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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übereinanderschichten
oder Ablegen von blatt- oder bahnförmigen Materialien, insbesondere
zum Stapeln oder Aufwickeln von bedrucktem Kunststoff- oder Papiermaterial,
wobei das blatt- oder bahnförmige
Material mit einer Wellenlänge
und einer Intensität
bestrahlt wird, die ausreicht, um auf der Oberfläche des blatt- oder bahnförmigen Materials
Erhebungen oder Ausformungen auszubilden. Zu den verwendbaren Materialien
gehören
auch Folien oder mit Folien beschichtete bzw. kaschierte Trägermaterialien,
beispielsweise auch folienbeschichtete Sandwich-Strukturen mit einer
Zwischenschicht aus Aluminium.
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Beim Übereinanderschichten
von blatt- oder bahnförmigem
Material, insbesondere bei bedrucktem Kunststoff- oder Papiermaterial,
kann es zu einem lokalen Markieren durch Kontakt der Farbseite mit
der Gegenseite und zu einem Verkleben oder Verblocken an der Oberfläche des
blatt- oder bahnförmigen
Materials kommen. Aufgrund der sehr hohen Durchlaufgeschwindigkeit
in der Drucktechnik stellt das Trocknen und Stapeln bedruckter Bögen oder
bahnförmiger
Materialien eine technische Herausforderung dar.
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Um
ein Anhaften oder lokales Markieren auf den frisch bedruckten Bögen beim
Stapeln zu verhindern, werden derzeit feine Puder eingesetzt, mit
deren Hilfe die Oberflächen
der Bögen
voneinander auf Abstand gehalten werden.
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Um
ein Verblocken der Bögen
zu verhindern, werden die bedruckten Bögen vor der Ablage dosiert bestäubt. Die
mit Druckluft fein verteilte Puderschicht verhindert einen engen
Kontakt zwischen der Druckfarbe des frisch bedruckten Bogens und
der Rückseite
des darüber
liegenden Bogens. Diese Abstandshalter gewährleisten durch Lufteinschluss
eine oxidative Trocknung.
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Nachteilig
an der beschriebenen Technik ist, dass zusätzliche Reinigungsarbeiten
erforderlich sind, um einer Verschmutzung der betroffenen Maschinenteile
durch die Puderstäube
zu begegnen. Außerdem
sind qualitätsmindernde
Auswirkungen bei Druckarbeiten mit Lackauftrag oder durch die generell
glanzmindernde Wirkung der feinen Puderpartikel beobachtet worden.
Die aus dem eingesetzten Puder resultierende Verschmutzung ist auch
für nachfolgende
Bearbeitungsschritte der Produktveredelung ein Problem. Hinzu kommen
die erheblichen Kosten, die für
den Einsatz von Puder und die Vermeidung der Verschmutzung aufgewendet
werden müssen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu
vermeiden und das Übereinanderschichten
oder Ablegen von blatt- oder bahnförmigem Material auch bei hohen
Materialtransportgeschwindigkeiten zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in den Ansprüchen
angegebenen Merkmale gelöst.
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Es
hat sich gezeigt, dass bei einem geeigneten punktuellen Energieeintrag über eine
Laserquelle die flüssigen
Bestandteile an der Oberfläche
in die Gasphase überführt werden.
Die dabei auftretende Volumenvergrößerung führt zu Mikroblasen, die sich unmittelbar
unter der Oberfläche
des blatt- oder bahnförmigen
Materials bilden. Durch Steuerung des Energieeintrags können diese
Mikroblasen entweder direkt geometrisch definierte Erhebungen erzeugen, z.
B. durch Einstellung des Strahldurchmessers und durch räumlich und
zeitlich modulierte Energiezufuhr auf der Oberfläche des blatt- oder bahnförmigen Materials
oder dazu beitragen, dass unterhalb der Oberfläche angeordnete Fasern oder
andere Feststoffe in ihrer Lage so verändert werden, dass sie aus
der Oberfläche
herausragen und damit Ausformungen bilden, die als Abstandshalter
wirken können.
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Beim
anschließenden Übereinanderschichten
oder Ablegen bzw. Aufwickeln von blatt- oder bahnförmigen Materialien werden diese
erfindungsgemäß auf Abstand
gehalten. Hierbei treten weder Verschmutzungen noch Verzögerungen
beim Transport des blatt- oder
bahnförmigen
Materials auf.
