DE102004001327A1

DE102004001327A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Laserperforation von breiten Warenbahnen

Info

Publication number: DE102004001327A1
Application number: DE102004001327A
Authority: DE
Inventors: Werner Grosse
Original assignee: Individual
Current assignee: Grosse Werner 44536 Luenen De
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: DE102004001327B4

Abstract

Für die Laserperforation von breiten Materialbahnen werden Verfahren und Vorrichtungen angegeben, mit denen es nunmehr möglich ist, bis zu 2000 mm breite Bahnen (1) mit Laserlochreihen unterschiedlicher Freiheitsgrade und Lochsequenzen bis 2000000 Löcher pro Sekunde zu generieren. Mit dem Einsatz von CO2 Leistungsfasern (13), zwei- oder vierfach Hochleistungsstrahlteilern oder auch geneigten Polygonen und einem kreisförmigen optischen Hochleistungslasermultiplexer (2) sind bis zu 200 optische Einzelkanäle (7, 8) industrietauglich realisierbar. Zwischen der Ab- und Aufrollung ist die Perforationssektion und danach folgend die optische Online Porositätsmesseinrichtung (68) angeordnet. Hoch automatisiert und motorisch verstellbar sind die Fokussieroptiken (20) der Perforationsköpfe quer zur Materialbahn (1) positionierbar. Damit ist es erstmalig möglich, mit derartigen Vorrichtungskonzeptionen zur Laserperforation die breiten und sich bis zu 400/ m/min bewegenden (14) Materialbahnen (1), wie z. B. Mundstückbelag- oder Verpackungspapiere, mit optischen Online Multisensorsystemen (68) in der Porosität, Lochqualität und Lochreihenposition moderat zu überwachen und über direkte Rückführungen in das Perforationssystem die auftretenden Änderungen sofort und kontinuierlich zu kompensieren, so dass große Produktionsrollen (65) ohne Zwischenstopps qualitativ extrem hochwertig und in großen Mengen produzierbar sind.

Description

Die Erfindung beschreibt und umfasst Verfahren und Vorrichtungen zur Laserperforation in bis zu 600 m/min bewegten und bis zu 2000 mm breiten Warenbahnen, wobei die erzeugten Laserlochreihen oder Lochreihengruppen im wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Bahn angeordnet sind.
Unter bewegtem Warenbahnen sind im Zusammenhang dieser Erfindung insbesondere Papier- oder anderweitig veredelte Bahnen zu verstehen, wie z. B. Zigaretten-, Mundstückbelag- und Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps, Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete oder metallisierte Papier- oder Verpackungs- oder auch bestimmte Kunststoffbahnen wie BOPP, LDPE, HDPE, Spinvliese usw. die zumindest im Bereich der Perforationen ein gewisses Maß an Gas- oder Wasserdurchlässigkeit aufweisen.
Diese Materialien werden für verschiedene Weiterverarbeitungsprozesse im Format von 400–2000 mm als Großrollen, oder auch Jumbo Rollen genannt, in Längen bis zu 25.000 Metern und Rollendurchmessern bis 1500 mm ab- und aufgerollt.
Daher sind in dieser Erfindung mit Breitbahnen Materialbreiten von mindestens 200 mm, was für Mundstückbelagpapiere auf mindestens 3 Bobbienen übertragbar ist, anzusehen.
Im gleichen Zusammenhang wird die Laserperforation als Offline Perforation bezeichnet, und grenzt sich damit eindeutig zur Online Laserperforation an Zigarettenherstellungs- bzw. Filteransetzmaschinen oder auch Verpackungsmaschinen ab. Die mit dem menschlichen Auge normalerweise nicht sichtbaren, oder wenn gewünscht sichtbaren, Perforationen sind mit fokussierbaren Einzellaserstrahlen sehr präzise in der Lochgröße und Lochposition erzeugbar. Aufgrund der physikalischen Bedingungen und thermischen Eigenschaften und damit verbundenen Absorptionen der vorzugsweise verwendeten Warenbahnen kommen CO2-Leistungslaser im Wellenbereich von 10.4–10.8 μm zum Einsatz.
Hierzu lassen sich die wesentlichen Fakten und Anforderungen der Offline Laserperforation für die eingangs genannten Warenbahnen wie folgt zusammen fassen:

• Materialflächengewichte: 16–100 g/m²
• Materialbahndicken: 30–80 μm
• Materialbedruckungen: unterschiedlichster Art und Positionen – meist außerhalb der Perforationsbereiche
• Bahnbreiten: 400–2000 mm
• Bahngeschwindigkeiten: bis zu 600 m/min
• statische Porositätsmessung: Luftdurchsatzmeßsysteme, z. B. Borgwaldt oder Sodimat
• physikalische Messeinheit der Gasdurchlässigkeit, hier als Porosität genannt für diese Meßsysteme: Coresta Units – ml/min/cm
• Porositätsbereiche: 80–4000 C. U.
• Porositätsvariationen: < 3% bei Porositätsbereichen von > 400 C. U.
• Lochgrößen: 60–300 μm, als Mikro- oder Makrolöcher
• Lochdichten: 5–40 Löcher pro cm in Bahnlaufrichtung
• Lochformen: optimal rund bis leicht oval, ohne Außengrad
• Porosität pro Perforationsloch: 8–80 C. U.
• Anzahl der Laserlochreihen pro Bobienenseite und Bobiene: 2–6 auf jeder Seite – somit 4–12 für jede einzelne Bobiene
• minimale Abstände zwischen zwei nebeneinander liegenden Lochreihen: 1.0 mm
• Lochreihen- oder Lochreihengruppenabstand untereinander: 10–40 mm
• Anzahl der Einzellochreihen über die Bahnbreite verteilt: 8–120 und mehr
• Positionierung jeder Laserlochreihe über die Bahnbreite: +/–0.1 mm
• Lochanzahl für alle Lochreihen zusammen: 100.000–2.000.000 Löcher pro Sekunde
• Kinetische Energie pro erzeugtes Laserloch – je nach Materialart: 2.0–4.0 mJ
• Zeitfenster des Laserstrahles pro Perforationsloch: 20–50 μs
• CO-2 Laser 10.6 μm Wellenlänge und optische Leistungen von 500–4000 Watt
• CW- oder Puls-Betrieb bis 10.000 Hz, einstellbares Impuls-Pausen-Verhältnis
• Schwankungen der optischen Laserleistung: 2–4% max.
• Lasermoden: TEM00 Grundmode oder höhere Moden
• Strahlqualitätsfaktor: M = 0.6–1.0 mrad
• Energiedichten bei Fokussierungen des Hauptstrahles in Größenordnungen von 100–200 μm: 1 – 10·10E8 Watt/cm²
• Durchmesser des zugeführten Laserstrahles: 8–12 mm
• sehr präzise und gleich bleibende Materialbahnführung im Fokusbereich mit Bahnschwankungen < 100 μm
• Rotation von Drehspiegeln oder anderen optischen Elementen: 10.004–50.000 U/min

Unter diesem physikalisch-technischen Hintergrund und den hohen Produktanforderungen ist die nachstehende Erfindung der Offline Laserperforation zu sehen und sind deren vorteilhaften Lösungen erarbeitet.

