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Reduziertes Gefahrenpotenzial bei Hochleistungslasern

Die Verletzungsgefahr durch ungewollt austretende Strahlung von fasergekoppelten Hochleistungslasern ist groß. Eine neue Spezialfaser unterbricht bei Faserbruch oder -ablösung die Stromzufuhr der Laserquelle.

Mit der umfassenden Verbreitung der Lasertechnik in der industriellen Metallbearbeitung hat in die Werkshallen und Applikationslabore auch eine neue Gefahrenquelle Einzug gehalten. Die Strahlung von Industrielasern ist aufgrund ihrer Intensität hochgefährlich und kann schwerste gesundheitliche Schäden verursachen.

Nach DIN EN 60825-1 (2015) sind Hochleistungslaser ausnahmslos der Laserklasse 4 und damit der Klasse mit dem höchsten Gefährdungspotenzial zugeordnet. Das bedeutet, dass sie sogar Brände oder Explosionen auslösen können. Doch auch abseits solcher Extreme ist das Risiko nicht zu unterschätzen: Bei Lasern der Klasse 4 ist die energetische Intensität so hoch, dass unweigerlich mit Schädigungen zu rechnen ist, sobald der menschliche Körper der Strahlung ausgesetzt wird.

Strahlungsexposition

Eine solche kritische Strahlungsexposition ist in der Praxis weitaus schneller geschehen, als manche Anwender vermuten. Denn ein Mensch muss nicht erst direkt in den Fokus eines Multikilowatt­lasers geraten, um körperliche Schäden davonzutragen: Schon bei bloßer Streustrahlung können die Konsequenzen fatal sein. Neben schweren Hautverbrennungen mit potenziellen Folgeerkrankungen wie Hautkrebs drohen irreversible Augenschäden, da eine ungefilterte hochintensive Netzhautbestrahlung binnen kürzester Zeit zum Erblinden führt. Das Tückische dabei: Die Laserstrahlung wird nicht immer gleich bemerkt. Denn die weitaus meisten Industrielasersysteme agieren im Infrarotbereich, ihre Strahlung ist also für das menschliche Auge unsichtbar.

Die farbintensiven Bilder, die viele Berichte über Schweiß- und Beschichtungsanwendungen schmücken, täuschen hierüber allzu leicht hinweg. Was dort zu sehen ist, sind die aufgeschmolzenen Pulverströme und aufgemischten Werkstückoberflächen, nicht aber der Laserstrahl selbst. In der Werkshalle gilt dasselbe, und das macht den Laser so gefährlich: Er löst im Gegensatz zum Schweißblitz nicht zwingend ein spontanes Augenschließen aus. Dass die Augen einer Streustrahlung ausgesetzt waren, wird zum Teil erst verzögert durch Schmerz und ein nachfolgendes Nachlassen der Sehkraft bemerkt, das bis zur Erblindung reichen kann. Solche Unfälle waren vor allem in den Anfängen der industriellen Lasernutzung keine Seltenheit: In den ersten drei Jahrzehnten seit Aufkommen der Industrielaser machten Augenverletzungen laut einer vielzitierten US-amerikanischen Statistik 69 % aller Unfallschäden aus.

Schutzvorschriften

Angesichts dieses enormen Gefahrenpotenzials der Lasertechnik schreibt der Gesetzgeber heute in vielen Industrieländern umfassende Präventionsmaßnahmen vor. In Deutschland etwa fordert die 2010 in Kraft getretene Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung (OStrV) die Einhaltung festgelegter Expositionsgrenzwerte sowie die Durchführung zahlreicher Schutz- und Schulungsmaßnahmen. Unternehmen, die Hochleistungs­laser produzieren oder einsetzen, müssen einen qualifizierten Laserschutzbeauftragten bestellen, der sie bei der Gefahrenbeurteilung, der Implementierung von Schutzvorrichtungen und der Realisierung eines sicheren Laserbetriebes unterstützt. Schutzbrillen und Schutzanzüge, Schutzscheiben und Schutzwände sind in vielen Anwendungsbereichen unverzichtbar. Detaillierte Einweisungen und regelmäßige Nachschulungen, die zum sicheren Umgang mit den Strahlquellen anleiten, müssen ebenso nachweisbar dokumentiert werden wie die Gefährdungsbeurteilungen des Schutzbeauftragten.

Die gesetzlichen Arbeitsschutzvorschriften beschränken sich nun allerdings nicht nur auf Bekleidungsvorgaben und die Abtrennung von Gefahrenbereichen, sondern umfassen auch technische Sicherungsmaßnahmen an den Strahlquellen und Laseranlagen selbst. Denn auch die besten Informationen und Schutzmaßnahmen können Makulatur sein, wenn eine Streustrahlung unvorhergesehen austritt und der Austritt nicht sogleich bemerkt wird. Zu den größten Risikofaktoren zählen hier Faserbrüche sowie gelockerte Faseranschlüsse an der Strahlquelle. Tatsächlich ist die große Mehrzahl der industriellen Hochleistungslaser heute fasergekoppelt: Der Laserstrahl wird über spezielle Glasfaserkabel von der Strahlquelle zum Werkstück geleitet und dort mithilfe von Fokussieroptiken auf den Arbeitsbereich gerichtet. Die Fasern vollziehen dabei oft eine Vielzahl von begleitenden Bewegungen, etwa beim Schwenken und Drehen von Roboterarmen, auf denen die Fokussieroptiken sowie weitere Komponenten wie Breitstrahldüsen montiert sind. Auf die Lichtleitkabel wirken so permanent Zug- und Biegekräfte ein, die langfristig zu Kabelbrüchen durch Materialermüdung oder zur Ablösung des Kabels von der Strahlquelle führen können. An den Bruch- oder Ablösestellen kann es dann zum Lichtaustritt und damit zu gefährlicher Streustrahlung kommen.

