DE102021207823A1

DE102021207823A1 - Verbundmaterial einer lasersicheren Einhausung

Info

Publication number: DE102021207823A1
Application number: DE102021207823.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Leimser; Tobias Gerhardt; Martin Kraus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundmaterial (20) einer lasersicheren Einhausung (10) für Lasermaterialbearbeitungsmaschinen. Das Verbundmaterial (20) umfasst eine erste Schicht (22) eines metallischen Materials (24) sowie eine zweite Schicht (34) des metallischen Materials (24). Zwischen diesen ist ein kohlenstoffbasiertes, organisches Absorbermaterial (28) aufgenommen. Auf der Innenseite der ersten Schicht (22) kann ein lasersensitives Textil (60) in den Schichtaufbau des Verbundmaterials (20) eingefügt sein. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Verbundmaterials (20) an einer lasersicheren Einhausung (10) oder einer lasersicheren Laserkabine (14) für eine Lasermaterialbearbeitungsmaschine.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundmaterial einer lasersicheren Einhausung oder einer lasersicheren Laserkabine für Lasermaterialbearbeitungsmaschinen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung des Verbundmaterials zur Herstellung einer lasersicheren Einhausung oder einer lasersicheren Laserkabine für eine Lasermaterialbearbeitungsmaschine.
Stand der Technik
DE 10 2013 108 129 A1 hat ein Strahlenschutzelement und eine damit ausgerüstete Strahlenschutzkabine zum Gegenstand. Diese dient zur Abschirmung von Laserstrahlung und zur Verwendung als Bestandteil einer Laserschutzkabine. Das Strahlenschutzelement umfasst zumindest ein, wenigstens teilweise flächig ausgebildetes, Grundelement, das zumindest teilweise aus einem organischen Werkstoff besteht. Das Strahlenschutzelement zeichnet sich dadurch aus, dass der Werkstoff mit zumindest einem Zusatzstoff versehen ist. Ferner wird eine Laserschutzkabine zum Schutz vor Laserstrahlung vorgeschlagen, wobei die Laserschutzkabine mehrere Wandungen besitzt und vorgesehen ist, dass wenigstens eine dieser Wandungen und/oder ein Deckenelement der Laserschutzkabine ein erfindungsgemäßes Strahlungsschutzelement umfassen.
DE 20 2008 007 197 U1 hat den Einsatz von Holz als Laserschutz zum Gegenstand. Es wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Lasers vorgeschlagen, welche zumindest eine Lasereinrichtung umfasst, durch welche eine Laserstrahlung erzeugt, übertragen oder angewendet wird, und welche insbesondere unter die Laserschutzbestimmung gemäß DIN EN 60825 und vorzugsweise DIN EN 60825-4 fällt und eine Strahlungsschutzeinrichtung zum Schutz vor austretender Strahlung darstellt. Die Strahlungsschutzeinrichtung umfasst ein Laserstrahlungsschutzelement aus Holz, um die Laserstrahlung der Lasereinrichtung abzuschirmen.
DE 10 2005 034 110 A1 hat eine Laserschutzwand zur Abschirmung eines Laserbereichs zum Gegenstand. Eine Laserschutzwand zur Abschirmung eines Laserbereichs umfasst zwei einen Innenraum begrenzende Wände, von denen eine erste Wand eine Innenwand zum Arbeitsbereich und die zweite Wand eine Außenwand bildet. Im Innenraum sind mindestens ein oder mehrere Sensoren zur Erkennung von Nah-Infrarot-Strahlung angeordnet, die mit einer Auswerte- und Schalteinheit zum Abschalten einer Laserquelle verbunden sind.
Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung werden häufig mit Einhausungen aus Stahl- oder Aluminiumblechen ausgeführt. Mit den steigenden Leistungen bei Laserstrahlquellen hoher Brillanz, so zum Beispiel bei Scheibenlasern mit Laserleistungen bis 12 kW und mehr oder bei Singlemode-Faserlasern mit Laserleistungen bis zu 4 kW und mehr, steigen die Anforderungen an eine lasersichere Einhausung von Lasermaterialbearbeitungsmaschinen drastisch an. Insbesondere mit den bei hoher Brillanz möglichen langen Brennweiten und großen Arbeitsabständen können kleine Fokusdurchmesser im Bereich von 100 µm und weniger in großem Abstand zur Laseroptik (typischerweise 500 mm bis 600 mm) realisiert werden. Die Leistungsdichten im Fokus liegen dabei in der Größenordnung von 10¹² W/m². Dies bedeutet, dass im Abstand von 100 mm zum Fokus Leistungsdichten von 10⁹ W/m² und im Abstand von 1000 mm zum Fokus Leistungsdichten von 10⁷ W/m² auftreten. Es sind für Leistungsdichten von 7.10⁶ W/m² Widerstandszeiten in der Größenordnung von 2 Sekunden für 2 mm dickes Aluminiumblech aus der einschlägigen Literatur bekannt. Für ein Edelstahlblech liegt bei den genannten Leistungsdichten bei einer Dicke von 3 mm die Widerstandszeit in der Größenordnung von 3 Sekunden.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verbundmaterial einer lasersicheren Einhausung oder einer lasersicheren Laserkabine für Lasermaterialbearbeitungsmaschinen vorgeschlagen, wobei dieses Verbundmaterial eine erste Schicht eines metallischen Materials und eine zweite Schicht des metallischen Materials umfasst, zwischen denen ein kohlenstoffbasiertes, organisches Absorbermaterial aufgenommen ist. Das Verbundmaterial vermag aufgrund seines geschichteten Aufbaus an einer Einhausung oder Laserkabine nach einer Perforation der ersten Schicht aus metallischem Material den durchtretenden Laserstrahl an der weiteren zweiten Schicht aus metallischem Material zu reflektieren und in das um ein Vielfaches dickere kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial umzuleiten, ohne dass der fokussierte Laserstrahl auf die Außenseite der Einhausung oder der Laserkabine austritt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise die Widerstandszeit der Einhausung gegenüber einem Laserstrahl um den Faktor 10 bis 30 erhöht werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verbundmaterials sind die erste Schicht und die zweite Schicht bevorzugt als metallisches Blechmaterial ausgebildet, wobei insbesondere Aluminiumbleche, Stahlbleche oder Kupferbleche eingesetzt werden. Durch die glatte Innen- beziehungsweise Außenseite der Einhausung oder der Laserkabine lässt sich durch den Einsatz der genannten Materialien eine leicht zu reinigende Fläche bei geringem Gewicht und relativ niedrigen Kosten ausführen.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials ist die eine Innenseite der Einhausung bildende erste Schicht aus metallischem Material in einer geringeren Schichtdicke ausgeführt als die Schichtdicke der die Außenseite der Einhausung oder Laserkabine bildenden zweiten Schicht aus metallischem Material. Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials kann an der dem kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial zuweisenden Seite der zweiten Schicht eine Aufschmelzung der Oberfläche erreicht werden. Es bildet sich in vorteilhafter Weise an der dem kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial zuweisenden Seite der zweiten Schicht eine muldenartige Vertiefung, die eine Reflektorfunktion darstellt, sodass der Laserstrahl nach der Perforation der ersten Schicht des Verbundmaterials und beim Auftreffen auf die Innenseite der zweiten Schicht in das Absorbermaterial umgelenkt und von diesem absorbiert beziehungsweise dissipiert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials ist das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial beispielsweise durch ein Grobspanplattenmaterial mit flächigen Holzstücken oder einem OSB-Plattenmaterial oder einem MDF-Plattenmaterial gefertigt.
