DE102009023821A1 - Schutzwandelement zur Abschirmung von Laserstrahlung und anderer hochenergetischer ionisierender bzw. nicht ionisierender Strahlung - Google Patents

Schutzwandelement zur Abschirmung von Laserstrahlung und anderer hochenergetischer ionisierender bzw. nicht ionisierender Strahlung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Strahlenschutzelement, eine zum Schutz vor dem Austreten von Strahlen aus einem Raum, insbesondere zum Schutz vor aus einem Raum austretenden Laserstrahlen. Die Strahlenschutzelemente umfassen ein Materialsandwich, das derartig aufgebaut ist, dass es bei direkter Bestrahlung eine seismische Schockwelle erzeugt und detektiert und bei indirekter bzw. aufgeweiteter Strahlung eine Wiederstandsveränderung von thermisch belasteten bzw. durchtrennten nahe beieinander liegenden Leiterbahnen mittels einer Spannungsänderungsmessung detektiert. Die Beaufschlagung mit ionisierender bzw. nicht ionisierender z. B. Laserstrahlung wird ebenfalls erfasst, um vor zur erwartender Perforation zu warnen.

Description

  • Ohne Beschränkung ihrer allgemeinen Verwendbarkeit der Schutzwandelemente werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Laserstrahlung erläutert. Die Vorrichtung kann auch für andere Strahlungsarten zum Einsatz kommen: elektromagnetische Strahlung, ionisierende und nicht ionisierende Strahlung, Partikelstrahlung, Elektronen-, Protonen-, Neutronenstrahlung etc.
  • Die neueste Entwicklung im Bereich Hochleistungslaser sind Faser- bzw. Scheibenlaser mit hoher Ausgangsleistung und kleinem Strahlparameterprodukt bei großen Brennweiten. Insbesondere Faserlaser können Leistungen von bis zu 450 kW (militärische Anwendung) bzw. mehrere 10 kW, die für die industrielle Anwendung sinnvoll erscheinen, erreichen. Die großen Arbeitsbrennweiten zum Remoteschweißen von mehreren Metern sind problematisch. Sollen diese Laser in einer Fertigung mit Robotereinsatz und mit menschlichen Werkern im selben Raum eingesetzt werden, müssen Laserschutzkabinen um diese Laser der Klasse 4 aufgebaut werden, die nach DIN EN 80625 außerhalb der Einhausung Laserklasse 1 erreichen. Momentan sind passive Systeme Stand der Technik, die aus Mehrfachwänden aus unterschiedlichen in der Regel metallischen Materialen bestehen. Für die oben beschriebenen Laserstrahlquellen sind solche Systeme überhaupt nur bei großen Abständen zwischen den Elementen noch lasersicher gemäß DIN EN ISO 60825, bzw. aller Wahrscheinlichkeit gar nicht mehr lasersicher. In DE 10 2006 026 555 A1 wird ein aktives Wandelement beschrieben, bei dem die Strahlung eines bestimmten Lasers detektiert wird. Solche Systeme sind daher auf bestimmte Wellenlängen eingegrenzt bzw. nur für bestimmte Laser geeignet. Ein universell einsetzbares Wandsystem ist bisher nicht beschrieben.
  • Der Laserschutz kann derzeit mit massiven Betonwänden und extrem dicken Türen bei Leistungen unter 10 kW für den permanent beobachteten Betrieb (s. u.) gerade noch sichergestellt werden. Diese passiven Systeme sind schwer, klobig, unflexibel und daher für Fertigungen kaum geeignet.
  • Ein weiteres Problem sind die Standzeiten solcher Laserwände bei Bestrahlung. Nach DIN EN ISO 60825 wird die Standzeit in der Entfernung, die der 3-fachen Brennweite von der Wand entspricht, in Sekunden ermittelt, bis Strahlung durchdringt. Bei Arbeitsbrennweiten von mehreren Metern ist dies ein unrealistischer Fall, da der Abstand zur Wand in den meisten Fällen geringer ist als die 3-fache Brennweite, da sonst die Laserkabine unnötigen Platz bedürfte, der lediglich für den Laserschutz notwendig ist, und nichts mit dem Fertigungsprozess an sich zu tun hat.
