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Wie Luftfiltereinheiten arbeiten

Die ULS-Reihe von Luftfiltersystemen entfernt kontaminierte Luft aus einem Lasersystem und filtert die Nebenprodukte (Partikel und Rauchgase) heraus, die bei der Materialbearbeitung mit einem Laser entstehen.

UAC 4000 Luftfiltrationssystem Vorderansicht

Sowohl die UAC 2000 als auch die UAC 4000 verwenden ein vierstufiges Filtersystem (Pre Filter, HEPA Filter und Dual Carbon Filter), um diese Nebenprodukte effektiv aus der Abluft zu entfernen. Sensoren überwachen jede Stufe und alarmieren den Benutzer, wenn Filtermedien ersetzt werden müssen. Eine einzigartige Dual-Carbon-Filterstufe erhöht die Lebensdauer der Carbon-Filter, indem die Aktivkohle vollständig verbraucht wird. Variable Geschwindigkeit Abgasgebläse halten konstante Luftmenge, da die Partikelfilter verbraucht werden. Die UAC 2000 und die UAC 4000 kommunizieren mit ULS-Lasersystemen, um die Filtration mit der Lasermaterialbearbeitung ein- und auszuschalten und den Filterstatus zu melden. Ein integrierter CO-Monitor weist den Anwender auf gefährliche CO-Werte in der Umgebung hin.

Filterwegschema

Verbesserte Sicherheit

Eine ganze Suite von Sensoren überwacht jeden Schritt des Filterprozesses ebenso wie den Luftstrom und die umliegende Umgebung. Dies stellt sicher, dass das Filtersystem korrekt funktioniert, um eine sichere Betriebsumgebung für die Lasermaterialbearbeitung zu schaffen.

Partikelfilterung und Luftstromsensoren

Drucksensoren überwachen Druckunterschiede in allen Partikelfiltern und überwachen effektiv die Leistung, indem sie den Anstieg an Gegendruck messen, während jeder Filter verbraucht wird. Ein Luftstromsensor arbeitet zusammen mit diesen Gegendrucksensoren, um den Luftstrom zu erhöhen, während der Gegendruck steigt, um eine sichere minimale Stufe an Luftstrom zu gewährleisten. Falls eine Luftfilterstufe aus irgendeinem Grund blockiert wird, kann der Luftstromsensor den Abfall des Luftstroms unter eine Untergrenze erkennen und die Laserbearbeitung stoppen. Diese Sensoren zusammen gewährleisten eine sichere Arbeitsumgebung, indem sie einen ausreichenden Abluftstrom sicherstellen.

Rauchgasfiltersensoren

Kohlenstofffilterstufen können nicht mit Drucksensoren überwacht werden, da sich der Gegendruck nicht mit dem Absorptionsprozess erhöht, durch den der Kohlenstoff die flüchtigen organischen Verbindungen (Rauchgase) herausfiltert. Dies stellt eine Herausforderung dar, den Zustand von Kohlenstofffilterstufen zu überwachen. Einige Hersteller von Filtersystemen versuchen nicht, Kohlenstofffilterstufen zu überwachen, und überlassen es dem Anwender, festzustellen, wann ein Kohlenstofffilter verbraucht ist. Anwendern wird geraten, Kohlenstofffilter auszutauschen, wenn sie Gerüche in der Umgebung wahrnehmen. Dieser Ansatz ist sehr subjektiv und daher eine unsichere Methode.

VOC-Sensoren (VOC= flüchtige organische Verbindungen) sind verfügbar; und andere Hersteller bauen einen dieser Sensoren zur Überwachung hinter der Kohlenstofffilterstufe ein, aber dieser Ansatz hat eine gravierende Schwäche. Diese Sensoren reagieren auf die Anwesenheit einer großen Breite von VOCs, können nicht zwischen verschiedenen Zusammensetzungen unterscheiden und reagieren unterschiedlich auf verschiedene Zusammensetzungen. Daher können sie nicht darauf kalibriert werden, die tatsächlichen Mengen der großen Vielfalt an VOCs zu messen, die während der Lasermaterialbearbeitung entstehen.

