Schutz auch bei hoher Laserleistung – das aktive
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Schutz auch bei hoher Laserleistung – das aktive
LASErsicherheit Schutz auch bei hoher Laserleistung – das aktive Laserstrahlfenster Ausgehend von der Basisnorm DIN EN 60825-1 für den Laserschutz, ist ein Laser so einzuhausen, dass in allen vorhersehbaren Fällen keine gefährliche Strahlung zugänglich ist. Das bedeutet, dass die maximal zulässigen Bestrahlungsstärken für Auge und Haut unterschritten werden müssen. In der DIN EN 60825-4:2009 werden dabei die Anforderungen speziell an Schutzwände von Laserkabinen definiert. Eine vollständige Einhausung erlaubt jedoch keinen direkten Blick auf den Prozess, sodass in vielen Fällen Laserschutzfenster integriert werden. Die technische Entwicklung führt jedoch zu immer höheren Laserleistungen und besseren Strahleigenschaften, sodass herkömmliche, passive Laserschutzfenster einen Schwachpunkt bei der Auslegung der Laserkabine darstellen können. Laserstrahlung als Risikofaktor Aufgrund der physikalischen Eigenschaften, wie Strahlqualität und Fokussierbarkeit (räumliche Kohärenz), besitzt Laserstrahlung ein hohes Gefahrenpotenzial, insbesondere für die Augen. Dem wird durch die gültigen Laserschutznormen (EN207 und EN208) und Sicherheitsvorschriften (BGV B2) zum Tragen von Laserschutzbrillen begegnet. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, die Laserstrahlung großflächig mechanisch abzuschirmen und auf diese Weise potentiell gefährdete Personen während des Laserbetriebes zu schützen. Solche Abschirmungen gegen Laserstrahlung sind z. B. Vorhänge, Stellwände oder auch fest installierte Abtrennungen. Diese können dabei z. B. arbeitsplatzbezogen oder auch fest als Einhausung mit der Maschine verbunden sein. Zugangsbeschränkungen, Interlock-Systeme und verpflichtende Unterweisungen zum Tragen von Laserschutzbrillen stellen weitere Sicherheitsmaßnahmen dar, wobei der zuständige Laserschutzbeauftragte für die Gesamtsicherheit verantwortlich ist. Durch die immer höheren Laserleistungen und die immer bessere Strahlqualität moderner Disk- und Faserla- ser, z. B. in der Lasermaterialbearbeitung, ist es naheliegend, dass diese Laser, die zum Schneiden oder Abtragen eingesetzt werden, ggf. auch die Abtrennung des Laserbereiches schneiden oder abtragen können. Gerade beim Einsatz von solchen Klasse 4 Lasern ist es daher notwendig, sich auch mit der Thematik der Standzeit von Abschirmungen auseinanderzusetzen. Um die richtigen Materialien für eine sichere Laserabschirmung einzusetzen, existieren Prüfnormen, die eine Vergleichbarkeit verschiedener Materialien ermöglichen. Die Anwendbarkeit dieser Normen ist aber vielschichtig und nicht trivial. Je nach Einsatzzweck der Anlage wird in drei Kategorien unterteilt. Man unterscheidet zwischen dem beobachteten Betrieb, dem teilweise beobachteten Betrieb und dem automatischen Betrieb einer Laseranlage. Je nach Betriebsszenario muss die Abschirmung der Laserstrahlung unterschiedlich lange standhalten. Während der ständig beobachtete Betrieb einer Laseranlage eine Standzeit der Schutzwand von 10 s fordert, beträgt die geforderte Standzeit von Laserschutzwänden im teilweise beobachteten Betrieb bereits 100 s (Prüfklasse T2 gem. IEC/EN 60825-4). Im automati- ▲ D emonstrationsmodell des aktiven Fensters ▲ Sensorkopf des LaserSpy schen Betrieb (Prüfklasse T1) muss die Standzeit der Abschirmung der Laseranlage sogar 30.000 s betragen, was einer achtstündigen Arbeitsschicht entspricht. Die Prüfung wird als Laserbelastungstest mit dem Laser, der in der Kabine verbaut wird, im doppelten Fokusabstand der jeweiligen