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    • 专利摘要:
    Für die Laserperforationvon breiten Materialbahnen werden Verfahren und Vorrichtungen angegeben,mit denen es nunmehr möglichist, bis zu 2000 mm breite Bahnen (1) mit Laserlochreihen unterschiedlicherFreiheitsgrade und Lochsequenzen bis 2000000 Löcher pro Sekunde zu generieren.Mit dem Einsatz von CO2 Leistungsfasern (13), zwei- oder vierfachHochleistungsstrahlteilern oder auch geneigten Polygonen und einem kreisförmigen optischenHochleistungslasermultiplexer (2) sind bis zu 200 optische Einzelkanäle (7, 8)industrietauglich realisierbar. Zwischen der Ab- und Aufrollungist die Perforationssektion und danach folgend die optische OnlinePorositätsmesseinrichtung(68) angeordnet. Hoch automatisiert und motorisch verstellbar sinddie Fokussieroptiken (20) der Perforationsköpfe quer zur Materialbahn (1) positionierbar.Damit ist es erstmalig möglich,mit derartigen Vorrichtungskonzeptionen zur Laserperforation die breitenund sich bis zu 400/ m/min bewegenden (14) Materialbahnen (1), wiez. B. Mundstückbelag-oder Verpackungspapiere, mit optischen Online Multisensorsystemen (68)in der Porosität,Lochqualitätund Lochreihenposition moderat zu überwachen und über direkteRückführungenin das Perforationssystem die auftretenden Änderungen sofort und kontinuierlichzu kompensieren, so dass große Produktionsrollen(65) ohne Zwischenstopps qualitativ extrem hochwertig und in großen Mengenproduzierbar sind.
    公开号:DE102004001327A1
    申请号:DE102004001327
    申请日:2004-01-08
    公开日:2005-08-04
    发明作者:Werner Grosse
    申请人:Werner Grosse；
    IPC主号:B23K26-08
    专利说明:
    [0001] DieErfindung beschreibt und umfasst Verfahren und Vorrichtungen zurLaserperforation in bis zu 600 m/min bewegten und bis zu 2000 mmbreiten Warenbahnen, wobei die erzeugten Laserlochreihen oder Lochreihengruppenim wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Bahn angeordnetsind.
    [0002] Unterbewegtem Warenbahnen sind im Zusammenhang dieser Erfindung insbesonderePapier- oder anderweitig veredelte Bahnen zu verstehen, wie z. B.Zigaretten-, Mundstückbelag-und Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps,Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichteteoder metallisierte Papier- oder Verpackungs- oder auch bestimmteKunststoffbahnen wie BOPP, LDPE, HDPE, Spinvliese usw. die zumindestim Bereich der Perforationen ein gewisses Maß an Gas- oder Wasserdurchlässigkeitaufweisen.
    [0003] DieseMaterialien werden fürverschiedene Weiterverarbeitungsprozesse im Format von 400–2000 mmals Großrollen,oder auch Jumbo Rollen genannt, in Längen bis zu 25.000 Metern undRollendurchmessern bis 1500 mm ab- und aufgerollt.
    [0004] Dahersind in dieser Erfindung mit Breitbahnen Materialbreiten von mindestens200 mm, was für Mundstückbelagpapiereauf mindestens 3 Bobbienen übertragbarist, anzusehen.
    [0005] Imgleichen Zusammenhang wird die Laserperforation als Offline Perforationbezeichnet, und grenzt sich damit eindeutig zur Online Laserperforationan Zigarettenherstellungs- bzw. Filteransetzmaschinen oder auchVerpackungsmaschinen ab. Die mit dem menschlichen Auge normalerweisenicht sichtbaren, oder wenn gewünschtsichtbaren, Perforationen sind mit fokussierbaren Einzellaserstrahlen sehrpräzisein der Lochgröße und Lochpositionerzeugbar. Aufgrund der physikalischen Bedingungen und thermischenEigenschaften und damit verbundenen Absorptionen der vorzugsweiseverwendeten Warenbahnen kommen CO2-Leistungslaser im Wellenbereichvon 10.4–10.8 μm zum Einsatz.
    [0006] Hierzulassen sich die wesentlichen Fakten und Anforderungen der OfflineLaserperforation für dieeingangs genannten Warenbahnen wie folgt zusammen fassen: • Materialflächengewichte:16–100g/m2 • Materialbahndicken:30–80 μm • Materialbedruckungen:unterschiedlichster Art und Positionen – meist außerhalb der Perforationsbereiche • Bahnbreiten:400–2000mm • Bahngeschwindigkeiten:bis zu 600 m/min • statischePorositätsmessung:Luftdurchsatzmeßsysteme,z. B. Borgwaldt oder Sodimat • physikalischeMesseinheit der Gasdurchlässigkeit,hier als Porositätgenannt fürdiese Meßsysteme:Coresta Units – ml/min/cm • Porositätsbereiche:80–4000C. U. • Porositätsvariationen: < 3% bei Porositätsbereichenvon > 400 C. U. • Lochgrößen: 60–300 μm, als Mikro-oder Makrolöcher • Lochdichten:5–40 Löcher procm in Bahnlaufrichtung • Lochformen:optimal rund bis leicht oval, ohne Außengrad • Porosität pro Perforationsloch:8–80 C.U. • Anzahlder Laserlochreihen pro Bobienenseite und Bobiene: 2–6 auf jederSeite – somit4–12 für jede einzelneBobiene • minimaleAbständezwischen zwei nebeneinander liegenden Lochreihen: 1.0 mm • Lochreihen-oder Lochreihengruppenabstand untereinander: 10–40 mm • Anzahlder Einzellochreihen überdie Bahnbreite verteilt: 8–120und mehr • Positionierungjeder Laserlochreihe überdie Bahnbreite: +/–0.1mm • Lochanzahlfür alleLochreihen zusammen: 100.000–2.000.000Löcherpro Sekunde • KinetischeEnergie pro erzeugtes Laserloch – je nach Materialart: 2.0–4.0 mJ • Zeitfensterdes Laserstrahles pro Perforationsloch: 20–50 μs • CO-2Laser 10.6 μmWellenlängeund optische Leistungen von 500–4000Watt • CW-oder Puls-Betrieb bis 10.000 Hz, einstellbares Impuls-Pausen-Verhältnis • Schwankungender optischen Laserleistung: 2–4%max. • Lasermoden:TEM00 Grundmode oder höhere Moden • Strahlqualitätsfaktor:M = 0.6–1.0mrad • Energiedichtenbei Fokussierungen des Hauptstrahles in Größenordnungen von 100–200 μm: 1 – 10·10E8 Watt/cm2 • Durchmesserdes zugeführtenLaserstrahles: 8–12mm • sehrpräziseund gleich bleibende Materialbahnführung im Fokusbereich mit Bahnschwankungen < 100 μm • Rotationvon Drehspiegeln oder anderen optischen Elementen: 10.004–50.000U/min
    [0007] Unterdiesem physikalisch-technischen Hintergrund und den hohen Produktanforderungenist die nachstehende Erfindung der Offline Laserperforation zu sehenund sind deren vorteilhaften Lösungenerarbeitet.
    [0008] DerStand der Technik fürdas Auslenken, Umlenken, Weiterführenund Pulsen von CO2 Laserstrahlen ist in einer Vielzahl von internationalenund nationalen Patenten beschrieben, so dass an dieser Stelle dieSchutzrechte mit dem Stand der Technik angegeben werden, die unmittel-oder mittelbar mit dem Perforieren der Warenbahnen aus den o. g.Anwendungsbereichen im Zusammenhang stehen.
