„Metodyka określania wymagań bezpieczeństwa podczas projektowania i wytwarzania maszyny wyposażonej w zestaw laserowy”
Rodzaj maszyny oraz funkcja jaką ma spełniać wiązka laserowa emitowana w tej maszynie determinuje rodzaj i moc zastosowanego w niej lasera. Parametry czasowo-energetyczne wiązki laserowej dostosowywane są do procesu technologicznego (spawanie, cięcie, grawerowanie, znakowanie, drążenie itp.) lub innego zastosowania lasera w danej maszynie (np. jako laser wskaźnikowy, naprowadzający itp.).
Projektant określa podczas projektowania i wytwarzania maszyny wyposażonej w urządzeni laserowe : klasę bezpieczeństwa laserowego, i stosowanie do uzyskanej klasy zapewnia odpowiednie środki ochrony a w przypadku maszyn do obróbki laserowej również dodatkowe osłony laserowe.
Projektant danej maszyny wybiera określony laser lub zestaw laserowy, który stanowi składową część danej maszyny i na tym etapie dysponując danymi czasowo -energetycznymi zastosowanego lasera (moc, energia, długość fali, tryb pracy itp.) może określić jego klasę bezpieczeństwa lub klasa ta jest już określona przez producenta stosowanego zestawu laserowego.
Charakterystyka oraz kryteria określania klasy bezpieczeństwa laserowego dokładnie opisane są w normie PN-EN 60825-1:2010 Bezpieczeństwo urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu i wymagania. Opisy poszczególnych klas bezpieczeństwa opisuje poniższa tabela.
|
Klasa |
Określenie zagrożeń związanych z użytkowaniem |
Zakres długości fal emitowanego promieniowania |
|
1 |
Lasery, które są bezpieczne w racjonalnie przewidywalnych warunkach pracy, także w przypadku patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne. Są to lasery małej mocy lub wiązka jest całkowicie osłonieta. |
180 nm – 1mm Promieniowanie widzialne i niewidzialne |
|
1M |
Lasery, które są bezpieczne w racjonalnie przewidywalnych warunkach pracy, ale mogą stanowić zagrożenie, jeśli użytkownik wprowadzi elementy optyczne w tor wiązki. |
302,5 nm – 4000 nm Promieniowanie widzialne i niewidzialne |
|
2 |
Lasery emitujące promieniowanie widzialne, gdzie ochrona oka jest w naturalny sposób zapewniona przez reakcje awersyjne, włącznie z odruchem mrugania (0,25 s). Można się spodziewać, że ta reakcja zapewni odpowiednią ochronę w racjonalnie przewidywalnych warunkach pracy, także w przypadku patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne. Maksymalna moc laserów pracy ciągłej w tej klasie wynosi 1 mW |
400 nm - 700 nm Promieniowanie widzialne |
|
2M |
Lasery emitujące promieniowanie widzialne, gdzie ochrona oka jest w naturalny sposób zapewniona przez reakcje awersyjne, włącznie z odruchem mrugania. Jednak patrzenie w wiązkę promieniowania może stanowić zagrożenie, jeśli użytkownik wprowadzi elementy optyczne w tor wiązki. |
400 nm - 700 nm Promieniowanie widzialne |
|
3R |
Lasery potencjalnie zagrażające przy bezpośrednim patrzeniu w wiązkę, jednak z mniejszym ryzykiem niż lasery klasy 3B oraz mniej licznymi wymaganiami dotyczącymi produkcji i środków kontroli przez użytkownika, niż dla laserów klasy 3B. Maksymalna moc laserów pracy ciągłej w tej klasie wynosi 5 mW (w zakresie widzialnym) |
180 nm do 1 mm Promieniowanie widzialne i niewidzialne |
|
3B |
Lasery zazwyczaj zagrażające przy bezpośrednim patrzeniu w wiązkę. Patrzenie na odbite promieniowanie rozproszone jest zazwyczaj bezpieczne. Maksymalna moc laserów pracy ciągłej w tej klasie wynosi 500 mW (0,5 W) |
180 nm do 1 mm Promieniowanie widzialne i niewidzialne |
|
4 |
Lasery, które mogą wytworzyć zagrożenie także przy odbiciach rozpraszających. Mogą powodować obrażenia skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Ich obsługa wymaga szczególnej ostrożności. Moc laserów pracy ciągłej w tej klasie jest powyżej 0,5W. |
180 nm do 1 mm Promieniowanie widzialne i niewidzialne |
Uwaga:
Maszyny do obróbki laserowej (spawanie, cięcie itp.) wykorzystują zazwyczaj lasery klasy 4 (rzadziej 3B). Lasery do naprowadzania lub wskaźnikowe w maszynach to zazwyczaj lasery klasy 2 (rzadziej 3R).