Bearbeitungsoptik durchgeführt. LASER MAGAZIN 4/2010 19 LASErSicherheit ▲ S ignalkurve des Sensors (blau), optisches Lasersignal mit Abschaltung (orange) Es ist offensichtlich, dass die Resultate eines Laserbelastungstests von Kabinenwandmaterialien nach EN 60825-4 unter fiktiven Standardbedingungen, d. h. anderen als den realen Bedingungen in der Kabine, auf die Sicherheit und Einstufung der Laseranlage nicht unbedingt übertragbar sind. Daher muss der Anlagenbauer in diesem Fall die Spezifizierung und die Einstufung der Kategorie experimentell selbst durchführen. Eine zertifizierte Schutzwand bezieht sich daher auf eine allgemein gültige Prüfnorm, die nicht an einen speziellen Laser geknüpft ist. Speziell für Schutzwände und Laserschutzvorhänge gibt es die Prüfnorm DIN EN 12254. In dieser Norm werden AB-Schutzstufen definiert, bei denen unter definierten Prüfbedingungen Abschirmungen einem Laserbelastungstest unterzogen werden. Je nach Leistungs- bzw. Energiedichte werden analog zu Laserschutzbrillen Schutzstufen ausgegeben. Diese definieren die maximale Leistungs- bzw. Energiedichte, bei der das Produkt der Laserstrahlung standhält. Im Gegensatz zur persönlichen Schutzausrüstung ist die Dauer, der ein Schutzprodukt, das nach der DIN EN 12254 geprüft wurde, standhalten muss, auf 100 Sekunden festgesetzt. In dieser 20 LASER MAGAZIN 4/2010 ▲ S chnitt durch die Scheibe mit Lasertreffer mit Signalauslösung Zeit darf das Produkt zwar zerstört werden, aber die Laserstrahlung darf das Produkt nicht durchdringen. Aktive Laserschutzkabinen und Laserschutzfenster Für eine Laseranlage, die im vollautomatischen Betrieb arbeitet, wird für die Prüfklasse T1, wie oben beschrieben, eine Standzeit der Einhausung von 30.000 Sekunden gefordert. Für eine zunehmende Zahl der derzeit z. B. in der Materialbearbeitung eingesetzten Laser sind jedoch keine Schutzmaterialien verfügbar, die eine solche Standzeit gewährleisten können. Daher gibt es seit einiger Zeit Verfahren zur Einbindung der Einhausung in die Sicherheitssysteme der Laseranlage. Diese aktiven Laserschutzlösungen basieren im Wesentlichen auf Methoden zum direkten oder indirekten Nachweis von auf die Einhausung/ Kabinenwand treffender oder in die Wand eindringender Laserstrahlung. Die Sensorik zum Nachweis der Laserstrahlung wird dabei in die Sicherheitssteuerung der Anlage integriert und löst die Not-Abschaltung des Lasers bei einem entsprechenden Signal vor dem Eintritt einer eventuellen Gefährdung von Personal aus. Der LaserSpy ist eines der bisher am wei- testen verbreiteten Sensor-Systeme zur Realisierung aktiver Laserschutzwände. Dieser als aktiver Sicherheitssensor geprüfte und zugelassene Sensor für Doppelwandsysteme bietet ein Sicherheitsniveau Kat. 4 nach EN 9541 und SIL3 nach IEC 61508. Wird dieser Sensor in jedes einzelne Segment einer entsprechenden Kabinenwand integriert, ergibt sich durch diese Überwachung eine komplett abgesicherte Kabine. Unabhängig von der Ausführung als aktive oder passive komplett geschlossene Laserkabine oder -bearbeitungszelle besteht jedoch der entscheidende Nachteil, dass keine direkte visuelle Prozesskontrolle durch das Bedienpersonal mehr möglich ist. Daher werden in vielen Kabinen und Maschineneinhausungen Laserschutzfenster verbaut. Solche Fenster sind optische Spezialfilter, die das 'normale' Licht bestmöglich durchlassen, die aber für das Laserlicht eine Sperrfunktion besitzen. Sie sollen verhindern, dass im Falle einer Fehlfunktion der Maschine der reflektierte Strahl zu den Betrachtern außerhalb der Maschine gelangen kann. In Abhängigkeit von den Laserparametern (Wellenlänge, Leistung, Betriebsart, Fokusgröße