IPM - International Perforation Management

high-tech engineering - Germany - Thailand - China

fax: 0049 - (0) 1212-5-375-17-531

http://www.microperforation.com

http://www.microperforation.com.cn

http://www.deguodaguan.com/ipm/

http://www.dk3qv.de

Email: grosse microperforation.com - perforationpeople web.de

 

copyright: Mr. Werner Grosse

Patent downloads http://www.microperforation.com/englishengineerreport.html

main link: http://www.microperforation.com/ipm-technology.html

 

IPM Patents

Patent data archives

EU technology links

 

MLL-1 – nano micro laser line perforation for paper, metal or many other web material and applications

Patent pending DE102004012081 download

 

Anti counterfeiting, indicators or special product designs with laser perforation technology

 

Laser perforation in general

Possible to perforate by pulsed or enlarged and focused laser beams are holes sizes from 60 to 200 µm at density of holes of typical 10 to 30 holes per cm, holes sequences from 100.000 to 500.000 holes per second at a maximal of 16 punctured rows by laser distributed over the width of the web with traditional systems or machine. Their porosity levels range from 100 to 3000 C. U., normally with web widths from 100 to 500 mm at web speeds of up to 600 m/min, depending on porosity and material consistency in relation to its ability to perforate.

 

IPM’s Laser perforation technology

IPM owns development of LASER PERFORATION technology LPM-1 is patent grant by DE102004001327 and operates with quadruple beam inputs up to 8 KW to a high power CO2 laser beam multiplexer to generate up to 200 individual laser perforation rows across the web, combines automatic positioned laser perforation heads, focus setting, web speeds up to 400 m/min, web widths up to 2000 mm, up to 2,000.000 holes per second, jumbo-roll-by-roll production, optical online permeability/perforation line positioning control, porosity feedback, high automation grad and other features. Each laser perforation lines are archive able from 100 up to 1000 C.U.

 

The conception of high-power laser beam multiplexers enable many possibilities in other industry application fields as cutting, cut-offs, welding, surface finishing, drilling, polishing, forming, surface treatment, roughness improvement, etc.

 

Each of the 200 single perforation head can be positioned across the running web or static positioned material. The automatic processes, equipments and devises opening completely new possibilities in industry, science, military or space laser application.

 

 

 

Working principle of MLL-1 Micro-Laser-Line perforation

As known OFFLINE laser perforation machines or processes generating strait holes lines in web direction of the running tipping or other material sheets. Excluding spray laser designs which looks similar as random holes into certain zone areas as electro static perforation.

 

The world-wide new and patent pending DE 10.2004.012.081.1 Micro-Laser-Line technology generating SINUS, WAVES, ZIG-ZAG, CRYPTOGRAMS, LOGO, HOLOGRAMS, BRAND SIGNS or other kind of perforation hole lines in web direction which looks as a package design of micro laser lines.

Concerned tipping paper it means NON COAXIAL around the cigarette filter.

 

New beam divert moving, scanning, flipping elements steering each single laser perforation line in across direction which are precise focused for small holes to the fast running paper or other material webs.

 

Technical solutions

Technologically this is performed by means of Piezo oscillators, ultra fast mini scanner etc. for laser beam deflections, as actuators with added metal optics or asymmetrically, rotary reflection cones, whose function and temporal operational sequences are coupled with the path speed of web material. 

The points of envelope curves of the selected perforation form are calculated and computed before for the single holes and holes groups implemented and supervised during current perforation procedure by programmable control system PLC.

 

 

Product and process advantages

 

Laser perforation machines/systems

 

 

Applications

The Micro-Laser-Line perforation MLL-1 for web or sheet materials as like any kind of paper, metal, isolation, plastic, leather, etc. materials enables now large degrees and freedom of hole positioning by different perforation designs of wave, zigzag, cryptograms, etc. lines or other designs which generating e.g. optimized air distribution characteristics in cigarette filters or other additional product advantages.

 

The special remarks of the MLL-1 create fundamentally new product properties, e.g. as final products for mouthpieces with tipping paper at cigarette filters or other products of this kind which completely specific a indicated brand name and is recognizable for everyone – if the holes are visible or to see with magnified glasses.

Just as like a perforation cryptogram.

 

 

Summary

The MLL-1 micro laser line process allows many NEW applications with certain beam diverts in horizontal or vertical positions. Using of new beam diverts elements allows easy and low budget modifications on existent laser systems.

 

For more information please visit our website

 

Verfahren und Vorrichtung zur Mikro Laser Linien Perforation

 

Deutsche Patentanmeldung und Gebrauchsmusterschutz : DE102004012081

Angemeldet am 12.3.2004

Offenlegung am 29.9.2005

Patentklassifikation : B23K 26/38 B26F 1/31

Erfinder : Werner Grosse

 

Die  Erfindung  beschreibt und umfasst Verfahren, Vorrichtungen und Produkteigenschaften zur Mikro Laser Linien Perforation in bis zu 600 m/min bewegten Warenbahnen, wobei  die erzeugten Laserlochreihen oder Lochreihengruppen im Wesentlichen nicht in geradliniger Weise und stetig parallel zur Transportrichtung der Bahn angeordnet sind.

 

Unter Warenbahnen sind im Zusammenhang dieser Erfindung Papier- oder anderweitig veredelte Bahnen zu verstehen, wie z.B. Zigaretten-,   Mundstückbelag-  und  Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps, Sicherheitspapiere, holographisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete oder metallisierte Papier- oder Verpackungs- oder auch bestimmte Kunststoffbahnen wie BOPP, LDPE, HDPE, Spinvliese usw. die im Bereich  der Perforationen ein gewisses Maß an Gas- oder Wasserdurchlässigkeit aufweisen.

