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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Texturieren polymerer Monofile.
Dabei können polymere Monofile, die auch als Monofilamente
bezeichnet werden und gemäß DIN 60900 aus
Endlosgarn oder Endlosfasern bestehen können, texturiert
werden. Bei der Texturierung erfolgt eine dauerhaft beibehaltene
Verformung von Monofilen, z. B. eine Kräuselung oder ein
Aufbauschen. Dadurch werden auch die mechanischen Eigenschaften
verändert, was sich bei einer Weiterverarbeitung vorteilhaft
ausnutzen lässt. So können mit der Erfindung texturierte
Monofile für die Herstellung von Kunstrasen eingesetzt werden.
Die entsprechend texturierten Monofile bilden dabei einen moosartigen
Bereich, mit dem andere längere polymere Fasern eines Kunstrasens
in ihrem unteren Bereich seitlich federnd abgestützt und dadurch
aufrecht gehalten werden können.
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Bekanntermaßen
handelt es sich bei der Texturierung um eine Veredelung bei der
mit Druck- und Temperaturwirkung unter Nutzung der Thermoplastizität
von Polymeren eine Verformung dauerhaft erreicht werden kann.
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Man
kann auch von Thermofixierung oder „Heatsetting” sprechen.
Dabei sind unterschiedliche Technologien einsetzbar, wie die Herstellung
von Falschdrallgarn, Stauchkräuselgarn, Zahnradkräuselgarn,
Kantenkräuselgarn und Strickfixiergarn. Insbesondere die
Herstellung von Strickfixiergarn wird häufig genutzt. Dabei
wird für die Texturierung aus einer Vielzahl von Monofilen
beispielsweise mit Rundstrickmaschinen ein Gestrickschlauch erstellt.
Für die Texturierung wird der Gestrickschlauch in einem
Autoklaven thermofixiert. Dies erfolgt diskontinuierlich, so dass
der Zeitaufwand sehr hoch ist. Außerdem wird für
die Wärmebehandlung und Druckerzeugung im Autoklaven sehr
viel Energie benötigt. Nach dem Abkühlen und der
Entnahme aus dem Autoklaven, in dem auch ein Verstrecken durchgeführt
worden ist, wird der Gestrickschlauch wieder aufgezogen und der
so texturierte Faden kann für eine Weiterverarbeitung wieder
aufgewickelt werden. Dieses Verfahren wird auch als „Knit-de-knit-Verfahren” oder „Crincle-Verfahren” bezeichnet.
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Eine
andere Möglichkeit wurde mit
DD 109 410 A1 vorgeschlagen, um eine Schrumpfkräuselung an
textilen Fäden und Fadenbündeln zu erreichen. Dabei
sollen diese mit elektromagnetischen Wellen, die vorzugsweise infrarotes
Laserlicht sein sollen, so behandelt werden, dass über
den gesamten Querschnitt der so behandelten Fäden die Kristallisationstemperatur überschritten
wird. Dadurch wird eine schrumpfbegrenzte Kristallisation initiiert,
die in Folge des unterschiedlichen Schrumpfens kristalliner und
nichtkristalliner Anteile zur Kräuselung führt. Eine
weiter gehende und insbesondere formgebende bzw. definierte Texturierung
ist so nicht möglich.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für
eine Texturierung polymerer Monofile vorzuschlagen, mit denen der
energetische und zeitliche Herstellungsaufwand reduziert werden
kann und ein verbesserter Einfluss auf die Formgebung bei der Texturierung
erreichbar ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei
der Erfindung wird die Thermoplastizität von Polymeren
für die Texturierung ausgenutzt. Hierfür werden
abgewickelte Monofile mit Laserstrahlung beaufschlagt. Dabei kann
ein Laserstrahl aus einer Achsrichtung auf einen Oberflächenbereich
von Monofilen gerichtet werden, die mit konstanter Fadengeschwindigkeit
