DE69720049T2 - Process for perforating a polymeric film and polymeric film - Google Patents
Process for perforating a polymeric film and polymeric filmInfo
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Diese Erfindung betrifft industrielle Prozesse für berührungsfreie Perforation ("Stanzen") von Polymerfilmen, die als dünn oder ultradünn angesehen werden, und dünne Polymerfilme, die damit produziert werden.This invention relates to industrial processes for non-contact perforation ("punching") of polymer films considered thin or ultra-thin, and thin polymer films produced thereby.
Idealerweise sollte eine Gerät, das in einem industriellen Prozeß für die Perforationsmaterialen benutzt wird, in der Lage sein, Variabilität von Öffnungen von gewünschter Form ohne Schwierigkeiten zu liefern. In dieser Beschreibung werden die Worte "Perforation" und "Loch" benutzt, um allgemein die Bildung einer Öffnung oder eines Einschnitts in einem Material anzuzeigen, ohne daß irgendwelche Beschränkungen hinsichtlich der so gebildeten Form beabsichtigt sind, es sei denn es wird anderes gesagt.Ideally, an apparatus used in an industrial process for perforating materials should be able to provide variability of openings of desired shape without difficulty. In this specification, the words "perforation" and "hole" are used to indicate generally the formation of an opening or incision in a material, without any limitations being intended as to the shape so formed, unless otherwise stated.
Das Perforieren von bahnartigen Materialien als Teil eines technischen Prozesses erfordert auch Lieferung von Öffnungen durch das Material in übereinstimmender und effizienter Weise bei minimalen Kosten. Häufig muß das Material zu einem hohen Maße durchstoßen werden, jedoch kann die Verwendung von mechanischen Einschlagmethoden zur Verzerrung oder möglicher Schwächung des Materials aufgrund von örtlicher Streckung des Materials oder anderer Beschädigungen, die sich aus dem Kontakt mit der durchstoßenden Einrichtung ergeben, führen. Sehr dünne Papiergewebe oder Polymerfilme sind schwierig mechanisch zu verarbeiten. Außerdem sind bei mechanischen Einrichtungen für Änderungen der ausgewählten Größe des Loches gewöhnlich einige Abschaltzeiten und Manipulationen der Loch stanzenden Einrichtungen notwendig, um die zu schneidenden Größen, Abstände usw. zu ändern.Perforating web-like materials as part of an engineering process also requires delivery of openings through the material in a consistent and efficient manner at minimal cost. Often the material must be pierced to a high degree, however the use of mechanical impact methods can result in distortion or possible weakening of the material due to local stretching of the material or other damage resulting from contact with the piercing device. Very thin paper webs or polymer films are difficult to process mechanically. In addition, with mechanical devices, changes in the selected hole size usually require some downtime and manipulation of the hole punching equipment to change the sizes to be cut, spacing, etc.
Eine typische Verwendung mechanischer Lochstanzsysteme ist der Schnitt von Löchern in Polyäthylen-Folien. Die allgemeinen Verfahrensdetails bezüglich der Verwendung derartiger mechanischer Einschlag-Perforations-Verfahren werden in der folgenden Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1 Spezifikation für On-Line-Lochstanzung A typical use of mechanical punching systems is to cut holes in polyethylene films. The general process details regarding the use of such mechanical punching perforation processes are given in Table 1 below. Table 1 Specification for on-line hole punching
In derartigen bekannten Filmen sind die Löcher in typischer Weise von 10 mm Durchmesser und an 100 mm-Zentren angeordnet, mit einem 300 mm Abstand an jeder Seite über die Breite des Filmes. Das Muster wird an 80 mm Intervallen wiederholt.In such known films, the holes are typically 10 mm diameter and arranged at 100 mm centers, with a 300 mm spacing on each side across the width of the film. The pattern is repeated at 80 mm intervals.
Gegenwärtig bekannte Lochstanzsysteme leiden unter einer Anzahl von Begrenzungen hinsichtlich der Ausbeute und der Produktionsrate, der Wahl geeigneter Filmmaterialien und Dicken, und einer Tendenz des Gerätes zu "verstopfen" indem es in dem Material verschmutzt wird. Daher ist es sehr wünschenswert, derartige Systeme zu verbessern und andere Verfahren zu untersuchen, wie beispielsweise berührungsfreie Verfahren.Currently known hole punching systems suffer from a number of limitations in terms of yield and production rate, choice of appropriate film materials and thicknesses, and a tendency of the device to "clog" by becoming contaminated in the material. Therefore, it is highly desirable to improve such systems and to investigate other methods, such as non-contact methods.
Das Konzept der Fokussierung von elektromagnetischer Energie als ein Teilchenstrahl oder Laserstrahl für Schneidzwecke ist durch andere bereits untersucht worden. Diese Verfahren haben sich als erfolgreich bei Papiersubstraten erwiesen, jedoch ist ihre Anwendung bei polymerischen Materialien, insbesondere bei relativ dünnen Filmen (beispielsweise 17 um oder weniger) besonders herausfordernd. In den Fachkreisen beobachtete Probleme umfassen das unkontrollierbare Verbrennen oder Schmelzen des Kunststoffmaterials oder unzureichende Penetration der Objektoberfläche, was zu unzuverlässiger Verarbeitung führt, was sich entweder in irregulärer Lochbildung oder Nichtbildung der gewünschten Perforation manifestiert. Ein weiterer Nachteil ist, daß simultane Perforation einer Vielzahl von Schichten nicht erreicht werden kann, wenn Schmelzen auftritt, weil die entsprechenden Schichten zusammen kleben können.The concept of focusing electromagnetic energy as a particle beam or laser beam for cutting purposes has been investigated by others. These methods have proven successful on paper substrates, but their application to polymeric materials, especially relatively thin films (e.g. 17 µm or less), is particularly challenging. Problems observed in the art include uncontrollable burning or melting of the plastic material or insufficient penetration of the object surface, resulting in unreliable processing, which manifests itself in either irregular hole formation or non-formation of the desired perforation. Another disadvantage is that simultaneous perforation of a plurality of layers cannot be achieved when melting occurs because the corresponding layers may stick together.
Die technische Literatur über industrielle Anwendungen von Lasern zeigt die Verwendung von Lasern zum Perforieren eines Bereichs von Materialien (Papier, Kunststoffe, Keramikmaterialien usw.), bei denen die Perforationen entweder durch thermisches Schmelzen oder durch Abtragung des Materials gebildet werden. Abtragung umfaßt Absorption einer resonanten Wellenlänge mit dem schnellen und effektiven Aufbrechen von chemischen Bindungen in dem Material und nachfolgendes schnelles Verdampfen des Materials, und liefert einen sauberen Eindruck auf dem Material. Unglücklicherweise ist dies ein Verfahren, das bis heute von begrenztem industriellen Wert gewesen ist, da es auf Resonanz bei besonderen Wellenlängen beruht, beschränkt auf solche Materialien, die entsprechende Absorptionscharakteristika zeigen.The technical literature on industrial applications of lasers shows the use of lasers to perforate a range of materials (paper, plastics, ceramics, etc.) where the perforations are formed either by thermal melting or by ablation of the material. Ablation involves absorption of a resonant wavelength with the rapid and effective breaking of chemical bonds in the material and subsequent rapid vaporization of the material, providing a clean impression on the material. Unfortunately, this is a process that has been of limited industrial value to date as it relies on resonance at particular wavelengths, restricted to those materials that exhibit appropriate absorption characteristics.
Abtragungsprozesse werden im allgemeinen durch optische Energie bei Wellenlängen in dem Bereich von 0,2 bis 10 um ausgelöst und die im allgemeinen verwendeten Laser sind Neodymium : Yttrium-Aluminium-Granat (Nd : YAG - Wellenlänge ~1 um) und Kohlendioxid (CO&sub2; - Wellenlänge ~9 bis ~11 um). Die Wellenlänge für Abtragung von einem speziellen Material ist abhängig von der Materialart und der Zusammensetzung. Kapton beispielsweise trägt wirksam ab bei 0,28 um, was mit einer Emissionslänge eines U.V.-Excimer-Lasers zusammenfällt.Ablation processes are generally initiated by optical energy at wavelengths in the range of 0.2 to 10 um and the lasers commonly used are neodymium:yttrium aluminum garnet (Nd:YAG - wavelength ~1 um) and carbon dioxide (CO2 - wavelength ~9 to ~11 um). The wavelength for ablation of a particular material depends on the material type and composition. Kapton, for example, effectively ablates at 0.28 um, which coincides with an emission length of a U.V. excimer laser.
Die Verwendung von Laser basierten Perforations- und Schneideausrüstungen in industriell basierten Prozeßoperationen ist bekannt und hat Anwendung gefunden bei der Perforation von hochdichtem Polyäthylen-Bewässerungsrohr, und beim Schneiden von integrierten Schaltkreisplatten ("CO&sub2; Lasers in Plastics Production", D Werth, Lasers & Applications, Juni 1985). Die Verwendung von Lasern bei Polymer- Materialien wird diskutiert durch S E Nielsen in einem Aufsatz "Laser Material Processing of Polymers", in Polymer Testing 3, 1983, Seiten 303 bis 310, worin die Perforation einer aus Polyurethan bestehenden prothetischen Venen-Einrichtung unter Verwendung von gepulstem Laserlicht beschrieben wird.The use of laser based perforation and cutting equipment in industrial based process operations is well known and has found application in the perforation of high density polyethylene irrigation pipe, and in the cutting of integrated circuit boards ("CO₂ Lasers in Plastics Production", D Werth, Lasers & Applications, June 1985). The use of lasers in polymer Materials are discussed by SE Nielsen in a paper entitled "Laser Material Processing of Polymers", in Polymer Testing 3, 1983, pages 303 to 310, which describes the perforation of a polyurethane prosthetic venous device using pulsed laser light.
Die Verwendung von Lasern bei dünnen Substraten wie beispielsweise Folien oder Geweben wurde in der Papierindustrie untersucht und ist in den folgenden Dokumenten erläutert.The use of lasers on thin substrates such as foils or fabrics has been investigated in the paper industry and is explained in the following documents.
