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Vorrichtung zum Perforieren von Artikeln der tabak-
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verarbeitenden Industrie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Perforieren von Artikeln der tabakverarbeitenden Industrie mit einem Laser als Strahlungsquelle
für energiereiche, kohärente Strahlung, mit Fördermitteln zum Fördern der zu perforierenden
Artikel in den Strahlengang des Lasers und mit Mitteln zum Ausrichten der vom Laser
ausgehenden Strahlung auf die zu perforierende Partie der Artikel.
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Unter Artikeln der tabakverarbeianden Industrie sollen im hier vorliegenden
Zusammenhang alle die Artikel verstanden werden, die im Zuge der Herstellung von
rauchbaren Artikeln mit einer Perforation versehen werden. Solche Artikel sind also
Hüllmaterialstreifen zum Umhüllen von Tabaksträngen oder Filtersträngen, Belagpapierstreifen,
Belagpapierblättchen, Zigaretten, Filterzigaretten, Filterstäbe usw.
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Durch die Perforation des Hüllmaterials von Zigaretten bzw.
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Zigarettenfiltern können diese mit einer Zone gewünschter Luftdurchlässigkeit
versehen werden, wodurch der Gehalt von Nikotin und Kondensat im Rauch von Zigaretten
oder ähnlichen rauchbaren Artikeln beeinflußt werden kann. Zur Perforation von Hüllmaterial
für Filter und Zigaretten ist es bekannt, sich der Strahlung eines Lasers zu bedienen
(DE-OS 27 51 522).
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Die von dem Laser ausgehende kohärente Strahlung ergibt eine sehr
genaue und konstante Zone gewünschter Luftdurchlässigkeit der Umhüllung der Rauchartikel.
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Die Herstellung von Filterzigaretten erfolgt auf modernen Produktionsmaschinen
gewöhnlich paarweise, d. h. vom hergestellten Zigarettenstrang werden Doppelstäbe
abgeschnitten, aus ihrer längsaxialen in eine queraxiale Bewegungsrichtung umgelenkt,
in Einzelstäbe zertrennt und axial auseinandergeschoben, So daß zwischen die Einzelstäbe
Filterabschnitte eingelegt werden können. Die Zigarette-Fi0ter-Zigarettegruppen
werden mittels eines Belagblättchens miteinander verbunden, so daß eine doppeltlange
Filterzigarette entsteht, die schließlich in Einzelzigaretten zertrennt wird. Sollen
nun die Zigaretten mit einer Zone gewünschter Luftdurchlässigkeit versehen werden,
so ist es zweckmäßig, den die einzelnen Tabakstäbe mit dem Filterabschnitt verbindenden
Belagpapierstreifen oder die verbundenen Doppelzigaretten mit zwei parallelen Perforationsspuren
zu versehen. Da gewöhnlich jede Perforationsspur aus mehreren Lochreihen besteht,
wird die von dem Laser ausgehende Strahlung mehrfach geteilt. Ein Strahlteiler,
der das leistet, ist in der DE-OS 31 14 603 beschrieben. Obwohl mit diesem Strahlteiler
sehr gute Ergebnisse erzielt werden, ist er insofern noch nicht ganz befriedigend,
als er wegen der doppelten Strahlteilung relativ hohen Aufwand für die Fertigung
und die Justierung der optischen Systeme erfordert.
