SB_21629NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Risikominimierung der
Gefahren durch
Kontamination im Arbeitsumfeld
und Betrachtung der
Toxikologie von
Faserbruchstücken beim
laserbasierten Trennen von
Faserverbundkunststoffen

Risikominimierung der Gefahren
durch Kontamination im
Arbeitsumfeld und
Betrachtung der Toxikologie von
Faserbruchstücken beim
laserbasierten Trennen von
Faserverbundkunststoffen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.629 N
DVS-Nr.: Q6.3372
Laser Zentrum Hannover e.V.
Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e. V.
(DGUV)
Institut für Prävention und Arbeitsmedizin
(IPA)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.629 N / DVS-Nr.: Q6.3372 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
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 576
Bestell-Nr.: 170686
ISBN: 978-3-96870-576-7
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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Seite IV des Schlussberichtes zum IGF-Vorhaben Nr. 21.629 N
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ............................................................................................................... 1
1.1. Stand von Wissenschaft und Technik ............................................................... 3
1.1.1. Gefährdungspotenzial von faserhaltigen Stäuben ...................................... 3
1.1.2. Toxizitätsbewertung von faserhaltigen Stäuben ......................................... 5
1.2. Aufgabenstellung und Vorgehensweise ............................................................ 7
1.3. Wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für kmU ....................... 9
2. Ergebnisse der Forschungseinrichtungen ....................................................... 12
2.1. Grundlagen und Definitionen (AP 1) ............................................................... 12
2.1.1. Im Projekt eingesetzte Laser und Prozessparameter ............................... 12
2.1.2. Verarbeitete Werkstoffe ............................................................................ 13
2.1.3. Mechanische Referenzprozesse .............................................................. 13
2.1.4. Auswahl von Mess- und Analysemethoden sowie
Probenahmevorbereitung ......................................................................... 16
2.2. Analyse von FVK-Schneidprozessen mit hohen Energiedichten (AP 2) ......... 18
2.3. Staubprobenahme für die Untersuchungen auf Zelltoxizität und
Migrationsverhalten (AP 3) ............................................................................. 21
2.3.1. Berücksichtigung des Temperaturregimes im Prozess ............................. 23
2.4. Toxikologische Analyse der Stäube (AP 4) ..................................................... 24
2.4.1. Methoden ................................................................................................. 25
2.4.1.1 AlamarBlue Test ....................................................................................... 25
2.4.1.2 PICMA – Particle Induced Cell Migration Assay ....................................... 25
2.4.2. Erzielte Ergebnisse................................................................................... 26
2.4.2.1 Die Bereitung von Suspensionen ............................................................. 26
2.4.3. Toxikologische Untersuchungen .............................................................. 27
2.4.4. Zusammenfassende Bewertung ............................................................... 33
2.5. Ermittlung von Kontaminationswegen und Verschleppungsarten (AP 5) ........ 34
2.6. Bewertung der Gefahren für die Beschäftigten und das Arbeitsumfeld (AP 6)36
2.7. Ausrüstung von Anlagen für das Schneiden von FVK sowie Optimierung von
Handhabungsstrategien (AP 7) ....................................................................... 43

Seite V des Schlussberichtes zum IGF-Vorhaben Nr. 21.629 N
2.8. Handlungsempfehlungen und Merkblatt (AP 8) .............................................. 44
2.8.1. Tätigkeitsbezogene Handlungsempfehlungen und Schutzmaßnahmen 44
2.8.2. Bereichsbezogene Handlungsempfehlungen und Schutzmaßnahmen . 45
2.9. Abschließende Auswertung, Dokumentation und Schlussbericht (AP 9) ........ 47
3. Diskussion der Ergebnisse ................................................................................ 47
3.1. Fasern und Kunststoffmatrix ........................................................................... 47