 

Diese Materialien werden für verschiedene Weiterverarbeitungsprozesse im Format von 50 – 2000 mm als Bobienen oder Jumbo Rollen in Längen von 3.000 bis zu 25.000 Metern und Rollendurchmessern von 400 mm bis 1500 mm ab- und aufgerollt.

 

In dieser Erfindung wird die Mikro Laser Linien Perforation, mit Lochgrößen im Bereich von 50 µm bis 200 µm und Lochsequenzen von 10 – 30 Löchern/cm einer jeden Lochlinie und bis zu 8 Lochlinien pro Liniengruppe, als Offline Perforation definiert, und grenzt sich somit eindeutig zur Online Laserperforation an Zigarettenherstellungs-, Filteransetzmaschinen oder auch Verpackungsmaschinen ab.

 

Die mit dem menschlichen Auge normalerweise nicht sichtbaren, oder wenn gewünscht sichtbaren, Perforationen sind mit fokussierbaren Laserstrahlen sehr präzise hinsichtlich ihrer Lochgröße und Lochposition erzeugbar. Aufgrund der physikalischen Bedingungen und thermischen Eigenschaften und damit verbundenen Absorptionen der vorzugsweise verwendeten Warenbahnen kommen CO2-Leistungslaser im Wellenbereich von 10.4 – 10.8 µm und optischen Leistungen von 500 – 2000 Watt zum Einsatz.

 

Der Stand der Technik für das Auslenken, Umlenken, Weiterführen und Pulsen von CO2 Laserstrahlen ist in einer Vielzahl von internationalen und nationalen Patenten beschrieben, so dass an dieser Stelle die Schutzrechte mit dem Stand der Technik angegeben werden, die unmittel- oder mittelbar mit dem Perforieren der Warenbahnen aus den o.g. Anwendungsbereichen im Zusammenhang stehen.

 

In den Patenten DE2918283 C2, DE19511393 A1, FR2130698 und US4118619 sind grundlegende Verfahrensweisen und Vorrichtungen angegeben und ausführlich beschrieben, mit denen Laserstrahlen durch Drehspiegel, Polygone oder diffraktive, optische-Elemente auch DOE’s genannt, in einem Winkel meist unter 90 Grad ausgelenkt und/oder verdoppelt auf durchlaufende Papierbahnen zur Perforation benutzt werden. Diese Verfahrens- und Vorrichtungstechniken sind für viele Offline Laserperforationsmaschinen, als mehrfach Bobienenperforationsanlagen mit bis zu vier simultanen Bobienen, Bobienenlängen bis 4000 Metern, von 16 - 32 Einzelstrahlkanälen, Bahnbreiten bis zu 400 mm, Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min und Lochsequenzen bis zu 500.000 Löchern/Sek. konvertiert worden.

 

In einer noch nicht veröffentlichen Patentanmeldung 102004001327.6 ist ein neues Offline Laserperforationsverfahren und deren Vorrichtung beschrieben, mit denen sehr breite Warenbahnen bis zu 2000 mm und simultan bis zu 20 Bobienen als Non Stopp Jumborollen bis zu 25.000 Metern Länge perforiert werden können, aber deren Laserlinienverläufe auch stets parallel zur Transportrichtung verlaufen.

 

Aus den Patenten zur Online Perforation an Zigarettenherstellungs- oder Filteransetzmaschinen, z.B. der US5404889, US5746229, JP10034365, US6229115, US6064032, US20010038068, US20030131856 und US20020158050 sind technologisch sehr hochwertige Lösungen zur Laserstrahlum- und Auslenkung mit oszillierenden Spiegeln und speziellen, optischen Teilungselementen vertieft beschrieben.

 

Diese beziehen sich ausschließlich auf maximal zwei Bobienen- bzw. zwei Bobienenstreifen,

wobei die Laserperforation häufig durch die Mundstückbelagpapiere hindurch in den Filter eintritt, um die Nikotin- und Schadstoffanteile der unmittelbar danach hergestellten Zigaretten gesteuert abzusenken.

 

In weiteren Patenten der PCT/WO/99/58006 und EP0624424 B1 sind ebenfalls Online Laserperforationsverfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche spezielle optische Elemente, z.B. akusto-optische Wandler, Prismenstrahlumlenkungen bei spezieller Papierbahnführung benutzen, um einen Mundstückbelagstreifen direkt vor der Herstellung der Zigaretten zu perforieren.

 

Aktuelle Patentschriften wie die DE10105878 A1, DE10225387 A1, DE10154508 A1, DE19937267 A1, DE10120923 A1, WO/03/039803 A3, WO/99/58006, DE10152526 A1 DE19713826 A1, EP0761376 A1, DE4205658 A1, US5150725 und US200201580.50 beschreiben in vielfältiger Weise den Einsatz der Laserperforation für verschiedene Materialbahnen, Strahlführungssysteme und Perforationslochanordnungen, deren erzeugten Löcher explizit parallel zur Transportrichtung angeordnet sind.

 

Eine Ausnahme hierzu bildet das Online Laserperforationsverfahren der DE10200402 A1 mit deren schraubenförmigem Strahlauslenkspiegel eine Strahlbewegung zur Perforation einer Lochreihe bei der Herstellung der Zigarette erfolgt, deren Lochlinie aber im Überlappungsbereich der Leimung unterbrochen ist.