  • Die Zeitbasen sind derzeit in DIN EN ISO 60825 folgendermaßen festgesetzt:
    Betriebsart Zeitbasis
    Permanent beobachteter Betrieb 10 s
    Unbeobachteter Betrieb 100 s
    Automatikbetrieb 30000 s
  • Die oben beschriebenen Betonwände sind für die Betriebsart des permanent beobachteten Betriebs ausgelegt. Sie halten ca. 10 Sekunden stand. Mit dem Faserlaser wurden jedoch schon Bohrungsarbeiten in Krankenhäusern in den USA durchgeführt, die nahe legen, dass Beton oder andere Materialen kaum mehr als 10 Sekunden standhalten.
  • In industriellen Fertigungen wird der Betrieb jedoch nicht dauernd von Mitarbeitern oder anderen Systemen permanent beobachtet, so dass diese im Störfall die Anlage binnen der Zeitbasis abstellen können, und so keine Strahlung nach außen dringt. (Dies ist offensichtlich auch das Szenario bei der Risiko Analyse, das zur Festlegung der Zeitbasis in der DIN EN ISO 60825 führte.) In der Industrie ist der unbeobachtete Betrieb, d. h. ein Mitarbeiter steht in der Nähe und kann nach einer bestimmten Reaktionszeit, da er seine eigentliche Aufgabe nicht die permanente Überwachung ist, den Laser stoppen. Die meisten industriellen Fertigungen z. B. in der Automobilindustrie entsprechen daher am ehesten dem Automatikbetrieb.
  • Wände, die die 100 s bzw. 30000 s standhalten, sind, wenn es, passive Systeme sind, wohl nicht herstellbar, bzw. wären extrem dick und sind daher nicht im industriellen Umfeld einsetzbar. Im Folgenden ist eine Definition der Begriffe „aktives” und „passives” Wandsystem in Anlehnung an DIN EN ISO 60825 aber spezifiziert für diese Erfindung gegeben.
  • Passives System:
  • Eine Laserschutzwand, die in der spezifischen 3-fachen Arbeitsbrennweite des spezifischen charakteristischen Lasersystems je nach Betriebsart die Basiszeit standhält. Es wird davon ausgegangen, dass dann das Laseraggregat abgestellt wird; und zwar in der Regel durch einen menschlichen Bearbeiter. Ein passives System wird auf den spezifischen Laser, (charakterisiert durch Intensität und Arbeitsbrennweite) hin ausgelegt und zertifiziert.
  • Aktives System:
  • Eine Laserschutzwand, die mittels Sensoren bzw. anderweitig einen Störfall Typ 1 (s. u.) detektiert und zeitnah ein Signal an den Not-Aus-Kreis der Anlage gibt. Die Anlage setzt sich selbst still. Dieses aktive System detektiert Störfälle vom Typ 1 und auch 2 und ist unabhängig von der Laserart und damit universell einsetzbar. Eine spezifische Zertifizierung der Gesamtanlage entsprechend dem eingesetzten Laser entfällt. Lediglich die Sensitivität der Sensoren wird entsprechend dem verwendeten Laser ‚offline’ angepasst. Insbesondere soll ein aktives System so intelligent ausgelegt sein, dass dessen Elektronik dem Anwender wichtige Hinweise zum Sicherheitszustand der Anlage gibt. Eine Warnung vor vagabundierender Strahlung, noch bevor die Schutzwand verletzt wird, ist anzustreben.
  • Havariefallszenarien
  • Für diese Erfindung werden zwei Störfälle unterschieden.
  • Störfall Typ 1:
  • Der Laserstrahl trifft direkt auf die Schutzwand. Er ist entweder fokussiert oder defokussiert. Aufgrund der geringen Divergenz fällt die Energie in einem kleinen Flächenbereich des Wandfläche ab. Die Strahlung besitzt ggf. ihre originären Eigenschaften wie Polarisation etc. Es kommt zu einem singulären lokalen Einschuss.
