DE10223388B4 - Vorrichtung zur Perforation eines bahnartigen Materials - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Perforation eines bahnartigen Materials (1), welches zwischen mindestens einer Nadelelektrode (2) und einer Gegenelektrode (3) transportiert und dort einer elektrischen Entladung ausgesetzt wird, wobei die oder jede Nadelelektrode (2) auf einer kontinuierlich rotierenden Walze (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (4) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (5) versehen ist, deren Höhe (6) etwa der Höhe der Nadelelektrode (2) entspricht, und deren äußere Umfangsgeschwindigkeit (u) der konstanten Transportgeschwindigkeit (v) des Materials (1) entspricht, und die flächig ausgebildete Gegenelektrode (3) eine konkave Oberfläche (8) aufweist, deren Krümmungsradius etwa dem der Walze (4) entspricht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Perforation eines bahnartigen Materials nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Beim dem bahnartigen Material handelt es sich insbesondere um Kunststofffolien oder Papierbahnen.
• Zur Vorbehandlung der Oberfläche von bahnartigem Material ist es bekannt, diese Oberfläche einer elektrischen Corona-Entladung auszusetzen. Durch diese Corona-Vorbehandlung vergrößert sich die Oberflächenspannung einer Kunststofffolie aufgrund noch nicht im Detail geklärter molekularer Mechanismen derart, dass die Oberfläche beispielsweise mit Farbe bedruckbar wird, während Farbe auf einer unbehandelten Oberfläche abperlt. Ein Corona-Generator zur Vorbehandlung von Folien ist beispielsweise Gegenstand der DE 39 23 694 C1 . Die DE 17 79 939 C3 beschreibt ein entsprechendes Gerät zum Behandeln von Folienbahnen mit elektrischen Entladungen. Hierbei wird die zu behandelnde Folie zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode hindurchgeführt und vollflächig mit der Corona-Entladung behandelt. In dem genannten Gerät sind mehrere Gegenelektroden auf einem Revolverkopf angeordnet und können wahlweise verwendet werden. Bei dieser Einrichtung ist der Revolverkopf mit den Gegenelektroden während des Betriebs nicht drehbar; ferner eignet sich diese Einrichtung nicht zur Perforation von Folien, sondern nur zu deren vollflächiger Vorbehandlung.
• In vielen Fällen besteht darüber hinaus oder daneben das Bedürfnis, eine Kunststofffolie oder eine Papierbahn mit Löchern zu versehen, beispielsweise, wenn diese als Verpackungsmaterial (Verpackungsbeutel für frische Backwaren) verwendet werden soll. Hier ist zur Erhaltung der Konsistenz der Backwaren und zur Vermeidung von Schimmelbildung ein Luftaustausch mit der Umgebung erforderlich. Entsprechende Behältnisse müssen daher Öffnungen aufweisen. Diese Löcher werden üblicherweise mechanisch erzeugt, beispielsweise durch Stanzen oder durch andere mechanische Bearbeitungsformen. Hierbei ist von Nachteil, dass die mechanischen Stanzwerkzeuge relativ schnell verschleißen und ausgetauscht bzw. geschliffen werden müssen. Da das mechanische Stanzen üblicherweise im Rahmen der Folienherstellung oder -weiterverarbeitung erfolgt, die Stanzmaschinen sich also innerhalb der Fertigungsprozesses befinden, besteht darüber hinaus der Nachteil, dass die ausgestanzten Kunststoffblättchen nach kurzer Zeit zu einer erheblichen Verschmutzung der gesamten Anlage führen und aufgrund ihrer geringen Dicke auch in sensible Bereiche der Anlage, wie zum Beispiel Lagerachsen, Schmiernippel oder Hochspannungsteile gelangen. Die Anlage muss daher regelmäßig gesäubert und häufig auch heruntergefahren werden, um eine Säuberung dieser sensiblen Bereiche zu ermöglichen.