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Grundsätzlich lässt sich
der Energieeintrag über
verschiedene Laserarten und Lasersysteme erreichen. Bevorzugt im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung modularer Hochleistungs-Diodenlaser,
da sich die Dioden-Module je nach Aufgabestellung flexibel zusammensetzen
lassen. Vor allem kann hierbei auf die sonst üblichen Spiegelsysteme verzichtet
werden, deren Ansteuerung und Synchronisation mit der Vorschubrichtung des
bahn- oder bandförmigen
Materials und durch die zusätzliche
Optik vergleichsweise hohe Herstellungskosten verursacht. Statt
mehrerer Lasermodule kann auch ein Einzellaser mit einem Glasfaserbündel entweder
einen Bogen oder Bahnabschnitt durch einen Laserpuls gleichzeitig
belichten oder die Glasfasern werden zeitlich moduliert angesteuert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1A,
B, C: Beispiele für
die erfindungsgemäße Ausbildung
von Erhebungen oder Ausformungen auf blatt- oder bahnförmigen Materialien
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2A,
B: Zwei Beispiele für
eine Bestrahlungsvorrichtung unter Verwendung eines Einzellasers
in Verbindung mit einem Spiegelsystem
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3:
Beispiel für
eine Laseranordnung in einem Modul-System einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Behandeln und Übereinanderschichten von
bogenförmigen
Materialien
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4A,
B: Beispiele für
zwei Druckmaschinen mit unterschiedlicher Anordnung der erfindungsgemäßen Lasereinheiten
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5:
Blockbilddarstellung für
einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf
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In 1 sind mehrere blatt- oder bahnförmige Materialien 1, 1', 1'' dargestellt, die eine jeweils unterschiedlich
beschichtete Oberflächenstruktur aufweisen.
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In 1A handelt
es sich um ein lokal bedrucktes oder beschichtetes blatt- oder bahnförmiges Material 1.
Durch das Bedrucken erfolgt ein Farb- und Lackauftrag 2,
der aus einer wasserlöslichen
Rezeptur besteht. Nach punktueller Bestrahlung mittels Laser bildet
sich bei geeigneter Wellenlänge
und Intensität
eine Blase 3, die zu einer Erhebung 4 auf der Oberfläche des
blatt- oder bahnförmigen
Materials 1 führt.
In ähnlicher
Weise lassen sich punktuelle Erhebungen durch Verdampfen von Lösungsmitteln
oder gasbildenden Substanzen erzeugen, wobei mit „Oberfläche" jeder Abschnitt
des blatt- oder bahnförmigen
Materials – auch
auf der Unterseite – gemeint ist.
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Analog
zu dem in 1A gegebenen Beispiel einer
lokalen Beschichtung kann gemäß 1B der
Vorgang bei einer vollflächig
beschichteten Oberfläche
(Folien- oder Lackbeschichtung) erfolgen. Zu der Beschichtung 2' wird bei geeigneter punktueller
Bestrahlung mittels Laser je nach Höhe der Intensität eine kleinere
oder größere Gasblase 3' erzeugt. Die
Intensität
wird dabei über
die Energiedichte und den Zeitfaktor eingestellt. Bei einem gepulsten
Laser wurde auch die Entstehung von mehreren kleinen Bläschen anstelle
einer großen
Blase beobachtet.
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Als
weiterer, die Ausbildung einer Erhebung beeinflussender Faktor ist
der Strahldurchmesser zu nennen. Bevorzugt sind hier 5–20 μm zu nennen.
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Alternativ
zu den vorstehend beschriebenen Erhebungen können auch andere punktuelle
Ausformungen an der Oberfläche
eines blatt- oder bahnförmigen
Materials erzeugt werden. So sind anhand 1C in
einem faser- oder partikelhaltigen Trägerstoff 1'' mehrere punktuelle Ausformungen
durch Aufstellen der Fasern bzw. Partikel 5'' dargestellt worden.