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Bei einer Perforiereinrichtung dieser Art ist eine exakte Strahlteilung
unerläßlich, um Produkte mit gleichen Eigenschaften zu erhalten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, welche es gestattet, die vom
Laser abgegebene Strahlenergie möglichst exakt auf die verschiedenen gleichaeitig
zu perforierenden Partien der Artikel zu verteilen.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Laser mindestens
zwei miteinander gekoppelte Resonatoren aufweist, daß die Resonatoren des Lasers
parallel zueinander angeordnet und an einem Ende so miteinander verbunden sind,
daß ein etwa U-förmiger Resonatorraum gebildet wird, daß an den miteinander verbundenen
Enden der Resonatoren für die optische Kopplung Umlenkmittel eingesetzt sind und
daß an den freien Enden beider Resonatoren zur Erzeugung zweier Nutzstrahlen teildurchlässige
Spiegel angebracht sind. Die Verwendung zweier mittels optischer Reflektoren gekoppelter
Resonatoren bewirkt eine Polarisierung der Laserstrahlung, die, wie festgestellt
wurde, aus diesem Grund mit relativ geringem optischen Aufwand präzis in mehrere
Strahlen aufgeteilt werden kann, So können in mehreren Reihen sehr gleichmäßige
Perforationen erzeugt werden.
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In Fortführung der Erfindung sind jedem Laserausgang optische Umlenkmittel
zum Führen des Laserstrahls und eine Optik zum Fokussieren des Laserstrahls auf
die zu perforierende Partie der Artikel zugeordnet. Sollen in jeder Perforationsspur
mehrere Lochreihen erzeugt werden, so sind gemäß der Erfindung jedem Laserausgang
wenigstens ein Strahlteiler, optische Umlenkmittel zum Führen des Laserstrahls und
der Teilstrahlen und Optiken zum Fokussieren der Strahlen auf die zu perforierende
Partie der Artikel zugeordnet. Gemäß der Erfindung ist für jede Perforationsspur
nur noch ein Strahlteiler erforderlich, um mehrere Lochreihen in jeder Perforationsspur
zu erzeugen. Der optische Aufwand für die Strahlteilung ist daher erheblich reduziert.
Sollen wenigstens zwei Perforationsspuren erzeugt werden, so ist in der Regel dafür
zu sorgen, daß beide Perforationsspuren denselben Perforationsgrad bewirken, d.
h. daß die Perforationen in beiden Perforationsspuren im wesentlichen gleich sind.
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Aus diesem Grund ist gemäß der Erfindung weiter
vorgesehen,
daß zur Erzeugung von mindestens zwei Perforationsspuren mit je wenigstens zwei
Lochreihen in der zu perforierenden Partie der Artikel die jedem Laserausgang zugeordneten
Strahl teiler, optischen Umlenkmittel und Optiken derart ausgebildet und angeordnet
sind, daß jeder Nutzstrahl in jeder Perforationsspur wenigstens eine Lochreihe erzeugt.
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Zum Perforieren eines bewegten Materialstreifens, wie beispielsweise
eines ßelagpapierstreifens, ist die Vorrichtung nach der Erfindung einer Streifenführung
zugeordnet.
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Sollen stabförmige Artikel, wie z. B. Doppelzigaretten, perforiert
werden, so ist die Vorrichtung einem stabförmige Artikel fördernden Querförderer
zugeordnet.
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Als Laser ist gemäß der Erfindung in erster Linie ein CO2-Gaslåser
vorgesehen, da dieser eine für den vorgesehenen Verwendungszweck in einem optimalen
Energiebereich liegende Laserleistung erbringt. Die hier erforderliche Laserleistung
liegt im Bereich von ca. 50 Watt bis ca. 400 Watt. Im Bedarfsfall können diese Laserleistungen
jedoch auch über- bzw. unterschritten werden. Eine gemäß der Erfindung bevorzugte
Ausbildung der Vorrichtung besteht darin, daß die Resonatoren des Lasers als Resonatorröhren
ausgebildet sind, daß jede Resonatorröhre einen Mittelanschluß und zwei Endanschlüsse
aufweist und daß an den Mittelanschluß eine Gaszuleitung und an die Endanschlüsse
Gasaustrittsleitungen angeschlossen sind. Jede Resonatorröhre ist mit einer Mittelelektrode
und zwei Endelektroden bestückt, wobei zwischen der Mittelelektrode und den Endelektroden
Je eine in der Perforationsfrequenz gepulste Hochspannungsquelle liegt. Jede Resonatorröhre
weist also zwei Entladungsstcken auf. Dadurch ist gewährleistet, daß der Laser bei
jedem Hochspannungsimpuls sicher zündet.