W zależności od obudowania wiązki laserowej, wprowadzenia ograniczników wiązki, ekspanderów lub elementów optycznych w torze wiązki klasa bezpieczeństwa laserowego danej maszyny może być inna niż lasera wbudowanego w maszynę. Stąd istnieje konieczność określania klasy bezpieczeństwa laserowego dla maszyny.
Ø Określenie klasy bezpieczeństwa lasera (na podstawie normy PN-EN 60825-1:2010)
Po zaprojektowaniu maszyny projektant powinien określić obliczeniowo klasę lasera , która jest weryfikowana pomiarowo po wytworzeniu prototypu maszyny.
Klasyfikacja bezpieczeństwa lasera dokonywana jest na podstawie granicy emisji dostępnej (GED), tj. maksymalnego poziomu promieniowania emitowanego z lasera, dozwolonego w obrębie danej klasy laserów. Aby określić klasę bezpieczeństwa laserowego należy wyznaczyć poziom promieniowania laserowego – tzw. emisję dostępną (gdy rozważany jest dostęp ludzi do urządzenia), która jest porównywana z granicą emisji dostępnej (GED).
Poziom emisji dostępnej powinien być określony dla warunków eksploatacji, obsługi technicznej i serwisu danej maszyny i określona klasa bezpieczeństwa laserowego może być inna dla ww. różnych etapów użytkowania maszyny.
Wartości GED są odniesione do długości fali promieniowania laserowego i czasu trwania emisji. Przy ich określaniu uwzględnia się czy źródło laserowe można traktować jako punktowe czy jako rozciągłe (na podstawie wyznaczonego kąt widzenia źródła obserwowalnego, którego sposób wyznaczania opisano w normie PN-EN 60825-1:2010). Przy określaniu klasy bezpieczeństwa laserowego należy odpowiednio przyjmować czasy emisji: 0,25 s, 100 s i 30000 s a w przypadku laserów impulsowych dodatkowo przyjmuje się czas trwania pojedynczego impulsu oraz czas T dla którego grupy impulsów są sumowane (tablica 3 w normie PN-EN 60825-1:2010).
Wartości GED wyrażone są najczęściej jako moc [W] lub energia [J] promieniowania a w przypadku nadfioletu z zakresu 180 – 302,5 nm dla klasy 1, 1M oraz 3R jako natężenia napromienienia [W/m2] lub napromienienie [J/m2]. Wartości GED podane są w tablicach od 4 do 9 w normie PN-EN 60825-1.
Ø Określenie innych wymagań bezpieczeństwa w zależności od wyznaczonej klasy lasera (na podstawie normy PN-EN 60825-1:2010)
W przypadku wszystkich klas urządzeń laserowych wymagana jest obudowa ochronna, gdyż ogranicza dostęp niezbędny dla zapewnienia bezpieczeństwa funkcjonowania urządzenia.
