CN1297396A - 切割由载体膜和处于其上的装饰层组成的薄片尤其压印薄片的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于切割薄片(1)的方法和相关的设备,薄片(1)有一个在载体膜上的装饰层。按本发明,首先借助激光辐射(12)沿一去除轨迹(13)除去装饰层。接着,借助一作用在此去除轨迹内的刀片(3)切开载体膜。
Description
本发明涉及一种用于切割由载体膜和处于载体膜上至少包括一漆层的装饰层组成的薄片，尤其压印薄片，优选地热压印薄片的方法，以及涉及一种用于实施这种切割方法包括一产生去除装饰层激光束的激光器和一切割刀片的设备，其中，在要切割的底物上不仅作用激光束而且作用此切割刀片，它们沿切割方向互相隔开间距。
压印薄片，尤其热压印薄片，通常制成比较大的宽度，然后为了裁剪沿纵向切割成宽度较小的条。为了沿移动方向切割压印薄片，尤其热压印薄片，通常使用刀片和圆片刀，因为它们便宜和易于操作。在切割时刀片或刀切开压印薄片，在此过程获得的是仅与直线略有差别的切口。当然可以肯定，在载体膜上存在的装饰层在切割过程中局部剥落，因此，一方面装饰层在切口区内脱散，另一方面称为切屑的剥落材料弄脏了裁剪的薄片以及在压印时带来问题。
尽管存在使用抽吸装置或有粘性表面的辊来清洁被污染薄片的可能性。除此之外还可以采用静电放电装置，以减小载体膜或压印薄片对切屑的静电吸引力。但是在裁剪压印薄片尤其热压印薄片时采用50m/min或更高的速度工作以及在裁剪机内只有很小的空间可供安装附加装置使用的情况下，采用这种方法的可能性受到很大的限制。此外这类清洁装置或附加装置也只是去除部分切屑。
在传统的用刀或刀片的切割技术中可以看到刀具的磨损严重，随着使用时间的增加磨损的刀具导致恶化切割质量，尤其是出现更严重的剥落。
原则上可以借助于激光辐射分割相应的薄片，以取代借助于刀片或切割刀实施机械的切开，在这种情况下原则上可以获得非常好的刀口质量以及不产生通常由漆层构成的装饰层的剥落。不过，人们发现，在试验中，借助于激发物激光辐射切割热压印薄片，切割速度只能达到约10m/min，此外成本比较高。
Nd：YAG激光器只有在使用的载体膜吸收激光辐射的情况下才能用于切割热压印薄片。然而通常使用作为载体膜的透明塑料并非这种情况。
CO2激光器迄今已在工业中主要用于切割塑料窗帘和帆蓬。由于加热的作用原理，在这里导致(在这种情况下所期望的)切口熔化。由此可达到高的切割速度。
所有借助于激光器切割由载体膜和装饰层组成的薄片的试验证明，一方面在有的情况下释放出有毒气体和粉末，需要采取适当的抽吸或过滤措施。此外用CO2激光器切割热压印薄片的试验中也已证实，在刀口处由于熔化和接着的凝固过程产生增厚，在将切好的薄片卷绕在一芯子上时，这种增厚导致在盘卷边缘处隆凸，这是不允许的，因为这种隆凸一方面妨碍工整地卷绕，另一方面在热压印薄片进一步加工时可能产生故障。
由DE 40 23 997 A1已知一种方法，其中，可以用刀片切割的材料借助于机械切割刀加工到留下一剩余壁厚。然后由激光切割头完成剩余的切割。在采用这种方法切割在载体膜上有一个可能剥落的装饰层的薄片时，如迄今发生的情况那样，必须考虑到会产生切屑，因为装饰层是用刀片切开的。因此，按此建议提出的方法不可能用于切割论及的薄片。
DE 34 15 015 C2介绍了一种设备，用于在由木材、塑料等构成的板状材料中制造防碎的刀口，它包括一预先划痕的装置和一分割锯，两者均可相对于板状材料移动。为避免在用分割锯时在由木材等构成的板状材料刀口处碎裂，其中建议，预划痕装置包括一产生激光束的激光源和一个将激光束集中在板状材料表面上的聚丝器，以便在此板状材料中烙出至少一个有预定宽度和深度的槽。在这里，激光束在锯片刃前面一些入射此板状材料，以及，如文件第二栏第21至24行所述，激光切口通常制在板状材料上分割锯的锯齿出口处。在由木材、塑料等构成的板状材料中制造这样一种防碎的刀口，与切割由载体膜和在此载体膜上包括至少一个漆层的装饰层组成的薄片尤其压印薄片是不可比较的。
