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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Einsatzstücken aus Holz und zur Restauration von Holzgegenständen mit diesen Einsatzstücken.
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Alle Holzgegenstände unterliegen der Alterung. Dabei kann ein Holzgegenstand auf unterschiedliche Weise verändert und somit beschädigt werden. Zum einen können Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen zur Bildung von Spannungen in dem Holzgegenstand führen, die, wenn sie zu groß sind, zu Rissen und Verformungen führen können. Zum anderen können Tiere, wie zum Beispiel der Holzwurm, durch das flächige Abtragen von Holz oder das Bohren von Tunneln in das Holz den Holzgegenstand schädigen. Und schließlich kann ein Holzgegenstand noch durch mechanische Belastungen beschädigt werden. Eine mechanische Belastung kann sich dabei sogar bei sachgemäßer Benutzung ergeben und spielt insbesondere bei Musikinstrumenten eine Rolle, da das Holz dieser bei typischer Benutzung starken Belastungen durch die auftretenden Schwingungen ausgesetzt ist. Das schädigende Ereignis ist daher bei diesen unvermeidbar, sollen sie gespielt werden.
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Aus diesem Grund werden beschädigte Holzgegenstände und insbesondere beschädigte Musikinstrumente einer Restauration unterzogen. Je nach Art und Position der Schädigung gibt es dabei zwei Vorgehensweisen:
- – Flächiges Ansetzen: Zunächst wird der Holzgegenstand an der beschädigten Stelle von gegebenenfalls vorhandenen Resten des beschädigten Holzes befreit. Dies geschieht unter Verwendung von Stecheisen und Ziehklingen. Dann wird ein Holzstück so zugeschnitten, dass es durch zweidimensionales Anpassen in die so entstandene Lücke passt und anschließend mit dem Holzgegenstand verleimt. Der Nachteil dieser Art der Restauration besteht darin, dass zu viel Holz aus dem Holzgegenstand entfernt werden muss.
- – Gewölbtes Einsatzstück: Die Verwendung eines gewölbten Einsatzstückes vermeidet die großflächige Entnahme von Holz aus dem beschädigten Holzgegenstand. Es wird auch hier zunächst die beschädigte Stelle von gegebenenfalls vorhandenen Resten des beschädigten Holzes befreit und dann ein Holzstück so bearbeitet, dass es als Einsatzstück auf die beschädigte Stelle des Holzgegenstandes aufgebracht werden kann.
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Dabei ist es das Ziel, den Holzgegenstand und das Einsatzstück so zu verleimen, dass möglichst wenig Raum zwischen Holzgegenstand und Einsatzstück verbleibt, da bei der späteren mechanischen Belastung an diesen Stellen Risse auftreten können und im Falle von Musikinstrumenten zudem der Klang ungünstig verändert werden kann. Die Erstellung von gewölbten Einsatzstücken unterliegt dabei einer wesentlichen Beschränkung: Das Einsatzstück darf nur in eine Richtung gekrümmt sein, d. h. die Oberfläche, die im Wesentlichen mit dem Holzgegenstand verleimt wird (Pass-Oberfläche), darf keinen Wendepunkt aufweisen. Das Verfahren zur Herstellung des passenden Einsatzstückes ist zudem sehr zeitaufwendig und es ist, da die Passform mit Hilfe eines Kreideabdrucks überprüft wird, sehr ungenau.
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Aus der
AT 378 727 B ist eine Vorrichtung zum Quer- und/oder Längsbearbeiten von Holzwerkstücken bekannt. Diese weist einen Werkstückschlitten auf, der in Richtung der x-Achse entlang wenigstens eines Querbearbeitungswerkzeuges verfahrbar ist und einen um eine der x-Achse parallele Achse kippbaren Aufspanntisch aufweist. Der beschriebene Gegenstand ist insbesondere für die Massivholzbearbeitung gedacht und ermöglicht das Bearbeiten von fünf der sechs Seiten eines Quaders bei einmaliger Aufspannung.
