DE10304371A1

DE10304371A1 - Verfahren zur Bearbeitung der Oberflächen transparenter Werkstoffe mittels Laserstrahl und nach diesem Verfahren hergestellte Produkte

Info

Publication number: DE10304371A1
Application number: DE2003104371
Authority: DE
Inventors: Jochen Thumm; Jörg BAUER
Original assignee: MAGNA NATURSTEIN GmbH
Current assignee: MAGNA NATURSTEIN GmbH
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dessen Hilfe die Oberflächen (7) von Werkstücken (5) aus transparentem Werkstoff, insbesondere aus Glas, durch einen Laserstrahl (3) bearbeitet werden können. Dadurch kann die zu bearbeitende Oberfläche (7) beschriftet oder in sonstiger Weise grafisch gestaltet und/oder rutschsicher gemacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberflächen transparenter Werkstoffe, insbesondere Glas, mittels Laserstrahl. Hochglänzende Oberflächen transparenter Werkstoffe, wie zum Beispiel Glas, werden bislang beispielsweise durch Schleifen, Gravieren, Strahlen oder Ätzen bearbeitet, um Schriftzüge oder grafische Darstellungen aufzubringen. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass sie sehr aufwändig sind, da das Bearbeitungswerkzeug oder die Bearbeitungsmittel in direkten Kontakt mit der zu bearbeitenden Oberfläche gelangen müssen. Dies ist bei gekrümmten und allen anderen nicht ebenen zu bearbeitenden Oberflächen oft mit erheblichem Aufwand verbunden. Außerdem ist es mit diesem Verfahren sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich, stufenlose Übergänge zwischen einer hochglänzenden Oberfläche und einer matten Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks zu erzielen. In der Regel ist es nur möglich, entweder eine hochglänzende Oberfläche oder eine vollständig matte Oberfläche herzustellen. Damit sind der Gestaltung der zu bearbeitenden Oberflächen Grenzen gesetzt.

Aus der EP 0 825 917 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines rutschfesten Fußbodenbelags aus opaken Werkstoffen, wie zum Beispiel Granit, bekannt, bei welchem Mikrokrater durch einen Laserstrahl auf eine hochglänzende Oberfläche des Fußbodenbelages aufgebracht werden. Dieses Verfahren ist nicht auf transparente Werkstoffe anwendbar, da diese die Laserstrahlen nicht absorbieren und demzufolge die Energie des Laserstrahls nicht an der Oberfläche in thermische Energie umgewandelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche transparenter Werkstoffe, insbesondere Glas, bereitzustellen, welches diese Grenzen überwindet und einfach anwendbar ist auf verschiedenste Geometrien von zu bearbeitenden Oberflächen. Außerdem soll das Verfahren einfach automatisierbar und kostengünstig sein und zudem die Umwelt nur wenig belasten.

Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, Werkstücke bereitzustellen, die aus einem transparenten Werkstoff bestehen und deren an sich hochglänzende Oberfläche in weiten Grenzen frei gestaltet werden können, indem Teile dieser Oberfläche mattiert werden. Dabei sollen stufenlose Übergänge zwischen hochglänzenden Abschnitten der zu bearbeitenden Oberfläche und matten Abschnitten der zu bearbeitenden Oberfläche möglich sein.

Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, hochglänzende Oberflächen transparenter Werkstoffe, insbesondere aus Glas, rutschhemmend zu machen und somit einen rutschsicheren Fußbodenbelag aus Glas oder anderen transparenten Werkstoffen auf einfache und umweltverträgliche Weise herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst dadurch, dass die zu bearbeitende Oberfläche mit einem Material in Kontakt gebracht wird, welches Laserstrahlen absorbiert, bei dem die zu bearbeitende Oberfläche durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl bearbeitet wird, wobei der Laserstrahl durch den transparenten Werkstoff auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet wird und anschließend das absorbierende Material entfernt wird.

Durch dieses Verfahren werden die aufgabengemäßen Vorteile erzielt. Insbesondere ist es möglich, auch gekrümmte Oberflächen vollautomatisch zu bearbeiten, wobei die fertigungsbedingten Toleranzen der zu bearbeitenden Oberfläche keinen Einfluss auf das Ergebnis der Bearbeitung derselben mit Laserstrahlen hat und auch keinen zusätzlichen Kosten- und Herstellungsaufwand verursacht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst effektiv und umweltschonend, da durch den Laserstrahl nur exakt an der Stelle, an der die hochglänzende Oberfläche mattiert werden soll, kurzzeitig Energie eingebracht wird, die zum Verdampfen und/oder Abplatzen des transparenten Werkstoffs an der zu bearbeitenden Oberfläche führt. Dadurch wird die gewünschte lokale Mattierung erzielt. Die Erfindung macht sich dabei den Effekt zunutze, dass an der Kontaktstelle zwischen zu bearbeitender Oberflächen und dem Laserstrahlen absorbierenden Material die Energie des Laserstrahls in thermische Energie umgewandelt wird. Diese thermische Energie geht zum Teil auf die zu bearbeitende Oberfläche über und führt dort zum Verdampfen und/oder Abplatzen kleinster Partikel der zu bearbeitenden Oberfläche, was den gewünschten mattierenden Effekt ergibt.

