Come scegliere le cabine di sicurezza per laser adatte ai diversi tipi di laser

Allineare il livello di protezione dell'involucro con la classificazione del laser

Laser di classe 1–3R: quando bastano barriere passive e controlli amministrativi

I laser di classe 1-3R emettono al massimo 5 milliwatt di luce visibile e in genere non richiedono involucri speciali. Soluzioni passive semplici, come ottiche coperte, blocchi del fascio e idonei cartelli di avvertimento, sono generalmente sufficienti, purché abbinate a buone pratiche amministrative. Cosa significa ciò nella pratica? Le aziende dovrebbero disporre di regole scritte sulla sicurezza, limitare l’accesso a tali laser, formare adeguatamente gli operatori e garantire la presenza di una persona qualificata responsabile della sicurezza nell’uso dei laser. Nella maggior parte dei casi, i livelli di esposizione rimangono ben al di sotto di quelli considerati pericolosi. Il vero rischio deriva dal fissare direttamente il fascio per un tempo eccessivo o, intenzionalmente, dal guardarlo nonostante gli avvertimenti. Per questo motivo, le linee guida aziendali devono specificare chiaramente che tale comportamento è assolutamente vietato in ogni circostanza.

Laser di classe 4: involucri completi obbligatori, con interblocchi ridondanti e mitigazione della zona di pericolo

I laser classificati come Classe 4 emettono più di 500 milliwatt di radiazione continua o pulsata, il che significa che necessitano di sistemi di contenimento adeguati per garantire la sicurezza. Secondo norme quali ANSI Z136.1 e IEC 60825, il requisito fondamentale è un involucro dotato di più interruttori di sicurezza sulle porte, in grado di spegnere istantaneamente il laser qualora qualcuno lo apra accidentalmente. Queste custodie protettive devono bloccare non soltanto il fascio laser principale, ma anche quelle pericolose riflessioni diffuse che possono verificarsi quando la luce rimbalza sulle superfici. Devono inoltre essere in grado di dissipare il calore generato dai sistemi laser ad alta potenza, in particolare dai grandi laser al CO₂ che operano a livelli di potenza nell’ordine dei kilowatt. Funzionalità di sicurezza quali pulsanti di arresto di emergenza, zone dedicate all’assorbimento sicuro dei fasci non utilizzati e sistemi di raffreddamento sono componenti assolutamente indispensabili di qualsiasi impianto. Le linee guida ufficiali citate dall’OSHA stabiliscono che qualsiasi sistema di contenimento adottato deve mantenere i livelli di radiazione al di sotto del valore considerato sicuro per le persone in qualsiasi punto al di fuori dell’area di lavoro designata.

Scegliere i materiali per le involucri specifici per laser in base alla lunghezza d'onda e alla potenza

Trasmissione e assorbimento del materiale: abbinamento di acrilico, policarbonato e vetro filtrato ai laser UV, visibile e a infrarossi lontani (FIR)

Ottenere ottime prestazioni di schermatura dipende realmente dalla corretta abbinabilità del materiale con la lunghezza d'onda appropriata. L'acrilico funziona ottimamente con i laser a luce visibile compresi tra 400 e 700 nanometri: consente agli operatori di osservare ciò che accade durante i processi, assorbendo nel contempo la maggior parte dell'energia. Quando si lavora con radiazioni ultraviolette al di sotto dei 380 nm, il policarbonato diventa la scelta privilegiata. Questo materiale è in grado di assorbire quasi tutta la radiazione UV incidente grazie alla particolare disposizione delle sue molecole. Per le lunghezze d'onda più elevate della regione dell'infrarosso lontano, in particolare intorno ai 10.600 nm emessi dai laser al CO₂, non esiste sostituto per il vetro borosilicato appositamente trattato. Gli ossidi metallici incorporati in questo vetro impediscono i danni termici che, col tempo, distruggerebbero le comuni plastiche. Analizzando i dati reali provenienti dagli studi sulla sicurezza laser, circa un quarto dei problemi di contenimento riscontrati negli stabilimenti industriali è causato dall'utilizzo di un materiale non adatto per una determinata gamma di lunghezze d'onda.

Standard di spessore con potenza ridotta: garantire la sicurezza laser a 10 W (a diodo) rispetto a 5 kW (CO₂)

Quando si tratta dei requisiti di spessore del materiale, ciò che conta davvero è la densità di potenza, non semplicemente i valori nominali di potenza espressi in watt. Ed ecco un aspetto fondamentale: la relazione non è lineare, ma esponenziale, se consideriamo i principi di derating. Prendiamo ad esempio un piccolo laser a diodi da 10 W, che può funzionare correttamente anche con una protezione in policarbonato spessa soltanto 3 mm. Confrontiamolo ora con un sistema molto più potente a CO₂ da 5 kW, nel quale la sicurezza richiede uno spessore compreso tra 15 e 25 mm di vetro laminato e filtrato, dotato di speciali pellicole di raffreddamento. Questi materiali avanzati devono essere in grado di sopportare carichi energetici notevoli, pari a circa 980 joule per centimetro quadrato prima di cedere termicamente. La maggior parte dei professionisti della sicurezza fa affidamento sulla legge di Lambert-Beer come strumento principale per calcolare lo spessore necessario della barriera, tenendo conto di fattori quali l’assorbimento della radiazione luminosa, la diffusione del fascio e le complesse caratteristiche degli impulsi, che variano notevolmente da un’applicazione all’altra. Di seguito sono riportate alcune prassi consolidate, validate dall’esperienza ingegneristica sul campo.