3.2. Arbeitsplatzmessungen .................................................................................. 48
3.3. Ergebnisaufbereitung / Handlungsempfehlungen ........................................... 50
3.3.1. Hinweise für die Prozessführung .............................................................. 50
3.3.2. Empfehlungen für Erfassung und Reinigung ............................................ 51
3.3.3. Hinweise für eine Gefährdungsanalyse .................................................... 52
4. Verwendung der Zuwendung ............................................................................. 52
4.1. Durch das LZH: ............................................................................................... 52
4.2. Durch das IPA: ................................................................................................ 53
5. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .......................... 54
6. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens
der erzielten Ergebnisse ..................................................................................... 55
7. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................... 56
7.1. Durchgeführte Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit ................. 56
7.2. Bereits durchgeführte und noch geplante spezifische Transfermaßnahmen
nach Abschluss des Vorhabens ...................................................................... 57
Liste der Veröffentlichungen ...................................................................................... 58
Danksagung ................................................................................................................. 59
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................... 60
Tabellenverzeichnis .................................................................................................... 62
Verzeichnis der Abkürzungen .................................................................................... 63
Literaturverzeichnis .................................................................................................... 66

Seite 1 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben Nr. 21.269 N
Das IGF-Vorhaben Nr. 21.629 N „Risikominimierung der Gefahren durch Kontamination
im Arbeitsumfeld und Betrachtung der Toxikologie von Faserbruchstücken beim laserbasierten
Trennen von Faserverbundkunststoffen (RisoTto)“ wurde am 01.04.2021 mit einer
Laufzeit bis zum 31.03.2023 bewilligt. Dieser Abschlussbericht enthält die Darstellung der
im Zeitraum April 2021 bis März 2023 ausgeführten Arbeiten.
Übergeordnetes Forschungsziel war die Erarbeitung applikations- und arbeitsumfeldübergreifender
Grundlagen für den sauberen und sicheren Umgang mit den freigesetzten
Gefahrstoffen beim laserbasierten Trennen von Faserverbundkunststoffen. Dabei ging
es nicht nur um den Prozessschritt der abtragenden Bearbeitung selbst, sondern insbesondere
auch um die begleitenden Schritte der Vor- und Nachbereitung. Weiterhin wurde
die toxikologische Wirkung auf Zellen mittels partikelinduziertem Zellmigrationstest
(PICMA) und die Verschleppung freigesetzter Faserbruchstücke in das Arbeitsumfeld
evaluiert. Wegen der pandemischen Lage wurde auf die Einbeziehung des häuslichen
Umfeldes verzichtet. Das erarbeitete Wissen wurde bei zwei Anwendern aus dem projektbegleitenden
Ausschuss (PA) auf die Arbeitsabläufe in existierenden Produktionsund
Versuchshallen für die laserbasierte und auch mechanische Fertigung übertragen
und erfolgreich in der industriellen Praxis angewendet.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
1. Einleitung
Im Rahmen ihrer täglichen beruflichen Tätigkeit können Mitarbeiter von Unternehmen in
Kontakt mit gesundheitsgefährdenden Stoffen (inkl. giftiger Stoffe sowie krebserzeugender,
mutagener und reproduktionstoxischer Stoffe, der sog. KMR-Stoffe) gelangen. Gemäß
§6 GefStoffV [5] hat der Arbeitgeber für den Arbeitsplatz bereits vor Tätigkeitsaufnahme
eine Gefährdungsbeurteilung vorzunehmen und geeignete Maßnahmen zum
Schutz der Mitarbeiter und zur Gefährdungsminimierung zu ergreifen.
Der Einsatz von Faserverbundkunststoffen (FVK) bei neuen Leichtbaukonzepten führt
u. a. zur Einsparung von CO2–Emissionen. Im vorliegenden Fall erfolgt die trennende
Bearbeitung von FVK mit kurzgepulster Laserstrahlung bei einer mittleren Leistung von
1,5 kW. Dieser Prozess führt dazu, dass die Matrix zusammen mit der Faserverstärkung
innerhalb kürzester Zeit zersetzt und eine große Anzahl an luftgetragenen und lungengängigen
Faserbruchstücken generiert wird.