usw.) werden Fenster aus absorbierendem Kunststoff oder spe- LASErsicherheit zielle Mineralgläser eingesetzt. Trotz Zertifizierung nach den Laserschutznormen EN 207 / EN 208 stellen die Fenster mit zunehmender Laserleistung jedoch oft den Schwachpunkt des Gesamtsystems 'Einhausung' dar. Der Einsatz von fest installierten Videokameras und Monitoren ist allerdings auf Grund des kleinen Bildausschnittes, einer schlechten Auflösung oder einem hohen Aufwand für eine Fernsteuerung von Blickrichtung und Zoom aus Anwendersicht ebenfalls oft keine akzeptable Alternative zum Laserschutzfenster. In vielen Fällen beeinträchtigt das Prozessleuchten die Kamerafunktionalität außerdem erheblich. Das erstmals auf der LASYS 2010 und auf der EuroBLECH von der Firma Laservision GmbH & Co. KG vorgestellte aktive Laserschutzfenster greift nun das Prinzip der aktiven Doppelwand mit einer patentierten Kombination aus einer Sandwichstruktur von Laserschutzscheiben und einem optischem Sensor auf. Ausgeführt wird das aktive Fenster mit transparenten Laserschutzscheiben aus Kunststoff und LaserSpy-Sensoren. Durch die Verfügbarkeit großer Laserschutzkunststofffenster besteht somit die generelle Möglichkeit, große Fensterflächen mit dem gleichen Sicherheitsniveau in Laserschutzkabinen zu integrieren, wie es die Kabinenwand selbst be- sitzt. Dazu befinden sich im Fensterrahmen, je nach Größe, ein oder mehrere LaserSpy-Sensoren, die ggf. zusammen mit den Sensoren der aktiven Wand in die Sicherheitsschaltung des Lasersystems eingebunden werden können. Für den Anwender hat dies den entscheidenden Vorteil einer einheitlichen elektronischen Anbindung der Wand- und Fenstersegmente. Gleichzeitig ist das aktive Fenster durch eine spezielle Anordnung der Sensoren als geschlossenes System unempfindlich gegen Streustrahlung und Prozessleuchten. Trifft nun Laserstrahlung so auf die Kunststoffscheibe, dass eine hinreichende Leistung über die Scheibe auf den im Rahmen integrierten Sensor einkoppelt, so erfolgt die Auslösung eines entsprechenden Steuersignals, bevor gefährliche Strahlung auf der Beobachterseite durch die Scheibe austreten kann. Beschusstests mit direkt auftreffenden Laserstrahlen von 4000 Watt haben eine Detektionszeit von 6 ms bei fokussiertem Strahl und ein Abschaltzeit von 8 vms ermittelt. Im Einzelfall muss jedoch sichergestellt sein, das der Notabschaltungsvorgang des Lasers schnell genug ausgelöst werden kann, bevor gefährliche Laserstrahlung auf der Außenseite des Fensters austritt. Dieses aktive Fenster ist nach DIN EN 60825-4:2009-06 zertifiziert bis zu einer maximale Scheibengröße von 600 x 900 mm. Die Scheibengröße ist damit knapp 9x so groß wie die eines herkömmlichen DIN A4 großen passiven Laserschutzfensters aus absorbierendem Mineralglas. Bewegen sich die Laserparameter innerhalb der Grenzwerte von 4000 W optischer Leistung, 400 µm Spotgröße, 820-1080 nm Wellenlänge und einer Pulsdauer zwischen cw und 300 µs, so ist das Fenster direkt verwendbar und es ist keine weitere Zertifizierung erforderlich. Bei Überschreitung eines der Parameter ist jedoch eine Einzelabnahme durch einen Sachverständigen erforderlich. Mit dem aktiven Laserschutzfenster von Laservision steht damit eine zertifizierte und einbaufertige Sicherheitslösung für industrielle Hochleistungslaseranlagen im Wellenlängenbereich zwischen 820-1080 nm zur Verfügung. ■ INFO Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Palkoska Dip.-Phys. Frank Billhardt LASERVISION GmbH & Co. KG 90766 Fürth ∙ Siemensstr. 6 Tel.: 0911 973681-00 Fax: 0911 973681-99 E-Mail: [email protected] www.uvex-laservision.de LASER MAGAZIN 4/2010 21