Klasa 1 powinna posiadać:
Ø Blokadę bezpieczeństwa w obudowie ochronnej tak zaprojektowana, aby zapobiec usunięciu płyty, dopóki wartości dostępnej emisji są poniżej tych wartości dla klasy 3R
Ø Zabezpieczenia aby uszkodzenie skanowania nie powodowało przekroczenia klasyfikacji urządzenia
Ø Etykietę klasy- wymagany napis
Ø Etykietę odłączenia blokady, gdy ma to zastosowanie
Ø Etykietę zakresu długości fali, jeśli dotyczy promieniowania z zakresu niewidzialnego
Ø Instrukcję obsługi z zaleceniami bezpiecznego stosowania dla użytkownika
Ø Broszura handlowa i serwisowa powinna określać klasę wyrobu i zawierać informacje o bezpieczeństwie
Klasa 1M powinna posiadać:
Ø Blokadę bezpieczeństwa w obudowie ochronnej tak zaprojektowana, aby zapobiec usunięciu płyty, dopóki wartości dostępnej emisji są poniżej tych wartości dla klasy 3R
Ø Zabezpieczenia aby uszkodzenie skanowania nie powodowało przekroczenia klasyfikacji urządzenia
Ø Etykietę klasy – wymagany napis
Ø Etykietę odłączenia blokady, gdy ma to zastosowanie
Ø Etykietę dostępu serwisowego
Ø Etykietę zakresu długości fali, jeśli dotyczy promieniowania z zakresu niewidzialnego
Ø Instrukcję obsługi z zaleceniami bezpiecznego stosowania dla użytkownika z dodatkową informacją o nie spoglądaniu bezpośrednio przez przyrządy optyczne w wiązkę laserową
Ø Broszura handlowa i serwisowa powinna określać klasę wyrobu i zawierać informacje o bezpieczeństwie
Klasa 2 powinna posiadać:
Ø Blokadę bezpieczeństwa w obudowie ochronnej tak zaprojektowana, aby zapobiec usunięciu płyty, dopóki wartości dostępnej emisji są poniżej tych wartości dla klasy 3R
Ø Zabezpieczenia aby uszkodzenie skanowania nie powodowało przekroczenia klasyfikacji urządzenia
Ø Taka optykę wizyjną, aby emisja ze wszystkich systemów wizyjnych była poniżej GED dla klasy 1M
Ø Etykietę klasy –rysunek znaku zagrożenia promieniowaniem laserowym oraz napis
Ø Etykietę odłączenia blokady, gdy ma to zastosowanie
Ø Etykietę dostępu serwisowego
Ø Etykietę zakresu długości fali, jeśli dotyczy promieniowania z zakresu niewidzialnego
Ø Instrukcję obsługi z zaleceniami bezpiecznego stosowania dla użytkownika
Ø Broszura handlowa i serwisowa powinna określać klasę wyrobu i zawierać informacje o bezpieczeństwie
Klasa 2M powinna posiadać:
Ø Blokadę bezpieczeństwa w obudowie ochronnej tak zaprojektowana, aby zapobiec usunięciu płyty, dopóki wartości dostępnej emisji są poniżej tych wartości dla klasy 3R
Ø Zabezpieczenia aby uszkodzenie skanowania nie powodowało przekroczenia klasyfikacji urządzenia
Ø Taka optykę wizyjną, aby emisja ze wszystkich systemów wizyjnych była poniżej GED dla klasy 1M
Ø Etykietę klasy –rysunek znaku zagrożenia promieniowaniem laserowym oraz napis
Ø Etykietę odłączenia blokady, gdy ma to zastosowanie
Ø Etykietę dostępu serwisowego
Ø Etykietę zakresu długości fali, jeśli dotyczy promieniowania z zakresu niewidzialnego
Ø Instrukcję obsługi z zaleceniami bezpiecznego stosowania dla użytkownika z dodatkową informacją o nie spoglądaniu bezpośrednio przez przyrządy optyczne w wiązkę laserową
