DE3842684A1 - Verfahren zum abrunden von borstenenden von buersten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abrunden der aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Borstenenden von Bürsten durch auf eine Vielzahl von Borstenenden gleichzei­ tig erfolgende Einwirkung von Laserstrahlung.

Bei der Herstellung von Bürsten werden zunächst Bor­ stenbündel in Löcher des Bürstenkopfs gestopft und darin veran­ kert. Danach müssen die Borsten auf eine bestimmte Länge ge­ bracht werden. Dies erfolgt im allgemeinen durch Abfräsen der Borstenenden, wobei die Borstenenden auch gestuft angeordnet werden können, so daß ihre Längen also unterschiedlich sind. Nach dem Fräsen sind die Borstenenden jedoch scharfkantig und es ist daher bekannt, die scharfen Kanten zu brechen, die Bor­ stenenden also zu runden. Es bleibt jedoch eine rauhe Ober­ fläche im Bearbeitungsbereich der Borstenenden, die auch Schleiffahnen aufweisen können. Hinzu kommt, daß bei bestimmten Bürstenformen, z.B. V-Zahnbürsten, keine zufriedenstellende Re­ produzierbarkeit der Kopfform nach dem Schleifen an den unter­ schiedlich langen Borsten bzw. bei geneigter Borstenstellung erreicht werden kann.

Aus der EP-A-60 952 ist es bekannt, Borstenenden thermo­ plastischer Kunststoffborsten mit Laserstrahlung abzurunden. Dabei werden die Borstenenden so aufgeschmolzen, daß sie die Form eines Wassertropfens annehmen. Damit dicht nebeneinander stehende Borsten nicht miteinander verschmelzen, werden sie während ihrer Behandlung mit Laserstrahlung einer Saugwirkung ausgesetzt, die eine Streckung der Tropfen bewirken soll. Des­ weiteren ist es aus der DE-PS 35 33 533 bekannt, die Abrundung der Borstenenden in einem elektrostatischen Feld vorzunehmen, dessen Kräfte ebenfalls zu einer Streckung aufgeschmolzener Borstenenden führen sollen, um deren Verkleben zu verhindern. Die bekannten Verfahren können nicht befriedigen, weil sie ver­ gleichsweise aufwendig sind und das Abrunden der Borstenenden nicht genügend genau zu steuern erlauben.

Aus der DE-PS 34 33 763 ist es bekannt, Borsten einer Bür­ ste mit einem Abstreifer zu vereinzeln und einen Laserstrahl gezielt auf ein einziges Borstenende zu richten, um pilzartig verdicke Borstenenden herzustellen. Das gesteuerte Aufschmelzen einzelner Borstenenden bedeutet jedoch einen erheblichen appa­ rativen Aufwand und genügt nicht ohne weiteres, ein Ver­ schmelzen dicht nebeneinander stehender Borsten zu verhin­ dern. Die pilzartigen Verdickungen der Borstenenden können dazu führen, daß sich die Verdickungen in den Zähnen verhaken und die Zähne dadurch beschädigt oder die Borsten herausgerissen werden. Aus der CH-PS 6 40 448 ist das Entgraten von Werkstücken bekannt, die aus nichtmetallischen Werkstoff wie Glas bestehen. Es wird ein stark fokussierter gepulster Laserstrahl verwendet, dessen Impulsdauer im Mikrosekundenbereich und dessen Leistung im Wattbereich liegt. Dabei wird mit hohen Leistungsdichten ge­ arbeitet. Längere Kanten werden vom Laserstrahl entgratet, in dem letzterer der Form des zu entgratenden Gegenstandes ent­ sprechend gesteuert verschoben wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß mit einfachen Mitteln ein durch Zersetzungsvorgänge des Kunststoffs unbeeinflußtes gesteuertes Aufschmelzen der aus thermopla­ stischem Kunststoff bestehenden Borstenenden gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß gepulste Laser­ strahlung mit im Kilowatt- bis Megawattbereich liegender Leistung und mit im Mikrosekundenbereich liegender Impulsdauer bei der Abrundung der Borstenenden verwendet wird.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die zum Abrunden der Borstenenden durch Aufschmelzen erforderliche Energie genü­ gend genau gesteuert werden kann. Hierzu eignet sich insbe­ sondere gepulste Laserstrahlung, wobei aber darüber hinaus von Bedeutung ist, daß die Impulsdauer vergleichsweise kurz gehal­ ten werden kann. Kurze Impulsdauer ist von Bedeutung, um die Zersetzung des Kunststoffs zu vermeiden, die mit der Einwir­ kungsdauer zunehmend auftritt. Insbesondere diese Zersetzung führt durch eine Abströmung dampfförmiger Kunststoffanteile zu einer unerwünschten mechanischen Deformation des Aufschmelzbe­ reichs des Borstenendes. Eine solche Zersetzung wird also da­ durch vermieden, daß die zum Aufschmelzen erforderliche Energie mit relativ hoher Leistung jedoch kurzer Pulsdauer auf die Bor­ stenenden gestrahlt wird. Damit ist eine durch Zersetzungs­ vorgänge des Kunststoffs unbeeinflußte gesteuerte Formbildung der Borstenenden möglich. Die Laserleistung muß genügend groß sein, damit trotz der geringen Einwirkungszeit eine Vielzahl von Borstenenden gleichzeitig abgerundet werden kann. Hierzu liegt die Laserleistung beispielsweise im Bereich von 10 Kilo­ watt. In Abhängigkeit von der erforderlichen Aufschmelzenergie des verwendeten thermoplastischen Kunststoffs und/oder der An­ ordnung der Borsten und/oder der Größe der zu bestrahlenden Bürstenfläche ist es möglich, daß die Laserleistung im Mega­ wattbereich liegen muß, also z.B. im Bereich von 10 Megawatt.

