DE3623985A1 - Beruehrungsloses schneidverfahren fuer folien und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein berührungsloses Schneidver­ fahren für Folien, unter Einsatz von gebündelter elek­ tromagnetischer Strahlung hoher elektrischer Leistung, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Konventionelle Schneidverfahren für Folien, die mit ei­ ner Messerklinge, einem Rundmesser oder einem sonstigen Schneidelement arbeiten, zeigen eine gute Schneidkan­ tenqualität an der Folie, haben jedoch den Nachteil, daß durch mechanische Werkstoffverdrängung während des Schneidens Verunreinigungen, wie Schneidstaub, entste­ hen, der sich auf der Folienoberfläche niederschlagen kann und somit die Qualität der Folie erheblich beein­ trächtigt und diese insbesondere im Falle von sehr dün­ nen Folien unbrauchbar macht. Es ist bekannt, daß durch den Einsatz von stärkeren Klingen mit verkleinerten Keilwinkeln zwischen den beiden Schneidflächen das ab­ rasive Verhalten verbessert, d.h. weniger Schneidstaub anfällt, jedoch gleichzeitig auch die Standzeit dieser Klingen verkürzt wird, da an den Klingenschneiden ein Materialabtrag stattfindet, der aller Wahrscheinlich­ keit nach durch Pigmente in der Folie verursacht wird. Dies bedeutet, daß mit der zunehmenden Standzeit die Gefahr eines Zackenschnittes bei Klingen zunimmt und mit erhöhter Verschmutzung im Schneidbereich gerechnet werden muß. Rundmesser, beispielsweise in einer Stärke von 2 mm und einem Durchmesser von 30 mm, werden in erster Linie für das Querschneiden von Folien einge­ setzt. Das Rundmesser wird unter Federdruck stetig von einer zur anderen Seite der Folienbahn bewegt, wobei das Messer auf dem Wickelkern abgestützt ist. Um den extremen Bedingungen des Auflegens der Messerschneide auf dem Wickelkern Rechnung zu tragen, beträgt der Keilwinkel des Rundmessers im allgemeinen etwa 35°, d.h. ist im Vergleich zu den Längsmessern besonders stark ausgelegt. Die Größe des Keilwinkels bringt es mit sich, daß eine große Kraft für den Trennvorgang benötigt wird. Dicke Folien von 350 µm Dicke werden da­ her nur unvollständig bzw. gar nicht durchgetrennt, da der auf das Rundmesser ausgeübte Federdruck durch eine vorgespannte Feder für den Trennvorgang im allgemeinen nicht ausreicht. Auch das Abtrennen des ersten Folien­ abschnitts, insbesondere bei dünnen Folien bis zu 15 µm Dicke, ist häufig problematisch und läßt sich keines­ wegs störungsfrei vornehmen. Bei dünnen Folien entsteht durch die Transportgeschwindigkeit der Folienbahn beim Querschneiden ein schräger Schnitt, wobei es regelmäßig nahe des einen Längsrandes der Folienbahn zu einem Ab- bzw. Einriß der Folienbahn kommt. Der dabei entstehende Folienzipfel wird mitaufgewickelt und bildet einen un­ erwünschten Wulst der Aufwickelrolle, der die Bahnqua­ lität und die Weiterverarbeitung stark beeinträchtigt.

Bei einem bekannten Schneidverfahren mit Hilfe eines Wasserstrahls erfolgt der Trennvorgang mit einem kreis­ runden Wasserstrahl im Bereich kohärenter Wasserstrahl­ führung bei einem Abstand bis zu 30 mm zwischen der Austrittsdüse des Wasserstrahls und der zu schneidenden Folie. Dabei wird Wasser mit einem Druck bis zu 4000 bar durch die 0,1 bis 0,3 mm im Durchmesser messende Saphirdüse gedrückt. Der stark gebündelte Wasserstrahl erreicht dabei eine Geschwindigkeit von ca. 650 m/sec. Mit zunehmendem Abstand nimmt die Kohärenz des Strahls ab. Der Wasserverbrauch beläuft sich auf ca. 60 l/h, und der Schallpegel ist relativ hoch und liegt je nach Düsendruck zwischen 92 bis 118 dBA. Eine Erwärmung im Auftreffbereich des Wasserstrahls auf die Folie findet nicht statt, so daß es auch zu keiner Veränderung der Folie im Schnittbereich kommt. Von Nachteil ist bei dem Wasserstrahlschneiden, daß die Schnittkantenqualität zu wünschen übrig läßt, da der Schnitt einen unsauberen und faserigen Verlauf zeigt. Mit zunehmend dünneren Folienstärken nehmen die Ausfransungen zu. Eine Erhö­ hung des Düsendrucks, eine Vergrößerung des Düsenab­ stands und des Düsendurchmessers führen im allgemeinen zu einer geringen Verschlechterung der Schnittkanten­ qualität, während eine Erhöhung des Vorschubs der transportierten Folie eine geringfügige Verbesserung der Schnittkantenqualität mit sich bringt.