    [0009] Inden Patenten DE 29.18.283C2 , DE 195.11.393A1 , FR 21.30.698 und US 41.18.619 sind grundlegendeVerfahrensweisen und Vorrichtungen angegeben und ausführlich beschrieben,mit denen Laserstrahlen durch Drehspiegel, Polygone oder diffraktive-optische-Elementeauch DOE's genannt,in einem Winkel meist unter 90 Grad ausgelenkt und/oder verdoppeltauf durchlaufende Papierbahnen zur Perforation benutzt werden. DieseVerfahrens- und Vorrichtungstechniken sind in den Jahren danachfür vieleOffline Laserperforationsmaschinen, als mehrfach Bobienenperforationsanlagenmit bis zu vier gleichzeitig bearbeiteten Bobienen, Bobienenlängen bis4000 Metern, bis zu 32 Einzelstrahlkanälen, Bahnbreiten bis zu 400mm, Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min und Lochsequenzen bis zu 500.000L/Sek. erfolgreich konvertiert worden.
    [0010] Ausden Patenten zur Online Perforation an Zigarettenherstellungs- oderFilteransetzmaschinen, z. B. der US5.404.889 , US 5.746.229 , JP 100.34.365 A , US 6.229.115 , US 6.064.032 , US 200.100.38.068 , US 200.301.31.856 und US 200.201.580.50 sind technologischsehr hochwertige Lösungenzur Laserstrahlum- und Auslenkung mit oszillierenden Spiegeln undspeziellen, optischen Teilungselementen vertieft beschrieben. Diesebeziehen sich ausschließlichauf maximal zwei Bobienen- bzw. zwei Bobienenstreifen, wobei dieLaserperforation häufig durchdie Mundstückbelagpapierehindurch in den Filter eintritt, um die Nikotin- und Schadstoffanteile derunmittelbar danach hergestellten Zigaretten gesteuert abzusenken.
    [0011] Inweiteren Patenten der PCT WO-99/58006 und EP 0.624.424 B1 sind ebenfallsON-LINE Laserperforationsverfahren und Vorrichtungen beschrieben,welche spezielle optische Elemente, z. B. akusto-optische Wandler,Prismenstrahlumlenkungen bei spezieller Papierbahnführung benutzen,um maximal zwei Bobienenstreifen direkt vor der Herstellung der Zigarettenzu perforieren.
    [0012] Einsehr interessantes Verfahren und Vorrichtung zur OFF-LINE Laserperforationvon breiten Mundstückbelagpapierenbahnenist in der PCT WO-98/39135 und EP0.909.606 angegeben. Hier werden mit fest um 90 Grad zurBahnlaufrichtung ausgerichteten, mechanisch sehr aufwendigen Laserstrahlführungenbis zu 40 Einzelstrahlkanäle über dieBahnbreite generiert und mit automatisierten Bobienenwechseleinrichtungenganze Produktionsrollen, und dies auch mit Online Porositätseinrichtungen direktnach der Perforation angeordnet, durchgefahren und so perforationstechnischveredelt.
    [0013] Für derartige,hoch automatisierte Breitbahnperforationsanlagen sind vergleichbareOnline Porositätsmesseinrichtungenu. a. auch in der DE 102.51.610.3 beschrieben.
    [0014] Zurweiteren Ergänzungund im direkten Zusammenhang dieser Erfindung seien auch aktuelle Publikationenwie: standardisierte und flexible Strahlführungssysteme für die Lasermaterialbearbeitung, DieterFrank, GMS Frank Optic Products 2002; flexible Hohlwellenleiterfür neueLaseranwendungen, Prof. Dr. Klaus Behler 2002; flexible hollow-Core-Waveguides forCO2-Lasers, potential and limitation as beam guiding system formaterial processing, Prof. Dr. Behler 2003; Silica Waveguides fromPolymicro Products; high-power laser fibres, CeramOptec GmbH 2003;Lincoln Laser high-speed scanner Laser products; ein neues Slablaser-Konzeptermöglichtverbesserte Strahleigenschaften, Keming Du, EdgeWave GmbH 2003;Trumpf Laser der Weg des Laserstrahles vom Lasergerät zum Werkstück 2003; RofinBaasel Lasertech GmbH press-release Perfolite and high-end-Perfolas, 2001–2003; MicroLaser Technology GmbH, Produkte der MLP-10 und MLP-50, angeführt.
    [0015] Wieaus den angeführtenSchriftenwerken zu ersehen ist, werden mit den bisherigen Verfahrenund Vorrichtungen in der Regel zwei Bobienenstreifen Online perforiertsowie bei den Offline Laserperforationen bis maximal 4 Bobienenund 32 Einzelstrahlkanälenbei 90 Grad zur Bahnlaufrichtung mechanisch sehr aufwendigen, optischenStrahlführungenund Fokussierungen, um so die Positionierung jeder einzelnen Laserperforationslinieauf die durchlaufende Materialbahn zu erzielen.
    [0016] DasBreitbahnperforationsverfahren aus der PCT WO-98/39135 und EP 0.909.606 erlaubt die Perforationvon bis zu 20 gleichzeitig hergestellten Bobienen, wobei leichteinzusehen ist, das die Anzahl der mechanisch sehr aufwendig geführten Strahleinzelkanäle auf 40limitiert ist.
    [0017] ZumStand der Technik und angeführtenPatentschriften zeigt eine erste Betrachtung hinsichtlich der limitierten,optischen Strahlkanäleund daraus resultierenden Laserperforationslinien pro Bobienenseitefolgendes Bild; Bei 32 Einzelstrahlkanäle und 4 gleichzeitig perforiertenBobienen sind 4 Laserlochlinien pro Bobienenseite möglich.
    [0018] Für das angeführte Breitbahnperforationsverfahrenmit bis zu 20 gleichzeitig verarbeiteten Bobienen und 40 optischenEinzelstrahlen ist nur eine Laserlochlinie pro Bobienenseite erzeugbar.
    [0019] Einweiterer, wesentlicher Aspekt ist in der Limitierung der Lochsequenzenbei 100.000 bis ca. 400.000 Löcherpro Sekunde, der zugeführten,optischen Strahlleistung eines Laserstrahles von derzeit ca. 2000Watt bei Offline und ca. 300 Watt bei Online Laserperforationssystemenmit hoch rotierenden Polygon- oder Drehspiegeln zu sehen, da ansonstendie Einzelenergien fürjedes erzeugte Laserloch in der Materialbahn nicht mehr ausreichen.Dies lässtsich nach der angegebenen Auflistung leicht ermitteln.
    [0020] Dabeiist noch anzumerken, dass die Bahngeschwindigkeiten bei der OfflineLaserperforation sich im Bereich bis 600 m/min und bei den Online Perforationenan den Zigarettenmaschinen bei ca. 160 m/min bewegen.
    [0021] Desweiteren ist aus den Patentschriften, den praktischen Verfahrensweisenund von den im Markt befindlichen Laserperforationsanlagen bekannt,dass eine automatisierte und völligselbsttätigeEinstellung der Laserlinienpositionierung und Fokussierung auf dieMaterialbahn gänzlichunmöglich ist,weil zum einen die optischen Einzelstrahlkanäle nicht motorisch verstellbarund/oder keine geometrische Perforations- und optische Porositätserfassung nachder Perforationssektion, wie z. B. in der DE 102.51.610.3 beschrieben, vorhandenist. Und dies bei Anlagen mit maximal 32 oder auch 40 Einzellaserlinien.
    [0022] Daherist leicht einzusehen, dass eine manuelle Einstellung der Geometrienaller Einzelstrahlkanäleaußerordentlichmühevoll,zeitintensiv und im weiteren eine spätere Kontrolle während derlaufenden Perforation fast gänzlichunmöglichist, so dass Abweichungen in der Laserlinienposition wie auch in derLochqualitäteinzelner Lochreihen und damit verbundener Porositätsabweichung,z. B. ausgelöst durchVerschmutzungen an den Laserköpfen,Einflüsseder Absaugluft und Verschmutzungen der Umlenkwalzen auf die Fokussierung,geringer Bahnkantenversatz und der gleichen mehr, erst zum Endeder produzierten Bobiene und zum Stillstand der Maschine erkennbarsind.
