DE10017284C1 - Wandelement für eine Schutzvorrichtung gegen Laserstrahlung - Google Patents
Wandelement für eine Schutzvorrichtung gegen LaserstrahlungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laserstrahlung. Das Wandelement umfaßt eine dem Laserarbeitsbereich zugewandte Innenwand und eine diesem abgewandte Außenseite, zwischen denen ein Innenraum gebildet ist. Um - bei möglichst geringem Gewicht des Wandelements - eine besonders effektive Schutzwirkung der Schutzvorrichtung über lange Zeitspannen hinweg sicherzustellen, wird in den Innenraum des Wandelements eine Zwischenlage aus Metallschaum eingebracht.
Description
Die Erfindung betrifft ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laser
strahlung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 196 29 037 C1
als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 196 29 037 C1 ist ein Wandelement zur Abschirmung von Laserstrahlung bekannt,
das aus einer Innen- und einer Außenwand aus Metallblech besteht, wobei die Innenwand we
nigstens auf der zum Arbeits- oder Wirkungsbereich weisenden Seitenfläche mit einer Beschich
tung mit hohem Absorptionsvermögen versehen ist, während die der Innenwand zugewandte
Seitenfläche der Außenwand ein geringeres Absorptionsvermögen besitzt. Beim Auftreffen eines
divergenten Laserstrahls auf das Wandelement wird die Beschichtung erwärmt und fängt an zu
brennen; beim Einsatz geeigneter Beschichtungen soll der Brandherd dabei auf einen be
schränkten Bereich begrenzt bleiben, und die bei der Verbrennung auftretenden Gase sollen zu
einer Divergenz des Laserstrahls und somit zu einer zusätzlichen Reduktion der Leistungsdichte
des Lasers führen. Eine aus solchen Wandelementen aufgebaute Schutzvorrichtung soll für
Strahlung der Laserklasse I eine Standzeit von mehr als 100 Sekunden aufweisen.
Die Schutzwirkung der in der DE 196 29 037 C1 beschriebenen "aktive" Laserschutzwand be
ruht auf dem Prinzip, daß die Wandelemente der Laserstrahlung so lange standhalten müssen,
bis (z. B. mit Hilfe von Sensoren im Innenraum der Wandelemente) das Auftreffen des Laser
strahls auf die Schutzwand detektiert und der Laser abgeschaltet wird. Darüberhinaus besteht
jedoch auch großes Interesse an "aktiv/passiven" Laserschutzwänden, die einem auftreffenden
Laserstrahl über wesentlich längere Zeitspannen hinweg standhalten und das Umfeld der Laser
bearbeitungsstation so lange verläßlich schützen, bis z. B. eine manuelle Abschaltung des Lasers
erfolgt. Weiterhin ist es aus Gründen des Arbeitsschutzes im Produktionsumfeld erstrebenswert,
ein unkontrollierte Austreten gasförmiger Substanzen weitestmöglich zu vermeiden; dies gilt
insbesondere auch für die oben beschriebenen (evtl. toxischen) Verbrennungsgase aus Laser
schutzvorrichtungen. Um einen schnellen, unaufwendigen Umbau des Laser-Arbeitsbereichs zu
ermöglichen, sollte das Wandelement außerdem möglichst kompakt und gewichtsreduziert sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wandelement der oben genannten Art
derart weiterzubilden, daß das Wandelement einem divergenten Laserstrahl oberhalb der Laserklasse
1 über lange Zeitspannen standhält, gleichzeitig ein möglichst geringes Gewicht aufweist,
und bei der Erwärmung des Wandelements durch den Laserstrahl nur minimale Mengen gas
förmiger Substanzen freisetzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Danach wird der zwischen Innenwand und Außenwand liegende Innenraum des Wandelements
mit einer Zwischenlage aus einem Metallschaum versehen. In einem Störfall wird - nach einer
gewissen Einwirkzeit - die dem Arbeitsbereich zugewandte Innenwand des Wandelements
durch den auftreffenden divergenten Laserstrahl durchbrochen, und der Laserstrahl dringt in
den dahinterliegenden Metallschaum ein. Die Laserstrahlung wird durch den Metallschaum in
hohem Maße absorbiert und gleichzeitig durch die Poren des Metallschaums gestreut und intern
reflektiert, wodurch die Leistungsdichte der Laserstrahlung deutlich reduziert wird. Die Außen
wand des Wandelements wird dabei nur geringfügig erwärmt, so daß eine Sekundärgefährdung
nach DIN-EN 60825-1 ausgeschlossen werden kann. Metallschäume haben eine vergleichswei
se geringe spezifische Dichte, weswegen das Einbringen des Metallschaums in den Innenraum
des Wandelements eine verhältnismäßig geringe Gewichtserhöhung bei erheblich verbesserter
Abschirmwirkung bedeutet. Mit Metallschaum gefüllte Wandelemente sind somit kompakt und
leicht transportierbar. Weiterhin werden beim Erwärmen des Metallschaums durch den Laser
strahl nur unbedeutende Mengen von Gasen bzw. Dämpfen erzeugt, so daß eine solche Schut
zeinrichtung auch hohen Anforderungen bezüglich Arbeits- und Umweltschutz genügt.