abgewickelt werden. Durch die Bestrahlung wird eine Erwärmung
erreicht. Dabei soll die Temperatur im bestrahlten Bereich so erhöht
werden, dass dort maximal 60%, bevorzugt maximal 50% des Volumens
eine Temperatur erreichen, die im Fixierungsmaximum des jeweiligen
Polymers liegt. In diesem Zustand ist noch eine ausreichende Festigkeit
vorhanden, so dass die Monofile noch handhabbar sind und weiter
verarbeitet werden können. Bei einer weiteren Transportbewegung
wird der erwärmte Bereich einer zwei- oder dreidimensionalen
Formgebung unterzogen. Dies kann in hierfür geeigneten Vorrichtungen,
wofür auf Beispiele noch zurück zukommen sein
wird, erfolgen. Dabei erwärmt sich das gesamte Volumen
des Poly mers durch Wärmeleitung, die bei den in Rede stehenden
Polymeren ja bekanntermaßen schlecht ist. Der Monofilwerkstoff ist
dadurch plastisch verformbar. Durch Wärmeaustausch mit
der Umgebung reduziert sich die Temperatur aber wieder, bis unter
die Erweichungstemperatur des Polymers. Das eine oder mehrere vorab
texturierte Monofil(e) kann bzw. können dann aufgewickelt
oder in einen geeigneten Behälter abgelegt und später
einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren können
und müssen einige Parameter berücksichtigt werden,
um zum Erfolg zu gelangen. Dabei ist der größte
Einflussfaktor der jeweilige Monofilwerkstoff und seine geometrische
Gestaltung mit dem zu erwärmenden Werkstoffvolumen. Jeder
Werkstoff zeigt dabei ein anderes Absorptionsverhalten bzw. Extinktion
für die Laserstrahlung, so dass die Umwandlung der Strahlungsenergie
in Wärme jeweils anders erfolgt. Auch die Wärmeleitung
und Wärmekapazität sind differenziert und müssen
ebenfalls berücksichtigt werden. Ein weiterer Faktor, der
Einfluss hat, ist das Reflexionsverhalten der bestrahlten Oberfläche von
Monofilen. Bereits geringe Zusätze im Werkstoff führen
zu Veränderungen der Eigenschaften, so dass die Parameter
für die Bestrahlung mit Laser entsprechend angepasst werden
müssen. Die Parameter können durch Simulationsrechnungen
vorbestimmt und dann für jeweilige Monofile an Hand von
Versuchen optimiert werden.
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Dabei
können die Leistung der von einem Laser emittierten Strahlung,
die Energiedichte auf der bestrahlten Oberfläche, die Größe
und Geometrie der bestrahlten Oberfläche, eine kontinuierliche oder
eine gepulste Bestrahlung, der Einfallswinkel der Laser strahlung
und die Wellenlänge der Laserstrahlung angepasst werden.
Da auch die Leistungsdichte eine Einflussgröße
ist, kann auch die Fadenlaufgeschwindigkeit der Monofile bei der
Bestrahlung angepasst und so Einfluss auf die Verfahrensführung genommen
werden.
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Das
Verfahren kann bei unterschiedlichen Querschnittsgeometrien von
Monofilen durchgeführt werden. Diese können rotationssymmetrisch,
dreieckig, sternförmig, elliptisch aber auch rechteckig sein.
Für Kunstrasen können auch Querschnittsgeometrien
von Monofilen bearbeitet werden, die in der Natur vorkommenden Gräsern
nachempfunden sind.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren können
Monofile, die mit unterschiedlichen Polymeren hergestellt sind,
texturiert werden. Dies sind beispielsweise PE, PET, PBT, PTT, POM,
PA, PP, LDPE, LLDPE, HDPE, PPS, PEEK und PVDF. Dabei sind unterschiedlichste
Modifikationen der Polymere bearbeitbar, was insbesondere enthaltene
Zusätze, wie Pigmente, Flammschutzmittel oder Weichmacher
betrifft. Alle enthaltenen Zusätze können Einfluss
ausüben und sollten daher, wie vorab erläutert
bei der Verfahrensführung berücksichtigt werden.