    [0023] Auchsind in der Praxis die mit Änderungen derLochqualitätenverbundene Porositätsabweichungenwährendder laufenden Perforation nicht direkt zu kompensieren, da fastausschließlichalle Verfahren die optische Laserleistung als Strahlquelle sehrkonstant halten, aber nach der Strahlaufteilung und Fokussierungkeine Einwirkungsmöglichkeiten aufdie Änderungder Intensitätder Einzelstrahlkanälebestehen.
    [0024] Somitsind Lochqualitäts-und Perforationsprofilkontrollen und dem sich anschließenden Regelkreiszu Trendnachführungenfür dasPerforationssystem simultan nicht möglich, was bei dem hohem Automatisierungsgadder Produktionsanlagen äußert nachteiligist. Dies gilt im besonderen Maßefür ein automatisiertesund schnelles Rüstenund Einstellen der Perforationsköpfe über dieBahnbreite hinsichtlich der Positionierung und Anfangsporosität, wie diesu. a. zur motorischen Unter- und Obermesserpositionierung von Rollenschneidanlagenbekannt ist.
    [0025] Abschließend seinoch erwähnt,dass fast alle Offline Laserperforationsverfahren und im Markt erhältlich AnlagenBobiene fürBobiene veredeln, was praktisch bedeutet, dass nach jedem Bobienenschnittvon 3000 oder 4000 Metern Längedie Maschine angehalten wird, die Bobienen ausgetauscht und danndie Maschine wieder in den Produktionsbetrieb versetzt wird.
    [0026] DieserStart-Stopp-Betrieb reduziert nicht nur die Gesamteffizienz derAnlage sondern erzeugt durch die Beschleunigungs- und Bremsphasenauch einen nicht unerheblichen Anteil von Ausschussmaterial in derGrößenordnungvon 4–8%.
    [0027] Daherist leicht einzusehen, dass bei sehr hohen Bahngeschwindigkeitenbis zu 600 m/min und hochgerüstetenLaser- und Perforationsleistungen die Stoppphasen zum Austauschder fertigen und zur Vorbereitung der neuen Bobienen bis zu 5 Minuten betragenkann, was dazu führt,das bei 3000 Meter langen Bobienen die Stillstandzeit zwischen 30–50% betragenkann.
    [0028] Daherliegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, alle aufgezeigten Nachteileder dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren und Vorrichtungenauszugleichen und technische neue Lösungen anzugeben, mit der einewesentlich höhereAnzahl von Laserstrahlkanälen,und dies bis zu 120 Einzelkanälenund Bahnbreiten bis zu 2000 mm, möglich sind, die Geometrienund auch die Fokussierung aller Laserlochlinien automatisiert undmittels optischer Online Porositätsmesseinrichtungeinstellbar ist.
    [0029] Undim weiteren ganze Produktionsrollen ohne Zwischenstopps mit z. B.20 Bobienen in der Bahnbreite von 1000 mm und z. B. bei 18.000 Produktionsmeternso insgesamt 120 Bobienen perforations- und porositätsgesteuert,ohne jegliches Ausschussmaterial, mit hoher Effizienz veredelt werden können.
    [0030] Hierzusind in der nachstehenden Erfindungsbeschreibung verschiedene Konzeptionslösungen angeführt undderen Verfahrens- und Vorrichtungsdetails erläutert.
    [0031] Daserfindungsgemäße Verfahrenund Vorrichtung zur Laserperforation von breiten Warenbahnen löst die vorangestellteAufgabe durch die Hauptmerkmale der Patentansprüche 1–21.
    [0032] Danachbieten sich grundsätzlichdrei Lösungsmöglichkeitenan, deren erste Konzeption darauf basiert, dass ein hoch rotierendesSpiegelelement einen gepulsten oder nicht gepulsten Laserhauptstrahlin einem 360 Grad Vollwinkel auf eine hohe Zahl von optischen Eintrittskanälen mitangekoppelten Fasern umlenkt, und innerhalb eines bestimmten Zeitfenstersdie Laserenergie den Einzelfasern zuführt, was im Prinzip einen optischenCO2 Hochleistungslasermultiplexer darstellt.
    [0033] DieEnden aller Fasern sind mit Fokussieroptiken als Mikroperforationsköpfe versehenund könnendurch deren Flexibilitätund Freiheitsgrad auf ideale Weise und mit den im Markt befindlichenmotorischen Positionierungssystemen, wie z. B. an Rollenschneidernverwandt, in die durchlaufende Materialbahn die Laserlochlinienan beliebigen Stellen und nach Maßgabe der Perforationsraster,erzeugen.
    [0034] Somitwerden bei dieser Erfindungsvariante die in der bisherigen Techniksehr aufwendig eingesetzten, optischen Umlenkungs- und mechanisch hochwertigenFührungselementegänzlichvermieden.
    [0035] Inder zweiten Konzeption sind im Vollkreiswinkel von 360 Grad ebenfallseine Vielzahl von Einzelstrahlkanälen angeordnet, in deren Zentrumsich ein hoch rotierendes Spiegelelement oder spezieller Strahlteilerbefindet.
    [0036] DerenAufgabe besteht darin, den einfallenden, nicht gepulsten Laserhauptstrahl,oder auch vier einzelne Laserhauptstrahlen, auf die optischen Einzelkanäle über einZeitfenster, bestimmt durch die Zeit, wenn der Laserstrahl das jeweiligeEintrittfenster überstreicht,einzukoppeln.
    [0037] Deroder die vier simultanen Laserleistungsstrahlen folgen dann deroptisch festen Strahlführung mittelsLinearführungseinheitenund motorisch verstellbaren Umlenkspiegeln und den sich in senkrechterEbene anschließendenFokussiereinheiten und Mikropertorationsköpfen zur Materialbahn.
    [0038] DiekreisförmigeLaserstrahlauffächerungist konstruktiv so gestaltet, dass deren Gesamtdurchmesser kleineroder auch größer istals die Bahnbreite und die Einrichtung ober- oder unterhalb der durchlaufenden Materialbahnzur Anordnung kommt. Mit der geometrischen Verstellung der Umlenkspiegelaller Einzelstrahlkanälegegenüberdem Zentrum der Strahlzuführung,und der dabei entstehenden Schrägverstellunggegenüberder quer durchlaufenden Materialbahn, lassen sich die Laserperforationslinienan den gewünschtenPositionen erzeugen. Da sich die Strahlführungen eines jeden Einzelkanals nurin der Länge ändern, bleibendie Fokussierungs- oder Strahldivergenzeigenschaften in erster Nährung unberührt, sodass der zuvor angegebene Strahlqualitätsfaktor erhalten bleibt.
    [0039] Unddies unter Beachtung der sehr nah und oder weiter voneinander positioniertenLaserlochlinien, von z. B. 1.0 mm und 40 mm, je nach Bobienenbreiteund Rasterung. Durch eine leichte Schrägstellung der Gesamtanordnunggegenüberder Materialbahn werden Überlappungenim 90 und 180 Grad Bereich der Einzelkanäle vermieden.
    [0040] Erfindungsgemäß ist erkanntund durch eine Vielzahl von Untersuchungen und praktischen Tests bestätigt worden,dass nur mit einer kreisförmigen Anordnungeine hohe Zahl von optischen Einzelkanälen von z. B. 80, 120 odermehr, möglichsind, als dies bisher mit der Polygonstrahlauffächerungs- und Wellenbogentechnikbis maximal 32 Einzelkanälen mitStrahlauslenkungen eines Laserleistungsstrahles von kleiner 90 Gradpraktiziert wird.
    [0041] Somitlassen sich z. B. bei einer Bahnbreite für Mundstückbelagpapiere von z. B. 1000mm und 20 Einzelbobbienen, jeweils 3 Perforationslochreihen proBobbienenseite, also 6 Lochreihen pro Bobiene, generieren. Anzufügen istnoch, dass die Bahnbreiten der Mundstückbelagpapiere bedingt durchdie Standardbreiten der Tiefdruckmaschinen fast ausnahmslos 1000mm betragen, was bei unterschiedlichen Bobbienenbreiten dann zurunterschiedlichen Anzahl der Schneidbobbienen führt.