Wird die Folie durch einen konstanten Staudruck senk­ recht belastet und die Kohäsionsfestigkeit überschrit­ ten, so erfolgt die Durchtrennung des Folienmaterials. Bei dickeren Folien tritt insbesondere ein schuppen­ förmiges Wegbrechen der Schnittkanten auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein staubfreies und ge­ räuscharmes Schneidverfahren für Folien anzugeben, das die mechanische Stabilität, insbesondere von dünnen Fo­ lien, für den Transport in einer Folienstreckanlage von der Schnittstelle bis zu einer Aufwickelstation für die Folien erhöht und eine zackenfreie Schnittkante lie­ fert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schneid­ verfahren der eingangs beschriebenen Art in der Weise gelöst, daß durch Trennschmelzen mit Hilfe der elektro­ magnetischen Strahlung entlang den Rändern einer Fo­ lienbahn Randwülste ausgebildet werden, die bei ultra­ dünnen und dünnen Folien der Dicken von kleiner als 1 µm bis 30 µm eine Dicke gleich/größer der 1,1-fachen Dicke der Folienbahn aufweisen.

Es werden verfahrensmäßig zwei Randwülste durch schneidstaubfreies Trennschmelzen zu beiden Seiten ei­ ner Fokussierline der elektromagnetischen Strahlung auf der Folienbahn geformt. Dabei betragen bei einer Folien­ stärke im Bereich von 0,86 µm bis 75 µm die Dicken der Randwülste das 9,3- bis 0,83-fache der Dicke der Fo­ lienbahn. In Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Randwülste als Längsbesäumung der Folienbahn deren Transport bis zum Aufrollen stabilisiert und wird die Zugkomponente der Transportkraft während des Transports der Folienbahn bis zu ihrem Aufrollen durch die Rand­ wülste aufgenommen. Dadurch wird es ermöglicht, insbe­ sondere ultradünne Elektrofolien nach dem Verlassen der Querstreckzone längs zu schneiden und durch die Rand­ wülste die Schnittkanten längs zu besäumen, wodurch die mechanische Festigkeit der ultradünnen Elektrofolien erheblich gesteigert wird und diese dann ohne Abrißge­ fahr aufgewickelt werden können. Die Randwülste neben den Schnittkanten werden vor dem Konfektionieren der jeweiligen Folienbahn auf die gewünschte Breite wegge­ schnitten.

Mit der Erfindung werden die Vorteile erzielt, daß beim Trennschmelzen Schneidstaub praktisch nicht anfällt, daß durch das Längsschneiden die Schnittkanten durch Randwülste besäumt werden, welche die mechanische Fe­ stigkeit, insbesondere von ultradünnen Folien, sehr stark erhöhen und daß auch das Querschneiden von ultra­ dünnen und dicken Folien zu einwandfreien Schnittkanten führt, die keine Ausfaserungen oder Zacken bzw. Ein- oder Abrisse zeigen, ohne daß es hierfür erforderlich ist, die elektrische Leistung für die Herstellung der elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gaslasers zum berührungslosen Schneiden von Folien,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Schnittkante einer ultradünnen Folie,

Fig. 3 die Dicke der beim Schneiden entstehenden Randwülste in Abhängigkeit von der Folien­ dicke, und

Fig. 4 schematisch eine Laseranordnung zum Quer­ schneiden einer Folienbahn.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Gaslasers 2 gegenüber einer Folienbahn 1. Ein Resonatorrohr 3 des Gaslasers 2 verläuft parallel zur Folienbahn 1 und wird durch ein Kühlmittel gekühlt. Das Lasergas ist CO₂, und der Laser liefert damit eine elektromagnetische Strah­ lung im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 10,6 µm. Ein derartiger Laser mit einer Laserausgangs­ leistung bis zu 500 Watt ist an und für sich für Schneidzwecke bekannt. Selbstverständlich können auch andere Gaslaser oder Festkörperlaser Anwendung finden, vorausgesetzt, daß sie eine ausreichende Laser­ ausgangsleistung erzeugen.