Selbstverständlich kann durch eine geeignete Steuerung des Lasers eine beliebige Dichte der Punkte auf der zu bearbeitenden Oberfläche stufenlos eingestellt werden. Dadurch sind stufenlose Übergänge von einer hochglänzenden Oberfläche zu einer matten Oberfläche möglich, was die Gestaltungsmöglichkeiten erweitert.

Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu eingesetzt werden, um auf einem Fußbodenbelag aus hochglänzendem Glas oder einem anderen transparenten Werkstoff voneinander beabstandete Mikrokrater zu erzeugen, welche eine rutschhemmende Wirkung haben. Dadurch erfüllt der nach dem erfindungsgemäße Verfahren behandelte Fußbodenbelag aus Glas die gesetzlich vorgeschriebenen Anforderungen (siehe z. B. DIN51097 und DIN 51130) an die Rutschsicherheit von Fußbodenbelägen öffentlicher Gebäude oder Verkehrsflächen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als absorbierendes Material Kunststoff, Lack oder eine Kunststofffolie eingesetzt wird. Diese Materialien können ohne größere Schwierigkeiten an der zu bearbeitenden Oberfläche angebracht werden, beispielsweise durch ein Tauchbad des zu bearbeitenden Werkstücks in einem Lack oder das Bekleben der zu bearbeitenden Oberfläche mit einer Kunststofffolie. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren auf einfachste Weise auch bei gekrümmten zu bearbeitenden Oberflächen anwendbar, ohne dass nennenswerte zusätzliche Kosten entstehen.

Es hat sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn als absorbierendes Material schwarzer Stein, insbesondere schwarzer Basalt, oder Keramik eingesetzt wird, da diese Werkstoffe ein sehr gutes Absorptionsverhalten haben und aufgrund ihrer Eigenschaften ein Großteil der absorbierten Energie in Form thermischer Energie auf die zu bearbeitende Oberfläche einwirkt und dort die gewünschte lokale Verdampfung oder das Abplatzen kleinster Partikel der zu bearbeitenden Oberfläche bewirkt. Allerdings ist die Erfindung nicht auf eine der zuvor genannten Materialien beschränkt.

Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die zu bearbeitende Oberfläche mit einem pulsierenden Laserstrahl bearbeitet wird, wobei Energiedichte, Pulsdauer und andere Parameter des Betriebs des Laserstrahls in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs, der Dicke des Werkstücks und den Eigenschaften des Laserstrahlen absorbierenden Materials so gewählt werden, dass der Materialabtrag zur Bearbeitung der Oberfläche im Wesentlichen durch Verdampfung erfolgt.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Falle der Bearbeitung von Glas die Pulsenergie 0,4 mJ bis 1,5 mJ und die Pulsdauer 50 ns bis 250 ns beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft zum Beschriften und/oder grafischen Gestalten der zu bearbeitenden Oberfläche eingesetzt werden.

Ein weiterer, sehr vorteilhafter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, Fußbodenbeläge aus Glas rutschfest zu machen, ohne den optischen Eindruck einer glänzenden Oberfläche nennenswert zu beeinträchtigen. Dies geschieht dadurch, dass auf der zu bearbeitenden Oberfläche durch gezielte Einwirkung von Laserimpulsen Mikrokrater mit Saugnapfwirkung erzeugt werden, wobei die Laserstrahlen durch das Glas auf das absorbierende Material treffen. Dabei sind die Mikrokrater vorteilhafter Weise so klein, dass sie für das menschliche Auge unsichtbar sind, so dass der optische Eindruck einer hochglänzenden Oberfläche aus Glas erhalten bleibt und trotzdem die gesetzlich vorgeschriebene rutschhemmende Wirkung durch die Mikrokrater erzielt wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand der einzelnen Mikrokrater zueinander zwischen 0,25 mm und 0,8 mm beträgt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann, falls gewünscht, in einem Arbeitsgang mit dem Einbringen von Mikrokratern eine Beschriftung oder ein Firmenlogo aufgebracht werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Werkstück aus transparentem Werkstoff, insbesondere aus Glas, gelöst, dadurch, dass mindestens eine Oberfläche des Werkstücks beschriftet und/oder grafisch gestaltet ist und dass die Beschriftung und/oder die grafische Gestaltung nach einem der zuvor beanspruchten Verfahren hergestellt ist.

