DE2830326A1

DE2830326A1 - Anordnung zum feinstperforieren folienartiger materialbahnen mittels hochspannungsimpulsen

Info

Publication number: DE2830326A1
Application number: DE19782830326
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Dip Schmidt-Kufeke
Original assignee: Schmidt Kufeke K P
Current assignee: Schmidt Kufeke K P
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1978-07-10
Publication date: 1980-01-24
Also published as: JPS5515198A; EP0007488A1; JPS5834278B2; US4278871A; EP0007488B1; DE2963578D1

Description

Anordnung zum Feinperforieren folienartiger Materialbahnen mittels Hochspannungsimpulsen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Feinstperforieren folienartiger Materialbahnen mittels Hochspannungs ^pulsen, bestehend aus einer eine Vielzahl von Nadeln umfassenden ersten Elektrode und einer von dieser gleichmäßig beabstandeten zweiten Elektrode als Gegen-elektrode, zwischen denen die Materialbahn hindurchläuft, und einer Schaltungsanordnung mit übertrager_e dessen Primärkreis zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses kurzer Dauer an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen wird und in dessen Sekundärkreis die, eine Funkenstrecke bildende erste und zweite Elektrode liegen.

Stand der Technik

Eine Anordnung der vorbeschriebenen Art ist durch die DE-PS 11 10 509 bekannt. Bei dieser insbesondere zur Erzeugung von Trennperforationen vorgesehenen Ausführung steht der aus einer Nadelreihe bestehenden ersten Elektrode eine sog» Linienelektrode gegenüber« Auf dieser liegt die zu perforierende Materialbahn auf. Alle Nadeln liegen parallel im Sekundärkreis eines Übertragers und werden gleichzeitig durch einen Hochspannungsimpuls kurzer Dauer erregt.

Im Primärkreis des Übertragers liegt in Reihe mit einem Thyratron ein Kondensator, der über einen Vorwiderstand aufladbar ist. Durch

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eine Ansteuerung des Thyratrons wird der Primärkreis geschlossen. Dabei entlädt sich der Kondensator über die Primärwicklung und erzeugt sekundärseitig einen dem übersetzungsverhältnis des Übertragers entsprechend hohen Spannungsimpuls. In der Zuleitung zu den Nadeln liegt ein Entladebegrenzungswiderstand.

Für eine exakte Feinstperforierung ist diese Anordnung nicht geeignet, da hfer eine völlig unkontrollierbare Verteilung des Spannungspotentials in Abhängigkeit vom partiellen Dielektrizitätsverhalten des zu perforierenden Materials an der Durchschlagstelle auftritt. Die Folge sind unterschiedlich große Perforationslöcher. Bei dichter Nadelreihe finden dabei oftmals mehrere benachbarte Entladungen durch ein und dieselbe Durchschlagstelle statt. Dieses führt zu einer Vergrößerung dieser einen Durchschlagstelle, während die benachbarten Stellen unperforiert bleiben. Die Perforierung ist daher sowohl im Abstand als auch in der Größe der Durchschlagstellen ungleichmäßig« Außerdem ist der mögliche Arbeitstakt dieser Schaltungsanordnung relativ langsam.

Einer Feinstperforierung werden insbesondere solche folienartigen Materialien unterzogen, die durch ihre Materialstruktur so dicht sind, daß sie von Haus aus keine oder eine geringe Atmungsaktivität haben. Dieses ist vor allem bei Kunststofffolien, Kunstleder, beschichteten Textilien oder dergl. der Fall. Für verschiedenste Verwendungszwecke, z. B. im Bekleidungssektor, wird von derartigen Materialien ein bestimmtes Maß an Wasserdampfdurchlässigkeit verlangt, wobei gleichzeitig ein hohes Maß an Wasserdichtheit gefordert wird. Die Viasserdampf durchlässigkeit ist im wesentlichen von

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der Anzahl der Perforationen pro Flächeneinheit und ihrer absoluten Größe abhängig» Die Wasserdichtheit wird dagegen durch die Größe der

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drei größten Löcher pro 100 cm Materialfläche bestimmt. Um den sehr hohen Normenvorschriften in dieser Beziehung zu entsprechen, muß eine gleichmäßige und dichte Perforierung bei kleinstem Perforationslochdurchmesser erreicht werden. Diesen Forderungen wird keine der bisher bekannten Feinstperforationsanordnungen gerecht, wie sie z. B. durch.die DE-PS 20 14 000 und die DE-OS P 21 45 048 bekannt sind. Schon allein eine flächenhaft ausgebildete Gegenelektrode und ein Anliegen der zu perforierenden Materialbahn an einer der Elektroden hat zur Folge, daß das sich vor dem Durchschlag aufbauende elektrische Feld zu großflächig ausbildet. Die zum Durchschlag benötigte Spannung wird daher höher und das Loch an der Durchschlagstelle entsprechend groß.

