In der Holzverarbeitung werden Laser neben Vermessungsaufgaben für Schneid-und Perfo- rierungsprozesse eingesetzt. Eine neue Anwendung ist das Abtragen mit Hilfe von Laser- strahlung. Von Seltman, J. : Freilegen der Holzstruktur durch UV-Bestrahlung, Holz als Roh- und Werkstoff, Springer-Verlag, 53 (1995), S. 225-228 und von Panzner, M. et al. : Experi- mental Investigation of the Laser Ablation Prozess on Wood Surfaces, Fourth International Conference on Laser Ablation COLA, Monterey, California, 1997 werden unterschiedliche Möglichkeiten und Verfahren zum Abtragen der durch mechanische Bearbeitung zerstörten Holzschicht mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen beschrieben.

Aus der DE 94 02 681.5 Ul ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Glas, Kunststoff, Halbleitern, Holz oder Keramik bekannt, die mittels Laserstrahlung mit einer Laserstrah- lungsquelle, die Laserstrahlung in Form eines Laserstrahles emittiert, und mit einer Fokussie- rungsoptik die Laserstrahlung auf ein aus Glas, Kunststoff, Halbleiter, Holz oder Keramik bestehendes Werkstückteil fokussiert. Das Kennzeichen dieser Vorrichtung ist, daß die Laser- strahlung eine Wellenlänge von etwa 1,4 um bis 3,0 (J. m aufweist.

Mit der Vorrichtung wird ein effektiver Abtragungsmechanismus angestrebt, der im Wellen- längenbereich von ungefähr 1,4 u. m bis 3,0 u. m den zu bearbeitenden Stoff sehr stark aufhei- zen soll, so daß es zu sogenannten Mikroexplosionen kommt. Das erhitzte Material wird ab- getragen. Dies dient dem Beschriften von Werkstückteilen oder der Erzeugung mechanischer Spannungen in Glasrohren zum anschließenden Brechen in einer Aufschmelzzone.

In der DE 40 33 255 AI wird ein Verfahren beschrieben, das der optischen Aufwertung von Holzfurnieren durch Hervorheben der Maserung dient. Dies geschieht durch pyrolytische Bräunung der Holzoberfläche mit Hilfe von IR-Strahlung. Die beim Laser-Schneiden auftre- tenden Veränderungen an Holz und Holzwerkstoffen untersuchte unter anderen auch Para- meswaran, N. : Feinstrukturelle Veränderungen an durch Laserstrahl getrennten Schnittflächen von Holz und Holzwerkstoffen, Holz als Roh-und Werkstoff, Berlin 40 (1982) 11, S. 421- 428, der folgende interessante Feststellungen machte : Die braun bis schwarz gefärbten Schnittflächen entstehen durch den hauptsächlich thermischen Trennvorgang und sind cha- rakteristisch für eine Pyrolyse in den Zellbereichen der Trennung. Es wird eine weitgehend zusammengeschmolzene Oberfläche erzeugt, wodurch die einzelnen Zelllumina im Durchmes- ser stark reduziert werden. Die hohen Temperaturen in der Schnittfuge (etwa 700°C, Arai et al. 1979) führen zu einer allmählichen Umwandlung der Wandkomponenten in eine glasige Masse. Back, E. L. : Cellulose bei hohen Temperaturen : Selbstvernetzung..., Das Papier, 27 (1973), S. 475-483 bestimmte für Cellulose theoretisch aus der Glastemperatur die Schmelztemperatur mit ca. 450 °C. Außerdem stellte er fest, das ein Schmelzen ohne pyroly- tische Nebenerscheinungen nur möglich sein wird, wenn Erwärmung und Abkühlung in einer genügend kurzen Zeitspanne stattfinden.

Die bisher beschriebenen Schmelzvorgänge bei der Bearbeitung von Holz werden als störende Begleiterscheinungen angesehen. Bis jetzt wurden noch keine Veränderungen spezifischer Eigenschaften von Holz erzeugt.

Neben den typischen pyrolytischen Abbauprozessen bei der Bearbeitung von Holz mit Laser- strahlung ist auch das Schmelzen als ein sekundärer Umwandlungsvorgang bekannt. Ge- schmolzene Bereiche werden aber in der Regel als negativ für die Qualität der bearbeiteten Holzoberfläche bewertet. Außerdem werden in der Schmelze die bei der Bearbeitung entste- henden pyrolytischen Abbauprodukte festgehalten und erstarrt. Bekannte Verfahren, wie zum Beispiel das Lasertrennen beschränken sich darauf, bei der Bearbeitung Holzsubstanz durch thermische oder fotochemische Ankopplung des Lasers zu verdampfen. Die Veränderung der Holzstruktur in den an die Bearbeitungszone angrenzenden Bereichen erfolgt dabei willkür- lich. Abbauvorgänge sind nicht steuerbar, kaum vermeidbar und führen im Allgemeinen zu einer Abwertung der Qualität des so bearbeiteten Holzes. Verschiedene Verfahren, wie zum Beispiel die Plasma-Bearbeitung (DE 41 35 697 A1) erfordern eine aufwendige Vorbehand- lung des Holzes und komplizierte Bearbeitungsvorrichtungen, die eine großtechnische Einfüh- rung verhindern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Bauteil aus Holz sowie ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung des Bauteils anzugeben, bei dem in geometrisch definierten Bereichen die Eigenschaften des Holzes so verändert vorliegen, daß sich daraus chemisch und physikalisch systematisch veränderte Eigenschaften der Holzoberfläche ergeben. Damit sollen sonst notwendige Behandlungen der Holzoberfläche entfallen und sich eine Reihe neuer An- wendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete fur Holz ergeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Bauteil aus Holz mit den im Anspruch 1 ge- nannten Merkmale gelöst. Vielgestaltige Bauteilvarianten ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren mit den im Anspruch 11 ge- nannten Merkmalen gelöst. Varianten des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen An- sprüchen. Verwendungen des Bauteils des Bauteils ergeben sich aus den Ansprüchen 22 bis 28.

