Absauganlagen

Sichere Prozesse bedeuten reine Luft für Ultrakurzpuls-Laser

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Neben dem Abstand wurde die Höhe der vertikalen Mittelachse des Ansaugstutzens über dem Bearbeitungspunkt variiert. Da der Scannerkopf nahe an der Werkstückoberfläche angeordnet war, hatte die Erfassungshöhe nur unbedeutenden Einfluss auf die Position des Maximums der Partikelgrößenverteilung. In jedem Fall ist zu gewährleisten, dass die Erfassungseinrichtung sehr nah am Entstehungsort der Schadstoffe positioniert wird und gegebenenfalls bei örtlich veränderbaren Prozessen automatisch nachgeführt wird.

Die strömungstechnischen Bedingungen bewirken, dass der erzielbare Erfassungsgrad für die Gesamtanlage die gleich hohe Bedeutung wie der eigentliche Wirkungsgrad des Filtergerätes hat. Extreme Filterabscheidegrade bleiben ohne Effekt für die Luftreinhaltung, sofern nicht die Gefahrstoffe hochgradig erfasst werden. Zudem hat die Erfassung einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch einer Absauganlage. Schon eine Verdopplung des Abstandes kann zu einem vierfachen Volumenstrom und somit zu einem achtfachen Energieverbrauch führen. Die richtige Wahl des Erfassungselementes verbessert dessen Wirkungsbereich und sichert eine hohe Absaugqualität bei Reduzierung der Unterhaltskosten.

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Bezogen auf die Abscheideleistung des Filtergeräts haben die Untersuchungen Folgendes ergeben: Nach dem Passieren des Filtergeräts wird auf der Reingasseite Luft mit deutlich reduzierter Partikelkonzentration frei. Der Abscheidegrad des ULT-Filtergerätes mit spezifischen Hochleistungs-Filtermaterialien für Partikel >34 nm beträgt nahezu 100 %. Überraschenderweise haben die Versuche gezeigt, dass auch im Arbeitsprozess von Kurzpulslasern geringe Anteile thermisch beeinflusster Komponenten in Gestalt von Schmelzpartikeln auftreten können.

Regenerierbare Patronenfilter und nachgeschaltete Speicherfilter

Viel kritischer in Bezug auf die Luftreinigung ist die Ablagerung der Partikel in Gestalt einer „Nanowatte“. Ursache sind Bindungskräfte der abgetragenen Partikel untereinander, die zu einem kohäsiven Sinterprozess führen. Die Ablagerungen reduzieren rasch den Wirkungsgrad der Absauganlage oder erhöhen den Energiebedarf signifikant. Die Filter können bei unsachgemäßer Auswahl verblocken und im Extremfall sogar durchbrechen. Die Filteranlage muss deshalb eine Funktion zur Selbstreinigung aufweisen. Die Lösung der ULT-Ingenieure besteht in der Kombination von regenerierbarem Patronenfilter und nachgeschaltetem Speicherfilter.

Der Patronenfilter weist ein spezielles Regime zur selbsttätigen Abreinigung auf. Die nachfolgende Feinreinigung erfolgt unter Einsatz von Hepa-Filter-Typen mit sehr großer Oberfläche. So können auch für UKP-Prozesse die Prämissen der Energieeffizienz eingehalten und Betriebskosten begrenzt werden. Bei Erhöhung der Laserleistung steigt die Partikelkonzentration nicht im selben Maße. Über die verschiedenen Leistungsbereiche verschiebt sich das Maximum der Partikelgrößenverteilung geringfügig von 80 auf 69 nm. Der Einfluss der Laserleistung auf die Partikelverteilung hat somit wenig Bedeutung. Die Art des Filters kann beibehalten werden. Die Durchlassleistung, die Größe der Filter und die Einrichtung zur Partikelerfassung selbst müssen natürlich den Prozessbedingungen angepasst werden. Die Anzahl der am Bearbeitungsort freigesetzten Partikel und deren Größe sind materialabhängig.

Gefahr der Emission lungengängiger Feinstaubpartikel

Bei einer Repetitionsrate von 200 kHz stellte ULT bei der Bearbeitung von Edelstahl und Silizium ähnliche Konzentrationshöhen fest. Bei der Keramikbearbeitung hingegen fällt eine im Vergleich zur Edelstahlbearbeitung um 80 % niedrigere Partikelkonzentration an. Bei der Bearbeitung von Edelstahl und Keramik werden Partikel eines ähnlichen Größenspektrums frei. Bei der Bearbeitung von Silizium hingegen wurden größere Partikel festgestellt. Bei einer Repetitionsrate von 4000 kHz setzt die Keramik- beziehungsweise Siliziumbearbeitung eine ähnliche Partikelanzahl frei, während bei Edelstahl weniger Partikel entstehen.

Die Untersuchungen an der UKP-Laserstrukturierungsanlage von 3D-Micromac haben gezeigt, dass die Parameter Repetitionsrate und Abstand zwischen Erfassungseinrichtung und Bearbeitungsort die maßgeblichen Größen für die Partikelemission und deren Beseitigung sind. Die Tests zeigen eindeutig, dass die Gefahr der Emission lungengängiger Feinstaubpartikel besteht. Das Maximum der Partikelgrößenverteilung liegt bei etwa 100 nm. Mit steigender Laserleistung steigt erwartungsgemäß die Anzahl der Partikel. Die von ULT entwickelte Filterkombination aus abreinigbarem Patronenfilter und großflächigem H13-Taschenfilter eignet sich sehr gut für die Abscheidung der Partikel, welche bei der Bearbeitung von Edelstahl frei werden. Der Abscheidegrad für Partikel >34 nm beträgt nahezu 100 %.

Auswahl und Konstruktion der Erfassungseinrichtungen sowie deren Anbringung oder Nachführung sind entscheidend für den Erfolg der Bemühungen für einen sicheren Prozess und saubere Atmosphäre. Je nach Art des bearbeiteten Materials differiert das Partikelgrößen-Maximum im Spektrum der Gesamtpartikel, was allerdings auf die Konfiguration der Filtereinrichtung wenig Einfluss hat. Die Bearbeitung von Keramik und Silizium lässt eine höhere Partikelanzahl entstehen als Edelstahl, was bei Bemessung und Wartung der Filter zu berücksichtigen ist. Im Ergebnis der Untersuchungen und der konstruktiven Schlussfolgerungen daraus verfügt ULT über den technischen Vorlauf zur prozesssicheren Ausstattung von Kurzpulslaseranlagen mit Luftreinigungsanlagen.

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