Soweit Arbeit auf Polymerfilmen betroffen ist, beschreibt die EP-A-0 155 035 die Perforation einer Polyolefin-Folientasche für Luftfreisetzungszwecke durch die Verwendung eines Lasers zur Bildung der minimal erreichbaren Perforation, d. h., nicht mehr als etwa 150 um, vorzugsweise 70 bis 90 um. Diese Größen sind zu klein für die gegenwärtigen Zwecke. Insbesondere ist ein derartiger Vorschlag vollkommen ungeeignet für den Zweck der Herstellung von perforierten Polyäthylen-Filmen, wie sie durch mechanisches Durchstanzverfahren erreichbar sind, auf die in Tabelle 1 oben Bezug genommen wird.As far as working on polymer films is concerned, EP-A-0 155 035 describes the perforation of a polyolefin film bag for air release purposes by the use of a laser to form the minimum achievable perforation, i.e., not more than about 150 µm, preferably 70 to 90 µm. These sizes are too small for present purposes. In particular, such a proposal is totally unsuitable for the purpose of producing perforated polyethylene films as achievable by mechanical punching processes referred to in Table 1 above.
Ein Verfahren zur Bildung von größeren Löchern und/oder Schlitzen wird in der WO- A-96119 313 beschrieben, möglicherweise unter Verwendung eines CO&sub2;-Lasers angesichts seiner Wirksamkeit bei der Umsetzung von Strahlungsenergie zu Wärme in dem Material, das perforiert werden soll. Dies umfaßt das zusätzliche Ausrichten eines Gases, welches mit Sauerstoff angereichert sein kann, um die gewünschten Löcher zu brennen. Ein derartiger Vorschlag liefert keine Abtragung und kann nicht angewendet werden, um gute Lochqualität durch mehrfache Schichten hindurch zu liefern.A method for forming larger holes and/or slots is described in WO-A-96119313, possibly using a CO2 laser, given its effectiveness in converting radiant energy to heat in the material to be perforated. This involves additionally directing a gas, which may be enriched with oxygen, to burn the desired holes. Such a proposal does not provide ablation and cannot be applied to provide good hole quality through multiple layers.
Die DE 40 00 561 A1 (nächstliegender Stand der Technik) beschreibt das Hinzufügen eines speziellen Dotierungsmittels (Diphenyltriazin) zu Polymethylmethacrylat in den Beispielen, wobei Löcher mit flachem Boden in einem Arbeitsstück erzeugt werden können, und bezieht sich auch auf früher veröffentlichte Arbeit unter Verwendung von Tinuvin 328 (a2-(2'Hydroxyphenyl) Benzotriazol) als ein Dotierungsmittel in Polymethylmethyacrylat, und schlägt vor, daß zwei andere organische Substanzen, DADA und TPBD, unter Photolyse CO und CO&sub2; liefern. Es gibt auch Spekulationen, daß andere gaserzeugende Substanzen verwendet werden können.DE 40 00 561 A1 (closest prior art) describes the addition of a special dopant (diphenyltriazine) to polymethyl methacrylate in the examples whereby flat bottomed holes can be created in a workpiece and also refers to previously published work using Tinuvin 328 (α2-(2'hydroxyphenyl)benzotriazole) as a dopant in polymethyl methacrylate, and suggests that two other organic substances, DADA and TPBD, yield CO and CO₂ upon photolysis. There is also speculation that other gas-generating substances may be used.
Die GB 1 255 431 beschreibt die Beschichtung von Arbeitsstücken mit einem organischen Mittel vor dem Kontakt mit einem Laserstrahl, benutzt zur Bildung von Löchern in dem Arbeitsstück. Das organische Mittel ist zur Bildung einer Barriere gegen die Fusion von ausgeschleudertem Material mit den Kanten des Loches vorgesehen, das in dem Arbeitsstück gebildet wird, wodurch die Entfernung des ausgeschleuderten Materials danach ermöglicht wird.GB 1 255 431 describes the coating of workpieces with an organic agent prior to contact with a laser beam used to form holes in the workpiece. The organic agent is intended to form a barrier to the fusion of ejected material with the edges of the hole formed in the workpiece, thereby enabling the removal of the ejected material thereafter.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Lieferung von Verbesserungen bei oder betreffend die Perforation von Substraten auf einer kommerziellen Ebene. Ein weiteres Ziel ist die Schaffung einer verbesserten Einrichtung zur Bildung von relativ großen Löchern in dünngewebigen oder folienförmigen Substraten, speziell in Kunststoff-Film-Substraten.An object of the present invention is to provide improvements in or relating to the perforation of substrates on a commercial level. Another object is to provide an improved device for forming relatively large holes in thin web or sheet substrates, especially in plastic film substrates.
Somit beschäftigt sich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit der Schaffung der Perforation von bahnartigen Substraten in Polymermaterialien, wie beispielsweise Polyäthylen, durch ein Abtragungsverfahren unter Verwendung von Energie einer fokussierten oder kohärenten elektromagnetischen Strahlenquelle. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines erfolgreichen Verfahrens der Anwendung von durch eine Laserquelleneinrichtung ausgesandter Energie in einem industriellen Verfahren zur berührung freien Perforation von Bahnsubstraten.Thus, one object of the present invention is to provide for the perforation of web-like substrates in polymeric materials, such as polyethylene, by an ablation process using energy from a focused or coherent electromagnetic radiation source. Another object of the invention is to provide a successful method of applying energy emitted by a laser source device in an industrial process for non-contact perforation of web substrates.
Die EP-A-0 925 140 beschreibt ein Gerät für die einschlagfreie Bildung von einer oder mehreren Perforationen in einer Bahn von Substratmaterial, weicher Apparat folgendes umfaßt:EP-A-0 925 140 describes an apparatus for the impact-free formation of one or more perforations in a web of substrate material, the apparatus comprising:
Einrichtung zum Transport und zum Fördern der Bahn des Substratmaterials durch den Apparat;Device for transporting and conveying the web of substrate material through the apparatus;
eine konzentrierte oder fokussierte elektromagnetische Energiequelle zur Erzeugung eines kohärenten Strahls, der in der Lage ist, ein Substratmaterial abzutragen, vorzugsweise eine Laserquelleneinrichtung mit einer Übertragungswellenlänge, die innerhalb eines Absorptionsbandes in einem Übertragungsspektrum des Substratmaterials liegt; unda concentrated or focused electromagnetic energy source for generating a coherent beam capable of ablating a substrate material, preferably a laser source device having a transmission wavelength that lies within an absorption band in a transmission spectrum of the substrate material; and
Einrichtungen zum Ausrichten des Strahls auf die Bahn des Substratmaterials, wobei der Strahl selektiv und aufeinanderfolgend auf Perforationszielpunkte des Substrats in Abfolge gerichtet wird, zum Beispiel durch periodisches Einschieben einer Einrichtung zum Reflektieren oder Ablenken des Weges des Strahles, um den Strahl auszurichten und eine Abtragung und Perforation der Bahn zu bewirken.Means for directing the beam to the web of substrate material, whereby the beam is selectively and sequentially directed to perforation target points of the substrate in sequence, for example by periodically inserting a means for reflecting or deflecting the path of the beam to direct the beam and cause ablation and perforation of the web.
Vorzugsweise umfassen die Strahlausrichteinrichtungen eine Anordnung von reflektierenden Oberflächen, angeordnet auf einer Stützeinrichtung, die im Betrieb beweglich ist, um jede reflektierende Oberfläche aufeinanderfolgend durch den Laserstrahlweg in einer wiederholbaren Weise einzubringen und dabei automatisch den Strahl von einem Zielpunkt zu dem nächsten entsprechend eines vorbestimmten Programms des Betriebs zu schalten. Das Schalten wird durch die gesteuerte Positionierung der Anordnung von reflektierenden Oberflächen bewirkt und durch gleichzeitiges kontrolliertes Voranbringen der Bahn des Materialsubstrats unter der Strahlausrichteinrichtung.Preferably, the beam alignment means comprise an array of reflective surfaces mounted on a support means which is movable in operation to introduce each reflective surface sequentially through the laser beam path in a repeatable manner and thereby automatically switch the beam from one target point to the next according to a predetermined program of operation. The switching is effected by the controlled positioning of the array of reflective surfaces and by simultaneously controllably advancing the web of material substrate beneath the beam alignment means.
Der Laser kann von einer statischen Betriebspunktposition angrenzend zu dem Bahntransportsystem betrieben werden, im wesentlichen unter fortlaufendem Betrieb während eines Produktionslaufs, wobei all das notwendige Schalten des Strahls durch den Strahlauslieferungsmechanismus erreicht wird, wobei eine reflektierende Oberfläche oder Oberflächen eine Neuausrichtung des Strahls der abtragenden Strahlung gegen die Bahn des Substratmaterials genau da wirksam wird, wo und sobald es erforderlich ist, um so effektiv eine Einrichtung zu liefern, die die Strahlung in Bezug auf den Zielpunkt auf dem Substrat ein- und abschaltet. Durch geeignete Steuerung des Bahnvorschubs in Verbindung mit dem Laserau lieferungsmechanismus können mehrfache Überstreichungen über dem gleichen Zielpunkt auf dem Substrat möglich sein. Eine derartige Anordnung kann durch einen lokalen Mikroprozessor oder durch einen größeren Computer bei der Steuerung des gesamten Produktionslaufs gesteuert werden.The laser may be operated from a static operating point position adjacent to the web transport system, essentially in continuous operation during a production run, with all the necessary switching of the beam being accomplished by the beam delivery mechanism, with a reflective surface or surfaces operative to re-orientate the beam of ablative radiation against the web of substrate material exactly where and when required, so as to effectively provide a means of directing the radiation with respect to the target point on the substrate. By appropriate control of the web feed in conjunction with the laser delivery mechanism, multiple passes over the same target point on the substrate may be possible. Such an arrangement may be controlled by a local microprocessor or by a larger computer in controlling the entire production run.
Während es wünschenswert ist, mit einer minimalen Anzahl von Energiequellen- Einrichtungen zu arbeiten, sollte doch nicht angenommen werden, daß die Erfindung, wie sie hier beschrieben wird, auf die Verwendung von einer einzigen Quelleneinrichtung begrenzt ist. Es können Umstände auftreten, wo mehr als eine Quelle einen Prozeßvorteil liefert. Im allgemeinen jedoch macht das hier beschriebene Verfahren und Gerät es unnötig, sich auf eine Vielzahl von derartigen Quelleneinrichtungen zur Perforation einer Bahn aus Substratmaterial zu stützen.While it is desirable to operate with a minimum number of energy source devices, it should not be assumed that the invention as described herein is limited to the use of a single source device. Circumstances may arise where more than one source provides a process advantage. In general, however, the method and apparatus described herein eliminates the need to rely on a plurality of such source devices to perforate a web of substrate material.
