MM Magazyn Przemysłowy | nr 4/2018: "ABC ochrony zdrowia przy laserowej obróbce materiałów"

Choć w porównaniu z frezowaniem lub wierceniem obróbka laserowa wydaje się stosunkowo czystą metodą wytwarzania, także w jej trakcie powstają szkodliwe pyły i gazy procesowe, które mogą przenikać do krwi i wraz z nią dostawać się do poszczególnych organów. Z kolei niewidoczne gołym okiem promieniowanie laserowe może przy bezpośredniej ekspozycji trwale uszkodzić wzrok i skórę.  W dobie szybkiego wzrostu popularności laserów przemysłowych kluczowego znaczenia nabiera świadomość tych zagrożeń i odpowiednia przednimi ochrona.

Nierzadko zdarza się, że to, czego nie widać gołym okiem, okazuje się najbardziej niebezpieczne – właśnie dlatego, że pozostaje ukryte przed naszym wzrokiem. Prawidłowość ta sprawdza się także w przypadku obróbki laserowej, podczas której emitowane jest szkodliwe dla wzroku i skóry promieniowanie, a także gazy i pyły o średnicach 0,001-0,01 µm, które z łatwością przenikają przez barierę płuc i wraz z krwią krążą po organizmie, odkładając się w mózgu i innych narządach. To, że owe czynniki pozostają niewidoczne dla naszych oczu, sprzyja bagatelizowaniu tego zagrożenia. I choć świadomość ryzyka związanego z obróbką laserową w polskich przedsiębiorstwach rośnie, zapewnienie skutecznej ochrony zdrowia pracowników przed ekspozycją na owe czynniki wciąż stanowi dla większości z nich spore wyzwanie.

Zagrożenia dla zdrowia pracowników

Ze względu na wysoką gęstość mocy/energii, a co za tym idzie – wydajność obróbki największą grupę laserów stosowanych w przemyśle stanowią urządzenia klasy 4, tj. stwarzające wysokie niebezpieczeństwo uszczerbku na zdrowiu w wyniku kontaktu z wiązką laserową. Jego konsekwencje mogą być różne – w zależności od długości fali, trybu pracy i mocy wyjściowej lasera, charakteru promieniowania (bezpośrednie/rozproszone), czasu ekspozycji, a także napromieniowanego organu.

Oddziaływanie wiązki laserowej na oko | źródło: CIOP

Najbardziej narażonym na uszkodzenia narządem są oczy – zarówno ze względu na ich wrażliwość na promieniowanie, jak i na właściwości wiązki laserowej, która w zakresie podczerwieni i nadfioletu jest całkowicie niewidoczna dla oka, a tym samym kontakt z nią nie stymuluje reakcji obronnej (zamknięcia powieki). Stopień uszkodzenia oka zależy od natężenia promieniowania i miejsca jego padania: promieniowanie z zakresu 400-1400 nm padające na dołek środkowy siatkówki może spowodować jej trwałe uszkodzenie, a tym samym ślepotę. Z kolei w przypadku skóry największe spustoszenia sieją krótkie impulsy o dużej mocy, których oddziaływanie może prowadzić do zwęglenia tkanek.

Jak pokazują statystyki, zagrożenie to wcale nie jest abstrakcyjne. Dane Centralnego Instytutu Ochrony Pracy (CIOP) wskazują, że spośród wszystkich wypadków przy obsłudze urządzeń laserowych blisko połowa (44%) wiąże się z ekspozycją na promieniowanie laserowe. Jej przyczyną był zarówno brak odpowiedniego wyposażenia ochronnego (okularów i gogli ochronnych), jak i zły dobór lub wadliwość owego wyposażenia, a także przypadkowy kontakt wynikający z braku zabezpieczeń ograniczających dostęp osób trzecich do stanowiska pracy z laserem.