Der Stand der Technik für das Auslenken, Umlenken, Weiterführen und Pulsen von CO2 Laserstrahlen ist in einer Vielzahl von internationalen und nationalen Patenten beschrieben, so dass an dieser Stelle die Schutzrechte mit dem Stand der Technik angegeben werden, die unmittel- oder mittelbar mit dem Perforieren der Warenbahnen aus den o. g. Anwendungsbereichen im Zusammenhang stehen.

In den Patenten DE 29.18.283 C2 , DE 195.11.393 A1 , FR 21.30.698 und US 41.18.619 sind grundlegende Verfahrensweisen und Vorrichtungen angegeben und ausführlich beschrieben, mit denen Laserstrahlen durch Drehspiegel, Polygone oder diffraktive-optische-Elemente auch DOE's genannt, in einem Winkel meist unter 90 Grad ausgelenkt und/oder verdoppelt auf durchlaufende Papierbahnen zur Perforation benutzt werden. Diese Verfahrens- und Vorrichtungstechniken sind in den Jahren danach für viele Offline Laserperforationsmaschinen, als mehrfach Bobienenperforationsanlagen mit bis zu vier gleichzeitig bearbeiteten Bobienen, Bobienenlängen bis 4000 Metern, bis zu 32 Einzelstrahlkanälen, Bahnbreiten bis zu 400 mm, Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min und Lochsequenzen bis zu 500.000 L/Sek. erfolgreich konvertiert worden.

Aus den Patenten zur Online Perforation an Zigarettenherstellungs- oder Filteransetzmaschinen, z. B. der US 5.404.889 , 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 technologisch sehr hochwertige Lösungen zur Laserstrahlum- und Auslenkung mit oszillierenden Spiegeln und speziellen, optischen Teilungselementen vertieft beschrieben. Diese beziehen sich ausschließlich auf maximal zwei Bobienen- bzw. zwei Bobienenstreifen, wobei die Laserperforation häufig durch die Mundstückbelagpapiere hindurch in den Filter eintritt, um die Nikotin- und Schadstoffanteile der unmittelbar danach hergestellten Zigaretten gesteuert abzusenken.

In weiteren Patenten der PCT WO-99/58006 und EP 0.624.424 B1 sind ebenfalls ON-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 Zigaretten zu perforieren.

Ein sehr interessantes Verfahren und Vorrichtung zur OFF-LINE Laserperforation von breiten Mundstückbelagpapierenbahnen ist in der PCT WO-98/39135 und EP 0.909.606 angegeben. Hier werden mit fest um 90 Grad zur Bahnlaufrichtung ausgerichteten, mechanisch sehr aufwendigen Laserstrahlführungen bis zu 40 Einzelstrahlkanäle über die Bahnbreite generiert und mit automatisierten Bobienenwechseleinrichtungen ganze Produktionsrollen, und dies auch mit Online Porositätseinrichtungen direkt nach der Perforation angeordnet, durchgefahren und so perforationstechnisch veredelt.

Für derartige, hoch automatisierte Breitbahnperforationsanlagen sind vergleichbare Online Porositätsmesseinrichtungen u. a. auch in der DE 102.51.610.3 beschrieben.

Zur weiteren Ergänzung und im direkten Zusammenhang dieser Erfindung seien auch aktuelle Publikationen wie: standardisierte und flexible Strahlführungssysteme für die Lasermaterialbearbeitung, Dieter Frank, GMS Frank Optic Products 2002; flexible Hohlwellenleiter für neue Laseranwendungen, Prof. Dr. Klaus Behler 2002; flexible hollow-Core-Waveguides for CO2-Lasers, potential and limitation as beam guiding system for material processing, Prof. Dr. Behler 2003; Silica Waveguides from Polymicro Products; high-power laser fibres, CeramOptec GmbH 2003; Lincoln Laser high-speed scanner Laser products; ein neues Slablaser-Konzept ermöglicht verbesserte Strahleigenschaften, Keming Du, EdgeWave GmbH 2003; Trumpf Laser der Weg des Laserstrahles vom Lasergerät zum Werkstück 2003; Rofin Baasel Lasertech GmbH press-release Perfolite and high-end-Perfolas, 2001–2003; Micro Laser Technology GmbH, Produkte der MLP-10 und MLP-50, angeführt.

Wie aus den angeführten Schriftenwerken zu ersehen ist, werden mit den bisherigen Verfahren und Vorrichtungen in der Regel zwei Bobienenstreifen Online perforiert sowie bei den Offline Laserperforationen bis maximal 4 Bobienen und 32 Einzelstrahlkanälen bei 90 Grad zur Bahnlaufrichtung mechanisch sehr aufwendigen, optischen Strahlführungen und Fokussierungen, um so die Positionierung jeder einzelnen Laserperforationslinie auf die durchlaufende Materialbahn zu erzielen.

Das Breitbahnperforationsverfahren aus der PCT WO-98/39135 und EP 0.909.606 erlaubt die Perforation von bis zu 20 gleichzeitig hergestellten Bobienen, wobei leicht einzusehen ist, das die Anzahl der mechanisch sehr aufwendig geführten Strahleinzelkanäle auf 40 limitiert ist.

Zum Stand der Technik und angeführten Patentschriften zeigt eine erste Betrachtung hinsichtlich der limitierten, optischen Strahlkanäle und daraus resultierenden Laserperforationslinien pro Bobienenseite folgendes Bild;
Bei 32 Einzelstrahlkanäle und 4 gleichzeitig perforierten Bobienen sind 4 Laserlochlinien pro Bobienenseite möglich.

Für das angeführte Breitbahnperforationsverfahren mit bis zu 20 gleichzeitig verarbeiteten Bobienen und 40 optischen Einzelstrahlen ist nur eine Laserlochlinie pro Bobienenseite erzeugbar.

Ein weiterer, wesentlicher Aspekt ist in der Limitierung der Lochsequenzen bei 100.000 bis ca. 400.000 Löcher pro Sekunde, der zugeführten, optischen Strahlleistung eines Laserstrahles von derzeit ca. 2000 Watt bei Offline und ca. 300 Watt bei Online Laserperforationssystemen mit hoch rotierenden Polygon- oder Drehspiegeln zu sehen, da ansonsten die Einzelenergien für jedes erzeugte Laserloch in der Materialbahn nicht mehr ausreichen. Dies lässt sich nach der angegebenen Auflistung leicht ermitteln.

Dabei ist noch anzumerken, dass die Bahngeschwindigkeiten bei der Offline Laserperforation sich im Bereich bis 600 m/min und bei den Online Perforationen an den Zigarettenmaschinen bei ca. 160 m/min bewegen.

Des weiteren ist aus den Patentschriften, den praktischen Verfahrensweisen und von den im Markt befindlichen Laserperforationsanlagen bekannt, dass eine automatisierte und völlig selbsttätige Einstellung der Laserlinienpositionierung und Fokussierung auf die Materialbahn gänzlich unmöglich ist, weil zum einen die optischen Einzelstrahlkanäle nicht motorisch verstellbar und/oder keine geometrische Perforations- und optische Porositätserfassung nach der Perforationssektion, wie z. B. in der DE 102.51.610.3 beschrieben, vorhanden ist. Und dies bei Anlagen mit maximal 32 oder auch 40 Einzellaserlinien.

