Wie wird die Sicherheit bei einer Laserbearbeitungsmaschine gewährleistet?
Eine Übersicht der wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen rund um eine Laseranlage
Esther Silberkuhl | 15. Januar 2024 ᛫ 10 Min.
Gefährdungen in der laserMikrobearbeitung
UKP-Laserbearbeitungsmaschinen sind äußerst leistungsfähige Werkzeuge für die Mikromaterialbearbeitung und werden in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt, wie z.B. in der Werkzeugtechnik und Metallverarbeitung, der Medizintechnik oder der Elektronikindustrie. Die meist deutlichen Qualitätsvorteile der UKP-Laserbearbeitung gegenüber etablierten Bearbeitungsverfahren und auch bekannten Laserverfahren sind der wesentliche Grund für einen Wechsel zu dieser Technologie. Allerdings birgt diese Technologie auch ihre sicherheitstechnischen Herausforderungen mit sich. Mögliche Gefährdungen bei der Mikrobearbeitung mit UKP-Laserbearbeitungsmaschinen entstehen durch
- Laserstrahlung
- Röntgenstrahlung
- Elektrische Quellen
- Feinstaub
Um die Gefährdungen zu minimieren, sind verschiedene Sicherheits- und Schutzmaßnahmen an den Anlagen und die Unterweisung des Bedienpersonals vorgesehen. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Einblick in die Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von UKP-Laserbearbeitungsmaschinen, mit einem Fokus auf den Pulsar-Anlagen. Ob Sie eine Übersicht darüber suchen, wie bei Pulsar Sicherheit gewährleistet wird oder allgemeine Maßnahmen zur Risikominimierung erfahren möchten – dieser Artikel bietet Ihnen wichtige Einblicke, um die sichere Nutzung von Laserbearbeitungsmaschinen zu verstehen.
Gefährdung durch Laserstrahlung
Ein Laser zeichnet sich dadurch aus, dass die von ihm abgegebene Strahlung gerichtet und kohärent und von hoher Intensität ist (kohärent bedeutet, dass die Strahlen in gleicher Wellenlänge und in gleichen Phasen zueinanderstehen). Zur Klassifizierung von Lasern werden verschiedene Laserklassen verwendet. Die Laseranlagen von Pulsar Photonics haben in geschlossenem Zustand die Laserschutzklasse 1. Diese Klassen spiegeln die potenziellen Gefahren für die Sicherheit und Gesundheit von Personen wider. Je nach Art der Laserstrahlung, Wellenlänge, Dauer der Exposition, Strahlungsintensität und Leistung werden die Klassen 1 bis 4 vergeben. Die in den UKP Laserbearbeitungsmaschinen verwendeten Laser bei Pulsar gehören in der Regel zu Laserklasse 4 und bergen somit das höchste Gefahrenpotential. In dieser Laserklasse sind der Strahl, aber auch Reflexionen des Strahls sowie Streustrahlung haut- und augengefährdend
Beispiel: Wie bei Pulsar die Sicherheit gewährleistet wird
Im Regelbetrieb sind die Anlagen von Pulsar der Laserklasse 1 zuzuordnen. Die Laserstrahlung wird innerhalb der Anlage bis zum Bearbeitungsbereich gekapselt und die Umhausung mit Stahlblech des Gehäuses bietet einen zusätzlichen Schutz für den Bediener. Durch ein Laserschutzfenster, das für die Wellenlänge des Lasers ausgelegt ist, kann der Prozess ohne eine Gefährdung für das Bedienpersonal beobachtet werden. Es muss ein Schalter zur Laserfreigabe betätigt werden, um die Stromversorgung des Lasers zu aktivieren. Der Laser ist also nicht sofort emissionsbereit. Zusätzlich sind am Laserausgang an jeder unserer Anlagen Shutter verbaut. Shutter sind spezielle Sicherheitsbauteile, welche die Laserstrahlung nur während der Bearbeitung passieren lassen. Im Regelbetrieb werden zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen abgefragt, bevor die Laserstrahlung freigegeben wird. So muss beispielsweise die Türe erst geschlossen und verriegelt werden, bevor der Laser Strahlung emittieren kann. Ein Unterbrechen des Türsignals führt zu einem sofortigen Stopp der Laseremission und zu einem Schließen der Shutter.
