SB_17.349NLP

2015
Abschlussbericht
DVS-Forschung
PaLaSi - Passive
Lasersicherheit für
Hochleistungslaser im
industriellen Einsatz

PaLaSi - Passive
Lasersicherheit für
Hochleistungslaser im
industriellen Einsatz
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.349 N
DVS-Nr.: Q6.016
Institut für Werkzeugmaschinen und
Betriebswissenschaften,
Technische Universität München
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.349 N / DVS-Nr.: Q6.016 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2015 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 371
Bestell-Nr.: 170262
ISBN: 978-3-96870-261-2
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhalt
Abkürzungsverzeichnis
III
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 1
1.1 Motivation des Forschungsvorhabens . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Beschreibung der Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Stand der Wissenschaft und Technik 5
2.1 Rechtshierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Lasersicherheitsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Forschung im Bereich Lasersicherheit . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Beschreibung des erzielten Standes der Arbeiten im Vorgängervorhaben
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Forschungsziel und Lösungsweg 15
3.1 Angestrebte Forschungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse . . 16
3.3 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels . . . . . . . . . 17
4 Ergebnisse der Arbeitspakete 25
4.1 AP 1 Ermittlung der Anforderungen an die Lasersicherheit . . . 25
4.1.1 AP 1.1 Definition der rechtlichen Anforderungen . . . . 25
4.1.2 AP 1.2 Definition der technischen Randbedingungen . . 33
4.2 AP 2 Konzipierung und Aufbau einer Testanlage samt
Testroutine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 AP 2.1 Definition der standardisierten Testroutine . . . . 42
4.2.2 AP 2.2 Definition der Anforderungen an die Testanlage
und Erstellung des Anlagenkonzepts . . . . . . . . . . . 70
4.3 AP 3 Durchführung von Laborversuchen . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 AP 4 Erstellung eines Prozessmodells . . . . . . . . . . . . . . . 104
I

Inhalt
4.5 AP 5 Durchführung von Feldversuchen . . . . . . . . . . . . . . 108
4.6 AP 6 Erstellung von Auslegungsrichtlinien . . . . . . . . . . . . 108
4.7 AP 7 Validierung der Auslegungsrichtlinien . . . . . . . . . . . . 126
4.8 AP 8 Abschlussbericht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5 Wirtschaftlicher Nutzen, Zielerreichung und industrielle Umsetzbarkeit
besonders für KmU 129
6 Verwendung der Zuwendungen 131
7 Transfer der angestrebten Forschungsergebnisse 133
8 Durchführende Forschungsstelle 143
Danksagung 145
Literaturverzeichnis 147
Anhang 161
II

1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1 Motivation des Forschungsvorhabens
Der Produktionsstandort Deutschland ist durch technologisch herausragende
Güter gekennzeichnet, was sich durch eine Spitzenposition innerhalb der
exportierenden Nationen ausdrückt (LOSCHKY & RITTER 2010).
Um diesen Status zu wahren, ist die wirtschaftliche Fertigung dieser Produkte
essentiell. Dazu werden leistungsfähige Bearbeitungstechnologien wie die Lasermaterialbearbeitung
benötigt (BRECHER et al. 2009). Der Branchenverband
Spectaris schrieb im Branchenbericht 2009 (BÄHREN & HARTMANN 2009) über
die optischen Technologien, sie seien eine Zukunftsbranche mit hohem Wachstumspotenzial
trotz kurzfristiger Abschwächung im Jahr 2009 aufgrund der
Wirtschaftskrise. Laut dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau
e.V. (VDMA) sorgte u. a. der Reifegewinn in der Branche der Lasermaterialbearbeitung
in Deutschland für das starke Umsatzwachstum bei den Laseranlagen.
Dieses betrug von 2003 bis 2007 85 % (VDMA 2010). Der verstärkte Einsatz
dieser Laseranlagen zur Materialbearbeitung in der industriellen Fertigung
beruht vor allem auf den hervorragenden Eigenschaften des Laserstrahls, wie
z. B. berührungsloser Bearbeitung und präziser Energieeinbringung.
Die zur Verbreitung der Laserfertigungstechnologie nötigen Fortschritte sind
durch stetig steigende Laserleistungen wie auch verbesserte Strahlqualitäten
gekennzeichnet (KESSLER 2009). Diese Weiterentwicklungen ermöglichen Arbeitsabstände
bis zu mehreren Metern und somit die Übertragung hoher Strahlintensitäten
über weite Entfernungen im Freistrahl. Neuartige Optikkonzepte
wie Großraumscanner nutzen diese großen Arbeitsabstände und verbinden sie
mit der Möglichkeit der sehr schnellen und gezielten Ablenkung des Strahls
durch drehbare Spiegel.
1