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Die
US 2002/0 053 371 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Duplizieren von Holzgegenständen in der das zu bearbeitende Holzstück sowie der zu duplizierende Gegenstand fixiert werden. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Rahmen auf, an dem eine Handsäge und ein Taster jeweils in derselben Ausrichtung in Bezug auf das zu bearbeitende Holzstück sowie den zu duplizierende Gegenstand angebracht sind.
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Auch in der
US 5 454 422 A wird eine Holzbearbeitungsmaschine beschrieben, die ebenfalls zum Vervielfältigen von Holzgegenständen geeignet ist. Hierbei wird ein zu erstellendes Holzprofil berechnet, in Ausgabesignale umgerechnet und diese Signale werden dann an eine Holzbearbeitungsmaschine übermittelt, die dann nacheinander oder parallel mehrere gleichgeformte Holzgegenstände erzeugt.
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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die genannten Nachteile der beiden vorhandenen Verfahren vermeidet; also ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Menge an dem Holzgegenstand zu entnehmendem Holz minimiert wird, die Passgenauigkeit des Einsatzstückes verbessert wird, die Bearbeitungszeit verringert wird und Einsatzstücke zugänglich werden, deren Pass-Oberfläche einen Wendepunkt aufweisen können.
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Diese Aufgabe wird überraschend gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, das Einsatzstück nach Anspruch 11 und 12, die Verwendung nach Anspruch 13 und 14 sowie ein restauriertes Holzstück nach Anspruch 15 und 16.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist Verfahren zur Restauration von Holzgegenständen umfassend:
- a) optional das Entfernen von defektem Holz im Bereich der Beschädigung eines Holzgegenstandes
- b) i das Abtasten der zu verbindenden beschädigten Fläche des Holzgegenstandes unter Aufnahme von Datenpunkten x-y-z oder
ii das Erstellen eines Abdruckes der zu verbindenden beschädigten Fläche,
- c) i das Umwandeln der Datenpunkte x-y-z aus b) i durch ein Spiegelungsverfahren in Datenpunkte x-y-z* oder
ii das Abtasten des Abdruckes aus b) ii unter Aufnahme von Datenpunkten x-y-z*
- d) das Fräsen eines Einsatzstückes unter Verwendung der Datenpunkte x-y-z* aus c)
- e) optional das Befestigen des Einsatzstückes aus d) an der beschädigten Fläche des Holzgegenstandes.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt zunächst das Erstellen eines Abdruckes der zu verbindenden beschädigten Fläche, dann das Abtasten dieses Abdruckes unter Aufnahme von Datenpunkten x-y-z* und anschließend das Fräsen eines Einsatzstückes unter Verwendung dieser Datenpunkte x-y-z*.
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Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, wenn die zu verbindende beschädigte Fläche des Holzgegenstandes flach ist.
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Zum Erstellen eines Abdruckes wird dazu auf die zu verbindende beschädigte Fläche des Holzgegenstandes eine Substanz aufgebracht, die unter Druck verformbar ist und diese Form nach Wegfall des Druckes und entfernen des formgebenden Gegenstückes – ggf. nach einer gewissen Zeit zur Aushärtung – behält. Beispiele für derartige Substanzen sind Gips und plastische Kunststoffe. Zum Schutz des Holzgegenstandes ist es besonders bevorzugt, wenn sich zwischen Holzgegenstand und Abdruck eine Schutzschicht befindet. Dies kann beispielsweise eine Kunststofffolie sein. Eine derartige Folie ist vorzugsweise elastisch und dünn. Sie kann mit Hilfe von Vakuum an die jeweilige Fläche angesaugt werden, um so die Kontur der Oberfläche besser wiederzugeben. Dabei ist es sowohl möglich die Folie holzgegenstandsseitig als auch abdruckseitig durch das Vakuum zu spannen. Es ist bevorzugt, wenn das Vakuum auf Seiten des Holzgegenstandes angelegt wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Material für den Abdruck Gips verwendet und eine Folie auf Seite des Holzgegenstandes mit einem Vakuum fixiert. Werden plastische Kunststoffe als Material für den Abdruck verwendet, so werden sie auf Temperaturen im Bereich von 25 bis 150°C erwärmt und dann auf die zu verbindende beschädigte Fläche des Holzgegenstandes gedrückt. Um den Holzgegenstand nicht zu hohen Temperaturen auszusetzen ist es bevorzugt, dass die Temperatur unter 120°C, bevorzugt unter 100°C, besonders bevorzugt unter 80°C liegt und der Temperaturbereich von 40 bis 60°C ist am meisten bevorzugt. Dieses Verfahren ist besonders bevorzugt, wenn der Holzgegenstand hinter der zu verbindenden beschädigten Fläche eine Dicke von mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 5 mm aufweist.