 

Zur weiteren Ergänzung und im direkten Zusammenhang dieser Erfindung seien noch aktuelle Publikationen wie :

Zum Stand der Technik und angeführten Patentschriften zeigt eine erste Betrachtung, dass die Laserlochlinien oder Lochreihen ausnahmslos parallel zur Transportrichtung erzeugt werden, was prinzipiell durch die festen optischen Anordnungen, Laserstrahlführungen und Einzelfokussierungen vorgegeben ist. Für sehr viele Anwendungen ist dies absolut gewünscht, wobei die Geometrien der Laserlochlinien im engen Toleranzbereich zu halten sind.

 

Aus der Literatur, Patenten und vielen Untersuchungen, welche sich auf die Konstruktion, den Aufbau und die Strömungsmechanismen von Zigarettenfiltern oder anderen dieser Art beziehen, wie z.B. die DE4205658 A1 oder die US5150725, ist bekannt, dass sich deutlich verbesserte Lufteinströmungen und Luftverteilungen innerhalb des Zigarettenfilters erzielen lassen, wenn der Lufteinlassbereich durch die Perforationen und im Umfang des Zigarettenfilters sich flächenmäßig vergrößert und besser verteilt, aber die Porosität der Perforation beibehalten wird.

 

Des weiteren wird bei dieser Methode der Zigarettenfilterbereich effektiver und volumengleichmäßiger beim Rauchvorgang ausgenutzt, um die Schadstoffanteile wie Nikotin und Kondensat auf geforderte Minimalwerte abzusenken.

 

Die elektrostatische Perforation mit stochastisch unregelmäßig und innerhalb einer Zonenbreite von z.B. 2.0 – 6.0 mm im Umfang des Zigarettenfilters verteilten Mikrolöchern beinhaltet den Vorteil der besseren Luftverteilung innerhalb des Zigarettenfilters. Ist aber theoretisch und praktisch auf die Porositätsbereiche von z.B. 80 – 500 C.U. beschränkt.

 

Diese Erkenntnisse führen zwangsweise zu den Überlegungen, die Vorteile der besseren Strömungsverteilung und Filtervolumennutzung auch auf die Laserperforation mit höheren Porositätsbereichen von z.B. 150 C.U. bis zu 2500 C.U. zu übertragen. Und dies explizit bei der Offline Perforation der eingangs genannten Warenbahnen.

  

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile zu kompensieren und neue Lösungen anzugeben, mit der durch die Offline Laserperforation vergleichbare Vorteile der vorangestellten Art erzielbar sind.

 

Hierzu sind in der nachstehenden Erfindungsbeschreibung verschiedene Konzeptionslösungen angeführt und deren Verfahrens- und Vorrichtungsdetails sowie verschiedene Produktvorteile erläutert.

 

Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung zur Mikro Laser Linien Perforation löst die vorangestellte Aufgabe durch die Hauptmerkmale der Patentansprüche 1 – 15.

 

Danach bieten sich grundsätzlich zwei Lösungsmöglichkeiten an, deren erste Konzeption darauf basiert, dass nach dem hoch rotierendem Spiegelelement, wie z.B. ein Polygonrad mit n-Anzahl von geneigten oder geraden Facetten, mit gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahlen bei der letzten Strahlumlenkung und direkt vor der Endfokussierung zur durchlaufenden Warenbahn eine gesteuerte Veränderung des Umlenkspiegels mit einem Piezo-Schwinger durchgeführt wird. Die so erzwungene Strahlrichtungsänderung in der X-Achse gegenüber der Y-Achse der Bahnvorschubsrichtung bestimmt die geometrische Positionierung der Laserlochlinien und ermöglicht somit bestimmte Perforationsmuster.

 

Die zweite Konzeptionsvariante benutzt anstelle des Piezo Aktuators mit aufgesetztem Umlenkspiegel einen unsymmetrischen, hoch rotierenden Reflektionskegel, welcher ebenfalls über die Veränderung des Winkels des Laserstrahles zur Fokussierlinse und damit auf die durchlaufende Warenbahn kontinuierlich verändert.

 

Somit werden bei dieser Erfindungsvariante gegenüber der bisherigen Technik zwei neue Umlenkelemente verwandt, mit denen eine direkt gesteuerte Laserstrahlpositionierung vor und nach der Endfokussierung möglich wird.

 

Deren erfinderische Aufgabe besteht im weiteren darin, dass eine bestimmte Synchronisation zwischen der Bahngeschwindigkeit, dem geometrischen Abstand der Einzelstrahlführungen in der Y-Achse der Bahnlaufrichtung sowie dem Umfang der Einzelzigarette eingehalten wird, um so die vorgegebenen Perforationsausführungen zu erzeugen.

 

Im Zusammenhang der Erfindungserläuterungen und Beschreibungen wird darauf hingewiesen, dass die Strahlauffächerung über Polygone oder andere rotierende Spiegelelemente und im weiteren auch die Generation von Mikro Laser Löcher und Linien in vielfältiger Weise und technologisch aus einem sehr hohen Niveau den zuvor zitierten Patentschriften in ausführlicher Weise entnommen werden kann, und somit an dieser Stelle keiner weiteren Erklärungen bedarf. Dies gilt gleichermaßen für die fast ausschließlich festen Strahlführungen direkt vor und nach der Fokussierung zur durchlaufenden Warenbahn.