ULS hat eine neue und exklusive Methode für die Überwachung von Kohlenstofffilterstufen entwickelt, die alle oben genannten Probleme beseitigt. Eine patentierte Dual-Carbonfilter-Stufe verwendet zwei Kohlenstofffilter mit drei VOC-Sensoren: einer vor dem ersten Kohlenstofffilter, einer zwischen dem ersten und dem zweiten Kohlenstofffilter und einer hinter dem zweiten Kohlenstofffilter. Der mittlere Sensor kann das Durchdringen von Rauchgasen durch die erste Kohlenstoffstufe erkennen. Der mittlere Sensor kann mit dem ersten Sensor verglichen werden, um die Effektivität der ersten Kohlenstoffstufe festzustellen. Wenn der erste und der mittlere Sensor dieselben Mengen an Rauchgasen registrieren, ist die erste Stufe vollständig verbraucht. Der letzte Kohlenstoffsensor stellt sicher, dass die zweite Kohlenstofffilterstufe weiterhin Rauchgase daran hindert, sich in der Umwelt auszubreiten, selbst wenn die erste Kohlenstofffilterstufe unwirksam wird.

Im Gegensatz zu anderen Lösungen kann dieses Zusammenspiel von drei Sensoren rund um zweifache Kohlenstoffstufen die Effektivität der Kohlenstofffilterung verlässlich messen, während die unmittelbare Betriebsumgebung vor schädlichen Rauchgasen geschützt wird, was die Sicherheit der Lasermaterialbearbeitung weiter erhöht.

Umgebungsüberwachung

UAC-Luftfilterlösungen verfügen über einen eingebauten Kohlenstoffmonoxidsensor, um die umliegende Umgebung zu überwachen. Dieser Sensor löst einen Alarm aus, um Anwender zu warnen, falls die Konzentration an Kohlenstoffmonoxid in der unmittelbaren Betriebsumgebung ein unsicheres Niveau erreicht, und stellt die Lasermaterialbearbeitung durch die Kommunikationsverbindung mit dem Lasersystem ein. Dies verhindert die weitere Produktion von Kohlenstoffmonoxid, bis die Konzentration wieder unterhalb des gefährlichen Niveaus gesunken ist, und gewährleistet somit die Sicherheit des Anwenders.

Verbesserte Investitionsrendite

ULS-Luftfiltersysteme haben Filterstufen mit hohem Auffangvolumen, die eine umfangreiche Lasermaterialbearbeitung ermöglicht. Der Austausch von Filtereinheiten mit hohem Auffangvolumen kann kostspielig sein, also war es eine wichtige Designüberlegung, die Filtermedien so effektiv und effizient wie möglich zu nutzen. ULS-Luftfiltersysteme gehen dieses Problem insbesondere auf zweifache Weise an und verbessern mit zunehmender Dauer des Betriebs die Investitionsrendite.

Partikelfilterung

Partikelfilterung ist ein mechanischer Filter, der Partikeln abfängt, indem kontaminierte Luft durch ein physisches Medium geleitet wird, dessen Porengröße so gewählt wurde, dass alle Partikeln mit einem höheren Durchmesser als die Poren herausgefiltert werden. Partikelfilter sind vollständig verbraucht, wenn die Mehrheit der Poren durch Partikel blockiert wird und kontaminierte Luft das Medium nicht mehr durchqueren kann.

HEPA-Filtermedien werden normalerweise in der zweiten Stufe des Partikelfiltervorgangs genutzt, um sehr feine Partikeln bis zu einer Größe von 0,3 µm einzufangen. Diese Art von Medien besitzt eine außerordentlich feine Struktur, die von größeren Partikeln sehr leicht kontaminiert werden kann. Vorfilter werden normalerweise verwendet, um größere Partikeln einzufangen und die Lebensdauer des HEPA-Filters so weit wie möglich zu verlängern. Diese Vorfilter mit hohem Auffangvolumen, die in den UAC-Filtersystemen verwendet werden, sind relativ kostengünstig und nutzen die Form einer gefalteten Tasche, die eine breite Oberfläche besitzt, um große Partikeln effektiv herauszufiltern. Die Nutzung dieser Vorfilter hilft dabei, die Lebensdauer der HEPA-Filter zu verlängern und so die Kosteneffektivität des Partikelfilter-Untersystems zu verbessern.