Ø Broszura handlowa i serwisowa powinna określać klasę wyrobu i zawierać informacje o bezpieczeństwie
Klasa 3R powinna posiadać:
Ø Blokadę bezpieczeństwa w obudowie ochronnej tak zaprojektowana, aby zapobiec usunięciu płyty, dopóki wartości dostępnej emisji są poniżej tych wartości dla klasy 3B lub 3R dla niektórych urządzeń
Ø Zabezpieczenia aby uszkodzenie skanowania nie powodowało przekroczenia klasyfikacji urządzenia
Ø Urządzenie ostrzegające przed emisją (wizualne lub dźwiękowe), gdy emitowane jest promieniowanie niewidzialne
Ø Sterowanie położeniem tak, aby sterowania była tak rozmieszczone, że nie ma zagrożenia ekspozycją na GED powyżej klasy 1 i 2, gdy przeprowadzane sa regulacje
Ø Taką optykę wizyjną, aby emisja ze wszystkich systemów wizyjnych była poniżej GED dla klasy 1M
Ø Etykietę klasy –rysunek znaku zagrożenia promieniowaniem laserowym oraz napis
Ø Etykietę otworu wyjściowego- wymagany jest napis
Ø Etykietę odłączenia blokady, gdy ma to zastosowanie
Ø Etykietę dostępu serwisowego
Ø Etykietę zakresu długości fali, jeśli dotyczy promieniowania z zakresu niewidzialnego
Ø Instrukcję obsługi z zaleceniami bezpiecznego stosowania dla użytkownika
Ø Broszura handlowa i serwisowa powinna określać klasę wyrobu i zawierać informacje o bezpieczeństwie
Klasa 3B powinna posiadać:
Ø Blokadę bezpieczeństwa w obudowie ochronnej tak zaprojektowana, aby zapobiec usunięciu płyty, dopóki wartości dostępnej emisji są poniżej tych wartości dla klasy 3B lub 3R dla niektórych urządzeń
Ø Łącznik zdalnej blokady, który pozwala na ;łatwe dodanie zewnętrznej blokady w instalacji laserowej
Ø Uruchamianie kluczem tak, aby po usunięciu klucza laser nie pracował
Ø Zabezpieczenia aby uszkodzenie skanowania nie powodowało przekroczenia klasyfikacji urządzenia
Ø Urządzenie ostrzegające przed emisją (wizualne lub dźwiękowe), gdy laser jest włączony lub bateria kondensatorów lasera impulsowego jest ładowana
Ø Sterowanie położeniem tak, aby sterowania była tak rozmieszczone, że nie ma zagrożenia ekspozycją na GED powyżej klasy 1 i 2, gdy przeprowadzane są regulacje
Ø Tłumik wiązki, który umożliwia czasowe zablokowanie wiązki
Ø Taką optykę wizyjną, aby emisja ze wszystkich systemów wizyjnych była poniżej GED dla klasy 1M
Ø Etykietę klasy –rysunek znaku zagrożenia promieniowaniem laserowym oraz napis
Ø Etykietę otworu wyjściowego- wymagany jest napis
Ø Etykietę odłączenia blokady, gdy ma to zastosowanie
Ø Etykietę dostępu serwisowego
Ø Etykietę zakresu długości fali, jeśli dotyczy promieniowania z zakresu niewidzialnego
Ø Instrukcję obsługi z zaleceniami bezpiecznego stosowania dla użytkownika
Ø Broszura handlowa i serwisowa powinna określać klasę wyrobu i zawierać informacje o bezpieczeństwie
Klasa 4 powinna posiadać:
Ø Blokadę bezpieczeństwa w obudowie ochronnej tak zaprojektowana, aby zapobiec usunięciu płyty, dopóki wartości dostępnej emisji są poniżej tych wartości dla klasy 3B lub 3R dla niektórych urządzeń
Ø Łącznik zdalnej blokady, który pozwala na ;łatwe dodanie zewnętrznej blokady w instalacji laserowej
Ø Resetowanie ręczne, gdy nastąpi przerwa w zasilaniu lub zadziała łącznik zdalnej blokady
