DE102006036500B3

DE102006036500B3 - Wandelement zum Schutz vor Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102006036500B3
Application number: DE102006036500A
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Klotzbach; Eckehard Dr. Hensel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: DE102006036500B8

Abstract

Die Erfindung betrifft Wandelemente zum Schutz vor Laserstrahlung, die auch miteinander verbunden werden können und dabei eine Schutzkabine um eine Laserbearbeitungsanlage bilden können. Aufgabe der Erfindung ist es, die Sicherheit in einem Umfeld bei der Bearbeitung mit Laserstrahlung kostengünstig zu verbessern. Bei den erfindungsgemäßen Wandelementen ist ein Hohlraum zwischen zwei plattenförmigen Elementen mit einer aus Granulat aus einer porösen Keramik und/oder solchen Hohlkörpern gebildeten losen Schüttung befüllt.

Description

Die Erfindung betrifft Wandelemente zum Schutz vor Laserstrahlung, die auch miteinander verbunden werden können und dabei eine Schutzkabine um eine Laserbearbeitungsanlage bilden können. Dabei können mit den Wandelementen auch Deckenelemente für eine vollständige Umhausung solcher Anlagen gebildet sein.
Die Strahlung von Lasern liegt häufig im Wellenlängenbereich des nahen infraroten bzw. sichtbaren Lichts, so dass insbesondere die Augen von Lebewesen einen besonderen und sicheren Schutz erfordern. Dies trifft beispielsweise auf Nd:YAG-, Faser- und auch Scheibenlaser zu. Diese erreichen eine sehr hohe Strahlqualität mit sehr hoher Fokussierbarkeit.
Herkömmliche Schutzkabinen reichen für einen ausreichend sicheren Schutz, insbesondere bei Einsatz von Laseroptiken bei denen die Laserstrahlung sehr schnell ausgelenkt wird und bei denen so genannte Remote-Optiken oder robotergeführten Systemen, mit sehr großen Brennweiten nicht mehr aus.
Laserstrahlung kann dabei direkt aber auch nach Reflexionen indirekt auf eine Schutzwand auftreffen. In Folge des großen Tiefenschärfenbereichs und hoher Leistungsdichten kann dann die Laserstrahlung eine Schutzkabinenwand aufgeschmolzen und dann nach außen austreten, so dass eine Gefährdung außerhalb stehender Personen auftreten kann.
Dabei bieten auch herkömmliche bereits doppelwandig ausgebildete Schutzkabinen keinen sicheren Schutz und können von hochenergetischer Laserstrahlung durchbohrt werden.
Bisher konnten solche Gefahren auf Grund der eingesetzten Laserstrahlung, deren Brennweiten und Tiefenschärfe noch vernachlässigt werden. Bei Faser- oder Scheibenlaserapplikationen ist dies aber nicht mehr zu tolerieren. Wobei dies insbesondere die Erhöhung der passiven Sicherheit betrifft.
In der Vergangenheit wurde dabei versucht die aktive Sicherheit durch eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren einer Kammerwandung und der Umgebung oder das Befüllen mit Wasser zu erhöhen. So können dabei auftretenden Lecks durch die Beschädigung einer Kammerwand mit Laserstrahlung detektiert und dann die Anlage abgeschaltet werden. Dies ist aber für einen dauerhaften Betrieb sehr aufwendig und es ist auch eine häufige Überprüfung erforderlich, um die Sicherheit auch über große Betriebszeiträume gewährleisten zu können.
Laserstrahlung reflektierende Beschichtungen auf Kammerwänden können die Sicherheit bei eingesetzter Laserstrahlung mit der erhöhten Strahlqualität auch nicht in ausreichend hohem Maß gewährleisten.
Aus DE 202 02 061 U1 ist ein Abschirmbauteil für den Strahl eines Hochenergielasers bekannt, bei dem ein lichtstreuendes Material, bevorzugt Quarzsand auch zwischen Platten eingefüllt sein kann.
In Laserschutz: Auf optimale Sicherheit wird oft wenig Wert gelegt; Laser-Magazin; 1988; Vol. 2, S. 8–20 wird auf einen möglichen Einsatz von Mineralwolle, die als Füllung zwischen Blechen vorgesehen sein kann, hingewiesen.
Möglichkeiten für den Einsatz unterschiedlichster Materialien und dabei auch von Kalksandstein für den Schutz vor Laserstrahlung sind von M. Dahmen u.a. in „Safety enclosures for laser cells"; Journal of Laser Applications; 1998; Vol. 10, No. 4; S. 181–185 erläutert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Sicherheit in einem Umfeld bei der Bearbeitung mit Laserstrahlung kostengünstig zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Wandelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Wandelement ist dabei ebenfalls mindestens doppelwandig ausgebildet. Dabei sind zwei plattenförmige Elemente vorhanden, die in einem Ab stand, von mindestens 5 mm zueinander angeordnet sind. Der zwischen den beiden plattenförmigen Elementen ausgebildete Hohlraum ist dann mit einem Granulat als lose Schüttung befüllt.
Erfindungsgemäß sind dabei poröse Granulate oder auch Hohlkörper eingesetzt. Diese können jeweils allein aber auch als Gemisch in Hohlräume von Wandelementen eingefüllt werden. Solche Granulate wirken sich dann einmal auf die Reduzierung der Eigenmasse von Wandelementen, die Schalldämmung aber auch positiv auf die Erhöhung der Sicherheit aus.
