Projekt 18843/01

Modellhafte Anwendung der Laserstrahltechnologie zur Reinigung von national wertvollen umweltgeschädigten Kulturgütern aus Metall

Projektdurchführung

Internationales Zentrum für Kulturgüterschutz & Konservierungsforschung (IZKK) Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC)
Bronnbach 28
97877 Wertheim

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ein wesentlicher Bestandteil bei der Restaurierung freibewitterter Metalldenkmäler ist die Behandlung der Oberfläche (Reinigung oder Freilegung, Konservierung). An hochrangigen Kunstwerken aus Kupfer-legierungen (wie z. B. Bronzen) oder auch bei Eisen / Stahl wird hierbei in Deutschland mechanisch (Bronze, Messing), chemisch oder mit Strahlgut gearbeitet. Dies kann zu unerwünschten Schäden führen. Das Vorhaben zielt deshalb ab auf die systematische Erprobung eines neuen, berührungslosen Reinigungsverfahren unter Einsatz des Lasers (speziell Nd:YAG-Laser). Die Laseranwendung soll mit den etablierten Verfahren hinsichtlich Effizienz, Erhalt der Originalsubstanz, Wirtschaftlichkeit und Lang-zeitwirkung verglichen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Einsatzpotential des Lasers zur Reinigung von durch Umwelteinflüsse geschädigten Metalloberflächen wurde an Modellproben untersucht und letztendlich an Werkstattobjekten und hochrangigen Pilot-objekten beispielhaft zur Anwendung gebracht. Verwendung als reproduzierbare Modellproben fanden neugegossene Metalle (metallisch blank und vorkorrodiert) sowie Proben, die von deponierten ausrangierten Originalen gewonnen wurden. Als Substrate selbst wurden entsprechend ihrer praktischen Relevanz Bronze, Kupfer und Eisen mit jeweils verschiedenen typischen Oberflächenphänomenen (div. Korrosionserscheinungen, Schmutzschichten, Rost, Fassungen, Altbeschichtungen usw.) sowie Edelmetalle verwendet. Auf technischer Seite wurden verschiedene Laserwellenlängen des Nd:YAG-Lasers eingesetzt und die systematische Variation der Parameter (z. B. Energiedichte, Pulszahl und -frequenz) durchgeführt, um Schwellenwerte für Oberflächenveränderungen und beginnendem Materialabtrag zu bestimmen. Die Dokumentation erfolgte, falls nötig, mittels instrumenteller Analytik; hierdurch war auch eine genaue Prozeßkontrolle möglich. Die Übertragung der Ergebnisse in die restauratorische Praxis erfolgte durch die Kooperation mit zwei Restaurierungsfirmen. Es gelang, die Lasermethode anhand der Anwendung an hochrangigen Bronze- und Messingskulpturen weiterzuentwickeln und deren Potential modellhaft zu zeigen. Im Rahmen einer Diplomarbeit konnte neben der Anwendung am Objekt u. a. der Reinigungseffekt des Nd:YAG-Lasers mit dem des Femtosekunden-Lasers verglichen werden.