  • Dieser Störfall kann nur auftreten, wenn der Strahl z. B. durch eine dem Laser externe Kinematik (Roboter etc.) geführt wird. Bei Versagen dieser Kinematik trifft der Stahl nicht auf die vorgesehene Stelle sondern tritt im Raum auf und trifft auf die Wand einer geschlossenen Kabine. Dieser Störfall tritt vor allem in Versuchseinrichtungen auf, wenn die Kinematik unsachgemäß bedient wird, bzw. allgemein wenn ein Fehler in der Kinematik vorliegt. Oder es handelt sich um einen Absturz der Software des Kinematiksystems. Es handelt sich i. d. R. um Programmierfehler oder um eine andere Ereignisse in der Kinematiksteuerung, die schnell behoben werden können. Dies erfordert, dass die Anlagen schnell wieder in Betrieb gehen können und in industriellen Fertigungen auch wieder schnell in Betrieb gehen müssen, da solche Fälle häufiger auftreten können. Anhand des Einschusses und dessen Lage kann relativ einfach und mit Sicherheit festgestellt werden, woher und wie der verursachende Strahl entstand und daher auf diese spezifische Stelle traf. Aufgrund der exzellenten Strahlqualitäten neuester hochbrillianter Laserstrahlquellen sind die Fokusdurchmesser im Bereich von maximal einigen zehntel Millimetern. Der technische Fortschritt bei solchen Laserstrahlquellen wird zu einer weiteren Reduzierung der Fokusdurchmesser bei gleichzeitig weitere Erhöhung der Energiedichten führen. Die Einschusslöcher in der Wand sind daher extrem klein.
  • Die hier beschriebene Schutzwand erlaubt daher bei Störfall Typ 1 die kurzfristige Wiederinbetriebnahme der Anlage ohne Austausch von Teilen der Schutzwand.
  • Störfall Typ 2:
  • Die Laserstrahlung trifft durch eine Zwischenreflexion abgelenkt auf die Schutzwand oder ist weit nach der Fokusebene aufgeweitet. Die Energie fällt in einem im Vergleich zu Störfall Typ 1 größerflächigen Bereich ab. Die Strahlung verliert aufgrund der Zwischenreflexion bzw. außerhalb der Rayleighlänge um die Fokusebene ihre originären Eigenschaften wie Polarisation etc. Es kommt zu einer großflächigeren Aufschmelzung im Vergleich zu Störfall Typ 1. Derselbe Fall kann auch durch Prozessstrahlung hervorgerufen werden. Prozessstrahlung stellt hier Sekundärstrahlung dar, die aufgrund des Bearbeitungsprozesses am Bearbeitungsort entsteht und sich von der direkten als auch vagabundierenden Laserstrahlung unterscheidet, z. B. andere ionisierende bzw. nicht ionisierende Strahlung.
  • Dieser Störfall kann selbst bei langjährig störungsfrei laufenden Anlagen auftreten, wenn Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit der Werkstücke oder andere geringe Veränderung der Laserbearbeitungsprozesse auftreten. Es handelt sich um einen Störfall, bei dem nicht wie in Störfall vom Typ 1 eine dem Laser externe Komponente (z. B. Kinematik) für jedermann sichtbar ausfällt, bzw. sich nicht entsprechend den vermeintlichen Vorgaben verhält. Es handelt sich um keinen Störfall, der durch Störungsbehebung einer externen Komponente vermieden werden kann, sondern liegt im Laserbearbeitungsprozess selbst. Vagabundierende Strahlung ist besonders tückisch, das sie nicht zu sinnfälligen Störfällen wie einem ‚Einschuss’ führt. Es kommt oft erst nach mehrfachem Wiederholen des Prozesses zum Versagen der Wand. Der Laserschutzbeauftragte muss hier z. B. mit einem entsprechenden Sichtgerät den vagabundierenden Strahl eines unsichtbaren Laserstrahles zurückverfolgen. Nur so kann er die Reflexionsebenen bestimmen. Die Ursache für Störfall Typ 2 zu finden ist ungleich zeitaufwendiger und erfordern spezielle und nachhaltige Sicherheitsmaßnahmen. Die hier beschriebene Schutzwand erfordert daher bei Störfall Typ 2 den Austausch von Teilen der Schutzwand und steigert dadurch die Sicherheit, da der Laserschutzbeauftragte nicht umgangen werden kann.
