DE2114483B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Stapelfasern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von StapelfasernInfo
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- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01G—PRELIMINARY TREATMENT OF FIBRES, e.g. FOR SPINNING
- D01G1/00—Severing continuous filaments or long fibres, e.g. stapling
- D01G1/02—Severing continuous filaments or long fibres, e.g. stapling to form staple fibres not delivered in strand form
- D01G1/025—Severing continuous filaments or long fibres, e.g. stapling to form staple fibres not delivered in strand form by thermic means, e.g. laser
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden von Kabeln aus FiLirenten oder von
Faserbändern aus künstlichem oder natürlichem Material.
Die neuesten Produktionsverfahren zum Herstellen von Kunst- oder synthetischen Filamenten erlauben
eine sehr hohe Austragsgeschwindigkeit von Kabeln aus Filamenten zu erhalten, die sich in der Größenordnung
von Hunderten von Metern in der Minute bewegen. Nachdem zur Herstellung der Stapelfaser die Filamente
in sehr kurze Stücke abzulängen sind (in der Längenordnung von 40 mm für den sog. »Baumwollschnitt«
und 70—90 mm für den »Wollschnitt«), kann die Schnitthäufigkeitszahl sehr hohe Werte annehmen,
mitunter viele Tausende Schnitte pro Minute, somit mehrere Hunderte in der Sekunde.
Bei bisher üblichen Verfahren wird das Ablängen der Filament-Faserbänder mittels mechanischer Mittel
vollzogen. Die mechanischen Systeme sind besonders kompliziert und es fällt schwer, mit diesen die von der
modernen Produktionsweise der Filamente bedingten Geschwindigkeitsschnittfrequenzen zu bewältigen, zumal
zu erwarten ist, daß die Produktionsgeschwindigkeiten noch mehr zunehmen werden. Die Kunstfasern
und insbesondere die synthetischen können zudem eine beträchtliche Härte aufweisen, die zu einem baldigen
Stumpfwerden der Schneidkanten der Klingen und Messer führt, so daß deren Verschleiß ein häufiges
Auswechseln der Schneidwerkzeuge erfordert, was ein Abstellen der Schneidmaschine notwendig macht. Die
Klingen der Messer können außerdem einen zusätzli-
chen Verschleiß durch das Vorhandensein saurer Substanzen in den Filamenten bei Verspinnung von
Rayon oder regenerierter Zellulose erfahren.
Ferner ist der Einsatz von Laserstrahlen zum
Schneiden von Geweben aus »CO2 Application« r>
Coherent Radiation Laboratory Brochure, Sept. 1969 »Introduction of Gas Jet Laser Cutting«, von
M. J. Adam, Metal Construction British Welding
Journal, Jan. WO, S. 1—8, und »Einsatz von CCVLasern
in der Textilindustrie«, von F. W. W a 11 e r, Chemiefa- 1»
sern 6, 1969, S. 457 bis 462, bekannt. Insbesondere aus dem letzten Aufsatz ist zu entnehmen, daß die
Laserstrahlen ein lokalisiertes Schmelzen der Fasern und damit ein lokalisieri.es Verschweißen der geschnittenen
Ränder der synthetischen Fasern verursachen.
Das Ablängen von Fasern mittels Laserstrahlen ist jedoch nicht bekannt. Hierbei stellen sich besondere
Probleme, da die Geschwindigkeit der Speisung sehr hoch ist und damit die zum Ablängen zur Verfügung
stehende Zeit außerordentlich kurz bemessen ist Außerdem muß ein Zusammenkleben der kurzen
Fasern verhindert werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das es
ermöglicht, die mit großer Geschwindigkeit zugeführ- 2*, ten Faserbänder mittels Laserstrahlen abzulängen.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einer thermischen Trennung der Faserbänder oder der vorher
eingereihten und in Form von Kabeln vereinigten Filamenten durch einen mittels Impulsen gesteuerten «1
Laserstrahl in Form eines flachen Lichtbündels, der durch im wesentlichen rechteckige Fenster fokussiert
wird, wobei das größere Seitenmaß der Fenster größer ist als die Breite des Kabels bzw. des Faserbandes,
dessen Maß in der Größenordnung von Mikrons ji
geringer ist, und sich die Fokussierung in Übereinstimmung mit dem zwischen den Impulsen zeitmäßig
vorrückenden Faserband bzw. Kabel entsprechend der Faserlänge und der Impulsdauer von einer Tausendstel
Sekunde ocjr kleiner vollzieht.
