DE102019129194A1

DE102019129194A1 - Schutzschlauch für hochleistungslaseranwendungen in lichtleitkabeln

Info

Publication number: DE102019129194A1
Application number: DE102019129194.1A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: DE102019129194B4; CN112596175A; CN112596175B; US20210096313A1; US11163127B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schutzschlauch für Hochleistungslaseranwendungen in Lichtleitkabeln und sieht einen Schutzschlauch vor, der eine Lichtleitfaser für Hochleistungslaseranwendungen in Lichtleitkabeln umgibt, wobei der Schutzschlauch mindestens eine Kunststoff-Laserschutzschicht aufweist gefüllt mit mindestens einem Kohlenstoff-Allotrop oder gefüllt mit Kork, Holzspänen, Holz oder Holzpulver, Holzpartikeln.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Schutzschlauch für Hochleistungslaseranwendungen in Lichtleitkabeln.
Kurze Beschreibung des Stands der Technik
Die Beschreibung des Stands der Technik dient dem Zweck, den Kontext der Offenbarung allgemein darzustellen. Arbeitsergebnisse der hier genannten Erfinder sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Einreichung möglicherweise nicht als Stand der Technik gelten, werden, soweit in diesem Abschnitt beschrieben, weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik anerkannt gegen die vorliegende Offenbarung.
Hochleistungslaseranwendungen der Klasse 4 verwenden eine Laserleistung, die immer gefährlich für Gesundheit und Leben ist. Beschädigungen (z. B. Faserbruch) in Lichtleitsystemen wie Laserlichtleitkabeln können gefährliche Mengen an Laserlicht freisetzen und den menschlichen Körper irreversibel schädigen. Aus Gründen der Arbeitssicherheit ist daher für Hochleistungs-Lichtwellenleiter ein Schutz gegen unkontrolliert austretende Laserstrahlung vorgeschrieben. Die Verwendung eines Sicherheitssystems zur Überwachung des Bruchs von Glasfaserkabeln ist eine Möglichkeit zum Schutz vor unbeabsichtigter Freisetzung von Laserstrahlung. Im Falle eines Faserbruchs muss das Lasersicherheitssystem den Laser innerhalb weniger Millisekunden sicher ausschalten, um das Austreten von Laserstrahlung zu vermeiden. Um eine gefährliche Emission von Laserlicht zu jedem Zeitpunkt zu verhindern, ist die Faser in einem Schutzschlauch eingeschlossen, der lichtbeständig und fest gegen Hochleistungslaserlicht ist. Der Schutzschlauch fungiert als Schutzwall und absorbiert das Laserlicht, bis der Sicherheitsstromkreis den Laser sicher abgeschaltet hat.
Der Stand der Technik offenbart grundsätzlich zwei Konzepte für den Aufbau eines Schutzschlauchs:

a. eine Ummantelung aus verdrillten oder spiralförmigen Metallwendelschläuchen oder einem umhüllenden Stahlgeflecht, und
b. eine Hülle aus seiner Kombination von Kupfergeflecht mit schwarzem, grauem oder transparentem Kunststoff.