 

Erfindungsgemäß ist erkannt und durch Untersuchungen und praktischen Tests bestätigt worden, dass mit beiden Elementen des Piezo Aktuators oder unsymmetrischen, rotierenden Reflektionskegels Veränderungen des Umlenkungswinkels zwischen z.B. 40 – 50 Grad und im festen Abstand zur letzten Fokussierlinse Positionsauslenkungen aus der bisherigen, festen Y-Achse von z.B. +/- 3 mm der Perforationslaserlinien auf der Warenbahn erreichbar sind.

 

Des weiteren ist es technologisch und produktionstechnisch ein großer Vorteil, dass sich beide Lösungsvorschläge auf vorhandene Laserperforationsanlagen problemlos übertragen und adaptieren lassen, um auf diese Weise die angeführten Produktvorteile hinsichtlich der speziellen Perforationsausführungen auf dem Mundstückbelagpapier und letztlich auf dem Endprodukt der Zigarette anwendbar sind. Darüber hinaus werden alle anderen Produktionsparameter wie Lochgrößen, Lochanzahl pro cm, Lochform, Perforationsleistung und letztlich die eng vorgegebenen Porositätsbereiche weitgehend eingehalten.

 

Diese Merkmale lassen sich in gleicher oder ähnlicher Weise auf andere Produkte und Materialarten der eingangs genannten Art übertragen, wo ähnliche Verfahrens- oder Produktanforderungen aufgestellt sind.

 

Weitere Verfahrens- und Vorrichtungsvorteile dieser Erfindung sind in der technisch einfachen Machbarkeit der Erfindungslösungen sowie in der kompakten Integration für die Einzelstrahlkanäle an den Perforationseinrichtungen zu sehen, die aus bis zu 32 optischen Strahlkanälen und Perforationsköpfen bestehen können, und deren Offline Laserperforationsanlagen von verschiedenen Firmen in den Publikationen zum Stand der Technik angeführt sind.

 

Somit ist der investive Aufwand für die mechanisch-optische Integration der Erfindungslösungen im Vergleich zum Gesamtwert der Laserperforationsanlage relativ gering, was ein nicht zu unterschätzender Faktor ist.

 

Nachstehend einige Berechnungsbeispiele die zum weiteren Verständnis der Erfindung, deren Ausführungen, Steuer- und Synchronisationsmechanismen beitragen und die beispielhaft für Mundstückbelagpapiere als Endprodukt angegeben sind.

 

Damit lassen sich die Berechnungsbeispiele auch auf andere Materialbahnarten, Perforationsanforderungen und Produkte übertragen.

 

Diagonaler Querversatz der Lochreihen in Vorschubsrichtung der Materialbahn

    va = 2000 mm/Sek. = 120 m/min – vb = 10.000 mm/Sek. = 600 m/min

    sa = va * ts =    2.000 mm/Sek. * 83 E-6 Sek.-1 = 0.172 mm ( 120 m/min )

          sb = vb * ts =  10.000 mm/Sek. * 83 E-6 Sek.-1 = 0.860 mm ( 600 m/min )

    Da = 0.172 mm / 16 = 10.75  µm

          Db = 0.860 mm / 16 = 53.75 µm

 

Der mathematische Zusammenhang zwischen Polygonfrequenz, Anzahl der Facetten, Rotationsgeschwindigkeit, Bahngeschwindigkeit und Anzahl der Perforationslöcher pro cm Materialbahn für jeden optischen Perforationskanal lässt sich wie folgt angeben.

V = Materialbahngeschwindigkeit in m/min

L = Perforationslöcher pro cm Materialbahn

Nf = Anzahl der Facetten des Polygonrades

      L(cm) = Fp * Nf / ((v min)/60) * 100

für Fp = 450 Hz = 21.6 Löcher/cm  und bei 350 Hz = 16.8 Löcher/cm usw.

bei Fp = 404 oder 429 Hz ( +/- 3 % ) = 19.39 oder 20.59 Löcher/cm

 

Nach diesen Berechnungsbeispielen ist leicht einzusehen, dass die Polygonfrequenz zur Bahngeschwindigkeit oder reziproke hierzu in einem sehr engen Bereich  konstant zu halten sind, um die Anzahl der Laserperforationslöcher pro cm Materiallänge nicht variieren zu lassen. Dies ist im Zusammenhang mit der Erfindung und bei der Synchronisation von besonderer Bedeutung.

 

Der Einfachheit ist die Umfangsberechnung für das Mundstückbelagblättchen um den Zigarettenfilter mit angegeben.

 

Danach lässt sich die Auslenkfrequenz des Laserstrahles für jede volle Umfangslänge des Mundstückbelagblättchens für die Off-line Laserperforation ermitteln.

 

Abschließend sein noch auf die Relation zwischen den in Bahnlaufrichtung, also der Y-Achse, räumlich versetzten Perforationsköpfen und meist aus 16 Einzeleinheiten bestehend, und der Länge des Mundstückbelagblättchens hingewiesen, die in einem festen Abstand in den Laserperforationsanlagen der Publikationsnennung angeordnet  sind.

·         fester geometrischer Abstand der Perforationsköpfe = 39 mm

·         Relation Rl = 39.00 mm / 27.12 mm = 1.4380

 

Auf Basis dieser Berechnungsgrundlagen und deren Umsetzung wird in der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung näher eingegangen und verwiesen.

 

Es  gibt verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten, weiterzubilden und anzugeben.

