CN108349189A - 激光诱导的纸板结构改变 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于局部改变纸板结构的方法。根据该方法，提供了待压痕的纸板(110)。通过激光辐射(102)来穿透纸板(110)的穿透区域(114)，使得穿透区域(114)中的湿气蒸发，从而局部改变穿透区域(114)的结构。

Description

激光诱导的纸板结构改变
技术领域
本发明涉及一种用于局部改变纸板结构的方法。此外，本发明涉及一种用于局部改变纸板结构的设备。
背景技术
现在，纸板是包装工业中受欢迎的材料。通常的纸板形成坚固但可成形的包装。此外，纸板适合印刷产品描述和推广符号。
为了由纸板形成包装，可应用压痕法。压痕是纸板的局部弱化，以允许纸板沿着特定线弯曲。该方法例如在用于生产纸板箱的包装工业中广泛使用。
现在，如图8所示，通过使用压痕模803与常规支承台804的空腔805的机械作用来完成压痕工序，其中，纸板800位于上述常规支承台804上。在压痕过程中，机械压痕模803通常在印刷外衬802上对纸板800进行按压，从而沿着纸板800的内衬801形成压痕线(肋)。一旦形成压痕，则纸板800能够容易地沿压痕线弯曲。内衬801和外衬802是纸板800每一侧上的第一层纤维素。涂层通常覆盖衬垫801、802以增强光滑度和印刷能力。这种压痕法允许光学上适当的压痕线，而内衬801和外衬802在弯曲后不会开裂。然而，在压痕期间，芯层通常会彼此分离，使得结构变得更加柔软而伸长率不会弱化。
然而，每个纸板产品都需要其相应的压痕模803和基体。这可能会导致存储问题、成本以及有限的灵活性。压痕模803的安装也是很耗时，这是小批量生产的限制因素。
发明内容
本发明的一个目的可以是提供纸板有效且平滑的局部结构改变和机械加工。
该目的通过根据独立权利要求的用于局部改变纸板结构的方法和用于局部改变纸板结构的设备来解决。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于温和地局部改变纸板结构的方法。根据该方法，提供了待穿透的纸板。通过激光辐射来穿透纸板的穿透区域，使得穿透区域(例如，具体在纸板的芯部)中的湿气蒸发，以改变穿透区域的结构。
根据本发明的另一方面，一种用于通过如上所述的方法改变纸板结构的设备。该设备包括用于保持纸板的保持设备。此外，该设备包括激光设备，该激光设备用于通过激光辐射来穿透纸板的穿透区域，使得穿透区域(例如，具体在纸板的芯部)中的湿气蒸发，以改变穿透区域的结构。
纸板通常从单张厚纸的简单布置到表征为多个波纹层和平坦层的复杂构造的各种强度的重负荷纸张。纸板可以由第一覆盖层和第二覆盖层制成，在该第一覆盖层与该第二覆盖层之间布置有纸板的芯部。覆盖层可以限定出包围芯部的层。第一覆盖层可以是顶层，而第二覆盖层可以是底层，反之亦然。第一覆盖层和/或第二覆盖层例如可以是被涂层的覆盖层或未处理的纸层。
具体而言，可以是由例如再生纤维制成的双面纸板。它可以在前侧(例如第一覆盖层)具有适于印刷的三重颜料涂层。背侧(例如第二覆盖层)可以具有提高纸板光滑度的薄涂层。芯可以由约60％的回收纸(PCW)、约20％的工业用后废物(PIW)以及约10％的新机械纸浆制成。除了未印刷的白色PIW层以外，其余都是灰色的。这种类型的纸板便宜，且具有许多包装应用。
高质量完全涂层的白色(漂白)纸板可以同时具有带有提高适印性的白色颜料涂层的覆盖层。芯部包括由漂白的化学纸浆制成的层。除了白色的优点以外，由漂白化学纸浆制成的白色纸板具有更加坚硬的优点。
在纸板工业中，目的是打印纸板的覆盖层，并且使纸板非常柔和且平滑地压痕和弯曲，而不损坏纸板的结构。根据本发明的方法，激光辐射调节成使纸板内的湿气蒸发，而不会燃烧、烧蚀或切割层。湿气可能源自芯部内的空气和/或芯部自身内的纸板材料。蒸发的湿气引起被辐射加热的水蒸气体积增量。这导致纸板芯部中的层、即纤维素纤维层分层。换言之，由于机械应力(即，由于引起的蒸气压力)引起的层之间的粘合弱化和/或消除，因此，蒸发的湿气会引起弱化。因此，穿透区域具有更小的抗弯性，从而在加工期间，例如在弯曲期间，减小了纤维开裂的风险。