    [0042] Desweiteren ist es technologisch und produktionstechnisch ein großer Vorteil,das mit den hoch rotierenden Spiegelelementen oder dem hier verwendeten,speziellem zweifach oder vierfach Strahlteiler die kreisförmig umlaufendenLaserstrahlen mit sehr hohen optischen Leistungen betrieben werdenkönnen,was die elementare Vorrausetzung für die notwendige Laserenergiepro Perforationsloch von 2.0–4mJ in der Materialbahn, welche selbstredend eine hohe Minimalgeschwindigkeithaben sollte, sowie auch fürdie Lochfolgefrequenz der einzelnen und aller Kanäle von z.B. 2.000.000 Löcherpro Sekunde zusammen ist.
    [0043] Mitdem Einsatz des neuen Zwei- oder Vierfach-Laserleistungs-Strahlteilersfür hoheRotationsgeschwindigkeiten ist es jetzt erstmals möglich, auch dierelativ hohen Umlaufstrahlsequenzen und Lochfolgen der vielzahligen,optischen Einzelkanälemit Strahlteilern zu realisieren.
    [0044] Darüber hinaussind Vierfach-Laserstrahlausgängez. T. direkt verfügbar,wie z. B. bei PRC-CO-2-Laserquellenmit jeweils 500 Watt optischer Leistung, was die Zuführung aufdie erfinderische Vorrichtung mit bis zu 120 oder auch mehr optischenEinzelkanälenwesentlich erleichtert und leistungstechnisch erfüllbar macht.
    [0045] Diedritte Konzeptionslösungist mit einem geneigten, hoch rotierenden Polygonrad mit z. B. 6 Facettenaufgebaut, einer vierfach und nicht gepulsten Laserstrahlzuführung unddamit verbundener Strahlauffächerungvon jeweils 4·2·45 Grad über die zugeordnetenKreisabschnitte von z. B. 4·30Einzelkanälebietet eine verfahrenstechnische und technologische erstklassigeLösungzur Realisierung der eingangs genanten Basisvoraussetzungen. Durch dieNeigung der Polygonflächelassen sich z. B. vier Laserstrahlen von oben schräg einfallendzuführen, ohnedass eine Lückungin horizontaler und gleicher Ebene der optischen Einzelkanäle notwendigist.
    [0046] WeitereVerfahrens- und Vorrichtungsvorteile dieser Erfindung ergeben sichaus der relativ einfachen Laserstrahlführung mit konventionellen,optischen CO-2-Komponenten, der absoluten Baugleichheit aller Einzelkanäle, derkompakten Ausführung allerUmlenk- und Perforationsköpfe,deren mechanisch-motorischen Lineareinheiten sehr preiswert, z. B.in Taiwan oder auch bei Edmund Industrie Optik, zu erwerben sind.
    [0047] Desweiteren ist hervor zu heben, dass der technologische und mechanischeAufwand zur Strahlführungund Erzeugung von hoher Anzahl optischer Einzelkanäle mit demerfinderischen, kreisförmigenHochleistungslasermultiplexer deutlich geringer ist, als dies mitkonventionellen festen Strahlführungenbei deutlich geringeren, optischen Einzelkanälen machbar wäre.
    [0048] Damitsind die technologische Realisierung und der investive Aufwand für bis zu120 oder mehr optischen Einzelkanälen und Breitbahnen bis zu 2000mm praktisch erst machbar geworden.
    [0049] Abschließend sindnoch die nicht zu unterschätzenden,produktiven Vorteile aller erfinderischen Konzeptionslösungen anzugeben,die darin begründetsind, dass nunmehr durch die eingangs genante geometrische Perforations-und optische Porositätserfassung,z. B. wie in der aktuellen DE 102.51.610.3 beschrieben,und durch deren funktionale Rückführung esmöglichist, alle vielzahligen Einzelstrahlen und Laserlochlinien quer zurMaterialbahn automatisiert und exakt zu positionieren. Sowie derenPorositätenund Lochqualitäteneiner jeden Lochreihe oder Lochreihengruppe zu erfassen und über diemotorischen Fokussierungen der erfinderischen Vorrichtungen in bestimmtenBereichen, ohne dass sich deren Lochqualitäten verschlechtern, nachzustellen,um so auch diese wesentlichen Produktgrößen weitgehend konstant zuhalten.
    [0050] Nachstehendeinige Berechnungen, welche beispielhaft für Mundstückbelagpapierbahnen ausgeführt sind,was eine Vergleichbarkeit mit den eingangs ausgestellten Anforderungenerlaubt. Wie aus den Ergebnissen zu ersehen ist, wird dies in vorteilhafterWeise erfüllt,was praktische Tests der ersten technologischen Industrieausführungenbestätigthaben.
    [0051] Gleichermaßen lassensich weitere Berechnungsbeispiele mit anderen physikalischen Bedingungenfür andereMaterialbahnarten daraus ableiten.
    [0052] Für die Lochwiederholungsrateeiner jeden Lochreihe und insgesamt für alle gilt: • bei A =20 Löcherpro cm perforierter Lochlinie und Bahngeschwindigkeiten von 120m/min: (120 m/min/60 Sek./min)·100cm·20Löcher/cm= 4000 Löcherpro Sekunde pro cm – proEinzellochreihe • bei120 Einzelkanälen:120·4000Löcher/Sekunde= 480.000 Löcherpro Sekunde • beiB = 20 Löcherpro cm perforierter Lochlinie und Bahngeschwindigkeiten von 300m/min: (300 m/min/60 Sek./min)·100cm·20Löcher/cm= 10.000 Löcherpro Sekunde pro cm – proEinzellochreihe • bei120 Einzelkanälen:120·10.000Löcher/Sekunde= 1.200.000 Löcherpro Sekunde
    [0053] ZurRotation des Strahlteiles oder geneigten Polygons gilt: Für den Vierfachsstrahlteilererrechnet sich eine Rotation von: • bei A =4000 L/Sek/4 = 1000 U/Sek Fürs Polygon mit 6 Facetten und vier Laserstrahlen: • beiA = 4.000 L/Sek/6/4 = 166.66 U/Sek • beiB = 10.000 L/Sek/6/4 = 416.66 U/Sek
    [0054] Kalkulationder Zeitdauer und Laserenergie pro zugeführtem oder geteiltem Strahl: Für den Vierfachsstrahlteilererrechnet sich theoretisch: • bei A =1000 U/Sek. und 120 Einzelkanälen: 1/1000Sek./(120/4) = 33.2 μsabzüglichder Zeit fürdas Ein- und Austauchen des Laserstrahles in die volle optische Öffnungsweitedes Eintrittkanals mit ca. 40% = ca. 20 μs • beiA = 4000 Löcher/Sek.und 3.5 mJ/Loch = 4000·3.5mJ·30= 420 Watt Fürgeneigte Polygon mit 6 Facetten errechnet sich theoretisch: • beiA = 1000 U/Sek. und 120 Einzelkanälen: 1/1000 Sek./(120/4/6)= 200 μsabzüglichder Zeit fürdas Ein- und Austauchen des Laserstrahles in die volle optische Öffnungsweitedes Eintrittkanals mit ca. 40% = ca. 120 μs • beiA = 4.000 Löcher/Sek.und 3.5 mJ/Loch = 4000·3.5mJ·30= 420 Watt pro Laserleistungsstrahl – bei 4 Strahlen = 1680 gesamteLaserleistung • beiB = 10.000 Löcher/Sek.und 3.5 mJ/Loch = 10.000·3.5mJ·30= 1050 Watt pro Laserleistungsstrahl – bei 4 Strahlen = 4200 Wattgesamte Laserleistung
    [0055] Wieaus den einfachen, theoretischen Berechnungsbeispielen zu ersehenist, bewegen sich die wesentlichen physikalischen Größen in deneingangs aufgelisteten Größenordnungen,was sich in der Praxis weiter bestätigt hat.