Rauchgasfilterung

Kohlenstofffiltermedien in der Rauchgasfilterstufe sind die teuersten Filtermedien in einer typischen Filterlösung in diesem Marktsegment. Kohlenstofffiltermedien entfernen Rauchgase nicht mit einer physischen Barriere, sondern verwenden stattdessen einen Volumenfilterprozess namens Adsorption, bei dem VOCs dem Kohlenstoffmedium eine Zeit lang ausgesetzt sein müssen, um in den Kohlenstoff adsorbiert zu werden. Normalerweise wird ein Kohlenstoffbett mit großer Oberfläche und einer definierten Stärke verwendet, um die kontaminierte Luft zu verlangsamen und die VOCs eine bestimmte Zeit lang im Kohlenstoffmedium zu behalten, damit die Adsorption effektiv erfolgen kann. Die Adsorption startet an der äußeren Kante des Kohlenstoffbettes, und während das Kohlenstoffmedium an der äußeren Kante des Bettes VOCs einfängt, wird dieser Kohlenstoff gesättigt und kann keine weiteren VOCs mehr aufnehmen. Im weiteren Verlauf werden die VOCs durch Kohlenstoff im Inneren des Mediums adsorbiert. Der Verbrauch von Kohlenstoff schreitet von der äußeren Kante bis zur Endkante des Betts fort. Leider wird der Kohlenstoff aufgrund von Unterschieden im Luftstrom und in der Effektivität des Kohlenstoffmediums selbst nicht gleichmäßig vom Beginn bis zum Ende des Bettes gesättigt. Normalerweise kommt es schon vor der vollständigen Sättigung des Kohlenstoffmediums zu einem Durchdringen von Rauchgasen in einem Teil des Kohlenstoffbetts. In von ULS-Wissenschaftlern durchgeführten Versuchen wurde herausgefunden, dass bis zu einem Drittel des Kohlenstoffs in einem typischen Kohlenstofffilterbett nicht vollständig gesättigt wird, wenn es zum ungefilterten Durchdringen von Rauchgasen kommt, wie in nachstehender Abbildung zu sehen ist.

Abbildung zeigt unverbrauchten Kohlenstoff bei Rauchdurchbruch im oberen Kohlenstoffbett

Wenn der Durchbruch in einer einstufigen Kohlenstofffilterlösung auftritt, die typischerweise in Produkten anderer Hersteller gefunden wird, beginnen Dämpfe in die Umgebung zu gelangen. Der Benutzer wird gewöhnlich angewiesen, den Kohlenstofffilter an diesem Punkt zu ersetzen, obwohl eine beträchtliche Menge an Kohlenstoff noch nicht vollständig verbraucht ist. Die patentierte Dual-Carbon-Filterstufe, die in den ULS-Luftfiltrationssystemen gefunden wird, richtet sich auf dieses Problem, indem sie ein zweites Bett aus Kohlenstoff nach dem ersten Bett platziert, so dass das Kohlenstofffiltermedium im ersten Bett vollständig verbraucht werden kann, während das zweite Bett verhindert, dass Dämpfe in die Umgebung gelangen Umwelt. Darüber hinaus ermöglicht das im vorigen Abschnitt beschriebene eindeutige Sensorsystem, dass das System den Verbrauch der ersten Stufe messen kann, um zuverlässig zu bestimmen, wann es vollständig verbraucht ist.

Ein weiterer Vorteil dieses zweistufigen Kohlenstoffdesigns wird durch die Verwendung des gleichen Formfaktors für beide Kohlenstofffilterstufen realisiert. Dies ermöglicht es dem Benutzer, die teilweise verbrauchte zweite Filterstufe in den ersten Stufenort zu bewegen und die neue Filterstufe in die zweite Stufenposition zu bringen, um den Kohlenstoff zuvor in der zweiten Stufe vollständig zu verbrauchen. Durch den Einsatz dieser exklusiven Technologie kann der Anwender beim Austausch der Carbon-Filter auf einer ULS-Luftfiltrationseinheit sicher sein, dass das Medium vollständig verbraucht ist und im Laufe der Zeit die Rentabilität des Kunden in Carbon-Medien maximiert wird.

Positive Anwendererfahrung

Als Teil des Baukastensystems modularer Komponenten, die es ULS ermöglichen, maßgeschneiderte Lösungen für die Lasermaterialbearbeitung anzubieten, sind ULS-Luftfiltereinheiten darauf ausgelegt, mit ULS-Lasersystemen zu kommunizieren. Durch diese Kommunikation kann das Lasersystem die Filterung im Einklang mit der Laserbearbeitung ein- und auszuschalten und entlastet somit das Filtersystem und reduziert die Abnutzung im Laufe des Betriebs. Die Kommunikationsverbindungen ermöglichen ebenfalls eine sehr positive Anwendererfahrung, indem der Zustand aller Aspekte des Filtersystems an das Lasersystem kommuniziert wird. Diese Informationen können dann direkt auf der Software-Benutzeroberfläche, über die die Bedienung des Lasersystems erfolgt, angezeigt werden. Warnhinweise werden angezeigt, wenn sich Filter dem Ende ihrer Lebenszeit nähern, was Anwendern Zeit für die Bestellung von Ersatzfiltern gibt. Warnhinweise werden ebenfalls angezeigt und die Lasermaterialbearbeitung wird unterbunden, falls eine sichere Betriebsumgebung aus irgendeinem Grund nicht gewährleistet werden kann, wie etwa: zu wenig Luftstrom aufgrund einer Blockierung im Filtersystem, ein vollständig verbrauchter Filter oder erhöhte Kohlenstoffmonoxidkonzentration in der umliegenden Umgebung.