Soll die Anlage mit geöffneten Türen oder Serviceklappen betrieben werden, beispielsweise bei Wartungsarbeiten, sind weitere Sicherheitsmaßnahmen zu treffen. Das Betreiben der Anlage in diesem Zustand bezeichnen wir bei Pulsar als Servicemodus. In diesem Modus können die Sicherheitseinrichtungen manuell deaktiviert werden. Um in diesen Modus zu gelangen, benötigt der Bediener einen Schlüssel. Jegliches Personal, welches im Servicemodus arbeitet, sollte entsprechend geschult sein. Zum Schutz des Personals ist im Servicemodus eine Schutzausrüstung erforderlich. Dazu gehören persönliche Schutzausrüstungen, wie z.B. auf die Wellenlänge abgestimmte Laserschutzbrillen, das Aufstellen von Laserschutzwänden oder das Anbringen von Warnschildern, dass der unmittelbare Bereich um die Anlage ohne Schutzausrüstung zu meiden ist.
Gefährdung durch Röntgenstrahlung
Beim Einsatz von UKP Lasern kann beim Materialabtrag Röntgenstrahlung entstehen.
Daher besteht für bestimmte UKP-Laserbearbeitungsanlagen für eine Anzeige- bzw. Genehmigungspflicht. Dieser Anzeigepflicht unterliegen alle Anlagen, in denen nach §2 Abs. 3 Satz 1 der Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung auf Material ionisierende Strahlung erzeugt werden kann, wenn
- die Bestrahlungsstärke der Laserstrahlung 1×1013 Watt pro Quadratzentimeter überschreitet UND
- die Ortsdosisleistung in 0,1 Meter Abstand von der berührbaren Oberfläche 1 Mikrosievert pro Stunde überschreitet.
Die Röntgenstrahlung entsteht somit nicht bei jedem UKP Laser und ist abhängig von verschiedenen Parametern wie beispielsweise der Laserleistung oder auch dem zu bearbeitenden Material. UKP Laseranlagen müssen daher sicher für den Schutz des Bedieners vor Röntgenstrahlung ausgelegt sein. Ihr Laseranlagenhersteller berät Sie hinsichtlich der Notwendigkeit der Anzeige- bzw. Genehmigungspflicht.
Beispiel: Wie bei Pulsar die Sicherheit bei Röntgenstrahlung gewährleistet wird
Bei Pulsar ist uns die Sicherheit des Bedienpersonals besonders wichtig, daher haben wir verschiedene Maßnahmen zum Schutz vor Röntgenstrahlung ergriffen. So ist das Anlagengehäuse mit überlappenden Kanten versehen. Dadurch wird verhindert, dass Strahlung durch Türöffnungen oder Rillen zwischen den Serviceklappen austreten kann. Bei Anlagen, bei denen aufgrund der Laserparameter theoretisch Röntgenstrahlung auftreten kann, wird zusätzlich zum Laserschutzfenster ein Röntgenschutzfenster eingebaut. So kann der Prozess, trotzdem beobachtet werden.
Zusätzlich führen wir bei Pulsar selbstständig Strahlenschutzmessungen durch, um die auftretende Strahlenexposition im Prozessraum, sowie in 0,1 Meter um die Anlage zu erfassen. Dazu wird ein Ortsdosimeter und ein LIXmeter eingesetzt.
Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, dass beim Auftreten von Röntgenstrahlung während des Bearbeitungsprozesses diese nicht nach außen dringt und das Bedienpersonal keiner Gefährdung ausgesetzt ist.
Gefährdung durch Elektrische Komponenten
Die elektrischen Komponenten der Anlagen stellen potenzielle Gefahrenquellen durch elektrische Spannung und Ströme dar. In den UKP-Anlagen sind verschiedene elektrische Bauteile integriert, die bei unsachgemäßer Handhabung oder Fehlfunktionen zu elektrischen Schlägen oder Bränden führen können.