    [0056] Esgibt nun verschiedene Möglichkeiten,die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten,weiterzubilden und anzugeben. Dazu ist einerseits auf die in denPatentansprüchen1–20 beschriebenenAusführungen,und andererseits auf die nachfolgenden Erläuterungen mehrer Ausführungsbeispieleder Erfindung anhand der Zeichnungen 1–15 zu verweisen.
    [0057] InVerbindung mit der Erläuterungder bevorzugten Ausführungsbeispieleder Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemeinbevorzugten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. Diesinsbesondere fürMaterialbahnen wie Mundstückbelagpapierewie aber auch Verpackungsbahnen jeglicher Art und Ausführung.
    [0058] Hierbeizeigen die Zeichnungen im einzelnen:
    [0059] 1 schematischeDraufsicht der 360 Grad-Vorrichtung mit Zuführung eines Laserhauptstrahlesund rotierendem Spiegel für80 optische Einzelkanäleund Faserauskopplung und der darunter befindlichen Materialbahn
    [0060] 2 schematischeSeitenansicht der in 1 dargestellten, erfinderischenVorrichtung mit Laserstrahlzuführungund Einzelfaserauskopplung
    [0061] 3 Seitenansichtder Faserauskopplung mit dem Perforationskopf über die Materialbahn
    [0062] 4 Draufsichtauf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 1
    [0063] 5 schematischeDraufsicht der 360-Grad-Vorrichtung, Zuführung eines und umlaufendenLaserhauptstrahles und mit einem Strahlteiler für 80 optische Einzelkanäle, Linearführungensowie der darunter befindlichen Materialbahn
    [0064] 6 Seitenansichtder 5 mit einer Laserstrahlzuführung, des rotierenden Spiegels,Einzelstrahlumlenkung und der Strahlauskopplung auf die Materialbahn
    [0065] 7 Seitenansichtder 5 mit einer Laserstrahlzuführung, und alternativ einesrotierenden Strahlteilers, der Einzelstrahlumlenkung und Strahlauskopplungauf die Materialbahn
    [0066] 8 schematischeDraufsicht der 360-Grad-Vorrichtung, Zuführung von vier Laserhauptstrahlenund rotierenden Strahlteiler für80 optische Einzelkanäleund Linearführungensowie der darunter befindlichen Materialbahn
    [0067] 9 Seitenansichtder 8 mit vierfach Laserstrahlzuführung, und alternativ einesrotierenden geneigten Polygons, der Einzelstrahlumlenkung und Strahlauskopplungauf die Materialbahn
    [0068] 10 Draufsichtauf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 8
    [0069] 11 Draufsichtauf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 8 undLochreihendetails
    [0070] 12 Draufsichtauf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 8 undweiteren Lochreihendetails
    [0071] 13 Gesamtansichtder Breitbahn-Laserperforationsmaschine
    [0072] 14 Seitenansichtder Breitbahn-Laserperforationsmaschine
    [0073] 15 Gesamtansichtder Faser gekoppelten Perforationssektion
    [0074] 1 zeigtdie schematische Draufsicht der 360 Grad-Vorrichtung als optischerCO2 Hochleistungslasermultiplexer 2 mit dem Zuführungsrohr 3 für den Laserhauptstrahlund rotierendem Spiegel 4, welcher vom High-Speed Motor 9,wie er von verschiedenen Herstellern angeboten wird, betrieben ist.Der umlaufende Laserstrahl 5 mit Richtungsangabe 6 überstreichtzu jedem 360 Vollwinkelumlauf die 80 hier dargestellten Einzelkanäle mit derenoptischen Einlassöffnungund vorgesetzter Zylinderlinse 10. Die Linsen 7 und 8,deren Angabe gleichzeitig den ersten und letzten optischen Kanaldefinieren, fokussieren den jeweils eintretenden Laserstrahl auf dieFaserankopplung 12. Die Auskopplung erfolgen über dieFasern 13, die vorzugsweise als CO2-Hohlwellenleiter ausgebildetsind, und im internationalen Markt erhältlich sind. Unterhalb derVorrichtung 2 ist die durchlaufende Materialbahn 1,mit der Vorschubsrichtung 14, eingezeichnet.
    [0075] DerDurchmesser und die räumlicheAnordnung des optischen CO2 Multiplexers 2 ist völlig unabhängig vonder Materialbahnbreite und nur bestimmt durch die geometrischenDimensionen und optischen Elementanordnungen. In diesem Beispiel erfolgsdie Anordnung direkt überdie Materialbahn 1, in der 13 z.B. direkt am Laserquellenausgang.
    [0076] InWeiterführungdieser Ansicht zeigt 2 die Seitenansicht mit demStrahlzuführungsrohr 3 unddem Laserstrahl 15. Überden festen Umlenkspiegel 16 gelangt der Hauptstrahl aufdie Fokussierlinse 17, welche aufgrund der hohen Energiedichte meistwassergekühltist, mit der ein Strahldurchmesser von bis ca. 200 μm Durchmesserauf den hoch rotierenden Spiegel 4 projektiert, um 90 Gradumgelenkt und im Vollkreiswinkel mit Rotationsrichtung 6 aufdie Zylinderlinsen 10 zur jeweiligen Fasereinkopplung 11 und 12 gelangt.Der hoch rotierende Spiegel 4 kann als Planspiegel oderals Parabolspiegel ausgebildet sein, und beinhaltet in seiner Halterungeine mechanisch präziseAusnehmung zum Ausgleich der hohen Fliehkräfte.
    [0077] Weitereoptische Details bedürfenan dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung, da sie in den eingangsgenannten Patentschriften ausführlicherklärt sind.
    [0078] Jedemit dem Laserstrahl 15 beaufschlagte und vorzugsweise CO-2Hohlfaser 13, mit z. B. 50 oder 200 μm Innenkerndurchmesser, istder Weise nach 3 ausgeführt. Danach befindet sich anderen Ende das Kollimatorsystem 19 und mit der motorischverstellbaren Innenoptik 20 als Mikroperforationskopf,so dass eine sehr feine Fokussierung für Lochgrößen von 50–200 μm Durchmesser auf der in Richtung 14 durchlaufendenMaterialbahn 1 stattfinden kann. Diese Einzeleinheiten 20 sindauch als Mikroperforationsköpfezu bezeichnen, und werden, wie eingangs detailliert beschrieben, über dieBahnbreite in zwei Reihen verteilt, motorisch und automatisiertpositioniert und erzeugen so die jeweiligen Laserlochreihen.
    [0079] Unter 4 mitDraufsicht auf die Materialbahn 1 und deren Vorschubsrichtung 14 veranschaulichtdargestellt. Zur exakten Materialbahnführung dienen die beiden Umlenkwalzen 22.Des weiteren ist anzugeben, dass die Perforationsköpfe 19,deren mechanischen Halterungen und motorischen Querverstellungender Einfachheit hier nicht weiter dargestellt sind, da die Perforationsentstehungauf der Materialbahn 1 veranschaulicht ist. Diese können inder Y-Ebene zweireihig aufgeteilt oder auch in der Y-Ebene zweireihigversetzt angeordnet sein. Als Beispiel der in dieser Verfahrensweiseund Reihenfolge erzeugten Lochreihen sind mit 23, 24, 25, 26, 27 und 28 gekennzeichnet.Die anderen, nicht weiter bezeichneten Perforationsköpfe für die Lochreihen 24–28 sindmit dem unter 19 gleichwertig.
