DE102007038780B3

DE102007038780B3 - Laserschutzwand für eine Umhausung bei Laserbearbeitungsanlagen

Info

Publication number: DE102007038780B3
Application number: DE102007038780A
Authority: DE
Inventors: Jan Hannweber; Stefan Kühn; Sven Bretschneider; Michael Melde
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserschutzwand für eine Umhausung bei Laserbearbeitungsanlagen mit der ein erhöhter Schutz, insbesondere der Augen von Lebewesen, erreichbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es, den Schutz vor Laserstrahlung an solchen Arbeitsplätzen dauerhafter und mit geringerem Aufwand zu gewährleisten. Erfindungsgemäß ist bei einer Laserschutzwand für eine Umhausung an Laserbearbeitungsstationen eine Zwischenschicht vorhanden, die zwei elektrisch leitfähige plattenförmige Elemente bevorzugt vollflächig voneinander trennt. Die Zwischenschicht weist dabei Heißleitereigenschaften auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschutzwand für eine Umhausung bei Laserbearbeitungsanlagen mit der ein erhöhter Schutz, insbesondere der Augen von Lebewesen, erreichbar ist.
In der Vergangenheit wurden die Anforderungen an Schutzeinrichtungen vor Laserstrahlung bei der Laserbearbeitung erhöht, was insbesondere infolge der mit Faser- oder Scheibenlasern erreichbaren erhöhten Strahlqualitäten und Leistungsdichten, der Fall war.
Dabei unterscheidet man passive oder aktive Schutzeinrichtungen. Bei passiven Schutzeinrichtungen sind Veränderungen oder die Zerstörung von Werkstoffen zu verzeichnen, die in Folge der Energieumwandlung in Wärme auftreten. Dabei kann es in der Regel auch zum Durchdringen von hierfür eingesetzten Wandelementen kommen. Üblicherweise erfolgt dabei lediglich eine Sichtprüfung im Nachgang einer Bearbeitung mit Laserstrahlung, die in mehr oder weniger großen Zeitabständen durchgeführt werden muss, was einen entsprechend hohen Aufwand hervorruft und keine 100%-ige Sicherheit gewährleistet werden kann.
Ausreichend sichere Schutzwände sowie notwendige Tragkonstruktionen müssen daher mit hohem und kostenintensivem Materialeinsatz hergestellt werden.
Es sind aber auch unterschiedliche aktive Schutzvorrichtungen bekannt, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. So sind optische Systeme bekannt, mit denen bestimmte Veränderungen, wie z. B. eine Gasbildung, detektiert werden können. Eine andere Möglichkeit ist die Detektion einer Veränderung eines Innendrucks bzw. einer Leckage in bzw. aus Hohlräumen, die bei einer doppelwandigen Ausführung auftreten können. Dabei liegt es auf der Hand, dass die Dichtheit, insbesondere dann, wenn in solchen Hohlräumen ein Unterdruck herrscht oder ein Fluid enthalten ist, problematisch ist.
Aus DE 36 38 874 C2 und DE 89 08 806 U1 sind Schutzvorrichtungen bekannt, bei denen zwischen Schichten elektrische Leiter ausgebildet sind durch die ein elektrischer Stromfluss erfolgt. Wird ein solcher elektrischer Leiter in Folge Aufschmelzen durchtrennt, kann kein elektrischer Strom mehr fließen, was dann zu einer Abschaltung des Lasers führen soll. Dabei ist es sehr aufwändig, die elektrischen Leiter auszubilden und dabei möglichst geringe Verluste in Kauf nehmen zu müssen. Auch wenn die elektrischen Leiter schlangenförmig ausgebildet sind, können Lücken, also Bereiche an denen kein elektrischer Leiter vorhanden ist, nicht vermieden werden, was auch bei kleinen Strahlquerschnitten von Hochleistungslasern kritisch ist, die bei einem Auftreffen nicht mit ausreichender Sicherheit eine Trennung eines solchen elektrischen Leiters hervorrufen.
Nach Durchtrennung eines elektrischen Leiters ist dies System nicht mehr betriebsbereit und die Sicherheit erst nach Austausch bzw. aufwändiger Reparatur wieder gegeben.