In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundmaterial so beschaffen, dass das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial eine Schichtdicke aufweist, welche die Schichtdicken der ersten und zweiten Schichten des metallischen Materials um ein Vielfaches übersteigt. Dadurch kann eine Verbesserung der Energieaufnahme des energiereichen Laserstrahls im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterial erreicht werden.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials kann dieses eine Schicht aus einem flächig ausgeführten Lasersensor, beispielsweise einem lasersensitiven Textil, umfassen. Das lasersensitive Textil wird in vorteilhafter Weise einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials folgend, im Verbundmaterial hinter der die Innenseite der Einhausung oder Laserkabine bildenden ersten Schicht des metallischem Material angeordnet. Nach Perforation der ersten Schicht des metallischen Materials, trifft der Laserstrahl auf die Einlage aus lasersensitivem Textil im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterial. Dessen Perforation durch den Laserstrahl kann zur Erzeugung eines entsprechenden Warn- oder Abschaltsignals für die Lasermaterialbearbeitungseinrichtung oder -maschine genutzt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials liegt die Schichtdicke des kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterials zwischen 10 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 40 mm und besonders bevorzugt zwischen 18 mm und 25 mm.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterial kann die Schichtdicke der zweiten Schicht des metallischen Materials derart gewählt werden, dass diese durch einen fokussierten Laserstrahl aufschmelzbar ist und beim Aufschmelzen einen den auftreffenden energiereichen Laserstrahl reflektierenden muldenförmigen Reflektor im metallischen Material bildet.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterial ist das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial so beschaffen, dass dieses den am muldenartigen Reflektor der zweiten Schicht des metallischen Materials reflektierten Laserstrahl absorbiert und/oder größtenteils dissipiert, sodass die Energie des energiereichen Laserstrahls abgebaut werden kann und die Umgebung keinen Schaden nimmt.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterial ist dieses insbesondere im Bereich von Ecken oder Durchbrüchen der Einhausung oder der Laserkabine mit Bereichen versehen, in denen Teile der die Innenseite der Laserkabine oder der Einhausung bildenden ersten Schicht des metallischen Materials eine schindelartige Überlappung aufweisen.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verbundmaterials zur Herstellung einer lasersicheren Einhausung oder einer lasersicheren Laserkabine für eine Lasermaterialbearbeitungsmaschine.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise bei Auftreten eines Störungsfalls bei Laserbearbeitungsprozessen, die häufig automatisiert ablaufen, die Dauer bis zum Austritt des energiereichen Laserstrahls aus der Einhausung oder aus der Laserkabine signifikant erhöht werden. Damit kann einerseits der Bedienerschutz verbessert werden sowie die Autonomiezeit der Lasermaterialbearbeitungsmaschine beträchtlich erhöht werden. Idealerweise wird erreicht, dass die Widerstandszeit der Einhausung oder der Laserkabine größer als die Prozessdauer des Lasermaterialbearbeitungsprozesses ist. Es ist jedoch anzustreben, dass die Widerstandszeit gegen den Strahldurchtritt der energiereichen Laserstrahlung so lange ist, bis die Fehlfunktion der Laserbearbeitungsmaschine detektiert worden ist und es zum Abschalten der Lasermaterialbearbeitungsmaschine beziehungsweise der Laserstrahlquelle kommt.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kombination des Verbundmaterials mit mindestens zwei Schichten eines metallischen Materials und einem kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial als Materialverbund lässt sich die Widerstandszeit der Einhausung beziehungsweise der Laserkabine gegenüber einem fokussierten Laserstrahl um den Faktor 10 bis 20 im Vergleich zu üblichen Einhausungen aus 2 mm starken Stahl- oder Aluminiumblechen erhöhen. Gegenüber reinen aus Holz gefertigten Einhausungen oder Laserkabinen bietet eine Aluminiumoberfläche neben der höheren Standzeit auch eine leichtere Reinigungsmöglichkeit sowie eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigungen. Zudem kann bei einer Kombination des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials mit einem lasersensitiven Detektionssystem in Gestalt beispielsweise eines lasersensitiven Textils auch dieses vor Beschädigungen geschützt werden.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann ein Anschmelzen einer Seite der zweiten Schicht des metallischen Materials im Verbundmaterial in vorteilhafter Weise zur Ausbildung eines muldenartigen Reflektors genutzt werden, der den energiereichen Laserstrahl in das um ein Vielfaches dickere kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial umlenkt, sodass die dem Laserstrahl innewohnende Energie durch dieses absorbiert und/oder dissipiert werden kann.