Der Metallmantel muss gewährleisten, dass die Leitung lichtdicht ist. In einigen Ausführungsformen werden mehrere Metallschichten verwendet, um ihre Wirkung zu erhöhen. Das Kupfergeflecht in Kombination mit farbigem Kunststoff ist eine Alternative, um die Umgebung vor austretender Laserstrahlung zu schützen. Beiden Ansätzen ist gemeinsam, dass die Laserlichtleitfaser zentral im Kabel angeordnet ist, wobei ein transparentes Polymer oder Kunststoff die Lichtleitfaser umgibt. Das transparente Polymer oder der transparente Kunststoff ist von lichtabsorbierenden Schichten umgeben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine lichtdichte Schutzleitung für ein Hochleistungslaserlichtkabel bereitzustellen, das gegenüber dem Hochleistungslaserlicht durchschusssicher ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Schutzschlauch bereit, der eine Lichtleitfaser für Hochleistungslaseranwendungen in Lichtleitkabeln umgibt, wobei der Schutzschlauch mindestens eine mit mindestens einem Kohlenstoff-Allotrop gefüllte Kunststoff-Laserschutzschicht enthält.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich darauf, dass die Kunststoff-Laserschutzschicht aus einem Allotrop aus kohlenstoffgefülltem thermoplastischem Polymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TPU, TPE und PTFE besteht.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Kohlenstoff-Allotrop in Form von Partikeln oder Clustern in einem Größenbereich von 10mm bis 300 mm vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform liegt das Kohlenstoff-Allotrop in einer Form ausgewählt aus Graphit, Diamant oder einem Mitglied der Fulleren-Strukturfamilie, bestehend aus Buckyballs, Buckytubes oder Carbon Nanobuds vor.
Es ist weiter vorgesehen, dass die Kunststoff- Laserschutzschicht aus thermoplastischem Polymer bis zu 60% (w/v) des Kohlenstoff-Allotropes aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform des Schutzschlauchs hat die Kunstsoff-Laserschutzschicht aus thermoplastischem Polymer eine Dicke von 0,2 mm bis 7 mm.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich darauf, dass die Kunstsoff-Laserschutzschicht aus thermoplastischem Polymer einen inneren, reibungsarmen Schlauch aus thermoplastischem Material umfassend TPU, TPE oder PTFE umgibt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Schutzschlauch, umgebend eine Lichtleitfaser für Hochleistungslaseranwendungen in Lichtleitkabeln, wobei der Schutzschlauch zumindest eine Kunststoffschicht umfasst, welche mit Kork, Holzspänen, Holz Holzpulver oder Holzpartikeln gefüllt ist.
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der einfach bevorzugte Ausführungsformen und Implementierungen dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden und ihre verschiedenen Details können in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden, ohne Lehre und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können der Ausführung der Erfindung entnommen werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um mögliche, beispielhafte Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt wird, wobei:

1 zeigt gemessene Signale bei ca. 26 kW Laserleistung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Schutzrohres.
2 zeigt gemessene Signale bei ca. 24 kW Laserleistung mit einem Schutzrohr nach dem Stand der Technik
3 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schutzschlauch
4 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schutzrohr mit feinen Partikeln
5 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schutzleitung mit groben Partikeln