 

Dazu ist einerseits auf die in den Patentansprüchen 1 – 15 beschriebenen  Ausführungen,  und andererseits auf die Erläuterungen mehrer Ausführungsbeispiele der Erfindung mit den Zeichnungen 1 - 8 zu  verweisen.

 

In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten  Ausführungsbeispiele  der  Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemein bevorzugten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

 

Dies insbesondere für Materialbahnen wie Mundstückbelagpapiere wie aber auch Verpackungsbahnen jeglicher Art und Ausführung.

 

Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen :

 

Figur 1 zeigt die schematische Seitenansicht der Laserstrahlauslenkung mit dem Drehspiegel als Polygon und fester Umlenkung und Zuführung zum Perforationskopf und zur Materialbahn, wie dies bei den meisten Laserperforationsanlagen, deren Hersteller in der Publikation genannt sind, ausgeführt ist. Weitere Beschreibungsdetails umfangreich und qualifizierter Weise in den Patentschriften DE 2918283 und DE 19511393 manifestiert.

 

Der einfallende, vorfokussierte Laserstrahl 1 wird vom Polygon 3 und dem geneigten Polygonrad 2, mit zwischen 10 – 30 Facetten, über die Einzelstrahlkanäle 6, meist 16 an der Zahl und in waagerechter Achse 49, aufgefächert. Der hier dargestellte optische Lasereinzelkanal 6 mit seiner Zylinder- oder sphärischen Eintrittslinse 5, dem festen Umlenkspiegel 7 als Metalloptik und Führungsschutz 6 führt den abgelenkten Laserstrahl 8 in seiner vertikal festen Mittenachse 12 über die Fokussierlinse 9 zum Perforationsfokus 10 direkt auf die durchlaufende Materialbahn 11, wo die Perforationslöcher sequenziell in Bahnlaufrichtung erzeugt werden.

Die Fokussierlinse 9 kann hierbei eine Plan-, Bikonvexe- oder auch nicht gekrümmte, sphärische Linse sein. Angaben zu optischen Details und Laserstrahlführungen sind in den o.g. Patentschriften umfangreich ausgeführt.

 

In Weiterführung der ersten Ansicht zeigt Figur 2 die schematische Seitenansicht der Laserstrahlführung mit gesteuerter Veränderung des Strahlumlenkungswinkels mittels eines Piezo-Schwingers 13, auf denen die Metalloptik des Umlenkspiegels aufgebracht ist und diese somit den Schwingungen des Piezo Aktuators mechanisch fest gekoppelt folgen kann. Mit diesem Element und den Schwingung in den Richtungen 16 wird die Strahlauslenkung zur vertikalen Mittenachse 12 in beiden X-Richtungen 14 erzwungen, was gleichermaßen die Fokussierrichtung des Perforationsstrahles zur durchlaufenden Materialbahn 11 verändert.

 

Ein in seiner Breite dargestellter Bobienenabschnitt, es sind an den genannten Laseranlagen bis zu vier Bobienen möglich, ist in seiner Breite mit 17 gekennzeichnet. So ist es z.B. möglich, mit bestimmten Piezo-Schwingern Frequenzbereiche bis zu 8000 Hz bei Stellwegen bis 800 µm, und durch eine relativ lange Vertikalstrahlführung und damit verbundene Winkelauslenkung tan γ eine z.B. bis zu +/- 3 mm variierende X-Positionsverschiebung der Perforationslochreihe zu realisieren.

Jeder optische Strahlenkanal und angekoppelte Perforationskopf, in der Regel sind es an einer Perforationsanlage bis zu 16 dieser Köpfe auf der horizontalen Achse 49 aufgereiht, erhält diesen Piezoaufsatz.

 

Weitere Strahldetails bedürfen an dieser Stelle keiner zusätzlichen Erläuterung, da sie in den eingangs genannten Patentschriften ausführlich erklärt sind.

 

Unter Figur 3 ist die Seiten- und perspektivische Ansicht eines unsymmetrischen Reflektionskegels 18 zu sehen, der die Besonderheit aufweist, dass seine umlaufenden und für CO-2-Laserstrahlen beschichteten Reflektionsflächen bei einer vollen 360 Grad Drehung Veränderungen des Umlenkwinkels von z.B. 40 – 50 Grad ausführen.

Bezogen auf die Mittenachse 19 und Aufnahmebohrung 20 ergeben sich kontinuierliche Veränderungen im für jeweils eine 180 Grad Drehung gekennzeichneten Abschnitt für den Winkel α1, hier mit 21 und α2 mit 22 gekennzeichnet. 

 

Beim Einsatz des unsymmetrischen, rotierenden Reflektionskegels haben sich bei praktischen Tests an der Produktionsmaschine keine nachteiligen Strahldivergenzen eingestellt, da die Strahlvorfokussierung einen relativ kleinen Strahldurchmesser von z.B. 200 μm bis 2.0 mm Durchmesser im Umlenkungsbereich beinhaltet.

 

In Figur 4 ist die beispielhafte Konzeptionslösung mit der schematischen Seitenansicht der Laserstrahlführung und Veränderung des Strahlumlenkwinkels durch den unsymmetrischen Reflektionskegel 18 dargestellt, deren Abtrieb zur Vereinfachung nicht gezeichnet ist.