Zur Feststellung einer Gefährdung ist bei allen bekannten aktiven Schutzvorrichtungen eine Zerstörung der Schutzvorrichtung erforderlich.
Außerdem ist ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung gegen Laserstrahlung, bei der in einen Innenraum zwischen Wandelementen ein Metallschaum eingebracht ist, aus DE 100 17 284 C1 bekannt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung den Schutz vor Laserstrahlung an solchen Arbeitsplätzen dauerhafter und mit geringerem Aufwand zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Laserschutzwand, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Erfindungsgemäß ist bei einer Laserschutzwand für eine Umhausung an Laserbearbeitungsstationen eine Zwischenschicht vorhanden, die zwei elektrisch leitfähige plattenförmige Elemente bevorzugt vollflächig von einander trennt. Die Zwischenschicht weist dabei Heißleitereigenschaften auf. Dies bedeutet, dass der spezifische elektrische Widerstand bei niedrigeren Temperaturen, also im Bereich üblicher Raum- bzw. Umgebungstemperaturen deutlich höher, als bei demgegen über höheren Temperaturen ist.
Die plattenförmigen Elemente, beispielsweise Bleche aus Aluminium oder einem anderen Metall sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen. Bei normalen Bedingungen kann so kein bzw. nur ein sehr kleiner elektrischer Strom zwischen den plattenförmigen Elementen über die Zwischenschicht fließen. Außerdem ist, bevorzugt in Reihe geschaltet, ein Messinstrument vorhanden, mit dem eine Messsignaländerung zur Zustandsüberwachung der Laserschutzwand detektiert werden kann. Damit kann eine Änderung des elektrischen Stroms, elektrischen Widerstands und/oder der elektrischen Kapazität detektiert werden.
Trifft ein Laserstrahl auf eines der plattenförmigen Elemente auf, erfolgt eine zwar lokal begrenzte Erwärmung, die bis in einen Temperaturbereich von ca. 600°C und darüber hinaus führen kann. Der spezifische elektrische Widerstand reduziert sich in diesem Bereich der Umhausung und der elektrische Strom erhöht sich dementsprechend, was detektiert und beim Schutz vor Laserstrahlung in der Umgebung einer Laserbearbeitungsstation ausgenutzt werden kann.
So besteht die Möglichkeit den elektrischen Strom und/oder die elektrische Spannung an der Laserschutzwand permanent zu überwachen, was mittels einer hierfür geeigneten Messschaltung, die Bestandteil einer oder mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden sein kann. Wird eine Messsignaländerung, beispielsweise eine Veränderung des fließenden elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung detektiert, die einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, kann mindestens ein Signal generiert werden. Mit diesem Signal kann eine Abschaltung eines Lasers der innerhalb der Umhausung an einer Laserbearbeitungsstation angeordnet bzw. dort mittels Strahlführungs- und/oder Strahlformungselementen für die Laserbearbeitung genutzt wird, erfolgen.
Allein oder zusätzlich kann aber auch mindestens ein Warnsignal generiert werden, mit dem die Gefahrensituation akustisch und/oder optisch signalisiert wird.
Der Schwellwert, der hierfür berücksichtigt werden kann, kann vom jeweiligen Stoff, aus bzw. mit dem die Zwischenschicht gebildet ist, deren Dicke und den elektrischen Werten, also denen der elektrischen Spannungsquelle, an die die plattenförmigen Elemente angeschlossen sind, abhängig sein und unter Berücksichtigung dieser Parameter gewählt werden.
Die Laserschutzwand kann mit mindestens einem Wandelement gebildet sein, dass die zwei mit der Zwischenschicht voneinander getrennten elektrisch leitenden plattenförmigen Elemente aufweist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, mehrere solcher Wandelemente für eine Laserschutzwand einzusetzen, die neben und/oder übereinander angeordnet werden können. Ein Wandelement kann auch in Form einer Tür ausgebildet sein, die Bestandteil einer Umhausung sein kann.
Vorteilhaft ist es dabei, die Wandelemente oder auch mehrere Laserschutzwände so zu dimensionieren und anzuordnen, dass sich äußere Ränder von neben- oder übereinander angeordneten Wandelementen überlappen, so dass ein sicherer Schutz auch in diesen ansonsten kritischen Bereichen erreichbar ist. Auch Türen an Laserbearbeitungsstationen können ebenfalls erfindungsgemäß ausgebildet sein. Eine Zugangsmöglichkeit kann auch mit Rolltüren gewährleistet sein. Dabei können die einzelnen Lamellen von Rolltüren analog in Form einer Laserschutzwand ausgebildet werden.
