Lasertechnik Für jede Laseranlage das passende Sicherheitssystem

Autor / Redakteur: Florian Lugauer und andere / Mag. Victoria Sonnenberg

Teil 2: Die Auslegung und die Auswahl von Sicherheitseinrichtungen für Lasermaterialbearbeitungsanlagen stellen sich oftmals als schwierig, unsicher und langwierig dar. Forscher des iwb beschäftigen sich damit, Herstellern und Anwendern individuelle und tragfähige Sicherheitskonzepte zur Verfügung zu stellen.

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Bild 1: Probe einer Laserschutzwand aus drei Stahlplatten in den Dicken 1,5 mm, 1,5 mm und 3 mm im Abstand von jeweils 100 mm. Die beiden ersten Platten sind geschwärzt. Bei einer Bestrahlung mit 5 kW auf einer kreisrunden Fläche mit dem Durchmesser 90 mm betrug die Standzeit lediglich etwa 30 s.
Bild 1: Probe einer Laserschutzwand aus drei Stahlplatten in den Dicken 1,5 mm, 1,5 mm und 3 mm im Abstand von jeweils 100 mm. Die beiden ersten Platten sind geschwärzt. Bei einer Bestrahlung mit 5 kW auf einer kreisrunden Fläche mit dem Durchmesser 90 mm betrug die Standzeit lediglich etwa 30 s.
(Bild: iwb)

Das Hauptziel der derzeitigen Forschung im Bereich Lasersicherheit am iwb ist es, Hersteller und Anwender in die Lage zu versetzen, die geeignete Sicherheitstechnik für ihre individuellen Bedürfnisse und Gegebenheiten auszuwählen, und dafür tragfähige Sicherheitskonzepte zur Verfügung zu stellen. Jede Laseranlage soll auf ökonomische Weise genau das Sicherheitssystem erhalten, das sie benötigt – nicht mehr und vor allem nicht weniger.

Transparente Rechtsgrundlagen der Lasermaterialbearbeitung

Durch umfangreiche Recherchen konnte die Transparenz im Bereich der rechtlichen Rahmenbedingungen schon deutlich erhöht und die für die Lasermaterialbearbeitung relevanten Rechtsquellen und Richtlinien inklusive deren Zusammenhänge identifiziert werden. Um dem Ziel „Jeder Laseranlage auf ökonomische Weise das optimale Sicherheitssystem“ [1] näher zu kommen, bedarf es zunächst detaillierter Kenntnisse über die Strahl-Stoff-Wechselwirkungen an Laserschutzwänden. Dazu soll zunächst das Prozessverständnis vertieft und dabei die Frage beantwortet werden, von welchen Mechanismen und auf welche Weise die Schutzzeiten und ihre statistische Verteilung an passiven Schutzwänden beeinflusst werden.

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In der Folge wird im Bereich der Anlagensicherheit ein hocheffizientes zentrales Sicherheitssystem umgesetzt. Ein Prototyp dieser Sicherheitseinrichtung soll gemeinsam mit den bereits kommerziell verfügbaren Sicherheitssystemen und den Erkenntnissen aus den Forschungen zum Prozessverständnis Grundlage für weitere Untersuchen sein. Konkret handelt es sich dabei um die Ermittlung der Sicherheit, die ein Gesamtsystem aus aktiven und passiven Komponenten bieten kann und muss. Die bis hierhin gesammelten Erkenntnisse werden sodann genutzt, um in einem dritten Schritt eine Auswahlmethode zu etablieren, die eine schnelle und sichere Auswahl des geeigneten Sicherheitssystems für die individuelle Einsatzsituation ermöglicht (Bild 1).