Diese Ausformungen gehen einher mit der Bildung von kleinen Mikroblasen 6'' unterhalb bzw. in unmittelbarer
Nähe der
Fasern bzw. Partikel, die die Bindung der vorher glatt liegenden
Fasern auflockern, sodass sich diese – wie in 1C angedeutet – aufrichten
und dadurch mehrere punktuelle Ausformungen bilden, die quasi als
Abstandshalter beim Aufeinanderschichten der blatt- oder bahnförmigen Materialien
wirken. In ähnlicher
Weise lassen sich Abstandshalter durch Ausformen von Oberflächenstrukturen
erzeugen, z. B. durch Strukturveränderungen in der Farbschicht
oder im Untermaterial, die zu einem punktuellen Aufwerfen der Oberfläche führen und
damit das flächige
Anhaften gestapelter Bögen verhindern.
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Beispiele
für verschiedene
erfindungsgemäß ausgebildete
Bestrahlungsvorrichtungen sind den 2A, B
und 3 zu entnehmen. Hierbei dienen Laserlichtquellen
dem konzentrierten Energieeintrag bei einem schmalbandigen Frequenzspektrum. 2A zeigt
eine Bestrahlungsvorrichtung unter Verwendung eines Lasers 7,
der über
ein Spiegelsystem bestehend aus Spiegeln 8.1, 8.2 ein
Flächenmuster
auf einem Bahnmaterial 10 erzeugt. Der aus dem Laser 7 austretenden
Strahlengang 16 trifft auf einen beweglichen Spiegel 8.1 und
wird von dort reflektiert auf eine fest angeordnete Spiegel- oder
Prismenfläche 8.2.
Bei einer Drehung des Spiegels 8.1 wandert der Strahlengang
von a auf a' und
bewirkt auf dem Bahnmaterial 10 ein Flächenmuster aus Erhebungen oder
Ausformungen b, b',
b'', die in einer Linie
quer zur Bahntransportrichtung 14 angeordnet sind.
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Für den Fall,
dass verschiedene Flächenmuster
gleichzeitig auf einer Bahnoberfläche erzeugt werden sollen,
müssen
weitere Spiegel im Strahlengang angeordnet werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in 2B dargestellt,
wobei der Strahlengang 16 aus dem Laser auf einen um zwei
Achsen drehbaren Spiegel 8.3 trifft. Die Bewegungen des Spiegels 8.3 können beispielsweise
durch Stellmotoren erfolgen, die an den entsprechenden Achsen einer
kardanischen Aufhängung
des Spiegels 8.3 angeschlossen sind.
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Im
weiteren Verlauf wird der Strahlengang c je nach Bewegung des Spiegels 8.3 in
mehrere Ebenen aufgefächert
und trifft dabei auf feststehende Spiegel- oder Prismenflächen 8.4, 8.5, 8.6,
die unmittelbar über
der Bahnoberfläche
angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Spiegel- oder Prismenflächen 8.4, 8.5, 8.6 seitlich
gegeneinander versetzt angeordnet, um ein beliebiges Linienmuster
d, d', d'' zu erzeugen.
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In 3 wird
analog zu 2A, B die Erzeugung eines Flächenmusters 11 auf
einem Bogenmaterial, z. B. einer Papier- oder Wellpappe 12 dargestellt.
Anstelle eines Lasers sind hier Lasermodule 13 an einem
quer zur Transportrichtung 14 angeordneten Befestigungsbalken 15 befestigt.
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Das
Modul-System kann aus mehreren, parallel angeordneten Lasereinheiten
bestehen, die innerhalb einer Vorrichtung zum Behandeln und Übereinanderschichten
von blatt- oder bahnförmigen
Materialien angeordnet sind. Prinzipiell sollte ein Modul in Transportrichtung
nach einem Auftragswerk 17 und vor einer Papierstapel-
oder Aufrolleinheit 18 angeordnet sein. Das bogenförmige Material
wird hier von Haltern 19, 20 in Transportrichtung 14 bewegt.
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Anders
als bei herkömmlichen
Lasersystemen, bei denen die Emitter parallel geschaltet werden,
ist erfindungsgemäß eine Kontaktierung
für jeden
Emitter getrennt vorgesehen, sodass eine räumlich und zeitlich modulierbare
Strahlenquelle entsteht. Durch Aktivieren bzw. Deaktivieren einzelner Emitter
können
zeitlich variable Muster von Laserspots erzeugt werden. Mit oder
ohne Optik lassen sich Erhebungen oder Ausformungen auf dem bahn- oder
blattförmigen
Material, der Farbschicht oder der Lackschicht mit relativ niedriger
Energie herstellen. Dies ermöglicht
den bevorzugten Einsatz von Diodenlasern.
