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Ceramoptec

Spezialfasern unterstützen automatische Systemabschaltung

| Autor / Redakteur: Holger Bäuerle / Frauke Finus

Grundsätzlich kann jede Faser als Safety Fiber gefertigt werden und auch gezielte Anpassungen an die Prozesskonfiguration sind möglich.
Grundsätzlich kann jede Faser als Safety Fiber gefertigt werden und auch gezielte Anpassungen an die Prozesskonfiguration sind möglich. (Bild: Ceramoptec)

Bei Hochleistungslasern kann schon bloße Streustrahlung schwerste Gesundheitsschäden verursachen. Entsprechend streng sind die Arbeitsschutzvorschriften. Ihre Umsetzung wird durch Spezialfasern vereinfacht, die eine automatische Laserabschaltung unterstützen.

Ob Schweißen oder Schneiden, Beschichten oder 3D-Druck, Härten oder Entfestigen – viele klassische Prozesse der industriellen Metallbearbeitung werden heute unter Einsatz von Hochleistungslasern durchgeführt. Sie ermöglichen oft eine genauere und schnellere Prozessführung als zuvor genutzte Technologien und können inzwischen auch in puncto Energieeffizienz überzeugen. Um die Vorteile der Technik optimal nutzen zu können, sollten Anwender freilich auch Sicherheitsfragen nicht vernachlässigen. Hochleistungslaser, die in der Metallbearbeitung eingesetzt werden, agieren oft im Multikilowattbereich, mindestens aber mit dreistelligen Wattleistungen. Aufgrund dieser Leistungsparameter gehören sie nach DIN EN 60825-1 (2015) der Laserklasse 4 an und zählen damit zu den Lasern mit dem höchsten Gefahrenpotenzial. Schon bloße Streustrahlung kann beim Menschen schwerste Gesundheitsschäden verursachen. Neben Hautverbrennungen mit möglichen Krebsfolgen drohen vor allem Augenverletzungen. Sie machten speziell in den Anfängen der industriellen Lasernutzung mehr als zwei Drittel aller Unfallschäden aus und stellen bis heute die größte Gefahr dar. Tatsächlich lässt eine ungefilterte hochintensive Bestrahlung der Netzhaut einen Menschen binnen kürzester Zeit unumkehrbar erblinden. Das Risiko ist hier auch deshalb besonders hoch, weil die meisten Industrielaser im Infrarotbereich angesiedelt sind und das menschliche Auge die Strahlung nicht direkt wahrnehmen kann. Während Schweißblitze ein sofortiges Augenschließen und Abwenden auslösen, geschieht bei Lasern zumeist nichts dergleichen. Die Einwirkung einer Streustrahlung wird oft erst indirekt und mit Verzögerung bemerkt – durch Schmerzen und nachlassende Sehkraft. In nicht wenigen Fällen ist es dann bereits zu spät.

Strenge Vorschriften zur Gefahrenprävention

Aufgrund dieser enormen Gesundheitsgefahren ist die Nutzung der Lasertechnik heute in vielen Industrieländern an strenge Präventionsauflagen gebunden. In Deutschland ist hier die „Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung“ (OStrV) maßgeblich, die seit 2010 in Kraft ist. Sie verlangt neben der Einhaltung verbindlicher Expositionsgrenzwerte und dem Tragen von Schutzkleidung unter anderem auch Sicherungsmaßnahmen an den Strahlquellen und Laseranlagen selbst. Im Fokus steht dabei vor allem die Streustrahlung. Sie ist im Prozessalltag besonders tückisch, da sie oftmals unvorhergesehen austritt und dadurch einen überwiegend unkalkulierbaren Risikofaktor darstellt. Ein typische Ursache solcher Strahlungsaustritte sind Faserbrüche oder Lösungen der Faser von der Strahlquelle. Die meisten industrietypischen Hochleistungslaser sind heute fasergekoppelt – die Strahlung wird also über ein Glasfaserkabel von der Strahlquelle zum Bearbeitungskopf geführt, der sich oft auf einem Roboterarm befindet. Im Zuge der Materialbearbeitung müssen die Fasern dann je nach Prozessablauf oft zahlreiche Bewegungen nachvollziehen und Drehungen oder ruckartige Richtungswechsel tolerieren. Die permanenten Zug- und Biegekräfte, die dabei auf die Fasern einwirken, können auf lange Sicht zum Kabelbruch durch Materialermüdung oder zur Ablösung des Kabels von der Strahlquelle führen.

Um in dieser kritischen Situation einen Austritt von Streustrahlung zu vermeiden, müsste der Laser augenblicklich abgeschaltet werden, idealerweise durch automatischen Shutdown im Moment des Kabelbruchs. Solche Automatiken waren jedoch bisher nicht immer verfügbar oder wurden nur mit zeitlicher Verzögerung aktiv. In vielen Fällen musste das Lasersystem manuell abgeschaltet werden, sobald der Schaden bemerkt wurde. Da dies nicht immer sofort der Fall war, blieb stets ein Zeitfenster, innerhalb dessen Streustrahlung unentdeckt austreten konnte. Nicht wenige der dokumentierten Strahlenunfälle dürften auf genau solche Phasen zurückgehen.

Automatische Stromkreisunterbrechung

Durch eine spezielle Faserkonfiguration von Ceramoptec wird jedoch mittlerweile eine automatische Anlagenabschaltung im Schadensfall vereinfacht. Der Glasfaserspezialist hat mit den sogenannten Safety Fibers eine Lösung entwickelt, die eine Einbindung des Lichtleitkabels in den Stromkreis des Lasersystems unterstützt. Hierzu wurden in das Polyamidjacket des Lichtleiters zwei hauchdünne Kupferdrahtleiter integriert, über die sich eine elektrische Verbindung zwischen Kabel und Strahlquelle herstellen lässt. Der Clou: Bei Kabelbruch wird auch der Kupferdraht zerstört und so der Stromkreis des Lasersystems unterbrochen; es kommt binnen Millisekunden zur automatischen Abschaltung der Strahlquelle. Derselbe Effekt tritt bei einer Ablösung des Kabels von der Strahlquelle ein.

Für den Arbeitsschutz bedeutet diese Konfiguration einen wichtigen Fortschritt. Ein Austritt von Streustrahlung wird konsequent unterbunden, sodass die Anwender quasi nebenher alle gesetzlichen Vorschriften zur technischen Sicherung der Strahlquellen erfüllen. Ein weiterer großer Vorteil des Konzepts: Es ist nicht an bestimmte Fasertypen gebunden. Da die beiden Kupferdrahtleiter erst nach dem Faserziehprozess gemeinsam mit dem Polyamidjacket aufgebracht werden, kann Ceramoptec grundsätzlich jede Faser als Safety Fiber fertigen. Auch gezielte Anpassungen an die Prozesskonfiguration sind möglich: Die Kupferdrahtleiter sind standardmäßig mit Querschnitten von 50, 100 und 150 μm sowie in kundenindividuellen Ausführungen verfügbar und decken dadurch alle Biegeradien und Temperaturzonen ab. Bei besonders kritischen Anwendungen sind auch ausgefallene Querschnitte sowie spezielle Drahtlegierungen möglich. Für die Ermittlung der optimalen Faserlösung bietet Ceramoptec umfassende Beratung sowie ausführliche Testläufe am Produktionsstandort in Livani/Lettland an.

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