Der Laserstrahl wird von einem teildurchlässigen Spie­ gel 4 aus dem Resonatorrohr 3 ausgekoppelt und trifft auf einen unter 45° zur Horizontalen geneigten Spiegel 7 bzw. 7′ auf, der den Strahl nach unten auf die Fo­ lienbahn 1 ablenkt. Der Spiegel 7 ist fest montiert, während der Spiegel 7′ gegenüber der Folienbahn 1 um eine horizontale Querachse zur Folienbahn verschwenkbar ist. Der Strahl wird durch eine Sammellinse 5 auf die zu schneidende, mit einer Geschwindigkeit bis max. 350 m/min, insbesondere von zumindest 120 m/min, transpor­ tierte Folienbahn 1 fokussiert. Die Sammellinse 5 wird mit Hilfe eines Kühlmittels gekühlt, und desweiteren wird in den Raum zwischen der Sammellinse 5 und einer Austrittsöffnung 6 des Strahls ein Schneid- bzw. Schutz­ gas eingeblasen.

Der Abstand zwischen der Austrittsöffnung 6 und der zu schneidenden Folienbahn 1 wird in bekannter Weise kapa­ zitiv ermittelt und auf eine Größe zwischen 0,8 bis 1,2 mm gesteuert. Dieser Abstand hängt von der Dicke und der Transportgeschwindigkeit der Folienbahn 1 ab und ist umso kleiner, je dünner die Folienbahn und je höher ihre Transportgeschwindigkeit sind. Der Brennfleck des Laserstrahls auf der zu schneidenden Folienbahn 1 weist einen Durchmesser von 0,1 bis 0,4 mm auf. Durch die Be­ wegung der Folienbahn 1 trifft der Brennfleck entlang einer Fokussierlinie auf die Folienbahn auf.

Der Gaslaser hat beispielsweise eine Länge von 2400 mm, eine Breite von 300 mm und eine Bauhöhe von 350 mm. Der Laser wird, wie schon zuvor erwähnt, parallel zur Fo­ lienbahn 1 nach der Querstreckzone QS angeordnet, falls in der Folienstreckanlage nur eine Längs- und eine Querstreckung der Folie erfolgt. Da im allgemeinen die Querstreckung mit Hilfe von Kluppenketten oder schräg­ gestellten Scheibenpaaren 8, 8′ vorgenommen wird, befin­ det sich dann der Laser zwischen den Kluppenketten eines Rahmenausgangs bzw. oberhalb der Scheibenpaare 8, 8′ der Querstreckzone. Ist dieser Längs- und Quer­ streckzone noch eine weitere Längsstreckzone nachgeord­ net, so wird der Laser zweckmäßigerweise am Ausgang dieser nachgeordneten Längsstreckzone angeordnet.

Da beide Ränder der Folienbahn 1 längsbesäumt werden, ist es entweder erforderlich, beim Einsatz eines ein­ zigen Lasers durch ein entsprechendes Spiegelsystem zwei Teilstrahlen aus dem Resonatorrohr auszulenken und jeweils einen dieser Teilstrahlen für den Schneidvor­ gang entlang des einen Randes der Folienbahn zu verwen­ den, oder zwei getrennte Laser einzusetzen, von denen jeder einen Strahl zum Schneiden des zugeordneten Ran­ des der Folienbahn erzeugt. Bei Einsatz eines einzigen Lasers muß dessen Laserausgangsleistung entsprechend hoch sein, um genügend Energie für jeden der beiden Teilstrahlen für den Schneidvorgang zur Verfügung zu haben.

Durch Absorption der Energie des auf die Folienbahn auftreffenden Laserstrahls schmilzt das Folienmaterial nach 3 bis 5 Millisekunden auf und es bilden sich zu beiden Seiten der Schnittlinie Randwülste aus, die als Längsbesäumung der Folienbahn deren Transport nach dem Verlassen der letzten Streckzone bis zum Aufrollen in einer Aufwickelstation 9 stabilisieren. Die Zugkompo­ nente der Transportkraft während des Folientransports bis zum Aufrollen der Folienbahn wird durch die Rand­ wülste aufgenommen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine derartige Schnittlinie 10 einer Polyethylenterephthalatfolie, die eine Folien­ dicke von 0,86 µm besitzt, stark vergrößert. Die Breite der darin schematisch angedeuteten Randwülste 11, 12 beträgt 20 µm, ihre Dicke 8 µm. In Fig. 2 sind beide Randwülste dargestellt, die durch ein schneidstaubfrei­ es Trennschmelzen entstehen, ohne daß dabei Verunreini­ gungen durch Späne, Folienteilchen oder dergleichen auftreten, die sich bei anderen Schneidverfahren unwei­ gerlich bilden und sehr häufig auf der Folienoberfläche niederschlagen und die Folie dadurch unbrauchbar machen.