由DE 44 39 220 A1已知一种借助CO2激光器切割塑料薄片的方法，此方法的特征在于，可以同时切割一个薄片的多个叠置的条幅。在这里为了避免在借助激光器切割时叠置的薄片层切口边缘熔化并因而粘结，按此先有技术在要切割的各薄片层之间置入分离层，例如纸层。这种方法由于生产技术和成本方面的原因不使用于裁剪压印薄片尤其热压印薄片，因为如此加工尤其要求多次卷绕要切割或已切割好的薄片。
因此本发明的目的是提供一种用于切割由载体膜和在此载体膜上的装饰层组成的薄片，尤其压印薄片，优选地热压印薄片的方法和设备，采用本发明的方法和设备可以用高的速度加工、获得无剥落的工整的切口以及能使得刀片的磨损尽可能小。
为了达到此目的，在一种前言所提及类型的方法中建议按这样的方式进行，即，借助于激光辐射首先沿载体膜的切口去除装饰层，然后在载体膜如此构成的去除轨迹内借助于刀片(在这里，术语“刀片”包括刀或滚刀)机械地切开。
在按本发明的方法中，在装饰层内存在的漆层或金属化作用层由于相应地吸收激光束的能量而加热。若相应地调整工作参数(激光器功率、聚焦点尺寸、薄片运动速度)，则在薄片上激光辐射所作用的区域内，装饰层的材料在熔化或气化的状态下被去除，并因而露出载体膜。在这里，通过直接在加工部位有效地抽吸，可以保证在加工地点有害物质的污染保持在允许的极限值内。然后，沿通过去除装饰层露出的去除轨迹借助于一刀片切开载体膜。这种方法有优点，因为在去除轨迹内剥落的装饰层已经被清除，所以在借助于刀片切割时不再产生任何会带来麻烦的切屑。载体膜本身通常在切割时不会生成大量粉尘。因此，无需附加的昂贵的清洁工作，在裁剪时可以立即获得切割成相应的条带上面没有切屑的薄片。
按本发明方法的另一个优点在于，只须借助激光辐射去除装饰层，所以较小的激光器功率便已足够去除此装饰层。这意味着，或可使用小的比较便宜的激光器，或可达到很高的切割速度。
采用激光辐射去除装饰层的另一个优点是，就去除装饰层而言，“切割器”不会有任何磨损。因此始终处于相同的状况，也就是说相同宽度和结构的激光去除轨迹，而迄今在采用刀片时由于其被磨损可以看到在这里有明显的变化。
最后，按本发明的方法还有一个优点，在某些情况下刀片的磨损可以显著减少，因为刀片只须切开载体膜，而无需切割在有些情况下相当硬的和主要由不同的物质组成的装饰层。
原则上通过激光辐射构成的去除轨迹的宽度等于切割载体膜的刀片厚度就够了。然而若按本发明所规定的那样，构成的去除轨迹其宽度大于切割载体膜的刀片厚度，其中此去除轨迹优选地有1至2mm的宽度，则一方面可获得一个优点，即，在任何情况下均保证刀片不再与装饰层接触，以及，另一方面还可以此方式补偿刀片相对于要切割的薄片的某些侧向运动。
按本发明还规定，为了去除装饰层采用一种ND：YAG激光器或二极管激光器，在这种情况下可以使用功率为20至50W的激光器。使用Nd：YAG或二极管激光器的主要优点在于，它不侵蚀通常透明的载体膜。较薄的装饰层借助这种激光器可以很容易被去除，所以在通常宽度为1至2mm的去除轨迹的情况下，采用这类激光器可以用70m/min和更高的速度进行加工。此外，在使用不侵蚀透明载体膜的激光器时，也可以将激光器布置在薄片上没有装饰层的那一侧。因此，在这种情况下要去除的装饰层透过载体膜受到辐射。