  • Warnungsmodus
  • Bei den oben genannten Störfällen ist eine Verletzung der Wand als Abschirmungseinheit gegeben. Es wäre jedoch wünschenswert, bereits bevor es zu einem solch schwerwiegenden Zwischenfall kommt, ggf. präventive Maßnahmen zur Abwehr solcher Havariefälle zu ergreifen. Dazu ist eine Warnung notwendig, wenn gering Mengen von Laserstrahlung des verwendeten Laseraggregats auf den Wänden auftreten. D. h. bereits geringere Mengen vagabundierender Strahlung als zur Beschädigung der Wand notwendig sind, sollten entdeckt werden und lokal zugeordnet werden können.
  • Dazu wird die transmittive Schicht der Sandwichwand als Lichtwellenleiter eingesetzt an dessen Seitenkanten die wellenlängenselektiven Photodioden aufgebracht werden. Solche Dioden sind für die entsprechenden Wellenlängen bereits kommerziell verfügbar. Sie bestimmen sowohl die Wellenlänge als auch die Intensität der auftreffenden Strahlung. Anhand einer Software wird eine Schwellintensität mit der auf die Gesamtfläche auftreffenden Strahlung korreliert und bei deren Überschreitung ein Signal ausgegeben.
  • Damit kann bei neuartigen und unbekannten Anwendungen die Gefährdung der Wand festgestellt werden und geeignete Gegenmaßnahmen prozessseitig ergriffen werden. Der Einsatz von Nachsichtgeräten entfällt, da das detektierende Wandelement, festgestellt werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Diese Erfindung beschreibt ein aktives Schutzwandelement, das sowohl auf Störfälle vom Typ 1 und auch 2 durch die Ausgabe eines Signals reagiert, das dazu verwendet wird, die Anlage in den Not-Aus Zustand zu setzten oder andere geeignete Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Darüber hinaus ist das Wandelement entsprechend den Störfällen vom Typ 1 und auch 2 vorteilhaft ausgelegt. D. h. beim schwerwiegenderen Störfall Typ 2 müssen Schutzwandelemente ausgetauscht, beim Störfall Typ 1 kann diese ohne Austausch von Teilen weiterverwendet werden.
  • Konstruktive Umsetzung der Wandelemente
  • Die Schutzwand besteht aus mehreren Schichten. Siehe . Die innenliegende äußere Schicht dient nicht zum Abhalten der Strahlung sondern lediglich dem mechanischen Schutz der innenliegenden aktiven Schicht und der darauf aufgebrachten bzw. eingebetteten Komponenten, die die Reaktion der Wand auf Störfälle vom Typ 1 und auch 2 auslösen.