1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Verbunden mit diesen Verbesserungen sind jedoch steigende Anforderungen
an die Sicherheitskomponenten, da beispielsweise Schutzwände im Fehlerfall
sehr hohen Laserstrahlungsintensitäten standhalten müssen. Hieraus resultiert
ein erhöhter Aufwand zum Erreichen der Lasersicherheit, woraus wiederum
Mehrkosten zum Schutz des Bedienpersonals und der Anlagenperipherie im
industriellen Einsatz entstehen (ZÄH et al. 2009b). Neben den für kleine und
mittelständische Unternehmen (KMU) ohnehin hohen Investitionskosten für
eine Laseranlage müssen zusätzliche Mittel für Lasersicherheitsmaßnahmen
aufgewendet werden, was sich negativ auf den wirtschaftlichen Einsatz einer
Laseranlage auswirkt. Die notwendigen Lasersicherheitsmaßnahmen konnten
initial mangels Erfahrungswerten und Prozessverständnis nicht gezielt, sondern
nur iterativ ausgelegt werden. Eine optimierte Umsetzung dieser Auslegung
durch ein Regelwerk mit konkreten Vorgaben leistet einen entscheidenden
Beitrag zur Kostenreduzierung und trägt zur Sicherheit künftiger Laseranlagen
bei.
1.2 Beschreibung der Ausgangssituation
Passive Umhausungen stellen bei Laser-Materialbearbeitungsanlagen die wichtigste
Art von Schutzeinrichtungen gegenüber Laserstrahlung dar. Bis heute
wird diese Maßnahme in jeder Laseranlage benötigt - als rein passives System
oder als Grundkomponente einer aktiven Schutzwand (siehe Abschnitt 2.2).
Die Umhausung trennt den Anlagenbediener sowie eventuell Dritte vom Gefährungsbereich
innerhalb der Anlage und soll somit eine Gefährdung und
Schäden von ihnen abhalten. Je nach Laserprozess und Art der Anlage können
unterschiedliche Belastungsfälle für die Umhausung auftreten. Der gravierendste
Fall ist eine direkte Bestrahlung, die beispielsweise durch eine falsche
Programmierung der die Fokussieroptik führenden Handhabungskinematik
verursacht werden kann. Eine weitere Belastung stellt die reflektierte gerichtete
Laserstrahlung dar, welche vom Werkstück zur Schutzwand gelangt. Die diffus
an der Prozesszone gestreute Laserstrahlung belastet die Schutzwand dagegen
am geringsten. Ein grundlegendes Problem bei der Auslegung eines Sicherheitskonzepts
auf Basis einer passiven Laserschutzwand liegt in der gesicherten
Bestimmung ihrer Schutzdauer. Sie hängt vom Gesamtbelastungsfall ab, welcher
sich aus den genannten einzelnen Belastungsfällen zusammensetzt und
2

damit eine vorhersehbare Maximalbestrahlung (VMB, vgl. DIN EN 60825-4)
für die Schutzwand vorgibt. Die hohe Komplexität der Abschätzung der VMB
und das mangelhafte Wissen über diese Thematik führen meist dazu, dass die
VMB durch die direkte Bestrahlung in einem gegebenen Bestrahlungsabstand
bestimmt wird. Tauglichkeitstabellen von Schutzwand-Bauarten oder konkreten
Ausführungen derer waren für die heutigen leistungsstarken und brillanten
Laserstrahlquellen kaum vorhanden (siehe Abschnitt 2.3). Die Schutzdauer
einer passiven Wand konnte von daher nur durch umfangreiche Beschusstests
ermittelt werden, eine Prognose im Vorhinein war nicht möglich. Für Qualifizierungsmaßnahmen
von passiven Laserschutzwänden aufgrund gegebener
VMB stand zu Beginn des Forschungsvorhabens weder eine Testanlage noch
eine wissenschaftlich fundierte Testmethode zur Verfügung. Auf Grund dieser
Ausführungen wird der Handlungsbedarf im Bereich Lasersicherheit deutlich
und die Motivation für das vorliegende Forschungsvorhaben begründet.
3