总之，通过激光辐射来穿透穿透区域，实现了纸板结构的局部改变。例如，可以形成更弱且因此非常柔软的区域，从而可以产生弯曲线。膨胀效应也可以用于在覆盖层中形成复杂且更硬的压印结构(例如图形结构、盲文)。
在机械加工、即如上所述的层的压痕或膨胀之后，由于层的分层，纸板可以具有永久的弱化部，使得纸板能够在几天(或几个月)之后折叠。水的作用是蒸发并进行分层的机械作用(即破坏例如内层之间的粘合)。
根据另一示例性实施例，上述方法还包括沿着穿透区域对纸板压痕的步骤，其中，穿透区域描绘出压痕线，纸板将沿着该压痕线弯曲。如上所述，可以完成纸板沿着压痕线的平滑且无损伤的压痕。
根据另一示例性实施例，上述设备还包括弯曲设备，该弯曲设备用于沿着穿透区域即压痕线弯曲纸板。弯曲设备可以包括例如两个夹持部，它们夹持纸板的相应夹持部分。该弯曲设备还可以使相应的夹持部相对于彼此移动，使得纸板夹持部分沿着压痕线的压痕和弯曲可以自动完成。
根据另一示例性实施例，在穿透穿透区域的穿透步骤中，纸板、特别是芯部以蒸发的湿气使纸板变形并因此改变纸板、特别是至少第一覆盖层的结构的方式被穿透，其中，穿透区域描绘出压印结构，特别是盲文字母、数字或符号。通过添加例如以下更详细描述的添加剂，改变的结构可以形成坚硬且不变形的压印结构。
因此，通过以芯部中更多的湿气蒸发的方式来调节激光辐射，芯部和附加的至少第一覆盖层由于蒸发的湿气而膨胀。第一覆盖层的膨胀部具有可见且触觉可感知的凸起和凹陷。因此，通过由于湿气蒸发而使至少第一覆盖层变形，可以将所需的图形符号印刷到第一层上。图形符号例如可以是图片或字母。具体而言，可以是盲文字母、数字或可以在第一层上形成的任意其他符号。
根据另一示例性实施例，在穿透穿透区域的穿透步骤之前，在穿透区域处对芯部内的膨胀水平进行调节。在调节膨胀水平的步骤中，引入至少一种适于在激光辐射的影响下膨胀的膨胀添加剂，从而产生更加坚硬的第一层的压印结构。
膨胀添加剂适于在芯部和/或第一覆盖层内与激光辐射反应形成硬化结构。因此，可以形成坚固耐用的压印图形结构。
根据另一示例性实施例，在穿透穿透区域的步骤之前，在穿透区域处对穿透部、特别是芯部内的湿气水平进行调节。在调节湿气水平的步骤中，引入至少一种湿气调平(调湿)添加剂，用于通过例如在穿透区域处的芯部内的激光辐射来产生气体，以使穿透部弱化。
因此，可以调节蒸发的湿气，从而调节被辐射加热的蒸气的体积增量。这使得如上所述的纸板芯部中层的分层得到控制。由于层之间的粘合弱化和/或消除，即由于机械应力(即，由引起的蒸气压力)而弱化和/或消除，因此，得到控制的蒸发的湿气会引起弱化。因此，穿透区域具有更小的抗弯性，从而在加工期间，例如在弯曲期间，减小了纤维开裂的风险。
总之，为了实现湿气的充分蒸发，以使穿透区域具有所需的膨胀，可以对湿气、即在芯部内待蒸发的水或其他合适液体的量进行调节。湿气可以例如通过沿着穿透区域布施湿巾进行调节，或者通过局部喷洒、喷墨、印刷水或诸如乙醇、多元醇、有机醚、有机或无机酯、烃、硅油或这些物质中的两种或多种的混合物来进行调节。此外，纸板可以位于人工气候箱(例如干燥器或湿度受控的容器)中，在该气候箱中，可调节所需的湿度(和相应的湿气)以增加纸板的湿气。也可以在通过激光辐射穿透穿透区域之前，将诸如水、饱和盐溶液和/或氢氧化铝之类的液体直接注入芯部。
特别地，可以在多层纸板的内层中添加用于产生气体的特定添加剂。特定的气体生产添加剂可能已经存在于纸板中，并且可以特意地添加该添加剂，用以通过蒸发部分或全部的特定气体生产添加剂来获得更好的激光压痕能力。
该液体可以用作蒸气源和/或用来调节硬纸板或纸板材料内部的激光辐射的散射。
根据另一示例性实施例，激光辐射具有约104W/cm2至约106W/cm2、优选为105W/cm2的功率密度。
根据另一个示例性实施例，特别是在纸板的芯部内，激光辐射具有约10W/cm2至约103W/cm2、优选为102W/cm2的沉积功率。
根据另一示例性实施例，激光辐射具有约1000nm至约11000nm、特别是约4000nm至约8000nm的波长。
因此，通过功率密度、沉积功率以及波长的如上所述的值，可以实现湿气的适当蒸发而不损伤纸板材料的结构。