  • Signalgenerierung bei Störfall Typ 1:
  • Das Material der innenliegenden Wandschicht reagiert durch die Anregung bei direktem Laserstrahlbeschuss durch Aussenden einer thermo-akustischen Schockwelle. Diese Schockwelle wird bei Bestrahlung eines multi-layer Materialsandwiches mit Laser erzeugt. Die Laserstrahlung trifft dabei auf eine hochabsorbierende Schicht aus einem vorteilhaften Material, z. B. bei Nd:YAG- oder Scheiben/Faserlaserstrahlung ist die Stahl mit einer entsprechenden Absorptionsbeschichtung, z. B. eine Schwärzung. Aber auch jedes andere Material, dass sich durch den Laser gut ionisieren bzw. verdampfen lässt, kommt für die Schicht in Frage. Über der hochabsorbierenden Schicht kommt es dabei zu einer Plasmaexplosion oder einer entsprechend heftigen Sublimation des Materials. Solche Plasmawolken bzw. Wolken von hochenergetischem Materialdampf expandieren mit hohen Geschwindigkeiten im Raum. Diese Expansion ist jedoch durch eine Schicht, die die Laserstrahlung größtenteils transmittiert, in ihrer räumlichen Ausdehnung behindert. Diese transmittierende Schicht kann z. B. ein glasartiges Material oder eine transmittierende Keramik sein. Diese Schicht liegt im Strahlpropagationsweg des Laserstrahls vor der hochabsorbierenden Schicht und auf der Seite auf dem die Plasmaexplosion bzw. Sublimation stattfindet. Diese transmittierende Schicht bewirkt nun eine Behinderung der räumlichen Ausdehnung der Plasma bzw. Dampfwolke, was zur Folge hat, dass die Energie im Material verbleibt und zu einer Schockwelle im Materialsandwich führt. Als folge breitet sich eine thermo-akustische oder seismische Schockwelle aus. Die Aufnahme dieser Schockwelle erfolgt durch eine entsprechende Erfassungseinheit, welche die Anregung in ein elektrisches Signal umgewandelt. Hier sind z. B. handelsübliche Glassbruchsensoren oder sonstige Schocksensoren einsetzbar. Die neueste Generation solcher Sensoren kann durch einen dem Störfall vom Typ 1 gleichartigen Versuchsfall auf eben diesen Störfall und die dabei charakteristischen Frequenzen kalibriert werden. Damit ist das System störungsunanfällig, wenn Anregungen anderer Art aufgrund anderer Ursachen auftreten sollten. (z. B. mechanischer ausgelöster Schock der Wand, oder Schwingungsgeber in der Umgebung)
  • Bei der Zertifizierung bisheriger Anlagen wurde die Laserschutzwand auf die zuvor bekannten Eigenschaften des einzuhausenden Laseraggregats abgestimmt. Dabei waren die Intensität und die Arbeitsbrennweiten der verwendeten Optiksysteme entscheidend. Beim Einsatz neuer Laseraggregate musste die Laserschutzwand neu zertifiziert bzw. komplett ausgetauscht werden, da die Standzeit, die sich in der Zeitbasis ausdrückt, nicht eingehalten werden konnte. Dies ist mit hohen Kosten und hohen Ausfallzeiten für den Umbau verbunden. Bei Hochleistungslasern der neuesten Generation (Faser- bzw. Scheibenlasern) ist bisher fraglich, ob und welche passive Wand überhaupt Standzeiten, die jenseits des permanent überwachten Betriebsmodus liegen, erreichen kann. Bei der hier beschriebenen aktiven Wand handelt es sich um ein quasi lernfähiges System. Anhand eines Testelements kann der Frequenzanalysator auf neue Laseraggregate und die durch sie erzeugten Schockwellen beim Störfall vom Typ 1 abgestimmt werden. Damit muss die Wand nicht ausgetauscht werden. Die Neuzertifizierung kann an einem anderen Ort bzw. gleich beim Laserhersteller anhand eines Testelements erfolgen. Beim Einbau des neuen Laseraggregats wird der Frequenzanalysator mit dem neuen Datensatz versorgt.
  • Das hier beschriebene Wandelement wird mit redundanten Sensoren bestückt, die die gesamte Fläche des Elements sensorisch erfassen können bzw. falls ein Sensor durch einen Einschuss selbst direkt zerstört wird. (Dieser Fall wird als extrem unwahrscheinlich angenommen). Durch die Auswahl eines geeigneten Materials wird die Zerstörung, die der Einschuss anrichtet, lokal begrenzt gehalten (z. B. Sicherheitsglas mit Drahtnetzwerk, oder entsprechend Glass mit lokal begrenztem Brucheigenschaften, siehe auch unten). Die Wand kann nach einem solchen Zwischenfall wieder in Betrieb gehen, da der Sensor auf einen erneuten Störfall vom Typ 1 wieder genauso reagiert. Die außenliegende Außenwand benötigt die Standzeit die der Zeitbasis entspricht, die sich aus der Reaktionszeit des Sensors ableitet.