Bricht das Lichtleitkabel eines Lasers oder löst es sich von der Strahlquelle, muss das ganze Lasersystem aus Sicherheitsgründen sofort abgeschaltet werden. In der Vergangenheit war hierzu meist ein aktiver Eingriff des Anwenders nötig, da eine Schädigung oder Lösung des strahlführenden Kabels nicht automatisch zum Shutdown der Anlage führte. Vom Auftreten bis zur Entdeckung des Fehlers blieb dadurch immer ein undefiniertes Zeitfenster, innerhalb dessen austretende Laserstrahlung gefährliche, womöglich irreversible Schäden anrichten konnte.

Sicherheitsfasern

Eine Neuentwicklung von Ceramoptec ermöglicht es inzwischen, dieses Zeitfenster nahezu vollständig zu schließen. Eine Faserkonfiguration macht es erstmals möglich, bei Bruch oder Ablösung des Lichtleitkabels eine automatische Laserabschaltung auszulösen. Die kritische Reaktionszeit nach Auftritt des Schadens geht dank dieser Safety Fibers gegen null.

Das neue Faserkonzept ist im Grunde erstaunlich einfach, in seiner Wirkung aber dafür umso effektiver: In das Polyamidjacket, das die strahlführenden Fasern klassischerweise ummantelt, sind zwei hauchdünne Kupferdrahtleiter integriert, die über die gewöhnlichen Faserkopplungen in den Stromkreis der Strahlquelle eingebunden werden. Lichtleitkabel und Lasersystem sind also elektrisch miteinander verbunden. Bricht nun das Kabel, werden auch die Kupferdrahtleiter zerstört. Dadurch wird der Stromkreis des Lasersystems unterbrochen und die Strahlerzeugung augenblicklich eingestellt. Dieselbe Stromkreisunterbrechung wird generiert, wenn sich das Lichtleitkabel von der Stromquelle löst. Bei Bruch oder Lockerung des Lichtleiters kann somit binnen weniger Millisekunden keine gesundheitsgefährdende Strahlung mehr austreten – im Vergleich zur bisherigen Situation ein enormer Zeit- und damit Sicherheitsgewinn.

Da die beiden Kupferdrahtleiter gemeinsam mit der üblichen Polyamidummantelung und damit erst nach dem Abschluss des Faserziehprozesses aufgebracht werden, ist die neu entwickelte Faserkonfiguration nicht an bestimmte Fasertypen gebunden. Allroundfasern wie Optran UV/WF sind ebenso als Safety Fibers erhältlich wie die solarisationsresistenten Optran-UV-NSS- oder die homogenisierenden Optran-NCC-Fasern mit polygonaler Kerngeometrie. Darüber hinaus lässt sich die Faserkonfiguration an die unterschiedlichsten Prozessbedingungen anpassen: Um alle Biegeradien und Temperaturzonen abdecken zu können, sind die Kupferdrahtleiter standardmäßig mit Querschnitten von 50, 100 und 150 µm sowie in kundenindividuellen Ausführungen verfügbar. Für Anwendungen, bei denen das Lichtleitkabel einer Vielzahl von Biegungen ausgesetzt ist, sind dünnere, für Hochtemperaturanwendungen dagegen stärkere Leiter von Vorteil. Anwendungen, die beide Anforderungen verbinden, können beispielsweise durch Leiter mit speziellen Querschnitten und Legierungen bedient werden.

Anwendungsbereiche

Aufgrund der hohen Flexibilität bei Fasertyp und Konfiguration lassen sich die Sicherheitsfasern in allen faserabhängigen industriellen Laseranwendungen einsetzen. Von besonderem Interesse sind sie zudem überall dort, wo ein unvorhergesehener Strahlungsaustritt ein überdurchschnittlich hohes Prozessrisiko mit sich bringt – etwa beim Einsatz von Lasern in explosionsgefährdeten Bereichen (EX/Atex). Der Aufbau aktiver Schutzvorrichtungen, die bei Kabelbruch oder Ablösung des Lichtleiters von der Strahlquelle automatisch den Laser abschalten, ist gerade in solchen Zonen nachhaltig zu empfehlen.

Neben Hochleistungsapplikationen sind auch medizintechnische Anwendungen der Safety Fibers sinnvoll, beispielsweise beim Einsatz chirurgischer CO2-Laser mit fasergekoppelten Handstücken. Zwar erreichen solche Laser anwendungsbedingt nicht die industrie­typischen hohen Leistungen. Die Strahlung ist dennoch so stark, dass ein unkontrollierter Austritt für Patienten und Behandler gefährlich wäre.

von mg

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