Daher ist leicht einzusehen, dass eine manuelle Einstellung der Geometrien aller Einzelstrahlkanäle außerordentlich mühevoll, zeitintensiv und im weiteren eine spätere Kontrolle während der laufenden Perforation fast gänzlich unmöglich ist, so dass Abweichungen in der Laserlinienposition wie auch in der Lochqualität einzelner Lochreihen und damit verbundener Porositätsabweichung, z. B. ausgelöst durch Verschmutzungen an den Laserköpfen, Einflüsse der Absaugluft und Verschmutzungen der Umlenkwalzen auf die Fokussierung, geringer Bahnkantenversatz und der gleichen mehr, erst zum Ende der produzierten Bobiene und zum Stillstand der Maschine erkennbar sind.

Auch sind in der Praxis die mit Änderungen der Lochqualitäten verbundene Porositätsabweichungen während der laufenden Perforation nicht direkt zu kompensieren, da fast ausschließlich alle Verfahren die optische Laserleistung als Strahlquelle sehr konstant halten, aber nach der Strahlaufteilung und Fokussierung keine Einwirkungsmöglichkeiten auf die Änderung der Intensität der Einzelstrahlkanäle bestehen.

Somit sind Lochqualitäts- und Perforationsprofilkontrollen und dem sich anschließenden Regelkreis zu Trendnachführungen für das Perforationssystem simultan nicht möglich, was bei dem hohem Automatisierungsgad der Produktionsanlagen äußert nachteilig ist. Dies gilt im besonderen Maße für ein automatisiertes und schnelles Rüsten und Einstellen der Perforationsköpfe über die Bahnbreite hinsichtlich der Positionierung und Anfangsporosität, wie dies u. a. zur motorischen Unter- und Obermesserpositionierung von Rollenschneidanlagen bekannt ist.

Abschließend sei noch erwähnt, dass fast alle Offline Laserperforationsverfahren und im Markt erhältlich Anlagen Bobiene für Bobiene veredeln, was praktisch bedeutet, dass nach jedem Bobienenschnitt von 3000 oder 4000 Metern Länge die Maschine angehalten wird, die Bobienen ausgetauscht und dann die Maschine wieder in den Produktionsbetrieb versetzt wird.

Dieser Start-Stopp-Betrieb reduziert nicht nur die Gesamteffizienz der Anlage sondern erzeugt durch die Beschleunigungs- und Bremsphasen auch einen nicht unerheblichen Anteil von Ausschussmaterial in der Größenordnung von 4–8%.

Daher ist leicht einzusehen, dass bei sehr hohen Bahngeschwindigkeiten bis zu 600 m/min und hochgerüsteten Laser- und Perforationsleistungen die Stoppphasen zum Austausch der fertigen und zur Vorbereitung der neuen Bobienen bis zu 5 Minuten betragen kann, was dazu führt, das bei 3000 Meter langen Bobienen die Stillstandzeit zwischen 30–50% betragen kann.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, alle aufgezeigten Nachteile der dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren und Vorrichtungen auszugleichen und technische neue Lösungen anzugeben, mit der eine wesentlich höhere Anzahl von Laserstrahlkanälen, und dies bis zu 120 Einzelkanälen und Bahnbreiten bis zu 2000 mm, möglich sind, die Geometrien und auch die Fokussierung aller Laserlochlinien automatisiert und mittels optischer Online Porositätsmesseinrichtung einstellbar ist.

Und im weiteren ganze Produktionsrollen ohne Zwischenstopps mit z. B. 20 Bobienen in der Bahnbreite von 1000 mm und z. B. bei 18.000 Produktionsmetern so insgesamt 120 Bobienen perforations- und porositätsgesteuert, ohne jegliches Ausschussmaterial, mit hoher Effizienz veredelt werden können.

Hierzu sind in der nachstehenden Erfindungsbeschreibung verschiedene Konzeptionslösungen angeführt und deren Verfahrens- und Vorrichtungsdetails erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung zur Laserperforation von breiten Warenbahnen löst die vorangestellte Aufgabe durch die Hauptmerkmale der Patentansprüche 1–21.

Danach bieten sich grundsätzlich drei Lösungsmöglichkeiten an, deren erste Konzeption darauf basiert, dass ein hoch rotierendes Spiegelelement einen gepulsten oder nicht gepulsten Laserhauptstrahl in einem 360 Grad Vollwinkel auf eine hohe Zahl von optischen Eintrittskanälen mit angekoppelten Fasern umlenkt, und innerhalb eines bestimmten Zeitfensters die Laserenergie den Einzelfasern zuführt, was im Prinzip einen optischen CO2 Hochleistungslasermultiplexer darstellt.

Die Enden aller Fasern sind mit Fokussieroptiken als Mikroperforationsköpfe versehen und können durch deren Flexibilität und Freiheitsgrad auf ideale Weise und mit den im Markt befindlichen motorischen Positionierungssystemen, wie z. B. an Rollenschneidern verwandt, in die durchlaufende Materialbahn die Laserlochlinien an beliebigen Stellen und nach Maßgabe der Perforationsraster, erzeugen.

Somit werden bei dieser Erfindungsvariante die in der bisherigen Technik sehr aufwendig eingesetzten, optischen Umlenkungs- und mechanisch hochwertigen Führungselemente gänzlich vermieden.

In der zweiten Konzeption sind im Vollkreiswinkel von 360 Grad ebenfalls eine Vielzahl von Einzelstrahlkanälen angeordnet, in deren Zentrum sich ein hoch rotierendes Spiegelelement oder spezieller Strahlteiler befindet.

Deren Aufgabe besteht darin, den einfallenden, nicht gepulsten Laserhauptstrahl, oder auch vier einzelne Laserhauptstrahlen, auf die optischen Einzelkanäle über ein Zeitfenster, bestimmt durch die Zeit, wenn der Laserstrahl das jeweilige Eintrittfenster überstreicht, einzukoppeln.

Der oder die vier simultanen Laserleistungsstrahlen folgen dann der optisch festen Strahlführung mittels Linearführungseinheiten und motorisch verstellbaren Umlenkspiegeln und den sich in senkrechter Ebene anschließenden Fokussiereinheiten und Mikropertorationsköpfen zur Materialbahn.

Die kreisförmige Laserstrahlauffächerung ist konstruktiv so gestaltet, dass deren Gesamtdurchmesser kleiner oder auch größer ist als die Bahnbreite und die Einrichtung ober- oder unterhalb der durchlaufenden Materialbahn zur Anordnung kommt. Mit der geometrischen Verstellung der Umlenkspiegel aller Einzelstrahlkanäle gegenüber dem Zentrum der Strahlzuführung, und der dabei entstehenden Schrägverstellung gegenüber der quer durchlaufenden Materialbahn, lassen sich die Laserperforationslinien an den gewünschten Positionen erzeugen. Da sich die Strahlführungen eines jeden Einzelkanals nur in der Länge ändern, bleiben die Fokussierungs- oder Strahldivergenzeigenschaften in erster Nährung unberührt, so dass der zuvor angegebene Strahlqualitätsfaktor erhalten bleibt.

Und dies unter Beachtung der sehr nah und oder weiter voneinander positionierten Laserlochlinien, von z. B. 1.0 mm und 40 mm, je nach Bobienenbreite und Rasterung. Durch eine leichte Schrägstellung der Gesamtanordnung gegenüber der Materialbahn werden Überlappungen im 90 und 180 Grad Bereich der Einzelkanäle vermieden.