Erhebliche Risiken, welche die Verbreitung der laserstrahlbasierten Technologie nach
sich zieht, ergeben sich aus der Art der für die Produktion verwendeten Werkstoffe sowie
aus der Wechselwirkung des Werkzeugs Laserstrahlung mit diesen Werkstoffen. Bei den
verwendeten FVK handelt es sich zunächst um ungefährliche Materialien. In Analogie zu
etablierten Laserabtragprozessen kommt es durch die konzentrierte Erzeugung thermischer
Energie zur partiellen Freisetzung des Matrixwerkstoffes in die Gasphase durch
Verdampfung und Faserbruchstücken durch Herausbrechen kleinster Partikel und Fasern,
so dass innerhalb der Prozesszone im Bearbeitungsraum mit signifikanten Konzentrationen
lungengängiger Partikel und Fasern (unterschiedlicher Dimensionen) zu

Seite 2 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben Nr. 21.269 N
rechnen ist. Gesundheitlichen Auswirkungen der Freisetzung von einatembaren Faserbruchstücken
bei der Bearbeitung von von Faserverbundkunststoffen und evtl. auftretende
Langzeitfolgen für den Menschen sind Gegenstand intensiver Forschung (siehe [1], [2],
[3])
Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die gefahrstoffhaltige Prozessabluft mit den am
Markt existierenden industriellen Erfassungs- und Filtersystemen unmittelbar erfasst und
abgesaugt. Die erforderliche Filtertechnik lässt sich in der Regel ohne Weiteres so auslegen,
dass die Grenzwerte gemäß TA-Luft [4] eingehalten werden.
Ebenso ist bei (teil-) geschlossenen Roboter- bzw. Laserkabinen während der Laserbearbeitungsprozesse
der Schutz der Beschäftigten gemäß Gefahrstoffverordnung (Gef-
StoffV [5]) prinzipiell gewährleistet. Vor diesem Hintergrund und insbesondere im Vergleich
zu konventionellen laserbasierten Prozessen der Kunststoffbearbeitung wie dem
Lasertrennen, Laserbohren, Laserfügen und Laser-Durchstrahlschweißen stellt, der
durch zusätzlich generierte lungengängige, elektrisch leitfähige Fasern eine Erhöhung
des Gefährdungspotenzials dar. Des Weiteren entstehen Partikel und Fasern, die nicht
luftgetragen sind und einen intensiven Kontakt mit diesen abgeschiedenen Prozessemissionen
mit sich bringt.
Eine direkte Folge der Wissenslücken ist neben den Defiziten im Hinblick des inhalativen
Expositionsrisikos eine erhöhte Unsicherheit hinsichtlich der Gefahren durch Gefahrstoffverschleppung
in andere Bereiche der betrachteten kmUs, z. B. in Büro- und Aufenthaltsräume,
oder bis ins häusliche Umfeld der betroffenen Mitarbeiter (siehe Abb. 1.1).
Zu dieser Fragestellung existieren bislang keine systematischen Kenntnisse.
Primäres Projektziel war, die bestehenden Wissenslücken bzgl. Kontamination und Verschleppung
bei der laserbasierten trennenden Bearbeitung von FVK durch eine ganzheitliche
Betrachtung zu schließen und den kmU öffentlich verfügbare, leicht zugängliche
Informationen und Anleitungen zur optimierten Organisation von Arbeitsabläufen und zur
sicheren Gestaltung der Arbeitsplätze der Mitarbeiter in der Fertigung FVK-basierter
Werkstücke zur Verfügung zu stellen. Dies wird Hemmschwellen bei der Verbreitung von
FVK-Fertigungsverfahren senken und den Nutzen für kmU durch den sicheren Umgang
bei der individualisierten Herstellung von solchen Produkten steigern.
