Laserstrahltrennen von Werkstoffen aus Holz

 

Abstract

 

Werkstoffe aus Holz zeichnen sich durch eine hohe Verfügbarkeit und Verbreitung, außerordentliche mechanische Eigenschaften und hohe Verbraucherakzeptanz aus. Darüber hinaus ermöglicht deren weitgehend CO₂-neutrale Erzeugung und biologische Abbaubarkeit eine nachhaltige Produktion. Aufgrund der ständigen Weiterentwicklung der thermischen und mechanischen Eigenschaften bis hin zu hochtechnologischen Anwendungen sind zunehmend angepasste und präzise Bearbeitungsverfahren für diese Werkstoffgruppe attraktiv. Das Sägen, Fräsen und Bohren findet hierbei industriell verbreitete Anwendung, während das Laserstrahltrennen nur in Marktnischen und Spezialanwendungen industriell eingesetzt wird, obwohl es gegenüber den konventionellen Verfahren wesentliche Vorteile aufweisen kann. Die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung mit dem Laserstrahlverfahren wird von der maximalen Vorschubgeschwindigkeit und Schnittqualität maßgeblich bestimmt. Darüber hinaus stellen der Wegfall von Werkzeugverschleiß und -wechsel, die geringere Lärmemission, die Möglichkeit der Anwendung neuer Bearbeitungsstrategien, sowie der geringere Schnittverlust und Späneaustrag nutzbare Vorteile des CO₂-Laser­strahl­trennens gegenüber konventionellen Verfahren dar. Die Erweiterung des derzeitigen Prozessverständnisses und die systematische Beschreibung der erzielbaren Bearbeitungsqualität sowie die Ermittlung wesentlicher Prozesskenngrößen einschließlich der Markteinführung qualifizierter Konzepte umwelttechnischer Maßnahmen können hierbei einen wichtigen Beitrag zur Erschließung neuer Anwendungsfelder liefern. Aus der Vielzahl verfügbarer Werkstoffe aus Holz werden für die vorliegende Arbeit repräsentative und industriell in der konventionellen spanenden Holzbearbeitung verbreitete Vertreter der einzelnen Werkstoffgruppen (Vollholz, Furnier-, Span-, Faserbasis) betrachtet. Die Untersuchung der Strahl-Stoff-Wechselwirkungen führt zu einer thermoanalytischen und energetischen Bilanzierung des Abtragprozesses. Charakteristische Einflussgrößen wie die Streckenenergie, Werkstoffdicke und –art auf die Bearbeitungsqualität beim Laserstrahltrennen von Werkstoffen aus Holz werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erörtert. Beim Laserstrahlschneiden können hinsichtlich Rauheit und Rechtwinkligkeitstoleranz Schnittqualitäten der Klasse 1 - 3 erreicht werden, die der Qualität des Laserstrahlschneidens von Metallen entspricht und die Schnittqualität des Sägens bei weitem übertrifft. Die geringe Invasivität des Verfahrens äußert sich in einer minimalen Schädigungsbreite von 20 m und werkstofftypischen Schnittflächen­schwärzungen mit einem minimalen Schwärzungs­grad von 8-12%, welche in Abhängigkeit von den Laserparametern und der Prozessgaszuführung bewertet werden. Die entwickelte Emissionserfassungs­technik und die qualifizierte Abluft­reinigungs­technik ermöglichen die zuverlässige Schadstoff­erfassung an Laserschneid­anlagen bei der Holzwerkstoffbearbeitung sowie die Minderung der Geruchs­immission bei einem umwelttechnischen Betriebkostenanteil von zwei Größenordnungen unter den Schneidanlagenbetriebskosten.

Die Ergebnisse belegen sowohl das technologische als auch das wirtschaftliche Potenzial des Laserstrahltrennens von Werkstoffen aus Holz. Die Integration umwelttechnischer Maßnahmen und die Realisierung hoher Bearbeitungsqualitäten sind in diesem Zusammenhang hervorzuheben.

