DE2114483C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Stapelfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden von Kabeln aus Filamenten oder von Faserbändern aus künstlichem oder natürlichem Material.

Die neuesten Produktionsverfahren zum Herstellen von Kunst- oder synthetischen Filamenten erlauben eine sehr hohe Austragsgeschwindigkeit von Kabeln aus Filamenten zu erhalten, die sich in der Größenordnung von Hunderten von Metern in der Minute bewegen. Nachdem zur Herstellung der Stapelfaser die Filamente in sehr kurze Stücke abzulängen sind (in der Längenordnung von 40 mm für den sog. »Baumwollschnitt« und 70—90 mm für den »Wollschnitt«), kann die Schnitthäufigkeitszahl sehr hohe Werte annehmen, mitunter viele Tausende Schnitte pro Minute, somit mehrere Hunderte in der Sekunde.

Bei bisher üblichen Verfahren wird das Ablängen der Filament-Faserbänder mittels mechanischer Mittel vollzogen. Die mechanischen Systeme sind besonders kompliziert und es fällt schwer, mit diesen die von der modernen Produktionsweise der Filamente bedingten Geschwindigkeitsschnittfrequenzen zu bewältigen, zumal zu erwarten ist, daß die Produktionsgeschwindigkeiten noch mehr zunehmen werden. Die Kunstfasern und insbesondere die synthetischen können zudem eine beträchtliche Härte aufweisen, die zu einem baldigen Stumpfwerden der Schneidkanten der Klingen und Messer führt, so daß deren Verschleiß ein häufiges Auswechseln der Schneidwerkzeuge erfordert, was ein Abstellen der Schneidmaschine notwendig macht. Die Klingen der Messer können außerdem einen zusätzli-

chen Verschleiß durch das Vorhandensein saurei Substanzen in den Filamenten bei Verspinnung vor Rayon oder regenerierter Zellulose erfahren.

Ferner ist der Einsatz von Laserstrahlen zurr Schneiden von Geweben aus »CO2 Application« Coherent Radiation Laboratory Brochure, Sept. 1969 »Introduction of Gas Jet Laser Cutting«, von M. J. Adam, Metal Construction British Welding Journal, Jan. 1970, S. 1 —8, und »Einsatz von CO?-Lasern in der Textilindustrie«, von F. W. W a 11 e r. Chemi .fasern 6, 196$, S. 457 bis 46.2, bekannt. Insbesondere aus dem letzten Aufsatz ist zu entnehmen, daß die Laserstrahlen ein lokalisiertes Schmelzen der Fasern und damit ein lokalisiertes Verschweißen der geschnittenen Ränder der synthetischen Fasern verursachen.

Das Ablängen von Fasern mittels Laserstrahlen ist jedoch nicht bekannt Hierbei stellen sich besondere Probleme, da die Geschwindigkeit der Speisung sehr hoch ist und damit die zum Ablängen zur Verfügung stehende Zeit außerordentlich kurz bemessen ist. Außerdem muß ein Zusammenkleben der kurzen Fasern verhindert werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, die mit großer Geschwindigkeit zugeführten Faserbänder mittels Laserstrahlen abzulängen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einer thermischen Trennung der Faserbänder oder der vorher eingereihten und in Form von Kabeln vereinigten Filamenten durch einen mittels Impulsen gesteuerten Laserstrahl in Form eines flachen Lichtbündels, der durch im wesentlichen rechteckige Fenster fokussiert wird, wobei das größere Seitenmaß der Fenster größer ist als die Breite des Kabels bzw. des Faserbandes, dessen Maß in der Größenordnung von Mikrons geringer ist, und sich die Fokussierung in Übereinstimmung mit dem zwischen den Impulsen zeitmäßig vorrückenden Faserband bzw. Kabel entsprechend der Faserlänge und der Impulsdauer von einer Tausendstel Sekunde oder kleiner vollzieht.