Das Bauteil aus Holz weist in geometrisch definierten Bereichen veränderte Eigenschaften auf. Erfindungsgemäß besitzen die geometrisch definierten Bereiche ausschließlich die Eigen- schaften von erstarrten Holzschmelzen. Im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 ergibt sich, das die Bereiche einzelne oder mehrere Holzzellen sind oder eine oder meh- rere Zellwände. Aus der Verschmelzung ergeben sich Eigenschaftsänderungen physikalischer und chemischer Natur als auch eine gezielte Veränderung des Verformungsverhaltens.

Entsprechend den Ansprüchen 22 bis 28 läßt sich die Schmelze für die Herstellung von Zu- sammenfügungen von Holzteilen und/oder Holzpartikel verwenden bzw. lassen sich Einlage- rungen in die Schmelze vornehmen.

Die Hauptbestandteile des Holzes Cellulose, Lignin und Hemicellulosen haben ähnlich ande- ren Polymeren keinen Schmelzpunkt, sondern es tritt ein breiter Übergangsintervall in der Phasenumwandlung auf. Im Unterschied zu Kunststoffen besitzt Holz aber keine homogene Struktur und somit auch keine konkrete Erweichungstemperatur, sondern einen Erweichung- stemperaturbereich. Thermische Zersetzungsvorgänge beginnen im Holz schon bei Tempera- turen unter 100 °C. Entscheidender Faktor für das Einsetzen und Fortschreiten der Pyrolyse ist jedoch die Zeitdauer der Wärmeeinwirkung, da die Pyrolyse einen kontinuierlichen Prozeß aufeinander folgender Abbauvorgänge darstellt. Das Erweichen beginnt bei Temperaturen um 100°C, wobei der Polymerisationsgrad der Ketten rasch abfällt und eine Plastifizierung des Werkstoffs einsetzt. Geschmolzenes Holz ist gekennzeichnet durch einen geringen Polymeri- sationsgrad, Erhöhung des Anteils an amorpher Masse, den Verlust der Fibrillenstruktur der Zellulose und der typischen Zellstruktur, Homogenisierung und Erhöhung der Schmelztempe- ratur bei wiederholter Erwärmung.

Dementsprechend ist das Verfahren gemäß Anspruch 11 zur Herstellung von Bauteilen aus Holz so ausgestaltet, daß die geometrisch definierten Bereiche durch berührungslosen, kurz- zeitigen, vorzugsweise innerhalb kleiner/gleich 50 ms und hohen Energieeintrag aufgeschmol- zen werden, so daß der Polymerisationsgrad der Ketten rasch abfällt und eine Plastifizierung des Werkstoffs einsetzt, und die Schmelze innerhalb dieses Zeitraumes erstarrt.

Als elektromagnetische Strahlung wird vorteilhaft Laserlicht verwendet. Die Ausdehnung des Wechselwirkungsbereiches, die Wechselwirkungszeit und die Intensität werden durch eine Kombination von Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück sowie mit Methoden der dynamischen Strahlformung realisiert. Die Bearbeitung findet in einer durch Zusammenset- zung, Druck und Temperatur definierten Gasatmosphäre statt. Die Erwärmung kann sowohl unter Inertgas, als auch in freier Atmosphäre durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit anderen Verfahren der Holzbearbeitung, z. B. mit mechanischen Verfahren kombiniert werden. Das Schmelzen kann in einem definierten zeitlichen Regime kurz vor, während oder kurz nach der Bearbeitung mit einem anderen Verfahren angewandt werden.

Aus der Erfindung ergeben sich die nachfolgend aufgeführten Vorteile. Schmelzen ermöglicht die Veränderung der Geftigestruktur des Holzes. Das Verschließen der Holzzellen führt direkt zu einer Verringerung der spezifischen Oberfläche und es wird die kapillare Aufnahme von Feuchtigkeit eingeschränkt bzw. unterbunden. Holz oder Holzpartikel lassen sich durch Schweißen untereinander verbinden ohne, oder ausschließlich unter Verwendung holzeigener (z. B. Lignin) Zusatzstoffe. Holz kann durch Schmelzen mit anderen Werkstoffen, insbesonde- re transparenten Polymeren oder Faserstoffen, verschweißt werden. Das Schmelzen ist räum- lich lokal begrenzt oder flächendeckend möglich, wodurch der Anteil an geschmolzenem Vo- lumen eine geometrisch definierte Größe auf oder unterhalb der Oberfläche besitzt und somit auch der Grad der Änderung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften definiert ist.