In einer Ausführungsform, beschrieben in der EP-A-0 925 141, umfassen die Einrichtungen zum Aufbringen oder Neuausrichten der abtragenden Strahlung einen um eine Achse drehbaren Körper, die parallel liegt zu der Richtung der von dem Laser ausgesandten Strahlung, welcher Körper mit einer Anzahl von reflektierenden Oberflächen versehen ist, welche während der Drehung des Körpers selektiv und aufeinanderfolgend die Laserstrahlung auf die Bahn des Substratmaterials richten. Dies repräsentiert ein System von wenigen sich bewegenden Teilen, was technisch nicht kompliziert ist und so an die Wartung keine Anforderungen stellt und daher viele Stunden zuverlässiger Arbeitsweise liefern sollte.In one embodiment described in EP-A-0 925 141, the means for applying or redirecting the ablating radiation comprise a body rotatable about an axis parallel to the direction of the radiation emitted by the laser, which body is provided with a number of reflecting surfaces which, during the rotation of the body, selectively and sequentially direct the laser radiation onto the path of the substrate material. This represents a system of few moving parts, which is technically not complicated and thus does not require maintenance and should therefore provide many hours of reliable operation.
Bei einer derartigen erläuternden Ausführungsform umfaßt der rotierbare Körper eine Trommel, deren Rotation eine reflektierende Einrichtung veranlaßt, den Strahl einer Quelleneinrichtung zu unterbrechen und ihn auf ein Band eines Materialsubstrates aufeinanderfolgend in einem wiederholbaren vorbestimmten Muster neu auszurichten. Vorzugsweise wird die Trommel durch einen Motor gedreht, dessen Betrieb durch einen Computer oder Mikroprozessor gesteuert wird, um zu ermöglichen, daß er mit dem Bandtransportsystem synchronisiert ist.In one such illustrative embodiment, the rotatable body comprises a drum, the rotation of which causes a reflecting device to interrupt the beam of a source device and to reorient it onto a band of material substrate sequentially in a repeatable predetermined pattern. Preferably, the drum is rotated by a motor, the operation of which is controlled by a computer or microprocessor to enable it to be synchronized with synchronized with the tape transport system.
Beim Betrieb und bei der Verwendung des Gerätes müssen Überlegungen zu einer Anzahl von Faktoren gemacht werden. Diese Faktoren umfassen die Art des betreffenden tatsächlichen Substratmaterials, die Dicke des Substratmaterials (einlagig oder mehrlagig), die Größe der erforderlichen Perforationen, und die Dichte der erforderten Perforationen. Natürlich haben auch die Betriebseigenschaften des Lasers selbst Einfluß auf den Betrieb des Gerätes und insbesondere auf die Geschwindigkeit, mit der die Bahn des Materialsubstrats unter Verwendung des Gerätes verarbeitet werden kann.In operating and using the device, consideration must be given to a number of factors. These factors include the type of actual substrate material involved, the thickness of the substrate material (single layer or multi-layer), the size of the perforations required, and the density of the perforations required. Of course, the operating characteristics of the laser itself will also affect the operation of the device and in particular the speed at which the web of substrate material can be processed using the device.
Unter Berücksichtigung der Natur des Substratmaterials mag es eingegebenermaßen ein geeignetes Absorptionsband geben, das mit der Emissionswellenlänge der ausgewählten Strahlungsquelle übereinstimmt. Wo daher die Quelle ein Kohlendioxyd-Laser (CO&sub2;-Laser) ist, welches ein Laser ist, der geeignet ist für industrielle Verwendung, mag der Polymerfilm ein Polyimid, ein phillipsartiger heißgepreßter Polyäthylen-Film (siehe Fig. 4), ein Corlona 800 Shell Polyäthylen, oder ein anderes kommerziell erhältlicher Polyäthylen sein, das reich an anhängenden Methylen oder anderen Gruppe ist, das dem Material eine geeignete Absorptionseigenschaft gibt. Wenn das ausgewählte Substratmaterial nicht ein geeignetes Absorptionsband aufweist, das zu der vorgezogenen Laserquelleneinrichtung oder irgendeiner anderen, die zur Verfügung stehen mag, paßt, dann sollte in Übereinstimmung mit einem erfinderischen Aspekt dieser Erfindung dem Gedanken Raum gegeben werden, das ausgewählte Substratmaterial zu modifizieren, um es zu veranlassen, die gewünschten Absorptionseigenschaften zu erlangen. Dieser Aspekt kann auch angewendet werden, um Perforationen auf einem Papiersubstrat in ähnlicher Weise zu erreichen, wie bei der Verarbeitung von Polymerfilmen, wie sie speziell hier beschrieben wird.Taking into account the nature of the substrate material, there may be a suitable absorption band corresponding to the emission wavelength of the selected radiation source. Thus, where the source is a carbon dioxide (CO2) laser, which is a laser suitable for industrial use, the polymer film may be a polyimide, a Phillips type hot pressed polyethylene film (see Figure 4), a Corlona 800 Shell polyethylene, or another commercially available polyethylene rich in pendant methylene or other groups which give the material a suitable absorption characteristic. If the selected substrate material does not have a suitable absorption band to match the preferred laser source device or any other that may be available, then in accordance with an inventive aspect of this invention, contemplation should be given to modifying the selected substrate material to cause it to acquire the desired absorption properties. This aspect can also be applied to achieve perforations on a paper substrate in a similar manner to the processing of polymer films as specifically described herein.
Dies kann gemäß der Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 und 2 beansprucht, durch Einführen eines Dotierungsmittels zu dem Substratmaterial während seiner Herstellung erreicht werden. Geeignete Dotierungsmittel umfassen anorganische Materialien wie beispielsweise Opazifierer, Füller und Pigmente, z. B. Polysiloxane, Silikate und Titania, und organische Materialien, die mit dem Substrat kompatibel sind, beispielsweise geeignet absorbierende Polymer-Additive wie beispielsweise typisches Polyäthylen-kompatibles Co-Monomer, z. B. Vinyl-Azetat, Äthyl-Acrylat, Menthyl- Acrylat, Butyl-Acrylat, ein Vinyl-Ester oder ein Ester von acrylischer Säure oder methacrylischer Säure, und Mischungen davon, um einen Dotierungseffekt durch Bildung eines Co-Polymers mit dem Basis-Polymer zu erhalten. Ein derartiges Polymer umfaßt in ihrer Matrix zusätzliche Funktionalitäten, die in der Lage sind, bei den gewünschten Wellenlängen zu absorbieren, wenn es bestrahlt wird. Natürlich muß, wenn das Dotiermittel ausgewählt wird, Sorge dafür getragen werden, daß im Fall von irgendwelchen nachteiligen Effekten sein Effekt auf die technischen Eigenschaften des Substratmaterials vorausgesehen oder überprüft wird. Somit mag beispielsweise ein Polythenfilm durch den Einschluß von übermäßigen Mengen an Äthylen-Vinyl-Acetat (EVA) Co-Polymer nachteilig beeinflußt werden, was einen signifikanten Effekt hinsichtlich physikalischer Eigenschaften des Films hat. Daher sind das geeignete auszuwählende Dotierungsmittel-Additiv-Material und die verwendete Menge des Dotierungsmittel-Additiv-Materials von einer Anzahl von Faktoren abhängig, wie beispielsweise:This can be achieved according to the invention as claimed in claims 1 and 2 by introducing a dopant to the substrate material during its manufacture. Suitable dopants include inorganic materials such as opacifiers, fillers and pigments, e.g. polysiloxanes, silicates and titania, and organic materials compatible with the substrate, for example suitably absorbing polymer additives such as typical polyethylene compatible co-monomer, e.g. vinyl acetate, ethyl acrylate, menthyl acrylate, butyl acrylate, a vinyl ester or an ester of acrylic acid or methacrylic acid, and mixtures thereof to obtain a doping effect by forming a co-polymer with the base polymer. Such a polymer comprises in its matrix additional functionalities capable of absorbing at the desired wavelengths when irradiated. Of course, when selecting the dopant, care must be taken to anticipate or check for any adverse effects, its effect on the technical properties of the substrate material. Thus, for example, a polythene film may be adversely affected by the inclusion of excessive amounts of ethylene vinyl acetate (EVA) co-polymer, which has a significant effect on the physical properties of the film. Therefore, the appropriate dopant additive material to be selected and the amount of dopant additive material used will depend on a number of factors, such as:
(I) Die erforderliche Wellenlänge;(I) The required wavelength;
(II) die geforderte mechanische Festigkeit des Polymerfilms; und(II) the required mechanical strength of the polymer film; and
(III) die Schaffung einer Abtragungsrate angemessen für eine praktische Produktionsumgebung.(III) the establishment of a removal rate appropriate for a practical production environment.
Die Dotierungsmittel mögen bis zu 20 Gew.-%, beispielsweise 1 bis 10 Gew.-% des Films umfassen. Im Falle eines anorganischen Dotierungsmittels, beispielsweise Silikat- Material, mag das Dotierungsmittel weniger als 9% des endgültigen Films umfassen, bezogen auf das Gewicht, vorzugsweise 4 bis 5%.The dopants may comprise up to 20%, for example 1 to 10%, by weight of the film. In the case of an inorganic dopant, for example silicate material, the dopant may comprise less than 9% of the final film by weight, preferably 4 to 5%.