业已证实特别有利的是，为了去除装饰层采用一种横向于薄片送进方向(相对于激光器)有相当于矩形(礼帽形)剖面的激光辐射强度分布的激光器。由于在存在礼帽形剖面时激光辐射的强度迅速上升和下落，从而做到，初始熔化，亦即仅仅在熔融状态下转移而没有完全去除，使边缘区内构成装饰层的材料层减到最小程度。因此获得了装饰层的一种特别工整的刀口。若反之用横向于送进方向有高斯状强度剖面的激光辐射加工，则在去除轨迹的边缘处出现面层熔化材料的略微堆起，从而会影响借助于相应的薄片制成的装饰的质量，并会导致在盘卷的边缘处略有隆起。
按本发明还规定，紧接在去除装饰层之后载体膜在相隔间距小于70mm，优选地小于50mm处借助于刀片切开，以便以此方式可制成尽可能紧凑的设备，而且在这种情况下基本上只须通过监控人员观察一个加工部位。
本发明另一个对象是实施上面已说明的切割方法的设备，它包括一个产生去除轨迹的激光束的激光器和一切割刀片，在这里，作用在要切割的底物上的不仅有激光束而且有切割刀片，它们沿切割方向互相隔开间距。
这样一种设备按本发明有利地设计为，激光器和切割刀片按这样的方式布置和设计，即，沿构成底物的薄片的运动方向，切割刀片紧接在激光束的作用地点之后设置，在这种情况下激光束制成了一个在装饰层内的去除轨迹，它的宽度比切割刀片作用在薄片上的刀刃厚度大。
在采用这种设备时可以获得薄片的一个无可指摘的工整的切口，在这种情况下可靠地保证，在装饰层应实施切割的区域内只作用激光束，从而不会产生因剥落引起的切屑。借助于与被激光束造成的去除轨迹相比较薄的刀片，便可以迅速和工整地切开载体膜。
若按本发明进一步规定的那样，激光器设有一用于使激光束偏转的装置，则通过侧向偏转激光束，可以非常迅速地实现去除轨迹的位置调整。当由于某种原因刀片失调时，例如由于操作不当使刀片弯曲，则这样做应是有利的。
此外有利的是，激光器有一个用于改变作用在薄片上的激光束直径的装置，因为这样便易于改变由激光束产生的去除轨迹的宽度，并例如可以适应刀片的磨损。
合乎目的的是，激光器的功率可根据薄片的运动速度调整。以此方式，即使在机器起动或制动时，以及尽管裁剪机中通常沿运行长度是变化的运动速度，也能保持加工质量恒定不变。
为了侧向偏转激光束，可例如采用声-光调制器或检流计-反射镜。激光束直径的改变可例如借助于移动焦点的部件例如自适应光学系统非常迅速地完成。为了能用简单的方式监控切口，恰当的是按本发明另一些建议，激光束与切割刀片在薄片上的作用地点之间的距离小于70mm，优选地小于50mm。
最后，在本发明的范围内，激光束和切割刀片布置在要切割的薄片的同一侧，因为这样做一方面可以简化切割设备的结构，另一方面还可以提高监控的效率。
由下面对方法的说明以及对借助于附图仅示意表示的设备的说明中给出本发明的其他特征、详情和优点。
附图中：
图1带主要部件的切割设备示意图；
图2说明对热压印薄片切割的示意图；
图3有所谓Tophat剖面的激光辐射强度以及在装饰层内借助于这种剖面制成的去除轨迹；以及
图4激光辐射高斯状强度分布以及热压印薄片装饰层用相应的激光器制成的去除轨迹。
为了裁剪例如热压印薄片，需要将薄片1(图1)分成多个较窄的带1a、1b。为此目的，卷绕在备用盘卷上的薄片1按图1所示的简图通过两个导向辊2导引，在导向辊2之间按先有技术原则上每个轨迹只存在一把切割刀片3。
如由图2至4可见，热压印薄片或一般的压印薄片(如按本发明应切割的那些)由载体膜4构成，在载体膜上设一总体上用5标示的装饰层。根据具体的应用领域，装饰层5有不同的结构。例如，从载体膜4起，装饰层5包括分离层6，例如蜡层，它使装饰层易于与载体膜4分离、保护漆层7、起真正的装饰作用的色层8以及胶粘剂层9，其中，胶粘剂层9用于在加温和/或加压的情况下将热压印薄片的装饰层5固定在一底物上。真正的装饰层8通常由至少一个漆层构成。但它例如也可以由多个漆层组成，在这种情况下还可考虑这一可能性，即，在层状结构8内的两个漆层之间的界面是空间结构，例如由弯曲结构或全息图结构构成。尤其在这种情况下，但也包括应模拟金属箔的压印薄片，在层状结构8的内部还存在金属层，在这里可例如涉及一个在真空中淀积的铝层。
