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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Perforation von bahnartigem Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gegenstand der
DE 102 05 599 A1 ist eine Vorrichtung zur Perforation von bahnartigem Material mit einem regelmäßigen Muster, mit mindestens zwei achsenparallel angeordneten rotierenden Walzen, zwischen denen das Material etwa mit Umfangsgeschwindigkeit der Walzen hindurchführbar ist, wobei die eine Walze als Nadelwalze mit einer regelmäßigen Nadelanordnung ausgebildet ist und auch die andere Walze als derartige Nadelwalze ausgebildet ist, wobei die Nadelanordnungen beider Nadelwalzen versetzt ineinander greifen.
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Gegenstand der
EP 0 802 026 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Perforation bahnartiger Folien, insbesondere Kunststofffolien mit wenigstens einem von der Folie durchlaufenem Walzenpaar, wobei hier eine Walze als Nadelwalze und die andere als Gegenwalze ausgebildet ist. Gleichartige Vorrichtungen sind auch Gegenstand der Schriften
US 2,924,863 A und
US 3,760,671 A .
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Je nach dem zu perforierenden bahnartigen Material ist es von Vorteil, die Nadelwalze zu beheizen. Gerade bei Kunststoffbahnen hat dies den Vorteil, dass neben der rein mechanischen Einwirkung der Nadeln auf das bahnartige Material zusätzlich eine thermische Einwirkung erfolgt, welche den Kunststoff kurzzeitig zum Schmelzen bringt, wodurch die Perforation erleichtert und die Reißfestigkeit der Folie erhöht wird.
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Bei bekannten Vorrichtungen, welche zur Perforation von Kunststofffolien eingesetzt werden, kann daher häufig die als Trägerwalze für die Nadelringe dienende Walze von innen beheizt werden, wobei diese Beheizung zum Beispiel durch elektrische Heizelemente oder durch Hindurchführen einer erhitzten Flüssigkeit, z.B. Öl, erfolgen kann. Die entsprechende elektrische bzw. elektromechanische Ausführung derartiger Walzen ist dementsprechend kompliziert, weil elektrische Zuführungen mit Drehübertragern bzw. Zuführungen für das heiße Öl sowie für die Messvorrichtungen für die Regelung des Heizkreises vorgesehen werden müssen.
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Alternativ oder kumulativ zu der Heizung der die Nadelanordnung tragenden Walze kann auch die Nadelanordnung selbst von außen, beispielsweise durch Infrarotstrahler beheizt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass im gesamten Bereich zwischen dem Infrarotstrahler und der zu beheizenden Nadelwalze eine hohe Temperatur herrscht und das bahnartige Material durch seine eigenen Ausgasungen, welche sich bei dieser Temperatur entzünden können, zum Brennen kommt. Die maximale Wärmeerzeugung ist daher beschränkt.
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Auf der anderen Seite muss aber die Energie, welche beim Schmelzvorgang verbraucht wird, und die durch die erhitzte Folie aus der Anlage genommen wird, bei jeder Umdrehung der Nadelwalze nachgeführt werden. Eine weitere Wärmesenke stellt die Absaugung dar, die für die Entfernung der Ausgasungen und Dämpfe aus dem Perforationsprozess nötig ist. Entsprechend wird die Prozessgeschwindigkeit durch die Nachführung der Heizenergie begrenzt. Im Zusammenspiel mit der oben genannten begrenzten Wärmeerzeugung ergibt sich eine maximale Prozessgeschwindigkeit für die Vorrichtung.
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Die
DE 10 2019 123 290 A1 zeigt eine Nadelwalze für eine Vorrichtung zum Perforieren von Folien mit einer Nadelheizung, welche eine Induktionsspule aufweist, die derart angeordnet ist, dass von ihr erzeugte elektromagnetische Wechselfelder in der Walze und/oder den Nadeln Wirbelströme erzeugen. Vorzugsweise ist die Induktionsspule innerhalb des Walzenkerns angeordnet.
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Die
EP 1 048 419 A1 hat eine Vorrichtung zum Lochen und Verformen eines Flächengebildes zum Gegenstand, wobei vorzugsweise Mittel zum Heizen der Nadeln vorhanden sind, beispielsweise eine Induktionsheizung oder andere handelsübliche elektrische Heizelemente, die im Grundkörper des Nadelelements angeordnet sein können.
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In beiden Fällen werden die Nadeln unspezifisch erhitzt, wodurch viel Energie verbraucht wird und eine Erhitzung an dem relevanten Ort nicht stattfindet.
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Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Perforation von bahnartigem Material mit heißen Nadeln so weiterzubilden, dass eine möglichst hohe Arbeitsgeschwindigkeit bei hoher Effizienz und geringem baulichem Aufwand ermöglicht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Perforation von bahnartigem Material mit einem regelmäßigen Muster, mit mindestens zwei achsenparallel angeordneten, rotierenden Walzen, zwischen denen das Material etwa mit Umfangsgeschwindigkeit hindurchführbar ist, wobei mindestens eine erste Walze eine regelmäßige Nadelanordnung zur Erzeugung der Perforation aufweist und wobei diese Nadelanordnung beheizt ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Beheizung der Nadelanordnung durch eine im Abstand zur Oberfläche der ersten Walze und zu deren Achse parallel verlaufende Induktionsheizung mit mindestens einem Induktor. Die Nadelanordnung selbst muss elektrisch leitfähig sein, um aufgrund dieser Induktion erwärmt zu werden.
