Laserschutz neu gedacht

Aktuell gibt es zwei europäische Normen, die die Anforderungen an Laserschutzabschirmungen definieren: Die DIN EN 12254 betrifft standardisierte Abschirmprodukte und prüft diese mit einem Strahldurchmesser von 1,0 Millimeter. Sie ist nicht für Schutzeinhausungen von Maschinen gedacht, obwohl Hersteller und Zertifizierer sie in der Praxis oft dafür heranziehen. Die DIN EN 60825-4 wiederum betrifft fallbezogene Abschirmungen als technische Schutzeinrichtungen von Maschinen und betrachtet den konkreten Anwendungsfall. Sie sieht aufwendige, fallbezogene Prüfungen vor. Ihre Akzeptanz in der Praxis ist deshalb eher gering.

Forschungsprojekt soll Klarheit schaffen

Das Forschungsprojekt „SALSA – Strahldurchmesserabhängigkeit der Standzeiten von Laserschutzabschirmungen“, wurde am Bayerischen Laserzentrum (blz) in Erlangen in Kooperation mit dem Unternehmen Laservision durchgeführt und durch die Bayerische Transformations- und Forschungsstiftung gefördert. 

Das Projekt untersuchte den Einfluss des Laserstrahldurchmessers auf die Laserbeständigkeit für gängige Abschirmmaterialien und beschreibt den Zusammenhang zwischen Bestrahlungsstärke und Strahldurchmesser durch eine mathematische Beziehung. Dies soll es zukünftig ermöglichen, aus wenigen Standzeitversuchen die kritische Bestrahlungsstärke (Bestrahlungsgrenzwert) für beliebige Anwendungsfälle (Strahldurchmesser) vorherzusagen, um geeignete Abschirmmaterialien für konkrete Anwendungen auswählen zu können. Das soll die Auswahl geeigneter Laserschutzeinrichtungen aus Anwendersicht vereinfachen.

Unter realen Bedingungen ist davon auszugehen, dass die im Fehlerfall auf die Abschirmung gerichtete Laserstrahlung mit einem Strahldurchmesser deutlich größer als 1,0 Millimeter auf die Abschirmung trifft. Da aus früheren Untersuchungen bekannt ist, dass der Laserstrahldurchmesser einen erheblichen Einfluss auf die Standzeit von Laserschutzfiltern hat und vergleichbare Filtermaterialien ebenfalls für Kabinenfenster eingesetzt werden, ist auch hier von einem entsprechenden Zusammenhang auszugehen.

Im Rahmen des SALSA-Projektes wurden diverse, auf dem Markt verfügbare Filtermaterialien aus Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Mineralglas sowie ein Vorhangmaterial untersucht. Die Prüflaser wurden nach deren Relevanz für die Anwendung ausgewählt. So wurden umfassende Standzeituntersuchungen im Nahinfraroten, dem für die Lasermaterialbearbeitung wichtigsten Wellenlängenbereich, mit einem speziellen Scheibenlaser bei einer Peak-Wellenlänge von 1030 Nanometer (nm) +/– 10 nm  im Dauerstrichbetrieb (cw) durchgeführt. Um die Reproduzierbarkeit der Standzeituntersuchungen zu gewährleisten, entwickelte das Projektteam einen mobilen, laserunabhängigen Prüfstand – eine sogenannte Beschussbox.

Die Standzeituntersuchungen orientierten sich an der Norm DIN EN 60825-4. Diese sieht eine Einordnung der Laserschutzabschirmungen in einer von drei Prüfklassen (T1 / T2 / T3) vor, hinter denen entsprechende Wartungsintervalle stehen (30.000 Sekunden (s) / 100 s / 10 s). Das Wartungsintervall entspricht dabei der für die Prüfklasse geforderten Schutzdauer der Abschirmung. Bei der experimentellen Ermittlung der Schutzdauer ist ein Sicherheitsfaktor von 0,7 zu berücksichtigen.

Exemplarische Bilder von geprüften Filtermaterialien bei einem Strahldurchmesser von 50 Millimetern sind in der folgenden Abbildung gezeigt.

Die Materialschäden sind unterschiedlich, was Einfluss auf die Streuung der ermittelten Bestrahlungsstärke hat.

Die Suche nach der Korrekturfunktion

Bei allen untersuchten Abschirmmaterialien zeigt sich der Zusammenhang zwischen Bestrahlungsstärke E und dem Strahldurchmesser d bei der vorgegebenen Standzeit von 150 s als Potenzfunktion mit negativem Exponenten in der Form (Gleichung 1):

Gl. 1: E(d) = a∙d^-b

Der Koeffizient a und der Exponent b sind materialabhängig. Die folgende Abbildung zeigt den experimentell bestimmten Zusammenhang zwischen Bestrahlungsstärke und Strahldurchmesser für verschiedene Materialien bei 1030 nm.