Die erfindungsgemäße Laserschutzwand kann außerdem mindestens ein weiteres ebenfalls plattenförmiges Außenwandelement aufweisen, das wie die beiden plattenförmigen Elemente parallel zueinander ausgerichtet sein kann. Ein Außenwandelement kann auch eine dreidimensional strukturierte Oberfläche aufweisen.
Ein Außenwandelement kann dabei in Bezug zu einer Laserbearbeitungsstation an der Innen- und/oder der Außenseite der Laserschutzwand angeordnet sein. Ist ein Außenwandelement aus elektrisch leitendem Werkstoff gebildet, sollte ein Abstand zu einem plattenförmigen Element oder eine elektrische Isolierung mit einer dielektrischen Trennschicht vorhanden sein. Bei einem Abstand bildet sich mindestens ein Hohlraum aus, mit dem eine verbessert thermische und akustische Dämmwirkung erreichbar ist. Eine Trennschicht kann dabei ebenfalls in Form von einer oder mehreren Platten ausgebildet sein und außerdem auch zwischen mehreren Platten Hohlräume hervorrufende Abstände vorhanden sein, so dass Platten oder auch andere geeignete Körper Abstandshalter bilden können.
Die erfindungsgemäß vorhandene Zwischenschicht sollte über die gesamte Fläche eine konstante Schichtdicke und Konsistenz aufweisen, so dass an jeder Position gleiche elektrische Eigenschaften gegeben sind. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die bereits erwähnte Generierung mindestens eines Signals unter gleichen Bedingungen erfolgt.
Eine Heißleitereigenschaften aufweisende Zwischenschicht kann aus unterschiedlichen Werkstoffen, Stof fen und Stoffgemischen gebildet sein. Dabei ist es besonders günstig, wenn gleichzeitig mittels der Zwischenschicht die elektrisch leitenden plattenförmigen Elemente stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Dies ist zum Beispiel mit einer Klebverbindung, für die eine Zwischenschicht mit einem geeigneten Binder gebildet werden kann, möglich. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Zwischenschicht und stoffschlüssige Verbindung durch eine Sinterung auszubilden. Es ist auch ein Auftrag in SolGel-Technik, durch Bedampfung, Aufspritzen, Auftragsschweißen oder ein Aufkleben einer Folie möglich.
Zwischenschichten können mit geeigneten Metalloxiden (z. B. Magnesiumoxid, Siliciumoxid, Fe₂O₄) gebildet werden. Sie können auch als Gemisch von mindestens zwei Metalloxiden vorhanden sein. Es können aber auch solche Oxidschichten auf Metallblechen, als elektrisch leitenden plattenförmigen Elementen Zwischenschichten im Sinne der Erfindung bilden. Dies können durch eine Brünierung erhaltene Schichten oder auch Eloxalschichten (z. B. auf Aluminium) sein.
Eine Zwischenschicht kann aber auch mit einer geeigneten Keramik, wie z. B. eine Silikatkeramik, die Heißleitereigenschaften aufweist, gebildet sein.
Es besteht aber auch die Möglichkeit für Zwischenschichten Halbleiter, insbesondere polykristalline Halbleiter mindestens eines sinterfähigen, bevorzugt zweier sinterfähiger Metalloxide oder auch Zn₂TiO₄ einzusetzen. Es können auch elektrisch leitfähige Polymere für Zwischenschichten eingesetzt werden.
Für eine Zwischenschicht können aber auch Heißleitereigenschaften aufweisende Polymere genutzt werden.
Zwischenschichten können auch mit polymeren oder anorganischen Bindern ausgebildet werden, die mit Aluminium oder Magnesiumoxid gebildet sein können, um die Heißleitereigenschaften zu erreichen.