Klasy zanieczyszczeń i ich oddziaływanie na organizm | źródło: ULT

Drugim źródłem zagrożeń dla zdrowia operatorów systemów laserowych i osób przebywających w ich bezpośrednim sąsiedztwie są dymy i pyły powstające w czasie obróbki laserowej, w tym przede wszystkim dym i gazy procesowe. Gazy procesowe, powstające głównie w procesie obróbki materiałów organicznych, np. tworzyw sztucznych, drewna, tekstyliów czy skóry, składają się z cząsteczek o wielkości rzędu 0,0001-0,001 µm. Niewiele większe są też cząsteczki dymu (0,01 µm) powstającego w wyniku obróbki metali i materiałów nieorganicznych, takich jak szkło czy porcelana. Obie grupy mają zdolność do przenikania przez barierę płuc i przedostawania się tą drogą do krwiobiegu, skutecznie zatruwając organizm i powodując groźne mutacje genów i komórek. Stąd też w Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 6 czerwca 2014 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy frakcje te jako respirabilne, czyli przenikające płuca, zostały uznane za szczególnie niebezpieczne, a za górną granicę ich stężenia w środowisku pracy przyjęto – za prawodawstwem unijnym – 3,00 mg/m³. Co więcej, od 2019 r. limit ten ma ulec dalszemu obniżeniu do 1,25 mg/m³.

Szczegółowa ocena ryzyka

Aby efektywnie chronić pracowników przed wszystkimi opisanymi powyżej zagrożeniami, nie wystarczą działania doraźne. Konieczne jest podejście systemowe uwzględniające generowany poziom ryzyka i niezbędne środki ochrony – tak indywidualnej, jak i zbiorowej. W praktyce sprowadza się ono do przygotowania szczegółowej oceny ryzyka uwzględniającej podstawowe parametry urządzenia laserowego, a także wszystkie rodzaje zagrożeń. Poza ekspozycją na promieniowanie oraz pyły i gazy do grupy tej zalicza się także zagrożenia elektryczne, pożarowe i wybuchowe oraz związane z promieniowaniem towarzyszącym (nielaserowym, np. rentgenowskim). W sporządzeniu prawidłowej oceny w zakresie promieniowania laserowego może pomóc poradnik „Sztuczne promieniowanie optyczne – zasady oceny ryzyka zawodowego” dostępny na stronach CIOP.

Odpowiednio przygotowana ocena ryzyka powinna brać pod uwagę trzy podstawowe aspekty: zagrożenia spowodowane układem laserowym, jego środowisko pracy i poziom świadomości personelu. Analogicznie niwelowanie zidentyfikowanych w tym procesie zagrożeń powinno obejmować zarówno środki ochrony indywidualnej (układ laserowy), jak i środki ochrony zbiorowej zastosowane w pomieszczeniu, w którym pracuje laser (środowisko pracy) oraz szkolenia zwiększające świadomość zagrożeń przy pracy z laserem.

Środki ochrony indywidualnej

źródło: Protect Laserschutz

Pierwszą linią obrony przed oddziaływaniem wiązki laserowej są środki ochrony indywidualnej (ŚOI), w tym okulary, gogle i odzież ochronna (rękawice, hełmy, spodnie, płaszcze, fartuchy itd.). W tym przypadku równie ważny jak samo zastosowanie ŚOI jest ich odpowiedni dobór dostosowany do typu lasera, jego trybu pracy i mocy oraz długości fali wiązki laserowej. W jego dokonaniu pomagają normy europejskie zawierające tzw. skale bezpieczeństwa, definiowane indywidualnie dla każdego typu środków ochrony indywidualnej i zbiorowej. Posługując się nimi, można określić, jaki poziom ochrony zapewnia dany typ filtra/wyposażenia, tj. jaką maksymalną gęstość mocy/energii jest w stanie bezpiecznie przyjąć dany ŚOI w określonym przedziale czasowym. Przykładowo, w przypadku okularów ochronnych stosuje się skalę LB w zakresie od 1 do 10, gdzie 1 oznacza najniższy, a 10 – najwyższy stopień ochrony przed promieniowaniem laserowym. Aby je właściwie zinterpretować, wystarczy skorzystać z odpowiedniej tabeli przeliczeniowej.