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150 Seiten, 53 Abbildungen, 23 Tabellen

ISBN: 3-18-369505-7 / ISSN: 0178-952X

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Inhalt:

 

1 Einleitung 1

2 Stand von Wissenschaft und Technik 3

2.1 Werkstoffe aus Holz 3

2.1.1 Chemischer und mikroskopischer Aufbau 4

2.1.2 Makroskopischer Aufbau und Materialeigenschaften 6

2.1.3 Marktsituation und Einsatzpotenziale von Werkstoffen aus Holz 12

2.2 Einsatz des Lasers in der Bearbeitung von Werkstoffen aus Holz 15

2.2.1 Prozesskenngrößen und Qualitätskriterien 20

2.2.2 Thermische Zersetzung von Werkstoffen aus Holz durch Laserpyrolyse 23

2.2.3 Marktpotenzial des CO2-Laserstrahltrennens von Werkstoffen aus Holz 25

2.3 Gefährdungspotenziale und umwelttechnische Maßnahmen beim Laserstrahlschneiden 26

2.3.1 Gefährdungspotenzial durch luftgetragene Gefahrstoffe 27

2.3.2 Emissionsprognose 35

2.3.3 Schadstofferfassung 36

2.3.4 Abluftreinigung 41

3 Zielsetzung der Arbeit 44

4 Lösungskonzept 45

5 Versuchswerkstoffe 47

6 Versuchstechnik und –durchführung 49

6.1 Werkstoffcharakterisierung 49

6.2 Lasersystem 50

6.3 Technik und Verfahren zur Prozessbeobachtung und -analytik 50

6.4 Online-CO2-Laser Pyrolyse GC/MS 52

6.5 Charakterisierung der Emissionen und Schadstoffminderung 53

7 Ergebnisse und Diskussion 57

7.1 Grundlegende Prozesse bei der CO2-Laserstrahlmaterialbearbeitung 57

7.1.1 Grundlegende Prozesse beim Laserstrahlabtragen 57

7.1.2 Grundlegende Prozesse beim Laserstrahlschneiden 61

7.1.3 Bilanzierung des Energieeintrags 65

7.2 Werkstoff- und prozessspezifische Einflüsse auf die Bearbeitungsqualität 69

7.2.1 Schnittfugengestalt 71

7.2.2 Schnittflächengestalt 77

7.2.3 Schnittflächenschwärzung und Wärmeeinflusszone 83

7.2.4 Bewertung der Schnittqualität und Schädigungsbreite 95

7.3 Gefährdungspotenziale und umwelttechnische Maßnahmen beim Laserstrahltrennen von Werkstoffen aus Holz 100

7.3.1 Emissionscharakterisierung 100

7.3.2 Emissionsprognose 113

7.3.3 Erfassungsgraderhöhung 119

7.3.4 Abluftreinigung 127

8 Folgerungen und Ausblick: Bedeutung für die Praxis 138

8.1 Wirtschaftliche Aspekte 138

8.2 Technologische Aspekte 140

9 Zusammenfassung 142

10 Literatur 122

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Zusammenfassung:

 

Die hohe Akzeptanz bei den Verbrauchern prädestiniert Werkstoffe aus Holz für eine Fülle an Produkten. Die Fertigung dieser Produkte mit Holzbearbeitungsmaschinen stellt einen beachtlichen wirtschaftlichen und beschäftigungspolitischen Faktor dar.

Die konventionell zum Trennen eingesetzten Verfahren weisen eine Abnahme der Bearbeitungsqualität mit zunehmender Werkzeugstandzeit auf, die häufige Werkzeugwechsel oder aufwändige Qualitätskontrollen erfordern. Eine bisher nicht in hinreichendem Maße genutzte Alternative stellt das CO₂-Laserstrahlschneiden dar. Voraussetzung zu dessen Nutzung ist jedoch, dass technologische Vorteile charakterisiert werden, aus welchem sich ein wirtschaftlicher Vorteil oder neue Anwendungen ableiten. Als Gründe für die derzeit nur vereinzelte Anwendung ist der ungenügende Kenntnisstand über werkstoffliche und prozessabhängige Einflussfaktoren auf das Laserstrahltrennen von Werkstoffen aus Holz sowie das Hemmnis gegenüber den bei der Bearbeitung unvermeidbar auftretenden Gefahrstoffen.

Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Erweiterung des Prozessverständnisses, die systematische Ermittlung der werkstoff- und prozessspezifischen Einflüsse auf die Bearbeitungsqualität sowie die werkstofforientierte Qualifizierung sicherheits- und umwelttechnischer Maßnahmen zur Handhabung stofflicher Prozessnebenprodukte. Die experimentellen Ergebnisse bildeten auch die Basis zur Erörterung betriebswirtschaftlicher Aspekte.