Ein signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, das sie relativ große Löcher, größer als 1 mm (0,001 m) in dünnen Polymerfolien zu bilden ermöglicht, beispielsweise in dünnen Filmen von Polyäthylen von beispielsweise 70 um oder weniger, bis etwa 400 um Dicke. Die Erfindung kann auch nutzbringend angewendet werden bei der gleichzeitigen Perforation von multiplen Schichten, welche durch Abtragung eine schnelle Perforation sauber durch die Schichten ermöglicht, die trennbar bleiben. Die Erfindung liefert auch die Fähigkeit des Einstechens von sehr großen Löchern durch Anwendung eines aufeinanderfolgenden engen Perforationsverfahrens.A significant advantage of the present invention is that it enables relatively large holes, larger than 1 mm (0.001 m) to be formed in thin polymer films, for example in thin films of polyethylene of, for example, 70 µm or less, up to about 400 µm thick. The invention can also be usefully applied in the simultaneous perforation of multiple layers, which by ablation enables rapid perforation cleanly through the layers, which remain separable. The invention also provides the capability of piercing very large holes by using a sequential, narrow perforation process.
Um das Substratmaterial effektiv abzutragen, muß die Wellenlänge der Strahlung, die durch den Laser ausgesandt wird, für das Substratmaterial geeignet sein, daß ist von der richtigen Ordnung sein, da ansonsten das Substratmaterial nicht abgetragen wird, sondern schmelzen und verbrennen wird. Daher wird der Laser ausgewählt oder wenn möglich abgestimmt, um eine Wellenlänge auszustrahlen, die zusammen fällt mit oder im wesentlichen gleich ist wie die Absorptionswellenlänge des abzutragenden Substratmaterials. Da jedoch das Auswählen und Installieren einer Laserquelleneinrichtung eine größere Kaptalinvestition in jeder Produktionslinie ist, wird vorgezogen, eine vorausgehende Modifikation des Substratmaterials zu bedenken.In order to effectively ablate the substrate material, the wavelength of radiation emitted by the laser must be suitable for the substrate material, that is, of the correct order, otherwise the substrate material will not be ablated but will melt and burn. Therefore, the laser is selected or, if possible, tuned to emit a wavelength that coincides with or is substantially the same as the absorption wavelength of the substrate material to be ablated. However, since selecting and installing a laser source device is a major capital investment in any production line, it is preferred to consider prior modification of the substrate material.
Wenn daher die Absorptionswellenlänge des Substratmaterials nicht in dem richtigen Bereich mit Bezug auf die zur Verfügung stehende Laserquelleneinrichtung ist, ist es vorzuziehen, die Absorptionswellenlänge des Substratmaterials während der anfänglichen Herstellung des Materials, d. h. während eines vorausgehenden Schmelzschrittes vor der Filmbildung, oder während eines Papierbahnbildungsschrittes durch Hinzufügen von geeigneten Dotierungs- oder Additivmaterialien wie beispielsweise Pigmente oder Co-Monomer anzupassen, die zur Lieferung der geeigneten Absorptionseigenschaften wie sie oben erwähnt wurden, identifiziert sind.Therefore, if the absorption wavelength of the substrate material is not in the correct range with respect to the available laser source equipment, it is preferable to adjust the absorption wavelength of the substrate material during the initial preparation of the material, i.e. during a preliminary melting step before film formation, or during a paper web forming step, by adding suitable dopant or additive materials such as pigments or co-monomers identified to provide the appropriate absorption properties as mentioned above.
Eine breite Auswahl von Laserquelleneinrichtungen steht zur Verfügung und es wird angenommen, daß die Erfindung mit jeder Lasereinrichtung arbeiten kann, die in der Lage ist, Strahlung der richtigen Wellenlänge von einer ausreichenden Leistungsdichte abzugeben, um eine Abtragung zu bewirken, statt daß das Substratmaterial geschmolzen wird. Vorzuziehende Laser sind die hochleistungsfähigen monochromatischen Laser, wie beispielsweise Excimer-Laser und Kohlendioxid-Laser.A wide variety of laser source devices are available and it is believed that the invention can work with any laser device capable of delivering radiation of the correct wavelength at a sufficient power density to effect ablation rather than melting the substrate material. Preferred lasers are the high power monochromatic lasers such as excimer lasers and carbon dioxide lasers.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr als Beispiel mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:Embodiments of the present invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings:
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung eines generalisierten Prozesses der Erfindung zur Perforation eines Materials unter Verwendung eines Lasers;Fig. 1 is a schematic block diagram illustrating a generalized process of the invention for perforating a material using a laser;
Fig. 2 ein optisches Absorptionsspektrum durch eine bekannte 50 um Polythenfilmprobe;Fig. 2 shows an optical absorption spectrum through a known 50 µm polythene film sample;
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Abtragungsrate von einem Polythenfilm durch eine Ätzungsrate über den Fluß für das Beispiel in Fig. 2 unter Verwendung eines 193 um Excimer-Lasers mit Ätzungsraten von 35 um und 50 um;Fig. 3 is a graphical representation of the removal rate of a polythene film by an etch rate versus flux for the example in Fig. 2 using a 193 µm excimer laser with etch rates of 35 µm and 50 µm;
Fig. 4 das optische Absorptionsspektrum eines Phillips-Typs-Heißdruck- Polythens;Fig. 4 shows the optical absorption spectrum of a Phillips-type hot-pressed polythene;
Fig. 5 das optische Absorptionsspektrum eines Carlona-800-Shell-Polythens;Fig. 5 the optical absorption spectrum of a Carlona 800 shell polythene;
Fig. 6 das optische Absorptionsspektrum eines generischen Polythens, das reich an anhängenden Methylengruppen ist;Fig. 6 the optical absorption spectrum of a generic polythene rich in pendant methylene groups;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer vorzugsweisen Ausführungsform eines Apparates für die Bildung von einem Loch oder Löchern in einem Polymerfilm gemäß dem Prozeß der vorliegenden Erfindung;Fig. 7 is a schematic diagram of a preferred embodiment of an apparatus for forming a hole or holes in a polymer film according to the process of the present invention;
Fig. 8 eine schematische Endansicht des Apparates gemäß Fig. 7,Fig. 8 is a schematic end view of the apparatus according to Fig. 7,
Fig. 9 schematisch die Parameter, die bei der Lochbildung unter Verwendung der Erfindung involviert sind;Fig. 9 schematically shows the parameters involved in hole formation using the invention;
Fig. 10 eine Repräsentation durch eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Höhe über der Arbeitsfläche und dem Trommelradius für das Gerät gemäß Fig. 7;Fig. 10 is a representation by graphical representation of the relationship between the height above the work surface and the drum radius for the device according to Fig. 7;
Fig. 11 optische Absorptionsspektra (CO&sub2;-Laser) für 3 Polythenfolientypen (A, B und C), die in dieser Erfindung benutzt werden;Fig. 11 optical absorption spectra (CO2 laser) for 3 types of polythene films (A, B and C) used in this invention;
Fig. 12 die Ergebnisse der Abtragung eines 50 um dicken, mit anorganischen Materialen dotierten Polymerfolien Typs (A), dessen Absorptionsspektrum in Fig. 11 dargestellt ist;Fig. 12 shows the results of the removal of a 50 µm thick polymer film type (A) doped with inorganic materials, the absorption spectrum of which is shown in Fig. 11;
Fig. 13 die Ergebnisse der Abtragung von einer 150 um dicken Folie (C), einschließlich sowohl eines anorganischen Dotierungsmittels wie auch eines copolymeren Dotierungsmittels in dem Polymer-Beispiel, dessen Absorptionsspektrum in Fig. 11 gezeigt ist; undFig. 13 shows the results of ablation of a 150 µm thick film (C), including both an inorganic dopant and a copolymeric dopant in the polymer example whose absorption spectrum is shown in Fig. 11; and
Fig. 14 die Ergebnisse der Abtragung einer dotierten, 200 um dicken Folie des Typs (B), dessen Absorptionsspektrum in Fig. 11 dargestellt ist.Fig. 14 shows the results of the ablation of a doped, 200 µm thick foil of type (B), whose absorption spectrum is shown in Fig. 11.
In Fig. 1 der Zeichnungen ist mit Hilfe eines Blockdiagramms ein allgemeiner Überblick auf das Verfahren der Perforation einer Bahn von Substratmaterial wiedergegeben. In diesem Beispiel wird das Verfahren an einer Bahn von Substratmaterial angewendet, welches ein Polymerfilm 15 ist, hier eine Folie von Polythen.In Fig. 1 of the drawings, a general overview of the process of perforating a web of substrate material is given by means of a block diagram. In this example, the process is applied to a web of substrate material which is a polymer film 15, here a film of polythene.
Mit diesem allgemeinen Verfahren, wie es dargestellt ist, wird der Polymerfilm 15 durch eine Perforation zur Operationszone hindurch transportiert, beispielsweise mit Hilfe eines herkömmlichen Schicht- oder Filmtransportförderersystem 23. An einem Punkt in der Operationszone ist ein Laserperforationsgerät 20 mit Bezug auf den transportierten Polymerfilm 15 angebracht. Der Apparat umfaßt optische Einrichtungen 21 zur Strahlformung, um sicherzustellen, daß der Laserstrahl kohärent und wohl definiert ist, und optische Einrichtungen 22 zur Strahlabgabe zur Auslösung des Strahls genau und präzise auf die Oberfläche des Polymerfilms 15.With this general method as illustrated, the polymer film 15 is transported through a perforation to the operative zone, for example by means of a conventional sheet or film transport conveyor system 23. At a point in the operative zone, a laser perforation device 20 is mounted with respect to the transported polymer film 15. The apparatus includes beam shaping optics 21 to ensure that the laser beam is coherent and well defined, and beam delivery optics 22 to fire the beam accurately and precisely onto the surface of the polymer film 15.
Aus der dargestellten Ausführungsform wird deutlich werden, daß das Strahlabgabesystem auf dem als Strahlzeitmultiplex bekannten Verfahren basiert, aufgrund der Tatsache, daß der Strahl aufeinanderfolgend geschaltet wird, um unterschiedliche Zielgebiete auf dem Film 15 zu beleuchten. Die alternative Technik des Strahlteilmultiplexierens hat den Nachteil der Reduktion der Energie des Strahls durch die Teilung. Daher muß bei dieser Technik größere Sorgfalt angewendet werden, um sicherzustellen, daß die gewünschte Abtragung erreicht wird. Das erfindungsgemäße Konzept des Treffens eines speziellen Absorptionsbandes kann weiterhin angewandt werden, vorausgesetzt, daß der geteilte Strahl weiterhin eine Abtragung bewirken kann. Wo die auf das Zielgebiet gelieferte Energiedichte nicht ausreicht, um eine Abtragung zu erreichen, wird das Rohmaterial die Energie absorbieren und nur schmelzen und die Lochbildung wird zufällig.From the illustrated embodiment it will be apparent that the beam delivery system is based on the technique known as beam time division multiplexing, due to the fact that the beam is switched sequentially to illuminate different target areas on the film 15. The alternative technique of beam split multiplexing has the disadvantage of reducing the energy of the beam by splitting. Therefore, greater care must be taken with this technique to ensure that the desired ablation is achieved. The inventive concept of hitting a specific absorption band can still be used provided that the split beam can still effect ablation. Where the energy density delivered to the target area is insufficient to effect ablation, the raw material will absorb the energy and just melt and hole formation will be random.
