DE10017284C1

DE10017284C1 - Wandelement für eine Schutzvorrichtung gegen Laserstrahlung

Info

Publication number: DE10017284C1
Application number: DE10017284A
Authority: DE
Inventors: Holger Schubert; Juergen-Werner Silvanus
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2020-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laserstrahlung. Das Wandelement umfaßt eine dem Laserarbeitsbereich zugewandte Innenwand und eine diesem abgewandte Außenseite, zwischen denen ein Innenraum gebildet ist. Um - bei möglichst geringem Gewicht des Wandelements - eine besonders effektive Schutzwirkung der Schutzvorrichtung über lange Zeitspannen hinweg sicherzustellen, wird in den Innenraum des Wandelements eine Zwischenlage aus Metallschaum eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laser strahlung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 196 29 037 C1 als bekannt hervorgeht.

Aus der DE 196 29 037 C1 ist ein Wandelement zur Abschirmung von Laserstrahlung bekannt, das aus einer Innen- und einer Außenwand aus Metallblech besteht, wobei die Innenwand we nigstens auf der zum Arbeits- oder Wirkungsbereich weisenden Seitenfläche mit einer Beschich tung mit hohem Absorptionsvermögen versehen ist, während die der Innenwand zugewandte Seitenfläche der Außenwand ein geringeres Absorptionsvermögen besitzt. Beim Auftreffen eines divergenten Laserstrahls auf das Wandelement wird die Beschichtung erwärmt und fängt an zu brennen; beim Einsatz geeigneter Beschichtungen soll der Brandherd dabei auf einen be schränkten Bereich begrenzt bleiben, und die bei der Verbrennung auftretenden Gase sollen zu einer Divergenz des Laserstrahls und somit zu einer zusätzlichen Reduktion der Leistungsdichte des Lasers führen. Eine aus solchen Wandelementen aufgebaute Schutzvorrichtung soll für Strahlung der Laserklasse I eine Standzeit von mehr als 100 Sekunden aufweisen.

Die Schutzwirkung der in der DE 196 29 037 C1 beschriebenen "aktive" Laserschutzwand be ruht auf dem Prinzip, daß die Wandelemente der Laserstrahlung so lange standhalten müssen, bis (z. B. mit Hilfe von Sensoren im Innenraum der Wandelemente) das Auftreffen des Laser strahls auf die Schutzwand detektiert und der Laser abgeschaltet wird. Darüberhinaus besteht jedoch auch großes Interesse an "aktiv/passiven" Laserschutzwänden, die einem auftreffenden Laserstrahl über wesentlich längere Zeitspannen hinweg standhalten und das Umfeld der Laser bearbeitungsstation so lange verläßlich schützen, bis z. B. eine manuelle Abschaltung des Lasers erfolgt. Weiterhin ist es aus Gründen des Arbeitsschutzes im Produktionsumfeld erstrebenswert, ein unkontrollierte Austreten gasförmiger Substanzen weitestmöglich zu vermeiden; dies gilt insbesondere auch für die oben beschriebenen (evtl. toxischen) Verbrennungsgase aus Laser schutzvorrichtungen. Um einen schnellen, unaufwendigen Umbau des Laser-Arbeitsbereichs zu ermöglichen, sollte das Wandelement außerdem möglichst kompakt und gewichtsreduziert sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wandelement der oben genannten Art derart weiterzubilden, daß das Wandelement einem divergenten Laserstrahl oberhalb der Laserklasse 1 über lange Zeitspannen standhält, gleichzeitig ein möglichst geringes Gewicht aufweist, und bei der Erwärmung des Wandelements durch den Laserstrahl nur minimale Mengen gas förmiger Substanzen freisetzt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Danach wird der zwischen Innenwand und Außenwand liegende Innenraum des Wandelements mit einer Zwischenlage aus einem Metallschaum versehen. In einem Störfall wird - nach einer gewissen Einwirkzeit - die dem Arbeitsbereich zugewandte Innenwand des Wandelements durch den auftreffenden divergenten Laserstrahl durchbrochen, und der Laserstrahl dringt in den dahinterliegenden Metallschaum ein. Die Laserstrahlung wird durch den Metallschaum in hohem Maße absorbiert und gleichzeitig durch die Poren des Metallschaums gestreut und intern reflektiert, wodurch die Leistungsdichte der Laserstrahlung deutlich reduziert wird. Die Außen wand des Wandelements wird dabei nur geringfügig erwärmt, so daß eine Sekundärgefährdung nach DIN-EN 60825-1 ausgeschlossen werden kann. Metallschäume haben eine vergleichswei se geringe spezifische Dichte, weswegen das Einbringen des Metallschaums in den Innenraum des Wandelements eine verhältnismäßig geringe Gewichtserhöhung bei erheblich verbesserter Abschirmwirkung bedeutet. Mit Metallschaum gefüllte Wandelemente sind somit kompakt und leicht transportierbar. Weiterhin werden beim Erwärmen des Metallschaums durch den Laser strahl nur unbedeutende Mengen von Gasen bzw. Dämpfen erzeugt, so daß eine solche Schut zeinrichtung auch hohen Anforderungen bezüglich Arbeits- und Umweltschutz genügt.