• Daneben ist es bekannt, Löcher mit Hilfe heißer Nadelwalzen in Kunststofffolien einzubringen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die erzeugbare Lochgröße begrenzt ist und typischerweise unter 2 mm liegt. Größere Lochdurchmesser, wie sie beispielsweise zur Verpackung bestimmter Waren benötigt werden, können nicht erzeugt werden.
• Schließlich wurden Löcher auch bereits mit Hilfe von Hochspannungsentladungen in Filterpapier für Zigaretten eingebracht. Dieses sogenannte elektroerosive Perforieren ist Gegenstand der DE 40 18 209 A1 und hat den Nachteil, dass eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung nicht möglich ist, da das zu perforierende Material zum Einbringen jedes Loches angehalten werden muss. Dies erfordert einen hohen apparativen Aufwand, bringt einen hohen Verschleiß mit sich und lässt nur geringe Materialdurchsätze zu.
• Die DE 750 662 A zeigt anhand eines Verfahrens zum Lochperforieren von Papierbahnen in Ihrem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 eine Vorrichtung zur Perforation eines bahnartigen Materials, welches zwischen einer Vielzahl von Nadelelektroden, die auf einer kontinuierlich rotierenden Scheibe angeordnet sind und einer Gegenelektrode transportiert und dort einer elektrischen Entladung ausgesetzt wird. Nachteilig ist, dass das Material nicht geführt ist und flattern kann und kein Zusammenhang zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Walze und der Transportgeschwindigkeit des Materials gegeben ist. Ferner wird durch die punkt- bzw. bolzenförmig ausgebildete Gegenelektrode keine kontrollierte Behandlung ermöglicht.
• Die DE 25 34 376 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Lochen von flexiblen Bahnen aus thermoplastischen Kunststoffen mit heißen Nadeln, berührt also die bei der elektroerosiven Perforation entstehenden Probleme nicht.
• Es besteht daher die Aufgabe, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass ein kontinuierlicher Hochgeschwindigkeitsbetrieb bei hoher Verarbeitungsqualität und -konstanz und einfacher Bauweise möglich ist.
• Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert, welche einen schematischen Querschnitt durch das zentrale Element einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich die Elektrodenanordnung, zeigt.
• Die Vorrichtung weist eine rotierende Walze 4 auf, wobei in der Figur die Rotationsrichtung durch den Pfeil u dargestellt ist. Die Walze 4 besteht aus Metall und ist geerdet, was in der Figur nur schematisch dargestellt ist. Tatsächlich erfolgt die Erdung selbstverständlich axial. Auf der Walze 4 befinden sich eine Vielzahl metallischer Nadelelektroden 2. Diese können entweder auf der Walze 4 aufgeschraubt, aufgenietet, aufgelötet, aufgeschweißt oder in anderer Weise mit dieser leitfähig verbunden sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Walze 4 im Querschnitt acht Nadelelektroden 2 auf, wobei selbstverständlich in axialer Richtung der Walze 4 eine Vielzahl weiterer Sätze von Nadelelektroden 2 angeordnet sind. Diese weiteren Sätze von je acht Nadelelektroden können sich unmittelbar hinter den dargestellten Nadelelektroden 2 befinden oder hierzu versetzt angeordnet sein. Die Lagerung der Walze 4 und die Antriebsvorrichtung, um dieselbe in Rotation zu versetzen, sind nicht dargestellt.
• Die Walze 4 trägt eine elektrisch isolierende Beschichtung 5, welche beispielsweise aus keramischem Material oder aus einem geeigneten Kunststoff, insbesondere Polycarbonat oder Teflon, besteht. Die Höhe 6 dieser Beschichtung ist etwa identisch mit der Höhe jeder Nadelelektrode 2, wobei die Beschichtung 5 allerdings im Bereich der Spitzen der Nadelelektroden 2 Ausnehmungen 10 aufweist.
