W wyniku cięcia laserem powstaje bardzo wąska szczelina o prostopadłych krawędziach, dzięki czemu nie jest wymagana dodatkowa obróbka. Wykorzystuje się go również do wiercenia, zgrzewania, grawerowania czy ablacji. Technologie laserowe stosowane są też w technice drukarskiej i medycynie. Trudno się temu dziwić – laser ma bardzo dużo zalet: jest technologią niezawodną, brak fizycznego kontaktu głowicy laserowej z materiałem sprawia, że nie zużywa się ona w trakcie pracy, ponadto metoda ta umożliwia maksymalne wykorzystanie arkuszy metalu czy tworzyw sztucznych i zminimalizowanie odpadów. Pomimo jednak wielu korzyści obróbki laserowej ma ona kilka wad. Należy do nich – oprócz wysokich kosztów urządzenia i ograniczonej grubości ciętego arkusza – emisja pyłu i dymu, które są wydzielane w wyniku obróbki.

Pomimo tego, że obróbka laserowa jest procesem stosunkowo czystym, generuje niebezpieczne dymy i pyły – tłumaczy Wojciech Macek z Katedry Inżynierii i Bezpieczeństwa Pracy Politechniki Opolskiej. – Przykładowo podczas obróbki metalu powstają pyły zawierające m.in. metale ciężkie, które mogą gromadzić się w organizmie ludzkim. Poza czynnikami zdrowotnymi dym i pył laserowy mają ogromny wpływ na jakość pracy, zarówno samego pracownika, jak i maszyn, które mogą zostać uszkodzone przez zanieczyszczenia. W zależności od profilu produkcji mogą też wpływać na jakość wyrobu.

Efekty uboczne

Mimo że obrabiane laserowo materiały są nieszkodliwe, to już dym powstający w tym procesie – tak. Na przykład podczas obróbki powszechnie stosowanej żywicy akrylowej tworzą się trujące i drażniące opary, które w przypadku wysokich stężeń powodują groźne powikłania. Podobna sytuacja może wystąpić w przypadku obróbki laserowej miedzi, cynku i związków ołowiu. Spaliny bądź dym z obróbki laserowej to mieszanina gazu i cząstek stałych, z których 90% stanowią cząstki lotne o średnicy poniżej 1 mikrona, wchłaniane przez człowieka podczas oddychania. Związki te muszą więc być odprowadzane ze stanowiska pracy w celu zapobiegania chorobom i uszkodzeniom płuc. Pył z każdego rodzaju materiału może bowiem powodować problemy zdrowotne, gdy jego stężenie w powietrzu przekracza 10 mg/m3 w czasie 8-godzinnej ekspozycji. Podczas operacji typowego znakowania generowany jest średnio 1 mg/s, a w procesie typowego cięcia wytwarza się ponad 10 mg/s. Szczególnie niebezpieczne są nanocząsteczki, które wdychane przez człowieka pokonują barierę płuca–krew i docierają do układu nerwowego.

Podczas obróbki metalu powstają pyły zawierające m.in. metale ciężkie – wyjaśnia Wojciech Macek. – Natomiast podczas obróbki stopów metali uwalniane są zawarte w nich substancje, np. nikiel, chrom czy kobalt. Materiały organiczne podlegają pirolizie, w wyniku czego również mogą powstać wysokotoksyczne substancje (dioksyny lub chlorowodór).

Budowa systemu filtrującego skrzynek z komponentami elektronicznymi

Choroby dróg oddechowych, problemy z krążeniem i zwiększone ryzyko nowotworów – to potencjalne skutki przebywania w zapylonym środowisku pracy. W trakcie obróbki laserowej gumy bądź PVC mogą też powstać pyły o działaniu alergizującym. W procesie tym uwalnia się również nieprzyjemny zapach, który może powodować bóle i zawroty głowy, zaburzenia koncentracji, a nawet ostre zatrucia.