Erfindungsgemäß ist erkannt und durch eine Vielzahl von Untersuchungen und praktischen Tests bestätigt worden, dass nur mit einer kreisförmigen Anordnung eine hohe Zahl von optischen Einzelkanälen von z. B. 80, 120 oder mehr, möglich sind, als dies bisher mit der Polygonstrahlauffächerungs- und Wellenbogentechnik bis maximal 32 Einzelkanälen mit Strahlauslenkungen eines Laserleistungsstrahles von kleiner 90 Grad praktiziert wird.

Somit lassen sich z. B. bei einer Bahnbreite für Mundstückbelagpapiere von z. B. 1000 mm und 20 Einzelbobbienen, jeweils 3 Perforationslochreihen pro Bobbienenseite, also 6 Lochreihen pro Bobiene, generieren. Anzufügen ist noch, dass die Bahnbreiten der Mundstückbelagpapiere bedingt durch die Standardbreiten der Tiefdruckmaschinen fast ausnahmslos 1000 mm betragen, was bei unterschiedlichen Bobbienenbreiten dann zur unterschiedlichen Anzahl der Schneidbobbienen führt.

Des weiteren 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 umlaufenden Laserstrahlen mit sehr hohen optischen Leistungen betrieben werden können, was die elementare Vorrausetzung für die notwendige Laserenergie pro Perforationsloch von 2.0–4 mJ in der Materialbahn, welche selbstredend eine hohe Minimalgeschwindigkeit haben sollte, sowie auch für die Lochfolgefrequenz der einzelnen und aller Kanäle von z. B. 2.000.000 Löcher pro Sekunde zusammen ist.

Mit dem Einsatz des neuen Zwei- oder Vierfach-Laserleistungs-Strahlteilers für hohe Rotationsgeschwindigkeiten ist es jetzt erstmals möglich, auch die relativ hohen Umlaufstrahlsequenzen und Lochfolgen der vielzahligen, optischen Einzelkanäle mit Strahlteilern zu realisieren.

Darüber hinaus sind Vierfach-Laserstrahlausgänge z. T. direkt verfügbar, wie z. B. bei PRC-CO-2-Laserquellen mit jeweils 500 Watt optischer Leistung, was die Zuführung auf die erfinderische Vorrichtung mit bis zu 120 oder auch mehr optischen Einzelkanälen wesentlich erleichtert und leistungstechnisch erfüllbar macht.

Die dritte Konzeptionslösung ist mit einem geneigten, hoch rotierenden Polygonrad mit z. B. 6 Facetten aufgebaut, einer vierfach und nicht gepulsten Laserstrahlzuführung und damit verbundener Strahlauffächerung von jeweils 4·2·45 Grad über die zugeordneten Kreisabschnitte von z. B. 4·30 Einzelkanäle bietet eine verfahrenstechnische und technologische erstklassige Lösung zur Realisierung der eingangs genanten Basisvoraussetzungen. Durch die Neigung der Polygonfläche lassen sich z. B. vier Laserstrahlen von oben schräg einfallend zuführen, ohne dass eine Lückung in horizontaler und gleicher Ebene der optischen Einzelkanäle notwendig ist.

Weitere Verfahrens- und Vorrichtungsvorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der relativ einfachen Laserstrahlführung mit konventionellen, optischen CO-2-Komponenten, der absoluten Baugleichheit aller Einzelkanäle, der kompakten Ausführung aller Umlenk- und Perforationsköpfe, deren mechanisch-motorischen Lineareinheiten sehr preiswert, z. B. in Taiwan oder auch bei Edmund Industrie Optik, zu erwerben sind.

Des weiteren ist hervor zu heben, dass der technologische und mechanische Aufwand zur Strahlführung und Erzeugung von hoher Anzahl optischer Einzelkanäle mit dem erfinderischen, kreisförmigen Hochleistungslasermultiplexer deutlich geringer ist, als dies mit konventionellen festen Strahlführungen bei deutlich geringeren, optischen Einzelkanälen machbar wäre.

Damit sind die technologische Realisierung und der investive Aufwand für bis zu 120 oder mehr optischen Einzelkanälen und Breitbahnen bis zu 2000 mm praktisch erst machbar geworden.

Abschließend sind noch die nicht zu unterschätzenden, produktiven Vorteile aller erfinderischen Konzeptionslösungen anzugeben, die darin begründet sind, 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 es möglich ist, alle vielzahligen Einzelstrahlen und Laserlochlinien quer zur Materialbahn automatisiert und exakt zu positionieren. Sowie deren Porositäten und Lochqualitäten einer jeden Lochreihe oder Lochreihengruppe zu erfassen und über die motorischen Fokussierungen der erfinderischen Vorrichtungen in bestimmten Bereichen, ohne dass sich deren Lochqualitäten verschlechtern, nachzustellen, um so auch diese wesentlichen Produktgrößen weitgehend konstant zu halten.

Nachstehend einige Berechnungen, welche beispielhaft für Mundstückbelagpapierbahnen ausgeführt sind, was eine Vergleichbarkeit mit den eingangs ausgestellten Anforderungen erlaubt. Wie aus den Ergebnissen zu ersehen ist, wird dies in vorteilhafter Weise erfüllt, was praktische Tests der ersten technologischen Industrieausführungen bestätigt haben.

Gleichermaßen lassen sich weitere Berechnungsbeispiele mit anderen physikalischen Bedingungen für andere Materialbahnarten daraus ableiten.

Für die Lochwiederholungsrate einer jeden Lochreihe und insgesamt für alle gilt:

• bei A = 20 Löcher pro cm perforierter Lochlinie und Bahngeschwindigkeiten von 120 m/min: (120 m/min/60 Sek./min)·100 cm·20 Löcher/cm = 4000 Löcher pro Sekunde pro cm – pro Einzellochreihe
• bei 120 Einzelkanälen: 120·4000 Löcher/Sekunde = 480.000 Löcher pro Sekunde
• bei B = 20 Löcher pro cm perforierter Lochlinie und Bahngeschwindigkeiten von 300 m/min: (300 m/min/60 Sek./min)·100 cm·20 Löcher/cm = 10.000 Löcher pro Sekunde pro cm – pro Einzellochreihe
• bei 120 Einzelkanälen: 120·10.000 Löcher/Sekunde = 1.200.000 Löcher pro Sekunde

Zur Rotation des Strahlteiles oder geneigten Polygons gilt:
Für den Vierfachsstrahlteiler errechnet sich eine Rotation von:

• bei A = 4000 L/Sek/4 = 1000 U/Sek Für s Polygon mit 6 Facetten und vier Laserstrahlen:
• bei A = 4.000 L/Sek/6/4 = 166.66 U/Sek
• bei B = 10.000 L/Sek/6/4 = 416.66 U/Sek

Kalkulation der Zeitdauer und Laserenergie pro zugeführtem oder geteiltem Strahl:
Für den Vierfachsstrahlteiler errechnet sich theoretisch:

• bei A = 1000 U/Sek. und 120 Einzelkanälen: 1/1000 Sek./(120/4) = 33.2 μs abzüglich der Zeit für das Ein- und Austauchen des Laserstrahles in die volle optische Öffnungsweite des Eintrittkanals mit ca. 40% = ca. 20 μs
• bei A = 4000 Löcher/Sek. und 3.5 mJ/Loch = 4000·3.5 mJ·30 = 420 Watt Für geneigte Polygon mit 6 Facetten errechnet sich theoretisch:
• bei A = 1000 U/Sek. und 120 Einzelkanälen: 1/1000 Sek./(120/4/6) = 200 μs abzüglich der Zeit für das Ein- und Austauchen des Laserstrahles in die volle optische Öffnungsweite des Eintrittkanals mit ca. 40% = ca. 120 μs
• bei A = 4.000 Löcher/Sek. und 3.5 mJ/Loch = 4000·3.5 mJ·30 = 420 Watt pro Laserleistungsstrahl – bei 4 Strahlen = 1680 gesamte Laserleistung
• bei B = 10.000 Löcher/Sek. und 3.5 mJ/Loch = 10.000·3.5 mJ·30 = 1050 Watt pro Laserleistungsstrahl – bei 4 Strahlen = 4200 Watt gesamte Laserleistung

Wie aus den einfachen, theoretischen Berechnungsbeispielen zu ersehen ist, bewegen sich die wesentlichen physikalischen Größen in den eingangs aufgelisteten Größenordnungen, was sich in der Praxis weiter bestätigt hat.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten, weiterzubilden und anzugeben. Dazu ist einerseits auf die in den Patentansprüchen 1–20 beschriebenen Ausführungen, und andererseits auf die nachfolgenden Erläuterungen mehrer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen 1–15 zu verweisen.