Beispiel: Wie bei Pulsar die Sicherheit bei Elektrik gewährleistet wird
Die Anlagen verfügen über einen separaten Schaltschrank, in dem sich auf der Vorderseite die Steuerelemente wie Anlagen-PC, Kühler oder Achscontroller befinden. Auf der Rückseite befindet sich die elektrische Schalttafel. Arbeiten an der elektrischen Ausrüstung dürfen nur von autorisiertem Elektrofachpersonal oder von Mitarbeitern von Pulsar Photonics ausgeführt werden. Der Schaltschrank verfügt ebenfalls über einen Schlüssel und kann entsprechend verschlossen werden. Zusätzlich kann der Hauptschalter der Anlage mit einem Schloss vor Einschalten gesichert werden.
Bei der Kabelführung in der Anlage wurde darauf geachtet, dass die Kabel fest und vibrationsfrei verlegt sind. Dadurch wird sichergestellt, dass sich keine Kabel lösen und offene nicht isolierte Kabelenden in der Anlage freiliegen.
Gefährdung durch Feinstaub
Feinstäube durch Mikro- und Nanopartikel, die bei der Materialbearbeitung entstehen, können gesundheitsschädlich sein, insbesondere wenn sie eingeatmet werden. Die Gefahr durch diese Abtragungen besteht darin, dass Partikel mit einer Größe von < 1 µm beim Einatmen in die Lunge gelangen können.
Darüber hinaus kann durch die Anreicherung von Stäuben die Gefahr einer Staubexplosion entstehen.
Beispiel: Wie bei Pulsar die Sicherheit bei Feinstaub gewährleistet wird
Aus diesem Grund sind die UKP-Laserbearbeitungsanlagen von Pulsar mit einer entsprechenden Absaugeinheit ausgestattet. Der Absaugarm kann direkt am Werkstück positioniert werden und die Bearbeitungsrückstände werden einem (HEPA-14) Filter zugeführt.
Zusätzliche Sicherheitseinrichtungen bei Laseranlagen
Neben diesen spezifischen Gefährdungen gibt es auch allgemeinere Sicherheitseinrichtungen, die keiner spezifischen Gefährdung zugeordnet werden können.
So ist jede Anlage mit einem separaten Hauptschalter ausgerüstet. Mit diesem wird die Anlage spannungsfrei geschaltet. Die Schiebetür der Anlage ist durch eine Zuhaltung gesichert. Diese hält die Tür während eines laufenden Prozesses geschlossen. Für den Fall, dass die Bearbeitung dennoch unterbrochen werden muss, verfügen die Anlagen über einen Not-Aus-Taster am Bedienpanel des Bedienterminals. Durch Betätigen des Not-Aus-Tasters geht die Anlage in den Sicherheitszustand über. Dieser ist wie folgt definiert:
- Der Laser emittiert keine Strahlung mehr
- Die Sicherheitsshutter werden geschlossen
- Die Achsen sind stromlos geschaltet (und somit frei beweglich)
- Alle Prozessgase sowie Druckluft sind abgestellt
Einen Überblick über den allgemeinen Anlagenzustand gibt die Signalampel. Diese ist gut sichtbar auf dem Anlagengehäuse angebracht. Zusätzlich ertönt ein akustisches Warnsignal, wenn im Servicebetrieb die Schiebetür geöffnet wird und sich die Anlage somit in Laserklasse 4 befindet.
Die Serviceklappen können nur durch die Verwendung eines Maschinenschlüssels gelöst werden, der nicht frei zugänglich gelagert wird. Somit ist sichergestellt, dass nur unterwiesenes Personal die Serviceklappen lösen kann.
So gewährleisten Sie die Sicherheit Ihrer Laseranlage
Es ist wichtig zu beachten, dass die Sicherheit einer Laserbearbeitungsmaschine nicht nur von der Maschine selbst abhängt, sondern auch von der ordnungsgemäßen Verwendung und der Einhaltung der Sicherheitsrichtlinien durch die Bediener. Daher ist es ratsam, sich vor dem Einsatz einer solchen Maschine gründlich mit den Sicherheitsanforderungen vertraut zu machen. Pulsar führt nach der Inbetriebnahme beim Kunden vor Ort eine Erstunterweisung durch.
Mehr über die Autorin:
Esther Silberkuhl, M. Sc.
Esther Silberkuhl ist Leiterin des Servicebereiches bei Pulsar Photonics. Sie hat ihr Ingenieursstudium an der RWTH Aachen mit dem Master in Produktionstechnik abgeschlossen und den Bereich Service bei Pulsar Photonics aufgebaut.