    [0080] In 5 istdie zweite, beispielhafte Konzeptionslösung manifestiert. Wieder bildetdie Vollkreisanordnung 2 die Ausgangsbasis mit der darunter durchlaufendenMaterialbahn 1 und deren Vorschubsrichtung 14.Mit dem vom High-Speed Motor 9 angetriebenen Drehspiegel 4 wirdder Laserstrahl umgelenkt und belichtet bei jedem Umlauf alle hier dargestellten 80 Einzelkanäle. ZumUnterschied zur ersten Konzeptionslösung sind hier motorisch verstellbareLinearführungseinheiten 30 für jedenoptischen Einzelkanal verwandt, mit denen durch eine Positionsverschiebung 32 undSchrägstellung 33 gegenüber derX- und Y-Achse auftritt und somit die Positionen jeder einzelnenLaserlochreihe, und dies völligunabhängigvoneinander, in bestimmten Abstandsbereichen möglich sind. Ein jeder Perforationskopf 31 istdirekt in senkrechter Richtung zur Materialbahn 1 angeordnet,was in 6 veranschaulicht ist.
    [0081] Dererste optische Kanal ist wie schon zuvor, mit 7 und derumlaufend letzte optische Kanal mit 8 gekennzeichnet. Dieerzeugten Laserlochlinien unterliegen der gleichen Bezeichnung mit 23–28,wobei der notwendige räumlicheVersatz der einzelnen Perforationsköpfe zu eng benachbarten Laserlochreihen sichdeutlich hervorhebt.
    [0082] Grundsätzlich istdie Vollkreisanordnung des Hochleistungslasermultiplexers und denEinzel- oder auchMehrfachstrahlumlenkungen, welche in den Zeichnungsbeispielen nichtweiter angegeben sind, konstruktiv so gewählt, dass sowohl deren Gesamtdurchmesserkleiner aber auch größer seinkann, als die Materialbahnbreite. Und ober- oder unterhalb der Materialbahnangeordnet sein kann, um auf diese Weise optimale Positionsverschiebungenund Geometrien fürdie Laserlochreihen zu erhalten.
    [0083] Imweiteren sind die Ausführungsmöglichkeitendes Hochleistungslaserstrahlmultiplexers auch so zu verstehen, dasses sich durch mehrfache Einzelstrahlumlenkungen, ausgehend vom Strahlablenkungszentrumund bis außerhalbder Bahnbreite, die Einzelstrahlen optisch auf die Bahnbreite wiederzurückgeführt sind,was letztlich eine direkte Parallelverschiebung in X-Richtung gegenüber derin Y-Richtung durchlaufenden Materialbahn erlaubt.
    [0084] Dieshat den großenVorteil, dass keine langen Verschiebewege, wie dies bei der Schrägverstellungund Winkelveränderungin der X-Achse der Fall ist, ergeben, und so eine direkte Vergleichbarkeitin der Positionierung der Perforationslochreihen auf beliebigenStellen der Materialbahn bei extrem kurzen Verschiebewegen gegebenist, wie dies bei den bisherigen Offline Laserperforationsanlagenfür schmaleBahnbreiten mit bis zu vier Bobienen praktiziert wird.
    [0085] Darüber hinaussoll noch erwähntwerden, dass die gesamte Kreiseinheit 2 der Strahlverteilung eineextrem hohe mechanische Stabilitäthat und in der Präzisionausgeführtist, wie dies von konventionellen CO2 Leistungsstrahlführungenbekannt ist.
    [0086] ImAnschluss and 5 ist deren Seitenansicht mitderen Details unter 6 veranschaulicht. In der schonmehrfach beschriebenen Weise führt dervon oben zugeführteund hier nicht vor fokussierte Laserstrahl 15 die Umlaufbewegungdurch den Drehspiegel 4 und High-Speed Motor 9 inRichtung 6 aus. Die Zylinderlinse 29 und die motorischverstellbare Lineareinheit 30 mit dem Umlenkspiegel 16 führt denumlaufenden Laserstrahl 34 vertikal nach unten 35 aufdie motorische Fokussieroptik 20 zu, mit der im Fokus 21 dieLaserlochlinie auf die Materialbahn 1, mit Vorschubsrichtung 14,entsteht.
    [0087] Alsweitere Variante der zweiten Konzeptionslösung ist in 7 einspezieller Strahlteiler 36 mit Strahlzuführung 15 vonoben, anstelle des Drehspiegels, eingesetzt. Auch hier erfolgt derAntrieb überden High-Speed Motor 9. Dieser neue, hoch rotierende CO2-Strahlteiler 36 hatdie Grundform eines Kubus mit dem Strahleintritt 38 vonunten oder oben und einem zweifach oder vierfach Strahlaustritt 39 an denSeitenkanten, mit fast identischen Leistungs- und Strahlqualitätsmerkmalen. Die Ausführungsvariantensind an dieser Stelle nicht weiter angegeben, wobei auch anstelleder Vierfachstrahlteiler Vierfachparabolspiegel möglich sind.
    [0088] Wiein 6 erläutert,folgen die zwei oder auch vier umlaufenden Einzelstrahlen 37 denoptischen Strahlungsverlauf mit der Zylinderlinse 29, motorisch 30 verschiebbaren 32 Umlenkspiegel 16 in vertikalerRichtung 35 zu jedem einzelnen Perforationskopf 31 undder adaptierten, motorischen Fokussieroptik 20. Im Fokusbereich 21 entstehendie gewünschtenLaserlochreihen in der Materialbahn 1 und deren Vorschubsrichtung 14.
    [0089] Zumbesseren Verständnisder rotierenden Vierfach Strahlaufteilung nach 7 ist 8 als Draufsichtauf die gesamte Einheit 2 angegeben.
    [0090] DerStrahlteiler 36 erzeugt die vier Teilstrahlen 37, 40, 41 und 42 zeitlichsimultan, so dass sich die optischen Strahlengänge mit den Zylinderlinsen 29 zujedem 360 Grad Umlauf in Richtung 6 und zeitlich um denFaktor 4 schneller gegenüber dem Drehspiegel belichtenlassen. Dies hat die schon zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlichder gewünschten hohenLochfolgefrequenz fürjeden optischen Einzelkanal, beginnend mit 7 und endendbei 8; und die daraus resultierenden Laserlochlinien 23–28.Die Materialbahn 1 wird auch hierbei in Richtung 14 transportiert.Zur Positionierung der Lineareinheiten 30 und dem Durchmesserder Gesamteinheit 2 wird auf die Ausführungen der 5 verwiesen.
    [0091] Eineandere Variante zum rotierenden Drehspiegels ist in 9 alsSeitenansicht zur Strahlrotation mit einem geneigten Polygonrad 43 zusehen, welches ebenfalls vom High-Speed Motor 9 angetrieben wird.
    [0092] DasPolygonrad 43 hat vorzugsweise 6 Facetten mitder z. B. bei vier gleichzeitig einfallenden Laserstrahlen auchvier Strahlauslenkungen übereinen Auffächerungsbereichvon 4·90Grad zum Vollwinkel und zur Versorgung aller optischen Einzelkanäle entstehen.Der schrägvon oben, z. B. in einem Winkel von 30 Grad, einfallende Hauptstrahl 44 wird vorzugsweisemit einer gekühltenLinse 17 auf einen sehr kleinen Durchmesser 46 z.B. im Bereich von 50–200 μm auf dasPolygonrad 43 fokussiert, und trifft im definierten Winkelbereichmit jedem Leistungsstrahl 45 die optischen Einzelkanäle mit deren Zylinderlinsen 29 amoptischen Einlass. Die Strahlweiterführung innerhalb eines jedenoptischen Einzelkanals erfolgt in der mehrfach beschriebenen Weise über Umlenkspiegel 16,motorischer Verstellung 30, Bewegungsrichtung 32 und 35 gelangtauf die motorische Fokussieroptik 20 und dem Perforationskopf 31.Der Strahleinfall 44 von oben oder unten in die Gesamteinheit 2 hatden gleichen schon zuvor genannten Vorteil, dass keine räumlicheAussparrungen im Vollwinkel der Einheit 2 notwendig sind.