Natürlich kann der Nachteil der Strahlenenergiereduktion durch Teilung überwunden werden, indem die Lasereinrichtung und zugehörige optische Einrichtungen relativ zu der Zielfilmoberfläche bewegt oder durch Lieferung von vielfachen Laserquellen entsprechend der Anzahl der Löcher, die auf dem Film erforderlich sind, vorgesehen werden. Jedoch repräsentieren derartige Alternativen zusätzliche Kosten und verkomplizierende Faktoren, die anregen, diese Optionen in einer industriellen Folienproduktionslinie nicht zu bevorzugen.Of course, the disadvantage of beam energy reduction by division can be overcome by moving the laser device and associated optics relative to the target film surface or by providing multiple laser sources corresponding to the number of holes required on the film. However, such alternatives represent additional costs and complicating factors that suggest these options are not preferred in an industrial film production line.
Mit Bezug zu den Fig. 7 und 8 der Zeichnungen wird die hier erläuterte Ausführungsform eines Laserperforationsapparates gemäß der Erfindung nunmehr in größeren Einzelheiten beschrieben.With reference to Figures 7 and 8 of the drawings, the embodiment of a laser perforation apparatus according to the invention explained here will now be described in more detail.
Der Apparat umfaßt einen Laser 20 mit optischen Einrichtungen zur Strahlformung, mit optischen Mechanismen zur Strahlabgabe (kontakt-freie Perforationseinrichtung) 25, und Filmtransporteinrichtungen (nicht dargestellt), um den Polymerfilm 15 durch die Verarbeitungsausrüstung in die Richtung zu transportieren, die durch den Pfeil dargestellt ist, vorbei an dem Laser und unter den Strahlabgabemechanismus 25. In der speziellen Ausführungsform ist der Laserperforationsapparat 25 so positioniert, daß der von dem Laser 10 ausgestrahlte Laserstrahl transversal zu der Richtung des Transports des Polymerfilms 15 angeordnet ist.The apparatus includes a laser 20 with optical means for beam shaping, optical mechanisms for beam delivery (non-contact perforation means) 25, and film transport means (not shown) for transporting the polymer film 15 through the processing equipment in the direction shown by the arrow, past the laser and under the beam delivery mechanism 25. In the specific embodiment, the laser perforation apparatus 25 is positioned so that the laser beam emitted by the laser 10 is transverse to the direction of transport of the polymer film 15.
Der in der dargestellten Anordnung verwendete Laser 20 ist mit Bezug auf Polymerfilm oder zu verarbeitenden Filme ausgewählt und insbesondere mit Bezug auf die Materialien, die unter Verwendung der Ausrüstung bearbeitet oder voraussichtlich bearbeitet werden sollen. Dies beruht hauptsächlich auf der Tatsache, daß in der Behandlung von polymerischen Filmen insbesondere die Abtragung des Materials durch Laserbestrahlung vorzugsweise so erfolgt, daß saubere und wohl definierte Perforationen geliefert werden, wie weiter vorne erläutert wurde, um Schmelzen und Verbrennen des Materials zu vermeiden.The laser 20 used in the arrangement shown is selected with reference to the polymer film or films to be processed and in particular with reference to the materials to be processed or expected to be processed using the equipment. This is mainly due to the fact that in the treatment of polymeric films in particular the ablation of the material by laser irradiation is preferably carried out in such a way as to provide clean and well-defined perforations, as explained above, in order to avoid melting and burning of the material.
Um sicherzustellen, daß das Material des Films 15 abgetragen wird, sollte die Wellenlänge des von dem Laser ausgesandten Lichtes bei der Absorbtions- Wellelänge des polymerischen Materials liegen. Da industrielle Laser im allgemeinen eine bestimmte Wellenlänge der Abstrahlung haben, mag es notwendig sein, die Wellenlänge der Absorption des Materials des Polymerfilms anzupassen, um eine Abtragung wie oben beschrieben sicherzustellen.To ensure that the material of the film 15 is removed, the wavelength of the light emitted by the laser should be wavelength of the polymeric material. Since industrial lasers generally have a specific wavelength of emission, it may be necessary to adjust the wavelength of absorption of the polymer film material to ensure ablation as described above.
In diesem Beispiel benutzt der Apparat einen CO&sub2; Laser mit hoher Ausgangsleistung in dem Wellenlängenbereich von 9 um bis 11 um.In this example, the apparatus uses a high output CO2 laser in the wavelength range of 9 um to 11 um.
Der Laser 20 liefert die zur Perforation des Polymerfilms 15 erforderliche Energie und dies ist in der Form eines fokussierten, d. h. wohl definierten scharfen Laserstrahls von kohärenter Strahlung. Diejenigen mit Erfahrung auf dem Gebiet der Laser werden die Prinzipien der Strahlformung und Ausrichtung verstehen. Kurz gesagt, nachdem der Strahl von dem Laser ausgesandt worden ist, durchläuft er die optischen Einrichtungen 21 zur Laserformung (Fig. 1). Die Geometrie des Strahls wird durch die Laserformungsoptik 21 modifiziert, so daß der Fluß (Energie pro Flächeneinheit) in der Ebene des Films 15 maximiert und auf die Abmessungen der Perforation begrenzt wird.The laser 20 provides the energy required to perforate the polymer film 15 and this is in the form of a focused, i.e. well defined, sharp laser beam of coherent radiation. Those experienced in the field of lasers will understand the principles of beam shaping and alignment. Briefly, after the beam is emitted from the laser, it passes through the laser shaping optics 21 (Fig. 1). The geometry of the beam is modified by the laser shaping optics 21 so that the flux (energy per unit area) in the plane of the film 15 is maximized and limited to the dimensions of the perforation.
Der Strahlabgabemechanismus verwendet optische Einrichtungen, hier Spiegel 35, um den die Strahlformungsoptik verlassenden Strahl für korrekte Abtragung von der Oberfläche des Films 15 neu auszurichten und zu positionieren, um die Perforation zu erhalten. In der Praxis ist es gewöhnlich notwendig, eine Vielzahl von Perforationen bei hohen Geschwindigkeiten der Herstellungsoperation zu bilden. In dieser Ausführungsform werden vielfache Perforationen schnell und aufeinanderfolgend durch Strahlzeitmultiplexieren abgetragen. Infolgedessen ist zu jedem einzelnen Zeitmoment nur ein Strahl vorhanden, der auf das Substrat einwirkt, aber die Geschwindigkeit des Betriebs ist derart, daß dies für einen Beobachter nicht offensichtlich wäre.The beam delivery mechanism uses optical devices, here mirrors 35, to realign and position the beam exiting the beam shaping optics for correct ablation from the surface of the film 15 to obtain the perforation. In practice, it is usually necessary to form a plurality of perforations at high speeds of the manufacturing operation. In this embodiment, multiple perforations are ablated rapidly and sequentially by beam time multiplexing. As a result, there is only one beam acting on the substrate at any single instant in time, but the speed of operation is such that this would not be obvious to an observer.
In dieser besonderen Ausführungsform des Apparates umfaßt die optische Einrichtung 25 zur Ausgabe des Strahls eine Trommel 30, die um eine Achse im wesentlichen parallel zur Richtung der Laserstrahlung drehbar, aber damit nicht koaxial ist. Die Trommel besitzt eine äußere Oberfläche, auf die eine Anzahl von Spiegeln 35 montiert ist. Die Trommel 30 ist transversal zu der Richtung der Bewegung eines Bandsubstrats angeordnet, das perforiert werden soll, und sie erstreckt sich über seine gesamte Breite.In this particular embodiment of the apparatus, the optical device 25 for outputting the beam comprises a drum 30 which is pivoted about an axis substantially rotatable parallel to the direction of laser radiation, but not coaxial therewith. The drum has an outer surface on which a number of mirrors 35 are mounted. The drum 30 is arranged transversely to the direction of movement of a tape substrate to be perforated and extends across its entire width.
Die Trommel 30 wird um die Achse der Rotationssymmetrie durch eine Riemenantriebseinrichtung gedreht, hier dargestellt aber unnummeriert, wobei Leistung von einem Motor, welcher ein elektrischer Motor sein mag, durch einen Riemen zu einer Geschwindigkeits-Reduktions-Antriebswelle übertragen wird, die an der Trommel 30 angebracht ist.The drum 30 is rotated about the axis of rotational symmetry by a belt drive device, shown here but unnumbered, wherein power from a motor, which may be an electric motor, is transmitted by a belt to a speed reduction drive shaft attached to the drum 30.
Im Betrieb erfordert der Perforationsprozeß, daß der Polymerfilm 15 in eine geeignete Zielzone transportiert wird, und daß die Trommel 30 von dem Motor gedreht wird, während der CO&sub2;-Laser 20 einen Strahlungsstrahl emittiert, welcher durch die Strahlformungseinrichtungen 20 hindurch läuft, bevor er gegen einen der Spiegel 35 auf der Trommel 30 auftrifft, und daß er nach unten auf den Polymerfilm 15 abgelenkt wird, wo er das Material des Films 15 abträgt und eine Perforation bildet.In operation, the perforation process requires that the polymer film 15 be transported to an appropriate target zone and that the drum 30 be rotated by the motor while the CO2 laser 20 emits a beam of radiation which passes through the beam shaping devices 20 before striking one of the mirrors 35 on the drum 30 and is deflected downwardly onto the polymer film 15 where it ablates the material of the film 15 and forms a perforation.