Zwischen den beiden elektrisch leitenden plattenförmigen Elementen kann eine Zwischenschicht mit einer Stützstruktur gebildet sein, die die plattenförmigen Elemente voneinander trennt und einen Abstand der plattenförmigen Elemente vorgeben kann. Eine solche Stützstruktur kann bevorzugt in einer Zwischenschicht mit einem Heißleitereigenschaften aufweisenden Werkstoff, Stoff oder Stoffgemisch integriert sein.
Eine Stützstruktur kann mit einem mit Fasern gebildeten Gewebe oder Gewirk, z. B. einem Faserverbund, gebildet sein. Diese kann mit einem Heißleitereigenschaften aufweisenden Werkstoff, Stoff oder Stoffgemisch versetzt sein, was beispielsweise durch ein Tränken vor einem Fügen der zwei plattenförmigen Elemente erreicht werden kann.
Bei einer Temperatur von 20°C sollte sie einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 10¹⁰ Ωcm aufweisen, der bei einer Temperatur von 600°C auf einen Wert von mindestens 10⁸ Ωcm reduziert ist.
Dies kann beispielsweise Magnesiumoxid sein, dessen spezifischer elektrischer Widerstand bei 20°C bei 10¹⁴ Ωcm und bei 600°C bei 10⁹ Ωcm liegt.
Bei Aluminiumoxid liegt der spezifische elektrische Widerstand bei 20°C bei 10¹² Ωcm und bei 600°C bei 10⁶ Ωcm.
Für eine Tonerdeporzellan Silikatkeramik C 120 liegt der spezifische elektrische Widerstand bei 20°C bei 10¹¹ Ωcm und bei 600°C bei 10³ Ωcm.
Bei der erfindungsgemäßen Laserschutzwand kommen die Vorteile eines aktiven Schutzes zum Tragen. Trotzdem führt aber eine einmalige Deposition von Laserstrahlung auf eine Position der Umhausung zumindest nicht zum Totalausfall der Funktionalität, selbst wenn die Zwischenschicht an dieser Position zerstört oder so geschädigt worden ist, dass keine Heißleitereigenschaften dort mehr gegeben sind. Andere Flächenbereiche sind dann noch weiter funktionsfähig und die Umhausung kann weiter mit äußerst geringfügig eingeschränkter Sicherheit genutzt werden. Eine aufwändige Reparatur oder gar Austausch ist nur bei großflächiger Beeinträchtigung erforderlich.
Einige Werkstoffe, Stoffe oder Stoffgemische, die für Zwischenschichten eingesetzt werden können, bleiben aber auch bei einer hochgradigen Erwärmung resistent und behalten ihre Eigenschaften, so dass dann kein Verlust an Sicherheit zu verzeichnen ist.
Eine erfindungsgemäße Laserschutzwand kann vollständig oder auch aus mehreren solcher Elemente zusammengesetzt eine selbsttragende Struktur darstellen und so auf eine zusätzliche Tragkonstruktion verzichtet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Wandelement für eine Laserschutzwand in schematischer Form und
2 ein Wandelement für eine Laserschutzwand mit einer Stützstruktur.
Bei dem in 1 gezeigten Wandelement, das an einem Beispiel einer erfindungsgemäßen Laserschutzwand eingesetzt werden kann, sind zwei aus verzinktem Stahl gebildete Bleche, als elektrisch leitfähige plattenförmige Elemente 2 und 3, mit einem Binder, der Heißleitereigenschaften aufwies, stoffschlüssig und vollflächig durch Kleben miteinander verbunden worden. Der Binder bildet die Zwischenschicht 1. Als Binder wurde ein von der Firma POLYTEC PT GmbH, Waldbronn, DE unter der Handelsbezeichnung Resbond 906 erhältlich ist, eingesetzt. Die damit ausgebildete Zwischenschicht 1 hatte eine Dicke zwischen den beiden plattenförmigen Elementen 2 und 3 von 1 mm ± 0,5 mm. Außerdem ist in der Zwischenschicht 1 ein Glas-Gewebe, als Abstandshalter, eingebettet. Die Stahlbleche, als plattenförmige Elemente 2 und 3 haben Abmessungen 1000 mm·1000 mm·1 mm.
Es wurde an die beiden Stahlbleche, als plattenförmige Elemente 2 und 3, eine elektrische Spannung in Höhe von 24 V angelegt und der Fluss des elektrischen Stromes zwischen den beiden Blechen, als elektrisch leitfähige plattenförmige Elemente 2 und 3, bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt, um die Eignung für eine erfindungsgemäße Laserschutzwand nachweisen zu können.