Aufgrund der hohen Abschirmwirkung des Metallschaums gegenüber Laserstrahlung benötigt
die erfindungsgemäße Laserschutzwand einen wesentlich geringeren Sicherheitsabstand zur La
serquelle als herkömmliche Laserschutzwände. Laserbearbeitungszellen, die mit erfindungsge
mäßen Laserschutzwänden umgeben sind, können daher im Vergleich zu herkömmlichen Zellen
erheblich kleiner gestaltet werden, was bei der Auslegung von Produktionsanlagen zu einem ge
ringeren (sicherheitsbedingten) Raumbedarf für die Laserbearbeitungsanlagen und somit zu Ko
steneinsparungen im Produktionsumfeld führt.
Als Metallschaum wird vorzugsweise Aluminiumschaum verwendet (siehe Anspruch 2), da dieser
leicht und preiswert industriell herstellbar ist und über ein besonders geringes spezifisches Ge
wicht verfügt. Weiterhin ist es günstig, die Ränder der Innen- und Außenwände des Wandele
ments durch Stege zu verbinden (siehe Anspruch 3), um die einzelnen Schichten des Wandele
ments fest zu einer kompakten Einheit zu verbinden, die leicht transportabel ist.
Der Innenraum des Laserschutz-Wandelements kann vollkommen mit Metallschaum ausgefüllt
sein. Unter gewissen Umständen kann es aber auch sinnvoll sein, zusätzlich zu dem Metall
schaum im Innenraum des Wandelements Zwischenwände aus Metallblech vorzusehen, welche
parallel zur Innenwand des Wandelements verlaufen (siehe Anspruch 4). Diese Zwischenwände
tragen einerseits zur Erhöhung der Abschirmwirkung des Wandelements bei; andererseits kön
nen die Zwischenwände so angeordnet werden, daß zwischen zwei Zwischenwänden bzw. zwi
schen einer Zwischenwand und der Innen- oder Außenwand des Wandelements parallel zur In
nenwand verlaufende, das Wandelement überspannende Hohlräume entstehen. In diesen Hohl
räumen können Sensoren angeordnet sein, mittels derer eine durch Laserbestrahlung des
Wandelements bewirkte Temperaturerhöhung in diesem Hohlraum detektiert wird und deren
Meßsignal beim Überschreiten eines Grenzwerts zum Abschalten des Lasers führt (siehe An
spruch 5). Alternativ bzw. zusätzlich kann der Hohlraum mit einer Beschichtung versehen wer
den, welche bei Erwärmung (geringe Mengen von) Gasen oder Dämpfen freisetzt, die über im
Hohlraum vorgesehene Rauch- oder Gassensoren nachgewiesen werden können (siehe An
spruch 6). Die Sensoren sind mit einer Steuereinheit verbunden, mit Hilfe derer der Laser abge
schaltet werden kann. Soll der Hohlraum im Inneren des Wandelements mit Sensoren versehen
werden, so ist es zweckmäßig, die Verbindungsstege zwischen der Innen- und Außenwand um
laufend zu gestalten, so daß ein geschlossener Hohlraum entsteht; dies führt zu einer wesent
lich höheren Nachweisempfindlichkeit der bei der Laserbestrahlung des Wandelements im Hohl
raum entstehenden Temperaturerhöhungen und Gase bzw. Dämpfe.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs
beispieles näher erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Arbeitsbereichs eines Lasers mit Laserschutz-Wandelement;
Fig. 2 verschiedene Ausgestaltungen des Wandelements in einer Detailansicht:
Fig. 2a Wandelement mit einer Zwischenlage aus Metallschaum zwischen Innen- und
Außenwand;
Fig. 2b Wandelement mit einer Zwischenwand und zwei Zwischenlagen aus Metallschaum;
Fig. 2c Wandelement mit einer Zwischenwand, einer Zwischenlage aus Metallschaum und
einem durchgängigen Hohlraum.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Arbeits- bzw. Wirkungsbereichs 1 eines Lasers 2, z. B. eines
Schweißlasers 3, dessen Strahlung mit Hilfe einer Strahloptik 4, in diesem Fall eines Spiegels 5,
auf ein Bauteil 6 gelenkt wird. Zum Schutz eines außerhalb des Arbeitsbereiches 1 des Lasers 2
gelegenen Außenbereiches 7 vor eventuell austretender Strahlung ist eine Laserschutz-
Wandelement 8 vorgesehen, das den Arbeitsbereich 1 gegenüber dem Außenbereich 7 ab
schirmt. Das Wandelement 8 bildet Teil einer Schutzwand 9, welche den Arbeitsbereich 1 des
Lasers 2 allseitig umgibt.