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So
kann eine erhöhte Absorption der eingesetzten Laserstrahlung
zu kleinerer erforderlicher Leistungsdichte führen.
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Da
bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen neben der Wärmekapazität
auch die Wärmeleitung des Werkstoffs der jeweiligen Monofile
ausgenutzt wird, kann es vorteilhaft sein, Laserstrahlung aus mindestens
einer weiteren Achsrichtung auf die Oberfläche von Monofilen
zu richten. Die Bestrahlung kann dabei diametral erfol gen. Die Erhöhung
der Temperatur erfolgt dann an zwei gegenüberliegenden
Oberflächen, so dass der Temperaturausgleich in kürzerer
Zeit erreichbar ist, da kürzere Wege bei der Wärmeleitung
berücksichtigt sind.
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Neben
der Möglichkeit zwei Laserstrahlen, die auch durch Strahlteilung
erhalten worden sein können, besteht die Möglichkeit
mindestens ein Laserstrahlung reflektierendes Element einzusetzen, mit
dem Laserstrahlung, die nicht für die Temperaturerhöhung
genutzt werden konnte, wieder auf einen Oberflächenbereich
zu reflektieren.
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Für
das Verfahren sollte Laserstrahlung mit Wellenlängen oberhalb
800 nm eingesetzt werden, da diese von Polymeren in der Regel gut
absorbiert wird. So können beispielsweise CO2-Laser
eingesetzt werden. Die erforderliche Laserleistung ist relativ klein
und kann unterhalb von 100 W für ein Monofil gehalten sein.
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Insbesondere
dann, wenn mehrere Monofile nebeneinander abgewickelt und dann parallel
texturiert werden sollen, kann eine Auslenkung eines Laserstrahles
mit mindestens einem schwenkbaren reflektierenden Element vorgenommen
werden, so dass ein ausgelenkter Laserstrahl mehrere Monofile bestrahlen
kann. Eine Auslenkung kann aber auch in Vorschubachsrichtung der
abgewickelten Monofilen sinnvoll sein. Dabei kann ein Laserstrahl
in der Vorschubachsrichtung oszillierend ausgelenkt werden, so dass
ein Bereich der Oberfläche bei der zur Erweichung führenden
Temperaturerhöhung mehrfach bestrahlt wird.
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Es
kann auch eine Strahlformung des Laserstrahls vorgenommen werden.
Dabei kann die Querschnittsgeometrie des Laserstrahls beeinflusst
und eine nicht rotationssymmetrische Querschnittsgeometrie erhalten
werden. So kann beispielsweise eine längere als breitere
Fläche von Monofilen mit einem Laserstrahl bestrahlt werden.
Ein ähnlicher Effekt kann aber auch mit einer Bestrahlung
in einem Winkel größer oder kleiner 90°,
mit dem die Laserstrahlung auf die Oberfläche gerichtet
wird, erreicht werden.
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Wie
bereits angesprochen, weisen die mit der Erfindung texturierbaren
Monofilwerkstoffe unterschiedliche Absorption bzw. Extinktion auf.
Außerdem sind abweichende Glaspunkt-, Umwandlungs-, Erweichungs-,
Schmelztemperaturen, Wärmeleitung und Wärmekapazitäten
sowie das zu erwärmende Volumen zu berücksichtigen.
Es muss dabei eine ausreichend hohe Temperatur an der vom Laserstrahl
bestrahlten Oberfläche erreicht werden, diese darf aber
die Schmelztemperatur nicht überschreiten. Die Temperaturerhöhung
im Bereich der jeweiligen Erweichungstemperatur muss aber auch in
einem ausreichend großen Volumen mit entsprechendem Oberflächenbereich
mit entsprechendem Volumen erfolgen, so dass Wärmeenergie
in einem Maß zugeführt wird, das ausreicht um
die Temperatur im gesamten zu texturierenden Volumen soweit, wie
erforderlich zu erhöhen, wenn die Formgebung erfolgt ist.