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Hat der Abdruck die gewünschte Form angenommen, wird er wieder von dem Holzgegenstand entfernt. Hierzu kann es notwendig sein, den Abdruck vor dem Entfernen auszuhärten. Dies kann z. B. durch Wärme, durch Strahlung, durch chemische Reaktion oder durch Änderung des Aggregatzustandes erfolgen. Der so gewonnene Abdruck wird dann abgetastet. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. mechanisch oder optisch. Beim mechanischen Abtasten wird ein Tastkopf in der x-y-Ebene über die Abdruckfläche bewegt und jeweils für ein x-y-Wertepaar der z*-Wert ermittelt, bei dem der Tastkopf mit dem Abdruck in Berührung kommt, wenn er in Richtung der z-Achse bewegt wird. Der Tastkopf kann dabei unterschiedlich geformt sein. z. B. α) zylindrisch, β) elliptisch oder χ) rund, wobei der Durchmesser z. B. 1 mm betragen kann. Die verschiedenen Formen haben jeweils bestimmte Vorteile. So ist α) einfach in der Umrechnung (1:1), β) und χ) liefern bei größeren Neigungen und schmaleren Vertiefungen exaktere Werte. Das Raster kann mit unterschiedlicher Güte erstellt werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft, wenn in x-y-Richtung der Abstand von Messpunkt zu Messpunkt weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,2 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,1 mm beträgt. Dabei sollte der Abstand zwischen den einzelnen Messpunkten umso kleiner gewählt werden, je stärker das Geländeprofil ist, d. h. je größer die Veränderung des z-Wertes von einem gegebenen x-y-Messpunkt zum direkt benachbarten x-y-Messpunkt ist. Wird ein optisches Messverfahren verwendet, wird ein Messkopf in der x-y-Ebene über die Abdruckfläche bewegt und jeweils für ein x-y-Wertepaar der z*-Wert ermittelt. Dies kann z. B. durch Interferenzmessung mittels Laser erfolgen. Das optische Messverfahren hat gegenüber dem mechanischen Messverfahren den Vorteil, dass es eine noch feinere Rasterung und eine noch genauere Messung des jeweiligen z*-Wertes erlaubt. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften des Holzgegenstandes kann es vorteilhaft sein, die zu vermessende Fläche reversibel oder dauerhaft mit einer Beschichtung zu versehen, die auf Grund ihrer optischen Eigenschaften in Bezug auf ihr Reflexionsverhalten dem Holz des Holzgegenstandes überlegen ist.
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Die so erhaltenen x-y-z*-Werte werden aufgenommen. Dies kann z. B. in einer Textdatei erfolgen. Anschließend werden die Daten mit einer CAD Software z. B. NCCAd der Firma Böhm in eine Fräsdatei z. B. eine Stl-Datei umgewandelt. Mit einer Fräse wird dann unter Verwendung der Datenpunkte x-y-z* – z. B. vorliegend in Form einer Stl-Datei – ein Einsatzstück gefräst. Alternativ kann auch unter Verwendung der Punktdatei mit den x-y-z*-Werten direkt, d. h. ohne weitere Datenformatänderungen gefräst werden, wenn das Tastraster und der Taster dem Fräsmuster und dem Fräser entspricht. Als Ausgangsmaterial dient jeweils ein Holzstück. Dieses besteht vorzugsweise aus derselben Holzart wie der beschädigte Holzgegenstand.