In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemein bevorzugten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. Dies insbesondere für Materialbahnen wie Mundstückbelagpapiere wie aber auch Verpackungsbahnen jeglicher Art und Ausführung.
Hierbei zeigen die Zeichnungen im einzelnen:
1 schematische Draufsicht der 360 Grad-Vorrichtung mit Zuführung eines Laserhauptstrahles und rotierendem Spiegel für 80 optische Einzelkanäle und Faserauskopplung und der darunter befindlichen Materialbahn
2 schematische Seitenansicht der in 1 dargestellten, erfinderischen Vorrichtung mit Laserstrahlzuführung und Einzelfaserauskopplung
3 Seitenansicht der Faserauskopplung mit dem Perforationskopf über die Materialbahn
4 Draufsicht auf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 1
5 schematische Draufsicht der 360-Grad-Vorrichtung, Zuführung eines und umlaufenden Laserhauptstrahles und mit einem Strahlteiler für 80 optische Einzelkanäle, Linearführungen sowie der darunter befindlichen Materialbahn
6 Seitenansicht der 5 mit einer Laserstrahlzuführung, des rotierenden Spiegels, Einzelstrahlumlenkung und der Strahlauskopplung auf die Materialbahn
7 Seitenansicht der 5 mit einer Laserstrahlzuführung, und alternativ eines rotierenden Strahlteilers, der Einzelstrahlumlenkung und Strahlauskopplung auf die Materialbahn
8 schematische Draufsicht der 360-Grad-Vorrichtung, Zuführung von vier Laserhauptstrahlen und rotierenden Strahlteiler für 80 optische Einzelkanäle und Linearführungen sowie der darunter befindlichen Materialbahn
9 Seitenansicht der 8 mit vierfach Laserstrahlzuführung, und alternativ eines rotierenden geneigten Polygons, der Einzelstrahlumlenkung und Strahlauskopplung auf die Materialbahn
10 Draufsicht auf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 8
11 Draufsicht auf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 8 und Lochreihendetails
12 Draufsicht auf die Materialbahn mit den Laserlochreihen nach 8 und weiteren Lochreihendetails
13 Gesamtansicht der Breitbahn-Laserperforationsmaschine
14 Seitenansicht der Breitbahn-Laserperforationsmaschine
15 Gesamtansicht der Faser gekoppelten Perforationssektion
1 zeigt die schematische Draufsicht der 360 Grad-Vorrichtung als optischer CO2 Hochleistungslasermultiplexer 2 mit dem Zuführungsrohr 3 für den Laserhauptstrahl und 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 überstreicht zu jedem 360 Vollwinkelumlauf die 80 hier dargestellten Einzelkanäle mit deren optischen Einlassöffnung und vorgesetzter Zylinderlinse 10. Die Linsen 7 und 8, deren Angabe gleichzeitig den ersten und letzten optischen Kanal definieren, fokussieren den jeweils eintretenden Laserstrahl auf die Faserankopplung 12. Die Auskopplung erfolgen über die Fasern 13, die vorzugsweise als CO2-Hohlwellenleiter ausgebildet sind, und im internationalen Markt erhältlich sind. Unterhalb der Vorrichtung 2 ist die durchlaufende Materialbahn 1, mit der Vorschubsrichtung 14, eingezeichnet.
Der Durchmesser und die räumliche Anordnung des optischen CO2 Multiplexers 2 ist völlig unabhängig von der Materialbahnbreite und nur bestimmt durch die geometrischen Dimensionen und optischen Elementanordnungen. In diesem Beispiel erfolgs die Anordnung direkt über die Materialbahn 1, in der 13 z. B. direkt am Laserquellenausgang.
In Weiterführung dieser Ansicht zeigt 2 die Seitenansicht mit dem Strahlzuführungsrohr 3 und dem Laserstrahl 15. Über den festen Umlenkspiegel 16 gelangt der Hauptstrahl auf die Fokussierlinse 17, welche aufgrund der hohen Energiedichte meist wassergekühlt ist, mit der ein Strahldurchmesser von bis ca. 200 μm Durchmesser auf den hoch rotierenden Spiegel 4 projektiert, um 90 Grad umgelenkt und im Vollkreiswinkel mit Rotationsrichtung 6 auf die Zylinderlinsen 10 zur jeweiligen Fasereinkopplung 11 und 12 gelangt. Der hoch rotierende Spiegel 4 kann als Planspiegel oder als Parabolspiegel ausgebildet sein, und beinhaltet in seiner Halterung eine mechanisch präzise Ausnehmung zum Ausgleich der hohen Fliehkräfte.
Weitere optische Details bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung, da sie in den eingangs genannten Patentschriften ausführlich erklärt sind.
Jede mit dem Laserstrahl 15 beaufschlagte und vorzugsweise CO-2 Hohlfaser 13, mit z. B. 50 oder 200 μm Innenkerndurchmesser, ist der Weise nach 3 ausgeführt. Danach befindet sich an deren Ende das Kollimatorsystem 19 und mit der motorisch verstellbaren Innenoptik 20 als Mikroperforationskopf, so dass eine sehr feine Fokussierung für Lochgrößen von 50–200 μm Durchmesser auf der in Richtung 14 durchlaufenden Materialbahn 1 stattfinden kann. Diese Einzeleinheiten 20 sind auch als Mikroperforationsköpfe zu bezeichnen, und werden, wie eingangs detailliert beschrieben, über die Bahnbreite in zwei Reihen verteilt, motorisch und automatisiert positioniert und erzeugen so die jeweiligen Laserlochreihen.
Unter 4 mit Draufsicht auf die Materialbahn 1 und deren Vorschubsrichtung 14 veranschaulicht dargestellt. Zur exakten Materialbahnführung dienen die beiden Umlenkwalzen 22. Des weiteren ist anzugeben, dass die Perforationsköpfe 19, deren mechanischen Halterungen und motorischen Querverstellungen der Einfachheit hier nicht weiter dargestellt sind, da die Perforationsentstehung auf der Materialbahn 1 veranschaulicht ist. Diese können in der Y-Ebene zweireihig aufgeteilt oder auch in der Y-Ebene zweireihig versetzt angeordnet sein. Als Beispiel der in dieser Verfahrensweise und Reihenfolge erzeugten Lochreihen sind mit 23, 24, 25, 26, 27 und 28 gekennzeichnet. Die anderen, nicht weiter bezeichneten Perforationsköpfe für die Lochreihen 24–28 sind mit dem unter 19 gleichwertig.
In 5 ist die zweite, beispielhafte Konzeptionslösung manifestiert. Wieder bildet die Vollkreisanordnung 2 die Ausgangsbasis mit der darunter durchlaufenden Materialbahn 1 und deren Vorschubsrichtung 14. Mit dem vom High-Speed Motor 9 angetriebenen Drehspiegel 4 wird der Laserstrahl umgelenkt und belichtet bei jedem Umlauf alle hier dargestellten 80 Einzelkanäle. Zum Unterschied zur ersten Konzeptionslösung sind hier motorisch verstellbare Linearführungseinheiten 30 für jeden optischen Einzelkanal verwandt, mit denen durch eine Positionsverschiebung 32 und Schrägstellung 33 gegenüber der X- und Y-Achse auftritt und somit die Positionen jeder einzelnen Laserlochreihe, und dies völlig unabhängig voneinander, in bestimmten Abstandsbereichen möglich sind. Ein jeder Perforationskopf 31 ist direkt in senkrechter Richtung zur Materialbahn 1 angeordnet, was in 6 veranschaulicht ist.
Der erste optische Kanal ist wie schon zuvor, mit 7 und der umlaufend letzte optische Kanal mit 8 gekennzeichnet. Die erzeugten Laserlochlinien unterliegen der gleichen Bezeichnung mit 23–28, wobei der notwendige räumliche Versatz der einzelnen Perforationsköpfe zu eng benachbarten Laserlochreihen sich deutlich hervorhebt.
Grundsätzlich ist die Vollkreisanordnung des Hochleistungslasermultiplexers und den Einzel- oder auch Mehrfachstrahlumlenkungen, welche in den Zeichnungsbeispielen nicht weiter angegeben sind, konstruktiv so gewählt, dass sowohl deren Gesamtdurchmesser kleiner aber auch größer sein kann, als die Materialbahnbreite. Und ober- oder unterhalb der Materialbahn angeordnet sein kann, um auf diese Weise optimale Positionsverschiebungen und Geometrien für die Laserlochreihen zu erhalten.
Im weiteren sind die Ausführungsmöglichkeiten des Hochleistungslaserstrahlmultiplexers auch so zu verstehen, dass es sich durch mehrfache Einzelstrahlumlenkungen, ausgehend vom Strahlablenkungszentrum und bis außerhalb der Bahnbreite, die Einzelstrahlen optisch auf die Bahnbreite wieder zurückgeführt sind, was letztlich eine direkte Parallelverschiebung in X-Richtung gegenüber der in Y-Richtung durchlaufenden Materialbahn erlaubt.
Dies hat den großen Vorteil, dass keine langen Verschiebewege, wie dies bei der Schrägverstellung und Winkelveränderung in der X-Achse der Fall ist, ergeben, und so eine direkte Vergleichbarkeit in der Positionierung der Perforationslochreihen auf beliebigen Stellen der Materialbahn bei extrem kurzen Verschiebewegen gegeben ist, wie dies bei den bisherigen Offline Laserperforationsanlagen für schmale Bahnbreiten mit bis zu vier Bobienen praktiziert wird.
Darüber hinaus soll noch erwähnt werden, dass die gesamte Kreiseinheit 2 der Strahlverteilung eine extrem hohe mechanische Stabilität hat und in der Präzision ausgeführt ist, wie dies von konventionellen CO2 Leistungsstrahlführungen bekannt ist.