Figurenliste
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.
Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch einen Wandabschnitt einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen lasersicheren Einhausung oder lasersicheren Laserkabine, wobei der Wandabschnitt das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundmaterial umfasst,
2 eine Darstellung eines Eckenbereichs der lasersicheren Einhausung oder der lasersicheren Laserkabine mit schindelartiger Überlappung und
3 eine perspektivische Ansicht eines Schichtaufbaus einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundmaterial 20, aus welchem ein Wandabschnitt 12 einer lasersicheren Einhausung 10 oder einer lasersicheren Laserkabine 14 gefertigt ist. Eine Innenseite der lasersicheren Einhausung 10 oder der lasersicheren Laserkabine 14 ist durch Bezugszeichen 16 bezeichnet, deren Außenseite durch Bezugszeichen 18 identifiziert.
Aus der Schnittdarstellung des Wandabschnitts 12 gemäß 1 geht hervor, dass das Verbundmaterial 20 eine erste Schicht 22 eines metallischen Materials 24 umfasst, die in einer Schichtdicke 26 ausgeführt ist. Des Weiteren umfasst das Verbundmaterial 20 eine zweite Schicht 34 des metallischen Materials 24, die in einer Schichtdicke 36 ausgeführt ist. Zwischen der ersten Schicht 22 des metallischen Materials 24 und der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 befindet sich ein kohlenstoffbasiertes, organisches Absorbermaterial 28. Das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial 28 ist in einer Schichtdicke 32 ausgeführt, welche die Schichtdicken 26, 36 der ersten Schicht 22 des metallischen Materials 24 sowie der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 um ein Vielfaches übertrifft.
Die erste Schicht 22 sowie die zweite Schicht 34 des metallischen Materials 24 können beispielsweise als gewalztes Blechmaterial, so zum Beispiel als Aluminiumbleche, Stahlbleche oder Kupferbleche ausgeführt sein. Das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial 28 kann beispielsweise als ein Grobspanplattenmaterial 30, als ein OSB-Plattenmaterial oder als ein MDF-Plattenmaterial mit großflächigen Holzstücken ausgeführt sein.
Innerhalb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials 20 gemäß der Schnittdarstellung in 1 liegt die Schichtdicke 26 der ersten Schicht 22 des metallischen Materials 24 in der Größenordnung von 1 mm und die Schichtdicke 36 der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 in der Größenordnung von 3 mm und dicker, während die Schichtdicke 32 des kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterials 28 im Bereich zwischen 10 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 40 mm und besonders bevorzugt zwischen 18 mm und 25 mm liegt.
Sinn und Zweck der lasersicheren Einhausung 10 beziehungsweise der lasersicheren Laserkabine 14 ist es, einen Austritt eines Laserstrahls 38 durch das Verbundmaterial 20 auf die Außenseite 18 zu verhindern, um Bediener zu schützen und das Auftreten von Schäden zu vermeiden. Trifft ein energiereicher fokussierter Laserstrahl 38 an der Innenseite 16 auf die erste Schicht 22 des metallischen Materials 24 auf, so kommt es zu einer Perforation 40 der ersten Schicht 22 des metallischen Materials 24 an der Auftreffstelle des fokussierten Laserstrahls 38. Es wird nicht nur in der ersten Schicht 22 des metallischen Materials 24 eine Perforation 40 erzeugt, sondern auch im sich an diese anschließenden kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial 28. Der fokussierte Laserstrahl 38 trifft auf die Innenseite der in der Schichtdicke 36 ausgebildeten zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 auf. Aufgrund der Energie, die dem hier auftreffenden fokussierten Laserstrahl 38 noch innewohnt, kommt es an der dem kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial 28 zuweisenden Seite der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 zur Ausbildung eines angeschmolzenen Bereichs 44. Hier ist ein kleiner Teil der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 angeschmolzen, welches jedoch nicht verfließt. Im angeschmolzenen Bereich 44 kommt es zur Ausbildung einer Mulde 46, die an dieser Stelle einen muldenförmig vertieften Reflektor 48 bildet. Gemäß der Darstellung in 1 wird ein reflektierter Laserstrahl 50 - entsprechend der konkaven Geometrie des muldenförmigen Reflektors 48 - in das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial 28 reflektiert. Dies ist in der Schnittdarstellung gemäß 1 durch eine Strichpunktierung angedeutet. Der am muldenförmigen Reflektor 48 umgelenkte reflektierte Laserstrahl 50 dissipiert in das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial 28. Durch die zweite Schicht 34 des metallischen Materials 24, die bevorzugt in einer Schichtdicke 36 zwischen 2 mm und 3 mm ausgebildet wird, ist ein Strahlaustritt des fokussierten Laserstrahls 38 auf die Außenseite 18 verhindert.