压印薄片尤其热压印薄片的结构以及它们的装饰层的组成是众所周知的。在这方面例如可参见DE 44 23 291 A1。
如在前言中已提及的那样，装饰层往往是易碎的，因此当人们试图仅仅借助刀片3切开薄片时装饰层会剥落。于是装饰层5剥落的部分构成所谓的切屑，它污染被裁剪的薄片并在薄片加工时会带来问题。
为避免这一点，现在按本发明规定，沿运动方向(图1中的箭头10)在真正的切割刀片3前面设一激光器11，它的激光束12在薄片1的装饰层5内造成一个去除轨迹13，由图2清楚可见，在去除轨迹13中的装饰层5已从载体膜4上除去，所以刀片3只还作用在载体膜4上并将其切开，因此防止产生由装饰层5剥落的颗粒组成的切屑。
图2详细说明按本发明的切割方法的步骤。
在图2中，上图说明以其轮廓表示的激光束12沿箭头14入射在薄片1的装饰层5上。因此，只要激光辐射的强度足够大，在相应区域内的装饰层5熔化或蒸发和去除，其结果是在激光束12的所在区内暴露出载体膜4。
在装饰层5内被激光束12暴露的去除轨迹13的宽度b，如图2的中图所示，明显地大于刀片3的厚度d。通常，去除轨迹13的宽度b应为约1至2mm。由于相对于刀片3的厚度d去除轨迹13有更大的宽度b，因而保证刀片可在去除轨迹内顺利地操纵。万一由于薄片翘曲、摇动和裁剪机不精确引起激光器与刀片轨迹之间有位置变动，在这种情况下也不会影响到切割质量。
由图1可见，刀片3沿薄片1的运动方向10设在激光束12在装饰层5上的作用部位16后面比较近的地方，在这里，激光束12的入射点16与刀片3之间的距离可以例如约为50mm。这一情况也有助于补偿要切割的薄片的位置可能的变动或翘曲变形。
然后，如图2下图所示，刀片3按迄今已知的方式切开载体膜4，以便将进入的薄片(图2上图)通过切口17分成两个薄片条带1a和1b(图2下图)。
在图3和4中，各自的上图表示横向于(在本例中为垂直于纸面延伸的)薄片1送进方向激光辐射的强度分布。
在图3中，强度曲线18有比较陡的上升和下落侧面19或20。在这种情况下强度分布有所谓的矩形或“礼帽形”剖面。因此相应地也为在装饰层5内的去除轨迹13提供了基本上直的和陡的侧面21。
相比之下，按图4上图的曲线，激光辐射12横向于薄片1的运动方向有高斯状强度剖面。因此，这一强度剖面导致如图4下图以及也在图2中表示的去除轨迹13的侧面21′，它们有较小的坡度，以及尤其在装饰层面朝激光束那一侧的区域内有某些修圆。激光辐射12高斯状强度剖面还会导致在去除轨迹13的边缘处能看到熔化材料的甚至于堆起。
有关可使用于按本发明的方法和设备的激光器11方面应指出，可采用已在工业中使用的切割塑料用的CO2、Nd：YAG和激发物激光器。目前正在研究采用大功率二极管激光器的可行性。
切割塑料的激光束源的工作参数及应用领域如下表所示：
| 激光器 | 波长 | 工作方式 | 应用 |
| CO2激光器 | 10.6μm | 连续波，脉冲 | 工业 |
| Nd:YAG激光器 | 1.064μm | 连续波，脉冲 | 工业 |
| 激发物激光器 | 193、248、308nm | 脉冲 | 工业 |
| 二极管激光器 | 650至900nm | 连续波，脉冲 | 实验实 |