Weil damit gerechnet werden muß, daß die Borsten sehr dicht stehen, so daß die Borstenenden praktisch aneinander liegen, werden gespitzte Borstenenden abgerundet, so daß es möglich ist, z.B. durch einfache Bemessung der Impulsanzahl und der Impulswiederholungsfrequenz, das Borstenende lediglich im Bereich seiner Spitze aufzuschmelzen. Dem kommt entgegen, daß die Energieeinkopplung an der äußersten Spitze am größten und das der eingekoppelten Energie unterworfene Borstenvolumen am kleinsten ist. Die Außenform der Aufschmelzung wird dabei im wesentlichen von der Oberflächenspannung der Schmelze bestimmt. Diese Oberflächenspannung ist vergleichsweise groß und der Aufschmelz- bzw. Abrundungsvorgang kann derart kurzzeitig gesteuert werden, daß einander etwa berührende Aufschmelzbereiche nicht ineinander fließen und damit fest verschmelzen können. Vielmehr haften die Borstenenden lediglich so leicht aneinander, daß sie bei einem Verbiegen der Borsten auseinander kommen. Dabei kann der Außendurchmesser der Borsten auch geringfügig überschritten werden.

Es werden Bürsten mit kegelartig gespitzten Borstenenden verwendet, die infolge ihrer Kegelform ein Aufschmelzen an der äußersten Borstenspitze besonders zuverlässig gewährleisten. Insbesondere wird erreicht, daß der Aufschmelzbereich kegelför­ mig ist und seine größte Breite den Durchmesser des nicht oder noch nicht aufgeschmolzenen Borstenspitzenbereichs nicht oder nur unwesentlich übersteigt.

Um mit Sicherheit zu verhindern, z.B. bei besonders dicht­ stehenden Borsten, daß ein Verkleben der Borstenenden oder auch nur ein bei Gebrauch beseitigtes Haften erfolgt, wird mit der gepulsten Laserstrahlung am gespitzten Borstenende ein den Außendurchmesser der Borsten nicht übersteigender Aufschmelzbe­ reich des Borstenendes erzeugt.

Zweckmäßigerweise werden die Borstenenden stehend mit bor­ stenparalleler Laserstrahlung bearbeitet, um die Energieein­ kopplung in die Borstenspitze bzw. in die Borstenenden gleichmäßig zu gestalten.

Die Laserstrahlung wird der borstensenkrechten Projek­ tionsfläche aller Borstenenden entsprechend geformt, um die Einstrahlung auf den Borsten aufweisenden Bereich der Bürste zu beschränken und Laserstrahlung von einer Transportvor­ richtung der Bürste fernzuhalten.

Jede Bürste wird während der Einwirkung der Laserstrahlung relativbewegungsfrei zu letzterer angeordnet, was den be­ sonderen Vorteil hat, daß der Laser fest justiert und die Laserstrahlung lediglich einmal ausgerichtet zu werden braucht, während der Bürstentransport in herkömmlicher Weise mit einfa­ chen Mitteln schrittweise bewerkstelligt werden kann.

Es wird ein TEACO₂-Laser verwendet, mit dem die gewünschten kurzen Bearbeitungsimpulse erzielt werden können.