其他类型的纸板可能在更高或更低的功率密度下效果最好，且对于其他纸板也可能需要其他波长最佳值。
根据另一示例性实施例，激光辐射是由脉冲激光设备产生的脉冲激光辐射。激光设备可以从由超短脉冲激光器和短脉冲激光器组成的组中选择。
根据另一示例性实施例，激光辐射是由连续激光设备产生的连续激光辐射。
根据另一示例性实施例，激光辐射由二极管激光器产生。
根据另一示例性实施例，激光辐射由近红外激光器(NIR)Nd：YAG 1064nm激光器、掺杂有诸如镱或稀土元素之类的其他稀土掺晶光纤激光器产生，该掺晶光纤激光器具有例如1074nm的近红外波长。钬：钇-铁-石榴石YIG激光器，钬：钇-铝-石榴石YAG激光器，或钬：钇-锂-氟化物YLF激光器，波长为2100nm；或者由中红外激光器(MIR)Fe2+产生：硒化锌激光器能够发射3.7-5.1μm波长的激光；一氧化碳激光器可发射5200nm-6300nm波长的激光。
根据另一示例性实施例，激光辐射由二氧化碳激光器(例如9100nm-11000nm)产生。
根据另一示例性实施例，穿透区域可以被激光辐射穿透，以使产生供湿气蒸发的穿透点。附加地或可选地，穿透区域可以被激光辐射穿透，从而产生供湿气沿其蒸发的连续线(笔直和/或弯曲)。
两个相邻的穿透点彼此隔开一定距离。可选地，两个相邻的穿透点可以重叠，以形成连续的穿透区域，其中，多个穿透点与相邻的穿透点部分地重叠。
应当注意，已参照不同的主题对本发明的实施例进行了描述。具体而言，已参照产品类型的权利要求对一些实施例进行了描述，而已参照方法类型的权利要求对其他实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得知，除非另有说明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任意组合以外，还涉及与不同主题相关的特征之间的任意组合，特别地，在本申请中认为，产品类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的组合也是公开的。
附图说明
以上定义的方面和本发明的其他方面从下文将描述的实施例的示例中会变得明显，并会参照实施例的示例进行解释。下文将参照实施例的示例对本发明进行更详细描述，但本发明并不受此限制。
图1示出了根据本发明示例性实施例的用于改变纸板结构的设备的示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施例的沿着纸板的连续穿透线的示意图。
图3示出了根据本发明示例性实施例的沿着纸板的穿透点的示意图。
图4示出了根据本发明示例性实施例的用于改变纸板结构的方法的流程图的示意图。
图5示出了根据本发明示例性实施例的在纸板的第一覆盖层上形成字母的纸板的示意图。
图6示出了根据本发明示例性实施例的纸板的剖视图。
图7示出了根据本发明示例性实施例的包括多条压痕线的纸板的示意图。
图8示出了常规的压痕设备的示意图。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。应当注意，在不同的图中，相似或相同的元件具有相同的附图标记。
图1示出了用于局部改变纸板110的结构的设备100。纸板110被支承在例如为工作台的保持装置103上。激光设备101相对于纸板110布置，以通过激光辐射102来穿透纸板110的穿透区域114，使得芯部113中的湿气蒸发，从而改变穿透区域114的结构(例如弱化或压印)。纸板110由第一覆盖层111和第二覆盖层112制成，在该第一覆盖层111与该第二覆盖层112之间布置有纸板110的芯部113。纸板110的穿透区域114被激光辐射102穿透，使得芯部113中的湿气蒸发，从而改变穿透区域114的结构。
激光辐射102调节成使纸板110内的湿气蒸发。湿气可能源自芯部113内的空气和/或芯部113自身内的纸板材料。蒸发的湿气导致纸板芯部中的层的分层。此外，通过激光辐射穿透穿透区域114，可以形成非常柔软的穿透区域114，从而可以产生复杂的图形结构或压痕线。
由于湿气蒸发而产生的弱化穿透区域114可以用于沿着穿透区域114弯曲纸板110，其中，穿透区域描绘出压痕线，纸板110将沿着该压痕线弯曲。如上所述，可以完成纸板110沿着压痕线201(见图2)的平滑且无损伤的弯曲。
