DE3321800C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Perforieren von Artikeln der tabakverarbeitenden Industrie mit einem Laser als Strahlungsquelle für energiereiche, kohärente Strahlung, mit Fördermitteln zum Fördern der zu perforierenden Arti­ kel in den Strahlengang des Lasers und mit Mitteln zum Aus­ richten der vom Laser ausgehenden Strahlung auf die zu per­ forierende Partie der Artikel.

Unter Artikeln der tabakverarbeitenden Industrie sollen im hier vorliegenden Zusammenhang alle die Artikel verstanden werden, die im Zuge der Herstellung von rauchbaren Artikeln mit einer Perforation versehen werden. Solche Artikel sind also Hüllmaterialstreifen zum Umhüllen von Tabaksträngen oder Filtersträngen, Belagpapierstreifen, Belagpapierblätt­ chen, Zigaretten, Filterzigaretten, Filterstäbe usw.

Durch die Perforation des Hüllmaterials von Zigaretten bzw. Zigarettenfiltern können diese mit einer Zone gewünschter Luftdurchlässigkeit versehen werden, wodurch der Gehalt von Nikotin und Kondensat im Rauch von Zigaretten oder ähnlichen rauchbaren Artikeln beeinflußt werden kann. Zur Perforation von Hüllmaterial für Filter und Zigaretten ist es bekannt, sich der Strahlung eines Lasers zu bedienen (DE-OS 27 51 522). Die von dem Laser ausgehende kohärente Strahlung ergibt eine sehr genaue und konstante Zone gewünschter Luftdurchlässig­ keit der Umhüllung der Rauchartikel.

Die Herstellung von Filterzigaretten erfolgt auf modernen Produktionsmaschinen gewöhnlich paarweise, d. h. vom her­ gestellten Zigarettenstrang werden Doppelstäbe abge­ schnitten, aus ihrer längsaxialen in eine queraxiale Bewe­ gungsrichtung umgelenkt, in Einzelstäbe zertrennt und axial auseinandergeschoben, so daß zwischen die Einzel­ stäbe Filterabschnitte eingelegt werden können. Die Ziga­ rette-Filter-Zigarettegruppen werden mittels eines Belag­ blättchens miteinander verbunden, so daß eine doppeltlange Filterzigarette entsteht, die schließlich in Einzelziga­ retten zertrennt wird. Sollen nun die Zigaretten mit einer Zone gewünschter Luftdurchlässigkeit versehen werden, so ist es zweckmäßig, den die einzelnen Tabakstäbe mit dem Filterabschnitt verbindenden Belagpapierstreifen oder die verbundenen Doppelzigaretten mit zwei parallelen Perfora­ tionsspuren zu versehen. Da gewöhnlich jede Perforations­ spur aus mehreren Lochreihen besteht, wird die von dem Laser ausgehende Strahlung mehrfach geteilt. Ein Strahl­ teiler, der das leistet, ist in der DE-OS 31 14 603 beschrieben. Obwohl mit diesem Strahlteiler sehr gute Ergebnisse erzielt werden, ist er insofern noch nicht ganz befriedigend, als er wegen der doppelten Strahltei­ lung relativ hohen Aufwand für die Fertigung und die Justierung der optischen Systeme erfordert.

Bei einer Perforiereinrichtung dieser Art ist eine exakte Strahlteilung unerläßlich, um Produkte mit gleichen Eigen­ schaften zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun­ de, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzu­ geben, welche es gestattet, die vom Laser abgegebene Strahl­ energie möglichst exakt auf die verschiedenen gleichzei­ tig zu perforierenden Partien der Artikel zu verteilen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Laser mindestens zwei miteinander gekoppelte Resona­ toren aufweist, daß die Resonatoren des Lasers parallel zueinander angeordnet und an einem Ende so miteinander verbunden sind, daß ein etwa U-förmiger Resonatorraum ge­ bildet wird, daß an den miteinander verbundenen Enden der Resonatoren für die optische Kopplung Umlenkmittel eingesetzt sind und daß an den freien Enden beider Reso­ natoren zur Erzeugung zweier Nutzstrahlen teildurchlässige Spiegel angebracht sind. Die Verwendung zweier mittels optischer Reflektoren gekoppelter Resonatoren bewirkt eine Polarisierung der Laserstrahlung, die, wie festgestellt wurde, aus diesem Grund mit relativ geringem optischen Aufwand präzis in mehrere Strahlen aufgeteilt werden kann. So können in mehreren Reihen sehr gleichmäßige Perfora­ tionen erzeugt werden.