Aufgabe und Lösung '

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Anordnung zum Feinstperforieren von folienartigen Materialien zu schaffen, die bei geringerem Energieaufwand eine gleichmäßige und dichte Perforierung bei kleinsten Lochdurchmesser gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes auf.

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Vorteile

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine verkürzte Brenndauer der Entladungsfunken kleinere Perforationslöcher entstehen· Die dadurch gegenüber bekannten Anordnungen geringe Ozongas-Entwicklung bewirkt, daß keine bisher übliche Geruchsbelästigung auftritt, so daß auf Absauganlagen verzichtet werden kann. Durch die individuelle Beaufschlagung der einzelnen Nadelpaare mit einer auf das tatsächlich notwendige Maß reduzierten Ladung ist auch die Geräuschentwicklung beim Entladungsvorgang auf ein insgesamt erträgliches Maß reduziert. Es wird, eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit erzielt, ohne die vorgeschriebene Wasserdurchlässigkeitsgrenze zu überschreiten. Die Möglichkeit der berührungsfreien senkrechten Materialbahnführung vermeidet bei Folien mit empfindlicher Oberfläche Schäden, die beim Gleiten über eine feststehende Elektrode auftreten können.

Beschreibung der Erfindung

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den mechanischen Teil der Anordnung gemäß der Erfindung in schematischer Perspektivdarstellung.

Fig. 2 die Teildarstellung eines bei der Anordnung gemäß Fig. 1 als erste Elektrode verwendeten Nadelfeldes mit zugehöriger Anschlußplatte, teilweise geschnitten dargestellt.

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Fig. 3 die vergrößerte Darstellung der Einzelheit A der Fig. 2.

Fig. 4 die Draufsicht auf ein Nadelfeld gemäß der Erfindung.

Fig. 5 eine Erregerschaltung für ein Nadelpaar, wie sie zum Betrieb der Anordnung gemäß Fig. 1 bis 4 verwendet wird.

Fig. 6 das Blockschaltbild einer Steuerschaltung zur Anordnung gemäß Fig. 1 bis 5.

Mit der in den Zeichnungen Fig. 1 bis 4 dargestellten Anordnung wird in Verbindung mit den Schaltungsmaßnahmen gemäß Fig. 5 und 6 erreicht, daß die die Funkenentladung auslösende Elektronenkonzentration an der einen Elektrode auf eine zur Bildung der Ladungswolke notwendige Anzahl freier Elektronen beschränkt wird und daß durch die Erzielung eines englinigen elektrischen Feldverlaufs eine Konzentration der die Funkenentladung auslösenden Elektronenlawine bewirkt wird.

Die Begrenzung der zur Bildung der Ladungswolke notwendigen Elektronen erfolgt in einfacher Weise durch die unmittelbare räumliche Zuordnung eines hochohmigen Widerstandes in Reihe mit der Nadel, an der sich die Ladungsträgerkonzentration ausbildet. Die Konzentration des elektrischen Feldlinienverlaufs wird dadurch erreicht, daß sich nadeiförmige Elektroden gegenüberstehen und daß zwischen diesen Elektroden und der zu perforierenden Materialbahn beiderseits ein Mindest-Luftspalt besteht. Diese Maßnahme basiert auf folgender physikalischen Erkenntnis: Füllt ein Dielektrikum, das eine gegenüber Luft wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante hat, den Raum zwischen

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zwei Spitzen einer Entladungsstrecke vollständig aus_t so ist die zur Funkenentladung notwendige Spannung bei sonst gleichen Parametern größer als bei einem beidseitigen Luftspalt zwischen den Spitzen und dem Dielektrikum. Der Einfluß des dabei größeren Abstandes der beiden Spitzen ist wegen der gegenüber Luft wesentlich höheren Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums vernachlässigbar klein. Demgegenüber ist aber die Feldliniendichte des mit gleich hoher Spannung erzeugten elektrischen Feldes an der Oberfläche des Dielektrikums größer.