Aufgrund der Umlenkung des reflektierten Laserstrahls 50 am muldenartigen Reflektor 48 an der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24, entsteht im kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial 28 ein Absorptionsbereich 52 oder Dissipationsbereich 54, in den die Energie des reflektierten Laserstrahls 50 dissipiert wird und innerhalb dessen die Temperatur ansteigt.
Durch das vorgeschlagene Verbundmaterial 20 kann gemäß 1 eine Kombination geeigneter Schichtdicken 26, 32, 36 von zum Beispiel Aluminiumblechen und kohlenstoffbasiertem, organischem Absorbermaterial 28, insbesondere Holzplatten, erreicht werden, sodass auftreffende Laserstrahlung am Aluminiumblech an der dem Laserstrahl 38 zugewandten Seite des Verbundmaterials 20 teilweise reflektiert und teilweise absorbiert werden kann. Die absorbierte Laserstrahlung wird aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumblechs an der Innenseite 16 schnell über eine große Fläche abgeleitet. Bei höheren Intensitäten wird das Aluminiumblech auf der dem fokussierten Laserstrahl 38 zugewandten Seite des Verbundmaterials 20 aufgeschmolzen. Die Schichtdicke 26 der ersten metallischen Schicht 22 beziehungsweise die Wandstärke des Aluminiumblechs ist dabei so zu wählen, dass das Aluminiumblech durchdrungen und insbesondere ein stetes Nachfließen neu aufgeschmolzenen Materials vermieden wird. Daher liegt die Schichtdicke 26 der Aluminiumbleche, Stahlbleche oder Kupferbleche in der Größenordnung von 1 mm.
Wie vorstehend in Zusammenhang mit 1 erklärt, kann bei einer Wandstärke beziehungsweise Schichtdicke 36 der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24, ausgeführt als ein Aluminiumblech, als Stahlblech oder als Kupferblech, nachfließendes Material einen konvexen Bereich im unteren Teil einer angeschmolzenen metallischen Schicht 42 den angeschmolzenen Bereich 44 bilden, der die auftreffende Laserstrahlung des fokussierten Laserstrahls 38 durch die hochreflektive konkave Oberfläche der Aluminiumschmelze unkontrolliert und beliebig fokussiert in den durch die Einhausung 10 umschlossenen Raum zurückwirft. Dieser Effekt wird an der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 des Verbundmaterials 20 genutzt, um einen muldenartigen Reflektor 48 auszubilden. Der auftreffende, fokussierte, energiereiche Laserstrahl 38 führt zum Aufschmelzen der Oberfläche der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 und zur Ausbildung des erwähnten angeschmolzenen Bereichs 44. Dadurch wird ein Strahldurchtritt durch das metallische Material 24 auf die Außenseite 18 der lasersicheren Einhausung 10 beziehungsweise der lasersicheren Laserkabine 14 vermieden, und damit der Bereich außerhalb der lasersicheren Einhausung 10 beziehungsweise der lasersicheren Laserkabine 14 geschützt.