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Die Induktionsheizung ist gegenüber der Außenseite der ersten Walze in einem Winkelbereich von unter 180° vor der Berührung der Nadelanordnung mit dem bahnartigen Material bezogen auf die Rotation der ersten Walze angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist die erste Walze eine Nadelwalze und die weitere, auf der Gegenseite angeordneten Walze eine Bürstenwalze oder eine Filzwalze oder eine Nutenwalze, wobei die Letztere Nuten aufweist, in welchen die Nadeln der Nadelwalze eintauchen.
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Vorzugsweise sind die Nadeln der ersten Walze kegelstumpfförmig oder abgerundet ausgebildet. Die Nadeln können auch kegelstumpfförmig mit zylindrischem Unterbau oder aber zylinderförmig mit konkaver Rundung an ihrer Oberseite ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die erste Walze zusätzlich eine innerhalb der ersten Walze befindliche elektrische Innenheizung aufweisen oder eine Innenheizung, welche durch Hindurchführen einer erhitzten Flüssigkeit gebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Nadelanordnung der ersten Walze ferromagnetisch.
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Vorteilhafterweise ist die Induktionsheizung in einem Winkelbereich von unter 90° vor der Berührung der Nadelanordnung mit dem bahnartigen Material, bezogen auf die Rotation der ersten Walze, angeordnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Figur näher beschrieben. Diese zeigt einen Querschnitt durch ein Walzenpaar der Vorrichtung während der Behandlung eines bahnartigen Materials.
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Die Vorrichtung, welche eine Vielzahl weiterer Stationen zur Führung, Temperierung, Koronabehandlung, Perforation und/oder Wicklung des zu behandelnden bahnartigen Materials aufweisen kann, umfasst mindestens ein Walzenpaar wie es in der Figur dargestellt ist. Die beiden Walzen 3 und 7 sind achsenparallel zueinander angeordnet und weisen einen Antrieb auf, mit welchem sie in Richtung der in der Figur eingezeichneten Pfeile drehantreibbar sind. Der Umfang beider Walzen ist in etwa gleich groß. Angetrieben werden die Walzen 3 und 7 in gegensinnigem Drehsinn, jedoch mit gleicher Drehzahl. Der Antrieb ist nicht im Einzelnen dargestellt. Die erste Walze 3 dient als Trägerwalze für die Nadelringe 2, von denen einer im Querschnitt dargestellt ist und an seiner Außenseite im dargestellten Ausführungsbeispiel kegelförmige Nadeln in regelmäßiger Anordnung trägt. Auf der zweiten (Gegen-) Walze 7 finden sich entweder Borsten 6 oder ein Filz oder Nuten, welche so angeordnet sind, dass die Nadeln der Nadelringe 2 der ersten Walze 3 in diese Nuten eingreifen können. Die Nuten sind als solche nicht dargestellt. Die erste Walze 3 und die zweite Walze 7 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Vollmaterial gebildet, können jedoch auch rohrförmig ausgebildet sein. Ferner trägt die erste Walze 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel axial in ihrer Innenseite eine Innenheizung 4, wobei es sich um eine elektrische Heizung oder um ein Durchführungsrohr für eine zu beheizende Flüssigkeit, z.B. Öl, handeln kann. Diese Zusatzheizung 4 ist jedoch nicht unbedingt notwendig, sondern optional.
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Zwischen den beiden Walzen 3 und 7 befindet sich das zu perforierende bahnartige Material 5. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Kunststofffolie. Vor Eintritt in den Spalt zwischen den beiden Walzen 3 und 7 ist die Folie glatt und ungelocht. Die Folie bzw. das bahnartige Material 5 wird während des Betriebs der Vorrichtung im Wesentlichen mit der Umfangsgeschwindigkeit der Walzen 3 und 7 zwischen diesen hindurchgeführt, so dass durch die Nadeln des Nadelrings 2 die Folie nicht gerissen, sondern nur punktuell berührt und durchstochen wird. Hierbei entsteht ein Lochmuster, wie es z.B. in der
3 der eingangs zitierten
DE 10 205 599 A1 dargestellt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand benachbarter Nadeln zwischen 2 mm und 10 mm, wobei auch andere Nadelabstände sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung möglich sind. Die Anordnung der Nadeln auf den Nadelringen 2 ist weitgehend beliebig, soll jedoch einer geometrischen Regel folgen und insbesondere einen Rapport aufweisen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Nadeln kegelförmig ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen können sie jedoch auch kegelstumpfförmig oder abgerundet ausgebildet sein oder eine zylinderförmige Basis mit kegelförmiger Spitze oder eine zylinderförmige Basis mit konkaver Spitze aufweisen.