    [0093] Über denAufflächerungsbereichvon z. B. 4·90Grad oder anderen Konstellationen zum Vollwinkel von 360 Grad zurVersorgung aller optischen Einzelkanäle sind dann optische Laserleistungenvon 4·500Watt oder auch 4·1000Watt einsetzbar, was mit den heutigen CO2 Laserquellen problemlosrealisierbar ist. Mit dieser Lösunglassen sich selbst extrem hohe Perforationsleistungen und damitverbundene Porositätenbis zu 1000 C. U. pro Lochreihengruppe, Vorschubgeschwindigkeitender Materialbahnen bis 300 m/min Lochfrequenzen bis 2.000.000 Löcher proSekunde generieren.
    [0094] Sichdaran anschließenderklärt 10 eine andereAufteilung der einzelnen Laserlochreihen über die Bahnbreite, wie diesschon in 4 erstmalig ausgeführt ist.Die Materialbahn 1 ist überzwei Umlenkwalzen 22 sehr präzise in Richtung 14 geführt undbeinhaltet die beispielhaft vom Perforationskopf 19 generierteLaserlochreihe 23. Die von anderen in der Y-Achse jeweilsversetzten Perforationsköpfeerzeugen die Laserlochreihen 24, 47, 48, 49 und 50. DiesesAusführungsbeispielist z. B. auch auf Verpackungsbahnen gut übertragbar.
    [0095] Einevergrößere Darstellungder Laserlochreihenanordnung auf der Materialbahn 1, wiebeispielhaft fürMundstückbelagpapiere,ist in 11 angegeben. Deutlich sindhier die schon zuvor angeführtenLaserlochreihen 23–28 sowieim weiteren 51–54 imAusschnitt und überdie Bahnbreite verteilt zu erkennen. Mit 55, 56 und 57 sinddie vorgesehenen Bobbienenabschnitte gekennzeichnet. Für sich selbstredendsind die in Vorschubsrichtung 14 der Materialbahn 1 ausgeprägten Laserlochreihenund bei diesem Beispiel gewähltenZweiergruppe pro Bobienenseite.
    [0096] Inder weiteren Vergrößerung der 12 findetsich diese Anordnung wieder, wobei zusätzlich noch Goldstreifen 61 unddie späterenSchnittkanten 62 einer jeden Einzelbobbiene, im Ausschnittmit 55 und 56 benannt, sich widerspiegeln. ZurVeranschaulichung der Lochdurchmesser im Bereich von 50–200 μm sind diesesymbolhaft mit 59 und deren Abstände der Einzellöcher einerjeden Lochreihe in Vorschubrichtung 14 angegeben.
    [0097] Mitden drei abschließendenZeichnungen der 13–15 sollein Gesamtüberblickund praktische Ausführungsbeispielezur erfinderischen Breitbahnlaserperforationsanlage und deren neuen Komponentenvermittelt werden.
    [0098] Danachzeigt 13 die Gesamtansicht der Breitbahnlaserperforationsanlagemit der Abrollung 63, mittig eingefügten Perforationssektion 69,der sich anschließendenoptischen Online Porositätsmesseinrichtung 68 undder Aufrollung 64. Die Materialbahn 1 rollt sichwie angegeben, in Richtung 14 ab. Die gemeinsame Laserquelle 66 führt in diesem Beispielzwei Hauptlaserstrahlen 3 zu den beiden Einheiten der optischenMultiplexer 2, welche auch hier beispielhaft und aus Strahlführungsgründen nicht über dieMaterialbahn 1 sondern direkt nach der Laserquelle 66 positioniertsind. Alle Einzelfasern 13 sind auf einfach zu installierendeWeise zu den motorisch positionierbaren Fokussieroptiken 20 geführt.
    [0099] DerräumlicheAbstand zwischen beiden optischen Multiplexereinheiten 2 undder Perforationssektion kann bis zu 5 Metern betragen, wie diesz. B. von industriellen CO2 Leistungslaseranlagen zum Schweißen, Fügen, Trennen,Veredeln und anderer Materialbearbeitungen bekannt ist, was dieweiteren Vorteile, insbesondere auch die der hohen Flexibilität und Integrationder Laserstrahlfasern auf beiden Querbalken der Perforationssektion,der erfinderischen Ausführungennochmals unterstreicht.
    [0100] 14 vermittelteinen Eindruck der gesamten Breitbahnlaserperforationsmaschine inder Seitenansicht. Deutlich sind hierbei die beiden Umlenkwalzen 22 unddie automatisiert positionierbaren Fokussieroptiken 20 zuerkennen.
    [0101] Einenweiteren Ausschnitt zeigt die abschließende 15 diegesamte Perforationssektion 69 mit der Richtung 14 zumMaterialbahneinlauf 1. In dieser Ansicht sind die beidenQuerbalken mit Aufnahme der einzelnen Perforationsköpfe 31,deren Faserzuführung 13 unddie beiden motorischen Positioniersysteme vergrößert dargestellt. Alle weiteren Detailsbedürfenkeiner weiteren Erläuterung.
    [0102] Grundsätzlich istnoch anzufügen,dass bei allen drei hier beispielhaft beschriebenen Lösungsvariantendie zugeführtenLaserleistungsstrahlen im Dauerbetrieb, also nicht gepulst, aberauch zeitlich und in Abhängigkeitvon den Rotationen der Strahlumlenkungs- oder Strahlteilungskomponentenund Strahlpositionen vor den Einlassöffnungen der Einzelkanäle getriggert,gepulst werden können.
    [0103] ZumAbschluss sei hervorgehoben, daß die erfinderischeLehre durch die vielen Ausführungsbeispielelediglich erläutert,jedoch keinesfalls eingeschränktist. Vielmehr lässtdie erfindungsgemäße Lehreauch weitere Verfahrensschritte und Vorrichtungsvarianten zur Laserperforationvon breiten Warenbahnen zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmaleaufweisen.
    权利要求:
    Claims (21)
    [1] Verfahren zur Laserperforation von breiten Warenbahnen(1), wie z. B. fürZigaretten, Mundstückbelag-oder Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps,Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichteteoder metallisierte Papier- oder Verpackungs- oder auch bestimmteKunststoffbahnen wie BOPP, LDPE, HDPE oder Spinvliese mit sichtbaren oderunsichtbaren Laserstrahlen, deren Lochreihen (23) im wesentlichenparallel zur Transportrichtung (14) der Bahn (1)ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch einezwischen 90 bis 360 Grad ausgebildete Umlaufbewegung eines odermehrer Hochleistungslaserstrahlen (5) alle im Außenkreis desoptischen Hochleistungslasermultiplexers umlaufend befindlichen,optischen Einzelkanäle(7, 8) mit der zugeführten, vollen Laserstrahlleistung über einbestimmtes und füralle Einzelkanälegleiches Zeitfenster versorgt und damit eine hohe Anzahl von optischenEinzelkanälen(7, 8) mit gleicher optischer Leistung und ohneVerluste der Strahlqualitätverfügbarsind.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,dass ein leistungsstarker Laserstrahl (3) im Wellenlängenbereichvon 10.4–10.8 μm zentrisch vonoben oder unten in ein schnell rotierendes, kubisches Strahlteilerelement(36) eintritt, und an zwei oder vier Seitenflächen zeitlichsimultan und in annäherndgleicher Leistungsteilung, die Teilstrahlen (37, 40, 41, 42, 43)ohne nennenswerte Verluste der Divergenz oder Strahlqualität, austreten.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet,dass die zeitlich simultan aus dem Strahlteiler (36) austretendenTeilstrahlen durch Rotation im 360 Grad Vollwinkel die umlaufendbefindlichen optischen Einzelkanäle(7, 8) in der Anzahl von 2–200 sequenziell versorgen.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,dass anstelle der speziellen Strahlteiler (36) auch Drehspiegel(4), Einfach- oder auch Vierfachparabolspiegel die Strahlumlenk-und Rotationsbewegung im Vollkreis von 360 Grad ausführen.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,dass zur Strahlumlenk- und Rotationsbewegung geneigte Polygone (43)einsetzbar sind, deren Neigungsgrad und Facettenanordnung so gewählt ist,dass bis zu vier gleichzeitige Laserstrahlzuführungen (37, 40, 41, 42)möglichsind, und diese ausgelenkt jeweils vier Kreisabschnitte von 90 Grad mitden umlaufend befindlichen, optischen Einzelkanälen (7, 8)bedienen.