Zur Bestimmung der zu steuernden Faktoren für den Betrieb des Laserperforationsapparates wurden die folgenden allgemeinen Punkte berücksichtigt:To determine the factors to be controlled for the operation of the laser perforation device, the following general points were taken into account:
Die Erfindung beruht auf der Verwendung der Abtragung, im Gegensatz zum Schmelzen, und dies kann nur Auftreten, wo das bestrahlte Zielmaterial zu starker molekularer Absorption in Resonanz mit der auftreffenden Wellenlänge in der Lage ist. Somit ist die Auswahl des Lasers auf die natürlichen molekularen Absorptionsbänder des Materials begrenzt. Weiter hängt die Abtragungsrate von Energiedichte ab. Um Bindungen aufzubrechen und Material von einem Körper des Polymers herauszuschleudern, muß eine Schwellwertenergie zur Verfügung stehen, wodurch eine kritische Energiedichte erforderlich ist. Während die Energiedichte ansteigt, kann mehr Material verdampft werden. Schließlich sättigt sich die Rate jedoch.The invention relies on the use of ablation, as opposed to melting, and this can only occur where the irradiated target material is capable of strong molecular absorption in resonance with the incident wavelength. Thus, the choice of laser is limited to the natural molecular absorption bands of the material. Furthermore, the ablation rate depends on energy density. In order to break bonds and eject material from a body of polymer, a threshold energy must be available, thus requiring a critical energy density. As the energy density increases, more material can be vaporized. Eventually, however, the rate saturates.
Sättigung der Abtragungsrate, bei der eine Erhöhung in der Eingangslaserenergiedichte die Tiefe der auftretenden Materialabtragung nicht mehr erhöht, tritt um die 1/e Absorptionstiefe auf, d. h., wenn die Dicke des Materials ausreichend ist, um ungefähr 37% des eintreffenden Signals zu absorbieren. Im allgemeinen kann ein Polythen und ein ähnlicher Kunststoff von einem typischen Excimerlaser mit einer Rate von 0,5-1 um abgetragen werden, mit einer Sättigungsenergiedichte in der Größenordnung von 5 J/cm².Ablation rate saturation, where an increase in the input laser energy density no longer increases the depth of material removal occurring, occurs around 1/e absorption depth, i.e. when the thickness of the material is sufficient to absorb approximately 37% of the incident signal. In general, polythene and similar plastics can be ablated by a typical excimer laser at a rate of 0.5-1 µm, with a saturation energy density on the order of 5 J/cm2.
Die Rate, mit der Material abgetragen wird, wird für eine gegebene Energiedichte durch die Absorption des Materials an der Laserwellenlänge festgelegt. Eine stärkere Absorption führt zu resonanter Absorption durch eine chemische Bindung, die dann durch Abtragung bricht, in Bevorzugung gegenüber Schmelzen, und somit wird mehr Material in einem einzigen Schuß abgetragen. Wenn das Band schwach ist, wird viel der Pulsenergie in thermische Energie verwandelt und daher verschwendet. An Polymermaterial ausgeführte Teste haben gezeigt, daß eine 1/e Absorptionslänge von 1-2 um zu saturierter Abtragung mit einer Rate von ~2 um pro Schuß für einen typischen Excimerlaser führt, der für die Abtragung von Polymer benutzt wird, welcher eine Emissionswellenlänge von 193 nm, eine Energie pro Puls von 4 mJ und einen Arbeitszyklus von 5 Hz, 20 ns pro Puls, aufweist.The rate at which material is removed is determined, for a given energy density, by the material's absorption at the laser wavelength. Stronger absorption results in resonant absorption by a chemical bond, which then breaks by ablation, in preference to melting, and thus more material is removed in a single shot. If the band is weak, much of the pulse energy is converted to thermal energy and is therefore wasted. Tests performed on polymer material have shown that a 1/e absorption length of 1-2 µm results in saturated ablation at a rate of ~2 µm per shot for a typical excimer laser used for polymer ablation, which has an emission wavelength of 193 nm, an energy per pulse of 4 mJ, and a duty cycle of 5 Hz, 20 ns per pulse.
Weiterhin muß die Energiedichte einen kritischen Pegel über die Gesamtheit der Form erreichen, die abgetragen werden soll, wenn ein Loch in einem einzigen Durchgang erzeugt werden soll. Somit muß die von dem Laser emittierte Energie mit dem Quadrat des Durchmessers des zu formenden Loches erhöht werden. Die für den typischen Excimerlaser zur Verfügung stehenden Energien, wie in dem vorigen Paragraph spezifiziert wurde, sind für Löcher mit 200 um im Durchmesser geeignet, jedoch muß für größere Löcher der Strahl abgetastet werden. Auch ist ein Excimer nicht geeignet zur Durchstechung von großen Löchern, weil die Energieablieferungsrate zu niedrig ist.Furthermore, the energy density must reach a critical level over the entire shape to be ablated if a hole is to be formed in a single pass. Thus, the energy emitted by the laser must increase as the square of the diameter of the hole to be formed. The energies available for the typical excimer laser, as specified in the previous paragraph, are suitable for holes 200 µm in diameter, but for larger holes the beam must be scanned. Also, an excimer is not suitable for piercing large holes because the energy delivery rate is too low.
Nachdem erst einmal die Abtragungsrate gesättigt ist, erhöht eine Erhöhung der Eingangslaserenergiedichte nicht die Tiefe des in einem einzigen Impuls abgetragenen Materials. Um daher die Rate der Materialentfernung zu erhöhen, muß die Impuls-Wiederholungsrate erhöht werden, statt die Energiedichte.Once the ablation rate is saturated, increasing the input laser energy density does not increase the depth of material ablated in a single pulse. Therefore, to increase the rate of material removal, the pulse repetition rate must be increased rather than the energy density.
Für effektive berührungsfreie Verarbeitung muß die Laserquelle an die Materialeigenschaften und die Prozeßanforderungen genau angepaßt werden. Um die geeignetste Quelle zu identifizieren, um große (10 mm) Löcher in Material durch Abtragung zu schneiden, wurde experimentelle Arbeit durchgeführt.For effective non-contact processing, the laser source must be precisely matched to the material properties and process requirements. Experimental work was carried out to identify the most suitable source to cut large (10 mm) holes in material by ablation.
Abtragung ist der Schlüssel zur Bildung von Hochqualitätslöchern in dem Polymer und tritt nur auf, wenn der auftreffende Energieeingang mit der Probenabsorption in Resonanz steht. Eine kurze Liste derartiger Wellenlängen läßt sich von Absorptionen des optischen Absorptionsspektrums erhalten. Fig. 2 zeigt das optische Absorptionsspektrum von einer Probe bekannter Polyäthylenfolie von 50 um (80% LDPE, 20% LLDPE), zwischen 0,190 um und 25 um. Das Spektrum ist hinsichtlich der Hintergrundabsorption korrigiert. Die Bänder werden in Tabelle 2 aufgelistet mit Lasern, die Emissionen nahe der Wellenlänge besitzen. Tabelle 2: Optische Absorptionsbänder bekannter Polythenprobe und Laser mit resonanten Emissionswellenlängen. Ablation is the key to forming high quality holes in the polymer and only occurs when the incident energy input is in resonance with the sample absorption. A short list of such wavelengths can be obtained from absorptions of the optical absorption spectrum. Fig. 2 shows the optical absorption spectrum of a sample of known 50 µm polyethylene film (80% LDPE, 20% LLDPE), between 0.190 µm and 25 µm. The spectrum is corrected for background absorption. The bands are listed in Table 2 with lasers having emissions close to the wavelength. Table 2: Optical absorption bands of known polythene sample and lasers with resonant emission wavelengths.
Es gibt keine Absorptionskompatibilität mit den zwei am häufigsten benutzten Lasern, CO&sub2; um 10 um oder Nd : YAG bei 1,064 um. Von den aufgelisteten Lasern ist jedoch der Excimerlaser der für die Materialbearbeitung am häufigsten benutzte.There is no absorption compatibility with the two most commonly used lasers, CO2 at 10 µm or Nd:YAG at 1.064 µm. However, of the lasers listed, the excimer laser is the most commonly used for material processing.
Das Absorptionsspektrum der Fig. 2 zeigt, daß die Probe eine Absorption von ungefähr 90% (10% Transmission) durch 50 um bei der Excimerwellenlänge von 193 nm aufweist. Dies entspricht einer Absorptionslänge von 20 um.The absorption spectrum of Figure 2 shows that the sample has an absorption of approximately 90% (10% transmission) through 50 µm at the excimer wavelength of 193 µm. This corresponds to an absorption length of 20 µm.
Die Absorption von Polymeren wird stärker bei kürzeren Wellenlängen, so daß die Absorptionswellenlänge entsprechend abnimmt. Da jedoch die Zuverlässigkeit von Excimerlasern, die bei Wellenlängen kürzer als 193 nm arbeiten, relativ schlecht ist, werden sie für industrielle Anwendungen als nicht geeignet angesehen.The absorption of polymers becomes stronger at shorter wavelengths, so that the absorption wavelength decreases accordingly. However, since the reliability of excimer lasers operating at wavelengths shorter than 193 nm is relatively poor, they are considered unsuitable for industrial applications.
Es wurde gefunden, daß die Abtragungsrate von der Energiedichte des auftreffenden Laserstrahls an dem Absorptionsband abhängt. Um die Bedeutung der Laseroperationswellenlänge zu bestätigen, wurden Polymerproben mit Energiedichten von 1 bis 10 J/cm² von Quellen ausgesetzt, die außerhalb eines Absorptionsbandes betrieben wurden; CO&sub2; Laser bei 10,6 um und 9,4 um und ein Excimerlaser bei 251 nm. In jedem Fall schmolz die Polythenschicht unkontrollierbar.The ablation rate was found to depend on the energy density of the incident laser beam at the absorption band. To confirm the importance of the laser operating wavelength, polymer samples were exposed to energy densities of 1 to 10 J/cm2 from sources operating outside an absorption band; CO2 lasers at 10.6 µm and 9.4 µm and an excimer laser at 251 µm. In each case, the polythene layer melted uncontrollably.
Die Daten in Fig. 3 zeigen die Tiefe des pro Schuß von einem typischen Excimerlaser, wie weiter oben definiert, abgetragenen Testmaterials. Diese Resultate zeigen, daß eine Energiedichte von zumindest 10 J/cm² notwendig ist, um 0,5 um Tiefe abzutragen.The data in Fig. 3 show the depth of test material removed per shot by a typical excimer laser as defined above. These results demonstrate that an energy density of at least 10 J/cm² is necessary to remove 0.5 μm depth.