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Für
die zusätzliche Erhöhung der Temperatur kann eine
Erwärmung durch Konvektion durchgeführt werden.
Dabei kann beispielsweise erwärmte Luft auf die mit dem
Laser bestrahlten Monofilen gerichtet werden. Dadurch kann deren
Temperatur zusätzlich erhöht, gehalten, zumindest
aber ein unerwünschter erhöhter Temperaturgradient
zur Umgebung vermieden werden, der zu einer zu schnellen Abkühlung
führen würde.
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Als
Faustregel kann man davon ausgehen, dass die Temperatur an der bestrahlten
Oberfläche den Bereich von ca. 110°C für
z. B. PE sowie bis zu 260°C für z. B. PET bei
der Bestrahlung erreichen sollte. Die Temperatur kann berührungslos
mit einem geeigneten Sensor bestimmt und für eine Regelung des
Verfahrens genutzt werden.
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Die
an der Oberfläche erwärmten Monofile können
dann für die Formgebung durch geeignete Formwerkzeuge geführt
und mit ihnen weiter transportiert werden. Sie sollten dabei so
lange in der gewünschten Form gehalten werden, bis der
für die Texturierung erforderliche Temperaturausgleich
im Volumen und danach eine ausreichende Abkühlung erfolgt
ist. Im Anschluss an die Formgebung und Texturierung sollten Monofile
eine Temperatur durch Abkühlung erreicht haben, bei denen
eine ausreichende Festigkeit und Formstabilität gegeben
sind. Dies kann mittels einer Kühlung am Ende des Texturierungs-
und Formgebungsbereiches unterstützt werden. Dabei kann
gekühlte Luft auf Monofile gerichtet und/oder ein Formgebungswerkzeug
in diesem Bereich gekühlt werden.
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Die
Erwärmung der Monofile kann bei der Erfindung in kurzer
Zeit erreicht werden, sie liegt im Bereich unter einer Sekunde.
Dadurch kann bei sehr hoher Fadenlaufgeschwindigkeit von 200 m/min
und darüber hinaus gearbeitet werden.
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Für
die Formgebung der Monofile können unterschiedliche Formgebungswerkzeuge
eingesetzt werden. Es können dadurch unterschiedliche zwei- oder
dreidimensionale Monofilgeometrien erhalten werden. Mit den Formgebungswerkzeugen
ist zusätzlich die Anforderung zu erfüllen, dass
die jeweilige Form der Monofile so lange gehalten werden muss, bis
Temperaturausgleich und Abkühlung erfolgt sind, und dabei
auch der Weitertransport der abgewickelten Monofile durchgeführt
werden kann.
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Es
ist auch ein integrierter Einsatz bei der Fadenbildung und/oder
der Veredelung möglich. Z. B. kann im Sinne der „Spinnstrecktexturierung,
bei der unmittelbar unterhalb einer Spinndüse verstreckt und
texturiert wird, vorgegangen werden. Dadurch können versponnene
und ggf. auch verstreckte Monofile ohne weitere Zwischenschritte
(Aufwickel- oder Transportprozesse) texturiert werden. So können
bereits vorgewärmte Monofile mit der Laserbestrahlung gemäß der
Erfindung weiter erwärmt werden. Die erforderliche Laserleistung
kann so reduziert werden. Beim Schmelzerspinnen von Monofilen aus
PA kann eine Geschwindigkeit von 100 m/min vorgegangen werden. Bei
einem angewandten Gesamt-Streckverhältnis von 4,5 ergeben
sich Texturier- und Laufgeschwindigkeiten von 450 M 7 Min. Dabei
betrug die Temperatur von Liefergaletten je 70°C, die von Streckgaletten
zwischen 180°C und 220°C.
