei es zugleich möglich bleibt, die Pulse in einen Lichtleiter mit einen Kerndurchmesser von maximal 300 µm einzukoppeln. Damit werden Intensitäten auf der zu behandelnden Oberfläche erzielt, die ein effizientes Abtragen von Schichten ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders gut zum Entrosten und/oder Abtragen von Farbschichten. Das liegt an den optischen und thermischen Eigenschaften von Rost- und Farbschichten.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen besonders zum Tragen, wenn die Vorrichtung zum Abtragen von Schichten von Hochspannungsmasten verwendet wird. Hochspannungsmasten müssen ungefähr alle 20 Jahre zum Schutz vor Korrosion neu gestrichen werden. Dazu müssen vorher eventuell aufgetretener Rost und partiell der Altanstrich von Masten entfernt werden. Die verwinkelte Bauweise von Hochspannungsmasten erschwert die Erreichbarkeit vieler Oberflächen. Dies führt bei den bisher bekannten Vorrichtungen zu einer niedrigen Arbeitsgeschwindigkeit. Teilbereiche der Oberflächen können mit den bisher bekannten Vorrichtungen nicht erreicht werden. Hier ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine schnellere Arbeitsweise.

Zudem sind Hochspannungsmasten häufig mit umweltbedenklichen Altanstrichen, beispielsweise mit bleihaltiger Mennige, bestrichen. Dies macht eine Absaugung des abgetragenen Materials erforderlich, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr gut möglich ist.

Bester Weg zur Realisierung der Vorrichtung

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung. Gezeigt ist ein diodengepumpter gütegeschalteter Nd:YAG-Laser (1), mit einer Pulswiederholfrequenz von bis zu 30 kHz und einer mittleren Ausgangsleistung von 400 Watt. Der Divergenzwinkel der aus dem Laser austretenden Strahlung beträgt etwa 6° (Halbwinkel). Die Pulsdauer beträgt circa 100 ns. Damit ergibt sich eine Leistung der Pulse von 200 kW. Der Laser (1) ist schlag- und stoßfest gelagert und kann daher in einem LKW durch unwegsames Gelände zum Hochspannungsmasten transportiert werden. Der niedrige Divergenzwinkel von 6° (Halbwinkel) der im Laser (1) erzeugten Strahlung gestattet eine Einkopplung der Strahlung in eine Faser (2) mit einem Kerndurchmesser von 300 µm mittels der Einkopplungseinheit (3). Die Faser (2) ist mit einer flexiblen Ummantelung aus 1,5 mm dickem Stahlgeflecht mit einer Vergussmasse aus Kunststoff umgeben. Diese Ummantelung dient als Knickschutz für die Faser (2). Die Laserpulse werden durch die 50 m lange Faser (2) zum Bearbeitungskopf (6) geführt. Die Faser (2) sowie der längs der Faser verlaufende Absaugschlauch (4) sind mit Drehgelenken (5a, 5b) am Bearbeitungskopf (6) befestigt. Im Bearbeitungskopf (6) ist ein Linsensystem vorgesehen, in dem der Strahl zuerst kollimiert wird und dann fokussiert wird. Das fokussierte Licht wird mit einem Galvoscanner mit einer Scanbreite von 10 bis 75 mm auf die Oberfläche (7) abgelenkt. Dank einer kompakten und gewichtssparenden Bauweise ist der Bearbeitungskopf (6) 1,5 kg schwer und hat Maße von 230 auf 280 mm. Die mit Hilfe der Laserstrahlung aus der abzutragenden Schicht gelösten Teilchen werden durch den Absaugschlauch (4) mit Hilfe eines Absaugaggregats (8) abgesaugt. Damit wird der Großteil des abgetragenen Materials erfasst und die Belastung der Umwelt auf diese Weise minimiert.

Mit der Vorrichtung konnte von einem einzelnen Bediener ein Hochspannungsmasten mit einer Zeit Flächenrate von 20 m² komplett von alten Farbschichten und Rost befreit werden, so dass ein neuer Anstrich möglich war.

Bezugszeichenliste

1

Laser

2

Lichtleiter

3

Einkopplungseinheit

4

Absaugschlauch

5

a,

5

b Drehgelenke

6

Bearbeitungskopf

7

Oberfläche

8

Absaugaggregat

Claims

1. Vorrichtung zum Abtragen von Schichten von einer Oberfläche (7) mit einem Bearbeitungsabstand von mindestens 100 mm, umfassend eine Laserstrahlquelle (1) mit einer mittleren Ausgangsleistung von mindestens 150 Watt und einer Pulsleistung von mindestens 50 kW, mindestens ein Mittel zur Einkopplung (3) von Strahlung in einen Lichtleiter (2), der einem portablen Bearbeitungskopf (6) zugeordnet ist, in dem mindestens ein Fokussierungsmittel vorgesehen ist, wobei die Divergenz der Strahlung am Ausgang der Laserstrahlquelle (1) so bemessen ist, dass die Strahlung in einen Lichtleiter (2) mit einem Kerndurchmesser, der nicht größer als 400 µm ist, einkoppelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bearbeitungskopf (6) mindestens ein Strahlablenkmittel vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass längs des Lichtleiters (2) ein Schlauch (4) zum Absaugen von abgetragenem Material angeordnet ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch und/oder der Lichtleiter mit einem Kugelgelenk (5a; 5b) drehbar am Bearbeitungskopf (6) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bearbeitungskopf (6) eine Absaugdüse integriert ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerndurchmesser des Lichtleiters (2) kleiner als 300 µm ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (1) ein gütegeschalteter Festkörperlaser mit einer mittleren Ausgangsleistung von mehr als 350 Watt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (1) eine Pulswiederholfrequenz von 5 bis 100 kHz aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer zwischen 30 und 500 ns liegt.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Entrosten und/oder Abtragen von Farbschichten.

11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Abtragen von Schichten von Hochspannungsmasten

12. Verfahren zum lasergestützten Abtragen von Schichten von einer Oberfläche (7) mit einem portablen Bearbeitungskopf (6) bei einem Bearbeitungsabstand von mindestens 100 mm, mit folgenden Schritten

a) Erzeugung von Laserstrahlung mit einer derart bemessenen Divergenz, dass die Strahlung in einen Lichtleiter (2) mit einem Kerndurchmesser, der nicht größer als 400 µm ist, einkoppelbar ist
b) Einkopplung der Strahlung in den Lichtleiter (2)
c) Fokussierung der Strahlung durch einen dem Leiter zugeordneten Bearbeitungskopf (6).

13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung auf die Oberfläche (7) fokussiert wird.