Mit der Schmelze werden gezielt physikalische und/oder chemische Veränderungen im Holz erzeugt. Zu diesem Zweck können zusätzlich Fremdsubstanzen in das Holz eingeschmolzen werden. Diese Fremdsubstanzen können Partikel und/oder Pigmente sein. Sie werden vor dem Schmelzprozess zum Beispiel mittels Tränken, Tauchen, Beschichten oder während des Schmelzvorganges zum Beispiel mittels Gas-oder Pulverstrahl in oder auf das Holz gebracht.

Die Diffusionseigenschaften des Holzes gegenüber umgebenden Medien werden verändert. In geschmolzenen Bereichen sind die Diffusionseigenschaften in den Hauptschnittrichtungen des Holzes einander weitestgehend gleich. Durch das Schmelzen wird eine Hydrophobierung der Holzoberfläche erreicht. Geschmolzenes Holz weist durch die gezielte Veränderung physikali- scher und/oder chemischer Eigenschaften eine erhöhte Resistenz gegenüber Holzschädlingen auf Härte und Abriebfestigkeit der Holzoberfläche lassen sich einstellen. Die optischen Ei- genschaften (Absorption, Reflexion und Streuung) der Holzoberfläche werden gezielt verän- dert. Geschmolzenes Holz unterscheidet sich im Glanz deutlich von nicht geschmolzenem Holz. Die Erweichung der Holzsubstanz im Bereich der Glastemperatur bietet neue Möglich- keiten für die Verformung von Holz.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

An einem Holzbalken mit dem Querschnitt von 8 x 10 cm wurde der Balkenkopf zum Schutz vor kapillarer Wasseraufnahme im Bereich des Hirnholzschnittes eine geschlossene Oberflä- che aus geschmolzenem Holz mit einer Dicke von maximal 0,5 mm erzeugt. Zur Erzeugung dieses geschmolzenen Bereiches wurde der Laserstrahl eines kontinuierlichen C02-Lasers mit einer Leistung von 2500 W und einem Wirkfleckdurchmesser von 6 mm mittels Doppel- Spiegel-Scanner mäanderförmig, bei einer Spurüberlappung von 10 Prozent und einer Ge- schwindigkeit von 6 m/s aber die zu bearbeitende Hirnholzfläche des Balkenkopfes bewegt.

Um eine homogene und geschlossene Schmelzzone von größer 0,4 mm Dicke zu erzeugen, muß die Zellstruktur in dem geometrisch definierten Bereich aufgehoben werden. Daher wur- den Wellenlänge und Einwirkzeit des Laserstrahls so gewählt, daß die festen Holzbestandteile bis in eine Tiefe von etwa 0,8 mm geschmolzen werden.

Die Verminderung der kapillaren Wasseraufnahme wurde durch Benetzung mit einer defi- nierten Menge Wasser und Messung der Zeit bis zum vollständigen Eindringen des Wassers in die Oberfläche bestimmt. Die Untersuchung der geschmolzenen Holzoberfläche ergabt eine Verlängerung der mittleren Eindringzeit um den Faktor 7,1.

Zwei Furniere 3 aus Fichtenholz wurden durch Aufschmelzen des im Holz enthaltenen Lignins untereinander verschweißt.

Dafür wurden die Furniere 3 zuvor durch Bügeln geglättet und in einer geeigneten Vorrich- tung so fixiert, daß sie ohne Abstand aber der gesamten Nahtlänge dicht zusammen liegen.

Zur Erzeugung einer Schweißnaht 5 wurde der Laserstrahl 2 eines kontinuierlichen CO2- Lasers mit einer Leistung von 2500 W, einem Wirkfleckdurchmesser von 13 mm und einer Geschwindigkeit von 12 m/s geradlinig über die vorbereitete Nahtfläche bewegt.

Um eine homogene und geschlossene Schweißnaht 5 mit einer Dicke von mindestens 0,5 mm zu erzeugen, muß die Zellstruktur in einem geometrisch definierten Bereich aufgehoben wer- den. Daher wurden Wellenlänge und Einwirkzeit des Laserstrahls 2 so gewählt, daß die festen Holzbestandteile bis in eine Tiefe von etwa 2 mm aufgeschmolzen werden.

Nach der Bearbeitung sind die beiden Furniere 3 durch die Schweißnaht 5 untereinander ver- bunden. Nach dem Trennen der beiden Furniere ist im Mikroskop deutlich und über die ge- samte Nahtlänge eine Bruchkante zu erkennen. Unterhalb der Bruchkante ist eine homogene Schmelzschicht zu erkennen. Die Zellstruktur ist bis in eine Tiefe von 0,4 mm aufgehoben.

Bezugszeichenliste 1-Strahlführung 2-Laserstrahl 3-Furnier <BR> 4-Bearbeitungsrichtung 5-Schweißnaht 6-Schmelze