  • [Daneben kann mit dieser Methode die Käfigeinhausung, wie bei Roboteranwendungen vorgeschrieben entfallen, da dieser Sensor den Schlag eines Roboterarms ebenfalls detektiert.
  • Damit wird durch die Schutzwand auch die Maschinenrichtlinie erfüllt.]
  • Signalgenerierung bei Störfall vom Typ 2:
  • Die Ausdehnung des auf die Wand treffenden Laserstrahls ist mindestens so groß, wie der Durchmesser der leitenden Elemente. Um dies zu Gewährleisten soll die inneliegende Außenwand des Sandwichmaterials strahlaufweitende bzw. brechende optische Eigenschaften haben. In das Material der Zwischenwand sind leitende Elemente eingelassen. Im Unterschied zu bisher bekannten Wänden, bei denen die Unterbrechung des Stromflusses bei Durchtrennung der stromführenden Leiterbahnen durch Laserstrahl detektiert wird, wird hier ein anderes Verfahren realisiert: Die Leiterbahnen dienen lediglich dazu eine Spannungsdifferenz zwischen einem Pol einer angeschlossenen Spannungsquelle und dem anderen Pol an dem diese Spannung durch eine Erfassungseinheit gemessen wird aufrechtzuerhalten. Wird die Leiterbahn durch einen Störfall Typ 2 durchtrennt, bricht die Spannung an diesem Pol zusammen, was als Havarie gewertet wird und den Not-Aus betätigt. Die Vorteile dieser Vorgehensweise gegenüber stromdurchflossenen Leiterbahnen sind, dass es sich um ein rein zweistufiges Signal handelt: Spannung liegt an, oder nicht. Dabei ist irrelevant ob die Spannung aufgrund von Umwelteinflüssen schwankt, da sie nur vollständig zum Erliegen kommt, wenn die Leiterbahn tatsächlich auch durchtrennt ist. Bei Verfahren des Standes der Technik haben Umweltbedingungen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit starken Einfluss auf die Stromstärke aber ebenso ununterscheidbar, falls der Leiter beschädigt wird. Wird nun die Stromdichte bei Verfahren des Standes der Technik stark erhöht, um die Schwankung im Vergleich zum Absolutwert der Stromstärke relativ klein zu machen, dann fällt eine hohe Leistung an der Anlage ab, die hohe Betriebskosten verursachen.
  • Für die Aufbringung von Leiterbahnen auf verschiedene Trägermaterialien existieren entsprechende industrielle Fertigungsverfahren. Z. B. werden solche Bahnen, vgl. 2, durch Druck- oder Ätzverfahren erzeugt. Neuerdings auch in Dicken von nur wenigen Nanometern auf flexiblen aber transparenten Folien. Daneben können aber auch isolierte Drähte von leitenden Materialen miteinander verwirkt werden, dass eine flächige Anordnung entsteht. Z. B. werden Endlosdrähte klassisch industriell gestrickt, vgl. 2. Das leitende Material wird entsprechend dem Schmelzpunkt des Matrixmaterials gewählt. Damit die Energie der vagabundierenden Laserstrahlung auch tatsächlich im Material abfällt, ist aufgrund der Eigenschaften der Laserstrahlung evtl. die Einbettung einer absorbierenden Schicht, bzw. der Zusatz solcher Materialien als Partikel (Titan(-oxide bzw. -nitride), Eisen(-oxide bzw. nitride, etc.) zum Trägermaterial selbst notwendig. Diese Schicht wird sinnvollerweise hinter den leitenden Elementen von der Innenseite der Laserkabine aus gesehen aufgebracht, vgl. 1. So schmelzen beim Störfall die darüberliegenden leitenden Elemente mit Sicherheit auf, wenn sie nicht schon vorher zerstört wurden. Beim Auftreffen vagabundierender Strahlung schmilzt die Zwischenwand dann oberflächlich auf. Dabei werden die leitenden Elemente zerstört. Der damit verbundene Zusammenbruch der Spannung wird detektiert, und schaltet die Anlage in den Not-Aus. Das Wandelement muss ausgetauscht werden, da es beschädigt ist. Um den Aufwand für den Austausch in vertretbaren Grenzen zu halten sollen solche Elemente segmentiert sein. Eine Überbrückung des Segments, dass mit einer spannungsanzeigenden Einheit, z. B. Flüssigkristallanzeige oder einer bei aufgrund des Zusammenbruchs der Spannung am Erfassungspol nun leuchtenden Lampe (da jetzt eine Spannungsdifferenz zwischen Erfassungpol und Überbrückung besteht, diverse Brückschaltungen vgl. 3), kann dazu verwendet werden die Beschädigung eines Segments anzuzeigen.