Die Untersuchung wurde an repräsentativen Vertretern der einzelnen Werkstoffgruppen auf Vollholz-, Furnier-, Span- und Faserbasis durchgeführt. In der ersten Untersuchungsphase wurde der zugrunde liegende Laserpyrolyseprozess thermoanalytisch charakterisiert. Der Prozesswirkungsgrad beim Laserstrahlabtragen beträgt maximal 50%. Beim Schneiden wurde eine lineare Abnahme des Prozesswirkungsgrades mit der Streckenenergie von 6% auf 4% beobachtet. Das Laserstrahlschneiden ist im Mittel um ca. 45% ineffizienter als das Laserstrahlabtragen.

Das Laserstrahlabtragen und Laserstrahlschneiden kennzeichnet sich durch eine Temperaturverteilung aus, die symmetrischer ist als von den thermischen Werkstoffeigenschaften erwartet. Der Temperaturbetrag an der Abtrag- und Schnittfläche liegt dabei in einem Bereich, in welchem der Prozesswirkungsgrad anhand der kalorimetrischen Analyse am größten ist. Anhand dieser Bilanzierung erfordert das Laserstrahlschneiden einen spezifischen Energieeintrag von 4 kJ/g, welcher eine Größenordnung über dem des Laserstrahlabtragens liegt.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde der Einfluss der Prozessgrößen und Werkstoffparameter auf den Laserstrahlschneidprozess erarbeitet. Die maximale Vorschubgeschwindigkeit wird im Wesentlichen von der Werkstoffdicke und –art, sowie der Laser­ausgangsleistung bestimmt. Da neben der Schneid­geschwindigkeit die Qualität des Schnittes die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bestimmt, wurden die Qualitäts­merkmale der Schnittfuge und Schnittfläche, die Schnittfugenbreite, Rechtwinklig­keits­toleranz, Rauheit und Schädigungsbreite sowie die Schnittflächenschwärzung untersucht. Im wirtschaftlich interessanten Bereich, bei niedrigen Streckenenergien gleichbedeutend mit hohen Schnitt­geschwindigkeiten, wurden die höchsten Schnittqualitäten beobachtet.

Die charakterisierten Rechtwinklig­keits­toleranzen entsprechen Schnitt­qualitäten der Klasse 1 bis 3 nach (DIN EN ISO 9013, DIN 2310-2), welche identisch mit den erreichbaren Klassen beim Laser­strahl­schneiden von Metallen und wesentlich höher als die beim Sägen von Holz sind. Bei MDF werden bei hohen Werkstoffdicken von 15 – 30 mm bezüglich der mittleren Schnittflächenrauheit hohe Qualitäten der Klasse 2 erreicht. Bei den Massiv- und Sperrhölzern resultiert aufgrund der höheren Rauheit beim Schnitt quer zur Faser überwiegend die Qualitätsklasse 3. Im Verfahrensvergleich sind die R_Z-Werte aus dem Laserprozess in der gleichen Größenordnung wie beim Wasserstrahlschneiden und weitaus geringer als gesägte Oberflächen. Auch die die Strukturrauheit des unbearbeiteten Werkstoffes ist höher, so dass dem Laserstrahlschneiden von Holz eine oberflächen­glättende Wirkung zugesprochen werden kann.

Im folgenden Untersuchungsabschnitt wurde die Schnittflächentopographie, das Ausmaß und die Phämenologie der Wärmeeinflusszone sowie die Schnittflächenschwärzung näher untersucht. Im Rahmen der Arbeit wurde die werkstofftypische Bildung einer Schmelzschicht charakterisiert.

Die mikroskopischen Veränderungen des Werkstoffes bedingen im Zusammenwirken mit Anhaftungen aus dem Laserstrahlschneidprozess eine Schwärzung der Schnittfläche. Abhängig vom Fertigungsziel kann es erforderlich sein, das Ausmaß der Schwärzungen zu minimieren, so dass die Streckenenergie, Prozessgasführung, Wertstoffart und Werkstoffdicke als Einflussgrößen untersucht wurden. Insgesamt stellt die Verwendung einer Lavaldüse bei minimaler Streckenenergie die optimale Prozessvariante dar. Die geringste absolute Schwärzung wird bei geringen Werkstoffdicken erzielt. Im werkstofflichen Vergleich zeigt das Nadelholz Kiefer auch bei einer Werkstoffdicke von 18 mm die geringste Schnittflächen­schwärzung.