Trzeba pamiętać, że dym i pył wpływają negatywnie nie tylko na zdrowie pracownika, ale i stan maszyn, uszkadzając je lub obniżając jakość ich pracy. Dym laserowy tworzy na powierzchniach maszyn mocno przylegającą warstwę zanieczyszczeń, co jest szczególnie szkodliwe w przypadku prac z zakresu mechaniki precyzyjnej, wymagających dokładności na poziomie mikrometrów. Ponadto, jeżeli powierzchnia kluczowych części systemu laserowego (luster lub soczewek) pokryta jest zanieczyszczeniami, szybko dochodzi do nieodwracalnego uszkodzenia. Pod wpływem promienia lasera nagromadzone zanieczyszczenia się spalają, powodując rozgrzanie luster lub soczewki, w wyniku czego dochodzi do dużych naprężeń mechanicznych szkła i jego pękania. Zanieczyszczenia mogą też wpływać na części mechaniczne i elektroniczne urządzenia.

Niezbędny element instalacji obróbki laserowej

Do odsysania i filtracji dymu lub pyłu laserowego nie wystarczy zwykły odkurzacz przemysłowy. Ważnym elementem każdej instalacji laserowej są systemy wyciągowe, które muszą być nie tylko absolutnie niezawodne, ale też dopasowane do indywidualnych warunków, np. samodzielnych stanowisk pracy lub dużych hal produkcyjnych. Muszą zapewniać bezpieczne odprowadzenie i w razie potrzeby odfiltrowanie pyłu i dymu. Systemy wyciągowe służą m.in. zapewnieniu bezpiecznych warunków pracy operatorów, utrzymaniu czystości soczewki lasera, co wydłuża jej sprawność, oraz zachowaniu czystości na liniach produkcyjnych, co wpływa na jakość samych produktów (czyste powierzchnie materiału obrabianego) oraz minimalizuje nieprzyjemny zapach po obróbce. Spaliny i pył, jeśli nie są prawidłowo odprowadzane, osadzają się na powierzchni znakowanego materiału i we wszystkich wygrawerowanych zagłębieniach, co jest trudne do usunięcia.

Filtracja gazów laserowych i pyłu przebiega w kilku etapach. W pierwszym wykorzystywany jest filtr do grubych cząsteczek, następnie filtr do cząsteczek drobnych, który składa się z materiału poliestrowego w metalowej ramce i filtruje wszystkie pyły i cząsteczki (do 90%) z odsysanego powietrza. W ostatnim etapie filtrowania wykorzystuje się aktywny filtr węglowy, który dzięki specjalnej kompozycji węgla dostarcza do pomieszczenia czyste powietrze. Powierzchnia węgla jest zbudowana jak gąbka, co pozwala oczyszczać powietrze z niepożądanych substancji, tj. metali ciężkich i toksycznych chemikaliów.

Dostępne są systemy filtracji powietrza, które pozwalają na jednoczesne oczyszczanie i chłodzenie, co wydłuża żywotność lasera. Z kolei systemy filtracji wstępnej przystosowane są do pracy z innymi urządzeniami oczyszczającymi. Cechują się prostą i intuicyjną obsługą i nie wymagają nabywania dodatkowych sprężarek powietrza. W ofercie są również systemy filtracji podstawowej, które m.in. dzięki wbudowanym kompresorom charakteryzują się wydajną pracą. Klienci, dla których istotna jest kwestia ograniczenia kosztów serwisowych, mogą wybrać sprzęt wyposażony w samoczyszczące filtry i czujniki stanu filtrów.

Przy wyborze systemu laserowego i wyciągowego należy zwrócić uwagę na to, czy system laserowy jest szczelny (tj. czy spaliny nie wydostają się przez nieszczelną pokrywę), system wyciągowy wykazuje odpowiednie parametry (optymalne parametry systemu wentylacji to przepływ rzędu 425 m3/h przy ciśnieniu 1,5 kPa), a także czy urządzenie wyciągowo-filtrujące ma regulację ciągu i wskaźnik zużycia filtrów.

Ważna jest także funkcjonalność systemu, tj. jego gabaryty, mobilność, hałas podczas pracy, koszty eksploatacji – dodaje Wojciech Macek. – Powinniśmy także zwracać uwagę na parametry pracy, czyli natężenie przepływu.

Niestety wciąż mała jest świadomość zagrożeń związanych z pyłem i dymem ubocznie produkowanymi przez lasery. Niektórzy użytkownicy systemów laserowych odprowadzają te zanieczyszczenia bezpośrednio do atmosfery – poprzez systemy wentylacji lub tanie systemy filtracji – narażając i siebie, i otoczenie na wszelkie wynikające z tego skutki.