Poza odpowiednim doborem na poziom skuteczności okularów i odzieży ochronnej wpływają także warunki ich przechowywania i użytkowania określone w dołączonej przez producenta instrukcji. Drugim istotnym dokumentem dostarczonym wraz z zakupionym sprzętem powinna być deklaracja zgodności CE potwierdzająca zgodność z normami europejskimi.

Środki ochrony zbiorowej

W przeciwieństwie do ŚOI środki ochrony zbiorowej zapewniają ochronę nie tylko operatorowi, ale także osobom postronnym znajdującym się w pomieszczeniu, w którym pracuje laser. Obejmują one zarówno kurtyny i parawany ochronne rozstawiane wokół urządzenia oraz systemy odciągowo-filtracyjne, jak też poszczególne kroki podejmowane w ramach ogólnych procedur związanych z dostosowaniem pomieszczenia do wymogów bezpieczeństwa.

źródło: Protect Laserschutz

W zakresie ochrony przed promieniowaniem laserowym wymogi te koncentrują się – generalnie – wokół zagadnienia maksymalnego ograniczenia dostępu do urządzenia oraz związanego z nim ryzyka ekspozycji na promieniowanie rozproszone. Ma temu służyć przede wszystkim czytelne oznakowanie wejścia do pomieszczenia oraz zabezpieczenie drzwi dodatkową szybką ochronną uniemożliwiającą wydostanie się rozproszonej wiązki laserowej na zewnątrz. Należy także pamiętać o zastosowaniu odpowiedniego oświetlenia, matowym wykończeniu ścian i podłóg (przeciwdziałanie odbiciom zwierciadlanym) oraz rezygnacji z luster i innych elementów mogących odbijać promieniowanie.

Systemy odciągowo-filtracyjne

W porównaniu z wymogami stawianymi środkom ochrony przed promieniowaniem laserowym wymagania względem systemów odciągowo-filtracyjnych pozornie wydają się proste: odciąg powinien być tak dobrany, aby jego przepustowość pozwalała na filtrację pyłu i dymu w stężeniach występujących na stanowisku roboczym. To jednak nie wszystko: wybierając urządzenie filtracyjne, należy zwrócić uwagę także na typ filtrów oraz oprawy (końcówki), a także lokalizację systemu i oprawy względem generowanych zanieczyszczeń. Wszystkie trzy aspekty mają przy tym zasadnicze znaczenie dla właściwego funkcjonowania samego systemu, co oznacza, że zaniedbanie któregokolwiek z nich będzie niezawodnie prowadzić do zmniejszenia skuteczności procesu filtracji zanieczyszczeń.

System odciągowo-filtracyjny z samoczyszczącymi filtrami patronowymi | źródło: ULT

Zestaw filtrów składający się na system filtracji jest ściśle uzależniony od typu obróbki i rodzaju obrabianych materiałów, dlatego przy ich doborze najlepiej zasięgnąć opinii ekspertów. Niemniej warto znać podstawowe zasady w zakresie podziału filtrów i ich użyteczności w poszczególnych rodzajach obróbki. I tak, standardowo w urządzeniach filtrujących zanieczyszczenia powstające w procesie laserowania stosuje się filtry wstępne oraz filtry zasadnicze typu HEPA. Zestaw ten może być z powodzeniem stosowany w przypadku obróbki wszystkich metali oraz materiałów nieorganicznych. Natomiast w procesach obróbki tworzyw sztucznych i innych surowców organicznych należy dodatkowo uwzględnić filtr z węglem aktywnym, który wychwytuje wspomniane gazy procesowe o najmniejszej średnicy cząstek. Z kolei w aplikacjach generujących iskry, takich jak cięcie i spawanie laserowe, nieodzowny okaże się dodatkowo filtr przeciwiskrowy, który zapobiega przedostaniu się iskier na inne filtry i niekontrolowanemu zapłonowi filtrowanej mieszanki.