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die zuvor formulierte Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche decken weitere spezifische Ausführungsformen der Erfindung ab.
Die Erfindung stellt einen Innenschlauch aus einem reibungsarmen Kunststoff (beispielsweise PTFE / Polytetrafluorethylen) bereit, der von mindestens einer Laserschutzschicht aus einem thermoplastischen Polymer wie TPU (thermoplastisches Polyurethan) umgeben ist, das Allotrope aus Kohlenstoff enthält, z. Graphitpartikel. Die umgebende Laserschutzschicht kann auch ohne Verwendung eines transparenten Innenrohrs aufgebracht werden. Unter normalen Umständen beeinträchtigen diese Komponenten die Flexibilität des Rohrs nicht wesentlich.
Sollte Laserlicht aus der Faser austreten, wird es von den kohlenstoffhaltigen Verbindungen wirksam absorbiert. Im Falle eines Faserbruchs entweicht jedoch viel mehr Leistung, was zu viel höheren Temperaturen und einer pyrolytischen Reaktion führt. Das kohlenstoffhaltige Füllmaterial erwärmt sich durch Laserstrahlung, löst sich auf, verdampft und setzt den Kohlenstoff frei. Der zuvor gebundene Kohlenstoff, der als Aerosol oder Kohlenstoffpulver gelöst wird, absorbiert die Laserstrahlung vollständig. Da hochreiner Kohlenstoff sehr stabil ist, ist er hitzebeständig bis mindestens 3000 ° C und reagiert bis zu dieser Temperatur fast nicht exotherm mit Sauerstoff. Daher gibt der Kohlenstoff keine weitere Wärme an den Schutzschlauch ab, sondern absorbiert die Laserenergie. Ferner schmilzt reiner Kohlenstoff nicht unter atmosphärischem Druck, sondern sublimiert bei etwa 3.630 °C. Seine endothermen Phasenwechselreaktionen absorbieren die Laserleistung sicher, so dass der interne Sicherheitskreis genügend Zeit hat, den Laser auszuschalten. Experimente zeigen, dass eine solche Konfiguration mehr als 26 kW Laserlicht für mehr als einhundert Millisekunden absorbieren kann. Ohne diese kohlenstoffhaltigen Verbindungen würde das austretende Laserlicht innerhalb weniger Millisekunden die Leitung durchtrennen, was zu schnell ist, um den Laserschutzschaltkreis sicher abzuschalten. Ein erfindungsgemäßer Schutzschlauch kann daher weitaus höheren Temperaturen standhalten als ein mit Stahl oder Kupfer hergestellter oder beschichteter Schutzschlauch.
1 zeigt beispielhaft experimentelle Ergebnisse, die mit einem erfindungsgemäßen Schutzschlauch erzielt wurden. Es zeigt einen Oszilloskop-Screenshot der gemessenen Signale während eines simulierten Faserbruchs bei 26 kW Laserleistung. Das Signal (1) repräsentiert das Sicherheitssensorkabel mit seiner durch den Laser verursachten Unterbrechung zum Zeitpunkt (a) minus 12 Millisekunden. Die Zeitverzögerung von minus 12 Millisekunden wird durch die Schaltzeit des in diesem Setup verwendeten Laserschutzschalters verursacht. Daraufhin wird das Abschaltsignal des Lasers um 21 Millisekunden (2) weiter verzögert. Durch das Fallenlassen schaltet sich der Laser nach einer Gesamtverzögerungszeit von 33 Millisekunden aus. Die Differenz zwischen 12 minus Millisekunden und dem Startpunkt des Laserstrahlungs-Ein-Signals ergibt sich aus der Zeit, die zum Unterbrechen des Kabels des Lasersicherheitssensors benötigt wird. Nach einer kurzen Zeitverzögerung von ca. 3 Millisekunden (verursacht durch die Lasersicherheitssteuerung) zeigt das fallende Laserstrahlungssignal an, dass der Laser ausgeschaltet wurde (3). Das TROS-Sensorsignal (4) bleibt jederzeit weit unter dem zulässigen Maximalwert (5), der durch die für die Arbeitssicherheit geltenden Regeln für gefährliche Strahlung (nach TROS) festgelegt ist. Da der erfindungsgemäße Schutzschlauch völlig lichtdicht ist, zeigt das Signal keine Abweichungen von seinem Rauschpegel.
2 zeigt beispielhafte experimentelle Ergebnisse, die mit einem Schutzschlauch gemäß dem Stand der Technik erzielt wurden. Die verwendeten Signalnummern sind die gleichen wie in 1. Das TROS-Sensorsignal (4) überschreitet den Maximalwert (5), der durch die für die Arbeitssicherheit geltenden Regeln für gefährliche Strahlung (gemäß TROS) zum Zeitpunkt (a) festgelegt ist.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine mögliche Abwandlung eines erfindungsgemäßen Schutzschlauchs mit der Lichtleitfaser (a), die von einem Lasersicherheitssensorkabel (b) überwacht wird und konzentrisch von einem Inneren umgeben ist Rohr (c), konzentrisch umgeben von einer Laserschutzschicht (d) und bedeckt von einer mechanischen Funktionsschicht mit Zugentlastung und zur Vermeidung von Abrieb (e).
4 zeigt einen Längsschnitt durch eine mögliche Variante eines erfindungsgemäßen Schutzschlauchs mit der Lichtleitfaser (a), die von einem Lasersicherheitssensorkabel (b) überwacht wird und konzentrisch von einem Innenschlauch (c) umgeben ist, konzentrisch umgeben von einer Laserschutzschicht, die mit feinen allotropen Kohlenstoffpartikeln wie Graphit (d) gefüllt ist und von einer mechanischen Funktionsschicht mit Zugentlastung und zur Vermeidung von Abrieb bedeckt ist (e).
5 zeigt einen Längsschnitt durch eine mögliche Variante eines erfindungsgemäßen Schutzschlauchs mit der Lichtleitfaser (a), die von einem Lasersicherheitssensorkabel (b) überwacht wird und konzentrisch von einem Innenschlauch (c) umgeben ist, konzentrisch umgeben von einer Laserschutzschicht, die mit groben Partikeln des Kohlenstoffallotrops gefüllt ist, die diskrete Cluster bilden, die homogen in eine transparente Polymermatrix eingebettet sind (d) und von einer mechanischen Funktionsschicht mit Zugentlastung und zur Vermeidung von Abrieb bedeckt sind (e). Dieser Aufbau ist besonders vorteilhaft, da die Laserstrahlung tiefer in die Laserschutzschicht eindringen und gleichzeitig mehr Kohlenstoff freisetzen kann.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Schutzschlauch zur Verfügung, die für Laser mit einer Leistung von mindestens 20 kW für eine Strahldauer von mindestens 30 Millisekunden nach dem Erfassen eines Faserbruchs durchschusssicher ist. Gleichzeitig ist der Schutzschlauch gemäß der Erfindung viel leichter und flexibler als herkömmliche Leitungen auf Metallbasis - insbesondere bei Anwendungen, bei denen Torsion auf die Schutzleitung angewendet werden muss, wie beispielsweise bei 6-Achs-Roboteranwendungen.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung genau auf die offenbarte Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre möglich oder können aus der Praxis der Erfindung erlangt werden. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen zu verwenden, die für die spezielle beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird. Die Gesamtheit jedes der oben genannten Dokumente wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
Bezugszeichenliste