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Gegenüber der Außenseite der ersten Walze 3 und bevor deren Nadeln das bahnartige Material 5 in Kontakt mit der zweiten Walze 7 berühren, befindet sich eine Induktionsheizung 1, welche in an sich bekannter Weise ausgeführt ist und welche sich über einen Winkel von knapp 90° entlang der Außenseite der gesamten Oberfläche der ersten Walze 3 erstreckt. Diese Induktionsheizung 1 erzeugt im Bereich der Nadeln, welche sich gegenüber der Induktionsheizung 1 befinden, durch elektromagnetische Induktion Induktionsströme, die wiederum dazu führen, dass sich die Nadeln schnell erhitzen, und zwar ohne dass die Luft zwischen der Oberfläche der ersten Walze 3 und der Induktionsheizung 1 erhitzt wird und ohne dass das Material der Walze 3 selbst in nennenswertem Umfang erhitzt wird. Die Induktionsheizung 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nur über einen Winkelbereich von etwa 90° gegenüber der ersten Walze 3 angeordnet, kann jedoch auch fast vollständig um die erste Walze 3 herum ausgebildet sein. Ferner kann die gesamte Anordnung nicht, wie in der Figur dargestellt, nebeneinander verlaufen, sondern die beiden Walzen 3 und 7 können in beliebiger Orientierung zueinander, also z.B. auch übereinander, angeordnet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Induktionsheizung 1 als Zonenheizung auszubilden, und zwar dergestalt, dass der Mittelbereich der Induktionsheizung 1, welche etwa in der Mitte der ersten Walze 3 liegt, schwächer beheizt werden kann, um Wärmeverlust in axialer Richtung nach außen zu kompensieren. Der Randbereich der Induktionsheizung 1 wird in diesem Falle etwas stärker beheizt. Auch ist es möglich, über den Abstand zu den Nadeln die Leistungseinkopplung einer einzelnen Induktionsantenne bzw. eines Induktors der Induktionsheizung 1 zu steuern. In diesem Falle wäre der Abstand der Induktionsheizung 1 zu den Nadeln im Randbereich der Walze 3 größer als im Mittelbereich.
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Ferner ist es vorteilhaft, eine Absaugung für entstehende Gase und Dämpfe, z.B. geschmolzene Polymerdämpfe, im Bereich der ersten Walze 3 anzubringen.
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Die Vorrichtung wird in analoger Weise betrieben wie bekannte Vorrichtungen zur Perforation bahnartiger Materialien mit zwei Walzen. Im Unterschied zu den bekannten Vorrichtungen wird die Wärme in den Perforationsnadeln jedoch nicht durch Wärmeleitung oder Infrarotstrahlung, sondern durch elektromagnetische Induktion über eine Induktionsheizung 1 erzeugt. Ansonsten arbeitet die Vorrichtung in bekannter Weise, d.h. die beiden Walzen 3 und 7 drehen sich in dem mit den Pfeilen dargestellten Sinn gegensinnig zueinander und das bahnartige Material 5 wird über die zweite Walze 7 geführt, welche entweder als Bürstenwalze oder Filzwalze oder mit Nuten zum Eingriff der Nadeln der Nadelwalze ausgestattet ist. Im Bereich der Berührung der Nadeln der ersten Walze 3 mit dem bahnartigen Material 5, welches über die zweite Walze 7 geführt wird, erfolgt die Perforation des bahnartigen Materials 5 durch mechanische Lochung und zusätzlich durch kurzzeitiges Aufschmelzen des Kunststoffs des bahnartigen Materials 5 in an sich bekannter Weise. Während des gesamten Betriebs der Vorrichtung erfolgt die Beheizung der Nadeln der Nadelringe 2 der ersten Walze 3 durch die gegenüber angeordnete Induktionsheizung 1.
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Die Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass die Nadeln der Nadelringe 2 unmittelbar, also von innen heraus erwärmt werden. Dies führt dazu, dass die Heizung deutlich effizienter ist und in der Regel die Innenheizung 4 der ersten Walze 3 sogar entfallen kann. Hierdurch wird der Energiebedarf gesenkt und das Aufheizen bzw. Abkühlen wird beschleunigt, was wiederum die Zeit zwischen den Produktwechseln verkürzt und die Betriebszeit maximiert.
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Aufgrund der Induktionsheizung ist das heißeste Element der Vorrichtung die Nadeln selbst, nicht mehr die Strahler der Außenheizung. Hierdurch kann die Temperatur der Nadeln näher an die Zündtemperatur des bahnartigen Materials 5 herangeführt werden, was wiederum ein heißeres Perforieren von dickerem bahnartigen Material 5 von Material mit höherem Schmelzpunkt und/oder schnelleres Perforieren ermöglicht.
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Die effizientere Heizung der Nadeln führt auch zu höheren Produktionsgeschwindigkeiten, weil die Nachführung der Wärmeenergie besser gewährleistet ist. Im Idealfall werden hauptsächlich die Nadelspitzen geheizt, welche wiederum aus einem anderen Material ausgeführt sein können, als der Nadelring 2 und die Nadeln selbst. Dies reduziert die Wärmestrahlung der Nadelwalze und ein negativer Einfluss der Hitze auf das beilaufende bahnartige Material 5 wird reduziert.