Der einfallende, vorfokussierte Laserstrahl 4 wird durch die Rotation 26 des Reflektionskegels 18 außerhalb des ursprünglichen 45 Grad Umlenkwinkels im Winkelbereich α1, hier mit 21 und α2 mit 22 gekennzeichnet, aus der vertikalen Mittenachse 12 ausgelenkt, was zur geometrischen Variation des fokussierten Laserstrahles 10 in Richtung der Achsen 29 und 30 führt und dabei die Positionen der Perforationslinien im Bereich zwischen 27 und 28 parallel zur Warenbahn 11 ändert.

Auch hier erhält jeder optische Strahlenkanal 6 und angekoppelte Perforationskopf, von denen in der Regel an einer Perforationsanlage bis zu 16 dieser Köpfe in Richtung der horizontalen Achse 49 vorhanden sein können, jeweils einen Reflektionskegel zur variierenden Laserstrahlumlenkung.

 

Es ist daher leicht einzusehen, dass mit der präzise gesteuerten Rotation 26 des Reflektionskegels und der damit verbundenen Änderung des Umlenk- bzw. Auslenkwinkels 29, 30 gezielte Änderungen der Laserlochlinien ausführbar sind.

 

Ein weiterer Vorteil ist hierbei, dass es sich um ein Rotationselement handelt, was fast trägheitslos den Zeitanforderungen und der festen Synchronisation zur Bahngeschwindigkeit folgt.

 

Anzumerken ist noch, dass die Fokussierlinse 9, wie schon ausgeführt, eine Plan-, Bikonvexe- oder auch sphärische Linse sein kann. In der Praxis haben sich zur besseren Erhaltung der Strahldivergenz nicht gekrümmte, sphärische Linsen bewährt. So genannte DOE’s diffraktive optische Elemente zur Multistrahlerzeugung, um z.B. zwei Perforationslochreihen aus einer Laserstrahlzuführung zu generieren und wie in den o.g. Patentschriften ausgeführt, sind zum Einsatz ebenfalls denkbar, haben sich aber aus energetischen und praktischen Gründen beim erfinderischen Verfahren und Vorrichtungen nicht vorteilhaft bewährt.

 

Die Synchronisation zwischen der Einzellochlocherzeugung eines jeden Perforationskanals zur festen Polygonfrequenz und Bahngeschwindigkeit lässt sich wie folgt beschreiben.

 

 

Nach den Erläuterungen der technischen Ausführungen der Figuren 1 – 4 ist in Figur 5 nunmehr die schematische Draufsicht auf einen Mundstückbelag - Bobienenabschnitt 31 für eine Bobiene mit zwei Perforationsbreichen, wobei die Bobienenmitte mit 35 markiert ist, mit Laserlochlinienprofilen in Wellenform 47 zu sehen, die mit dem erfinderischen Verfahren und deren Vorrichtung erzeugbar sind.

 

Die in Richtung 32 der Y-Achse bewegte Materialbahn 31 erfährt durch die zuvor beschriebene Perforationslochauslenkung jeder Einzellochreihe 33, synchronisiert mit der Bahngeschwindigkeit und unter Berücksichtigung des geometrischen Abstandsfaktors der Perforationsköpfe 6 in Bahnlaufrichtung 32, eine hier beispielhaft dargestellte Wellenform 47 der kompletten Perforationslochreihengruppe 34.

 

Hierbei ist der jeweils hälftige Umfangsabschnitt des Belagblättchens mit 36 und 37 gekennzeichnet. Bei diesem Perforationsbeispiel bilden zwei Wellenzüge mit den Abschnitten 36 und 37 den vollen Umfang des Mundstückbelagblättchens um den Zigarettenfilter, was im angeführten Rechenbeispiel einer Länge von 27.12 mm entspricht.

Vier Lochreihengruppen 34 bilden innerhalb eines bestimmten Perforationsbereiches 38 die zuvor erwähnte, vorteilhafte Filterausnutzung in einem weiteren Bereich, als dies rein koaxial umlaufende Lochreihen ermöglichen.

 

In der Praxis bestehen die Mikro-Laser-Lochreihen aus 10–30 Löcher pro cm bei Lochgrößen von 50 – 100 μm Durchmesser, wobei sehr kleine Lochgrößen im Bereich von 50 μm bis 70 μm sowie enge Lochreihenmittenabstände im Bereich von 0.3 – 1.0 mm die erfinderischen Vorteile hinsichtlich des Perforationsbereiches 38 auf dem Zigarettenfilter deutlich verstärken. Somit lassen sich mit dem erfinderischen Lösungen Perforationsbereiche, wie dies bisher nur von elektrostatischen Perforationen bekannt ist, für so genannte Zonenbreiten von z.B. 2.0 – 6.0 mm erzielen.

Bei bestimmten im Markt befindlichen Laserperforationsanlagen sind diese Lochgrößen ohne größere Schwierigkeiten in der Produktionspraxis erzielbar.

 

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Perforationen 34 ist in Figur 6 mit der perspektivischen Ansicht eines Zigarettenfilters 39 mit der Mundstückbelags-Umhüllung 40 sowie mit dem Standart-Koaxial-Perforationsmuster als Gegenüberstellung des neuen Mikro-Laser-Wellen-Linienmusters 47, wobei vier dieser Einzellinien 33 eine Gruppe 34 bilden, oder anderer Formen als Anschauungsbeispiel dargestellt sind.

 

In der Vergleichsdarstellung sind die markanten Unterschiede im Verlauf einer einzelnen Lochlinie 33, der Lochreihengruppe 34 sowie deren geometrischen Verlauf um den Zigarettenfilterumfang für sich selbstredend, was keiner weiteren Erklärungen bedarf.