Die Borsten werden vor ihrer mit Laserstrahlung erfolgen­ den Bearbeitung vorgetrocknet, um Einflüsse von Feuchtigkeit bei der Abrundung zu vermeiden, beispielsweise die Entstehung einer Wasserdampfphase, die zur Aufrauhung der Oberfläche des Borstenendes oder gar zu einer Beeinflussung der Formbildung des Borstenendes beim Aufschmelzvorgang führen könnte.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Abrunden von Borstenenden mit Laserstrahlung in schematischer perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 das Detail A der Fig. 1 in Seitenansicht und

Fig. 3a bis 3c den Aufschmelzvorgang im Verlauf einer Be­ arbeitung eines Borstenendes mit Laserstrahlung.

Fig. 1 zeigt einen Laser 1, dessen Laserstrahl 2 von einem Umlenkspiegel 3 auf die Borsten 9 einer Bürste 4 gelenkt ist. Die Laserstrahlung des Laserstrahls 2 ist gepulst, wobei die Länge und die Anzahl der Impulse und die Frequenz der Pulsfolge in herkömmlicher Weise mit dem Laser 1 steuerbar sind.

Der Umlenkspiegel 3 konzentriert die Laserstrahlung auf denjenigen Bereich, in dem Borstenenden 6 der Bürste 4 vorhan­ den sind. Im dargestellten Beispiel sind alle Borstenenden 6 in einer Ebene 8 angeordnet, wobei die von den Borstenenden 6 ein­ genommene Fläche etwa rechteckförmig ist. Der Umlenkspiegel 3 zeigt beispielsweise, wie der Laserstrahl 2 derart geformt wird, daß er im Bereich der Bürste 4 lediglich die in der Dar­ stellungsebene der Zeichnung gelegene Breite hat. Für diese Strahlformung dienen die Facetten 3′ bis 3′′′, welche den auf sie entfallenden Strahlungsanteil des Laserstrahls 2 ent­ sprechend ihren dargestellten Grenzstrahlen jeweils auf die maßgebliche Borstenfeldbreite b reflektieren. Dabei ist die An­ ordnung des Umlenkspiegels 3 so getroffen, daß die Laser­ strahlung im wesentlichen borstenparallel einfällt, wie aus den Fig. 3a, b ersichtlich ist.

Die Bürste 4 ist zur Bestrahlung ihrer Borstenenden 6 auf ihrem Rücken 11 liegend angeordnet, und zwar auf einer Trans­ portvorrichtung 5, die mehrere Bürsten 4 aufeinanderfolgend in den Bereich des Laserstrahls 2 transportiert. Die Transportvor­ richtung 5 besteht aus einem Förderband 12, auf dessen oberem Trum 13 mehrere Bürsten 4 in Abstand voneinander angeordnet sind, so daß sie bei einer Bewegung des Förderbands 12 ent­ sprechend den Pfeilen 14 transportiert werden. Die Förderung erfolgt so, daß die Transportvorrichtung 5 bzw. die Bewegung des Förderbands 12 dann angehalten wird, wenn eine nicht darge­ stellte Meßvorrichtung eine lagerichtige Zuordnung einer Bürste 4 zum Laserstrahl 3 erkennt, also derart, daß dessen Strah­ lungsquerschnitt in vorbestimmter Weise die borstenparallele Projektionsfläche aller Borstenenden 6 abdeckt.

Nach vorbestimmter Anordnung einer Bürste 4 erfolgt die Abrundung der Borstenenden 6 durch deren teilweises Aufschmel­ zen, wobei Relativbewegungen zwischen der Bürste 4 und dem Laserstrahl 2 während der Bearbeitung nicht auftreten.

Nach der Bearbeitung der Borstenenden werden die Bürsten der weiteren Verarbeitung zugeführt, z.B. einer Verpackung.

Der schrittweise Transport der Bürsten 4 durch die Trans­ portvorrichtung 4 erfolgt in Abstimmung auf die Tätigkeit des Lasers 1, also unter Berücksichtigung der Taktfolge des Im­ pulsbetriebs. Es ist auch möglich, den Laser 1 in Abhängigkeit von dem durch die Transportvorrichtung 5 erfolgten Transport der Bürsten 4 ein- und auszuschalten.

Gemäß der Fig. 3a ist die Borste 7 zugespitzt und hat dabei ein nach Art eines Kegels zugespitztes Borstenende 6. Ein der­ artiger spitzer Vorschliff eines Borstenendes 6 bzw. aller Bor­ stenenden 6 einer Bürste 4 wird dadurch erreicht, daß diese mit den Borstenenden auf eine Schleifscheibe gedrückt wird, die schwingschleiferähnliche Bewegungen ausführt, so daß sich bei entsprechender Abstimmung des Drucks auf die Bürste und des Ra­ dius der Schleifbewegung die gewünschte Zuspitzung der Bor­ stenenden ergibt.