In den Zeichnungen Fig. 1 bis 4 sind die vorbeschriebenen Maßnahmen in eine konstruktive Lösung umgesetzt. Die schematische und unmaßstäbliche Perspektivdarstellung der Fig. 1 zeigt den mechanischen Teil der Anordnung. Die dargestellte Ausführung ist auf eine vertikale Führung der zu perforierenden Materialbahn 1 ausgelegt. Durch je ein oberhalb und unterhalb einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnetes Transportwalzenpaar 2 wird die Materialbahn 1 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit weitgehend berührungsfrei zwischen den beiden Elektroden hindurchgeführt. Durch die vertikale Anordnung wird ein Aufliegen auf einer der Elektroden vermieden, so daß darauf beruhende Oberflächenverletzungen empfindlicher Materialbahnbeschichtungen vermieden werden. Die beiden Elektroden bestehen aus über die Materialbahnbreite reichende, mehrreihige Nadelfelder 3 und 4, Fig. zeigt das Nadelfeld 3 in Rückansicht. Das Nadelfeld 4 ist in gleicher Weise ausgebildet, lediglich daß dort die Nadeln 9 spiegelbildlich zu denen des Feldes 3 angeordnet und auf die Nadeln 9 des Feldes 3 ausgerichtet sind. Die Nadelfelder 3 und 4 stehen mit ihren Frontseiten einander ortsfest und im Abstand von etwas mehr als der Ilate-

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rialbahndicke gegenüber. Jedes Nadelfeld 3 bzw. 4 ist mit einer steckbaren Anschlußeinheit 10 bzw. 11 versehen. Durch diese sind die in den Nadelfeldern 3 und 4 einander gegenüberstehenden Nadeln paarweise über Steuerleitungen 17 und 18 mit separaten Erregerschaltungen gemäß Fig. 5 verbunden.

Die Nadelfelder 3 und H bestehen in der Basis aus einer Isolierst offplatte 5, die im Abstand eines vorgegebenen Rasters (Pig. ¹I) von der Rückseite mit Bohrungen 7 versehen sind, wie Pig. 2 zeigt. Der Durchmesser der Bohrungen 7 ist so bemessen, daß ein Festsitz der später eingeführten Nadeln 9 gewährleistet ist. Wie Fig. 3 in der Vergrößerung der Einzelheit A von Fig. 2 deutlich zeigt, geht die jeweilige Bohrung 7 in eine Bohrung 8 mit kleinerem Durchmesser über. Der dadurch entstehende Absatz dient als Anschlag 7a für die Nadel 9. Dieser ist so angeordnet, daß die Spitze 9a der bis zur Anschlaglage eingeführten Nadel 9 etwa um die Hälfte des Nadeldurchmessers (Abstand s) von der Frontseite 5a der Isolierstpffplatte 5 zurücksteht.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, ragen die auf Anschlag eingeführten Nadeln 9 mit ihrem stumpfen Ende 9b aus der rückwärtigen Fläche der Isolierstoffplatte 5 heraus. Mit diesen Nadelenden korrespondieren Steckbuchsen 16, in den Anschlußeinheiten 10 und 11. Diese Einheiten 10 und 11 dienen, wie bereits erwähnt, zum paarweisen Anschluß der Nadeln 9 an Erregerschaltungen gemäß Fig. 5. Die zeichnerisch nicht dargestellte Anschlußeinheit 11 ist lediglich mit Steckbuchsen 16 versehen, die mit je einer Steuerleitung 18 elektrisch verbunden sind. Die Anschlußeinheit 10 besteht dagegen aus einem etwas tieferen Gehäuse 12, in dem in Ausrichtung auf die Nadelenden 9b runde Wider-

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stände l4 in der Bodenfläche 12 a und in einer Zwischenwand 12b gehaltert sind. Diese, beispielsweise einen hohlen Keramikkörper 15 als Schichtträger aufweisende Ausführung eines Widerstandes ist mit metallischen Anschlußkappen l*ta versehen. Während die oberen Kappen mit je einer Steuerleitunp, 17 in Verbindung stehen, sind die unteren Kappen mit einer Steckbuchse 16 versehen, die in den Hohlraum 15a des Keramikkörpers 15 ragt. Dadurch ist eine optimal kurze und einfach lösbare Verbindung zwischen einer Nadel 9 und dem zugehörigen Widerstand 14 gegeben.