Questo approccio è particolarmente critico per i laser a impulsi, nei quali la potenza di picco può superare di diversi ordini di grandezza i valori nominali.

Verificare i sistemi di sicurezza e le certificazioni critiche ai fini della conformità

Architettura di interblocco: progettazione a doppio canale e logica a sicurezza intrinseca secondo ANSI Z136.1 e IEC 60825

Al centro di ogni involucro per laser di Classe 4 si trova il sistema di interblocco, che sostanzialmente controlla ogni aspetto legato alla sicurezza. Norme come ANSI Z136.1 e IEC 60825 stabiliscono regole rigorose per tali sistemi. Esse richiedono un’architettura a doppio canale, in cui due circuiti indipendenti devono rilevare un problema di accesso prima che il fascio laser venga disattivato. Il ragionamento alla base è in realtà piuttosto semplice: prevedendo un monitoraggio di backup per porte, pannelli di manutenzione e le relative guarnizioni in gomma, si elimina il rischio che un singolo guasto di piccola entità causi una catastrofe. Nel caso specifico degli apparecchi di Classe 4, i produttori devono implementare collegamenti incrociati tra i componenti e garantire che i tempi di risposta rimangano inferiori a 10 millisecondi. Il processo di certificazione prevede anche test approfonditi: gli ingegneri eseguono test di iniezione di guasti e convalidano intere sequenze al fine di dimostrare la conformità agli standard SIL 2+, richiesti dalla maggior parte dei protocolli odierni di automazione industriale.

Finestre di visione per la sicurezza laser: valutazioni OD, convalida spettrale e livello di prestazione ISO 13849 (PLd)

Per quanto riguarda le finestre di osservazione, è necessario sottoporle a prove specifiche per determinate lunghezze d’onda, anziché accontentarsi di un certificato generico. Il valore di densità ottica (OD) deve essere superiore a quello richiesto per il compito specifico. Per i laser visibili, di norma si richiede un valore OD pari a 4 o superiore, mentre per le sorgenti infrarosse, come i sistemi CO₂, è necessario un valore più vicino a OD 7. Ciò garantisce che la luce trasmessa rimanga al di sotto dei limiti di esposizione sicuri. I diversi materiali vengono sottoposti a prove differenti in base alle loro proprietà: il policarbonato viene verificato per la sua capacità di bloccare le radiazioni UV, mentre il vetro filtrante deve essere testato per confermarne l’efficacia nella riduzione della trasmissione dell’infrarosso lontano. Secondo lo standard ISO 13849, queste finestre di sicurezza devono soddisfare i requisiti del Livello di Prestazione d (PLd), il che significa essenzialmente che non deve verificarsi più di un guasto pericoloso ogni 10.000 ore di funzionamento. Nei sistemi sono integrati meccanismi di sicurezza denominati interblocchi meccanici, tali da spegnere automaticamente il laser qualora una finestra venga danneggiata durante operazioni di manutenzione. Inoltre, vengono effettuati controlli periodici annuali, volti a verificare, ad esempio, la presenza di graffi sulla superficie, eventuali opacizzazioni causate dall’esposizione ai raggi UV, l’usura delle guarnizioni ai bordi e la corretta fissazione della finestra nella posizione prevista. Queste ispezioni annuali contribuiscono a mantenere le operazioni entro i limiti stabiliti dalla normativa.

Sezione FAQ

Quali sono le principali differenze tra le classi di laser in termini di sicurezza?

I laser di classe 1-3R emettono una potenza inferiore e, in genere, non richiedono involucri speciali. I laser di classe 4, al contrario, richiedono involucri completi dotati di sistemi di interblocco ridondanti a causa della loro elevata potenza in uscita.

Perché è importante abbinare i materiali dell'involucro alla lunghezza d'onda e alla potenza del laser?

L’abbinamento dei materiali alla lunghezza d’onda corretta garantisce un assorbimento massimo e la massima sicurezza. Ad esempio, l’acrilico è adatto ai laser a luce visibile, il policarbonato ai laser a raggi UV e un vetro appositamente trattato alle lunghezze d’onda dell’infrarosso lontano.

Come funzionano i sistemi di interblocco per garantire la sicurezza dei laser?

I sistemi di interblocco sono a doppio canale e progettati per spegnere immediatamente il laser in caso di violazione dell’accesso. Ciò riduce al minimo il rischio di esposizione e garantisce il rispetto degli standard di sicurezza.

Quali sono le principali certificazioni necessarie per la conformità degli involucri per laser?

La conformità agli standard ANSI Z136.1 e IEC 60825 è essenziale, poiché tali norme disciplinano la sicurezza e l’efficienza dei sistemi di interblocco. Anche le finestre di osservazione devono rispettare lo standard ISO 13849 per i livelli di prestazione.