Die Daten bestätigen, daß die Abtragungsrate sich um 10 J/cm² sättigt, so daß einfaches Erhöhen der Energiedichte nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Schnittrate führen wird. Diese Erhöhungsrate ist in Übereinstimmung mit den Erwartungen aufgrund der relativ schwachen Absorption des Bandes.The data confirm that the removal rate saturates around 10 J/cm2, so that simply increasing the energy density will not lead to a significant increase in the cutting rate. This rate of increase is in line with expectations due to the relatively weak absorption of the tape.
Die Abtragung durch zwei Schichten wurde getestet und es wurde bestätigt, daß sie sauber ohne Schmelzen erfolgte. Die zwei Schichten schmolzen nicht zusammen.The two-layer removal was tested and confirmed to be clean without melting. The two layers did not melt together.
Die Fläche des abgetragenen Materials hängt von der Laserleistung ab. Eine Energiedichte von 10 J/cm² ist notwendig, um 0,5 um des Materials abzutragen. Jedoch war der hier benutzte Laser ein Hochleistungsexcimerlaser, geeignet zur Abtragung von Polymer, wie folgt:The area of material removed depends on the laser power. An energy density of 10 J/cm² is necessary to remove 0.5 um of material. However, the laser used here was a high power excimer laser, suitable for removing polymer, as follows:
Produkt: Lambda Physik LPX325i; Nova tube und Halo safe für hohe Zulässigkeit und einfache Benutzung;Product: Lambda Physik LPX325i; Nova tube and Halo safe for high admissibility and easy use;
Mehr als 1,5 Milliarden Schüsse für eine einzige Gasfüllung;More than 1.5 billion shots for a single gas filling;
Emissionswellenlänge: 193 nm; Energie pro Impuls: 25 mJ; undEmission wavelength: 193 nm; energy per pulse: 25 mJ; and
Arbeitszyklus: 250 Hz, 20 ns Impuls.Duty cycle: 250 Hz, 20 ns pulse.
Dieser Laser emittierte nur 4 mJ pro Impuls, was zu einem maximalen Lochdurchmesser, ohne Abtastung, von 225 um führte. Die maximale von dieser Klasse von Lasern erlangbare Energie liegt um 25 mJ, so daß der maximale Lochdurchmesser pro Impuls sehr klein, um 564 um bleibt. Um besondere Anforderungen zu erfüllen ist ein Mehrfach-Durchlaufschema mit einem Laser erforderlich, der bei extrem hohen Frequenzen arbeitet.This laser emitted only 4 mJ per pulse, resulting in a maximum hole diameter, without scanning, of 225 µm. The maximum energy obtainable from this class of lasers is around 25 mJ, so the maximum hole diameter per pulse remains very small, around 564 µm. To meet special requirements, a multi-pass scheme with a laser operating at extremely high frequencies is required.
Es wurde gefunden, daß die Gesamttiefe des abgetragenen Materials von der Laserwiederholungsrate abhängt. Unabhängig von der abzutragenden Fläche sind eine große Zahl von Impulsen notwendig, um durch die Polythenfolie zu schneiden, vorausgesetzt, daß nur 0,5 um pro Impuls mit einer Energiedichte von rund 10 J/cm² abgetragen wird.It was found that the total depth of material removed depends on the laser repetition rate. Regardless of the area to be removed, a large number of pulses are necessary to cut through the polythene film, provided that only 0.5 um is removed per pulse with an energy density of about 10 J/cm².
Wie in Tabelle 1 oben ausgeführt, variiert die gesamte Filmdicke normalerweise zwischen 70 um und 400 um; somit wären zwischen 140 und 800 Impulse notwendig, um ein Loch von 225 um Durchmesser abzutragen. Weiterhin kann der Film bei entweder 40 m/min oder 26 m/min in einem Wiederholungsmuster alle 80 mm wandern. Somit wären 225 um (entsprechend zu der Einheit eines Abtragungsdurchmessers) in 0,3 ms bzw. 0,5 ms überstrichen. Abtragung sollte daher bei mehr als 467 kHz bzw. 1,6 MHz auftreten, um nur ein 225 um Loch zu bilden.As stated in Table 1 above, the total film thickness typically varies between 70 µm and 400 µm; thus between 140 and 800 pulses would be necessary to ablate a hole of 225 µm diameter. Furthermore, the film can travel at either 40 m/min or 26 m/min in a repeating pattern every 80 mm. Thus, 225 µm (corresponding to the unit of ablation diameter) would be swept in 0.3 ms or 0.5 ms, respectively. Ablation should therefore occur at more than 467 kHz or 1.6 MHz to form just one 225 µm hole.
Weil somit die Perforation von Polythen durch Abtragung ein hohes Potential verspricht, gibt es gegenwärtig keine Laserquelleneinrichtung, die eine Übertragungswellenlänge aufweist, die zum Absorptionsband von gegenwärtig benutzten Polymerfilmen paßt. Die in dieser Erfindung vorgeschlagene Lösung ist, ein Polymer anzupassen, das ermöglicht, eine praktische Laserquelle zu verwenden. Dies wird am leichtesten dadurch erreicht, daß ein intensives Absorptionsband an der Wellenlänge eines Industrietyps eines Lasers erzeugt wird.Because the perforation of polythene by ablation thus holds great potential, there is currently no laser source device having a transmission wavelength matching the absorption band of currently used polymer films. The solution proposed in this invention is to adapt a polymer that allows a practical laser source to be used. This is most easily achieved by creating an intense absorption band at the wavelength of an industrial type of laser.
Ein CO&sub2;-Laser wäre vorzuziehen, da er eine hoch zuverlässige billige Quelle mit niedrigen Wartungskosten darstellt und in der Industrie weit verwendet wird. Ein typisches System, wie in Tabelle 3 angegeben, bietet hohe Leistungen, 1 kW bei hohen Wiederholungsraten, 5 kHz, und ist hoch zuverlässig. Tabelle 3: CO&sub2; Laser Spezifikation. A CO2 laser would be preferable as it is a highly reliable, inexpensive source with low maintenance costs and is widely used in industry. A typical system as shown in Table 3 offers high powers, 1 kW at high repetition rates, 5 kHz, and is highly reliable. Table 3: CO₂ laser specification.
Die Materialmodifikationen, die wahrscheinlichen Abtragungsraten, Strahlabgabesystem und sich ergebene Schnittgeschwindigkeiten werden unten berücksichtigt.The material modifications, likely removal rates, jet delivery system and resulting cutting speeds are considered below.
Ein intensives Absorptionsband zwischen 9,2 um und 10,6 um, die CO&sub2;- Wellenlängen, können in einem von einer Mehrzahl von Wegen erzeugt werden, wie beispielsweise die nichtbegrenzenden Beispiele von:An intense absorption band between 9.2 µm and 10.6 µm, the CO₂ wavelengths, can be generated in one of a number of ways, such as the non-limiting examples of:
(I) Verwendung eines alternativen Polymers wie beispielsweise Polyimid(I) Use of an alternative polymer such as polyimide
(II) Dotieren von gegenwärtigem Polyäthen mit beispielsweise einem Polysiloxan oder einem Titania-Pigment.(II) Doping of existing polythene with, for example, a polysiloxane or a titania pigment.
(III) Auswahl eines Polythen, hergestellt durch ein unterschiedliches Verfahren, welches eine geeignete Absorption zeigt. Zum Beispiel phillipsartige heiß gepreßte Folie, Carlona 800 Shell Polythene und generische Polythene reich an pendenten Methylengruppen, die einige Absorption in diesem Bereich ergeben, wie in den Fig. 3, 4 bzw. 5 dargestellt.(III) Selection of a polythene prepared by a different process which shows a suitable absorption. For example, Phillips type hot pressed film, Carlona 800 shell polythene and generic polythenes rich in pendant methylene groups which give some absorption in this range as shown in Figures 3, 4 and 5 respectively.
Die Veränderung des Materials kann größere Implikationen für den Produktionsprozeß, das Recycling und für die Kosten und mechanische Festigkeit haben, was alles berücksichtigt werden muß, wenn die Machbarkeit der Veränderungdes Materials berücksichtigt wird, um die Spektral-Absorptions- Eigenschaften an eine vorgezogene Laserquelle anzupassen.Modification of the material may have major implications for the production process, recycling, and cost and mechanical strength, all of which must be taken into account when considering the feasibility of modifying the material to match the spectral absorption properties to a preferred laser source.
Ein Industrie-Standard-CO&sub2; Laser mit Betriebswellenlängen zwischen 9,2-10,6 um ist erfolgreich verwendet worden, um große Löcher in Polyamid abzutragen. Typische Abtragungsraten von 10 um für eine gesättigte Energiedichte von 1 J/cm² erlaubt es, tiefe Löcher schnell zu bilden. Die hohe Ausgangsleistungen erleichtern große Abtragungsflächen.An industry standard CO2 laser operating at wavelengths between 9.2-10.6 µm has been used successfully to ablate large holes in polyamide. Typical ablation rates of 10 µm for a saturated energy density of 1 J/cm² allow deep holes to be formed quickly. The high output powers facilitate large ablation areas.
Die erwartete Performance von leicht erhältlichen Quellen ist in Tabelle 4 für die Verarbeitungsbedingungen zusammengefaßt, die in Tabelle 1 spezifiziert sind. Tabelle 4: Erwartete Abtragungsrate und erreichbarer Lochdurchmesser. The expected performance of readily available sources is summarized in Table 4 for the processing conditions specified in Table 1. Table 4: Expected removal rate and achievable hole diameter.
Eine Polyimid-Abtragungsrate von 10 um von 1 J/cm² Impuls ergibt ein 400 um tiefes Loch, äquivalent zum Durchschneiden von 8 Schichten von 50 um Film, dies kann durchgeführt werden in 8 ms. Der Durchmesser des in dieser Zeit mit einem Standard- 1000-W-Laser, liefernd 200 mJ pro Impuls, geschnittenen Loches ist etwa 5 mm. Laser, die bei einem Mehrfachen dieser Leistungs- und Wiederholungsrate arbeiten, sind nicht ungewöhnlich (siehe Tabelle 3), obwohl aufwendiger, somit sind falls erforderlich auch höhere Wiederholungsraten möglich.A polyimide ablation rate of 10 um from 1 J/cm² pulse results in a 400 um deep Hole, equivalent to cutting through 8 layers of 50 µm film, can be done in 8 ms. The diameter of the hole cut in this time with a standard 1000 W laser delivering 200 mJ per pulse is about 5 mm. Lasers operating at several times this power and repetition rate are not uncommon (see Table 3), although more expensive, so higher repetition rates are possible if required.