 

Eine weitere Ausführungsvariante zum Perforationsbeispiel der Mikro-Laser-Linienperforation ist in Figur 7 als Zick-Zack Perforationsmuster 48 mit zwei Einzellochlinien 33 zu einer Gruppe 34 von zwei Linien aufgezeigt, in denen eine noch bessere Luftverteilung innerhalb des Perforationsbereiches 38 im Zigarettenfilter 39 möglich ist.

 

Bei der Offline Mikro-Laser-Linienperforation und nicht vorhandenen Synchronisation  zwischen dem realen Belagblättchenbeginn und Ende auf der späteren Zigarette, siehe obige Formel, ergeben sich zwangsweise feste Differenzen zum Beginn und Ende des jeweiligen Perforationsmusters bezogen auf den vollen Zigarettenumfang. Dies bedeutet, dass der Perforationsmusterbeginn nicht immer deckungsgleich mit dem Beginn oder dem Ende des realen Belagblättchens ist. Dies hat weder einen Perforations- oder Designnachteil und auch keine negativen Auswirkungen auf den vorteilhaften Lufteinlass und deren breiteren Verteilung im Zigarettenfilter, solange bei der Offline Mikro-Laser-Linienperforation zu jeder Belagblättchenlänge das Perforationsmuster mit fester Differenz beibehalten wird.

 

Zur Ergänzung aller Figuren ist in Figur 8 die dem Stand der Technik entsprechende Perforationsart, Lochverteilung 42, Lochlinienposition 44 und festem Lochreihenabstand 46 als schematische Draufsicht einer Vergrößerung mit vier Lochlinien und dem deutlichen Diagonalversatz 45 zur Bahnquerrichtung aufgezeichnet. Die Berechnungsgrundlage zum diagonalen Querversatz der Lochreihen in Vorschubsrichtung 32 der Materialbahn 11 ist eingangs angegeben.

 

Gleichermaßen, und dies gilt für alle hier beispielhaft und auch nicht genannten Ausführungsformen dieser Perforationsmuster und Formen, spiegelt die markante Mikro-Laser-Linienperforation die Einmaligkeit des Herstellungsverfahren und deren Vorrichtung auf dem Zigarettenfilter 39 wieder und ist somit ein eindeutiger Indikator des Herstellers von Laser perforiertem Mundstückbelagpapier 11 oder auch anderen Materialarten.

 

Somit beinhaltet die erfinderische Lehre mit den speziellen Ausführungen der Mikro-Laser-Linienperforation grundlegend neue Produkteigenschaften, die sich als Endprodukt auf dem Mundstückbelagpapierblättchen eines jeden Zigarettenfilters und der Zigarette als ein ganz spezifisches Markenzeichen wieder findet, und für jedermann mit einer Lupe erkennbar ist.

 

Zum Abschluss sei hervorgehoben, dass die erfinderische Lehre durch die Ausführungsbeispiele lediglich erläutert, jedoch keinesfalls eingeschränkt ist. Vielmehr  lässt die erfindungsgemäße Lehre auch weitere Verfahrensschritte, Vorrichtungsvarianten und Produkteigenschaften Mikro-Laser-Linienperforation von Warenbahnen zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmale aufweisen.

 

 

PATENTANSPRÜCHE

 

1.      Verfahren zur Mikro-Laser-Linienperforation für Materialbahnen (11), wie z.B. Zigaretten,   Mundstückbelag-  oder  Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Sicherheitspapiere, holographisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete oder metallisierte Papier- oder Verpackungs- oder auch bestimmte Kunststoffbahnen wie BOPP, LDPE, HDPE oder Spinvliese mit sichtbaren oder unsichtbaren Laserstrahlen, deren Lochreihen (33) und Muster (47,48) im wesentlichen nicht parallel zur Transportrichtung (32) der Bahn (11) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Bahngeschwindigkeit synchron gekoppelte und für jeden optischen Kanal (6) separierte Laserstrahlauslenkungen (27,28) Perforationen (42) erzeugen, die als Wellenform (47), Zick-Zack (48) oder in anderer Weise als Einzel- (33) oder Mehrfachperforationslinien (34) über eine bestimmte Materiallänge (36,37) und als ein sich wiederholendes, signifikantes Muster (47,48) ausgebildet sind und nicht parallel zur Transportrichtung (32) der Materialbahn (11) verlaufen.

 

2.      Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass schwingende oder unsymmetrisch rotierende Strahlumlenkelemente (13,18) den Laserstrahl (4)  in der Weise gesteuert auslenken, dass dieser aus seiner Mittenachse (12) heraus und nach der Endfokussierung (9) Änderungen der geometrischen Lage der Perforationslinien (27,28) parallel zur Transportrichtung erzeugen.

 

3.      Verfahren nach Anspruch 1 – 2 dadurch gekennzeichnet, dass der unsymmetrische Reflektionskegel (18) bei seiner 360 Grad Drehung eine kontinuierliche Änderung des Umlenkwinkels ( 23,24,25) für den ein- ausfallenden Laserstrahl (4) herbeiführt.

 

4.      Verfahren nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn und das Ende eine jeden sich wiederholenden, und sich abgeschlossenen Perforationsmusters (47,48) aufgrund des offline Perforationsverfahren nicht immer mit dem realen Beginn und dem Ende des Materialabschnittes (36,37) deckungsgleich ist, aber stets relativ zu seiner Anfang- und Endposition verbleibt.