Im Anschluss and 5 ist deren Seitenansicht mit deren Details unter 6 veranschaulicht. In der schon mehrfach beschriebenen Weise führt der von oben zugeführte und hier nicht vor fokussierte Laserstrahl 15 die Umlaufbewegung durch den Drehspiegel 4 und High-Speed Motor 9 in Richtung 6 aus. Die Zylinderlinse 29 und die motorisch verstellbare Lineareinheit 30 mit dem Umlenkspiegel 16 führt den umlaufenden Laserstrahl 34 vertikal nach unten 35 auf die motorische Fokussieroptik 20 zu, mit der im Fokus 21 die Laserlochlinie auf die Materialbahn 1, mit Vorschubsrichtung 14, entsteht.
Als weitere Variante der zweiten Konzeptionslösung ist in 7 ein spezieller Strahlteiler 36 mit Strahlzuführung 15 von oben, anstelle des Drehspiegels, eingesetzt. Auch hier erfolgt der Antrieb über den High-Speed Motor 9. Dieser neue, hoch rotierende CO2-Strahlteiler 36 hat die Grundform eines Kubus mit dem Strahleintritt 38 von unten oder oben und einem zweifach oder vierfach Strahlaustritt 39 an den Seitenkanten, mit fast identischen Leistungs- und Strahlqualitätsmerkmalen. Die Ausführungsvarianten sind an dieser Stelle nicht weiter angegeben, wobei auch anstelle der Vierfachstrahlteiler Vierfachparabolspiegel möglich sind.
Wie in 6 erläutert, folgen die zwei oder auch vier umlaufenden Einzelstrahlen 37 den optischen Strahlungsverlauf mit der Zylinderlinse 29, motorisch 30 verschiebbaren 32 Umlenkspiegel 16 in vertikaler Richtung 35 zu jedem einzelnen Perforationskopf 31 und der adaptierten, motorischen Fokussieroptik 20. Im Fokusbereich 21 entstehen die gewünschten Laserlochreihen in der Materialbahn 1 und deren Vorschubsrichtung 14.
Zum besseren Verständnis der rotierenden Vierfach Strahlaufteilung nach 7 ist 8 als Draufsicht auf die gesamte Einheit 2 angegeben.
Der Strahlteiler 36 erzeugt die vier Teilstrahlen 37, 40, 41 und 42 zeitlich simultan, so dass sich die optischen Strahlengänge mit den Zylinderlinsen 29 zu jedem 360 Grad Umlauf in Richtung 6 und zeitlich um den Faktor 4 schneller gegenüber dem Drehspiegel belichten lassen. Dies hat die schon zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich der gewünschten hohen Lochfolgefrequenz für jeden optischen Einzelkanal, beginnend mit 7 und endend bei 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 Durchmesser der Gesamteinheit 2 wird auf die Ausführungen der 5 verwiesen.
Eine andere Variante zum rotierenden Drehspiegels ist in 9 als Seitenansicht zur Strahlrotation mit einem geneigten Polygonrad 43 zu sehen, welches ebenfalls vom High-Speed Motor 9 angetrieben wird.
Das Polygonrad 43 hat vorzugsweise 6 Facetten mit der z. B. bei vier gleichzeitig einfallenden Laserstrahlen auch vier Strahlauslenkungen über einen Auffächerungsbereich von 4·90 Grad zum Vollwinkel und zur Versorgung aller optischen Einzelkanäle entstehen. Der schräg von oben, z. B. in einem Winkel von 30 Grad, einfallende Hauptstrahl 44 wird vorzugsweise mit einer gekühlten Linse 17 auf einen sehr kleinen Durchmesser 46 z. B. im Bereich von 50–200 μm auf das Polygonrad 43 fokussiert, und trifft im definierten Winkelbereich mit jedem Leistungsstrahl 45 die optischen Einzelkanäle mit deren Zylinderlinsen 29 am optischen Einlass. Die Strahlweiterführung innerhalb eines jeden optischen Einzelkanals erfolgt in der mehrfach beschriebenen Weise über Umlenkspiegel 16, motorischer Verstellung 30, Bewegungsrichtung 32 und 35 gelangt auf die motorische Fokussieroptik 20 und dem Perforationskopf 31. Der Strahleinfall 44 von oben oder unten in die Gesamteinheit 2 hat den gleichen schon zuvor genannten Vorteil, dass keine räumliche Aussparrungen im Vollwinkel der Einheit 2 notwendig sind.
Über den Aufflächerungsbereich von z. B. 4·90 Grad oder anderen Konstellationen zum Vollwinkel von 360 Grad zur Versorgung aller optischen Einzelkanäle sind dann optische Laserleistungen von 4·500 Watt oder auch 4·1000 Watt einsetzbar, was mit den heutigen CO2 Laserquellen problemlos realisierbar ist. Mit dieser Lösung lassen sich selbst extrem hohe Perforationsleistungen und damit verbundene Porositäten bis zu 1000 C. U. pro Lochreihengruppe, Vorschubgeschwindigkeiten der Materialbahnen bis 300 m/min Lochfrequenzen bis 2.000.000 Löcher pro Sekunde generieren.
Sich daran anschließend erklärt 10 eine andere Aufteilung der einzelnen Laserlochreihen über die Bahnbreite, wie dies schon in 4 erstmalig ausgeführt ist. Die Materialbahn 1 ist über zwei Umlenkwalzen 22 sehr präzise in Richtung 14 geführt und beinhaltet die beispielhaft vom Perforationskopf 19 generierte Laserlochreihe 23. Die von anderen in der Y-Achse jeweils versetzten Perforationsköpfe erzeugen die Laserlochreihen 24, 47, 48, 49 und 50. Dieses Ausführungsbeispiel ist z. B. auch auf Verpackungsbahnen gut übertragbar.
Eine vergrößere Darstellung der Laserlochreihenanordnung auf der Materialbahn 1, wie beispielhaft für Mundstückbelagpapiere, ist in 11 angegeben. Deutlich sind hier die schon zuvor angeführten Laserlochreihen 23–28 sowie im weiteren 51–54 im Ausschnitt und über die Bahnbreite verteilt zu erkennen. Mit 55, 56 und 57 sind die vorgesehenen Bobbienenabschnitte gekennzeichnet. Für sich selbstredend sind die in Vorschubsrichtung 14 der Materialbahn 1 ausgeprägten Laserlochreihen und bei diesem Beispiel gewählten Zweiergruppe pro Bobienenseite.
In der weiteren Vergrößerung der 12 findet sich diese Anordnung wieder, wobei zusätzlich noch Goldstreifen 61 und die späteren Schnittkanten 62 einer jeden Einzelbobbiene, im Ausschnitt mit 55 und 56 benannt, sich widerspiegeln. Zur Veranschaulichung der Lochdurchmesser im Bereich von 50–200 μm sind diese symbolhaft mit 59 und deren Abstände der Einzellöcher einer jeden Lochreihe in Vorschubrichtung 14 angegeben.
Mit den drei abschließenden Zeichnungen der 13–15 soll ein Gesamtüberblick und praktische Ausführungsbeispiele zur erfinderischen Breitbahnlaserperforationsanlage und deren neuen Komponenten vermittelt werden.
Danach zeigt 13 die Gesamtansicht der Breitbahnlaserperforationsanlage mit der Abrollung 63, mittig eingefügten Perforationssektion 69, der sich anschließenden optischen Online Porositätsmesseinrichtung 68 und der Aufrollung 64. Die Materialbahn 1 rollt sich wie angegeben, in Richtung 14 ab. Die gemeinsame Laserquelle 66 führt in diesem Beispiel zwei Hauptlaserstrahlen 3 zu den beiden Einheiten der optischen Multiplexer 2, welche auch hier beispielhaft und aus Strahlführungsgründen nicht über die Materialbahn 1 sondern direkt nach der Laserquelle 66 positioniert sind. Alle Einzelfasern 13 sind auf einfach zu installierende Weise zu den motorisch positionierbaren Fokussieroptiken 20 geführt.
Der räumliche Abstand zwischen beiden optischen Multiplexereinheiten 2 und der Perforationssektion kann bis zu 5 Metern betragen, wie dies z. B. von industriellen CO2 Leistungslaseranlagen zum Schweißen, Fügen, Trennen, Veredeln und anderer Materialbearbeitungen bekannt ist, was die weiteren Vorteile, insbesondere auch die der hohen Flexibilität und Integration der Laserstrahlfasern auf beiden Querbalken der Perforationssektion, der erfinderischen Ausführungen nochmals unterstreicht.
14 vermittelt einen Eindruck der gesamten Breitbahnlaserperforationsmaschine in der Seitenansicht. Deutlich sind hierbei die beiden Umlenkwalzen 22 und die automatisiert positionierbaren Fokussieroptiken 20 zu erkennen.
Einen weiteren Ausschnitt zeigt die abschließende 15 die gesamte Perforationssektion 69 mit der Richtung 14 zum Materialbahneinlauf 1. In dieser Ansicht sind die beiden Querbalken mit Aufnahme der einzelnen Perforationsköpfe 31, deren Faserzuführung 13 und die beiden motorischen Positioniersysteme vergrößert dargestellt. Alle weiteren Details bedürfen keiner weiteren Erläuterung.
Grundsätzlich ist noch anzufügen, dass bei allen drei hier beispielhaft beschriebenen Lösungsvarianten die zugeführten Laserleistungsstrahlen im Dauerbetrieb, also nicht gepulst, aber auch zeitlich und in Abhängigkeit von den Rotationen der Strahlumlenkungs- oder Strahlteilungskomponenten und Strahlpositionen vor den Einlassöffnungen der Einzelkanäle getriggert, gepulst werden können.
Zum Abschluss sei hervorgehoben, daß die erfinderische Lehre durch die vielen Ausführungsbeispiele lediglich erläutert, jedoch keinesfalls eingeschränkt ist. Vielmehr lässt die erfindungsgemäße Lehre auch weitere Verfahrensschritte und Vorrichtungsvarianten zur Laserperforation von breiten Warenbahnen zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmale aufweisen.