但对本发明恰当的是尤其采用Nd：YAG和二极管激光器，因为借助此类激光器一方面可以达到高的加工速度，另一方面它们的激光辐射不被通常为透明的载体膜吸收或只吸收微小的部分，所以可以避免损坏载体膜。试验表明，对于用聚酯薄膜作载体膜的传统结构的热压印薄片，在采用Nd：YAG或二极管激光器时绕行速度可达70m/min或更高，为此所需的激光器功率仅在20至50W的范围内，而且以此方式获得的去除轨迹13的宽度在1至2mm范围内。与此同时，借助于激光束偏转部件，例如声-光调制器或检流计-反射镜，可以很快实施激光辐射的侧向偏转，以便以此方式可以进行去除轨迹13的位置调整。除此之外还存在这样的可能性，即，去除轨迹13的宽度b也可借助于移动焦点的部件，例如自适应光学系统，非常迅速地调整。最后，尤其在开始和终止切割过程起动或制动薄片时，或在切除质量差的薄片段时出现的薄片相对于激光束运动速度的改变(这种改变可能导致产生不同的去除轨迹)，可以通过相应地调整激光器功率进行补偿，在这里，当运动速度较高时用相应的比较高的功率加工。
Claims (14)
1．切割由载体膜和处于此载体膜上至少包括一漆层的装饰层组成的薄片，尤其压印薄片的方法，其特征为：借助于激光辐射(12)首先沿载体膜(4)的切割线(13)去除装饰层(5)，然后沿载体膜(4)如此构成的去除轨迹(13)借助于刀片(3)机械地切开。
2．按照权利要求1所述的方法，其特征为：构成一个其宽度(b)大于切割载体膜(4)的刀片(3)厚度(d)的去除轨迹(13)。
3．按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：构成宽度为1至2mm的去除轨迹(13)。
4．按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为：为了去除装饰层(5)采用Nd：YAG激光器或二极管激光器(11)。
5．按照权利要求4所述的方法，其特征为：采用具有功率为20至50W的激光器(11)。
6．按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为：采用一种激光器(11)，它有横向于薄片送进方向(相对于激光束12)的激光辐射(12)相当于矩形(Tophat)剖面(图3)的强度分布。
7．按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为：载体膜(4)紧接在去除装饰层(5)后在间距小于70mm，优选地小于50mm处，借助于刀片(3)切开。
8．按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为：以至少40m/min，优选地至少70m/min的切割速度加工。
9．实施按照前列诸权利要求之一所述切割方法的设备，包括一个产生去除装饰层-激光束(12)的激光器(11)和一切割刀片(3)，其中，作用在要切割的底物(4、5)上的不仅有激光束(12)而且有切割刀片(3)，它们沿切割方向互相隔开间距，其特征为：激光器(11)和切割刀片(3)按这样的方式布置和设计，即，沿构成底物的薄片(1)的运动方向(10)，切割刀片(3)紧接在激光束(12)的作用地点(16)之后设置，在这种情况下，激光束(12)制成了一个在装饰层(5)内的去除轨迹(13)，它的宽度比切割刀片(3)作用在薄片(1)上的刀刃厚度(d)大。
10．按照权利要求9所述的设备，其特征为：激光器(11)设有一用于使激光束(12)偏转的装置。
11．按照权利要求9或10所述的设备，其特征为：激光器(11)有一个用于改变作用在薄片(1)上的激光束(12)直径的装置。
12．按照权利要求9至11之一所述的设备，其特征为：激光器(11)的功率可根据薄片(1)的运动速度调整。
13．按照权利要求9至12之一所述的设备，其特征为：激光束(12)与切割刀片(3)在薄片(1)上的作用部位(16)之间的距离小于70mm，优选地小于50mm。
14．按照权利要求9至13之一所述的设备，其特征为：激光束(12)和切割刀片(3)布置在要切割的薄片(1)的同一侧。
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