Des Weiteren wird die eingangs genannte Aufgabe durch einen Fußbodenbelag aus transparentem Werkstoff, insbesondere aus Glas, dadurch gelöst, dass die Oberfläche des Fußbodenbelages Vertiefungen in Form von Mikrokratern mit Saugnapfwirkung aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vertiefungen möglichst flach sind und wenn die Vertiefungen für das menschliche Auge unsichtbar sind. Im Zusammenhang mit der Erfindung bedeutet "für das menschliche Auge unsichtbar", dass eine aufrecht über den erfindungsgemäßen Fußbodenbelag gehende Person, deren Augen sich in der Regel mehr als 1,5 m über dem Fußbodenbelag befinden, die Mikrokrater nicht mehr erkennen kann.

Eine besonders gute Saugnapfwirkung wird erzielt, wenn die Vertiefungen scharfkantig sind. Es hat sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Vertiefungen eine linsenförmige Geometrie aufweisen und insbesondere eine maximale laterale Ausdehnung von 0,4 mm und eine Tiefe von 0,01 mm – 0,2 mm aufweisen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn mehr als 100 Vertiefungen pro m² auf der rutschsicher gemachten Oberfläche des Fußbodenbelags angeordnet sind.

Der erfindungsgemäße Fußbodenbelag wird vorteilhafterweise nach einem Verfahren der Ansprüche 1 – 10 hergestellt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer rutschfesten hochglänzenden Oberfläche eines Fußbodenbelags aus einem transparenten Werkstoff.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stark vereinfacht in einer Seitenansicht. Eine Laserquelle 1 emittiert einen Laserstrahl 3, der auf ein Werkstück 5 aus einem transparenten Werkstoff gerichtet ist. Das Werkstück 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine Fußbodenplatte aus Glas. Die zu bearbeitende Oberfläche 7 des Werkstücks 5 liegt auf einer Platte 9 aus absorbierendem Material, beispielsweise schwarzem Basalt, auf. Dabei ist auf einen guten Kontakt zwischen absorbierendem Material und zu bearbeitender Oberfläche zu achten. Der Laserstrahl 3, welcher als pulsierender Laserstrahl ausgebildet sein kann, wird von dem Werkstück 5 aus transparentem Material nicht absorbiert, sondern gelangt auf die dem Werkstück 5 zugewandete Seite 11 der Platte 9.
Da die Platte 9 aus einem Laserstrahlen absorbierenden Material besteht, wird die Energie des Laserstrahls 3 an der Seite 11 der Platte 9 in thermische Energie umgewandelt. Wegen des Kontakts zwischen zu bearbeitender Oberfläche 7 des Werkstücks 5 und der Platte 9, wird ein wesentlicher Teil der durch den Laserstrahl 3 an der Platte 9 erzeugten thermischen Energie auf die zu bearbeitende Oberfläche 7 des Werkstücks 5 übertragen. Dort findet eine lokale Verdampfung oder ein Abplatzen kleinster Bereiche der Oberfläche 7 statt, was zu einer lokalen Mattierung der an sich hochglänzenden zu bearbeitenden Oberfläche führt und einen Mikrokrater in der zu bearbeitenden Oberfläche erzeugt.
Die Laserquelle 1, welche vorteilhafter Weise als YAG-Laser mit einer Energiedichte von 17 J/cm² und einer Pulsdauer von 130 ns arbeitet, wird auf die zu bearbeitende Oberfläche 7 fokussiert. Außerdem sind die Laserquelle 1 und das Werkstück 5 relativ zu einander in den drei Raumesrichtungen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse) relativ zueinander bewegbar. Um das gesamte Werkstück 5 gleichmäßig oder unregelmäßig an der zu bearbeitenden Oberfläche 7 mit Mikrokratern zu versehen, wird deshalb eine Relativbewegung von Laserquelle 1 und Werkstück 5 in Richtung der X-Achse und der Y-Achse vorgenommen.
Im Ergebnis ist nach Beendigung des erfindungsgemäßen Verfahrens die zu bearbeitende Oberfläche vollständig mit kleinen Mikrokratern übersät, die so klein sind, dass sie vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen werden, wenn eine Person über die zu bearbeitende Oberfläche läuft.
Der erfindungsgemäß behandelte Fußbodenbelag wird so eingebaut, dass die zu bearbeitende Oberfläche 7 oben ist und Personen über die zu bearbeitende Oberfläche 7 laufen. Die Platte 9 aus absorbierendem Material kann wiederverwendet werden. Alternativ kann auch das Werkstück 5 mit einem Lack aus absorbierendem Material beschichtet werden oder mit einer Kunststofffolie überzogen werden. Mit diesen Beschichtungen kann ebenso wie mit einer Platte aus Keramik (nicht dargestellt) das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls durchgeführt werden.