Aufgrund der hohen Abschirmwirkung des Metallschaums gegenüber Laserstrahlung benötigt die erfindungsgemäße Laserschutzwand einen wesentlich geringeren Sicherheitsabstand zur La serquelle als herkömmliche Laserschutzwände. Laserbearbeitungszellen, die mit erfindungsge mäßen Laserschutzwänden umgeben sind, können daher im Vergleich zu herkömmlichen Zellen erheblich kleiner gestaltet werden, was bei der Auslegung von Produktionsanlagen zu einem ge ringeren (sicherheitsbedingten) Raumbedarf für die Laserbearbeitungsanlagen und somit zu Ko steneinsparungen im Produktionsumfeld führt.

Als Metallschaum wird vorzugsweise Aluminiumschaum verwendet (siehe Anspruch 2), da dieser leicht und preiswert industriell herstellbar ist und über ein besonders geringes spezifisches Ge wicht verfügt. Weiterhin ist es günstig, die Ränder der Innen- und Außenwände des Wandele ments durch Stege zu verbinden (siehe Anspruch 3), um die einzelnen Schichten des Wandele ments fest zu einer kompakten Einheit zu verbinden, die leicht transportabel ist.

Der Innenraum des Laserschutz-Wandelements kann vollkommen mit Metallschaum ausgefüllt sein. Unter gewissen Umständen kann es aber auch sinnvoll sein, zusätzlich zu dem Metall schaum im Innenraum des Wandelements Zwischenwände aus Metallblech vorzusehen, welche parallel zur Innenwand des Wandelements verlaufen (siehe Anspruch 4). Diese Zwischenwände tragen einerseits zur Erhöhung der Abschirmwirkung des Wandelements bei; andererseits kön nen die Zwischenwände so angeordnet werden, daß zwischen zwei Zwischenwänden bzw. zwi schen einer Zwischenwand und der Innen- oder Außenwand des Wandelements parallel zur In nenwand verlaufende, das Wandelement überspannende Hohlräume entstehen. In diesen Hohl räumen können Sensoren angeordnet sein, mittels derer eine durch Laserbestrahlung des Wandelements bewirkte Temperaturerhöhung in diesem Hohlraum detektiert wird und deren Meßsignal beim Überschreiten eines Grenzwerts zum Abschalten des Lasers führt (siehe An spruch 5). Alternativ bzw. zusätzlich kann der Hohlraum mit einer Beschichtung versehen wer den, welche bei Erwärmung (geringe Mengen von) Gasen oder Dämpfen freisetzt, die über im Hohlraum vorgesehene Rauch- oder Gassensoren nachgewiesen werden können (siehe An spruch 6). Die Sensoren sind mit einer Steuereinheit verbunden, mit Hilfe derer der Laser abge schaltet werden kann. Soll der Hohlraum im Inneren des Wandelements mit Sensoren versehen werden, so ist es zweckmäßig, die Verbindungsstege zwischen der Innen- und Außenwand um laufend zu gestalten, so daß ein geschlossener Hohlraum entsteht; dies führt zu einer wesent lich höheren Nachweisempfindlichkeit der bei der Laserbestrahlung des Wandelements im Hohl raum entstehenden Temperaturerhöhungen und Gase bzw. Dämpfe.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs beispieles näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Arbeitsbereichs eines Lasers mit Laserschutz-Wandelement;

Fig. 2 verschiedene Ausgestaltungen des Wandelements in einer Detailansicht:

Fig. 2a Wandelement mit einer Zwischenlage aus Metallschaum zwischen Innen- und Außenwand;

Fig. 2b Wandelement mit einer Zwischenwand und zwei Zwischenlagen aus Metallschaum;