Vorteilhaft ist auch eine hohe Schmelztemperatur, die zumindest oberhalb von 500 °C liegen sollte. Günstig ist es ein Granulat mit einer mittleren Partikelgröße von mindestens 0,5 mm einzusetzen. Es sollte zumindest bereichsweise eine sphärische Oberfläche aufweisen. Dadurch kann ggf. auftreffende Laserstrahlung günstiger reflektiert, zumindest aber gestreut werden.
Als Granulat aus einer Keramik, kann z.B. Zirkonoxid eingesetzt werden.
Die plattenförmigen Elemente können dabei aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt worden sein. Sie können beispielsweise mit einem randseitigen Rahmen verbunden und im Abstand zueinander gehalten sein. Der Rahmen verleiht dann die gewünschte Stabilität und kann auch so ausgebildet werden, dass mehrere Wandelemente miteinander verbunden werden können, so dass mit ihnen eine Schutzkammer montiert werden kann.
Der Werkstoff für die plattenförmigen Elemente sollte neben einer möglichst hohen Reflektivität für die Laserstrahlung auch gute Wärmeleitungseigenschaften aufweisen. Dadurch kann Wärme besser abgeführt werden, wenn beispielsweise ein plattenförmiges Element von einem Laserstrahl aufgeschmolzen worden ist und die Strahlung auf Granulat im Hohlraum auftrifft. Das Granulat erwärmt sich, wobei das sich erwärmende Volumen deutlich größer ist als der Lochdurchmesser im aufgeschmolzenen plattenförmigen Element. Diese Wärme kann durch Wärmeleitung auch über das äußere plattenförmige Element abgeführt werden, so dass die Gefahr des Schmelzens auch an diesem plattenförmigen Element reduziert, zumindest jedoch die hierfür erforderliche Zeit deutlich verlängert werden kann.
Die aktive Sicherheit kann aber zusätzlich auch erhöht werden. Dabei können Effekte, die bei der Erwärmung des Granulats auftreten, ausgenutzt werden. So kann die erhöhte Temperatur mit geeigneten Temperatursensoren oder optischen Detektoren erfasst werden. Wird dabei die Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes detektiert, kann die Anlage zwangsweise abgeschaltet werden, bevor Laserstrahlung durch ein Wandelement austreten kann. Die Detektion kann bevorzugt berührungslos erfolgen, was beispielsweise mit einer Thermokamera oder durch Infrarotdetektoren erreichbar ist. Die Detektion kann aber auch spektroskopisch durchgeführt werden.
Einfach und sicher können aber auch herkömmliche Rauchmelder in oder auch an erfindungsgemäßen Wandelementen eingesetzt werden. Damit kann bei geeigne tem Granulat ebenfalls eine aufkommende Gefahrensituation detektiert und eine Zwangsabschaltung generiert werden.
Hierzu ist es nicht zwingend erforderlich jedes Wandelement einer montierten Kammer mit einem Rauchmelder zu versehen. Es kann ausreichend sein mindestens zwei Wandelemente über Öffnungen miteinander zu verbinden, so dass die Hohlräume der Wandelemente für gebildete heiße Gase miteinander verbunden sind.
Als Granulat ist Blähton besonders geeignet, da er kostengünstig erhältlich ist, eine geringe Eigenmasse aufweist, eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist und mit ihm auch die Funktionalität von Rauchmeldern erfüllt werden kann.
In einer Ausführungsform kann Granulat auch von einer flexiblen Folie eingeschlossen sein. Dies kann eine Metallfolie, eine Kunststofffolie, die ggf. auch metallbeschichtet sein kann, sein. Dadurch kann nach einer Beschädigung ein einfacher und sicherer Austausch von Granulat an einem Wandelement, das vorab zumindest an einer Seite von Laserstrahlung durchbohrt worden war, erfolgen.
Besonders vorteilhaft kann dabei, der Druck in einer mit Granulat befüllten Folie unter den Umgebungsdruck abgesenkt worden sein, so dass ein relativ stabiles Gebilde vorliegt, wie dies von vakuumverpackten Lebensmitteln bekannt ist. So kann ein Granulat einfacher gehandhabt werden, bietet eine erhöhte Wärme- und Schalldämmung an einer Kabine. Wird später ein davor angeordnetes plattenförmiges Element mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen, erfolgt lediglich ein Druckausgleich mit der Umgebung und das Granulat kann einfacher ausgetauscht werden. Um das Wandelement wieder voll funktionstüchtig zu machen.
Neben Oberflächen von plattenförmigen Elementen kann auch eine Oberfläche von Folie für die jeweilige Laserstrahlung reflektierend sein. Dadurch kann die Zeit weiter vergrößert werden, bis zu der ein gesamtes Wandelement von einem Laserstrahl durchbohrt werden kann, was dem Sicherheitsaspekt weiter förderlich ist.
Im Hohlraum zwischen plattenförmigen Elementen können zusätzlich auch Abstandshalter angeordnet sein. Diese erhöhen die Stabilität. Sie können auch wärmeleitende Funktion übernehmen und Wärme abführen. Außerdem können sie, keilförmig, konkav und/oder konvex gewölbt sein. Dadurch kann auftreffende Laserstrahlung entsprechend reflektiert und dabei divergent aufgeweitet werden, so dass der Strahl aufgeweitet und die Leistungsdichte reduziert wird. Hierfür ist es ebenfalls günstig, wenn die Oberflächen für die Laserstrahlung reflektierend sind.