• Gegenüber der beschichteten Walze 4 und der Figur rechts dargestellt, befindet sich eine Gegenelektrode 3 mit einer konkaven Oberfläche 8, deren Krümmungsradius im wesentlichen dem äußeren Krümmungsradius der Walze 4 (inklusive Beschichtung 5) entspricht, wobei diese gekrümmte Oberfläche 8 so angeordnet ist, dass sie im wesentlichen überall gleichen Abstand von der Oberfläche der beschichteten Walze 4 aufweist. Die Gegenelektrode 3 ist an eine hochfrequente Hochspannung 7 angeschlossen, welche nur schematisch dargestellt ist und beispielsweise eine Spannung von 20 kV bei einer Frequenz von 25 kHz aufweisen kann. Die Hochspannung kann darüber hinaus getaktet sein, was im einzelnen bei der Beschreibung der Funktion ausgeführt werden wird.
• Zwischen der beschichteten Walze 4 und der Gegenelektrode 3 ist schematisch das zu perforierende Material 1 dargestellt, welches in Bewegungsrichtung 9 mit der Geschwindigkeit v durch den Spalt zwischen Beschichtung 5 und Gegenelektrode 3 verläuft. Tatsächlich liegt das bahnartige Material 1 auf der Beschichtung 5 auf, was in der Zeichnung aufgrund der besseren Anschaulichkeit nicht dargestellt ist. Das bahnartige Material 1 kommt beispielsweise von einer Rolle oder einer Vorbehandlungsanlage und wird wiederum einer Aufwickelrolle oder unmittelbar der Weiterverarbeitung zugeführt. Es wird so über die beschichtete Walze 4 geführt, dass es über einen erheblichen Teil des Umfangs an deren Oberfläche anliegt, und zwar dort, wo sich die Gegenelektrode 3 befindet.
• Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:
  Die Drehzahl der Walze 4 wird so gewählt, dass die Umfangsgeschwindigkeit u der Walze 4 (am äußeren Umfang der Beschichtung 5) identisch ist mit der Transportgeschwindigkeit v des bahnartigen Materials 1, welche von den Zu- und Abführwalzen bestimmt wird. Hierdurch läuft das Material 1 auf der Oberfläche der Walze 4 ab ohne auf dieser Oberfläche zu gleiten oder sich gegenüber der Walze 4 zu verschieben.
• Sobald eine der Nadelelektroden 2 den Beginn der der Walze 4 zugewandten Oberfläche 8 der Gegenelektrode 3 erreicht, schaltet sich die zwischen der Walze 4 und der Gegenelektrode 3 liegende hochfrequente Hochspannung 7 ein und brennt während einer vorbestimmten Brenndauer, so dass die hierbei erzeugte elektrische Entladung zwischen der Nadelelektrode 2 und der Gegenelektrode 3 bezüglich des Materials 1 stets an der gleichen Stelle stattfindet, da sich ja das Material 1 mit der Geschwindigkeit v, welche identisch mit der Umfangsgeschwindigkeit u der beschichteten Walze 4 ist, bewegt. Die Brenndauer wird so gewählt, dass ein Loch der gewünschten Größe entsteht und muss sich nicht über die gesamte Länge 1 der Oberfläche 8 der Gegenelektrode 3 erstrecken.
• In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann ein mehrstufiger Brennprozess zur Anwendung kommen, wie er in dem deutschen Patent 101 09 100 C1 beschrieben ist, was insbesondere dann funktioniert, wenn sich bei dem bahnartigen Material um ein dielektrisches Material handelt. In diesem Fall wird zunächst eine Wechselspannung mit einer ersten Frequenz angelegt, welche im Bereich der Resonanzfrequenz des diese erzeugenden Schwingkreises mit Dielektrikum liegt, wodurch eine Corona-Entladung entsteht. Gleichzeitig wird eine elektrische Größe gemessen, deren Wert vom Vorhandensein des Dielektrikums, also des bahnartigen Materials zwischen den Elektroden 2 und 3 abhängt. Sodann wird die Frequenz der Wechselspannung auf eine zweite, im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ohne bahnartiges Material liegende Frequenz geändert, wenn sich die elektrische Größe um mehr als einen vorbestimmten Betrag geändert hat und schließlich wird die Wechselspannung nach Ablauf einer vorbestimmten, ab dem Ändern gemessenen Zeitspanne abgeschaltet. Hierdurch erzielt man der Vorteil, dass die eigentliche Brenndauer für das Loch exakt definiert werden kann und damit sehr gut reproduzierbare Löcher identischer Größe hergestellt werden können. Zu den Einzelheiten dieses Verfahrens wird auf den Inhalt der DE 101 09 100 C1 verwiesen, deren Offenbarung zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht wird.