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Sogenannte 11gefaltete11 Laser, auch gefaltete CO2-Gaslaser, sind
an sich bekannt (z.B. DE-OS 25 28 467). Diese Laser geben jedoch nur jeweils einen
Nutzstrahl ab, der auch ungeteilt zur Bearbeitungsstelle geführt wird. Das Problem
der exakten Strahteilung liegt bei diesen Lasern nicht vor. Durch die DE-AS 15 64
779 ist ein Riesenimpulslaser mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium (Rubin)
bekannt, der zwei Nutzstrahlen abgibt, um das Risiko von Materialzusammenbrüchen
trotz hoher Ausgangsleistung des Lasers herabzusetzen. Die beiden Teilstrahlen werden
zu einem Nutzstrahl vereinigt. Auch hier besteht das Problem einer exakten Strahlteilung
nicht. Der Stand der Technik gibt daher keine Hinweise auf den vorliegenden Erfindungsgegenstand.
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Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine exakte Aufteilung
der Laserstrahlung auf mehrere Perforationsspuren ermöglicht bzw. erleichtert wird.
Dies beruht im wesentlichen darauf, daß der verwendete gefaltete Laser polarisierte
Laserstrahlung abgibt, die eine exaktere Strahlteilung ermöglicht.Auch die Erzeugung
zweier Nutzstrahlen mit dem gefalteten Laser verbessert die Strahlteilung, weil
jeder Nutzstrahl nur die halbe Laserenergi-e führt. Dadurch ergibt sich eine Herabsetzung
der Beanspruchung der optischen Strahlteilungs-, -führungs- und -fokussierungsmittel.
Das setzt gleichzeitig den Aufwand für die optische Strahlführung erheblich herab.
Der Laser hat nach der Erfindung trotz hoher Strahlungsenergie nur einen relativ
geringen Raumbedarf, da die miteinander gekoppelten Resonatoren parallel zueinander
angeordnet sind. Durch diese Ausbildung des Lasers ergibt sich gleichzeitig eine
sehr kompakte Bauweise der ganzen Perforiervorrichtung. Die Hintereinanderschaltung
mehrerer Laser erlaubt die Erzeugung einer entsprechenden Anzahl
von
Lochreihen ohne hohen optischen Aufwand. So können mit zwei Lasern vier Lochreihen
perforiert werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
nach der Erfindung, Figur la einen Schnitt entlang der Linie A-Ain Figur 1, Figur
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung mit Streifenführung
in Draufsicht und Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2.
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Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung. Ein Materialstreifen 1, beispielsweise ein Belagpapierstreifen
zur Herstellung von Filterzigaretten, der in Richtung des Pfeils 2 bewegt wird,
ist mit zwei Zonen 3 und 4 gewünschzu ter Luftdurchlässigkeit versehen. Jede dieser
Zonen 3 und 4 soll zwei Lochreihen 3a und 3b bzw. 4a und 4b aufweisen.
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Die Perforation des Materialstreifens 1 erfolgt mittels eines CO2-Gaslasers
6, der gemäß der Erfindung zwei Resonatoren 7 und 8 aufweist. Die Resonatoren 7
und 8 sind parallel zueinander angeordnet und an einem Ende über eine Brücke 9 so
miteinander verbunden, daß ein U-förmiger Resonatorraum entsteht. Zur optischen
Kopplung der Resonatoren 7 und 8 sind Umlenkspiegel 11 und 12 vorgesehen.