Nach dem Schneidvorgang fällt der eine Randwulst 11 bzw. 12, zusammen mit dem Saumabschnitt, als Abfall weg, während der andere Randwulst 12 bzw. 11 beim Kon­ fektionieren der Folienbahn auf handelsübliche Breiten vor dem Aufwickeln in der Aufwickelstation 9 wegge­ schnitten wird.

In Fig. 3 ist eine Kurve dargestellt, die den Zusam­ menhang zwischen der Randwulstdicke und der Foliendicke zeigt, wie sie bei Schnittversuchen an unterschiedlich dicken Folien aus Polyethylenterephthalat gemessen wur­ den. Bei diesen Untersuchungen wurden Polyethylen­ terephthalatfolien (Polyesterfolien) mit Dicken von 0,86 bis 350 µm mittels des voranstehend beschriebenen Lasers 2 geschnitten. Alle Folienmuster wurden einwand­ frei geschnitten, und die Schnittkanten zeigten ähnli­ ches Aussehen. Die Abmessungen der dabei entstehenden Randwülste sind in der nachstehenden Tabelle zusammen­ gefaßt, deren letzte Spalte angibt, um wieviel Prozent die Randwulstdicke größer als die Foliendicke des ge­ schnittenen Musters ist.

Diese Prozentwerte der letzten Spalte sind in Fig. 3 als Ordinatenwerte der Kurve über den Abszissenwerten, nämlich den Foliendicken, aufgetragen. Die Wulstbreite liegt bei diesen Versuchen im Bereich von 0,02 mm bis 0,65 mm und hängt in erster Linie von der Laseraus­ gangsleistung und der Fokussierung des Laserstrahls ab.

Wie ein Vergleich der Muster Nr. 6 und 7 sowie 8 und 9 zeigt, nimmt die Wulstbreite mit größer werdendem Ab­ stand der Folienbahn 1 von der Austrittsöffnung 6 zu. Die drei letzten Muster in dieser Tabelle zeigen, daß mit zunehmender Laserausgangsleistung die Wulstbreite mit steigender Laserausgangsleistung zunächst zu einem Maximum ansteigt und anschließend wieder, bei weiter­ hin ansteigender Laserausgangsleistung, abnimmt. Umge­ kehrt dazu nimmt die Wulstdicke zunächst mit steigender Laserausgangsleistung ab, um anschließend mit höher werdender Laserausgangsleistung anzusteigen.

Bei diesen Untersuchungen betrug die Transportgeschwin­ digkeit der Folienbahn 6 m/min, wobei jedoch nur ein kleiner Teil der Laserausgangsleistung zum Schneiden verwendet wurde. Unter üblichen Betriebsbedingungen wird mit Schneidgeschwindigkeiten von mindestens 120 m/min gearbeitet, und entsprechende Untersuchungen an einzelnen Polyesterfolien haben gezeigt, daß diese ein­ wandfrei geschnitten werden und die Schnittkanten und die Randwülste in etwa die gleichen Abmessungen haben, wie sie voranstehend für die geringen Vorschubgeschwin­ digkeiten der Folienbahn angegeben sind.

Wie aus der Tabelle und der Kurve nach Fig. 3 ersicht­ lich ist, betragen die Dicken der Randwülste bei einer Folienstärke im Bereich von 0,86 µm bis 75 µm das 9,30- bis 0,83-fache der Dicke der Folienbahn. Insbe­ sondere bei ultradünnen und dünnen Folien im Dickenbe­ reich von 0,86 µm bis 12 µm ist die Dicke der Randwül­ ste gleich der mehrfachen Dicke der Folienbahn und liegt, in Prozenten ausgedrückt, im Bereich von 930 bis 267%. Durch diese Verstärkung der Folienbahn entlang den beiden Rändern ist es offensichtlich, daß die Zug­ komponente der Transportkraft durch die Randwülste ohne Schwierigkeiten aufgenommen werden kann und dadurch die Gefahr von Abrissen der Folienbahn bis zur Aufwickel­ station weitgehend ausgeschlossen wird.