Zu Beginn der Bearbeitung der Borstenenden 6 mittels Laserstrahlung trifft diese gemäß Fig. 3a borstenparallel auf und bringt zunächst die äußerste Spitze des Borstenendes 6 zum schmelzen, wobei ein Schmelzkegel 9 entsteht. Dieser hat die schematisch dargestellte Ausdehung nach innen, weil die Ener­ gieeinkuppplung an der Spitze am größten ist, da an den tiefer gelegenen Außenflächen des Borstenendes 6 eine stärkere, ener­ gieabführende Reflexion auftritt. Die Einkopplung der Energie über den Schmelzkegel 9 ist derart gut, daß das weitere Auf­ schmelzen des Bortstenendes 6 gemäß Fig. 3b im wesentlichen von diesem Schmelzkegel 9 aus erfolgt. Das deuten die starken Pfeile 16 an. Die Bearbeitung der Borstenenden 6 erfolgt mit einer Vielzahl von Laserimpulsen, bis der Aufschmelzkegel 9 die aus Fig. 3c ersichtliche Form hat, bei der das Borstenende 6 in vorbestimmter Weise abgerundet ist. Durch geeignete Bemessung der Anzahl der Laserimpulse und/oder der Impulsdauer und/oder der Impulsabstände kann erreicht werden, daß ein den Außendurchmesser B der Borste 7 nicht übersteigender Auf­ schmelzkegel 9 erzeugt wird, eine Gefahr des Verklebens benach­ barter Borsten also auch bei dichtstehenden Borsten 7 nicht auftritt.

Damit die Ausbildung des Aufschmelzkegels 9 bei der Bear­ beitung der Borstenenden 6 mit Laserstrahlung nicht durch Feuchtigkeit beeinträchtigt wird, die infolge der hyroskopi­ schen Wirkung des Kunststoffs vorhanden ist, werden die Wasser­ anteile des Materials durch Vortrocknung der Borsten 7 besei­ tigt. Das gilt beispielsweise für einen Polyamid-Werkstoff für Borsten, z.B. PA 612.

Als Laser 1 wird beispielsweise ein TEACO₂-Laser einge­ setzt, also ein quer (transverse) angeregter (exited) Atmos­ phärendruck (atmospheric pressure) Kohlendioxyd-Laser, der sich durch Mikrosekunden-Erregung auszeichnet, also entsprechend kurzdauernde Impulse von z.B. kleiner als eine Mikrosekunde er­ zeugen kann. Verwendet werden Impulse von 0,5 s bis 3 s Dauer. Der Leistungsbereich derartiger Laser erstreckt sich in den Kilowattbereich bis Megawattbereich, so daß die Leistung dieses Lasers beim Abrunden während höchstens einer Mikrosekunde z.B. großer als 10 Kilowatt bis 10 Megawatt ist. Die Pulszahl liegt bei 1 bis 10 und die Pulsfolgefrequenz bei 1 bis 200 Hz. Mit einem solchen Verfahren haben sich sehr zufriedenstellende Abrundungen der Borstenenden 6 ergeben, wobei die Rundungen einerseits groß genug sind, um das Zahnfleisch nicht zu ver­ letzen und andererseits so geformt sind, daß sie nicht zum Ver­ haken zwischen den Zähnen führen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Abrunden der aus thermoplastischem Kunst­ stoff bestehenden Borstenenden von Bürsten durch auf eine Vielzahl von Borstenenden gleichzeitig erfolgende Einwir­ kung von Laserstrahlung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gepulste Laserstrahlung mit im Kilowatt- bis Megawattbereich liegender Leistung und mit im Mikrosekundenbereich liegender Impulsdauer bei der Abrundung der Borstenenden (6) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gespitzte Borstenenden (6) abgerundet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Bürsten (4) mit kegelartig gespitzten Borstenenden (6) verwendet werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der gepulsten Laserstrahlung am gespitzten Borstenende (6) ein den Außendurchmesser (B) der Borste (7) nicht überstei­ gender Aufschmelzbereich (9) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor­ stenenden (6) stehend mit im wesentlichen borstenparal­ leler Laserstrahlung bearbeitet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung der borstenparallelen Projektionsfläche aller Borstenenden (6) entsprechend geformt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß jede Bürste (4) während der Einwirkung der Laserstrahlung rela­ tivbewegungsfrei zu letzterer angeordnet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein TEACO₂-Laser verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor­ sten (7) vor ihrer mit Laserstrahlung erfolgenden Bearbei­ tung vorgetrocknet werden.