Das Design des Trommelabtasters und die praktischen Betriebsbedingungen werden von der Zeit festgelegt, die notwendig ist, um die Löcher zu schneiden, von der Stahlgeometrie, von der Polymertransversalgeschwindigkeit und der Musterwiederholung.The design of the drum scanner and the practical operating conditions are determined by the time necessary to cut the holes, the steel geometry, the polymer transverse speed and the pattern repetition.
Zeit: Die optimale Zeit, um die Folie auszusetzen, wird durch die Zeit gegeben, um die Probe abzutragen:Time: The optimal time to expose the film is given by the time to remove the sample:
t = N/Rt = N/R
wobei R die Laserwiederholungsrate und N die Anzahl der Impulse ist, um die Arbeitsdicke abzutragen, die gegeben ist durch:where R is the laser repetition rate and N is the number of pulses to remove the working thickness, which is given by:
N = T/TaN = T/Ta
wobei T die zu bearbeitende Gesamtdicke ist, und Ta die pro Schuß abgetragene Dicke.where T is the total thickness to be machined and Ta is the thickness removed per shot.
Die optimale Zeit ist die, für die ein gegebenes Segment der Polymerschicht dem Laserstrahl ausgesetzt ist und ist gegeben durch die Zeit, in der ein einziger Spiegel von dem auftreffenden Strahl voll beleuchtet wird:The optimal time is the time for which a given segment of the polymer layer is exposed to the laser beam and is given by the time in which a single mirror is fully illuminated by the incident beam:
T = α/ωT = α/ω
wobei, mit Bezug auf die Fig. 8, ω die Winkelrotationsrate und α den um den Kreisumfang in dieser Zeit zurückgelegten Winkel darstellt.where, with reference to Fig. 8, ω is the angular rotation rate and α is the angle traveled around the circumference in that time.
In dem Fall, wo te die erforderliche Belichtungszeit darstellt, repräsentiert α den "nützlichen" Teil des Spiegels, und in der Annahme, daß der Winkel klein ist, istIn the case where te represents the required exposure time, α represents the "useful" part of the mirror, and assuming that the angle is small,
α = (P - d)/Cs,α = (P - d)/Cs,
wobei P die Breite des Spiegels an dem Trommelumfang ist, d der Durchmesser des Laserstrahls und Q der Radius der Abtasttrommel.where P is the width of the mirror at the drum circumference, d is the diameter of the laser beam and Q is the radius of the scanning drum.
Strahlgeometrie: Für diese Anmeldung ist es erforderlich, daß der Laserimpuls durch zahlreiche Schichten des Polymers mit wiederholten Impulsen hindurch schneidet, so daß damit die gebildete Form für jede Schicht gleich ist, während der gesamten Belichtung der Laserpunkt auf die gleiche Stelle auf der Polymeroberfläche gerichtet sein muß. Die Strahltraversierungs- und die Polymergeschwindigkeiten müssen daher aneinander angepaßt werden. In einem solchen Fall ist die beleuchtete Fläche die kreisförmige Strahlfläche: Π/&sub4;d².Beam geometry: This application requires that the laser pulse cuts through numerous layers of the polymer with repeated pulses, so that in order for the shape formed to be the same for each layer, the laser spot must be directed to the same location on the polymer surface throughout the exposure. The beam traversal and polymer velocities must therefore be matched. In such a case, the illuminated area is the circular beam area: Π/₄d².
Traversierungsgeschwindigkeit: Vb kann auf die Trommeldrehungsrate und der Höhe des Spiegels oberhalb der Arbeitsoberfläche bezogen werden:Traversing speed: Vb can be related to the drum rotation rate and the height of the mirror above the working surface:
Vb = (Cp - Cs)ωVb = (Cp - Cs)ω
setzt man die polymere Geschwindigkeit, Vp, und die Geschwindigkeit Vb des gerichteten Strahles gleich:the polymer velocity, Vp, and the velocity Vb of the directed jet are set equal:
Vp = Vb = (Cp - Cs)ωVp = Vb = (Cp - Cs)ω
und die Trommelrotationsrate ist:and the drum rotation rate is:
W = Vp/(Cp - Cs) = Vp/DW = Vp/(Cp - Cs) = Vp/D
Die Arbeitshöhe der Trommel oberhalb der wandernden Oberfläche, D, kann unabhängig gewählt werden, wobeiThe working height of the drum above the moving surface, D, can be selected independently, whereby
D = Cp - CsD = Cp - Cs
ist.is.
Musterwiederholung: Die Anzahl der benötigten Perforationen, n, über der Schicht definiert die Anzahl der Spiegel, die auf den Umfang der Arbeitstrommel passen, somitPattern repetition: The number of required perforations, n, over the layer defines the number of mirrors that fit on the circumference of the working drum, thus
2ΠCs = XnP2ΠCs = XnP
wobei X ist eine ganze Zahl ≥ 1 ist, die anzeigt, daß das Muster über der Trommel wiederholt werden kann, um so eine langsamere Drehrate zu erhalten.where X is an integer ≥ 1 indicating that the pattern can be repeated across the drum to obtain a slower rotation rate.
Die Zeit der Musterwiederholung, tr, wird gegeben durch die Entfernung zwischen den Wiederholungen, Dr, und der Geschwindigkeit des Polymers, Vp:The time of pattern repetition, tr, is given by the distance between the repetitions, Dr, and the velocity of the polymer, Vp:
tr = Dr/Vptr = Dr/Vp
Für das erfolgreich zu wiederholende Design muß die Musterwiederholungszeit größer sein als die Zeit, um alle Perforationen über der Folie zu erzeugen:For the design to be successfully repeated, the pattern repeat time must be greater than the time to create all the perforations across the film:
tr ≥ n ttr ≥ n t
Trommelgeometrie und Betrieb: Zuerst muß die Machbarkeit des Schneidens der Perforation in der zulässigen Zeit für die spezifizierten Arbeitszeiten bestätigt werden. Durch Kombination der erforderlichen Belichtungszeit, des Strahldurchmessers und der erforderlichen Zahl von Spiegeln und der polymeren Geschwindigkeit der Arbeitsoberfläche, D, kann mit Bezug zu der Höhe oberhalb des Trommelradius, Cs, bestimmt werdenDrum geometry and operation: First, the feasibility of cutting the perforation in the allowable time for the specified working hours must be confirmed. By combining the required exposure time, the beam diameter and the required number of mirrors and the polymer velocity of the working surface, D, can be determined with reference to the height above the drum radius, Cs.
te ω = (P - d)/Cste ω = (P - d)/Cs
ω = Vp/Dω = Vp/D
2Π Cs = XnP2Π Cs = XnP
Eine Kombination ergibtA combination results in
D = te V/(2Π/Xn - d/Cs)D = te V/(2Π/Xn - d/Cs)
Angenommen, daß die Trommelrotationsfrequenz auf die Höhe des Spiegels oberhalb der Arbeitsoberfläche bezogen wird,Assuming that the drum rotation frequency is related to the height of the mirror above the working surface,
f = ω/2Πf = ω/2π
ω = Vp/Dω = Vp/D
Es können daher realistische Werte bestimmt werden für eine verschiedene Anzahl von Musterwiederholungen auf der Trommel, gegeben in der Zeit für eine Musterwiederholung, tr = 1/f Grenzen können auf der Trommelrotationsfrequenz in Verbindung mit denen für die Betriebshöhe oberhalb der Arbeitsoberfläche angegeben werden. Somit können die Abtastparameter für den Arbeitsstrahl festgelegt werden.Realistic values can therefore be determined for different numbers of pattern repetitions on the drum, given the time for one pattern repetition, tr = 1/f Limits can be specified on the drum rotation frequency in conjunction with those for the operating height above the working surface. Thus, the scanning parameters for the working beam can be specified.
Perforationsschneiden kann für alle die Bedingungen, die in Tabelle 1 definiert sind, für einen gegebenen Trommelradius, Cs, und Anzahl von Spiegelsätzen, X, über der Trommel durch Veränderung der Trommeldrehungsfrequenz, f, und der Höhe oberhalb der Arbeitsoberfläche, D, erfüllt werden. Realistische Betriebsfrequenzen und Arbeitshöhen können mit 5 Spiegelsätzen auf der Trommel erreicht werden.Perforation cutting can be achieved for all the conditions defined in Table 1, for a given drum radius, Cs, and number of mirror sets, X, above the drum by varying the drum rotation frequency, f, and the height above the working surface, D. Realistic operating frequencies and working heights can be achieved with 5 mirror sets on the drum.
Für X = 5 und Cs = 15 cm For X = 5 and Cs = 15 cm
Für X = 5 und Cs = 20 cm For X = 5 and Cs = 20 cm
Erhöhung der Arbeitshöhe wird durch eine erhöhte Anzahl von Spiegelsätzen erreicht, beispielsweiseIncreasing the working height is achieved by increasing the number of mirror sets, for example
für X = 10 und Cs = 20 cm for X = 10 and Cs = 20 cm
Es gibt nicht nur die Kostenberücksichtigung der Benutzung einer großen Anzahl von Spiegelsätzen, um alle nötigen Bedingungen zu erfüllen, es sollten steigende Höhen und niedrigere Frequenzen verwendet werden. Dies wird den Produktionsprozeß weniger zuverlässig machen; optische Verluste durch die Luft werden die Leistungen an der Arbeitsoberfläche erniedrigen, während eine Rotationsfrequenz von 0,1 Hz relativ leicht gestört werden kann.Not only is there the cost consideration of using a large number of mirror sets to meet all the necessary conditions, increasing heights and lower frequencies should be used. This will make the production process less reliable; optical losses through the air will reduce performance at the working surface, while a rotation frequency of 0.1 Hz can be relatively easily disturbed.
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