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Die freien Enden 13 und 14 der Resonatoren 7 und 8 sind mit teildurchlässigen
Spiegeln 16 und 17 versehen, so daß dem Laser zwei Nutzstrahlen 18 und 19 entnommen
werden können. Je nach dem Grad der Durchlässigkeit der teildurchlässigen Spiegel
16 und 17 unterscheidet sich die Energie der Nutzstrahlen 18 und 19. Ist die Durchlässigkeit
der Spiegel 16 und 17 gleich, so ist die.
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Energie der Nutzstrahlen 18 und 19 auch gleich.
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Jeder Laserresonator 7 und 8 hat die Gestalt eines Gasentladungsrohres,
welches einen Mittelanschluß 44 und zwei Endanschlüsse 46 aufweist, die mit einem
Gasvorrat 47 verbunden sind. Die CO2-Gaszufuhr erfolgt über eine Zuführleitung 44a
zum Mittelanschluß 44. Das aus den Endanschlüssen 46 austretende Gas wird über Leitungen
46a zur Wiederverwendung urückgeführt. Es kann auch an die Atmosphäre abgegeben
we den. Im Mittelanschluß 44 ist ein# Hochspannungselektrode 49a angeordnet. Zu
den Enden jedes Laserresonators hin sind zwei weitere Hochspannungselektroden 49
vorgesehen, die als Ringelektroden ausgebildet sein können. Zwischen der Mittelelektrode
49a und den
Endelektroden 49 l-iegen-Hochspannungsquellen 48, die
eine gepulste Hochspannung abgeben und so einen Puisbetrieb des Lasers in der jeweils
gewünschten Perforationsfrequenz bewirken.
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Die dem Laser 6 durch die teildurchlässigen Spiegel 16 und 17 entnommene
gepulste Strahlung 18 und 19 ist polarisiert, so daß eine präzise Strahlteilung
mit optischen Mitteln möglich ist. Figur 1a zeigt schematisch die Strahlteilung
am Beispiel des Nutzstrahls 18. Der Strahl 18 gelangt zunächst zu einem der Zone
3 zugeordneten teildurchlässigen Spiegel 21, der einen Teil der Strahlungsenergie
zur zu perforierenden Materialbahn 1 umlenkt und den anderen Teil zu einem total
reflektierenden Spiegel 22 durchläßt, der seinerseits diesen Teilstrahl zur Materialbahn
1 umlenkt. Mit 23 und 23' angedeutete Optiken fokussieren die Teilstrahlen auf die
zu perforierenden Partien 3 und 4 der Materialbahn 1. Setzt man als Strahlteiler
21 einen halbdurchlässigen Spiegel ein, so wird der Strahl 18 in zwei genau gleiche
Teilstrahlen aufgeteilt, die gleiche Perforationen 3b und 4b erzeugen. Die optische
Anordnung im Strahlengang des Nutzstrahls 19 ist dieselbe wie in Figur la, so daß
die Zonen 3 und 4 mit je zwei Lochreihen 3a und 3b bzw. 4a und 4b versehen werden.
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Der Betrieb des Lasers stimmt im wesentlichen mit dem eines Lasers
mit nur einem Resonator überein, so daß hinsichtlich seiner Funktionsweise und seiner
Steuerung beispielsweise auf die DE-OS 27 51 522 verwiesen werden kann.
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Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung nach der
Erfindung in Draufsicht. Diese Vorrichtung weist einen Laser 6 auf, der ebenso aufgebaut
ist wie der im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene. Aus den freien Enden
der
Resonatoren 7 und 8 treten parallele Laserstrahlen 24 und 24' aus, zu deren Umlenkung
Umlenkspiegel 26 und 26' sowie 27 und 27' vorgesehen sind. Ober die Umlenkspiegel
werden die Strahlen 24 und 24' in das Innere eines Strahlungskopfes 28 geleitet.