Das Laserschutz-Wandelement 8 umfaßt eine dem Arbeitsbereich 1 des Lasers zugewandte In
nenwand 10 und eine dem Außenbereich 7 zugewandte Außenwand 11, welche näherungswei
se parallel und in einem gewissen Abstand 12 zueinander verlaufen, so daß zwischen ihnen ein
Innenraum 13 gebildet ist. Die beiden Wände 10, 11 bestehen vorzugsweise aus Metallblech.
Der Innenraum 13 ist zumindest abschnittsweise mit einer Zwischenlage 14 aus Metallschaum
versehen. Trifft ein energiereicher, divergenter Laserstrahl auf das Wandelement 8 auf, so
durchbrennt er zunächst die Innenwand 10 und dringt dann in die Zwischenlage 14 aus Metall
schaum ein. Hier erfolgt eine Absorption, Reflektion und Streuung der Laserstrahlung durch die
Poren des Metallschaums, so daß die Leistungsdichte der Laserstrahlung stark reduziert wird.
Als besonders günstig für diese Anwendung hat sich Aluminiumschaum erwiesen, weil er gute
Absorptionseigenschaften für Laserstrahlung aufweist, leicht herstellbar ist und weil Aluminium
ein geringes spezifisches Gewicht hat. Somit ist ein Wandelement 8 mit einer Zwischenlage 14
aus Aluminiumschaum leicht transportabel und vergleichsweise preiswert.
Die Innenwand 10 und die Außenwand 11 sind durch einen Steg 15 verbunden, welcher ent
lang der Ränder 16 der beiden Wände 10, 11 umläuft und die beiden Wände 10, 11 in einem fe
sten Abstand 12 zueinander fixiert. Aufgrund dieser Fixierung ist das Wandelement 8 kompakt
und leicht transportabel. Der in Fig. 1 gezeigte umlaufende Steg 15 hat zusätzlich die Funkti
on, daß er den Innenraum 13 des Wandelements 8 gegenüber dem Außenraum 17 abtrennt, so
daß der Innenraum 13 als geschlossener Raum 18 ausgebildet ist.
Fig. 2a bis 2c zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele für den inneren Aufbau des La
serschutz-Wandelements 8 in einer Detailansicht.
Im Beispiel der Fig. 2a ist der gesamte Innenraum 13 des Wandelements 8 mit der Zwischen
schicht 14 aus Metallschaum ausgefüllt. Zur Herstellung dieses Wandelements 8 wird entweder
die Zwischenschicht 14 aus Metallschaum in der gewünschten Dicke aus einem Metallschaum-
Block zugeschnitten, zwischen die Innenwand 10 und die Außenwand 11 eingelegt und ggf. mit
Hilfe eines Fügeverfahrens (Kleben, Schweißen, . . .) mit diesen Wänden 10, 11 verbunden oder
wird als Sandwichteil in einem Prozeß aus geschäumtem Metallpulver hergestellt. Alternativ
kann der Metallschaum z. B. direkt auf die Innenwand 10 (oder Außenwand 11) aufgeschäumt
werden, bevor diese auf das gewünschte Maß zugeschnitten und mittels der Stege 15 gegen
über der Außenwand 11 (oder Innenwand 10) fixiert wird. Weiterhin können auch lediglich ausgewählte
Bereiche des Innenraums 13 mit Metallschaum gefüllt sein, indem z. B. die Schichtdic
ke der Zwischenschicht 14 geringer ist als der Abstand 12 zwischen Innen- und Außenwand
10, 11.