Fig. 2c Wandelement mit einer Zwischenwand, einer Zwischenlage aus Metallschaum und einem durchgängigen Hohlraum.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Arbeits- bzw. Wirkungsbereichs 1 eines Lasers 2, z. B. eines Schweißlasers 3, dessen Strahlung mit Hilfe einer Strahloptik 4, in diesem Fall eines Spiegels 5, auf ein Bauteil 6 gelenkt wird. Zum Schutz eines außerhalb des Arbeitsbereiches 1 des Lasers 2 gelegenen Außenbereiches 7 vor eventuell austretender Strahlung ist eine Laserschutz- Wandelement 8 vorgesehen, das den Arbeitsbereich 1 gegenüber dem Außenbereich 7 ab schirmt. Das Wandelement 8 bildet Teil einer Schutzwand 9, welche den Arbeitsbereich 1 des Lasers 2 allseitig umgibt.

Das Laserschutz-Wandelement 8 umfaßt eine dem Arbeitsbereich 1 des Lasers zugewandte In nenwand 10 und eine dem Außenbereich 7 zugewandte Außenwand 11, welche näherungswei se parallel und in einem gewissen Abstand 12 zueinander verlaufen, so daß zwischen ihnen ein Innenraum 13 gebildet ist. Die beiden Wände 10, 11 bestehen vorzugsweise aus Metallblech. Der Innenraum 13 ist zumindest abschnittsweise mit einer Zwischenlage 14 aus Metallschaum versehen. Trifft ein energiereicher, divergenter Laserstrahl auf das Wandelement 8 auf, so durchbrennt er zunächst die Innenwand 10 und dringt dann in die Zwischenlage 14 aus Metall schaum ein. Hier erfolgt eine Absorption, Reflektion und Streuung der Laserstrahlung durch die Poren des Metallschaums, so daß die Leistungsdichte der Laserstrahlung stark reduziert wird. Als besonders günstig für diese Anwendung hat sich Aluminiumschaum erwiesen, weil er gute Absorptionseigenschaften für Laserstrahlung aufweist, leicht herstellbar ist und weil Aluminium ein geringes spezifisches Gewicht hat. Somit ist ein Wandelement 8 mit einer Zwischenlage 14 aus Aluminiumschaum leicht transportabel und vergleichsweise preiswert.

Die Innenwand 10 und die Außenwand 11 sind durch einen Steg 15 verbunden, welcher ent lang der Ränder 16 der beiden Wände 10, 11 umläuft und die beiden Wände 10, 11 in einem fe sten Abstand 12 zueinander fixiert. Aufgrund dieser Fixierung ist das Wandelement 8 kompakt und leicht transportabel. Der in Fig. 1 gezeigte umlaufende Steg 15 hat zusätzlich die Funkti on, daß er den Innenraum 13 des Wandelements 8 gegenüber dem Außenraum 17 abtrennt, so daß der Innenraum 13 als geschlossener Raum 18 ausgebildet ist.

Fig. 2a bis 2c zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele für den inneren Aufbau des La serschutz-Wandelements 8 in einer Detailansicht.

Im Beispiel der Fig. 2a ist der gesamte Innenraum 13 des Wandelements 8 mit der Zwischen schicht 14 aus Metallschaum ausgefüllt. Zur Herstellung dieses Wandelements 8 wird entweder die Zwischenschicht 14 aus Metallschaum in der gewünschten Dicke aus einem Metallschaum- Block zugeschnitten, zwischen die Innenwand 10 und die Außenwand 11 eingelegt und ggf. mit Hilfe eines Fügeverfahrens (Kleben, Schweißen, . . .) mit diesen Wänden 10, 11 verbunden oder wird als Sandwichteil in einem Prozeß aus geschäumtem Metallpulver hergestellt. Alternativ kann der Metallschaum z. B. direkt auf die Innenwand 10 (oder Außenwand 11) aufgeschäumt werden, bevor diese auf das gewünschte Maß zugeschnitten und mittels der Stege 15 gegen über der Außenwand 11 (oder Innenwand 10) fixiert wird. Weiterhin können auch lediglich ausgewählte Bereiche des Innenraums 13 mit Metallschaum gefüllt sein, indem z. B. die Schichtdic ke der Zwischenschicht 14 geringer ist als der Abstand 12 zwischen Innen- und Außenwand 10, 11.