Die mit dem Durchlauf der Fenster synchronisierten Laserimpulse lassen sich durch einen Generator mit kontinuierlicher Ausstrahlung erhalten, in dem dieser längs der Strahlenstrecke mit einem geeigneten Unterbrechersystem geschaltet wird, so z. B. mit einer sich drehenden zweckdienlich gelochten oder mit Fenstern versehenen Scheibe, oder vorzugsweise einem mit der Schnittperiode synchronisierten und gleichgeschalteten Generator, und zwar mit einer Frequenz -f- =

Bundvorschubgcschwindigkcil
Schnitllängc (Faser)

wobei der Synchronismus selbstverständlich so vorbestimmt sein muß, damit der Impuls des fokussierten Strahls das Band im selben Augenblick trifft, in dem am Vorschubsystem ein Fenster frei liegt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß die Faserbänder mit hoher Geschwindigkeit zugeführt werden können und daß bei synthetischen Materialien kein gegenseitiges Verschweißen der Fasern stattfindet, obwohl diese beim Schneiden eng aneinanderliegen.

In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Laserstrahlquelle angewandt, die Ausstrahlungen mit einer Wellenlänge gleich jener eines der Absorpiionsbänder des Polymer, aus denen die zu schneidenden Filamente bestehen, dabei vorzugsweise das markanteste Absorptionsband, vornimmt. Dabei ist zu beachten, daß diese Bänder im allgemeinen sehr jingeschränkt sind. Es wurde festgestellt, daß Änderungen der Laser-Wellenlängen auch bei Bruchteilen von Mikron die Schneidleistung spürbar beeinträchtigen Können. Verfügt man dagegen über einen Laserstrahl mit der Wellenlänge entsprechend dem markantesten Absorptionsband des Polymers, so ist der Schnitt mit höchster Geschwindigkeit durchführbar, ohne daß ein schädliches Kleben der Fasern befürchtet werden muß.

Vorzugsweise wird das zu schneidende Band mit einer Atmosphäre umgeben, die geeignet ist, eine Oxydation durch die Schneidehitzebeeinflussung an der vom Laserstrahl fokussierten Stelle zu verhindern.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden von Kabeln aus Filamenten oder von Faserbändern aus künstlichem oder natürlichem Material, die mit konstanter Geschwindigkeit vorrücken, sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Laser-Generator mit einem an sich bekannten Fokussiersystem verbunden wird, welches in der Lage ist, den Strahl in einer vorherbestimmten Brennweite zu fokussieren, und zwar in der Gestalt eines flach erweiterten Lichtbündels, das sich in einem Fenster mit rechteckigem Schnitt konzentriert, wobei das größere Seitenmaß einige Mikrons breiter ist als die Breite des zu schneidenden Faserbandes oder Kabels, und das Faserband bzw. Kabel mittels einer Vorschubeinrichtung rechtwinklig zur Strahlungsrichtung geführt wird und durch den fokussierten Laserstrahl durchgeschnitten werden kann.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 6 bis 9 enthalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung werden anhand der Zeichnungen nachstehend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Vorrichtung in ihrer Gesamtheit,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab die Einzelheit der Vorrichtung einschließlich der Schneidzonen.

In der dargestellten Ausführungsform umfaßt die insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung einen Laser-Generator, der aus dem mit 12 bezeichneten Fenster mit einem Durchmesser von einigen Millimetern in der gestrichelten Richtung einen Laserstrahl 14 ausstrahlt. Der Generator wird mit geeigneten bekannten Fokussierungssystemen, die daher in der Figur nicht eigens angeführt sind, verbunden, welche in der Lage sind, den Strahl in einer vorbestimmten Brennweite zu fokussieren oder zu konzentrieren, und zwar in der Gestalt eines flach erweiterten Lichtbündels, das sich in einem Ausschnitt oder Fenster 16 mit rechteckigem Schnitt konzentriert, wobei die größeren Seitenmaße vorsichtshalber einige mm über der Bandbreite des zu schneidenden Faserbandes 18 gehalten sind.