Claims

Verfahren zur Laserperforation von breiten Warenbahnen (1), wie z. B. für Zigaretten, Mundstückbelag- oder Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps, Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete oder metallisierte Papier- oder Verpackungs- oder auch bestimmte Kunststoffbahnen wie BOPP, LDPE, HDPE oder Spinvliese mit sichtbaren oder unsichtbaren Laserstrahlen, deren Lochreihen (23) im wesentlichen parallel zur Transportrichtung (14) der Bahn (1) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zwischen 90 bis 360 Grad ausgebildete Umlaufbewegung eines oder mehrer Hochleistungslaserstrahlen (5) alle im Außenkreis des optischen Hochleistungslasermultiplexers umlaufend befindlichen, optischen Einzelkanäle (7, 8) mit der zugeführten, vollen Laserstrahlleistung über ein bestimmtes und für alle Einzelkanäle gleiches Zeitfenster versorgt und damit eine hohe Anzahl von optischen Einzelkanälen (7, 8) mit gleicher optischer Leistung und ohne Verluste der Strahlqualität verfügbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein leistungsstarker Laserstrahl (3) im Wellenlängenbereich von 10.4–10.8 μm zentrisch von oben oder unten in ein schnell rotierendes, kubisches Strahlteilerelement (36) eintritt, und an zwei oder vier Seitenflächen zeitlich simultan und in annähernd gleicher Leistungsteilung, die Teilstrahlen (37, 40, 41, 42, 43) ohne nennenswerte Verluste der Divergenz oder Strahlqualität, austreten.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich simultan aus dem Strahlteiler (36) austretenden Teilstrahlen durch Rotation im 360 Grad Vollwinkel die umlaufend befindlichen optischen Einzelkanäle (7, 8) in der Anzahl von 2–200 sequenziell versorgen.
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.
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) möglich sind, und diese ausgelenkt jeweils vier Kreisabschnitte von 90 Grad mit den umlaufend befindlichen, optischen Einzelkanälen (7, 8) bedienen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–5 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vollkreisanordnung (2) und direkten Positionierung ober- oder unterhalb der Materialbahn (1) mit den vielzahligen, sternförmig aufgebauten und motorisch betriebenen Lineareinheiten (30) und angebauten Umlenkspiegeln (16) bei deren Zu- und Wegbewegung zum Zentrum eine Schrägverstellung (33) parallel zur Transportrichtung (14) entsteht, mit der sich die Laserlochreihen (23–28) in bestimmten Bereichen über die Bahnbreite positionieren lassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–6 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zweireihige Aufteilung und Zuordnung der Einzelkanäle (7,8) sowohl bei den sternförmigen Lineareinheiten (30) wie auch bei der Faserverwendung (13) eng benachbarte Laserlochreihenpositionierungen (23–28) möglich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–7 dadurch gekennzeichnet, dass alle optischen Einzelkanäle (7, 8) eine motorische Fokussierung (20) zur Materialbahn verwenden, um so die Lochgrößen (59) und Porositäten optimal und automatisiert einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–8 dadurch gekennzeichnet, dass Hohlfasern (13) anstelle von festen Strahlführungen den Laserleistungsstrahl am optischen Multiplexer (2) aufnehmen, diesen flexibel der Perforationssektion (69) zuführen, dort motorisch positionierbar ist und im weiteren jeder Einzelkanal (7,8) am Ende der Hohlfaser eine motorische Kollimator- (19) und Fukussiereinheit (20) zur Materialbahn (1) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–9 dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlfokussierung vor dem hoch rotierenden Drehspiegel (4), Parabolspiegel oder geneigten Polygonrad (43) Durchmesserbereiche von 50–500 μm vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–10 dadurch gekennzeichnet, dass durch mehrere, vom Strahlteiler simultan umlaufende Laserteilstrahlen (37, 40, 41, 42) oder direkt zugeführte Hauptstrahlen über das Polygon mit hoher optischer Leistung im Bereich von 500–2000 Watt und bis zu 200 optische Einzelkanäle (7, 8) bedienen können, Lochsequenzen bis 2.000.000 Löcher pro Sekunde erzeugen und gleichzeitig die geforderten Einzelenergien pro Perforationsloch (58) in Bereich von 1.5–4.0 mJ sicherstellen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–11 dadurch gekennzeichnet, dass die Lochsequenzen eines jeden optischen Einzelkanals (7, 8) durch die Rotationsdrehzahl des Strahlumlenk- oder Strahlteilungselements sowie von der Anzahl der Leistungsteilstrahlen (37, 40, 41, 42) bestimmt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–12 dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Laserleistungsstrahlen im Dauerbetrieb, also nicht gepulst, aber auch zeitlich und in Abhängigkeit von den Rotationen der Strahlumlenkungs- oder Strahlteilungskomponenten und Strahlpositionen vor den Einlassöffnungen der Einzelkanäle getriggert, gepulst werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–13 dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Multisensoreinheit (68) sich in Transportrichtung (14) direkt hinter der Perforationssektion (69) befindet und deren Messwerte für die Lochreihenpositionen, Lochqualitäten und Porositäten einer jeden Lochreihengruppe auf das Laserperforationssystem und deren Einzelkanäle (7,8) zurück geführt sind, um so auftretenden Änderungen automatisiert zu kompensieren.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–14 die mit einem oder mehrer Laser und einem rotierenden, optischen Ablenkelement, einen oder mehrere vom Laser emittierten Laserstrahlen periodisch ablenkt und so auf eine Mehrzahl von Einzelstrahlkanälen zur Erzeugung von Perforationslöchern auf die Oberfläche des flachen Bahnmateriales leitet, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Strahlkanal ein Strahleintrittselement zugeordnet ist, wobei die Strahleintrittselemente in einer Vollkreisanordnung um das optische Ablenkelement herum positioniert sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–15 dadurch gekennzeichnet, dass sich im Zentrum einer kreisförmigen, optischen Hochleistungslasermultiplexereinheit (2) ein hoch rotierendes Strahlumlenkungs- oder Strahlteilungselement befindet, was im Vollwinkel von 360 Grad oder in Kreisabschnitten von 4·90 Grad oder anderen Aufteilungen zeitlich simultan die im Außenkreis befindlichen optischen Einzelkanäle (7, 8) bedient.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–15 dadurch gekennzeichnet, dass für die Strahlumlenkung und Rotation Drehspiegel, Einfach oder Mehrfachparabolspiegel (4) oder geneigte Polygone (45) mit 4–40 Facetten verwandt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–15 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Einzelleistungsstrahlen von schräg oben oder unten erfolgen, so dass sich keine Lückung zwischen der Außenkreisanordnung der optischen Einzelkanäle (7, 8) ergibt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche der 2–15 dadurch 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 durchlaufenden Materialbahn (1) zuführt wird, und durch deren Zu- und Wegbewegung (32) vom Zentrum ein Schrägversatz (33) entsteht, der eine beliebige Laserlochreihenpositionierung über die Bahnbreite ermöglicht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–15 dadurch gekennzeichnet, dass am Ende eines jeden optischen Einzelkanals (7, 8) eine Kollimator- (19) und motorische Fokussieroptik (20) aufgesetzt ist, mit der die Lochgrößen (59) von z. B. 50–200 μm Durchmesser und die Porosität bei laufender Materialbahn (1) optimiert sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2–15 dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige optische Hochleistungslasermultiplexereinheit (2) mit den Lineareinheiten (30) im Durchmesser kleiner oder größer als die Materialbahnbreite ist und keine Lückung zur Strahlzuführung im Außenkreis aufweist.