Die mit dem Durchlauf der Fenster synchronisierten Laserimpulse lassen sich durch einen Generator mit
kontinuierlicher Ausstrahlung erhalten, in dem dieser längs der Strahlenstrecke mit einem geeigneten
Unterbrechersystem geschaltet wird, so z. B. mit einer r> sich dreiienden zweckdienlich gelochten oder mit
Fenstern versehenen Scheibe, oder vorzugsweise einem mit der Schnittperiode synchronisierten und gleichgeschalteten
Generator, und zwar mit einer Frequenz -(- = ->n
HiiiulvorscIiubpcschwiiHliiikcil
Schnillliingc (Faser)
Schnillliingc (Faser)
Vi
wobei der Synchronismus selbstverständlich so vorbestimmt sein muß, damit der Impuls des fokussierten
Strahls das Band im selben Augenblick trifft, in dem am Vorschubsystem ein Fenster frei liegt.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen wi
darin, daß die Faserbänder mit hoher Geschwindigkeit zugeführt werden können und daß bei synthetischen
Materialien kein gegenseitiges Verschweißen der Fasern stattfindet, obwohl diese beim Schneiden eng
aneinanderliegen μ
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird eine I iserstrahlquelle angewandt, die Ausstrahlungen mit einer Wellenlänge gleich jener
eines der Absorptionsbänder des Polymer, aus denen die zu schneidenden Filamente bestehen, dabei vorzugsu-eise
das markanteste Absorptionsband, vornimmt. Dabei ist zu beachten, daß diese Bänder im allgemeinen sehr
eingeschränkt sind. Es wurde festgestellt, daß Änderungen der Laser-Wellenlängen auch bei Bruchteilen von
Mikron die Schneidleistung spürbar beeinträchtigen Können. Verfügt man dagegen über einen Laserstrah!
mit der Wellenlänge entsprechend dem markantesten Absorptionsband des Polymers, so ist der Schnitt mit
höchster Geschwindigkeit durchführbar, ohne daß ein schädliches Kleben der Fasern befürchtet werden muß.
Vorzugsweise wird das zu schneidende Band mit einer Atmosphäre umgeben, die geeignet ist. eine
Oxydation durch die Schneidehitzebeeinflussung an der vom Laserstrahl fokussierten Stelle zu verhindern.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden
von Kabeln aus Filamenten oder von Faserbändern aus künstlichem oder natürlichem Material, die mit konstanter
Geschwindigkeit vorrücken, sieni die Erfindung eine
Vorrichtung vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Laser-Generator mit einem an sich bekannten Fokussiersystem
verbunden wird, welches in der Lage Ist, den Strahl in einer vorherbestimmten Brennweite zu
fokussieren, und zwar in der Gestalt eines flach erweiterten Lichtbündels, das sich in einem Fenster mit
rechteckigem Schnitt konzentriert, wobei das größere Seitenmaß einige Mikrons breiter ist als die Breite des
zu schneidenden Faserbandes oder Kabels, und das Faserband bzw. Kabel mittels einer Vorschubeinrichtung
rechtwinklig zur Strahlungsrichtung geführt wird und durch den fokussierten Laserstrahl durchgeschnitten
werden kann.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 6 bis 9
enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung werden anhand der
Zeichnungen nachstehend näher erläutert. Es zeigt
^ i g. I die Vorrichtung in ihrer Gesamtheit,
Fig.2 in vergrößertem Maßstab die Einzelheit der
Vorrichtung einschließlich der Schneidzonen.
In der dargestellten Ausführungsform umfaßt die insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung einen
Laser-Generator, der aus dem mit 12 bezeichneten Fenster mit einem Durchmesser von einigen Millimetern
in der gestrichelten Richtung einen Laserstrahl 14 ausstrahlt. Der Generator wird mit geeigneten bekannten
Fokussierungssystemen, die daher in der Figur nicht eigens angeführt sind, verbunden, welche in der Lage
sind, den Strahl in einer vorbestimmten Brennweite zu fokussieren oder zu konzentrieren, und zwar in der
Gestalt eines flach erweiterten Lichtbündels, das sich in einem Ausschnitt oder Fenster 16 mit rechteckigem
Schnitt konzentriert, wobei die größeren Seitenmaße vorsichtshalber einige mm über der Bandbreite des zu
schneidenden Faserbandes 18 gehalten sind.
