Röntgenstrahlung bei der Materialbearbeitung mittels Ultrakurzpulslasern

Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) finden immer breitere Anwendungen in der industriellen Materialbearbeitung. Ob beim Bohren oder Strukturieren, Schneiden oder Laserdrehen, bei der Bearbeitung von Glas, Keramik, Metall, Kunststoff usw. – die Arbeiten werden extrem präzise ausgeführt.

Zum Materialabtrag erzeugen die hoch-intensiven Laserpulse an der Werkstückoberfläche ein Plasma, dessen Wechselwirkung mit dem Laser hochenergetische Plasmaelektronen erzeugt, die Röntgenstrahlung emittieren können. Der Wechselwirkungsprozess zwischen der einfallenden Laserstrahlung und dem angeregten Plasma ist dabei materialabhängig und wird von einer Vielzahl von Bestrahlungskenngrößen wie Intensität, Wellenlänge, Pulsdauer, Pulsfrequenz und Polarisation des Lasers sowie durch die Prozessführung selbst beeinflusst.

Die Freisetzung von Röntgenstrahlung in UKP-Laserprozessen ist seit längerem bekannt. Spätestens mit dem Einsatz von Hochleistungs-UKP-Lasersystemen in der Materialbearbeitung entsteht durch die mögliche Höhe der Röntgendosis, besonders im offenen Betrieb, eine mögliche gesundheitliche Gefährdung.

Diese Emission von gepulster Röntgenstrahlung führt dazu, dass UKP-Laserbearbeitungsanlagen unter das Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) fallen. Somit erfordert der sichere Betrieb von UKP-Laserbearbeitungsanlagen eine ganze Reihe technischer, organisatorischer und persönlicher Schutzmaßnahmen.

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Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das Einbringen neuester Forschungsergebnisse in die Normung durch die Förderrichtlinie WIPANO „Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen“. In diesem Kontext startete das Projekt RoeLaMat mit einer Kick-off-Veranstaltung am 15. Januar 2024.

Ziel des WIPANO-Projekts „RoeLaMat“ ist die Erstellung einer Technischen Spezifikation über die unerwünschte Erzeugung von Röntgenstrahlung bei der Materialbearbeitung mittels Ultrakurzpulslasern und die Erarbeitung von Vorschlägen für zu entwickelnde Schutzmaßnahmen. Anschließend soll diese Spezifikation über das nationale Spiegelgremium DKE/GK 852 „Strahlenschutzdosimetrie“ als Normvorschlag in ISO/TC 85/SC 2 eingebracht werden.

Im Detail sollen folgende Zielstellungen erreicht werden:

1. Bestimmung eines experimentell abgesicherten Werts der Laser-Bestrahlungsstärke, ab dem die Emission von Röntgenstrahlung beginnt und der nach StrlSchV geltende Grenzwert der Ortsdosisleistung von 1 µSv/h in 0,1 m Entfernung von der berührbaren Oberfläche überschritten wird,
2. genaue Kenntnisse über die spektrale Verteilung der im Laserprozess generierten Röntgenphotonen, die als Basis für die Festlegung von Prüfanforderungen und Auslegung von Schutzmaßnahmen dienen,
3. neue Erkenntnisse über die Abhängigkeit der Emission von Röntgenstrahlung von den Laser-Bestrahlungskenngrößen und Laser-Prozessbedingungen, die von elementarer Wichtigkeit für die Abschätzung von Worst-Case-Szenarien von Strahlungsemissionen und folglich der richtigen Auswahl von Strahlenschutzausrüstungen sind,
4. Empfehlung von zu entwickelnden Schutzmaßnahmen gegen unerwünschte Röntgenemissionen bei UKP-Laserprozessen,
5. Vorbereitung einer VDE-Anwendungsregel oder DIN-Vornorm mit empfohlenen Schutzmaßnahmen bei der UKP-Laserbearbeitung und als Vorarbeit für einen Normvorschlag für die internationale Normung,
6. Einbringen der VDE-Anwendungsregel als Normvorschlag „Radiological protection – Radiation protection at ultra-short pulse lasers“ in ISO/TC 85/SC 2.

Die Arbeiten im Rahmen des von der Hochschule Mittweida geleiteten Projekts werden durch den DKE-Arbeitskreis GAK 852.0.1 „Röntgenstrahlung bei der Ultrakurzpulslaser-Materialbearbeitung“ begleitet und in normative Festlegungen und Empfehlungen umgesetzt.

Industry befasst sich mit Systemen und Produkten aus dem industriellen Bereich. Zentrales Thema ist beispielsweise zunehmend die Automation, da es in Zukunft verstärkt zu einem intelligenten Austausch zwischen Maschinen und Objekten kommt. Weitere Inhalte zu diesem und anderen industriellen Fachgebieten finden Sie im