Das Faserband 18 wird mit linearer Zuspeisungsgeschwindigkeit V zwischen zwei gegenlaufenden Laufbändern 20 und 22 mit in Richtung des Laserstrahls 14 rechtwinklig parallelen Bahnen geführt. Die Laufbänder laufen in Richtung und mit V entsprechender linearer Geschwindigkeit über Bandscheibenpaare 24, 26 bzw. 28, λΟ, wovon wenigstens eine Bandscheibe der Paare als angetriebene Scheibe gilt. Die Laufbänder 20 und 22 sind mehr oder weniger Metallbänder und liegen so auf, daß sie parallel naheliegende Laufbänder 20 bzw. 22 in

geeignetem Abstand bilden, um untereinander das Faserband 18 für einen Schnitt in günstiger flacher Lage zu halten.

Dabei verfügt das Laufband 20 über eine Mehrzahl von Öffnungen 32, vorsichtshalber in größerer Breite und Höhe des Fensters (6 für die Fokussierung des Laserstrahls, und untereinander in zeitmäßigen Abständen D gleich der gemeinsamen Teilung der Stapelfaserlängen, in welche die Filamente des Faserbandes 18 geschnitten werden.

Die Vorrichtung wird in der Weise gebaut, daß die vertikalen Bahnen des Laufbandes 20, die sich in Gegenrichtung bewegen, bei ihrem Durchzug in Höhe des Laserstrahles 14 die Öffnungen 32 gleichzeitig vorweisen. Gleichzeitig wird der impulsgesteuerte Laserstrahl 14 (oder unterbrochene) in vollkommener Übereinstimmung mit dem Durchgang der öffnungen 32 abgegeben. Die Schnittfläche des Faserbandes 18 liegt zwischen den sich genäherten Laufbändern in der Höhe des durch das Fenster 16 gradlinig fokussierten Laserstrahls 14 gegenüber.

Werden unter diesen Bedingungen die Aufrichtung, Fokussierung und Synchronisierung vorgenommen, so trifft der bei 16 fokussierte Laserstrahl 14 das Faserband in Richtung zu den geöffneten Teilen der genannten Öffnungen 32 und verursacht den klaren Schnitt mit geringster Höhe gerade durch die minimale Höhe des Fensters 16 sowie die Fokussierung des Strahles be ganz geringer Impulsdauer.

Werden die Laserimpulsc bei einer Durchgangsfre quenz der Öffnungen 32 fokussiert, so werden die Filamente des Faserbandes 18 selbstverständlich mi einer Faserlänge Din Stapelfaser zerschnitten. Wünsch man noch längere Fasern zu erhalten, die gleich einen Mehrfachen von D sind, so werden die Impulse zu cinei Frequenz synchronisiert, wobei jedem Durchgang eir entsprechendes Mehrfaches der öffnung 32 erhalter wird.

Der von der Verflüchtigung der Filamente de: Faserbandes 18 überschüssige Energierückstand kanr von dem dahinterliegenden Laufband 22 absorbier werden. Damit dieser erst keine Beschädigung erfährt kann auch das Laufband 22 mit Fenstern versehei werden und in der Verlängerung zur Richtung de: Laserstrahles 14 kann eine zweckmäßig gekühlt« Blende zwecks Absorpierung der Energierückständi angebracht werden.