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Bei
der erfindungsgemäßen Texturierung teilverstreckter
Monofile kann einer dafür vorgesehenen Vorrichtung auch
ein an sich bekanntes Streckwerk vorgeschaltet werden.
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Außerdem
besteht die Möglichkeit im Anschluss an eine Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ein Wärmenachbehandlungsfeld für die
Restschrumpfbegrenzung bereits texturierter Monofile vorzusehen.
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Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher er läutert
werden.
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Dabei
zeigen:
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1 in
schematischer Form einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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2 eine
weitere Möglichkeit für die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 einen
Aufbau mit einem rotierenden Formgebungswerkzeug und
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4 einen
Aufbau mit zwei rotierenden Formgebungswerkzeugen und zwei Laserstrahlquellen.
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Für
eine Texturierung von Monofilen 3 aus Polyethylen mit grüner
Einfärbung, die Querschittsabmessungen von 1,1 mm·0,21
mm aufwiesen, wurde ein CO2-Laser mit einer
Laserleistung bis 200 W eingesetzt. Der auf Monofile gerichtete
Laserstrahl 1 wurde so geformt, dass sein Brennfleck eine
Länge von 0,5 mm und eine Breite von 1,5 mm aufwies. Die Ausrichtung
des Brennflecks wurde so gewählt, dass die längere
Achse senkrecht zur Vorschubachsrichtung der abgewickelten Monofile 3 ausgerichtet
war.
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Monofile 3 wurden
mit einer Fadenlaufgeschwindigkeit von 120 m/min abgewickelt und
dabei thermisch behandelt. Es ergab sich so eine Leistungsdichte
von 200 W/mm2 bei der Bestrahlung. Die Temperatur
wurde durch die Bestrahlung an der Oberfläche um 120 K
erhöht.
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Im
Anschluss daran konnten die so erwärmten Monofile mittels
einer Vorrichtung, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt
sind, weiter bearbeitet werden.
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Bei
dem in 1 gezeigten Beispiel werden die Monofile 3,
beispielsweise acht parallel nebeneinander abgewickelt und mit einem
Laserstrahl 1 bestrahlt. Der Laserstrahl 1 kann
mit zwei schwenkbaren reflektierenden Elementen 2a und 2b (Scannerspiegel),
die in einem Bearbeitungskopf 12 angeordnet sind, ausgelenkt
werden, so dass alle Monofile bestrahlt werden können.
In nicht dargestellter Form kann der Laserstrahl 1 aber
auch von unten oder es können mindestens zwei Laserstrahlen 1 aus
unterschiedlichen Achsrichtungen auf Monofile 3 gerichtet werden.
Mehrere Laserstrahlen 1 können unterschiedliche
Leistungen aufweisen.
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Ebenfalls
in nicht dargestellter Form können Monofile 3 auch
keilförmig in den Bereich, in dem die Erwärmung
mit Laserstrahlung erfolgt, geführt und in der Spitze des
sich durch diese Fadenscharen bildenden Keils die Bestrahlung mit
Laserstrahlung erfolgt. Dadurch kann von Monofiloberflächen
reflektierte Strahlung auch für eine weitere Absorption
genutzt werden.
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Im
Anschluss an die Bestrahlung wird durch Weitertransport der an der
Oberfläche erwärmten Monofile 3 das Formgebungswerkzeug
erreicht. Bei dem Beispiel nach 1 ist dies
mit einem Käfigrad 8 und einem Endlosband 6 mit
an diesem vorhandenen Einschlagstegen 5 gebildet, die synchron
so rotieren bzw. bewegt werden, dass jeweils ein Einschlagsteg 5 in
einen Zwischenraum zwischen Stegen des Käfigrades 8 eingreift
und dabei Monofile 3 mittels Einschlagstegen 5 und
Stegen des Käfigrades 8 wellenförmig
verformt werden.