In Fortführung der Erfindung sind jedem Laserausgang optische Umlenkmittel zum Führen des Laserstrahls und eine Optik zum Fokussieren des Laserstrahls auf die zu perforierende Partie der Artikel zugeordnet. Sollen in jeder Perforationsspur mehrere Lochreihen erzeugt werden, so sind gemäß der Erfindung jedem Laserausgang wenigstens ein Strahlteiler, optische Umlenkmittel zum Führen des Laserstrahls und der Teilstrahlen und Optiken zum Fokus­ sieren der Strahlen auf die zu perforierende Partie der Artikel zugeordnet. Gemäß der Erfindung ist für jede Per­ forationsspur nur noch ein Strahlteiler erforderlich, um mehrere Lochreihen in jeder Perforationsspur zu er­ zeugen. Der optische Aufwand für die Strahlteilung ist daher erheblich reduziert. Sollen wenigstens zwei Perfo­ rationsspuren erzeugt werden, so ist in der Regel dafür zu sorgen, daß beide Perforationsspuren denselben Perfo­ rationsgrad bewirken, d. h. daß die Perforationen in beiden Perforationsspuren im wesentlichen gleich sind. Aus diesem Grund ist gemäß der Erfindung weiter vorgesehen, daß zur Erzeugung von mindestens zwei Perfo­ rationsspuren mit je wenigstens zwei Lochreihen in der zu perforierenden Partie der Artikel die jedem Laserausgang zugeordneten Strahlteiler, optischen Umlenkmittel und Optiken derart ausgebildet und angeordnet sind, daß jeder Nutzstrahl in jeder Perforationsspur wenigstens eine Lochreihe erzeugt.

Zum Perforieren eines bewegten Materialstreifens, wie bei­ spielsweise eines Belagpapierstreifens, ist die Vorrich­ tung nach der Erfindung einer Streifenführung zugeordnet. Sollen stabförmige Artikel, wie z. B. Doppelzigaretten, perforiert werden, so ist die Vorrichtung einem stabför­ mige Artikel fördernden Querförderer zugeordnet.

Als Laser ist gemäß der Erfindung in erster Linie ein CO₂-Gaslaser vorgesehen, da dieser eine für den vorge­ sehenen Verwendungszweck in einem optimalen Energiebe­ reich liegende Laserleistung erbringt. Die hier erforder­ liche Laserleistung liegt im Bereich von ca. 50 Watt bis ca. 400 Watt. Im Bedarfsfall können diese Laserleistungen jedoch auch über- bzw. unterschritten werden. Eine gemäß der Erfindung bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung besteht darin, daß die Resonatoren des Lasers als Resona­ torröhren ausgebildet sind, daß jede Resonatorröhre einen Mittelanschluß und zwei Endanschlüsse aufweist und daß an den Mittelanschluß eine Gaszuleitung und an die Endan­ schlüsse Gasaustrittsleitungen angeschlossen sind. Jede Resonatorröhre ist mit einer Mittelelektrode und zwei End­ elektroden bestückt, wobei zwischen der Mittelelektrode und den Endelektroden je eine in der Perforationsfrequenz gepulste Hochspannungsquelle liegt. Jede Resonatorröhre weist also zwei Entladungsstrecken auf. Dadurch ist gewähr­ leistet, daß der Laser bei jedem Hochspannungsimpuls sicher zündet.

Sogenannte "gefaltete" Laser, auch gefaltete CO₂-Gaslaser, sind an sich bekannt (z. B. DE-OS 25 28 467). Diese Laser geben jedoch nur jeweils einen Nutzstrahl ab, der auch ungeteilt zur Bearbeitungsstelle geführt wird. Das Problem der exakten Strahlteilung liegt bei diesen Lasern nicht vor. Durch die DE-AS 15 64 779 ist ein Riesenimpulslaser mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium (Rubin) bekannt, der zwei Nutzstrahlen abgibt, um das Risiko von Materialzusammenbrüchen trotz hoher Ausgangsleistung des Lasers herabzusetzen. Die beiden Teilstrahlen werden zu einem Nutzstrahl vereinigt. Auch hier besteht das Problem einer exakten Strahlteilung nicht. Der Stand der Technik gibt daher keine Hinweise auf den vorliegenden Erfindungs­ gegenstand.

Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine exakte Aufteilung der Laserstrahlung auf mehrere Perfora­ tionsspuren ermöglicht bzw. erleichtert wird. Dies beruht im wesentlichen darauf, daß der verwendete "gefaltete" Laser polarisierte Laserstrahlung abgibt, die eine exaktere Strahlteilung ermöglicht. Auch die Erzeugung zweier Nutz­ strahlen mit dem gefalteten Laser verbessert die Strahl­ teilung, weil jeder Nutzstrahl nur die halbe Laserenergie führt. Dadurch ergibt sich eine Herabsetzung der Bean­ spruchung der optischen Strahlteilungs-, führungs- und -fokussierungsmittel. Das setzt gleichzeitig den Aufwand für die optische Strahlführung erheblich herab. Der Laser hat nach der Erfindung trotz hoher Strahlungsenergie nur einen relativ geringen Raumbedarf, da die miteinander gekoppelten Resonatoren parallel zueinander angeordnet sind. Durch diese Ausbildung des Lasers ergibt sich gleichzeitig eine sehr kompakte Bauweise der ganzen Perfo­ riervorrichtung. Die Hintereinanderschaltung mehrerer Laser erlaubt die Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von Lochreihen ohne hohen optischen Aufwand. So können mit zwei Lasern vier Lochreihen perforiert werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vor­ richtung nach der Erfindung,

Fig. 1a einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vor­ richtung nach der Erfindung mit Streifen­ führung in Draufsicht und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Vor­ richtung nach der vorliegenden Erfindung. Ein Material­ streifen 1, beispielsweise ein Belagpapierstreifen zur Herstellung von Filterzigaretten, der in Richtung des Pfeils 2 bewegt wird, ist mit zwei Zonen 3 und 4 gewünsch­ ter Luftdurchlässigkeit zu versehen. Jede dieser Zonen 3 und 4 soll zwei Lochreihen 3a und 3b bzw. 4a und 4b aufweisen. Die Perforation des Materialstreifens 1 erfolgt mittels eines CO₂-Gaslasers 6, der gemäß der Erfindung zwei Reso­ natoren 7 und 8 aufweist. Die Resonatoren 7 und 8 sind parallel zueinander angeordnet und an einem Ende über eine Brücke 9 so miteinander verbunden, daß ein U-förmiger Resonatorraum entsteht. Zur optischen Kopplung der Reso­ natoren 7 und 8 sind Umlenkspiegel 11 und 12 vorgesehen. Die freien Enden 13 und 14 der Resonatoren 7 und 8 sind mit teildurchlässigen Spiegeln 16 und 17 versehen, so daß dem Laser zwei Nutzstrahlen 18 und 19 entnommen werden können. Je nach dem Grad der Durchlässigkeit der teildurchlässigen Spiegel 16 und 17 unterscheidet sich die Energie der Nutzstrahlen 18 und 19. Ist die Durch­ lässigkeit der Spiegel 16 und 17 gleich, so ist die Energie der Nutzstrahlen 18 und 19 auch gleich.

Jeder Laserresonator 7 und 8 hat die Gestalt eines Gas­ entladungsrohres, welches einen Mittelanschluß 44 und zwei Endanschlüsse 46 aufweist, die mit einem Gasvorrat 47 verbunden sind. Die CO₂-Gaszufuhr erfolgt über eine Zu­ führleitung 44a zum Mittelanschluß 44. Das aus den End­ anschlüssen 46 austretende Gas wird über Leitungen 46a zur Wiederverwendung zurückgeführt. Es kann auch an die Atmosphäre abgegeben werden. Im Mittelanschluß 44 ist eine Hochspannungselektrode 49a angeordnet. Zu den Enden jedes Laserresonators hin sind zwei weitere Hochspannungselek­ troden 49 vorgesehen, die als Ringelektroden ausgebildet sein können. Zwischen der Mittelelektrode 49a und den Endelektroden 49 liegen Hochspannungsquellen 48, die eine gepulste Hochspannung abgeben und so einen Pulsbetrieb des Lasers in der jeweils gewünschten Perforationsfrequenz bewirken.