图2示出了根据本发明示例性实施例的沿着纸板110的诸如压痕线201之类的连续穿透线的示意图。激光辐射102例如可以是由连续激光设备产生的连续激光辐射，从而产生供湿气沿其蒸发的连续的线(笔直的和/或弯曲的)。
图3示出了根据本发明示例性实施例的沿着纸板110的穿透点301的示意图。激光辐射102例如是由脉冲激光设备产生的脉冲激光辐射。激光设备101可以从由超短脉冲激光器和短脉冲激光器构成的组中选择。
穿透区域114被激光辐射穿透，从而产生供湿气蒸发的穿透点301。两个相邻的穿透点301彼此隔开一定距离。或者，两个相邻的穿透点301可以重叠，以形成连续的穿透区域114，其中，多个穿透点114与相邻的穿透点114部分地重叠。
图4示出了根据本发明示例性实施例的用于改变纸板110结构的方法的流程图的示意图。根据该方法，提供了待压痕的纸板110(步骤401)，其中，纸板110由第一覆盖层111和第二覆盖层112制成，在该第一覆盖层111和该第二覆盖层112之间布置有纸板110的芯部113。纸板110的穿透区域114被激光辐射102(见步骤403)穿透，使得芯部113中的湿气蒸发，从而改变穿透区域114的结构。
该方法还包括：在穿透穿透区域的步骤之前，在穿透区域处对芯部内的湿气进行调节(步骤402)。为了实现足够的湿气蒸发，以使穿透区域114具有所需的膨胀，可以对芯部113内的湿气进行调节。
最后，纸板110沿着穿透区域114形成压痕(步骤404)。
其中，穿透区域114描绘出压痕线201，纸板110将沿着该压痕线201弯曲。
图5示出了在其第一覆盖层111上形成诸如字母之类的压印图形结构(图形符号501)的纸板110的示意图。在穿透穿透区域114的步骤中，芯部113以蒸发的湿气使至少第一覆盖层111变形的方式被穿透，其中，穿透区域描绘出图形结构501，特别是盲文字母、数字或符号。
因此，通过以芯部113中更多的湿气蒸发的方式来调节激光辐射102，芯部113和附加的至少第一覆盖层111由于高蒸发的湿气而膨胀。第一覆盖层111的突出部/膨胀部具有可见且触觉可感知的凸起和凹陷。因此，通过由于湿气蒸发而使至少第一覆盖层111变形，可以将所需的图形符号501印刷到第一层上。图形符号501例如可以是图片和字母。具体而言，在第一层上形成盲文字母、数字或任意符号。
特别地，可以将膨胀添加剂注入芯部113，其适于在芯部113和/或第一覆盖层111内与激光辐射102反应而形成硬化结构。因此，可以形成坚固耐用的压印图形结构501。
图6示出了根据本发明示例性实施例的纸板110的剖视图。具体而言，图6中的剖视图示出了图5所示的纸板110。为了在第一层111中形成压印图形结构、即图形符号501，激光辐射102使穿透区域114内的芯部113中的湿气蒸发，也使得第一层111膨胀。因此，形成可见且触觉可感知的凸起。在使纸板110膨胀之后，凸起保持可见且触觉可感知。
图7示出了根据本发明示例性实施例的包括多条压痕线201的纸板110的示意图。压痕线201的图案由激光辐射102形成。压痕线201形成纸板110的分层部。在下一步骤中，纸板110可以沿着压痕线201弯曲，从而形成例如盒子。
应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。与不同实施例相关联的所述元件也可以进行组合。还应当注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表
100 设备
101 激光设备
102 激光辐射
103 保持设备
110 纸板
111 第一覆盖层
112 第二覆盖层
113 芯部
114 穿透区域
401 提供步骤
402 湿气调节步骤
403 穿透步骤
404 压痕步骤
201 压痕线
301 穿透点
501 图形结构
800 常规纸板
801 内衬
802 外衬
803 常规压痕模
804 常规支承台
805 空腔。

Claims (15)

1.一种用于局部改变纸板(110)的结构的方法，所述方法包括：
提供纸板(110)的提供步骤(401)；以及