Das Faserband 18 wird mit linearer Zuspeisungsgeschwindigkeit
V zwischen zwei gegenlaufenden Laufbändern 20 und 22 mit in Richtung des Laserstrahls 14
rechtwinklig parallelen Bahnen geführi. Die Laufbänder laufen in Richtung und mit V entsprechender linearer
Geschwindigkeit über Bandscheibenpaare 24, 26 bzw. 28, 30, wovon wenigstens eine Bandscheibe der Paare
als angetriebene Scheibe gilt. Die Laufbänder 20 und 22 sind mehr oder weniger Metallbänder und liegen so auf,
daß sie parallel naheliegende Laufbänder 20 b/w. 22 in
geeigneter,! Absland bilden, um untereinander das
Faserband 18 für einen Schnitt in günstiger flacher Lage zu halten.
Dabei verfügt das Laufband 20 über eine Mehrzahl
von Öffnungen 32. vorsichtshalber in größerer Breite uml Höhe des Fensters 16 für die Fokussierung des
Laserstrahls, und untereinander in zeitmäßigen Abständen D gleich der gemeinsamen Teilung der Stapelfascrl&ngen,
in welche die Filamente des Faserbandes 18 geschnitten werden.
Die Vorrichtung wird in der Weise gebaut, daß die vertikalen Bahnen des Laufbandes 20, die sich in
Gegenrichtung bewegen, bei ihrem Durchzug in Höhe des Laserstrahles 14 die Öffnungen 32 gleichzeitig
vorweisen. Gleichzeitig wird der impulsgcstcucrtc Laserstrahl 14 (oder unterbrochene) in vollkommener
Übereinstimmung mit dem Durchgang der Öffnungen 32 abgegeben. Die Schnittfläche des Faserbandes 18
liegt zwischen den sich genäherten Laufbändern in der Höhe des durch das Fenster 16 gradlinig fokussieren
Laserstrahls 14 gegenüber.
Werden unter diesen Bedingungen die Aufrichtung, Fokussierung und Synchronisierung vorgenommen, so
trifft der bei 16 fokussiertc Laserstrahl 14 das Faserband in Richtung zu den geöffneten Teilen der genannten
Öffnungen 32 und verursacht den klaren Schnitt mit geringster Höhe gerade durch die minimale Höhe des
Fensters 16 sowie die I oku..· icrung des Strahles bei
ganz geringer Impulsdauer.
Werden die Laserimpulsc bei einer Durchgangsfrcqiienz
der Öffnungen 32 fokussiert, so werden die ι Filamente des Faserbandes 18 selbstverständlich mit
einer Faserlänge Din Stapelfaser zerschnitten. Wünscht man noch längere Fasern /\\ erhalten, die gleich einem
Mehrfachen von D sind, so werden die Impulse zu einer Frequenz synchronisiert, wobei jedem Durchgang ein
n> entsprechendes Mehrfaches der öffnung 32 erhalten
wird.
Der von der Verflüchtigung der Filamente des Faserbandes 18 überschüssige Fncrgierücksland kann
von dem darunterliegenden Laufband 22 absorbiert
ι, werden. Damit dieser erst keine Beschädigung erfährt,
kann auch das Laufband 22 mil Fenstern versehen werden und in der Verlängerung zur Richtung des
Laserstrahles 14 kann eine /weckmäßig gekühlte Blende zwecks Absorpicrung der Fnergicrückstiinde
.'» angebracht werden.
Die Vorrichtung wird durch an eine geeignete und unter Druck stehende Stickstoffquclle angeschlossene
Vorrichtung 34 vervollständigt, welche über Schlitzdüsen 36 und 38 verfügt, mittels welcher gegen das
j. Faserband 18 über und unter der vom Laserstrahl bestrichenen Schnittlinie eine Stickstoffsprühung ausgeführt
weruen kann.