Auch wenn die Ergebnisse der Standzeitversuche zeigen, dass sich bei allen untersuchten Abschirmmaterialien die Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke vom Strahldurchmesser durch eine Potenzfunktion darstellen lässt, so müssen für jedes Material die materialspezifischen Größen a und b ermittelt werden. Diese Materialabhängigkeit der Potenzfunktion verkompliziert ihre Anwendung in der Praxis erheblich und soll daher vermieden werden. Um eine einheitliche, für alle Materialien anwendbare Funktion mit fixen Größen a und b zu erhalten, wurden die bei unterschiedlichen Strahldurchmessern ermittelten Bestrahlungsstärken E(d) auf die Bestrahlungsstärke E₂₀ beim Strahldurchmesser von 20 mm normiert. Mithilfe von Gleichung 2 kann die normierte Bestrahlungsstärke N(d) für beliebige Strahldurchmesser d berechnet werden. Dies ermöglicht die Einführung einer materialunabhängigen Korrekturfunktion:

Gl. 2: N(d) = E(d) / E₂₀

Die Auftragung der normierten Bestrahlungsstärke über dem Strahldurchmesser zeigt, dass die Werte „zusammenrücken“ und nun einer materialunabhängigen Kurve folgen, welche sich als Potenzfunktion annähern lässt. Diese Näherungskurve wird im Folgenden als Korrekturfunktion F(d) bezeichnet und kann wie folgt dargestellt werden (Gleichung 3):

Gl. 3: F(d) = a ∙ d^-b

Die empirisch gefundene Potenzfunktion hat einen Koeffizienten von 8 und der Exponent beträgt -0,7.

Die Ungenauigkeit bei kleinen Strahldurchmessern hat in der Praxis kaum Auswirkung, da die getesteten Laserschutzabschirmungen in Umgebungen eingesetzt werden, bei denen typischerweise mit dem Auftreten von mittleren und großen Strahldurchmessern auf den Abschirmungen zu rechnen ist (typischerweise > 20 Millimeter). Bei kleinen Strahldurchmessern treten verstärkt materialspezifische Effekte auf, was eine statistisch abgesicherte Bestimmung der Bestrahlungsstärke erschwert. Die Einführung eines Sicherheitsfaktors und eine zweigeteilte Betrachtung soll hier Abhilfe schaffen.

Prüfung der Übertragbarkeit und Einführung eines Sicherheitsfaktors

Wellenlängen im sichtbaren Spektrum haben in den vergangenen Jahren in der Materialbearbeitung, insbesondere beim Schweißen von Kupferwerkstoffen im Bereich E-Mobility, an Bedeutung gewonnen. Daher wurden die im nahinfraroten durchgeführten Standzeituntersuchungen exemplarisch auf die Laserwellenlängen 450 nm und 515 nm ausgedehnt. Ebenso wurden exemplarisch zwei Abschirmmaterialien bei 1030 nm +/– 10 nm auf die Prüfklasse T3 untersucht (Standzeit 15 s) und die bei 1030 nm erzielten Ergebnisse mit einem cw-Faserlaser bei einer Peak-Wellenlänge von 1070 nm +/- 10 nm stichpunkthaft verifiziert. Diese ergänzenden Untersuchungen zeigten eine gute Übertragbarkeit der bei 1030 nm gefundenen mathematischen Zusammenhänge auf andere Wellenlängen und Prüfbedingungen. In der folgenden Abbildung sind die im Nahinfraroten für 150 s (Prüfklasse T2) erzielten Ergebnisse zusammenfassend dargestellt.

In der Abbildung sind auf der linken Seite alle an PC-, PMMA- und Glasfilter für die Peak-Infrarotwellenlängen (1030 nm und 1070 nm) ermittelten normierten Bestrahlungsstärken aufgetragen und Näherungskurven mit unterschiedlichen Sicherheitsfaktoren (SF x) eingezeichnet. Die Näherungskurven mit Sicherheitsfaktoren werden in Analogie zur EN 60825-4 als Schutzgrenzbestrahlung im Sinne eines einzuhaltenden Bestrahlungsgrenzwertes bezeichnet. 