Poza doborem odpowiedniego zestawu filtrów istotną zmienną w tym przypadku jest także ich typ. W zastosowaniach laboratoryjnych czy obróbce pojedynczych detali, w których ilość generowanych zanieczyszczeń w funkcji czasu jest niewielka, wystarczy zastosować systemy kasetowe z wymiennymi filtrami. Ich zaletą są mniejsze rozmiary, relatywnie duża mobilność i niższa cena filtrów; wadą natomiast – konieczność regularnej wymiany wkładów filtracyjnych. Dlatego w produkcji wielkoseryjnej czy na liniach produkcyjnych stosowanie systemów kasetowych przestaje być opłacalne. Tu dużo lepiej sprawdzą się filtry patronowe, które są co prawda droższe, ale dużo bardziej pojemne, a dzięki funkcji samoczyszczenia wymagają dużo rzadszej wymiany.

Na koniec warto pamiętać o takim rozplanowaniu rozmieszczenia urządzeń filtracyjnych, aby zapewnić maksymalną efektywność filtracji. Jak dowodzą liczne przykłady z praktyki produkcyjnej, to właśnie odpowiednie umiejscowienie jest najczęściej bagatelizowanym aspektem podczas instalacji odciągów. Przekonanie, że skoro kupiliśmy najlepsze urządzenie, to musi być ono skuteczne, sprawdza się tylko w przypadku maszyn zabudowanych, w których zanieczyszczenia odprowadzane są przez połączone bezpośrednio z odciągiem przyłącze na laserze. W maszynach otwartych końcowa skuteczność filtracji jest wypadkową odległości ramienia odciągowego od strefy obróbczej i typu oprawy, a tym samym – stosunku wychwytywanych zanieczyszczeń do zanieczyszczeń niewychwytywanych. Badania dowodzą, że podwojenie odległości oprawy od miejsca obróbki skutkuje czterokrotnie większym zapotrzebowaniem na moc urządzenia. Podobnie, jeśli zamocujemy ją pod zbyt dużym kątem w stosunku do kierunku ruchu zanieczyszczeń, skuteczność ich wychwytywania znacznie spadnie. Taki sam skutek będzie miało zastosowanie zbyt wąskiej oprawy, gdyż część zanieczyszczeń będzie uciekała na boki. Jeśli zaś cząsteczki pyłów i dymów są cięższe od powietrza, będą opadały ku dołowi, co spowoduje, że odciąg zamontowany nad strefą obróbczą okaże się całkowicie nieefektywny.

Szkolenie pracowników

Trzecim integralnym aspektem polityki bezpieczeństwa w zakładzie pracującym z urządzeniami laserowymi jest podnoszenie świadomości pracowników przez organizację szkoleń. Jak już wspomniano, do obsługi laserów klasy 4 mogą być dopuszczeni jedynie wykwalifikowani operatorzy. Ponieważ jednak normy nie precyzują definicji „wykwalifikowanego operatora”, należy zadbać, aby nawet pracownik posiadający doświadczenie w pracy z laserami stale uaktualniał swoją wiedzę – zarówno na etapie odbioru urządzenia, jak i codziennej pracy.

Szkolenie powinni przejść również pozostali pracownicy przedsiębiorstwa – zgodnie z zasadą, że podstawą bezpieczeństwa jest świadomość zagrożeń. Jego zakres winien obejmować zarówno zagadnienia związane ze skutkami oddziaływania zanieczyszczeń oraz promieniowania laserowego na organizm człowieka, jak i zasady stosowania się do znaków ostrzegawczych i procedur kontroli zagrożenia, a także procedury zgłaszania wypadku. Przeprowadzeniem szkolenia może zająć się oddelegowany do tego celu specjalista BHP w zakresie pracy z urządzeniami laserowymi, a w przypadku, gdy przedsiębiorstwo nie wyznaczyło takiej osoby, firma zewnętrzna, w tym np. przedstawiciele producenta czy dystrybutora.