 

MM KOMENTARZ

 

Mariusz Deptuch, area sales manager w eurolaser

Przy wyborze sprzętu do filtracji należy zwrócić uwagę na przeznaczenie urządzenia i jego dobór do procesu produkcyjnego. Główne znaczenie mają tu filtry, które muszą być odpowiednie do rodzaju obrabianego materiału: metalu, tworzyw sztucznych czy materiałów organicznych. Trzeba zwrócić uwagę na dobór elementów wychwytujących dym laserowy (odciągi i ich funkcjonalność). Filtry czyszczą bowiem szkodliwe substancje na poziomie 99,95%, ale tylko te, które uda się przechwycić, więc równie istotna jest informacja o rodzaju i typie lasera. Jak widać, wyzwania stojące przed producentami urządzeń filtrujących procesy laserowe są bardzo duże. Urządzenie takie powinno być przede wszystkim niezawodne, szczególnie w procesach prowadzonych w trybie 7/24 h. W samej technologii wyzwaniem jest przechwytywanie pyłu laserowego, który mieści się w przedziale nano, a przeważnie jest rakotwórczy. Pod względem ekonomicznym z kolei dąży się do obniżenia kosztów eksploatacji urządzeń filtrujących poprzez opracowywanie coraz bardziej wydajnych mediów filtrujących i sposobów ich regeneracji.

 

Bernard Rzany, prezes zarządu laser PRO

Wybór technologii filtracji zależy zarówno od rodzaju filtrowanych zanieczyszczeń, jak i parametrów obróbki na danym stanowisku roboczym. Im większa jest moc maszyny obróbczej i wydajność obróbki, tym większą przepustowość w m3/h powinien mieć system filtracyjny. Drugim istotnym czynnikiem jest ciśnienie robocze, które w przypadku urządzeń przemysłowych do filtracji dymu i pyłu laserowego może wahać się od 2 do nawet 22 tys. Pa. A ponieważ ciśnienie determinuje moc ssącą, zawsze należy je rozpatrywać w korelacji z natężeniem przepływu. Z kolei dobór konkretnego modelu urządzenia wymaga uwzględnienia specyficznych dla przedsiębiorstwa warunków pracy. Jeśli ma być stosowane zamiennie na kilku stanowiskach roboczych, warto wybrać rozwiązanie mobilne (z kółkami jezdnymi). Firmy dążące do ograniczenia kosztów serwisowych powinny postawić na sprzęt wyposażony w samoczyszczące filtry i czujniki stanu filtrów, na bieżąco monitorujące poziom zabrudzenia. Coraz większe znaczenie zyskuje też kwestia komunikacji między systemem filtrującym, maszyną obróbczą i centralnym systemem sterowania. Zadanie to realizują zaawansowane interfejsy komunikacyjne i zintegrowane moduły sterowania w formie paneli lub pilota.

 

Tomasz Słowik, business development w firmie ULT

Szkodliwy dla ludzi i maszyn pył laserowy powinien być neutralizowany z wykorzystaniem odpowiednich technologii odsysania i filtrowania. Obowiązują tu rygorystyczne wymogi – każda cząstka powinna zostać wychwycona, dlatego też rozwiązania i systemy filtrujące muszą być absolutnie niezawodne. Wiele procesów laserowych odbywa się w zautomatyzowanej produkcji seryjnej, dlatego dodatkowo istotna jest szczególnie wysoka dostępność. Często w zakładach produkcyjnych dym laserowy odsysany jest za pomocą centralnej wentylacji, która filtruje również wiele innych procesów zakładowych. To bardzo duży – i niebezpieczny – błąd. Dym laserowy bowiem ze względu na bardzo mały rozmiar nanocząstek zakleja standardowe filtry, znacznie pogarszając centralną wentylację. Dodatkowo bardzo często pył laserowy jest wysoce łatwopalny, a w skrajnych przypadkach – wybuchowy. Trzeba pamiętać, że odsysanie i filtrowanie dymu lub pyłu laserowego daleko wykracza poza istotę działania odkurzaczy przemysłowych. Proces ten nie służy tylko usuwaniu brudu, lecz przede wszystkim usuwaniu substancji niebezpiecznych z powietrza, które mogą przynieść dużo więcej szkodliwych skutków niż tylko alergia na pył.