• In einer stark vereinfachten Ausführungsform der Erfindung kann auch auf eine Taktung der Spannung verzichtet werden. In diesem Fall beginnt die elektrische Entladung, sobald sich eine Nadelelektrode 2 dem Beginn der Oberfläche 8 der Gegenelektrode 3 nähert und endet, sobald sie deren Oberfläche 8 wieder verlässt. Die Länge 1 der Gegenelektrode 8 in Transportrichtung 9 bestimmt dann in Verbindung mit der Transportgeschwindigkeit v die Dauer t der elektrischen Entladung.
• In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Spitzen der Nadelelektroden 2 geringfügig über die Oberfläche der Beschichtung 5 hinausstehen, wodurch zunächst ein mechanisches Punktieren des bahnartigen Materials 1 erfolgt und anschließend das elektrische Brennen des Loches.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Perforation eines bahnartigen Materials (1), welches zwischen mindestens einer Nadelelektrode (2) und einer Gegenelektrode (3) transportiert und dort einer elektrischen Entladung ausgesetzt wird, wobei die oder jede Nadelelektrode (2) auf einer kontinuierlich rotierenden Walze (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (4) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (5) versehen ist, deren Höhe (6) etwa der Höhe der Nadelelektrode (2) entspricht, und deren äußere Umfangsgeschwindigkeit (u) der konstanten Transportgeschwindigkeit (v) des Materials (1) entspricht, und die flächig ausgebildete Gegenelektrode (3) eine konkave Oberfläche (8) aufweist, deren Krümmungsradius etwa dem der Walze (4) entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (1) der Gegenelektrode (8) in Transportrichtung (9) in Verbindung mit der Transportgeschwindigkeit (v) die maximale Dauer (t) der elektrischen Entladung bestimmt.
3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (4) und damit die oder jede Nadelelektrode (2) geerdet sind und an der Gegenelektrode (8) eine hochfrequente Hochspannung (7) anliegt.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Beschichtung (5) aus keramischem Material oder aus Kunststoff, insbesondere Polycarbonat oder Teflon besteht.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen der Nadelelektroden (2) nicht von der Beschichtung (5) bedeckt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (6) der Beschichtung (5) geringfügig größer ist als die Höhe der oder jeder Nadelelektrode (2) und die Beschichtung (5) im Bereich der oder jeder Nadelelektrode (2) eine Ausnehmung (10) aufweist wodurch die Spitze der jeweiligen Nadelelektrode (2) frei liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet; dass die Höhe (6) der Beschichtung (5) geringfügig kleiner ist als die Höhe der oder jeder Nadelelektrode (2) wodurch das bahnartige Material (1) zusätzlich mechanisch durch die Nadelelektrode (2) punktiert wird.
8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (4) eine Vielzahl von Nadelelektroden (2) trägt, welche in mehreren axialen Reihen angeordnet sind und die Beschichtung (5) eine Rille entlang jeder Reihe aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Reihen größer ist als die Länge (1) der Gegenelektrode (4) in Transportrichtung (9).
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die elektrische Ladung erzeugende Spannung getaktet ist und die Dauer jedes Spannungstakts geringer ist als die Zeit, während der eine Nadelelektrode (2) der Oberfläche (8) der Gegenelektrode (3) gegenübersteht.