    [6] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–5 dadurchgekennzeichnet, dass mit der Vollkreisanordnung (2) unddirekten Positionierung ober- oder unterhalb der Materialbahn (1)mit den vielzahligen, sternförmigaufgebauten und motorisch betriebenen Lineareinheiten (30)und angebauten Umlenkspiegeln (16) bei deren Zu- und Wegbewegungzum Zentrum eine Schrägverstellung(33) parallel zur Transportrichtung (14) entsteht,mit der sich die Laserlochreihen (23–28) in bestimmtenBereichen überdie Bahnbreite positionieren lassen.
    [7] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–6 dadurchgekennzeichnet, dass durch eine zweireihige Aufteilung und Zuordnungder Einzelkanäle(7,8) sowohl bei den sternförmigen Lineareinheiten (30)wie auch bei der Faserverwendung (13) eng benachbarte Laserlochreihenpositionierungen(23–28)möglichsind.
    [8] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–7 dadurchgekennzeichnet, dass alle optischen Einzelkanäle (7, 8)eine motorische Fokussierung (20) zur Materialbahn verwenden,um so die Lochgrößen (59)und Porositätenoptimal und automatisiert einzustellen.
    [9] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–8 dadurchgekennzeichnet, dass Hohlfasern (13) anstelle von festenStrahlführungenden Laserleistungsstrahl am optischen Multiplexer (2) aufnehmen,diesen flexibel der Perforationssektion (69) zuführen, dortmotorisch positionierbar ist und im weiteren jeder Einzelkanal (7,8)am Ende der Hohlfaser eine motorische Kollimator- (19)und Fukussiereinheit (20) zur Materialbahn (1)besitzt.
    [10] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–9 dadurchgekennzeichnet, dass eine Strahlfokussierung vor dem hoch rotierendenDrehspiegel (4), Parabolspiegel oder geneigten Polygonrad(43) Durchmesserbereiche von 50–500 μm vorgesehen ist.
    [11] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–10 dadurchgekennzeichnet, dass durch mehrere, vom Strahlteiler simultan umlaufende Laserteilstrahlen(37, 40, 41, 42) oder direktzugeführteHauptstrahlen überdas Polygon mit hoher optischer Leistung im Bereich von 500–2000 Wattund bis zu 200 optische Einzelkanäle (7, 8)bedienen können,Lochsequenzen bis 2.000.000 Löcherpro Sekunde erzeugen und gleichzeitig die geforderten Einzelenergienpro Perforationsloch (58) in Bereich von 1.5–4.0 mJsicherstellen.
    [12] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–11 dadurchgekennzeichnet, dass die Lochsequenzen eines jeden optischen Einzelkanals (7, 8)durch die Rotationsdrehzahl des Strahlumlenk- oder Strahlteilungselementssowie von der Anzahl der Leistungsteilstrahlen (37, 40, 41, 42)bestimmt sind.
    [13] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–12 dadurchgekennzeichnet, dass die zugeführtenLaserleistungsstrahlen im Dauerbetrieb, also nicht gepulst, aberauch zeitlich und in Abhängigkeitvon den Rotationen der Strahlumlenkungs- oder Strahlteilungskomponentenund Strahlpositionen vor den Einlassöffnungen der Einzelkanäle getriggert,gepulst werden können.
    [14] Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–13 dadurchgekennzeichnet, dass eine optische Multisensoreinheit (68)sich in Transportrichtung (14) direkt hinter der Perforationssektion (69)befindet und deren Messwerte fürdie Lochreihenpositionen, Lochqualitäten und Porositäten einer jedenLochreihengruppe auf das Laserperforationssystem und deren Einzelkanäle (7,8)zurückgeführt sind,um so auftretenden Änderungenautomatisiert zu kompensieren.
    [15] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch1 oder mehrer der Ansprüche2–14 diemit einem oder mehrer Laser und einem rotierenden, optischen Ablenkelement,einen oder mehrere vom Laser emittierten Laserstrahlen periodischablenkt und so auf eine Mehrzahl von Einzelstrahlkanälen zurErzeugung von Perforationslöchernauf die Oberflächedes flachen Bahnmateriales leitet, dadurch gekennzeichnet, dassjedem Strahlkanal ein Strahleintrittselement zugeordnet ist, wobeidie Strahleintrittselemente in einer Vollkreisanordnung um das optischeAblenkelement herum positioniert sind.
    [16] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch1 oder mehrer der Ansprüche2–15 dadurchgekennzeichnet, dass sich im Zentrum einer kreisförmigen,optischen Hochleistungslasermultiplexereinheit (2) einhoch rotierendes Strahlumlenkungs- oder Strahlteilungselement befindet,was im Vollwinkel von 360 Grad oder in Kreisabschnitten von 4·90 Gradoder anderen Aufteilungen zeitlich simultan die im Außenkreisbefindlichen optischen Einzelkanäle(7, 8) bedient.
    [17] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch1 oder mehrer der Ansprüche2–15 dadurchgekennzeichnet, dass fürdie Strahlumlenkung und Rotation Drehspiegel, Einfach oder Mehrfachparabolspiegel(4) oder geneigte Polygone (45) mit 4–40 Facettenverwandt werden.
    [18] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch1 oder mehrer der Ansprüche2–15 dadurchgekennzeichnet, dass die Zuführungder Einzelleistungsstrahlen von schräg oben oder unten erfolgen,so dass sich keine Lückungzwischen der Außenkreisanordnungder optischen Einzelkanäle(7, 8) ergibt.
    [19] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch1 oder mehrer der Ansprücheder 2–15dadurch gekennzeichnet, dass mit motorisch betriebenen Lineareinheiten(30) der vom Zentrum aus rotierenden Laserstrahl (37)mit einem oder mehrer Umlenkspiegeln (4) oder Strahlteiler(36) bzw. Polygonrad (45) und deren Leistungsstrahlen(37, 40, 41, 42) der durchlaufendenMaterialbahn (1) zuführt wird,und durch deren Zu- und Wegbewegung (32) vom Zentrum einSchrägversatz(33) entsteht, der eine beliebige Laserlochreihenpositionierung über dieBahnbreite ermöglicht.
    [20] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch1 oder mehrer der Ansprüche2–15 dadurchgekennzeichnet, dass am Ende eines jeden optischen Einzelkanals(7, 8) eine Kollimator- (19) und motorischeFokussieroptik (20) aufgesetzt ist, mit der die Lochgrößen (59)von z. B. 50–200 μm Durchmesserund die Porositätbei laufender Materialbahn (1) optimiert sind.
    [21] Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch1 oder mehrer der Ansprüche2–15 dadurchgekennzeichnet, dass die kreisförmigeoptische Hochleistungslasermultiplexereinheit (2) mit denLineareinheiten (30) im Durchmesser kleiner oder größer alsdie Materialbahnbreite ist und keine Lückung zur Strahlzuführung imAußenkreisaufweist.
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    引用文献:
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    2005-08-04| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
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    2006-07-20| 8381| Inventor (new situation)|Inventor name: GROSSE, WERNER, 45657 RECKLINGHAUSEN, DE |
    2006-07-20| 8327| Change in the person/name/address of the patent owner|Owner name: SCHMIDT, DIETMAR, DIPL.-PHYS., HäGENDORF, CH |
    2006-12-07| 8364| No opposition during term of opposition|
    2008-06-05| 8327| Change in the person/name/address of the patent owner|Owner name: GROSSE, WERNER, 44536 LUENEN, DE |
    2010-11-18| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE102004001327A|DE102004001327B4|2004-01-08|2004-01-08|Verfahren und Vorrichtung zur Laserperforation von breiten Warenbahnen|DE102004001327A| DE102004001327B4|2004-01-08|2004-01-08|Verfahren und Vorrichtung zur Laserperforation von breiten Warenbahnen|
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