Die dem Laser 6 durch die teildurchlässigen Spiegel 16 und 17 entnommene gepulste Strahlung 18 und 19 ist polarisiert, so daß eine präzise Strahlteilung mit optischen Mitteln möglich ist. Fig. 1a zeigt schematisch die Strahlteilung am Beispiel des Nutzstrahls 18. Der Strahl 18 gelangt zunächst zu einem der Zone 3 zugeordneten teildurchlässi­ gen Spiegel 21, der einen Teil der Strahlungsenergie zur zu perforierenden Materialbahn 1 umlenkt und den anderen Teil zu einem totalreflektierenden Spiegel 22 durchläßt, der seinerseits diesen Teilstrahl zur Materialbahn 1 um­ lenkt. Mit 23 und 23′ angedeutete Optiken fokussieren die Teilstrahlen auf die zu perforierenden Partien 3 und 4 der Materialbahn 1. Setzt man als Strahlteiler 21 einen halbdurchlässigen Spiegel ein, so wird der Strahl 18 in zwei genau gleiche Teilstrahlen aufgeteilt, die gleiche Perforationen 3b und 4b erzeugen. Die optische Anordnung im Strahlengang des Nutzstrahls 19 ist dieselbe wie in Fig. 1a, so daß die Zonen 3 und 4 mit je zwei Lochreihen 3a und 3b bzw. 4a und 4b versehen werden.

Der Betrieb des Lasers stimmt im wesentlichen mit dem eines Lasers mit nur einem Resonator überein, so daß hinsichtlich seiner Funktionsweise und seiner Steuerung beispielsweise auf die DE-OS 27 51 522 verwiesen werden kann.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung in Draufsicht. Diese Vorrichtung weist einen Laser 6 auf, der ebenso aufgebaut ist wie der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene. Aus den freien Enden der Resonatoren 7 und 8 treten parallele Laserstrahlen 24 und 24′ aus, zu deren Umlenkung Umlenkspiegel 26 und 26′ sowie 27 und 27′ vorgesehen sind. Über die Umlenkspiegel werden die Strahlen 24 und 24′ in das Innere eines Strah­ lungskopfes 28 geleitet. Zur Veranschaulichung ist der Strahlengang samt den Umlenkspiegeln in Fig. 2 sichtbar gezeigt, auch wo er, wie Fig. 3 zeigt, im Innern des Strahlungskopfes 28 verläuft, und daher in der Draufsicht eigentlich unsichtbar ist. Fig. 3 zeigt den Strahlungs­ kopf 28 im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2. Dieser besteht aus einem Grundkörper 29 mit einer Strah­ leneintrittsöffnung 31 und Bohrungen 32, 33 und 33′ zur Führung der Laserstrahlung. Im Schnittbereich der Strah­ leneintrittsöffnung 31 mit der Bohrung 32 ist der Umlenk­ spiegel 27 angeordnet. Im Schnittbereich der Bohrung 32 mit der Bohrung 33 liegt ein teildurchlässiger Umlenk­ spiegel 34 und im Schnittbereich der Bohrung 33′ mit der Bohrung 32 ein totalreflektierender Spiegel 34′. Der teildurchlässige Spiegel 34 ist halbdurchlässig, um den Laserstrahl 24 in zwei gleiche Teilstrahlen aufzuteilen.

Ein mit dem Grundkörper 29 verbundener Aufsatzteil ent­ hält den Bohrungen im Grundkörper zugeordnete Bohrungen 36 und 36′, in welche Optiken 37 und 37′ zum Fokussieren der Laserstrahlung auf die zu perforierende Partie des Materialstreifens 1 eingesetzt sind.

In Fig. 2 und 3 ist die Führung des Materialstreifens 1 durch Rollen 38 und 39 angedeutet. Wie Fig. 3 erkennen läßt, läuft die zu perforierende Materialbahn 1 über die Rollen 38 und 39 und wird durch Rollen 41 und 41′ im Bereich der Strahlengänge der Laserstrahlung gespannt. Der Antrieb der Materialbahn 1 erfolgt über eine Rolle 42, die von einem Motor 43 angetrieben ist.

Ein Strahlungskopf, wie er im hier vorliegenden Zusammen­ hang benutzt werden kann, ist in Einzelheiten in der DE-OS 31 14 603 der Anmelderin beschrieben, auf die in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen wird.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung ist im Zusammenhang mit der Perforation eines bewegten Material­ streifens beschrieben worden. Die Vorrichtung kann hierzu in eine entsprechende Maschine, beispielsweise in eine Filteransetzmaschine, integriert sein, um den für die Ver­ bindung von Zigarette-Filterabschnitt-Zigarette-Gruppen erforderlichen Belagpapierstreifen zu perforieren. Sie kann auch in einer getrennten Perforiereinrichtung ent­ halten sein, bei der der perforierte Streifen vor seiner Weiterverarbeitung zunächst wieder auf eine Bobine auf­ gewickelt wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist natürlich auch zum Perforieren von stabförmigen Artikeln geeignet, wozu sie beispielsweise zur Perforation von doppeltlangen Filterzigaretten ebenfalls in eine Filter­ ansetzmaschine eingebaut sein kann. Führungsvorrichtungen für den bewegten Materialstreifen und die stabförmigen Artikel während des Perforierens und die notwendigen An­ ordnungen für den Betrieb des Lasers sind in der DE-OS 27 51 522 beschrieben, auf welche hier ebenfalls verwie­ sen wird.

