Kuitulaserin suojauksen kehittäminen

Abstract

Diplomityö tehtiin Kauhavalla sijaitsevalle Finn-Powerille, joka kuuluu Prima Industrie Groupin työstökonedivisioonaan, jota kutsutaan Prima Poweriksi. Työn tavoitteena oli suunnitella luotettava, kompakti, käyttäjäystävällinen ja edullinen suoja kuitulaserin ympärille takaamaan koneen turvallisen ja keskeytyksetön käytön. Kuitulaserjärjestelmän suojaus toteutetaan nykyratkaisussa suojaseinäelementeillä, jotka vievät tilaa, aiheuttavat ylimääräisiä kustannuksia ja estävät käyttäjän pääsyn harjaspöydän luo kesken ajon.

Aluksi perehdyttiin säteilyn ominaisuuksiin ja vaaroihin. Laserien toimintaan ja komponentteihin paneuduttiin myös huolellisesti, jotta jokainen näkökulma otettaisiin suunnittelussa huomioon. Työssä pyrittiin selvittämään vaaditut turvaetäisyydet ja sallittavat tehotiheydet laskennan avulla sekä pohtimaan erilaisia suojausvaihtoehtoja kuitulaserin säteilylle. Laserin erilaiset vaaratilanteet lajiteltiin, jonka lisäksi otettiin huomioon laserstandardien vaatimukset suojaukselle. Tietokoneavusteista Solid Edge ST6 -suunnitteluohjelmaa käytettiin suunnittelun apuna. Eri vaihtoehtojen käyttökelpoisuutta tarkasteltiin turvallisuuden, toiminnan ja kustannusten näkökulmasta.

Kaiken kaikkiaan kompakti suojaustapa oli paras ratkaisumalli. Tämän perusteella lähdettiin rajaamaan toimivia vaihtoehtoja. Suojaus jaettiin passiiviseen ja aktiiviseen suojaan, joista molemmille löydettiin optimaalinen ratkaisu. Passiivinen suojaus toteutettiin aramidiharjaksilla, joita sijoitellaan laserin suuttimen ympärille laserpään tilavuudesta riippuen strategisesti. Nämä harjakset suojaavat säteilyltä tarjoamalla joustavan, kestävän ja tiiviin suojan. Aramidiharjasten valvontaan eli aktiiviseen suojaukseen käytettiin pietsoresistiivista pinnoitetta, joka reagoi ilman lämpötilan muutokseen erittäin herkästi. Pinnoite sijoitetaan aramidiharjasten ja laserin suuttimen välille, jolloin voidaan havaita mahdollisimman nopeasti vikatilanne.

Suojakomponenttien on täytettävä testeissä vaadittavat kriteerit, jotta suojaa voidaan käyttää laserjärjestelmissä. Testattaviin osa-alueisiin kuuluvat monipuoliset harjasten testaukset, lämpötila-anturin testaukset sekä koko laserin testaus kokoonpanona. Näistä testeistä vastaavat yhdessä Finn-Powerin kanssa komponenttien toimittajat yhteistyökumppaneidensa kanssa.

Työn tuloksena saatiin kuitulaserille suojajärjestelmä, jonka lopullinen mitoitus määräytyy eri testitulosten perusteella. Aramidi on erinomainen materiaali säteilysuojana mekaanisten ja lämpöä kestävien ominaisuuksiensa vuoksi. Harjas on kuitenkin kriittisessä asemassa suojauksessa, joten sille on suoritettava monipuolisia testejä, jotta mitoitus olisi optimaalinen.

This thesis was completed in Kauhava, Finn-Power Oy, which is a part of the Prima Industrie Group’s machinery division called Prima Power. The aim of this thesis was to design compact, user-friendly and economical protection around a fiber laser to guarantee the machine’s safety and nonstop use. The protection of the fiber laser system is implemented in the current solution with protective wall elements, which takes up space, causes extra costs and prevents the user from getting to the brush table during machining.

At the beginning of the process the features and risks of the laser beam were studied; the function and components of the lasers were also examined carefully so that every aspect would be considered in the design. In this thesis the aim was to calculate the necessary safety distances and permitted power densities and to consider different sorts of protection options to the fiber laser radiation. The various kinds of dangers were sorted, also taking into consideration the demands of the laser protection standards. Computer-aided design software Solid Edge ST6 was used as a design aid. The usefulness of the different implementation alternatives were estimated from the perspectives of safety, functionality and costs.

All in all, the compact protection method was the best solution. Based on this were all of the other possible options delimited. The protection was divided into passive and active protection, and an optimal solution was found for both. Passive protection was implemented with aramid brushes, which will be strategically set around the laser nozzle depending on the capacity of laser head. These brushes protect against beam radiation by providing flexible, sustainable and intensive protection. The control of the aramid brushes, also called active protection, was implemented with piezoresistive coating, which reacts very sensitively to air temperature changes. The coating is positioned between the aramid brushes and the nozzle of the laser, so that a fault condition can be detected as soon as possible.

Protective components must meet the required criteria for the tests, so that protection can be used in the laser system. The tested sections include a wide range of brush tests, temperature sensor tests and whole laser system assembly tests. Finn-Power, its component suppliers and partners are together responsible for these tests.

As a result of the thesis a protection system for the fiber laser was produced. The final design is determined by different test results. Aramid is an excellent material as a radiation protector due to its mechanical and thermal properties. Because brushes are a critical part of protection, there must be wide range of tests so that the design would be optimal.