Ø Uruchamianie kluczem tak, aby po usunięciu klucza laser nie pracował
Ø Zabezpieczenia aby uszkodzenie skanowania nie powodowało przekroczenia klasyfikacji urządzenia
Ø Urządzenie ostrzegające przed emisją (wizualne lub dźwiękowe), gdy laser jest włączony lub bateria kondensatorów lasera impulsowego jest ładowana
Ø Sterowanie położeniem tak, aby sterowania była tak rozmieszczone, że nie ma zagrożenia ekspozycją na GED powyżej klasy 1 i 2, gdy przeprowadzane są regulacje
Ø Tłumik wiązki, który umożliwia czasowe zablokowanie wiązki
Ø Taką optykę wizyjną, aby emisja ze wszystkich systemów wizyjnych była poniżej GED dla klasy 1M
Ø Etykietę klasy –rysunek znaku zagrożenia promieniowaniem laserowym oraz napis
Ø Etykietę otworu wyjściowego- wymagany jest napis
Ø Etykietę odłączenia blokady, gdy ma to zastosowanie
Ø Etykietę dostępu serwisowego
Ø Etykietę zakresu długości fali, jeśli dotyczy promieniowania z zakresu niewidzialnego
Ø Instrukcję obsługi z zaleceniami bezpiecznego stosowania dla użytkownika
Ø Broszura handlowa i serwisowa powinna określać klasę wyrobu i zawierać informacje o bezpieczeństwie
Ø Projektowanie osłon do maszyn do obróbki laserowej
Ważną normą techniczną podczas projektowania maszyn z systemami laserowymi jest norma PN-EN 60825-4:2010 Bezpieczeństwo urządzeń laserowych – Część 4. Osłony laserowe. Przedstawione są w niej wymagania odnośnie do osłon laserowych, które osłaniają strefę działania maszyny do obróbki laserowej i specyfikacje specjalistycznych osłon laserowych. Sa to osłony przed szkodliwym działanie promieniowania laserowego odbitego w sposób rozproszony lub kierunkowy. Przedstawia informacje jak dobrać osłonę laserową oraz jak ocenić i określić właściwości ochronne osłony laserowej. Norma ta dotyczy wszystkich części składowych osłony łącznie z przezroczystymi ekranami i oknami do podglądu, panelami oraz laserowymi kurtynami i ścinakami.
Projektowana osłona laserowa powinna spełniać ponadto wymagania normy PN-EN ISO 12100: 2012 Bezpieczeństwo maszyn. Ogólne zasady projektowania . Ocena ryzyka i zmniejszanie ryzyka (pkt 6.3.2) z uwzględnieniem ogólnych wymagań dotyczących osłon a także bardziej specjalistyczne wymagania , z uwzględnieniem jej lokalizacji i sposobów mocowania.
Przy projektowaniu osłon należy zapewnić, aby:
Ø jej przednia powierzchnia poddawana ekspozycji na promieniowanie laserowe w przewidywanej granicy ekspozycji zapobiegała pojawieniu się na jej tylnej powierzchni promieniowania laserowego przekraczającego GED dla klasy 1 przez cały czas miedzy kontrolami nadzorczymi (w przypadku automatycznych maszyn do obróbki laserowej minimalny dostęp miedzy kontrolami wynosi 8 h)
Ø nie zwiększała ona jakiegokolwiek towarzyszącego zagrożenia (np. wysoka temperatura, uwolnienie toksycznych związków z materiału, ogień, eksplozja) na jej tylnej powierzchni lub poza nią, gdy jest ona eksponowana na promieniowanie laserowe aż do granicy ekspozycji przewidywanej.
Należy zwrócić uwagę, że niektóre materiały mogą tracić właściwości ochronne w wyniku starzenia, ekspozycji na promieniowanie UV, działanie gazów, temperatury itp.