Wie die Beschreibung zeigt, bietet die erfindunsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung den Vorteil, daß eine Laser­ strahlung sehr großer Energie bereitgestellt wird, die bereits vom Laser aus in zwei Nutzstrahlen vorliegt. Da die von den gekoppelten Laserresonatoren ausgehende Laserstrahlung polarisiert ist, ist eine sehr präzise Strahlteilung möglich, was als weiterer Vorteil anzusehen ist. Hinzu kommt, daß der Laser mit zwei parallel angeord­ neten Resonatoren im Verhältnis zu seiner Leistung nur einen sehr geringen Platzbedarf hat.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Perforieren von Artikeln der tabakver­ arbeitenden Industrie mit einem Laser als Strahlungsquelle für energiereiche, kohärente Strahlung, mit Fördermitteln zum Fördern der zu perforierenden Artikel in den Strahlen­ gang des Lasers und mit Mitteln zum Ausrichten der vom Laser ausgehenden Strahlung auf die zu perforierende Partie der Artikel, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (6) mindestens zwei miteinander gekoppelte Resonatoren (7, 8) aufweist, daß die Resonatoren (7, 8) des Lasers (6) parallel zueinander angeordnet und an einem Ende so mitein­ ander verbunden sind, daß ein etwa U-förmiger Resonator­ raum gebildet wird, daß an den miteinander verbundenen Enden der Resonatoren für die optische Kopplung Umlenk­ mittel (11, 12) eingesetzt sind und daß an den freien Enden (13, 14) beider Resonatoren (7, 8) zur Erzeugung zweier Nutzstrahlen (18, 19) teildurchlässige Spiegel (16, 17) angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Laserausgang (13, 14) optische Umlenkmittel (21, 22, 27, 27′, 34, 34′) zum Führen des Laserstrahls (18, 19, 24, 24′) und eine Optik (23, 23′, 37, 37′) zum Fokussieren des Laserstrahls auf die zu perforierende Partie der Artikel (1) zugeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Laserausgang (13, 14) wenigstens ein Strahlteiler (21, 34), optische Umlenkmittel (22, 26, 26′, 27, 27′, 34′) zum Führen des Laserstrahls und der Teil­ strahlen und Optiken (23, 23′, 37, 37′) zum Fokussieren der Strahlen auf die zu perforierende Partie der Artikel zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von mindestens zwei Perforationsspuren (3, 4) mit je wenigstens zwei Lochreihen (3a, 3b; 4a, 4b) in der zu perforierenden Partie der Artikel die jedem Laserausgang (13, 14) zugeordneten Strahlteiler (21), op­ tischen Umlenkmittel (22) und Optiken (23, 23′) derart ausgebildet und angeordnet sind, daß jeder Nutzstrahl (18, 19) in jeder Perforationsspur (3, 4) wenigstens eine Lochreihe (3a, 4a bzw. 3b, 4b) erzeugt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Perforieren eines bewegten Materialstreifens (1) einer Streifenführung (38 bzw. 39) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Perforieren von stabförmigen Artikeln einem stabförmige Artikel fördernden Querförderer zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser (6) ein CO₂-Gaslaser vorge­ sehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (7, 8) des Lasers (6) als Resonatorröhren ausgebildet sind, daß jede Resonator­ röhre (7, 8) einen Mittelanschluß (44) und zwei Endan­ schlüsse (46) aufweist und daß an den Mittelanschluß eine Gaszuleitung (44a) und an die Endanschlüsse (46) Gasaus­ trittsleitungen (46a) angeschlossen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Resonatorröhre (7, 8) mit einer Mittelelektrode (49a) und zwei Endelektroden (49) bestückt ist und daß zwischen der Mittelelektrode und jeder End­ elektrode je eine Hochspannungsquelle (48) liegt, derart, daß jede Resonatorröhre (7, 8) zwei Entladungsstrecken aufweist.