Projekt 08300/01

Anwendung des Lasergerätes zur Beseitigung von Korrosionsschichten an umweltgeschädigten wertvollen archäologischen Kulturgütern aus Eisen

Projektdurchführung

Fachhochschule MünsterFB Physikalische Technik
Stegerwaldstr. 39
48565 Steinfurt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Anwendung der Lasertechnik ist im Bereich der Stein-, Glas und Gemälderestaurierung seit einiger Zeit Gegenstand intensiver und systematischer Untersuchungen und wird im Bereich der Steinkonservie-rung bereits seit einigen Jahren in der Praxis eingesetzt. Es erscheint daher aussichtsreich, die Lasertechnik auch im Bereich der Metallrestaurierung als eine berührungsfreie und schonende Methode zur Freilegung originaler Oberflächen anzuwenden. Entsprechende Einsatzmöglichkeiten wurden bisher je-doch nur in sehr wenigen, ersten Ansätzen untersucht. Eine systematische Untersuchung mit praktischen Konsequenzen für den Anwender fehlt bis heute vollständig. Dies soll im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführt werden. Dabei soll das Ziel verfolgt werden, die Lasertechnik in Kooperation mit Restaurato-ren so weit zu entwickeln, dass Oberflächen an stark korrodierten archäologischen Eisenfunden im Vergleich zu bekannten Verfahren möglichst zerstörungsfrei freigelegt werden. Somit sollen Informationen über die ursprüngliche Herstellung und Nutzung des Kulturgutes gewonnen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Möglichkeiten des Lasereinsatzes zur Freilegung von korrodierten archäologischen Eisenoberflächen sollen untersucht werden. Hierzu soll auf Erkenntnisse aufgebaut werden, die beim Antragsteller zum Thema Laserreinigung von bewittertem Naturstein und Laserreinigung von historischem Glas vorlie-gen. Es sollen auch Erfahrungen genutzt werden, die beim Projektpartner Westf. Museum f. Archäolo-gie zum Thema Schutz archäologischer Bodenfunde aus Metall vor immissionsbedingter Schädigung vorhanden sind. Für die Untersuchungen werden vom Projektpartner archäologische Originalfunde aus den Lagerstätten Anreppen und Haltern zur Verfügung gestellt. In die Untersuchung sollen neben archäologischem Eisen auch verschiedene Buntmetalle mit aufgenommen werden. Nach einer Dokumentation und Bewertung des Ausgangszustandes sowie gegebenenfalls Grob-Freilegung soll mit unterschiedlichen Laserquellen die Fein-Freilegung erfolgen. Hierzu soll der Einfluss unterschiedlicher Laserwellenlängen, Pulsdauern, Pulsfrequenzen und Energiedichten auf den Abtrag der Korrosionskruste ermittelt werden. Bei der anschließenden Auswertung steht vor allem eine mögliche Schädigung der Originaloberfläche im Vordergrund der Arbeiten. Je nach erzielten Resultaten soll auch die verwendete Lasertechnik optimiert werden (bspw. Handhabbarkeit des Bearbeitungskopfes/Teleskoparm). Für unterschiedliche Korrosionsphänomene sollen geeignete Laser-Bearbeitungsparameter optimiert werden. Zum Projektende sollen die gewonnenen Erkenntnisse gemeinsam mit dem Projektpartner an einem Musterbeispiel in der Praxis getestet werden. Die Resultate sollen der interessierten Öffentlichkeit in ausreichend dokumentierter Form zur Verfügung gestellt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Mit Hilfe der eingesetzten Lasertechnik ließen sich in der Mehrzahl der getesteten Eisenobjekte Originaloberflächen schonend freilegen. Dabei spielt die Laserwellenlänge nur eine untergeordnete Rolle; die Wirkung der Laserpulse auf die Objektoberfläche ist primär von der Pulsenergie und deren Fokussierung (Energiedichte) sowie der zugehörigen Einwirkzeit abhängig. Für eine effektive Freilegung erwies es sich als notwendig, die Korrosionsauflagen über der Originaloberfläche mittels Abschleifen stark zu reduzieren, da sich ein reiner Materialabtrag durch Laserstrahlung als wenig effizient erwies. Solche Kombinationstechniken sind in der Restaurierung nicht ungewöhnlich, bestehen ansonsten aber aus der Aneinan-derreihung verschiedener, mechanischer Techniken. Die hier angewandte Kombinationstechnik vereint die Vorteile der schnellen, grob mechanischen Reduzierung (Schleifen, Sandstrahlen) von Deckschichten mit dem langsameren, präzisen Abtrag durch Laserstrahlung. Dabei bewegt sich der Zeitaufwand auf vergleichbarem Niveau wie bei anderen Kombinationstechniken und z. T. konnten sogar Zeitgewinne verzeichnet werden.
Die Oberflächenfreilegungsqualität von Details wurde durchweg positiv bewertet. Die mechanische Belastung der Oberfläche ist im Vergleich zum Sandstrahlen geringer; Abplatzungen von Oberflächenbereichen wie sie durch die Druckluft beim Sandstrahlen entstehen können, konnten kaum beobacht werden. Erhoffte Selbstbegrenzungseffekte im Freilegungsprozess konnten nicht repräsentativ nachgewiesen werden. Somit ist die manuelle Überwachung des Reinigungsvorgangs noch zwingend erforderlich. Die optische Kontrolle im Moment des Materialabtrags ist dabei auf Grund des entstehenden Lichtblitzes (Laserplasma) und der durch die Laserschutzbrille eingeschränkten Sicht nur bedingt möglich. Jedoch ist es mit entstehenden Erfahrungswerten rasch möglich Flächen schonend zu bearbeiten. An optionalen Reinigungskontrollen via Analyse des Ablations-Prozesses (Laserplasma, Schallamplitude) wird international geforscht; Lösungen sind auf Teilgebieten bereits möglich. Speziell bei stark korrodierten Eisenobjekten würde der inhomogene, variierende Schichtaufbau eine solche Analysetechnik jedoch komplex gestalten.
Über den Zeitrahmen des Projektes hinaus werden im kleineren Umfang weitergehende Versuche mit Eisen- aber auch anderen Metallfunden durchgeführt. Dies geschieht über die bestehende Kooperation und auch in Zusammenarbeit mit anderen Partnern. Zudem soll über Fachvorträge und Publikationen weitere Resonanz erzielt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Resultate dieser Studie wurden bereits als Vortrag auf nationalen Fachtagungen (Laser Forum Nürnberg 2001, Arbeitsgruppe Metallkorrosion Bochum 2002) präsentiert. Im Jahr 2003 werden Publikationen in Fachzeitschriften (vorgesehen: Restauro, Laser Magazin) folgen. Ebenso wird ein Vortrag zu diesem Projekt auf der internationalen Tagung LACONA V (Laser in the CONservation of Artwork, Osnabrück 2003) gehalten.


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen der Laser korrodierte Eisenobjekte sehr schonend freilegen kann. Dabei können Oberflächendetails beson-ders detailliert aufgedeckt werden. Der präzise, geringe Materialabtrag des Lasers beinhaltet, dass die voluminösen Konglomeratschichten zuvor mechanisch stark reduziert werden müssen. Der zeitliche Rahmen für einen gesamten Freilegungsprozess war dabei vergleichbar oder sogar geringer als mit nur rein konventionellen Mitteln. Die Handhabung des Lasergerätes kann schnell erlernt werden, wurde aber im längeren Einsatz als etwas umständlich empfunden. Eine Liste mit Verbesserungsvorschlägen wird an die Gerätehersteller gesandt.