Die Vorrichtung wird durch an eine geeignete unc unter Druck stehende Stickstoffquelle angeschlossen« Vorrichtung 34 vervollständigt, welche über Schlitzdü sen 36 und 38 verfügt, mittels welcher gegen da: Faserband 18 über und unter der vom Laserstrah bestrichenen Schnittlinie eine Stickstoffsprühung ausge führt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden von Kabeln aus Filamenten oder von Faserbändern aus künstlichem oder natürlichem Material, gekennzeichnet durch eine thermische Trennung der Faserbänder (18) oder der vorher eingereihten und in der Form von Kabeln (18) vereinigten Filamenten durch einen mittels Impulse gesteuerten Laserstrahl (14) in Form eines flachen Lichtbündels, der durch im wesentlichen rechteckige Fenster (16) fokussiert wird, wobei das größere Seitenmaß des Fensters (16) größer ist als die Breite des Kabels bzw. des Faserbandes (18), dessen Maß in der Größenordnung von Mikrons geringer ist und sich die Fokussierung in Übereinstimmung mit dem zwischen der Impulsen zeitrnäßig vorrückenden Faserband bzw. Kabel (18) entsprechend der Faserlänge und der Impulsdauer von einer tausendstel Sekunde oder kleiner vollzieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Vorschub des Faserbandes bzw. Kabels (18) mit konstanter Geschwindigkeit zwischen gegenläufigen Laufbändern (20, 22), die das Faserband bzw. Kabel (18) führen und bei ebenfalls gleicher Zuspeisungsgeschwindigkeit mitnehmen, und wenigstens eines dieser gegenläufigen Laufbänder (20) den Längen oder Maßen der zu enthaltenden Fasern entsprechenden Abständen Öffnungen (32) aufweisen, durch die die auf das Faserband bzw. Kabel (18) fokussierten Laser-Impulse für die Dauer einwirken, in der sie die Öffnungen (32) durchstrahlen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl (14) verwendet wird, dessen Wellenlänge jenem des hauptsächlichen Absorptionsbandes des Polymers, aus dem die zu schneidenden Filamente bestehen, weitestgehend entspricht.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserband bzw. Kabel (18) mit einer Atmosphäre umgeben wird, die geeignet ist, eine Oxidierung durch die Schneidehitze-Beeinflussung an der vom Laserstrahl (14) fokussierten Stelle zu verhindern.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen von Stapelfasern durch Schneiden von Kabeln aus Filamenten oder von Faserbändern aus künstlichem oder natürlichem Material, die mit konstanter Geschwindigkeit vorrücken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lasergenerator (10) mit einem an sich bekannten Fokussiersystem verbunden wird, welches in der Lage ist, den Strahl in einer vorherbestimmten Brennweite zu fokussieren, und zwar in der Gestalt eines flach arbeitenden Lichtbündels, das sich an einem Fenster (16) mit rechteckigem Schnitt konzentriert, wobei das größere Seitenmaß einige Mikrons breiter ist als die Breite des zu schneidenden Faserbandes oder Kabels (18), und das Faserband bzw. Kabel (18) mittels einer Vorschubeinrichtung rechtwinkelig zur Strahlungsrichtung geführt wird und durch den fokussierten Laserstrahl durchgeschnitten werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Unterbrechersystem zur Aussendung und Unterteilung des fokussierten Laserstrahls (14) mittels Impulse von der Dauer innerhalb einer tausendstel Sekunde.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubeinrichtung aus gegenläufigen, parallelen und anliegenden Laufbändern (20, 22) besteht, die mit gleicher Geschwindigkeit wie der Faserband- bzw. Kabelvorschub laufen und das Kabel bzw. Faserband (18) mitnehmen und dieses dabei die Fokussierungsebene

ι ο des Laserstrahls passiert, wobei wenigstens eines der Laufbänder (20) Öffnungen (32) besitzt, deren Abmessungen größer sind als jene des Fensters (16) für den fokussierten Strahl (14) und deren Abstände der Länge oder Unterlänge der so erhaltenen

i) Faserlänge entsprechen, und die Impulse mit dem Durchzug der Öffnungen (32) durch die Zone der Laserstrahlrichtung synchronisiert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (10) und der Laserstrahl-Fokussierer sowie die Bandvorschubeinrichtung derart angeordnet sind, daß die Bahnen des Laufbandes (20) bei ihrem Durchzug in Höhe des Laserstrahls (14) die Öffnungen (32) gleichzeitig vorweisen.

9. Vorrichtung entsprechend einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (34), welche über Schlitzdüsen (36 und 38) verfügt, zum Ausblasen von Stickstoff oder anderen Inertgasen vorhanden ist, um eine

m Oxydierung des geschnittenen Materials in allernächster Nähe oberhalb und unterhalb der vom Laserstrahl fokussierten Stelle zu verhindern.