Um das Prozessverständnis zu vertiefen, werden die physikalischen Vorgänge bei der Strahl-Stoff-Wechselwirkung inklusive deren Einflussparametern sowohl analytisch als auch empirisch untersucht. Aufbauend auf der Arbeit von Braunreuther & Zäh (2011)[2], die ein Vorgehen zur prospektiven Ermittlung der Schutzzeit von metallischen dünnen und senkrecht stehenden Hohlkammerschutzwänden vorschlagen, soll ein erweitertes Modell geschaffen werden. Hierbei werden bisher getroffene Modellvereinfachungen eliminiert. Die bestehende Methode wird weiterentwickelt und auf beliebige Materialien mit einer dreidimensionalen Ausdehnung anwendbar gemacht. Des Weiteren soll die erweiterte Berechnungsmethode auch bei einer nicht-orthogonalen Anordnung und einer freien Strahlgeometrie einsetzbar sein und Schutzzeiten von Wänden, die nicht senkrecht stehen, vorhersagen können. Darüber hinaus sollen auch die Konvektion und die atmosphärische Absorption berücksichtigt werden. Parallel dazu wird im Rahmen des Forschungsvorhabens „Palasi - Passive Lasersicherheit für Hochleistungslaser im industriellen Einsatz“ ein mobiler Prüfstand für passive Laserschutzwände (siehe Bild 2) aufgebaut. Dieser erlaubt normgerechte Untersuchungen von passiven Laserschutzwänden gemäß des Anhangs D der DIN EN 60825-4 (Sicherheit von Lasereinrichtungen). Zu diesem Zweck ist er in Teleskopbauweise ausgeführt und verfügt neben der eigentlichen Prüfeinrichtung auch über eine Kamera, eine Absauganlage und ein Partikelmessgerät.

Systematische Versuchsplanung mit modularem Prüfstand

Mit dem Prüfstand werden im Verlaufe des Projekts Reihenuntersuchungen sowohl an bereits im Einsatz befindlichen Schutzwänden als auch an innovativen Prototypen aus der Forschung durchgeführt. Die Tests werden mithilfe einer systematischen Versuchsplanung ausgearbeitet und zugleich wird die Schutzzeit der jeweiligen Proben mit der gegebenen Realkonfiguration durch das Berechnungsmodell vorhergesagt. So findet eine Validierung der Vorhersage statt und es kann eine Aussage über deren Qualität getroffen und die Methode gegebenenfalls nochmals überarbeitet werden. Anschließend wird eine Vielzahl von Schutzzeit-Berechnungen durchgeführt, um den Einfluss der einzelnen Parameter zu eruieren.

Die Besonderheit des Prüfstandes besteht vor allem in seiner kompakten Bauweise. Des Weiteren ist das System als Komplettpaket gestaltet, welches alle nötigen Komponenten für eine Schutzwandprüfung – mit Ausnahme der Strahlquelle – enthält und mit einer maßgeschneiderten Software ausgestattet ist. Die Gesamtheit dieser Faktoren ermöglicht es Herstellern und Anwendern, ihre Schutzwandproben im eigenen Haus oder, wo auch immer Bedarf besteht, mit der vor Ort vorhandenen Strahlquelle normgerecht zu prüfen. Braunreuther (2012) [3] schlug – im Gegensatz zu den derzeit kommerziell erhältlichen Systemen – ein zentrales aktives Lasersicherheitssystem vor (siehe Bild 3). Es beruht auf automatischer Bildverarbeitung und seine Effektivität beim Einsatz mit Festoptiken konnte durch ein Funktionsmodell, welches auf der Laser World of Photonics 2013 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde, bereits unter Beweis gestellt werden. Dem Sicherheitssystem werden dabei die Koordinaten des Tool Center Points (TCP), also des gewählten Arbeitspunktes, vom Roboter übermittelt. Dieser erhält die Koordinaten des TCP entweder durch eine manuelle Eingabe oder durch ein Programm beziehungsweise durch Berechnung. Die Sicherheitseinrichtung, deren Kamera sich an einer festen Position relativ zur Optik befindet, berechnet dann über eine Triangulation die Position auf dem Chip ihrer Kamera, an dem sich der Brennfleck abbilden müsste. Zusätzlich wird das Status der Strahlquelle an das Sicherheitssystem weitergeleitet. Liegt ein Emissionssignal an und der Brennfleck bildet sich nicht am vorausberechneten Ort ab, so wird die Anlage über den Not-Aus-Kreis abgeschaltet. Zusätzlich verfügt die Sicherheitseinrichtung über die Möglichkeit einen Arbeitsraum zu definieren und sobald sich die TCP-Koordinaten, die vom Roboter übermittelt werden, außerhalb dieses Bereiches befinden, erfolgt ebenfalls eine Abschaltung. Für den Einsatz bei Ablenkoptiken ist dieses System zu ergänzen, da dann keine feste geometrische Beziehung mehr zwischen TCP und Kamera herrscht. Es muss von daher um eine Kamera erweitert werden und das Auftreffen des TCP wird auf Basis der Informationen von Roboter, Scanner-Optik und Epipolargeometrie berechnet.

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