Abb. 1.1:
Motivation zur Durchführung des Vorhabens

Seite 3 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben Nr. 21.269 N
1.1. Stand von Wissenschaft und Technik
1.1.1. Gefährdungspotenzial von faserhaltigen Stäuben
In industriellen Fertigungsketten werden in Anlagen zur Bearbeitung von FVK-Bauteilen
bisher häufig spanende oder abtragende Bearbeitungsverfahren eingesetzt, um die Bauteile
auf Endkontur zu bringen. Während ihrer Tätigkeit kommen die Anlagenbediener mit
partikel- und gasförmigen Stoffen in Kontakt. Diese Stoffe entstehen je nach Prozess
durch mechanische Krafteinwirkung als staubförmiger Abrieb oder durch Zersetzungsprozesse
von Polymermatrix und Faserverstärkung infolge der eingebrachten thermischen
Energie (auch infolge Reibung). Die freigesetzten Stoffe enthalten neben sphärischen
Partikeln auch potenziell gesundheitsgefährdende Fasern und Faserbruchstücke
sowie flüchtige organische Komponenten (VOC), die als Zersetzungsprodukte der Polymermatrix
in die Gasphase gelangen. Eine wesentliche Gefährdung der Anlagenbediener
geht dabei von giftigen sowie krebserzeugenden, erbgutverändernden und reproduktionstoxischen
Stoffen, den sog. KMR-Stoffen, aus.
Ausgehend von ermittelten relevanten Literaturquellen bzw. Untersuchungsergebnissen
[6-14] sowie von Sicherheitsdatenblättern für eingesetzte CFK und GFK kann die Gefährdungssituation
beim Laserschneiden von FVK wie folgt zusammengefasst werden:
Der Einsatz der Lasertechnik bei der FVK-Bearbeitung erfordert ein aufmerksames und
sicheres sicherheitsbewusstes Verhalten der Mitarbeiter, um gesundheitliche Risiken zu
minimieren. Nach [15] werden die mit Laserprozessen verbundenen Tätigkeiten wie Bestücken,
Rüsten und Einstellen der Maschine je nach Dauer der Expositionskategorie 1
(< 50.000 Fasern/m³ gemäß [16] und 1/10 des allg. Staubgrenzwertes gemäß [17]) oder
2 (50.000 bis 250.000 Fasern/m³ gemäß [16] und/oder 1/10 des allg. Staubgrenzwertes
gemäß [5]) zugeordnet. Für jede Expositionskategorie werden in [15] allgemeine Schutzmaßnahmen
definiert, z.B. die Vermeidung des Hautkontakts mit faserhaltigen Stäuben
durch das Tragen langärmliger Arbeitskleidung sowie des Einatmens von Stäuben mittels
geeigneter Atemschutzmasken. Das Erfassen und Absaugen freigesetzter Gefahrstoffe
an der Entstehungsstelle sowie die Vermeidung des Staubabblasens mit Druckluft und
die Verwendung spezieller Industriestaubsauger für die Reinigung ist vorzusehen. Hier
können auch die EMKG-Schutzleitfäden der BAuA [18] genutzt werden. Die Exposition
mit Gefahrstoffgemischen, die neben mechanisch generierten Faserfragmenten und
sphärischen Partikeln auch Gefahrstoffe aus der thermischen Zersetzung des Verbundes
aus Polymermatrix und Faserverstärkung enthalten, wird in [23] nicht betrachtet. Hingewiesen
wird lediglich darauf, dass eine entsprechende Gefährdungsbeurteilung zum Arbeitsplatz
durchzuführen ist. Dafür sind in [5] die anzuwendenden Luftgrenzwerte für partikel-
und gasförmige Gefahrstoffe erfasst. Für ggf. enthaltene KMR-Stoffe ist die TRGS
910 [19] anzuwenden, in der Akzeptanz- und Toleranzrisiken, zugehörige Konzentrationen
sowie ein risikobezogenes Maßnahmenkonzept definiert ist.
Auf Basis der genannten Referenzen können gesundheitsgefährdende Bedingungen
nach fachgerechter Messung der inhalativen Exposition gemäß TRGS 402 [20] bewertet
werden. Messverfahren, die sich gemäß [20] umsetzen lassen, sind prinzipiell in der DIN
EN 482 [21] für Partikelexpositionen sowie in der VDI 3492 [22] und der ISO 14966 [23]