Weiterhin kann, wie in Fig. 2b und 2c gezeigt, im Innenraum 13 des Wandelements 8 eine zusätzliche, parallel zur Innenwand 10 verlaufende Zwischenwand 19 vorgesehen sein, die den Innenraum 13 in zwei getrennte Bereiche 20, 21 unterteilt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2b sind beide Bereiche 20, 21 mit Metallschaum gefüllt, während im Ausführungsbeispiel der Fig. 2c die Zwischenlage 14 aus Metallschaum nur den einen Bereich 20 einnimmt, während der andere Bereich 21' einen durchgehenden Hohlraum 22 bildet. In diesem Hohlraum 22 befindet sich ein Rauch- oder Gassensor 23, mit Hilfe dessen die Dämpfe bzw. Gase detektiert werden, welche beim Durchdringen der Innenwand 10 und der Zwischenwand 19 durch den Laserstrahl bzw. beim Eintreten des Laserstrahls in die Zwischenschicht 14 aus Metallschaum freigesetzt werden. Liegt der durch den Sensor 23 ermittelte Meßwert oberhalb eines gewissen Schwell werts, so wird mittels einer Steuereinheit 24 ein Abschaltimpuls ausgelöst und an die Laser steuerung 25 weitergesendet, welcher zum Abschalten der Laserstrahlung führt. - Auch bei in tensiver Bestrahlung des Metallschaums im erfindungsgemäßen Wandelement 8 werden nur in geringen Mengen Dämpfe bzw. Gase freigesetzt; um dennoch eine verläßliche Detektion des Eindringens des Laserstrahls mit Hilfe des Sensors 23 sicherzustellen, ist es daher zweckmäßig, die Stege 15 des Wandelements 8 so zu gestalten, daß der Hohlraum 22 dicht gegenüber dem Außenraum 17 abgeschlossen ist, so daß entstehende Dämpfe bzw. Gase im Hohlraum 22 kon zentriert werden und nicht entweichen können. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß keine Kontamination des Außenraums 17 durch diese Dämpfe/Gase erfolgen kann.

Alternativ bzw. zusätzlich zu den Gas-/Rauchsensoren können - wie in Fig. 2b gezeigt - auf den Wänden 10, 11 oder im Innenraum 13 des Wandelements 8 Temperatursensoren 26 vorge sehen sein, welche eine (lokale) Aufheizung des Wandelements 8 beim Eindringen des Laser strahls detektieren und über eine Steuereinheit 24 zum Abschalten des Laserstrahls führen.

Die Außen- und Innenwände 10, 11 des Wandelements 8 können beliebig lackiert werden, ins besondere mit Materialien, welche beim Auftreffen eines Laserstrahls nur geringe Mengen eines (nichttoxischen) Gases abgeben. Sind in Fig. 2b und 2c jeweils eine einzige Zwischenwand 19 gezeigt, so können im Wandelement 8 allgemein auch mehrere parallel zueinander verlau fende Zwischenwände 19 vorgesehen sein. Schließlich braucht die Außenwand 11 nicht unbe dingt aus Metallblech bestehen, sondern kann aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein.

Claims

1. Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung der Laserstrahlung einer in ei nem Arbeitsbereich befindlichen Laserquelle gegenüber einem Außenbereich, welches Wandelement eine dem Arbeitsbereich der Laserquelle zugewandte Innenwand aus Metallblech und eine näherungsweise parallel zu dieser verlaufende, dem Außenbereich benachbarte Außenwand aufweist, wobei zwischen Außen- und Innenwand ein Innenraum gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Innenraum (13) zumindest abschnittsweise eine Zwischenlage (14) aus einem Metallschaum eingebracht ist.

2. Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (14) aus einem Aluminiumschaum besteht.

3. Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (10) und die Außenwand (11) durch Stege (15) verbunden sind, die sich vorzugsweise in Randbereichen (16) des Wandelements (8) befinden.

4. Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (13) eine parallel zur Innenwand (10) verlaufende Zwischenwand (19) aus Metallblech aufweist.

5. Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (10) und/oder die Außenwand (11) und/oder der Innenraum (13) des Wandelements (8) einen Temperatursensor (26) aufweist, der mit einer Steuereinheit (24) verbunden ist.

6. Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Wandelemente (8), insbesondere im Innenraum (13) zwischen Außen wand (11) und Innenwand (10), ein Rauch- oder Gassensor (23) angeordnet ist, der mit ei ner Steuereinheit (24) verbunden ist.