Hierzu I Matt Zcichnuiiycn
Claims (9)
1. Verfahren zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden von Kabeln aus Filamenten oder
von Faserbändern aus künstiichem oder natürlichem Material, gekennzeichnet durch eine thermische
Trennung der Faserbänder (18) oder der vorher eingereihten und in der Form von Kabeln
(18) vereinigten Filamenten durch einen mittels Impulse gesteuerten Laserstrahl (14) in Form eines
flachen Lichtbündels, der durch im wesentlichen rechteckige Fenster (16) fokussiert wird, wobei das
größere Seitenmaß des Fensters (16) größer ist als die Breite des Kabels bzw. des Faserbandes (18),
dessen Maß in der Größenordnung von Mikrons geringer ist und sich die Fokussierung in Obereinstimmung
mit dem zwischen den Impulsen zeitmäßig vorrückenden Faserband bzw. Kabel (18) entsprechend
der Faserlänge und der Impulsdauer von einer tausendstel Sekunde oder kleiner vollzieht
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Vorschub des Faserbandes bzw. Kabels
(18) mit konstanter Geschwindigkeit zwischen gegenläufigen Laufbändern (20, 22), die das Faserband
bzw. Kabel (18) führen und bei ebenfalls gleicher Zuspeisungsgeschwindigkeit mitnehmen,
und wenigstens eines dieser gegenläufigen Laufbänder (20) den Längen oder Maßen der zu enthaltenden
Fasern entsprechenden Abständen Öffnungen (32) aufweisi.i, durch die die auf das Faserband bzw.
Kabel (18) fokussieren Laser-impulse für die Dauer
einwirken, in der sie die öffnungen (32) durchstrahlen.
3. Verfahren nach den Ansprüchen I und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl (14)
verwendet wird, dessen Wellenlänge jenem des hauptsächlichen Absorptionsbandes des Polymers,
aus dem die zu schneidenden Filamente bestehen, weitestgehend entspricht
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserband bzw. Kabel (IS)
mit einer Atmosphäre umgeben wird, die geeignet ist, eine Oxidierung durch die Schneidehitze-Beeinflussung
an der vom Laserstrahl (14) fokussierten Stelle zu verhindern.
5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden
von Kabeln aus Filamenten oder von Faserbändern aus künstlichem oder natürlichem Material, die mit
konstanter Geschwindigkeit vorrücken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lasergenerator (10) mit
einem an sich bekannten Fokussiersystem verbunden wird, welches in der Lage ist, den Strahl in einer
vorherbestimmten Brennweite zu fokussieren, und zwar in der Gestalt eines flach arbeitenden
Lichtbündels, das sich an einem Fenster (16) mit rechteckigem Schnitt konzentriert, wobei das
größere Seitenmaß einige Mikrons breiter ist als die Breite des zu schneidenden Faserbandes oder
Kabels (18), und das Faserband bzw. Kabel (18) mittels einer Vorschubeinrichtung rechtwinkelig zur
Strahlungsrichtung geführt wird und durch den fokussierten Laserstrahl durchgeschnitten werden
kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Unterbrechersystem zur Aussendung und
Unterteilung des fokussierten Laserstrahls (14) mittels Impulse von der Dauer innerhalb einer
tausendstel Sekunde.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubeinrich-
r) tung aus gegenläufigen, parallelen und anliegenden
Laufbändern (20, 22) besteht, die mit gleicher Geschwindigkeit wie der Faserband- bzw. Kabel vorschub
laufen und das Kabel bzw. Faserband (18) mitnehmen und dieses dabei die Fokussierungsebene
in des Laserstrahls passiert, wobei wenigstens eines der
Laufbänder (20) öffnungen (32) besitzt, deren Abmessungen größer sind als jene des Fensters (16)
für den fokussierten Strahl (14) und deren Abstände der Länge oder Unterlänge der so erhaltenen
π Faserlänge entsprechen, und die Impulse mit dem Durchzug der Öffnungen (32) durch die Zone der
Laserstrahlrichtung synchronisiert sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurcii gekennzeichnet,
daß der Generator (10) und der Laserstrahl-Fokussierer sowie die Bandvorschubeinrichtung
derart angeordnet sind, daß die Bahnen des Laufbandes (20) bei ihrem Durchzug in Höhe des
Laserstrahls (14) die öffnungen (32) gleichzeitig vorweisen.
2ri
9. Vorrichtung entsprechend einem oder mehreren
der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (34), welche über Schlitzdüsen
(36 und 38) verfügt, zum Ausblasen von Stickstoff oder anderen Inertgasen vorhanden ist, um eine
in Oxydierung des geschnittenen Materials in allernächster
Nähe oberhalb und unterhalb der vom Laserstrahl fokussierten Stelle zu verhindern.
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