  • Konstruktive Umsetzung der Gesamtanlage
  • Aufgrund des bei Störfall vom Typ 2 notwendigen Austausches wird die Laserschutzkabine aus modularen Elementen aufgebaut und komplett mit diesen Elementen beplankt. Das Signal der Wand wird als ein Signal ausgegeben und in den Not-Aus-Kreis der Anlage integriert. Es wird eine Schaltung der Wandelemente angestrebt, die den Ausfall spezifischer Wandelemente (bestehend aus Sensoren und Trägermaterial) erkennt. Durch eine entsprechende Schaltung der Sensoren kann evtl. auch die Frequenzanalyse vom Sensor getrennt durchgeführt werden, um Kosten zu sparen. Die Hinterlegung der Havarie- bzw. Warnmodusszenarien erfolgt über z. B. über eine Software. Die Wand kann so auf neue Szenarien ‚offline’ kalibriert werden. Diese ‚updaten’ im Bedarfsfall das vorhandene System. So kommt es zu keinen Nebenzeiten. Die Software zeigt darüber hinaus den Status der Wand in einem auch dezentral gelegenen Überwachungszentrum an und gibt detaillierte Auskunft über die Art des Störfalls und die entsprechenden Gegenmaßnahmen. Über Passwort kann die Zuziehung der Fachleute für Maschinensicherheit (Störfall Typ 1) bzw. Lasersicherheitsbeauftragter (Störfall Typ 2 und Warmmodus) sichergestellt und dokumentiert werden.
  • Die Wand erfüllt die Anforderungen nach DIN EN 60825 für Laser der Klasse 4 und darunter, da durch das Abschalten der Anlagen, außerhalb der Laserschutzkabine stets Laserklasse 1 herrscht.
  • Wesentliche Neuheit der Erfindung
    • • Aktives Schutzwandsystem
    • • Charakteristische Eigenschaften der Innenwandmaterials bzw. des Materialsandwiches
    • • Detektion von Störfall vom Typ 1 durch Sensorik bzw. Erfassungseinheit für seismische Anregungsfrequenzen
    • • Detektion von Störfall vom Typ 2 durch Zusammenbruch oder Verstimmung angelegter Spannung eingebetteter elektrischer Leiterbahnen bei deren thermischer Zersetzung
    • • Eine Beschränkung der Zertifizierung auf einen Laser spezifischen Eigenschaften kann entfallen, die Wand kann durch einpflegen des jeweiligen Havarieszenarios ‚upgedatet’ werden
    • • Bedarfsgerechte Kalibrierung der Anlage je nach Schockereignis ist möglich und deckt auch die Maschinenrichtlinien für Roboteranwendungen ab
    • • Anhand eines Testelements kann die Wand auf neue Laseraggregate mit neuen Eigenschaften kalibriert werden.
    • • Sensitivität der Sensoren kann bedarfsgerecht beschränkt werden, wenn in der Umgebung Bedingungen vorherrschen, die zu Fehlalarm führen könnten.