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Mittels
der Laserstrahlen 16 wird ein Flächenmuster mit Erhebungen oder
Ausformungen auf der Oberfläche
der blatt- oder bahnförmigen
Materialien erzeugt.
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Grundsätzlich ist
die Verwendung von Lasern mit einer Wellenlänge von ca. 430 nm möglich. Es
hat sich jedoch gezeigt, dass der Einsatz einer längeren Wellenlänge von
700 bis 900 nm bei hochpigmenthaltigen Lösungsmitteln und von 1500 bis 1900
nm von Vorteil ist, um den Einfluss der Farbpigmentierung auf die
Geometrie der Erhebungen bzw. Ausformungen gering zu halten. Erfindungsgemäß werden
daher Laser mit einer Wellenlänge
von 430 bis 10.000 nm, vorzugsweise von 700 bis 900 nm und besonders
bevorzugt von 1500 bis 1900 nm beansprucht. In Abhängigkeit
von den eingesetzten Stoffen variiert die Wellenlänge der
optimalen Absorption bis hin zu 10.000 nm.
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Die 4A,
B zeigen Beispiele für
zwei Druckmaschinen mit unterschiedlicher Anordnung der erfindungsgemäßen Lasereinheiten.
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In 4A ist
am Ende der Druckwerke 17.1 bis 17.4 ein Lackwerk 20 angeordnet.
Das Bogenmaterial gelangt von einem Papierstapel 21 über einen Anleger 22 in
die Druckwerke und danach über
eine Greiferkette zum Trockner 24. Hier wird die Restfeuchte
so eingestellt, dass im Anschluss daran nach Bestrahlung durch ein
Laserpaar 25, 26 Erhebungen oder Ausformungen
auf dem blatt- oder bogenförmigen
Material erzeugt werden. Diese dienen als Abstandshalter, sodass
das Bogenmaterial in der Auslage 27 in einen Papierstapel 28 abgelegt
werden kann.
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4B zeigt
analog zu 4A die Vorrichtung zum Behandeln
und Übereinanderschichten
von blatt- oder bogenförmigen
Materialien. Hier ist ein Lasermodul 29 oberhalb eines
Druck- oder Beschichtungszylinders angeordnet, sodass das Produkt
bereits vor der Übergabe
an die Greiferkette 23 entsprechend ausgebildete Abstandshalter
aufweist. Die Ablage kann dann wie vorher beschrieben über eine Auslage 27 in
den Papierstapel 28 erfolgen.
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Es
ist auch möglich,
im Anschluss an die Behandlung durch Laserbestrahlung das Produkt
zu trocknen.
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In 5 ist
der erfindungsgemäße Verfahrensgang
zur Erzeugung der abstandshaltenden Erhebungen oder Ausformungen
an der Oberfläche
der blatt- oder bahnförmigen
Materialien dargestellt.
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Zunächst geht
es darum, einen Trägerstoff mit
einem geeigneten, eine Restfeuchte aufweisenden Farbauftrag zu beschichten
oder zu bedrucken, um daraus ein für die Ausbildung von Abstandshaltern
geeignetes blatt-, bogen- oder bahnförmiges Material zu erzeugen.
Es kann aber auch das Material bzw. der Trägerstoff selbst so ausgestattet
sein, dass die Bedingungen für
die Bildung von Gasblasen durch das erfindungsgemäße Verfahren
erfüllt
sind.
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Danach
wird die Restfeuchte in den beschichteten oder bedruckten Teilen
der Oberfläche eingestellt,
beispielsweise durch gezieltes Trocknen mittels Heißluft etc.
Die Restfeuchte sollte mindestens 5% betragen, damit eine Volumenvergrößerung und Gasbildung
innerhalb des Feuchtigkeitsfilms stattfinden kann, die zur Ausbildung
der Mikroblasen führt.
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Sodann
wird der Strahlengang und gegebenenfalls die Wellenlänge und
Intensität
des Lasers bzw. des Lasermoduls eingestellt. Hierbei sind auch Durchmesser
und Parallelität
der Laserstrahlen von besonderer Bedeutung für die Ausbildung solcher Erhebungen
oder Ausformungen auf der Bahnoberfläche, die die als Abstandshalter
erforderlichen Dimensionen aufweisen.