Ergebnisse und Diskussion

Es hat sich durch die beschriebenen Experimente an repräsentativen Denkmaloberflächen gezeigt, dass die Laserreinigung von Metall(legierungen) in ihren Möglichkeiten und Auswirkungen auf unterschiedli-che Substrate durch die Messung von Wirkungs- und Abtragsschwellen genau eingegrenzt und definiert werden kann. Es können zudem eindeutige Schlüsse über das Potential der Methode gezogen werden. Als allgemeines Ergebnis bleibt festzuhalten, dass die Anwendung des Nd:YAG-Lasers positive und überzeugende Ergebnisse geliefert hat für die Reinigung / Freilegung von Farbfassungen und Vergol-dungen (Edelmetalle allgemein), für die Entfernung bzw. Ausdünnung von Rost bei Eisenoberflächen sowie teilweise bei der Behandlung von Kupferlegierungen. Speziell bei Bronze bzw. Messing ist der Reinigungserfolg jedoch stark objekt- bzw. legierungsabhängig. Während Innenraumskulpturen mit relativ gleichförmiger Patina gut behandelt werden konnten (z.B. Adrian de Vries-Putto Stadthagen), ist die sehr inhomogene Kupferpatina bei freibewitterter Bronze und bei Messing meist nur partiell, aber dafür auch an Problemstellen, wirkungsvoll unter Einsatz des Lasers zu reinigen. Es gelang jedoch am spe-ziellen Beispiel einer Puttofigur (Bronze-/Messinglegierung; Freibewitterung) aus dem Schlossgarten Herrenhausen, einen restauratorisch / konservatorisch optimalen Reinigungserfolg ausschließlich mit dem Laser über die komplette Figur hinweg zu erzielen! Diese Umsetzung ist integraler Bestandteil einer im Rahmen des Projektes ausgeführten Diplomarbeit. Sie erlaubte zudem den Vergleich des Reinigungsergebnisses zwischen Nd:YAG-Laser und Femtosekunden-Laser. Vorsicht ist geboten bei der Be-handlung der nahezu freigelegten Oberflächen im oder über dem Bereich der Abtragsschwellen (gilt sowohl für Kupferlegierungen als auch für Eisen): Bei der mikroskopischen Betrachtung der Grenzflächen sind teilweise Sägezahnmuster an der Oberfläche der Originalsubstanz erkennbar. Diese, im m-Bereich sich ausbildenden Materialveränderungen sind bei einem geplanten Einsatz der Lasermethode zu berücksichtigen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Folgende Präsentationen / Publikationen sind repräsentativ für die Projektergebnisse:
Fraunhofer-Magazin 4.2002:
Wiedemann, Mottner (Interview: Weiner): ‚Lasertechnik. Alte Kunst in neuem Licht
Konferenz LACONA 5, Osnabrück, Sept. 2003 (Proceedings: Springer Verlag, 2005):
Mottner, Wiedemann, Haber, Conrad, Gervais (Präsentation + Publikation)
Laser Cleaning of Metal Surface - Laboratory Investigations
Konferenz LACONA 6, Wien, Sept. 2005 (Proceedings: Springer Verlag, Ende 2007):
Gervais, Meier, Mottner, Wiedemann, Conrad, Haber (Präsentation + Publikation):
Cleaning Historical Metals - Performance of Laser Technology in Monument Preservation
Laserforum (Organisation u. a. Fraunhofer IWS): Diverse Präsentationen in 2002, 2003, 2004
Messe ‚DENKMAL 2004: Mehrere Posterbeiträge + Exponate (Fraunhofer IWS)
Berichte zur Denkmalpflege in Niedersachsen 1/2005:
Gervais, Meier: ‚Reinigung historischer Metalle - Lasertechnologie im Einsatz für die Denkmalpflege
Die öffentliche Abschlußpräsentation des Projektes fand am 08.11.2005 im Grünen Gewölbe des Neuen Stadtschlosses Dresden anlässlich der Ausstellung ‚ZeitSchichten: Erkennen und Erhalten - Denkmal-pflege in Deutschland / G. Dehio statt. Die Zusammenstellung aller Präsentationen steht der DBU als gebundener Ausdruck und auf CD bereits zur Verfügung.


Fazit

Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz des Nd:YAG-Lasers positive, teilweise sehr positive Reinigungsergebnisse bei Edelmetallen, Eisen (hier: speziell Abtrag von Korrosion) und Fassungen (auch Freilegung definierter Farbschichten) erreicht werden. Auch die zugehörigen, für die praktische Anwendung unverzichtbaren Schwellenwerte (Abtrags- und Wirkungsschwelle) sind anhand von Laborversuchen an Modellproben eindeutig und materialspezifisch bestimmbar. Die Ergebnisse an Kupferle-gierungen sind differenzierter zu bewerten. Positiven einzelnen Anwendungen stehen hier jedoch auch Limits gegenüber: Die noch vorhandene Selektivität der Methode bei Kupferlegierungen schränkt den Einsatz in vielen Fällen, auch bezogen auf Bereiche mit unterschiedlichem Erhaltungszustand an ein und derselben Figur, ein. Eine umfangreiche, speziell angefertigte Datenblattsammlung aller material-spezifischen Anwendungen incl. Detailinformationen zu den verwendeten Lasereinstellungen und -parametern liegen dem Abschlußbericht bei. Die Wirtschaftlichkeitsabschätzung empfielt die Methode nach wie vor nur bei ausgewählten, hochrangigen Objekten. Es kann allerdings sowohl im Labor als auch wirkungsvoll vor Ort gearbeitet werden, falls die Nd:YAG-Standardwellenlänge ( = 1064nm) verwendet wird.