(1): Signal des Lasersicherheitssensorkabels (sein Abfall zum Zeitpunkt = 0 (a) löst die Laserabschaltung aus)
(2): Laser-Abschaltsignal (sein Abfall löst das Abschalten des Lasers aus)
(3): Laserstrahlungs-Ein-Signal
(4): TROS-Sensorsignal
(5): Maximaler TROS-Wert gemäß den für die Arbeitssicherheit geltenden Vorschriften
(a): Laserlichtleitfaser
(b): Lasersicherheitssensorkabel
(c): Innenschlauch
(d): Laserschutzschicht, gefüllt mit feinen allotropen Kohlenstoffpartikeln wie Graphit
(e): Mechanische Funktionsschicht mit Zugentlastung und zur Vermeidung von Abrieb

Claims

Eine Schutzschlauch für eine Lichtleitfaser für Hochleistungslaseranwendungen in Lichtleitkabeln, wobei der Schutzschlauch mindestens eine mit mindestens einem Kohlenstoff-Allotrop gefüllte Kunststoff-Laserschutzschicht enthält.
Der Schutzschlauch nach Anspruch 1, wobei die Kunststoff-Laserschutzschicht aus einem Allotrop aus kohlenstoffgefülltem thermoplastischem Polymer besteht, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TPU, TPE und PTFE.
Der Schutzschlauch nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kohlenstoff-Allotrop in Form von Partikeln oder Clustern in einem Größenbereich von 10 mm bis 300 mm vorliegt.
Der Schutzschlauch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kohlenstoff-Allotrop in einer Form ausgewählt aus Graphit, Diamant oder einem Mitglied der Fulleren-Strukturfamilie, bestehend aus Buckyballs, Buckytubes oder Carbon Nanobuds vorliegt.
Der Schutzschlauch nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Kunstsoff-Laserschutzschicht aus thermoplastischem Polymer bis zu 60% (w/v) des Kohlenstoff-Allotropes aufweist.
Der Schutzschlauch nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Kunstsoff-Laserschutzschicht aus thermoplastischem Polymer eine Dicke von 0,2 mm bis 7 mm hat.
Der Schutzschlauch nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Kunstsoff-Laserschutzschicht aus thermoplastischem Polymer einen inneren, reibungsarmen Schlauch aus thermoplastischem Material umfassend TPU, TPE oder PTFE umgibt.
Ein Schutzschlauch, umgebend eine Lichtleitfaser für Hochleistungslaseranwendungen in Lichtleitkabeln, wobei der Schutzschlauch zumindest eine Kunststoffschicht umfasst, welche mit Kork, Holzspänen, Holz Holzpulver oder Holzpartikeln gefüllt ist.