Bei dem im Verbundmaterial 20 eingesetzten kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial 28 kann es sich beispielsweise um eine Grobspanplatte 30 handeln, wozu bestehende Produkte wie zum Beispiel einer definierten Feuerwiderstandsklasse Verwendung finden können. Je höher die Schichtdicke 32 des kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterials 28 gewählt wird, desto höher ist die Widerstandsfähigkeit gegen Strahldurchtritt. Zur Durchdringung des kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterials 28 ist der im Material vorliegende Kohlenstoff zu sublimieren. Die dazu erforderliche Energiemenge ist jedoch um ein Vielfaches höher als die zum Aufschmelzen des Aluminiumblechs, als welches die zweite Schicht 34 des metallischen Materials 24 vorzugsweise ausgebildet ist, oder anderer Metalle. Dies wiederum führt zu einer hohen Energieaufnahme innerhalb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials 20 und lässt die Schutzwirkung erst entstehen. Bei großen Strahldurchmessern, vorzugsweise ab 20 mm, ist die Energieaufnahme des kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterials 28 so ausgeprägt, dass die Laserstrahlung gar nicht mehr nur punktuell bis zur zweiten metallischen Schicht 34 durchdringt.
Je länger der Strahlweg des reflektierenden Laserstrahls 50 durch das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial 28 gestaltet werden kann, eine desto höhere Widerstandsfähigkeit lässt sich erreichen. Dies bedeutet, je weiter der Auftreffwinkel des energiereichen Laserstrahls 38 vom Lot zur Oberfläche des Verbundmaterials 20 abweicht, eine desto höhere Schutzwirkung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials 20 lässt sich erzielen.
Die Reflektorfunktion der zweiten Schicht 34 ergibt sich bei dicken Blechen mit einer Schichtdicke 36 ab 3 mm und geringen Strahldurchmessern des Laserstrahls 38, die in der Größenordnung zwischen 80 µm bis 2 mm, da bei einem punktförmigen Energieeintrag die Wärme strahlenförmig in alle Richtungen abgeleitet werden kann. Durch die geeignete Kombination der Wandstärke der zweiten Schicht 34 und der auslegungsgemäßen maximalen Leistungsdichte des einfallenden Laserstahls wird eine Perforation 40 der zweiten Schicht 34 vermieden, die Ausbildung einer dünnen, hochreflektierenden Schmelzschicht aber ermöglicht.
Der dem erfindungsgemäßen Prinzip zugrundeliegende Reflexionsvorgang erfolgt an der Oberfläche dieser Schmelzschicht. Die Schmelze, die sich gegebenenfalls gravitationsgetrieben in einer „Nase“ am unteren Ende des bestrahlten Bereiches sammelt, kann dabei eine konkave Ausformung bilden, die gegebenenfalls eine zusätzliche Fokussierung des reflektierten Laserstrahles 50 bewirkt. An der Innenseite 16 der Einhausung 10 beziehungsweise der Laserkabine 14 erfolgt der Eintritt des Laserstrahls 38 in die relativ dünn ausgebildete erste Schicht 22 des metallischen Materials 24 zur Schaffung einer glatten und reinigbaren Oberfläche. Der Austritt des Laserstrahls 38 auf der Außenseite 18 der Einhausung 10 beziehungsweise der Laserkabine 14 wird durch die relativ dicke zweite Schicht 34 des metallischen Materials 24 als Reflektor 48 des Laserstrahls 38 im Fokusbereich (in der Strahltaille) vermieden. Die reflektierte Strahlung wird vom kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial 28 geschluckt und vagabundiert damit nicht durch die Einhausung 10 beziehungsweise die Laserkabine 14.
Der Darstellung gemäß 2 ist eine Ecke der lasersicheren Einhausung 10 beziehungsweise der lasersicheren Laserkabine 14 zu entnehmen. Die Ecke ist so beschaffen, dass innerhalb der Ecke eine schindelartige Überlappung 56 der lasersicheren Einhausung 10 beziehungsweise der lasersicheren Laserkabine 14, ausgeführt wird. Dadurch kann dem Erfordernis Rechnung getragen werden, dass sämtliche Bereiche, in denen ein fokussierter Laserstrahl 38 auftreffen kann, entsprechend des obenstehend Beschriebenen ohne Reduktion der Wandstärke der Schichtdicke 32 des kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterials 28 ausgeführt sind.