Fig. ¹J zeigt die Rückansicht des Nadelfeldes 3 mit einer sich an der Vorderseite in Pfeilrichtung vorbeibewegenden Materialbahn 1, Vfie die Zeichnung erkennen läßt, sind die Nadeln 9 in vier Reihen I bis IV in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Den gleichen Abstand haben auch die Reihen I bis IV untereinander. Diese Abstände sind entsprechend der Reihenanzahl viermal so groß wie der gewünschte Perforationslochabstand r. Außerdem sind die Reihen I bis IV untereinander um jeweils einen Perforationslochabstand r seitlich versetzt. Diese zueinander versetzte, mehrreihige Anordnung der Nadeln 9 erlaubt eine gruppenweise FoIgeansteuerung der auf den Schräglinien liegenden Nadeln 9 aller Reihen. Bei einem gleichzeitigen kontinuierlichen Vorschub der Materialbahn 1 wird nach und nach die Perforation im vorgesehenen Raster mit einer gewissen Tiefenstaffelung zusammengesetzt. Wie nachfolgend noch näher beschrieben ist, ergibt sich bei einer Taktzeit von 1,5 ms und einer Materialfcahnvorschubgeschwindigkeit von 10 m/min, ein Perforationsraster

von 2,5 mm

mit einem Perforationslochabstand r/in beiden Richtungen. Durch Verändern der Vorschubgeschwindigkeit der Materialbahn 1 ist der Reihenabstand variierbar,

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Wie bereits erwähnt ist für jedes der einander in den Nadelfeldern 3 und 4 gegenüberstehenden Nadelpaare 9 eine Erregerschaltung gemäß Fig. 5 vorgesehen. Diese besteht aus einem Zündtrafo Tr, der primärseitig über einen Schalttransistor T an einer Gleichspannungsquelle liegt. Die Nadeln 9 und der Widerstand 14 sind über die Steuerleitungen 17 bzw. 18 an die hochübersetzte Sekundärwicklung des Zündtrafos Tr angeschlossen. Mit einer Ansteuerung des Transistors T öffnet dieser. Im Primärkreis des Trafos Tr fließt ein Strom, der aufgrund der Wicklungsinduktivität erst nach einer gewissen Zeit seinen Endwert erreicht. Die dabei sekundärseitig induzierte Spannung reicht nicht zur Zündung aus. Mit dem Ende der impulsförmigen Ansteuerung wird der fließende Strom plötzlich unterbrochen. Die Folge ist eine sehr hohe Selbstinduktionsspannung, die sekundärseitig die erforderliche hohe Zündspannung hervorruft, die die Funkenentladung zwischen den beiden Nadeln 9 verursacht, die bei einem zwischen den Nadeh 9 befindlichen folienartigen Material im Durchschlag ein mikroskopisch kleines Perforationsloch erzeugt,

Um die in Verbindung mit Fig. 4 beschriebene Folgeansteuerung zu ermöglichen, ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die in schematischer Blockdarstellung in Fig. 6 aufgezeigt ist. Die Schaltung ist auf vierrelhige Nadelfelder 3/4 zu je einhundertfünfzig Nadeln pro Reihe I bis IV ausgelegt. Die Reihen IMs IV sind in fünfzehn Gruppen Gl b.is G15 zu je 4 χ 10 Nadeln 9 unterteilt. Die Erregerschaltungen (Fig. 5) der in der Zählfolg» gleichen Nadelpaare 9 aller Reihen I bis IV sind zu Steuereinheiten El bis ElO zusammengefaßt. Diese sind an einen Ringzähler RZ angeschlossen, der seinerseits

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durch einen Taktgenerator TG fortgeschaltet wird. In dem vorerwähnten Zeittakt von Iß as werden die in den einzelnen Steuereinheiten El bis ElO zusammengefaßten Erregerschaltungen einheitenweise nacheinander über den Ringzähler RZ angesteuert und damit die zugehörigen Funkenstrecken in der vorbeschriebenen V/eise aktiviert.