Zur Charakterisierung der Randzonenschädigung wurde die thermische Modifizierung des Holzpolymers Lignin analysiert, welche im Wesentlichen in den äußeren zwei Zellreihen stattfindet. Die untersuchte Phänomenologie der Gefügeschädigungen ist grundsätzlich anders als bei den mechanisch spanenden Fertigungsverfahren. Da geringere Schädigungsbreiten vorteilhaft für die Weiterverarbeitung des Schnittholzes sind, lassen sich mittels Laserstrahlschneiden diesbezüglich höhere Schnittqualitäten als durch Sägen oder Fräsen erzielen. Nach den vorliegenden Erkenntnissen ist die Schädigungsbreite von 14 –70 m beim Laserstrahlschneiden im Vergleich zu konventionellen Holzbearbeitungs­verfahren als besonders gering zu bewerten. Auch können beim Laserstrahl­schneiden in der Oberflächen­schicht keine Quetschungen oder Risse beobachtet werden. Insgesamt gelangt man zu der Erkenntnis, dass das Laserstrahlschneiden von Werkstoffen aus Holz ein vergleichsweise schonendes Material­bearbeitungs­verfahren darstellt, dessen thermische Material­veränderungen an der Schnittfläche im Wesentlichen auf das Lignin beschränkt sind.

In der erweiterten Betrachtung des Einsatzes von Laserschneidanlagen zur Holzbearbeitung wurde das Gefährdungspotenzial der stofflichen Emissionen analysiert. In Konsequenz erfolgte die Qualifizierung von wirtschaftlichen Techniken zur Handhabung dieser Prozessnebenprodukte. Die Emissionen aus dem Laserstrahlschneiden repräsentativer Werkstoffe aus Holz zeigen untereinander ein ähnliches Leitkomponentenspektrum, wobei die Online-CO₂-Laser Pyrolyse-GC/MS als Instrumentarium zur Emissionsprognose einsetzbar ist. Neben den Leitkomponenten Kohlenmonoxid, Benzol und Staub ist die gemessene Geruchsstoffkonzentration in der Erfassungsluft von 9.400 GE/m³ zur Auslegung von Erfassungs- und Minderungsmaßnahmen relevant. Im Vergleich stellt die konventionelle Holzbearbeitung oder auch die lasergestützte Kunststoffbearbeitung wesentlich höhere Ansprüche an lufttechnische Maßnahmen. Die entwickelte Emissionserfassungs­technik ermöglicht die zuverlässige Schadstofferfassung an der Werkstück­oberseite von > 89%, die Steigerung der Arbeitssicherheit, die Minderung der Geruchs­immission sowie eine Betriebkosten­senkung und die Effizienzsteigerung der Abluft­reinigungsanlage. Es wird der Nachweis erbracht, dass die Arbeitsschutzbedingungen bei gleichzeitiger Einsparung von Lüfterleistung wesentlich verbessert werden können.

Die analysierte Schadstoffmatrix in der Erfassungsluft erfordert die Filtration der Emissionen mittels eines Verfahrens, welches selektiv Gefahr- und Geruchsstoffe abscheidet, ohne durch die Aerosole zu verstopfen. Da Werkstoffe aus Holz biologischen Ursprungs und die Zersetzungsprodukte überwiegend biologisch abbaubar sind, wurde ein biologisches Abluftreinigungsverfahren qualifiziert und alternativen Verfahren gegenübergestellt. Durch die biologische Abluftreinigung werden die Massen­konzentrationen gasförmiger Schadstoffe im Mittel weit unter die Geruchsschwelle der Einzelkomponenten gemindert. Die Erörterung der abluftreinigungsbedingten Kosten beim Laserstrahlschneiden von Werkstoffen aus Holz stellt eine Hilfestellung bei der Produktionskostenplanung dar. Die Betriebskosten für die qualifizierte Abluftreinigung liegen mit 3 €/h um ein bis zwei Größenordnungen unter den Betriebskosten eines Laserstrahl­schneid­systems. Das charakterisierte Biotropfkörper-Verfahren ist als aerosolverträgliches Abluftreinigungssystem für das Laserstrahlschneiden von Sperrholz auch im Filtrationsverfahrens­vergleich als technologisch und ökonomisch vorteilhaftes Verfahren einzustufen.

Die technologischen und betriebswirtschaftlichen Erkenntnisse können auf Basis der vorliegenden Arbeit gezielt für die jeweilige Bearbeitungs­aufgabe und angepasste Bearbeitungsqualitäten genutzt werden. Das Potenzial des Laserstrahltrennens von Werkstoffen aus Holz wird mit dieser Arbeit unter besonderer Berücksichtigung der Prozesseffizienz, der Schnittqualität, nutzbarer werkstoffspezifischer Phänomene an der Schnittfläche und vollständiger Integration umwelttechnischer Maßnahmen potenziellen Nutzern in der Holzforschung und Trenntechnik aufgezeigt.