Der Darstellung gemäß 2 ist ein Bereich mit einer schindelartigen Überlappung 56 zu entnehmen, an dem ein erster Verbundaufbau 64 und ein zweiter Verbundaufbau 66 aneinander grenzen. Der erste Verbundaufbau 64 stellt beispielsweise eine Türzargenverkleidung dar, während der zweite Verbundaufbau 66 beispielsweise durch eine Anlagen-Tür gegeben sein kann. Zwischen den beiden Verbundaufbauten 64, 66 ergibt sich der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend ein Bereich mit einer schindelartigen Überlappung 56 der einzelnen Schichten 22, 34 der aneinander grenzenden Verbundaufbauten 64, 66.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials 20. Das Verbundmaterial 20 umfasst in der in 3 dargestellten Ausführungsvariante die erste Schicht 22 des metallischen Materials 24, zum Beispiel des Aluminiumblechs, ein lasersensitives Textil 60 als Laserschutzgewebe sowie das dahinter angeordnete kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial 28. Das Verbundmaterial 20 gemäß der teilweisen Schnittdarstellung nach 3 wird durch die zweite Schicht 34 des metallischen Materials 24, beispielsweise ebenfalls gestaltet als ein Aluminiumblech, komplettiert.
Zur Erhöhung der Autonomiezeit beziehungsweise zum Zeitgewinn für Bediener in der Umgebung der lasersicheren Einhausung 10 beziehungsweise der lasersicheren Laserkabine 14 unter Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials 20 kann neben der Schaffung der passiven Sicherheit - wie oben dargestellt - auch die aktive Rückmeldung einer Fehlfunktion, die im Falle des Auftretens von schädigender Laserstrahlung auf die lasersichere Einhausung 10 beziehungsweise die lasersichere Laserkabine 14 offensichtlich vorliegt, erfolgen. Dazu kann beispielsweise im Aufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterials 20 eine Schicht des lasersensitiven Textils 60 wie in 3 dargestellt eingelegt werden. Das lasersensitive Textil 60 ist dabei vorzugsweise zwischen dem Aluminiumblech und dem kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial 28 angebracht. Das Aluminiumblech, welches der Innenseite 16 der lasersicheren Einhausung 10 beziehungsweise der lasersicheren Laserkabine 14 zuweist, dient zusätzlich als Schutz des lasersensitiven Textils 60 vor Beschädigung. Alternativ ist sicherzustellen, dass die passive Sicherheit ausreicht, um ein mehrfaches Auftreten einer Fehlfunktion bis zu einem daraus resultierenden Bedienereingriff überdauern zu können. Anstelle der Aluminiumbleche können auch andere Materialien so zum Beispiel Kupfer oder Stahl eingesetzt werden. Die Schutzwirkung hängt vom verwendeten Material ab. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundmaterial 20 kann mit der zweiten Schicht 34 des metallischen Materials 24 in geeigneter Schichtdicke 36 ausgeführt werden, sodass ein dicker ausgebildetes Aluminiumblech, beispielsweise als Reflektor 48 für Laserstrahlen 38 im Fokusbereich, d. h. in der Taille des Laserstrahls 38, dient, und der reflektierte Laserstrahl 50 vom kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterial 28 in Gestalt der Spanplatte 30 geschluckt wird, sodass das Auftreten eines vagabundierenden Laserstrahls durch die lasersichere Einhausung 10 beziehungsweise die lasersichere Laserkabine 14 verhindert werden kann. Hinsichtlich des Verbundmaterials 20 können die in diesem verwendeten Materialien an die Gesamtanforderungen für bestimmte Laseranwendungen bestimmter Leistungsklasse und lokalen Anforderung je nach Fokussierung im erreichbaren Bearbeitungsbereich und Abständen und Winkeln zur Einhausung 10 beziehungsweise zur Laserkabine 14 angepasst werden. Durch einen paketartigen Aufbau des Verbundmaterials 20 unter Einschluss einer Schicht eines lasersensitiven Textils 60 im Verbundmaterial 20 kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaterial 20 nicht nur die passive Sicherheit erhöht werden, sondern auch eine aktive Rückmeldung einer aufgetretenen Fehlfunktion zeitnah übermittelt werden, sodass geeignete Abhilfemaßnahmen umgehend eingeleitet werden können.