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Das so herstellbare Einsatzstück bildet einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt zunächst das Abtasten der zu verbindenden beschädigten Fläche des Holzgegenstandes unter Aufnahme von Datenpunkten x-y-z, das Umwandeln dieser Datenpunkte x-y-z durch ein Spiegelungsverfahren in Datenpunkte x-y-z* und das Fräsen eines Einsatzstückes unter Verwendung dieser Datenpunkte x-y-z*.
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Dabei erfolgt das Abtasten der zu verbindenden beschädigten Fläche des Holzgegenstandes unter Aufnahme von Datenpunkten x-y-z so, wie oben das Abtasten des Abdrucks beschrieben worden ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der zuerst beschriebenen liegt darin, dass kein Abdruck erstellt werden muss. Dies spart Material und Zeit. Außerdem kann kein Kontakt von Abdruckmaterial und Holzgegenstand zustande kommen, so dass der Holzgegenstand nicht beschädigt werden kann. Außerdem weist ein Abdruck oft mehr Fehler auf oder kann beim erhärten/abnehmen leichter verformen. Weitere den Holzgegenstand potentiell schädigende Handlungen wie Erwärmen sind ebenfalls nicht erforderlich. Erfolgt das Abtasten optisch, so kann die Oberflächenstruktur der zu verbindenden beschädigten Fläche des Holzgegenstandes vollkommen berührungslos ermittelt werden.
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Das Umwandeln der Datenpunkte x-y-z durch ein Spiegelungsverfahren in Datenpunkte x-y-z* kann durch die üblichen Rechenoperationen erfolgen. Es ist dabei bevorzugt, wenn die Datenpunkte einzeln gespiegelt werden. Eine Korrektur der Datenpunkte kann insbesondere erforderlich sein, wenn der Tastkopf vom Fräskopf abweicht. Einzelpunktspiegelung und Korrektur bieten ein Höchstmaß an Genauigkeit, was insbesondere an Kanten des Holzgegenstandes wichtig ist. Spiegelungsverfahren, die z. B. mit Dreiecksflächen oder Geraden arbeiten, können aber ebenso verwendet werden.
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Die so erhaltenen x-y-z*-Werte werden dann wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet, um damit aus einem Holzstück ein Einsatzstück zu fräsen.
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Auch das so herstellbare Einsatzstück bildet einen Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Verfahren einen weiteren Verfahrensschritt umfasst, in dem das so erhaltene Einsatzstück an der beschädigten Fläche des Holzgegenstandes befestigt wird. Ein Verfahren wie oben beschrieben, bei dem b) bis e) ausgeführt werden, ist bevorzugt.
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Befinden sich an der beschädigten Stelle des Holzgegenstandes z. B. Holzreste, Späne oder Tunnel, so ist es besonders bevorzugt, dieses defekte Holz zu entfernen, bevor das oben beschriebene Verfahren durchgeführt wird. Ein Verfahren, dass die Schritte a) bis e) umfasst, ist besonders bevorzugt.
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Das oben beschriebene Verfahren ist grundsätzlich für alle Holzgegenstände verwendbar. Es ist allerdings bevorzugt, wenn der Holzgegenstand ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Musikinstrumenten, wie Streich- und Zupfinstrumenten, z. B. Fidel, Rebec, Violine, Viola, Viola da Gamba, Violonchello, Kontrabass, Rabab, Kamangah, Sarangi, Gitarre, Harfe; Möbeln, wie Tisch, Stuhl, Schrank, Regal, Sekretär, Bilderrahmen, und Antiquitäten wie z. B. Holzkreuz, Rahmen, Figuren und Flachreliefe.
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Ein Verfahren wie oben beschrieben ist für alle Holzarten des Holzgegenstandes und des Holzstückes geeignet. Dabei ist des bevorzugt, wenn Holzgegenstand und Holzstück aus derselben Holzart bestehen. Ein Verfahren, bei dem das Holz des Holzgegenstandes und/oder das Holz des Einsatzstückes ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Ahorn, Fichte, Ebenholz, Pappel, Weide und Birne ist besonders bevorzugt.