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Im
Inneren des Käfigrades 8 ist im Einlaufbereich
der Monofile 3 eine Düse 11 für
heiße Luft oder Dampf zur konvektiven weiteren Erwärmung
vorhanden. In diesem Bereich erfolgt auch der Temperaturausgleich
innerhalb des Volumens der Monofile 3 bis in den Erweichungstemperaturbereich.
Das Käfigrad 8 wird weiter gedreht und das Endlosband 6 weiter bewegt.
Dabei werden die Monofile 3 in der Form gehalten und abgekühlt.
Zur Unterstützung der Kühlung ist im hinteren
Bereich des Käfigrades 8 zur Kühlung ein
Gebläse 9 vorhanden. Im Bereich, in dem das Gleitstück 7 für
das Endlosband 6 angeordnet ist, treten Einschlagstege 5 und
Käfigrad 8 außer Eingriff und die fertig
texturierten Monofile 3 können mittels eines Walzenpaares
weiter transportiert und auf Wickel 4a aufgewickelt bzw.
in einen Behälter 4b abgelegt werden.
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Auch
bei diesem Beispiel kann eine insbesondere für Kunstrasen
günstige Q-Geometrie texturierter Monofile 3 erhalten
werden.
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Weiter
sind in 1 Umlaufrollen 6a–c
für das Endlosband 6 und Leitbleche 10a,
b für heiße Luft oder Dampf gezeigt.
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2 zeigt
ein ähnliches Beispiel mit zwei Endlosbändern 6.1 und 6.2.
Dabei ist das hier untere Endlosband 6.1 länger
und ragt in einem vorderen Einlaufbereich über das zweite
Endlosband 6.2 hinaus. In diesem Einlaufbereich erfolgt
die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 1. An beiden Endlosbändern 6.1 und 6.2 sind
Einschlagstege 5 vorhanden, die nach außen ragen.
Die Anordnung der Endlosbänder 6.1 und 6.2 mit
ihren Einschlagstegen 5 ist so gewählt, dass die
Einschlagstege 5 in jeweils eine Lücke zwischen
benachbarten Einschlagstegen 5 des jeweils anderen Endlosbandes
eingeführt werden und so ineinander greifen.
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Die
Monofile 3 werden so ebenfalls in eine Wellenform gebracht
und so lange darin gehalten bis der Prozess der Texturierung mit
der erforderlichen Erwärmung und wieder Abkühlung,
wie bereits erläutert, abgeschlossen worden ist. Zusätzliche
Erwärmung und Abkühlung kann analog zu Beispiel
nach 1 ebenfalls vorgenommen werden, was auch auf die
folgenden Beispiele zutreffen kann.
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Beim
in 3 gezeigten Beispiel erfolgt die Bestrahlung und
Formgebung an einer kegelförmigen Walze 13, die
von Monofilen 3 mehrfach umschlungen ist. Der Durchmesser
der Walze 13 verkleinert sich dabei in Abwickelrichtung.
Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 1 erfolgt hier bei
Umschlingung mit einem größeren Durchmesser an
der Walze 13.
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Bei
dem Beispiel, wie es in 4 gezeigt ist, werden zwei zylindrische
Walzen 14 und 15 für die Texturierung
und Formung von Monofilen 3 eingesetzt. Beide Walzen 14 und 15 können
von Monofilen mehrfach umschlungen sein. An jeder der Walzen 14 und 15 wird
ein Laserstrahl 1 auf Monofile 3 gerichtet. Beim
Transport werden die Monofile 3 um die Walzen 14 und 15 gewickelt.
Durch Beeinflussung der beiden Laserstrahlen (Pulsung und/oder Auslenkung)
können jeweils unterschiedliche Bereiche der Monofilen 3 von
den beiden Laserstrahlen 1 erwärmt werden, wodurch
eine nichtkontinuierliche Texturierung an Monofilen 3 erreichbar
ist. In nicht dargestellter Form können dabei auch Walzen 14 und 15 mit
unterschiedlichen Außendurchmessern eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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