3 Blatt Zeichnungen

Claims

Klaus-Peter Schmidt-Kufeke, Dipl.-Phys. 7500 Karlsruhe 1

Gerhard Feld, Dr·-Ing.
85OI Eckenthal

Patentansprüche

j 1,^Anordnung zum Feinstperforieren folienartiger Materialbahnen ^— mittels Hochspannungsimpulsen, bestehend aus einer eine Vielzahl von Nadeln umfassenden ersten Elektrode und einer von dieser gleichmäßig beabstandeten zweiten Elektrode als Gegenelektrode, zwischen denen die Materialbahn hindurchläuft, und einer Schaltungsanordnung mit übertrager, dessen Primärkreis zur Erzeugung eines Hochspannungsircpulses kurzer Dauer an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen wird uni in dessen Sekundärkreis die, eine Funkenstrecke bildende erste und zweite Elektrode liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode eine gleiche Vielzahl von Nadeln (9) wie die erste Elektrode umfaßt, wobei die Nadeln beider Elektroden paarweise aufeinander ausgerichtet sind, daß die Spitzen (9a) der Nadeln (9) stets einen Mindestabstand von der zu perforierenden Materialbahn (1) haben und daß die Nadeln (9) der ersten Elektrode mit ihrem stumpfen Ende (9b) direkt in leitender Verbindung mit je einem hochohmigen Widerstand (I¹I) stehen.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (14) alle gleiche technische Werte haben.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Nadelpaar (9) ein Zündtrafo (Tr) mit hohem Übersetzungsverhältnis zugeordnet ist.
¹J. Anordnung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Zündtrafos (Tr) primärseitig an eine Niedervolt-Gleichstromquelle angeschlossen sind, daß jeder primäre Stromkreis über einen Transistorschalter (T) steuerbar ist und daß die Ansteuerung der Transistoren über einen durch einen Taktgenerator (TG) gesteuerten elektronischen Verteiler (RZ) erfolgt.
5, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode ein quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn (1) angeordnetes, über die Materialbahnbreite reichendes, mehrreihiges Nadelfeld (3) ist, daß die Gegenelektrode ebenfalls ein mehrreihiges Nadelfeld (H) ist, dessen Nadeln (9) in spiegelbildlicher Anordnung auf die des Nadelfeldes (3) ausgerichtet sind, daß die beiden Nadelfelder (3 und ¹J) einander ortsfest um etwas mehr als die Materialbahndicke gegenüberstehen und daß in Bewe-• gun^gsrichtung der Materialbahn (1) vor und hinter den Nadelfeldern (3 und 4) je ein Transportwalzenpaar (2) angeordnet ist.

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6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Nadeln (9) in den Nadelfeldern (3 und ¹O sowohl innerhalb der Reihen (I bis IV) als auch von Reihe zu Reihe gleich dem der Anzahl der Reihen (I bis IV) entsprechenden Vielfachen des gewünschten Perforationslochabstandes (r) sind und daß die Nadelreihen (I bis IV) untereinander um jeweils einen Perforationslochabstand (r) seitlich versetzt sind·
7. Anordnung nach Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der einzelnen Nadelpaare (9) gruppenweise erfolgt, wobei Jede Gruppe (Gl bis G15) einen gleich großen Abschnitt aller Reihen (I bis IV) umfaßt und daß Jeweils die innerhalb der Gruppen (Gl bis G15) in der Zählfolge gleichen Nadelpaare (9) aller Reihen (I bis IV) gleichzeitig mit einem Impuls beaufschlagt werden.
8. Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet« daß die Basis der Nadelfelder (3 und ²O eine Isolierstoffplatte (5) ist, in der die Nadeln (9) in Bohrungen (7) fest angeordnet sind, daß der Durchmesser der Bohrungen (7) im Bereich der Nadelspitze (9a) stufenartig verringert ist (Bohrung 8) und daß diese Verjüngung einen Anschlag (7a) für die Jeweilige Nadel (9) bildet,

- der so angeordnet ist, daß die Nadelspitze (9a) um etwa die Hälfte des Nadeldurchmessers (Abstand s) von der Planfläche (5a) der Isolierstoffplatte (5) zurücksteht.

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9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln (9) mit ihrem stumpfen Ende (9b) aus der rückwärtigen

Fläche der Isolierstoffplatten (5) herausragen und daß mit entsprechend angeordneten Buchsen (16) bestückte Anschlußplatten (10 und 11) vorgesehen sind, die auf die aus den Isolierplatten herausragenden Nadelenden (9b) aufsteckbar sind.

10, Anordnung nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchsen (16) der Anschlugt te (10) für das Nadelfeld (3) der ersten Elektrode mit elektrischen Widerständen (1*0 kombiniert sind,

11, Anordnung nach Anspruch 10 bei Verwendung von Schichtwiderständen mit Keramikkörper,die an den Enden mit metallischen Anschlußkappen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Anschlußkappen (I²Ia) als Steckbuchse (16) ausgebildet ist,

12, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadelfelder (3 und ¹I) und die Transporteinrichtung (Walzenpaare 2) einander in vertikaler Richtung zugeordnet sind.

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