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundmaterial 20 wird zur Herstellung der lasersicheren Einhausung 10 oder der lasersicheren Laserkabine 14 benötigt. Die lasersichere Einhausung 10 beziehungsweise die lasersichere Kabine 14 wird anschließend als Teil einer Lasermaterialbearbeitungsmaschine, diese kapselnd, eingesetzt. Dadurch können Lasermaterialbearbeitungsmaschinen wesentlich sicherer betrieben werden, da ein unkontrollierter Austritt eines Laserstrahls durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundmaterial 20 wirksam unterdrückt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013108129 A1 [0002]
DE 202008007197 U1 [0003]
DE 102005034110 A1 [0004]

Claims

Verbundmaterial (20) einer lasersicheren Einhausung (10) für Lasermaterialbearbeitungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial (20) eine erste Schicht (22) eines metallischen Materials (24) und eine zweite Schicht (34) des metallischen Material (24) umfasst, zwischen denen ein kohlenstoffbasiertes, organisches Absorbermaterial (28) aufgenommen ist.
Verbundmaterial (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (22) und die zweite Schicht (34) als metallisches Material (24) insbesondere als Aluminiumbleche, als Stahlbleche oder als Kupferbleche ausgebildet sind.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Innenseite (16) der Einhausung (10) bildende erste Schicht (22) in einer geringeren Schichtdicke (26) ausgebildet ist, als eine Schichtdicke (36) der eine Außenseite (18) der Einhausung (10) bildenden zweiten Schicht (34).
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial (28) ein Grobspanplattenmaterial (30), ein OSB-Plattenmaterial oder ein MDF-Plattenmaterial ist.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial (28) eine Schichtdicke (32) aufweist, welche die Schichtdicken (26, 36) der ersten und zweiten Schichten (22, 34) des metallischen Materials (24) um ein Vielfaches übersteigt.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Schicht eines lasersensitiven Textils (60) umfasst.
Verbundmaterial (20) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des lasersensitiven Textils (60) im Verbundmaterial (20) hinter der die Innenseite (16) der Einhausung (10) bildenden ersten Schicht (22) des metallischen Materials (24) angeordnet ist.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (26) der ersten Schicht (22) in der Größenordnung von 1 mm und die Schichtdicke (36) der zweiten Schicht (34) des metallischen Materials (24) in der Größenordnung von mindestens 3 mm liegt.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (32) des kohlenstoffbasierten, organischen Absorbermaterials (28) zwischen 10 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 40 mm und besonders bevorzugt zwischen 18 mm und 25 mm liegt.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (36) der zweiten Schicht (34) derart gewählt ist, dass diese durch einen Laserstrahl (38) aufschmelzbar ist und einen diesen reflektierenden muldenförmigen Reflektor (48) ausbildet.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffbasierte, organische Absorbermaterial (28) den an dem muldenartigen Reflektor (48) der zweiten Schicht (34) reflektierten Laserstrahl (50) absorbiert und/oder dissipiert.
Verbundmaterial (20) gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Bereich von Ecken der Einhausung (10) Bereiche aufweist, in denen Teile der ersten Schicht (22) eine schindelartige Überlappung (56) aufweisen.
Lasermaterialbearbeitungsmaschine mit einer lasersicheren Einhausung (10), gefertigt aus dem Verbundmaterial (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Lasermaterialbearbeitungsmaschine mit einer lasersicheren Laserkabine (14), gefertigt aus dem Verbundmaterial (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verwendung des Verbundmaterials (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung einer lasersicheren Einhausung (10) oder einer lasersicheren Laserkabine (14) für eine Lasermaterialbearbeitungsmaschine.