Ein geringer Lärmpegel der Filtereinheiten verbessert allgemein das Wohlbefinden der Anwender. Hochleistungsgebläse sind notwendig, um einen Luftstrom zur effektiven Entfernung und Filterung von Nebenprodukten der Lasermaterialbearbeitung sicherzustellen. Hohe Geräuschniveaus sind bei anderen auf dem Markt erhältlichen Filtersystemen ein häufiger Beschwerdegrund. ULS-Ingenieure haben bei der Entwicklung der ULS-Luftfiltersysteme genau darauf geachtet, den Lärmpegel zu minimieren, und haben dabei ein ausgesprochen leises System entwickelt, welches direkt neben einem Lasersystem aufgestellt werden kann, ohne die Lärmbelastung in der unmittelbaren Betriebsumgebung merklich zu erhöhen.

Reduzierte Anforderungen an betrieblichen Einrichtungen

Wenn ein Anwender die Anschaffung von Technologien zur Lasermaterialbearbeitung erwägt, muss er typischerweise den dafür vorgesehenen Betriebsort überprüfen, um festzustellen, ob die Räumlichkeiten allen Ansprüchen für die Lasermaterialbearbeitung entsprechen. Eine sehr kostspielige Anschaffung wäre die Installation eines dafür geeigneten Abluftsystems. Um ein angemessen großes Abluftsystem auf der Außenseite des Betriebsgebäudes zu montieren und die dafür notwendigen Luftkanäle zum Lasersystem zu verlegen, müsste ein Bauträger für diese Arbeiten engagiert werden. Ein ULS-Luftfiltersystem eliminiert die Notwendigkeit eines externen Abluftsystems in einem angemessen belüfteten Arbeitsbereich und senkt dadurch den möglichen Umbauaufwand und somit die Gesamtbetriebskosten.

Hohe Zuverlässigkeit und Bedienbarkeit

ULS-Filtersysteme besitzen mehrere Designvorteile, die höchstmögliche Bedienbarkeit und Zuverlässigkeit bieten.

Filteraustausch

Der Filteraustausch wird von der Vorderseite des ULS-Luftfiltersystems durch leicht zugängliche Türöffnungen durchgeführt. Alle Filterstufen sind händisch montierbar; und somit sind keine Werkzeuge für den Filteraustausch notwendig. Jede Filterstufe wurde so konzipiert, dass sie von einem einzigen Benutzer ersetzt werden kann: Das schwerste Medium, der Kohlenstofffilter, wiegt etwa 11 kg (25 Pfund) und ist somit viel leichter als die Filtereinheiten anderer Hersteller, die 27 kg (60 Pfund) und mehr wiegen können. Dies unterstreicht einen weiteren Vorteil des Dual-Carbonfilter-Designs, bei dem der Kohlenstoff in zwei Betten aufgeteilt und dadurch das Gewicht jedes Filters reduziert wird, während die effektive Filterkapazität beider Stufen kombiniert genutzt wird.

Reinigung

Große Partikeln machen den Hauptanteil der Nebenprodukte in vielen Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung aus und sind auch die Komponenten des Nebenproduktstroms, der die meisten Routinereinigungen nötig macht, um ein Filtersystem zu pflegen und zu warten. Die Mehrheit dieser großen Partikeln wird in der Vorfilterstufe entsorgt. Daher wurde bei der Entwicklung der Vorfilterstufe der ULS-Luftfiltersysteme viel Wert darauf gelegt, die Reinigung so bequem wie möglich für den Anwender zu gestalten. Die Vorfilter sind mit einer abnehmbaren Box verbunden, die leicht aus dem System entfernt werden kann, um bei der Reinigung zu helfen, während Ersatz-Vorfiltermedien installiert werden. Alle schweren Partikeln werden in dieser abnehmbaren Box aufgefangen, so dass die übrigen Teile des Luftfiltersystems relativ sauber bleiben. Dies verringert die notwendige Arbeit bei der Wartung des Gesamtsystems.

Gebläse

Eine übliche Methode der Kosteneinsparung, die in manchen auf dem Markt befindlichen Filterlösungen gefunden werden kann, ist die Nutzung von Bürstengebläsen, bei denen nach einer gewissen Anzahl von Betriebsstunden die elektrischen Kommutierungsbürsten ausgewechselt werden müssen. Normalerweise bedeutet das einen extensiven Auseinanderbau des Systems. Im Gegensatz dazu nutzen ULS-Luftfiltersysteme hochverlässliche bürstenlose Gebläse für einen langen, wartungsfreien Betrieb.