Projekt 18772/01

Modellvorhaben: Reinigung und Konservierung von umweltgeschädigten Kulturgütern aus Metall mittels innovativer Femtosekunden-Lasertechnik am Beispiel eines Putto der Schaumburger Grafen in Stadthagen (Niedersachsen)

Projektträger

Laser Zentrum Hannover (LZH) e. V.
Hollerithallee 8
30419 Hannover
Telefon: 0511/2788-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Bestand zahlreicher metallischer Kunst- und Kulturobjekte sowie archäologischer Fundstücke ist durch umweltbedingte Korrosionsprozesse gefährdet. Die Korrosion beeinträchtigt nicht nur das optische Erscheinungsbild, sondern stellt auch einen gravierenden Schadensfaktor dar. Mit den klassischen Reinigungsmethoden lassen sich vielfach Reinigungserfolge erzielen, die sowohl aus werkstoffkundlicher Sicht, als auch aus Sicht der Denkmalpflege als befriedigend zu bezeichnen sind. Dennoch sind Defizite hinsichtlich der Selektivität bei der Bearbeitung einzelner Schichten vorhanden. Insbesondere für metallische und temperaturempfindliche Kulturgüter war daher die Anwendbarkeit eines effizienten und zugleich materialschonenden Reinigungsverfahrens auf Basis der Femtosekunden-Lasertechnologie zu überprüfen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas 18-monatige Kooperationsvorhaben sollte die Möglichkeiten und Grenzen des Reinigungsprozesses unter Verwendung von Femtosekundenlasern untersuchen, die einen kalten und damit materialschonenden Abtrag von Korrosionen ermöglichen. Ziel des zu entwickelnden Verfahrens war die Entfernung von Korrosionen und Verunreinigungen, ohne eine Schädigung oder unerwünschte Verfärbung der zu restaurierenden metallischen Kunstobjekte zu bewirken. Dazu sollten zunächst grundlegende Parameteruntersuchungen an unterschiedlichen Metallegierungen (Kupfer, Silber, Farbpigmentierungen) erfolgen. Die Bewertung der Reinigungsergebnisse erfolgte unter Nutzung bildgebender Analyseverfahren (Mikroskopie, REM, EDX, etc.) und der Einbindung der restauratorischen und kunsthistorischen Fachkompetenz der beteiligten Kooperationspartner. Nach 12 Monaten sollten die geeigneten Laserbearbeitungsparameter ermittelt worden sein und daraufhin eine exemplarische Reinigung einer Rückenpartie eines Putto von Adrian de Vries erfolgen, die von dem Grafenhaus der Schaumburger Landschaft dafür zur Verfügung gestellt wurde. Für den Bestand und den langfristigen Erhalt des optischen Erscheinungsbildes ist nach erfolgter Reinigung bzw. Freilegung der Originaloberfläche in der Regel das Aufbringen einer Schutzschicht notwendig. Aus diesem Grund war ein geeignetes Konzept für die nach der Laserreinigung notwendigen Konservierungsmaßnahmen zu entwickeln. Abschließend sollte die Eignung von Femtosekunden-Laserstrahlquellen hinsichtlich des perspektivischen Einsatzes in Restaurierungsbetrieben bewertet werden. Dazu wurden insbesondere die Wirtschaftlichkeitskriterien sowie die Handhabbarkeit und Betriebssicherheit bzw. -stabilität bewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Zielsetzung des vorliegenden Projektes bestand in der Bereitstellung von Erkenntnissen zum Reinigungs- und Abtragverhalten von umweltgeschädigten bzw. korrodierten Metalloberflächen von Kunstobjekten unter Verwendung einer Femtosekunden-Laserstrahlquelle.
Im Rahmen des Projektes wurde ein lasergestütztes Verfahren zur Reinigung von korrodierten Metalloberflächen an kulturhistorisch wertvollen Objekten untersucht. Hierbei kamen u. a. relevante Legierungen auf Kupfer- und Silberbasis zur Anwendung. Es wurde eine Bearbeitungsstrategie zum selektiven Abtrag einzelner, unerwünschter Schichten (Korrosion) entwickelt. Darüber hinaus wurden die Schwellfluenzen für den Abtrag entsprechender Schichten in Abhängigkeit der Basislegierung definiert (0,3 - 3 J/cm²).
Das Potential der Verwendung des eingesetzten Lasersystems in Form der Kombination aus einem Femtosekunden-Laser mit einem Scanner zur Strahlführung und -formung konnte anhand der exemplarischen Freilegung am Putto des Schaumburger Grafen demonstriert werden. Die entsprechenden Freilegungen wurden kunsthistorisch bzw. denkmalpflegerisch bewertet. Darüber hinaus wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.
Die Arbeiten im Rahmen des vorliegenden Projektes haben zu der Erkenntnis geführt, dass mit der eingesetzten Technologie die Freilegung von verwitterten Bronzeoberflächen nur teilweise zu denkmalpflegerisch befriedigenden Ergebnissen führt. Als Ursache für diesen Sachverhalt muss die Bearbeitung von definierten Flächenarealen mit unveränderlichen Prozessparametern angesehen werden, die aufgrund der inhomogenen Struktur der Fläche in ebenso inhomogenen Bearbeitungsergebnissen resultiert. Hierdurch kommt es partiell zu unerwünschten Effekten wie z. B. Lochbildung, Entfernung der erwünschten Patina oder der unvollständigen Entfernung von Korrosionsprodukten. Homogen verwitterte Flächen zeigen dem hingegen teilweise befriedigende Ergebnisse. Eine generelle Aussage bzgl. der Anwendbarkeit ist nicht möglich. Demgegenüber sind die Reinigungsergebnisse an Objekten aus Silver oder dessen Legierungen (Münzen) als sehr gut zu bewerten. Hier ist insbesondere hervorzuheben, dass im Gegensatz zu konventionellen Verfahren auf den Einsatz aggressiver Chemikalien verzichtet werden kann.
Bezüglich der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist festzuhalten, dass der Laser in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Materials und des Ausmaßes der Verwitterung - verglichen mit der konventionellen händischen Freilegung - zu geringeren oder höheren Bearbeitungszeiten für Freilegungen führt. Es gilt zu beachten, dass der Laser zusätzlich zu den Kosten des entsprechenden Personals einen Maschinenstun-densatz von 30-60 €/h bzw. flächenspezifische Kosten von 2-5 €/cm² verursacht. In diesem Zusammen-hang ist anzumerken, dass aufgrund der sich abzeichnenden technischen Entwicklungen im Bereich von Femtosekundenstrahlquellen diese Kosten in den kommenden 5 Jahren auf 10-20% ihres derzeitigen Wertes zurückgehen werden [1].