Dabei konnten folgende Werte ermittelt werden:
Bei einer Temperatur von 20°C wurde eine elektrische Stromstärke I von 0,5 mA mit dem Messinstrument 4 gemessen.
Mit dem Laserstrahl 7, der von einem Laser 6 auf das innere plattenförmige Element 3 auftrifft, wurde eine lokal begrenzte Erhöhung der Temperatur auf 600°C bewirkt. Der elektrische Strom erhöhte sich dabei auf 3 mA, was als Messsignaländerung detektiert werden kann. Eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit 5 kann so eingestellt sein, dass eine solche Messsignaländerung, als Schwellwertüberschreitung erkannt und dann ein Signal zur Abschaltung des Lasers 6 generiert wird. Der Schwellwert kann dabei so gewählt werden, dass ein solches Signal ab Erreichen einer Temperatur von 200°C generiert wird.
Es kann somit nachvollzogen werden, dass die Erfindung ausreichend sicher ist und eine, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochen, Generierung von Signalen für einen Laserstrahlungsschutz, bei vorgebbaren Schwellwerten erfolgen kann und dabei Fehlauslösungen sicher vermieden werden können.
In 2 ist ein für eine erfindungsgemäße Laserschutzwand einsetzbares Wandelement mit zusätzlich integrierter Stützstruktur 8 gezeigt.

Claims

Laserschutzwand für eine Umhausung bei Laserbearbeitungsanlagen, bei der die Laserschutzwand mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen plattenförmigen Elementen (2, 3), die mittels mindestens einer elektrische Heißleitereigenschaften aufweisenden Zwischenschicht (1) voneinander getrennt und an eine elektrische Spannungsquelle sowie ein elektrischen Strom, elektrischen Widerstand und/oder elektrische Kapazität detektierendes Messinstrument (4), dessen Messsignaländerung zur Zustandsüberwachung der Laserschutzwand einsetzbar ist, angeschlossen sind.
Laserschutzwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit (5) bei Überschreitung eines vorgebbaren Schwellwertes einer Messsignaländerung, die Generierung eines Abschaltsignals für den jeweiligen Laser (6) und/oder eines Warnsignales erfolgt.
Laserschutzwand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschutzwand mit mindestens einem mit plattenförmigen Elementen (2, 3) und Zwischenschicht (1) gebildeten Wandelement gebildet ist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein drittes plattenförmiges Außenwandele ment parallel zu einem der beiden plattenförmigen Elemente (2, 3) angeordnet ist.
Laserschutzwand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes plattenförmiges Außenwandelement in einem Abstand und/oder mit einer dielektrischen Trennschicht zu und/oder von einem der beiden plattenförmigen Elemente (2, 3) getrennt angeordnet ist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) über die gesamte Fläche eine konstante Schichtdicke und Konsistenz aufweist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) ein Heißleitereigenschaften aufweisender Binder ist, mit dem die plattenförmigen Elemente (2, 3) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) mit einem Metalloxid, Gemisch von Metalloxiden und/oder einem Heißleitereigenschaften aufweisenden Polymer gebildet ist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) mit einem Aluminium- oder Magnesiumoxid enthaltenden Binder gebildet ist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) mit einem polykristallinen Halbleiter mindestens eines sinterfähigen Metalloxids gebildet ist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) mit Fe₂O₄ oder Zn₂TiO₄ gebildet ist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden plattenförmigen Elemente (2, 3) mit Zwischenschicht (1) und einer dielektrischen Stützstruktur (8) voneinander getrennt sind.
Laserschutzwand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (8) ein mit Fasern gebildetes Gewebe oder Gewirk ist, das mit dem die Zwischenschicht bildenden Stoff versetzt ist.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das mehrere neben und/oder übereinander angeordnete Wandelemente mit ihren äußeren Rändern überlappend zueinander angeordnet sind.
Laserschutzwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) bei einer Temperatur von 20°C einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 10¹⁰ Ωcm aufweist, der bei einer Temperatur von 600°C auf einen Wert von mindestens 10⁸ Ωcm reduziert ist.