Wenn das Werkstück 5 mit einer Kunststofffolie überzogen wird, kann nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens diese Kunststofffolie als Schutzfolie auf dem Werkstück 5 verbleiben, bis das Werkstück 5 an seinen Bestimmungsort gelangt ist und dort eingebaut wurde. Diese Variante ist unter Kostengesichtspunkten besonders vorteilhaft.
In 2 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß bearbeiteten Werkstück 5 in den Mikrokrater 13 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eingebracht worden, um die Rutschsicherheit des Werkstücks 5 zu gewährleisten, dargestellt. Aus dieser Darstellung ist erkennbar, dass die Mikrokrater 13 eine längliche oder ellipsoide Form haben. Der maximale Durchmesser beziehungsweise die maximale laterale Ausdehnung der Mikrokrater 13 ist in 2 mit d bezeichnet. Der Abstand zweier Mikrokrater 13 zueinander ist in 2 mit a bezeichnet. Die Tiefe der Mikrokrater 13 kann in der Ansicht gemäß 2 nicht dargestellt werden.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung der Oberflächen transparenter Werkstoffe, insbesondere Glas, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a. in Kontakt bringen der zu bearbeitenden Oberfläche (7) mit einem Laserstrahlen (3) absorbierenden Material (9), b.Bearbeiten der zu bearbeitenden Oberfläche (7) durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl (3), wobei der Laserstrahl (3) durch den transparenten Werkstoff (5) auf die zu bearbeitende Oberfläche (7) gerichtet wird und c. Entfernen des absorbierenden Materials (9).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als absorbierendes Material Kunststoff, Lack oder Kunststofffolie eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als absorbierendes Material schwarzer Stein (9), insbesondere schwarzer Basalt, oder Keramik eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende Oberfläche (7) mit einem pulsierenden Laserstrahl (3) bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlparameter, wie z. B. Energiedichte, Pulsdauer usw. in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs (5) und/oder dessen Dicke so gewählt werden, dass der Materialabtrag zur Bearbeitung der Oberfläche (7) im wesentlichen durch Verdampfung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Bearbeitung von Glas die Pulsenergie 0,4 mJ bis 1,5 mJ und die Pulsdauer 50 ns bis 250 ns beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Beschriften und/oder graphischen Gestalten der zu bearbeitenden Oberfläche (7) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren dazu dient, die zu bearbeitende Oberfläche (7) rutschfest zu machen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zu bearbeitenden Oberfläche (7) durch gezielte Einwirkung von Laserimpulsen Mikrokrater (13) mit Saugnapfwirkung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der einzelnen Mikrokrater (13) zueinander 0,25 mm bis 0,8 mm beträgt.
Werkstück aus transparentem Werkstoff, insbesondere aus Glas, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche (7) des Werkstücks (5) beschriftet und/oder graphisch gestaltet ist, und dass die Beschriftung und/oder die graphische Gestaltung nach einem der zuvor beanspruchten Verfahren hergestellt ist.
Fußbodenbelag aus transparentem Werkstoff, insbesondere aus Glas, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende Oberfläche (7) des Fußbodenbelages (5) Vertiefungen in Form von Mikrokratern (13) mit Saugnapfwirkung ausweist.
Fußbodenbelag nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (13) möglichst flach sind.
Fußbodenbelag nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (13) für das menschliche Auge unsichtbar sind.
Rutschfester Fußbodenbelag nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (13) scharfkantig sind.
Rutschfester Fußbodenbelag nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (13) eine linsenförmige Geometrie aufweisen.
Rutschfester Fußbodenbelag nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vertiefungen (13) eine maximale laterale Ausdehnung von 0,4 mm und eine Tiefe von 0,01 mm bis 0,2 mm aufweisen.
Rutschfester Fußbodenbelag nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 100 Vertiefungen (13) pro cm² auf der Oberfläche (7) angeordnet sind.
Rutschfester Fußbodenbelag nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (7) des Fußbodenbelages nach einem der mit den Ansprüchen 1 bis 10 beanspruchten Verfahren hergestellt ist.