 

5.      Verfahren nach Anspruch 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsmuster (47,48) einen hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der Linienanzahl und Formen haben, deren Hüllkurve in der freiprogrammierbaren Steuerung vorausberechnet und während der Perforation (42) die einzelnen Steuerelemente zur Strahlauslenkung (13,18) damit gesteuert werden.

 

6.      Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2 – 5 dadurch gekennzeichnet, dass die von einer Lochreihengruppe (34) für das Perforationsmuster (47,48) zusammengefassten und in Bahnlaufrichtung (32) angeordneten Perforationsköpfe (6) nicht direkt auf gleicher horizontalen Ebene 49 hintereinander angeordnet sind, sondern über die Bahnbreite seitlich versetzt und steuerungstechnisch Strahl ausgelenkt sowie synchron betrieben werden.

 

7.      Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2 – 6 dadurch gekennzeichnet, dass der feste geometrische Abstand der Perforationsköpfe (6) in Bahnlaufrichtung (32) in Korrelation zum Perforationsmusterabschnitt (36,37) mittels der freiprogrammierbaren Steuerung berechnet und vom dynamisch-zeitlichen Ablauf der Perforationsmuster (47,48) berücksichtigt wird.

 

8.      Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2 – 7 dadurch gekennzeichnet, dass sich mit den beispielhaften Wellen- (47) oder Zick-Zack-Perforationsmuster (48) eine optimierte Ausnutzung des Filterflächenbereiches (39) und damit verbundene, deutlich verbesserte Luftzuführung und Luftvermischung innerhalb des Zigarettenfilters oder anderer Produkte, im Vergleich gegenüber den koaxialen Perforationslochlinienanordnungen (41), erzielen lässt.

 

9.      Verfahren nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2 – 8 dadurch gekennzeichnet, dass sich mit den beispielhaften Wellen- (47) oder Zick-Zack-Perforationsmuster (48) eine über die Länge des Zigarettenfilters oder anderer Produkte ausgedehnte Laserperforation ( 38) gegenüber den koaxialen Perforationen (41) ergibt.

 

10.   Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2 – 9 dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlauslenkung (29,30) Piezoschwinger (13) eingesetzt werden, auf denen die Umlenkspiegel (7) aufgesetzt sind.

 

11.   Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2 – 10 dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlauslenkung (29,30) unsymmetrische, rotierenden Reflektionskegel (18) verwandt werden.

 

12.   Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche 2 – 11 dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach den Strahlumlenkungselementen (13,18) Zylinder- (5) oder sphärisch ungekrümmte CO-2 Linsen (9)  eingesetzt sind.

 

13.   Produktmerkmal mit Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche der 2 - 13 dadurch gekennzeichnet,  dass die Mikro-Laser-Linien Perforationsmuster (47,48) auf dem Mundstückbelagpapier (11) als Umhüllung des Zigarettenfilters (39) eine wellenförmige (47), Ein- (33) oder Multilinienausführung (34)  im Umfang des Filters ( 39) oder anderen Produkte aufweisen.

 

14.   Produktmerkmal mit Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche der 2 - 13 dadurch gekennzeichnet,  dass die Mikro-Laser-Linien Perforationsmuster (47,48) auf dem Mundstückbelagpapier (11) als Umhüllung des Zigarettenfilters (39) eine Zick Zack förmige (48), Ein- (33) oder Multilinienausführung (34) im Umfang der Filters (39) oder anderer Produkte aufweisen.

 

15.   Produktmerkmal mit Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder mehrer der Ansprüche der 2 - 14 dadurch gekennzeichnet,  dass die Mikro-Laser-Linien Perforationsmuster (47,48) auf dem Mundstückbelagpapier als Umhüllung des Zigarettenfilters (39) eine nicht stetige, koaxial umlaufende Ein- (33) oder Multilinienausführung (34) im Umfang der Filters (39) oder anderer Produkte aufweisen.

 

 

ZUSAMMENFASSUNG ( Fig. 7 )

 

Für die Mikro-Laser-Linienperforation von Materialbahnen 11 wie Mundstückbelagpapiere, Verpackungsbahnen usw. werden Verfahren und Vorrichtungen angegeben, mit denen es nunmehr möglich ist, bei großen Freiheitsgraden verschiedene Perforationsmuster 34 in Form von Wellenlinien 47, Zick-Zack-Linien 48 oder andere Formen zu erzeugen, welche innerhalb des Filterbereiches 39 von Zigaretten deutlich verbesserte Luftverteilungseigenschaften aufweisen. Die speziellen Ausführungen der Mikro-Laser-Linienperforation schaffen grundlegend neue Produkteigenschaften, die sich als Endprodukt auf dem Mundstückbelagpapierblättchen 36, 37 eines jeden Zigarettenfilters 39 und Zigarette oder anderen Produkten dieser Art als ein ganz spezifisches Markenzeichen wieder findet, und für jedermann erkennbar ist. Technologisch wird dies durch Laserstrahlauslenkungen 24, 25 mittels Piezo-Schwingern 13 als Aktuatoren mit aufgesetzten Metalloptiken oder unsymmetrisch aufgebauten, rotierenden Reflektionskegeln 18 erreicht, deren funktionalen und zeitlichen Abläufe mit der Bahngeschwindigkeit der Materialbahn 11 gekoppelt sind. Die Hüllkurvenpunkte der gewählten Perforationsform 48 werden für die Einzellochreihen 33 und Lochreihengruppe 34 zuvor berechnet und während des laufenden Perforationsverfahren von der freiprogrammierbaren Steuerung ausgeführt und überwacht.