Claims

Wandelement zum Schutz vor Laserstrahlung, das mit einem äußeren und einem inneren plattenförmigen Element gebildet ist, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum zwischen den plattenförmigen Elementen mit einer losen Schüttung eines Granulats, das aus einer porösen und/oder als Hohlkörper ausgebildeten Keramik gebildet ist, befüllt ist.
Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Elemente aus einem Metall oder Metalllegierung gebildet sind.
Wandelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat mit Blähton gebildet ist.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat in einer flexiblen Folie eingeschlossen zwischen den plattenförmigen Elementen angeordnet ist.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der das Granulat einschließenden Folie ein gegenüber der Umgebung kleinerer Innendruck eingehalten ist.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an einem Wandelement ein Rauchmelder vorhanden ist.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an einem Wandelement ein Temperatursensor und/oder ein optischer Detektor vorhanden ist.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit weiteren Wandelementen verbindbar ist.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei miteinander verbundenen Wandelementen deren Hohlräume über Öffnungen miteinander verbunden sind.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen plattenförmigen Elementen Abstandshalter angeordnet sind.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandshalter keilförmig, konkav und/oder konvex gekrümmt sind.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen von plattenförmigen Elementen, der Folie und/oder Abstandshaltern für die Laserstrahlung reflektierend sind.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat eine mittlere Partikelgröße von mindestens 0,5 mm aufweist.
Wandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen plattenförmigen Elementen ein Abstand von mindestens 5 mm eingehalten ist.