通过激光辐射(102)穿透所述纸板(110)的穿透区域(114)的穿透步骤(403)，使得所述穿透区域(114)中的湿气蒸发，从而改变所述穿透区域(114)的结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
沿着所述穿透区域(114)使所述纸板(110)形成压痕的压痕步骤(404)，
其中，所述穿透区域(114)描绘出压痕线(201)，所述纸板(110)将沿所述压痕线(201)弯曲。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述纸板(110)包括第一覆盖层(111)，所述第一覆盖层覆盖所述纸板(110)的芯部(113)，
在穿透所述穿透区域(114)的所述穿透步骤中，所述穿透区域(114)以蒸发的湿气使至少所述第一覆盖层(111)变形的方式被穿透，
所述穿透区域(114)描绘出压印结构，具体是盲文字母、数字或符号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
在穿透所述穿透区域(114)的所述穿透步骤之前、在所述穿透区域(114)处调节所述芯部(113)内的膨胀水平的调节步骤(402)，
其中，调节膨胀水平的调节步骤包括：引入至少一种适于在激光辐射(102)的影响下膨胀的膨胀添加剂，从而产生第一层的压印结构。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
在穿透所述穿透区域(114)的步骤之前、在所述穿透区域(114)处调节所述芯部(113)内的湿气水平的调节步骤(402)，
其中，调节湿气水平的调节步骤包括：引入至少一种湿气调平添加剂，用于在所述穿透区域(114)处的所述纸板(110)的所述芯部(113)内通过激光辐射(102)来产生气体，以使所述穿透区域(114)弱化。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)具有104W/cm2至106W/cm2、优选为105W/cm2的功率密度。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)具有10W/cm2至103W/cm2、优选为102W/cm2的沉积密度。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)具有1000nm至11000nm的波长、特别是4000nm至8000nm的波长。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)是由脉冲激光设备(101)产生的脉冲激光辐射(102)。
10.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)是由连续激光设备(101)产生的连续激光辐射(102)。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)由二极管激光器产生。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)由Nd:YAG 1064nm激光器或1074nm掺镱光纤激光器产生。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，
所述激光辐射(102)由二氧化碳激光器产生。
14.一种用于局部改变纸板(110)的结构的设备(100)，所述设备(100)包括：
保持设备(103)，所述保持设备用于保持所述纸板(110)；
激光设备(101)，所述激光设备用于通过激光辐射(102)来穿透所述纸板(110)的穿透区域(114)，使得所述穿透区域(114)中的湿气蒸发，从而局部改变所述穿透区域(114)的结构。
15.如权利要求14所述的设备(100)，其特征在于，还包括：
弯曲设备，所述弯曲设备用于沿着所述穿透区域(114)弯曲所述纸板(110)。
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