Wyróżnia się osłony laserowe pasywne (działanie wynikające z właściwości fizycznych osłony) i aktywne (osłony, które są częściami systemu nadzoru związanego z bezpieczeństwem; system sterowania wytwarza blokujący sygnał osłony aktywnej w odpowiedzi na działanie promieniowania laserowego na przednia powierzchnie osłony).
Dobór osłon laserowych polega na(PN-EN 60825-4:2010):
- określeniu preferowanego położenia osłony i oszacowaniu granicy ekspozycji przewidywanej (GEP tj maksymalnej ekspozycji laserowej przedniej powierzchni osłony laserowej w odstępnie miedzy dwoma kolejnymi kontrolami nadzorczymi, oszacowana w normalnych i racjonalnie przewidywanych warunkach uszkodzenia) dla tego położenia;
- zminimalizowaniu GEP w warunkach niezdatności (gdy to konieczne), poprzez:
ü wyposażenie maszyny w automatyczne monitorowanie lub
ü upewnienie się, że osłona laserowa jest dostatecznie odległa od ogniska wiązki lub
ü zainstalowanie wrażliwej części osłony daleko od obszarów , które mogą być eksponowane na duże natężenie napromienienia lub
ü odsunięcie osłony laserowej poza strefę obróbki laserowej lub
ü uwzględnienie w konstrukcji maszyny elementów sterowania wiązką w celu ułatwienia polepszonego kontrolowania wiązki laserowej .
Najprostszym rozwiązaniem jest zawsze osłona pasywna. Ale jeśli GEP nie może być zredukowane do wartości , przy której materiał osłonowy zapewnia odpowiednią ochronę w postaci pasywnej osłony, wtedy może być zawsze stosowana osłona aktywna.
Sposób szacowania GEP podano załączniku B normy PN-EN 60825-4:2010
Przy projektowaniu maszyn do obróbki laserowej należy uwzględnić wymagania bezpieczeństwa zawarte w dwóch częściach normy PN-EN ISO 11553: 2010 Bezpieczeństwo maszyn . Maszyny do obróbki laserowej.
Ø Część 1 Ogólne wymagania bezpieczeństwa – dotyczy urządzeń laserowych które są wytwarzane wyłącznie i specjalnie do zastosowań w fotolitografii, stereo litografii, holografii, medycynie, przechowywania danych.
Ø Część 2. Wymagania bezpieczeństwa dotyczące ręcznych przyrządów do obróbki laserowej – dotyczy urządzeń , które są ręcznie trzymane lub ręcznie obsługiwane i nie są wymienione w części 1 ww. normy.
Przy projektowaniu rodzaju ochrony należy ustalić:
- kierunek rozchodzenia się wiązki laserowej (ustalony, zmienny) względem przedmiotu obrabianego
- rodzaj wykonywanej operacji (cięcie, spawanie itp.)
- materiał i kształt przedmiotu obrabianego
- zamocowanie przedmiotu obrabianego
- widoczność strefy obróbki
W normie PN-EN 60825-4:2010 można znaleźć wytyczne dotyczące :
- rozmieszczenia i instalacji osłon laserowych zawarte są w załączniku E
- projektowania i konstrukcji osłony w załączniku F
- wymagań dla płyt dostępu i blokady bezpieczeństwa w załączniku G
.
· Maszyny do spawania lub cięcia wiązką laserową CO2
W przypadku projektowania maszyny do cięcia lub spawania laserem CO2 w układzie dwuosiowym projektant powinien uwzględnić wymagania trzech części normy PN-EN ISO 15616 Badania odbiorcze maszyn do wysokiej jakości spawania i cięcia wiązka laserową CO2:
- Część 1Zasady ogólne, warunki odbioru
- Część 2Pomiary dokładności statycznej i dynamicznej
- Część 3 . Wzorcowanie przyrządów do pomiaru przepływu i ciśnienia gazu