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Im
nächsten
Abschnitt wird die Laserenergie gezielt auf die anhand eines vorher
bestimmten Rastermodells ausgewählten
Oberflächenpunkte
der bogen- oder bahnförmigen
Materialien zugeführt,
an denen eine Erhebung oder Ausformung zum Zwecke des Abstandshaltens
ausgebildet werden soll. Das Maß an
pro Zeiteinheit zugeführter
Laserenergie ist abhängig
von der Produktionsgeschwindigkeit. Die Laserenergie kann in bekannter
Weise gesteuert werden, wobei hier insbesondere Diodenlaser mit
gepulster Energie in Betracht kommen.
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Über das
Ausmaß der
pro Zeiteinheit zugeführten
Energie wird auch die Höhe
der Abstandshalter eingestellt. Die Höhe wird bestimmt über die
Größe der gebildeten
Gasblase, die wiederum von der Wellenlänge und der Intensität der eingestrahlten
Laserenergie abhängt.
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Zusammenfassend
ist das erfindungsgemäße Verfahren
zum Übereinanderschichten
oder Ablegen von blatt- oder bahnförmigen Materialien, insbesondere
zum Stapeln oder Aufwickeln von bedrucktem Kunststoff- oder Papiermaterial,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des blatt- oder bahnförmigen Materials
vor dem Übereinanderschichten
oder Ablegen mit einer Wellenlänge
und einer Intensität
bestrahlt wird, die ausreicht, um auf der Oberfläche des blatt- oder bahnförmigen Materials Erhebungen
oder Ausformungen auszubilden.
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Vorzugsweise
weist das blatt- oder bahnförmige
Material auf mindestens einem Oberflächenabschnitt eine Beschichtung,
insbesondere eine Folien- oder Lackbeschichtung auf, auf der oder
innerhalb der durch Laserbestrahlung Erhebungen oder Ausformungen
ausgebildet werden. Wichtig ist, dass das blatt- oder bahnförmige Material
oder der beschichtete Oberflächenabschnitt
eine Restfeuchtigkeit in der Oberflächenschicht aufweist, wobei
die Feuchtigkeit in Form von Wasser oder Lösungsmitteln vorliegt und die
Ausformungen durch punktuelles Verdampfen der Feuchtigkeit erzeugt
werden, in denen blasenförmige
Einschlüsse
vorhanden sind.
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In
einer Variante der Erfindung sind in den blatt- oder bahnförmigen Materialien
Feststoffe enthalten, die nach der Bestrahlung aus der Oberfläche des
blatt- oder bahnförmigen
Materials herausragen. Die Feststoffe können aus Fasern, Partikeln
oder insitu gebildeten Strukturen bestehen, wobei nach der Bestrahlung
die Feststoffe in Form von Fasern, Partikeln oder Strukturelementen
aus der Oberfläche
herausragen. Die Fläche
der durch die Fasern oder Partikel gebildeten Ausformungen weist
vorzugsweise einen Durchmesser von 2–75 μm, bevorzugt 5–25 μm, auf.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht aus einer Stapel- oder Aufwickeleinheit und mindestens einer
quer zur Transportrichtung auf das blatt- oder bahnförmige Material
einwirkenden Laserlichtquelle, wobei der Energieeintrag der Laserlichtquelle
so eingestellt ist, dass Erhebungen oder Ausformungen an der Oberfläche der
blatt- oder bahnförmigen
Materialien erzeugt werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Laserlichtquelle aus mindestens einem
Diodenlaser besteht mit einem auf das Verdampfen von Wasser- oder
Lösungsmitteln
oder diese enthaltenden Einschlüssen
eingestellten Frequenzspektrum. In einer Variante kann die Laserlichtquelle
mit einem Spiegelsystem zur Ausbildung der Erhebungen und Ausformungen
auf der Oberfläche
des blatt- oder bahnförmigen
Materials ausgestattet werden. Nach einer anderen, bevorzugten Variante
besteht die Laserlichtquelle aus mehreren zu einem Modul-System
zusammengeschalteten Lasereinheiten, wobei die Lasereinheiten einzeln
zur Erzeugung eines flächigen
oder rasterförmigen
Musters aus Erhebungen oder Ausformungen ansteuerbar sind. Anhand
von Versuchen wurde festgestellt, dass der Strahldurchmesser einer
Lasereinheit vorzugsweise 5–20 μm beträgt.