Weiterhin kann, wie in Fig. 2b und 2c gezeigt, im Innenraum 13 des Wandelements 8 eine
zusätzliche, parallel zur Innenwand 10 verlaufende Zwischenwand 19 vorgesehen sein, die den
Innenraum 13 in zwei getrennte Bereiche 20, 21 unterteilt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2b
sind beide Bereiche 20, 21 mit Metallschaum gefüllt, während im Ausführungsbeispiel der Fig.
2c die Zwischenlage 14 aus Metallschaum nur den einen Bereich 20 einnimmt, während der
andere Bereich 21' einen durchgehenden Hohlraum 22 bildet. In diesem Hohlraum 22 befindet
sich ein Rauch- oder Gassensor 23, mit Hilfe dessen die Dämpfe bzw. Gase detektiert werden,
welche beim Durchdringen der Innenwand 10 und der Zwischenwand 19 durch den Laserstrahl
bzw. beim Eintreten des Laserstrahls in die Zwischenschicht 14 aus Metallschaum freigesetzt
werden. Liegt der durch den Sensor 23 ermittelte Meßwert oberhalb eines gewissen Schwell
werts, so wird mittels einer Steuereinheit 24 ein Abschaltimpuls ausgelöst und an die Laser
steuerung 25 weitergesendet, welcher zum Abschalten der Laserstrahlung führt. - Auch bei in
tensiver Bestrahlung des Metallschaums im erfindungsgemäßen Wandelement 8 werden nur in
geringen Mengen Dämpfe bzw. Gase freigesetzt; um dennoch eine verläßliche Detektion des
Eindringens des Laserstrahls mit Hilfe des Sensors 23 sicherzustellen, ist es daher zweckmäßig,
die Stege 15 des Wandelements 8 so zu gestalten, daß der Hohlraum 22 dicht gegenüber dem
Außenraum 17 abgeschlossen ist, so daß entstehende Dämpfe bzw. Gase im Hohlraum 22 kon
zentriert werden und nicht entweichen können. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß keine
Kontamination des Außenraums 17 durch diese Dämpfe/Gase erfolgen kann.
Alternativ bzw. zusätzlich zu den Gas-/Rauchsensoren können - wie in Fig. 2b gezeigt - auf
den Wänden 10, 11 oder im Innenraum 13 des Wandelements 8 Temperatursensoren 26 vorge
sehen sein, welche eine (lokale) Aufheizung des Wandelements 8 beim Eindringen des Laser
strahls detektieren und über eine Steuereinheit 24 zum Abschalten des Laserstrahls führen.
Die Außen- und Innenwände 10, 11 des Wandelements 8 können beliebig lackiert werden, ins
besondere mit Materialien, welche beim Auftreffen eines Laserstrahls nur geringe Mengen eines
(nichttoxischen) Gases abgeben. Sind in Fig. 2b und 2c jeweils eine einzige Zwischenwand
19 gezeigt, so können im Wandelement 8 allgemein auch mehrere parallel zueinander verlau
fende Zwischenwände 19 vorgesehen sein. Schließlich braucht die Außenwand 11 nicht unbe
dingt aus Metallblech bestehen, sondern kann aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein.
Claims (6)
1. Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung der Laserstrahlung einer in ei
nem Arbeitsbereich befindlichen Laserquelle gegenüber einem Außenbereich,
welches Wandelement eine dem Arbeitsbereich der Laserquelle zugewandte Innenwand
aus Metallblech und eine näherungsweise parallel zu dieser verlaufende, dem Außenbereich
benachbarte Außenwand aufweist, wobei zwischen Außen- und Innenwand ein Innenraum
gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den Innenraum (13) zumindest abschnittsweise eine Zwischenlage (14) aus einem
Metallschaum eingebracht ist.
2. Wandelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenlage (14) aus einem Aluminiumschaum besteht.
3. Wandelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwand (10) und die Außenwand (11) durch Stege (15) verbunden sind, die sich
vorzugsweise in Randbereichen (16) des Wandelements (8) befinden.
4. Wandelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenraum (13) eine parallel zur Innenwand (10) verlaufende Zwischenwand (19)
aus Metallblech aufweist.
5. Wandelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwand (10) und/oder die Außenwand (11) und/oder der Innenraum (13) des
Wandelements (8) einen Temperatursensor (26) aufweist, der mit einer Steuereinheit (24)
verbunden ist.
6. Wandelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich der Wandelemente (8), insbesondere im Innenraum (13) zwischen Außen
wand (11) und Innenwand (10), ein Rauch- oder Gassensor (23) angeordnet ist, der mit ei
ner Steuereinheit (24) verbunden ist.
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