In Fig. 4 ist eine Laseranordnung aus einem Laser 2 und einem rotierenden Polygonspiegel 7′′ zum Querschnei­ den einer Folienbahn 1 gezeigt. Der aus dem Laser 2 aus­ tretende Laserstrahl trifft auf den mit bis zu 6000 Um­ drehungen/min rotierenden Polygonspiegel 7′′, der ober­ halb der Mitte der Folienbahn 1 angeordnet ist und den Laserstrahl fächerartig auf die Folienbahn 1 lenkt, so daß dieser entlang der Schnittlinie 10 die Folienbahn 1 auftrennt.

Claims (12)

1. Berührungsloses Schneidverfahren für Folien unter Einsatz von gebündelter elektromagnetischer Strahlung hoher elektrischer Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß durch Trennschmelzen mit Hilfe der elektromagneti­ schen Strahlung entlang den Rändern einer Folienbahn Randwülste ausgebildet werden, die bei ultradünnen und dünnen Folien der Dicken von kleiner als 1 µm bis 30 µm eine Dicke gleich/größer der 1,1-fachen Dicke der Fo­ lienbahn aufweisen.

2. Berührungsloses Schneidverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Randwülste durch schneidstaubfreies Trennschmelzen zu beiden Seiten ei­ ner Fokussierlinie der elektromagnetischen Strahlung auf der Folienbahn geformt werden.

3. Berührungsloses Schneidverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Folienstärke im Bereich von 0,86 µm bis 75 µm die Dicken der Randwülste das 9,30- bis 0,83-fache der Dicke der Folienbahn be­ tragen.

4. Berührungsloses Schneidverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Randwülste als Längsbesäumung der Folienbahn deren Transport bis zum Aufrollen stabilisiert wird und daß die Zugkomponente der Transportkraft während des Transports der Folien­ bahn bis zu ihrem Aufrollen durch die Randwülste auf­ genommen wird.

5. Berührungsloses Schneidverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung auf einen Brennfleck mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,4 mm fokussiert wird und daß der Abstand zwischen einer Austrittsöffnung der elektromagnetischen Strahlung aus einem Lasersystem und der zu schneidenden Folienbahn 0,8 bis 1,2 mm beträgt.

6. Berührungsloses Schneidverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Austrittsöff­ nung - Folienbahn kapazitiv gemessen und auf die erfor­ derliche Größe eingestellt wird.

7. Berührungsloses Schneidverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienbahn mit einer Geschwindigkeit bis zu 350 m/min, insbesondere von min­ destens 120 m/min, während des Schneidens mit der elek­ tromagentischen Strahlung transportiert wird und daß die Folienbahn entlang der Fokussierlinie durch Absorp­ tion der Strahlenenergie nach 3 bis 5 Millisekunden, ohne Verunreinigungen durch Späne, Folienreste u. dgl., aufschmilzt.

8. Berührungsloses Schneidverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Folienstärken von 0,5 µm bis zu 350 µm ein schneidstaubfreies Trennschmel­ zen vorgenommen wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Schneidverfah­ rens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Laser mit einer Laserausgangsleistung bis zu 500 Watt, der elektromagnetische Strahlung im Infrarot­ bereich mit einer Wellenlänge von 10,6 µm erzeugt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Laser (2) mit einem Resonatorrohr (3) pa­ rallel zur Folienbahn (1) nach der Querstreckzone (QS) für die Folienbahn angeordnet ist, daß ein teildurch­ lässiger Spiegel (4) die elektromagnetische Strahlung aus dem Resonatorrohr (3) auskoppelt und daß ein unter 45° zur Horizontalen geneigter Spiegel (7) die Strah­ lung nach unten ablenkt und durch eine Sammellinse (5) auf die zu schneidende, mit einer Geschwindigkeit bis zu 350 m/min, insbesondere von zumindest 120 m/min, transportierte Folienbahn fokussiert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgangsstrahl des Laser (2) quer zur Fo­ lienbahn (1) geführt ist und auf einen rotierenden Poly­ gonspiegel (7′′) auftrifft, der oberhalb der Mitte der Folienbahn (1) angeordnet ist und den Laserstrahl quer aufgefächert auf die Folienbahn (1) reflektiert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zur Horizontalen unter 45° geneigte Spiegel (7′) schwenkbar gegenüber der Folienbahn ist.