Bei einem Sicherheitsfaktor von 1 (SF 1) ergibt sich die bereits bekannte Potenzfunktion aus Gleichung 3 mit dem Koeffizienten 8 und dem Exponenten -0,7 (gelbe Kurve). Hier liegen viele Bestrahlungsstärkewerte unterhalb der Näherungskurve, der Bestrahlungsgrenzwert wird damit kritisch überschätzt. Bei einem Sicherheitsfaktor von 0,7 (SF 0,7; hellgrüne Kurve) hingegen liegen zumindest im Durchmesserbereich 20 mm bis 100 mm alle Messwerte auf oder über der Näherungskurve, also im sicheren Bereich. Ein strengerer Sicherheitsfaktor von 0,5 (SF 0,5; dunkelgrüne Kurve) oder 0,1 (SF 0,1; blaue Kurve) erscheint hingegen unnötig restriktiv. Bei kleinen Strahldurchmessern (5 Millimeter und 10 Millimeter) streuen die Werte stärker und liegen zum Teil noch unter der SF 0,7-Kurve, was nicht akzeptabel ist. Aus diesem Grund empfiehlt sich eine zweigeteilte Betrachtung durch Unterteilung in zwei Strahldurchmesserbereiche: d < 15 Millimeter und d ≥ 15 Millimeter. Für Durchmesser größer gleich 15 Millimeter gilt die Näherungskurve mit dem Sicherheitsfaktor 0,7. Für Durchmesser kleiner 15 Millimeter wird anstelle der Korrekturfunktion ein konstanter Korrekturfaktor empfohlen, der dem Wert der Funktion bei 15 Millimeter entspricht (F(15)). Die obige Abbildung zeigt auf der rechten Seite die zweigeteilte Näherungskurve mit Knick bei 15 Millimeter und Plateau für Strahldurchmesser kleiner 15 Millimeter.

Durch Anwendung eines Sicherheitsfaktors von 0,7 und der Einführung eines Plateaus für kleine Strahldurchmesser, konnte über den gesamten untersuchten Bereich von 1 bis 100 Millimeter eine Möglichkeit zur Extrapolation gefunden werden. Die Schutzgrenzbestrahlung SGB für beliebige Strahldurchmesser d kann somit nach experimenteller Ermittlung des materialspezifischen Bestrahlungsgrenzwertes bei 20 Millimeter E₂₀ mit (Gleichung 4 und 5).

Gl. 4: SGB = SF∙E₂₀∙ F(d) = 0,7∙E₂₀∙8∙d^-0,7 = 5,6∙E₂₀∙d^-0,7   
für 15 mm ≤ d ≤ 100 mm

Gl. 5: SGB = SF∙E₂₀∙F(15) = 0,7∙E₂₀∙8∙15^-0,7 = 0,84∙E₂₀ 
für d < 15 mm

berechnet werden.

Fazit: Strahldurchmesser berechnen statt prüfen

Die im SALSA-Projekt gefundene Korrekturfunktion lässt sich durch eine Potenzfunktion mit negativen Exponenten in guter Näherung beschreiben. Durch die Einführung eines Sicherheitsfaktors von 0,7 und eine zweigeteilte Betrachtung mit Plateau für Durchmesser kleiner 15 Millimeter konnten alle mit nahinfraroter Laserstrahlung ermittelten Bestrahlungsstärkewerte berücksichtigt werden. Zusammenfassend empfiehlt sich folgende Vorgehensweise bei der Ermittlung der Schutzgrenzbestrahlung SGB für einen bestimmten Strahldurchmesser:

1. Bestimmung des Bestrahlungsgrenzwertes E₂₀ beim Strahldurchmesser 20 Millimeter.
2. Zur statischen Absicherung folgen neun Wiederholungsprüfungen und Mittelwertbildung.
3. Berechnung der Schutzgrenzbestrahlung SGB nach Gleichung 4 bzw. 5 (je nach Strahldurchmesser).

Durch diese Methodik ist es nicht mehr erforderlich, alle Strahldurchmesser zu prüfen, sondern Sie können berechnet werden.

Hans-Joachim Krauß, Martin Brose

Anmerkung: Das Forschungsprojekt „SALSA – Strahldurchmesserabhängigkeit der Standzeiten von Laserschutzabschirmungen“ wurde finanziell gefördert durch die Bayerische Transformations- und Forschungsstiftung und fachlich durch den projektbegleitenden Beraterkreis unterstützt. Beteiligt waren unter anderem Uqba Aftab Alam, M.Sc. von der Laservision GmbH & Co. KG, sowie Dipl.-Ing. (FH) Matthias List, M.Sc. und Dipl.-Ing. Rico Bühring von der Bayerisches Laserzentrum GmbH (blz).