Bearbeitung von Holz mit Digitaler Laser-Materiabearbeitungstechnologie (DLMP®)
Holz bezeichnet im allgemeinen Sprachgebrauch das harte Gewebe der Sprossachsen (Stamm, Äste und Zweige) von Bäumen und Sträuchern. Holz wird grob in Weichhölzer (Gymnospermen) und Harthölzer (Angiospermen) untergliedert. Hinsichtlich der Laserbearbeitung kann Holz auch nach seiner Dichte klassifiziert werden. Die Dichte wird hauptsächlich von der Baumart bestimmt. Eisenholz ist beispielsweise sehr dicht und Balsaholz ist sehr leicht. Jedoch spielen auch weitere Faktoren, wie beispielsweise Klima und Bodenbeschaffenheiten, eine Rolle bei der Verdichtung von Holzfasern.
Holz ist aufgrund seiner Ästhetik und seiner physikalischen Eigenschaften vielleicht das vielseitigste Naturprodukt, das jemals von Menschen genutzt wurde und wird. Es ist fest, aber es kann mittels temperaturbasierenden, feuchtigkeitsbasierenden und mechanischen Verfahren verformt werden. Es ist schlagfest und weist ein gutes Stärke-Gewichtsverhältnis auf. Viele dieser Eigenschaften sind jedoch anisotrop und maximale Nutzbarkeit und Schönheit werden erreicht, wenn die Holzmaserung senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet ist.
Auf chemischer Ebene besteht Holz aus Zellulose und Lignin, zwei der weitverbreitetsten organischen Stoffe. Diese chemische Struktur wird bei der Interaktion mit Laserenergie einer teilweisen Verbrennung ausgesetzt. Der Hauptfaktor, der die Ergebnisse beim Einsatz von Digital Laser Materialbearbeitungstechnologie (DLMP) mit Holz beeinflusst, ist die Ungleichmäßigkeit seiner Dichte. In den nachfolgenden Bearbeitungsabschnitten wird dies näher erläutert.
Die nützlichsten Wirkungen der Laserenergie bei Holz bestehen in der Verdampfung und Veränderung des Materials. Jedes dieser Verfahren wird nachstehend im jeweiligem Abschnitt besprochen.
Materialabtrag ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Material entfernt wird. Material wird vollständig von der oberen zur unteren Fläche oder teilweise von der Oberseite des Materials bis zu einer bestimmten Tiefe abgetragen.
Alle Holzarten sind hervorragende Absorber von CO2-Laserenergie (Wellenlänge = 10,6 μm). Wenn Holz Laserenergie absorbiert, wandelt es rasch Lichtenergie in Molekülschwingungen (Wärme) um. Ausreichende Wärme führt zu raschem Zerfall und Verbrennung. Material, das sich direkt im Laserstrahlpfad befindet, wird in Dampf und in feine Partikel abgetragen. Das Material, das sich leicht außerhalb des Laserbrennpunkt oder des Laserstrahlpfades befindet, leitet etwas Wärme, jedoch nicht ausreichend für eine vollständige und gründliche Verbrennung und Abtragung. Dieser Bereich der thermischen Beeinflussung wird häufig als Wärmeeinflusszone oder WEZ bezeichnet. Die Oberflächenqualität schwankt von dunkel gefärbt und klebrig bis hin zu schwarz und rußig. Einige dieser Verbrennungsprodukte sind wasserlöslich. Die dunklen Rückstände können mit Wasser und einem Waschlappen oder einer Kunststoffbürste teilweise entfernt werden.
Lasergravieren
Lasergravieren ist das Verfahren, mit dem Material von der Oberseite bis zu einer bestimmten Tiefe beseitigt wird. Dies ist möglich durch exakte Kontrolle der Lasermodulation. Durch stufenloses Variieren der Laserleistung kann das Lasergravieren für Oberflächenstrukturen, Fotografien und Informationen, z. B. Text oder Zahlen, genutzt werden. Das Beispiel zeigt, wie mit kontrollierter Laserenergie das Material bis zu einer bestimmten Tiefe entfernt werden kann. Beim Lasergravieren von Holz entstehen, ähnlich wie beim Laserschneiden von Holz, Rückstände. Diese Rückstände härten aus, wenn sie trocknen. Es ist oft vorteilhaft, die Oberfläche zu reinigen und die Rückstände in der Gravur trocknen zu lassen, da dies den Kontrast verstärkt. Natürlich kann die Gravur auch mit Wasser gereinigt werden, um die Optik der natürlichen Holzmaserung zu verbessern.
Buchstaben, Zahlen und ein 3D-Rautenmuster, in Kirschbaumholz lasergraviert Das Rautenmuster, oder Karierung, wurde gereinigt, um die natürliche Holzmaserung besser zum Vorschein zu bringen.
Veränderung von Material
Wenn DLMP-Technologie zum Abtragen von Material eingesetzt wird, wird ausreichend Energie aufgewendet, um eine erhebliche Menge an Material zu verdampfen. Dies hinterlässt dunkle Rückstände und wird, wie bereits erwähnt, durch teilweise Verbrennung von Holzfasern verursacht. Durch Verringerung der Laserleistung kann das Holz dunkler gestaltet werden, ohne Material in wesentlichem Umfang abzutragen. Dies ist eine Art von Materialveränderung und für die Lasermarkierung von Holzprodukten nützlich.
Lasermarkieren
Wenn Laserenergie zum Erstellen einer visuell und/oder maschinenlesbaren Identifikation oder Information auf einem Material genutzt wird, beispielsweise für einen Barcode, ein Datum, eine Chargen-, Serien- oder Teilenummer, wird das Bearbeitungsverfahren als Lasermarkieren angesehen. Das Beispielbild zeigt eine Schriftart mit abnehmender Größe, die durch Lasermarkieren von Kirschbaumholz erzeugt wurde.
Eine Schriftart mit abnehmender Größe, lasermarkiert auf der Oberfläche von 2,5 mm starkem Kirschbaumholz
Kombiniertes Bearbeitungsverfahren
Mit Holz können verschiedene Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden, ohne das Material bewegen oder neu befestigen zu müssen. Das Beispiel demonstriert, wie Bearbeitungsverfahren miteinander kombiniert werden können, um mit DLMP-Technologie in einem Herstellungsschritt in Kirschholz quadratische und runde Formen zu schneiden, Zeichen und Texturen zu gravieren und feine Details zu markieren.
Ein kombiniertes Laserbearbeitungsverfahren, welches das Lasergravieren von Oberflächenstrukturen und Zeichen, das Oberflächenmarkieren und das Schneiden von 9,55 mm starkem Kirschbaumholz darstellt
Erwägungen zu Umwelt, Gesundheit und Sicherheit
Interaktionen mit Lasermaterial erzeugen fast immer gasförmige Abströmungen und/oder Partikel. Das Bearbeiten von Holz mit einem CO2-Laser erzeugt Kohlenstoff, Acrolein und Formaldehyd enthaltende Dämpfe, die hauptsächlich aus der Verbrennung von Zellulose-Verbindungen stammen. Weitere Stoffe mit hohem Siedepunkt und Partikel aus der unvollständigen Verbrennung von Lignin werden ebenfalls erzeugt. Die Absonderungen bzw. Gase, die bei der Holzbearbeitung entstehen, sollten nach draußen abgeleitet werden. Alternativ können sie zuerst in einem Filtersystem behandelt und dann nach draußen abgeleitet werden. Die Verbrennung von Holz liegt in der Natur der Laserbearbeitung und kann entflammen. Deshalb sollte die Laserbearbeitung stets unter Aufsicht erfolgen.
