Absauganlagen

Sichere Prozesse bedeuten reine Luft für Ultrakurzpuls-Laser

| Autor / Redakteur: Dr. Stefan Jakschik und Dr. Volker Türschmann / Frauke Finus

Um der Charakterisierung der Partikelphase an einem UKP-Laser auf den Grund zu kommen, wurde ein Messaufbau aus Absaugrohr, Messstrecke und dem Absauggerät LAS 200 installiert.
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Um der Charakterisierung der Partikelphase an einem UKP-Laser auf den Grund zu kommen, wurde ein Messaufbau aus Absaugrohr, Messstrecke und dem Absauggerät LAS 200 installiert. (Bild: ULT)

Der Absaug- und Filteranlagen-Spezialist ULT verfolgt neue Entwicklungen in der Bearbeitungstechnik immer aufmerksam, um begleitend dazu passende Lösungen zu entwickeln. In der Laserbearbeitung wurde jetzt speziell für den Ultrakurzpuls-Laser eine Verfahrensforschung zur Charakterisierung der Partikelphase durchgeführt.

Die ULT AG verfolgt neue Entwicklungen in der Bearbeitungstechnik seit jeher sehr aufmerksam, ganz besonders im Bereich der Laserbearbeitung. Aus dem „Blick voraus“ resultieren zum Beispiel eine Reihe von Entwicklungen für die Verfahrenssicherheit bei der Strukturierung von Siliziumwafern in der Photovoltaikindustrie oder für die großtechnische Produktion von Hochleistungsbatteriezellen.

Bezogen auf den Ultrakurzpuls-Laser erhebt sich die Frage nach der Art der Partikel, die mit dem spezifischen Ablationsprozess entstehen und in die Umwelt gelangen. Die Betreiber der Anlagen unterliegen der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV). Diese fordert, dass Gefahrstoffe direkt an der Entstehungs- und Austrittsstelle erfasst und ohne Gefahr für Mensch, Maschine und Umwelt entsorgt werden. Aufgrund der langjährigen Erfahrungen der ULT-Ingenieure im Bereich der Schadstoffbeseitigung bei lasergestützten Materialbearbeitungsprozessen drängt sich eine Vermutung auf. Je fokussierter und höher frequenter die Energie in den Bearbeitungsprozess eingebracht wird, desto winziger sind die partikulären Bestandteile der Aerosole.

Eine ganze Reihe von Lasersystemen bestätigt diese Tendenz und erfordert deshalb speziell angepasste Filtersysteme, um Prozess, Mitarbeiter und Umwelt nicht negativ zu beeinflussen, beziehungsweise den Betreiber vorbeugend von Schadenersatzansprüchen freizuhalten. Diese könnten gegebenenfalls berechtigt in späteren Zeiträumen geltend gemacht werden. Neben dem Schutz des Menschen vor Gefahrstoffen ist reine Luft auch die Bedingung für die Funktionsfähigkeit der Maschinen und die Qualität der Produkte.

Alles genauestens unter die Lupe genommen

Ziel der Untersuchung war die Charakterisierung der Partikelphase an einem UKP-Laser. Die Frage war, welchen Einfluss die verschiedenen Prozess-Parameter auf die Partikelgrößenverteilung nehmen, des Weiteren welche Konzentration die freigesetzten Partikel an einer Laserstrukturieranlage, einem Pikosekunden-Laser, aufweisen. Zudem wurde untersucht, welchen Einfluss das Material (Edelstahl, Silizium, Keramik) auf die Partikelgrößenverteilung hat. Die Zielsetzung für die ULT-Ingenieure bestand in der Ableitung von Schlussfolgerungen für die Konstruktion prozesssicherer Anlagen zur Luftreinigung für einen umwelttechnisch akzeptablen Betrieb von UKP-Lasern.

Repetitionsrate, Laserleistung, Entfernung und Position der Erfassungseinrichtung, Abscheideleistung des Filtergerätes und der Einfluss des abgetragenen Materials waren Gegenstand der Untersuchung. Diese Parameter und deren Einfluss auf die Partikelemission bei Bearbeitung verschiedener Materialien mit dem UKP-Laser wurden genauestens unter die Lupe genommen. Dabei wurden die Einflüsse auf Partikelanzahl, -konzentration und -verteilung bestimmt. Zur Umsetzung des Untersuchungsauftrages hat das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) zusammen mit dem Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) an einem Ultrakurzpulslaser einen Messaufbau aus Absaugrohr, Messstrecke und Absauggerät installiert.

Erfassung der Schadstoffe muss am Ort der Entstehung erfolgen

Im ersten Schritt der Untersuchung haben die Experimentatoren den Einfluss der Repetitionsrate auf die Partikelgrößenverteilung und die Anzahlkonzentration der Emissionen bei der Bearbeitung von Edelstahl untersucht. Bis zu einer Repetitionsrate von 500 kHz betrifft dies vor allem Partikel mit einer Größe von etwa 70 nm bei mittlerer bis hoher Anzahlkonzentration, nachweislich auch bei der industriell üblichen Frequenz von 200 kHz. Die Partikelgröße von etwa 100 nm stellt ein Maximum im Aufkommen des Partikelspektrums bei der Bearbeitung von Edelstahl mit dem Kurzpulslaser dar.

Ultrafeine Partikel um 100 nm oder kleiner gelten als „lungengängig“. Das bedeutet, sie können in Lungenbläschen eindringen. Nanopartikel durchdringen die natürlichen Barrieren des menschlichen Körpers und können auf Dauer schwere Schädigungen verursachen. Sie sind deshalb zwingend aus der Biosphäre herauszuhalten.

Eine Vergrößerung des Abstands zur Emissionsquelle um 5 cm führt zu einer um etwa 60 % verringerten Partikelkonzentration in der Abluft. Eine Vergrößerung des Abstands um insgesamt 20 cm führt zu einer Verringerung um 95 %, bezogen auf den Abstand 0 cm. Daher lautet der Anspruch an den Konstrukteur: Die Erfassung der Schadstoffe muss direkt am Ort der Entstehung erfolgen. Auch bei schnell bewegten und veränderlichen Bearbeitungspunkten beziehungsweise Bearbeitungsflächen muss die Erfassungsreinrichtung mitgeführt werden. Je nach Anwendungsfall verwendet ULT Erfassungs- und Transferelemente aus dem Alsident-System, wenn erforderlich, kombiniert mit speziell konstruierten und eigens gefertigten Erfassungselementen.

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