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Verbreitung der Ergebnisse erfolgte zum einen durch wissenschaftliche Vorträge im Rahmen der projektbezogenen internationalen Konferenzen (LACONA V, Osnabrück und COLA2003, Kreta, Griechenland). Zum anderen wurde das Projekt in den EUREKA-Verbund E!2542 RENOVA-LASER integriert und damit eine Zusammenarbeit mit 12 anderen Verbünden etabliert. Des weiteren wurde im Rahmen der Sendung Hitec auf 3SAT (07.12.2003, 1600 bis 1630 Uhr) ein im LZH gedrehter Beitrag über das Projekt FEMTOKULT gezeigt. Nach Abschluss des Projektes sind weitere wissenschaftliche Beiträge in relevanten Fachmagazinen geplant.


Fazit

Aus restauratorischer Sicht wäre es wünschenswert, die Möglichkeiten und Grenzen der Femtosekunden-Laserstrahlquellen-Bearbeitung bei der Freilegung von Silberoberflächen weiter zu testen. Für die Trennung von Korrosionsschichten auf Objekten aus Kupferlegierungen ist der Laser derzeit praktisch nicht sinnvoll einsetzbar. Hier kann aus technologischer Sicht eine auf einer Online-Bildverarbeitung basierende, oberflächenspezifisch angepasste Bearbeitungsstrategie zu hochwertigeren bzw. anspruchsgerechten Ergebnissen führen.