Zur Veranschaulichung ist der Strahlengang samt den Umlenkspiegeln in Figur 2 sichtbar
gezeigt, auch wo er, wie Figur 3 zeigt, im Innern-des Strahlungskopfes 28 verläuft,
und daher in der Draufsicht eigentlich unsichtbar ist. Figur 3 zeigt den Strahlungskopf
28 im Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2.
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Dieser besteht aus einem Grundkörper 29 mit einer Strahleneintrittsöffnung
31 und Bohrungen 32, 33 und 33' zur Führung der Laserstrahlung. Im Schnittbereich
der Strahleneintrittsöffnung 31 mit der Bohrung 32 ist der Umlenkspiegel 27 angeordnet.
Im Schnittbereich der Bohrung 32 mit der Bohrung 33 liegt ein teildurchlässiger
Umlenkspiegel 34 und im Schnittbereich der Bohrung 33' mit der Bohrung 32 ein totalreflektierender
Spiegel 34'. Der teildurchlässige Spiegel 34 ist halbdurchlässig, um den Laserstrahl
24 in zwei gleiche Teilstrahlen aufzuteilen.
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Ein mit dem Grundkörper 29 verbundener Aufsatzteil enthält den Bohrungen
im Grundkörper zugeordnete Bohrungen 36 und 36', in welche Optiken 37 und 37' zum
Fokussieren der Laserstrahlung auf die zu perforierende Partie des Materialstreifens
1 eingesetzt sind.
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In Figur 2 und 3 ist die Führung des Materialstreifens 1 durch Rollen
38 und 39 angedeutet. Wie Figur 3 erkennen läßt, läuft die zu perforierende Materialbahn
1 über die Rollen 38 und 39 und wi-d durch Rollen 41 und 41' im Bereich der Strahlengänge
der Laserstrahlung gespannt.
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Der Antrieb der Materialbahn 1 erfolgt über eine Rolle 42, die von
einem Motor 43 angetrieben ist.
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Ein Strahlungskopf, wie er im hier vorliegenden Zusammenhang benutzt
werden kann, ist in Einzelheiten in der DE-OS 31 14 603 der Anmelderin beschrieben,
auf die in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen wird.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung ist im Zusammenhang
mit der Perforation eines bewegten Materialstreifens beschrieben worden. Die Vorrichtung
kann hierzu ineine entsprechende Maschine, beispielsweise in eine Filteransetzmaschine,
integriert sein, um den für die Verbindung von Zigarette-Filterabschnitt.Zigarette-Gruppen
erforderlichen Belagpapierstreifen zu perforieren. Sie kann auch in einer getrennten
Perforiereinrichtung enthalten sein, bei der der perforierte Streifen vor seiner
Weiterverarbeitung zunächst wieder auf eine Bobine auf gewickelt wird. Die Vorrichtung
nach der Erfindung ist natürlich auch zum Perforieren von stabförmigen Artikeln
geeignet, wozu sie beispielsweise zurPerforation von doppeltlangen Filterzigaretten
ebenfalls in eine Filteransetzmaschine eingebaut sein kann. Führungsvorrichtungen
für den bewegten Materialstreifen und die stabförmigen Artikel während des Perforierens
und die notwendigen Anordnungen für den Betrieb des Lasers sind in der DE-OS 27
51 522 beschrieben, auf welche hier ebenfalls verwiesen wird.
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Wie die Beschreibung zeigt, bietet die erfindunsgemäß vorgeschlagene
Vorrichtung den Vorteil, daß eine Laserstrahlung sehr großer Energie bereitgestellt
wird, die bereits vom Laser aus in zwei Nutzstrahlen vorliegt. Da die von den gekoppelten
Laserresonatoren ausgehende Laserstrahlung polarisiert ist, ist eine sehr präzise
Strahlteilung möglich, was als weiterer Vorteil anzusehen ist. Hinzu kommt, daß
der Laser mit zwei parallel angeordneten Resonatoren im Verhältnis zu seiner Leistung
nur
einen sehr geringen Platzbedarf hat.
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