    • • Die Wartungsarbeiten zum Wiederinbetriebnahme der Wand sind der schwere der Störfälle angemessen
    • • Warnanzeige bei Detektion von vagabundierender Laserstrahlung ab einem gewissen Grenzwert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006026555 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN 80625 [0002]
    • DIN EN ISO 60825 [0002]
    • DIN EN ISO 60825 [0004]
    • DIN EN ISO 60825 [0005]
    • DIN EN ISO 60825 [0007]
    • DIN EN ISO 60825 [0008]
    • DIN EN 60825 [0030]

Claims (6)

  1. Strahlenschutzelement zum Schutz vor dem Austreten von Strahlen einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Laserstrahlquelle oder Quelle ionisierender Strahlung, aus einem Raum, dadurch gekennzeichnet, dass der direkte Beaufschlagung des Elements mit dem Strahl zu einer seismischen Welle innerhalb des Strahlenschutzelementmaterials führt und die indirekte bzw. strahlaufgeweitete Beaufschlagung des Elements zum Veränderung der Widerstandseigenschaften bzw. zum Durchtrennen elektrischer Leiterbahnen führt.
  2. Schutzwandelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Materialsandwich besteht, dass für die Beaufschlagung mit einem direkten Strahl aus einer hochabsorbierenden bzw. zusätzlich mit einer Absorptionsbeschichtung versehnen Schicht aus einem gut durch den Strahl verdampfbaren bzw. ionisierbaren Materialschicht besteht, der im Strahlenpropagationsweg vorgelagert eine die Strahlung transmittierende Schicht besteht, welche die Expansion des verdampfenden bzw. ionisierten Materials räumlich beschränkt und so zu einer seismischen (Schock-)Welle im Material und ggf. zu Brüchen innerhalb der Schichten führt, und für die Beaufschlagung mit einem aufgeweiteten Strahl zusätzlich eine entsprechend brechende aber transmittierende Schicht besteht hinter der im Strahlpropagationsweg eine Fläche aus eng nebeneinander liegenden Leiterbahnen besteht, die ihre Widerstandswerte bei thermischer Belastung und ggf. bei Durchtrennung ändern.
  3. Strahlenschutzelement nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungseinrichtung die seismische Welle detektiert und nach außen leitet, um die Strahlquelle abzuschalten
  4. Strahlenschutzelement nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen einzeln isoliert aber ineinander verwirkt sind oder eng auf ein ggf. flexibles Trägermaterial eng nebeneinander liegend gedruckt oder sonst wie aufgebracht bzw. angeordnet sind.
  5. Strahlenschutzelement nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Leiterbahnenelemente segmentiert sind und eine Widerstandseigenschaftsänderung bzw. Durchtrennung durch Spannungsmismatach mittels einer Überbrückung festgestellt und dem Segment zugeordnet werden kann.
  6. Strahlenschutzelement nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die transmittierende Schicht bereits geringe Beaufschlagungen mit der zu detektierenden Strahlung durch Brechung auf eine entsprechende Erfassungseinheit hin im Sinne eines Warnmodus ausgibt.
DE102009023821A 2009-06-04 2009-06-04 Schutzwandelement zur Abschirmung von Laserstrahlung und anderer hochenergetischer ionisierender bzw. nicht ionisierender Strahlung Withdrawn DE102009023821A1 (de)

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DE102009023821A Withdrawn DE102009023821A1 (de) 2009-06-04 2009-06-04 Schutzwandelement zur Abschirmung von Laserstrahlung und anderer hochenergetischer ionisierender bzw. nicht ionisierender Strahlung

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CN108474516A (zh) * 2015-11-16 2018-08-31 马田·菲茨 带有至少一个射击源和至少一个探测器装置的组件
WO2024033274A1 (de) * 2022-08-12 2024-02-15 Trumpf Lasersystems For Semiconductor Manufacturing Gmbh Anordnung zum laserschutz

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DE102006026555A1 (de) 2006-06-08 2007-12-27 Ingenieurbüro Goebel GmbH Elektronisch aktives Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von kohärenter (Laser-) und/oder inkohärenter (LED-) Strahlung in einem beliebigen Schutzwandsystem

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Title
DIN EN ISO 60825
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