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Grundsätzlich hängt die Passgenauigkeit von Holzgegenstand und Einsatzstück davon ab, wie genau das Abtasten ist. Es ist daher ein Verfahren bevorzugt, bei dem das Abtasten in einem Raster erfolgt. Es handelt sich dabei vorzugsweise um ein x-y-Raster. Andere Geometrien sind aber auch möglich. Ein Raster im erfindungsgemäßen Verfahren weist vorzugsweise eine Dichte von mindestens 0,05 Punkt, vorzugsweise mindestens 0,1 Punkt, weiter bevorzugt mindestens 1 Punkt, noch weiter bevorzugt mindestens 10 Punkten pro mm2 abzutastender Oberfläche auf.
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Eine weitere Verbesserung der Passgenauigkeit kann erzielt werden, indem bei der Spiegelung außerdem Korrekturen durch Tastkopffehler (z. B. erreicht u. U. ein zylindrischer Taster nicht die volle Tiefe auf einer Fläche) oder zusätzlich Wölbungskorrekturen z. B. für Decken oder Bodenwölbungen an Streichinstrumenten vorgenommen werden.
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Das erfindungsgemäße Einsatzstück weist vorzugsweise eine Passgenauigkeit zum Bereich einer Beschädigung eines Holzgegenstandes auf, die größer als 60%, vorzugsweise größer als 80% und besonders bevorzugt größer als 90% ist. Dabei wird unter Passgenauigkeit im Sinne dieser Erfindung der Anteil in % der dem Bereich einer Beschädigung eines Holzgegenstandes zugewandten Fläche des Einsatzstückes verstanden, der direkt die Oberfläche dieser beschädigten Fläche des Holzgegenstandes berührt, wenn Einsatzstück und Holzgegenstand einander in geeigneter Weise angenähert werden. Der Anteil an der Fläche kann z. B. optisch bestimmt werden, indem eine Oberfläche mit einem Farbstoff, z. B. Graphit versehen wird und dann nach in Kontakt bringen der beiden Flächen der Anteil der geschwärzten Fläche des Gegenstückes gemessen wird.
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Die Verwendung eines Einsatzstückes zur Restauration eines Holzgegenstandes bildet ebenso einen Gegenstand der vorliegenden Erfindung wie die Verwendung einer Fräsmaschine zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Einsatzstückes.
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Auch ein restaurierter Holzgegenstand umfassend ein erfindungsgemäßes Einsatzstück und ein restaurierter Holzgegenstand hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren bilden Gegenstände der vorliegenden Erfindung.
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Die Erfindung wird im Folgenden durch ein Beispiel weiter beschrieben:
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Beispiel 1:
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Bei einer Violine wurden im Unterklotzbereich der Decke schadhafte Stellen, d. h. alte Reparaturen, Holzkitt, falsch verleimte Ansatzstücke, mit einem Rundstecheisen entfernt. Die Fläche wurde vorsichtig mit einer Ziehklinge geglättet. Scharfe Kanten wurden gebrochen (ca. auf 1 mm Radius)
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Mit einer Portalfräsmaschine der Firma Böhm wurde der schadhafte Bereich rechteckig im 0,33 mm x-y-Raster mit einem abgerundeten Taster abgetastet.
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Die so erhaltenen Datenpunkte x-y-z wurden punktförmig gespiegelt und ergaben einen Satz Datenpunkte x-y-z*.
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Dann wurde mit diesen Werten mit Hilfe des Programms nccad der Firma Böhm eine Stl-Datei erstellt und mit einer CNC-Portalfräsmaschine mit einem Fräskopf von 1 mm im 0,25 mm Raster in x und y Richtung zunächst grob, dann fein ein Einsatzstück erstellt.
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Anschließend wurden Holzgegenstand und Einsatzstück miteinander verleimt.