DE2350933C3

DE2350933C3 - Vorrichtung zum Formbrennschneiden einer bewegten Materialbahn mittels eines Laserstrahles

Info

Publication number: DE2350933C3
Application number: DE2350933A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 7771 Frickingen Langenbeck
Original assignee: Winkler & Duennebier Maschinenfabrik und Eisengiesserei & Co Kg 5450 Neuwied De GmbH; Winkler and Duennebier Maschinefabrik und Eisengiesserei GmbH
Current assignee: Winkler & Duennebier Maschinenfabrik und Eisengiesserei & Co Kg 5450 Neuwied De GmbH; Winkler and Duennebier Maschinefabrik und Eisengiesserei GmbH
Priority date: 1973-10-10
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1981-10-29
Also published as: DE2350933B2; ES430816A1; GB1477226A; US3965327A; CA1012610A; FR2247321A1; DE2350933A1; IT1030703B; FR2247321B3

Description

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1. Vorrichtung zum Formbrennschneiden einer bewegten Materialbahn aus Papier, Karton oder dgl. mittels eines auf die Materialbahn fokussierten Laserstrahls, welcher mit Hilfe einer im optischen Weg zwischen Laserstrahlenquelle und Materialbahn angeordneten, beweglichen Spiegelanordnung ablenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung aus zwei jeweils für sich angetriebenen Schwenkspiegeln (2, 3) besteht, die derart angeordnet sind, daß der Laserstrahl (1) durch den zweiten Schwenkspiegel (3) in Schwenkebenen abgelenkt werden kann, die mit der Schwenkebene, in der der Laserstrahl (1) durch den ersten Schwenkspiegel (2) abgelenkt wird, einen beliebigen Winkel zwischen 0 und 180° einschließen, und daß die Schwenkbewegungen der beiden Spiegel (2, 3) derart gesteuert sind, daß die von dem zweiten Spiegel (3) bewirkte Strahlenauslenkung jeweils erst am Ende der von dem ersten Spiegel (2) bewirkten Strahlenauslenkung beginnt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwenkspiegel (3) sich im Strahlengang zwischen dem ersten Schwenkspiegel (2) und der Materialbahn (6) befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwenkspiegel (3) hinter dem ersten Schwenkspiegel (2) im verlängerten Strahlengang des auf den ersten Schwenkspiegel (2) auftreffenden Laserstrahles (1) angeordnet ist und daß der erste Schwenkspiegel (2) am Ende seiner Ablenkbewegung aus dem Strahlgang des Laserstrahls (1) ausschwenkbar ist

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65 werden, ist es erforderlich, der hohen Bahngeschwindigkeit Rechnung zu tragen. Die Laufgeschwindigkeit der Papierbahn muß dabei als gegeben und unveränderlich hingenommen werden. Hierbei stelk sich jedoch bei den erwünschten hohen Arbeitsgeschwindigkeiten das Problem der Massenträgheit Es ist nämlich schlichtweg unmöglich, eine Schwenkbewegung eines Ablenkspiegels schlagartig abzubrechen und zur Umkehr zu bringen, um beispielsweise einen scharfkantigen Winkel mit geradlinig verlaufenden Schenkeln zu schneiden.

Eine andere bekannte Vorrichtung zum Schneiden von bahnförmigem Material mittels eines Laserstrahles, bei der der Laserstrahl mittels eines an einem horizontal schwenkbaren Arm verschiebbar geführten Objektivs auf die Materialbahn fokussiert wird, ist noch weniger geeignet, mit hohen Bahngeschwindigkeiten zu arbeiten (GB-PS 12 73 983). Eine ähnliche Vorrichtung mit etwa gleichem Verhalten ist in der DE-OS 19 00 335 beschrieben.

Der Erfindung liegt die mifgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei einer notwendigen Änderung der Strahlablenkrichtung das Problem der Massenträgheit des Ablenkspiegels verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe demnach mit Hilfe eines zweiten Schwenkspiegels, der die Ablenkung des Laserstrahls in der zweiten Ablenkrichtung übernimmt, die genau entgegengesetzt zur ersten Ablenkrichtung sein kann, d. h. die Ebenen, in denen der Strahl abgelenkt wird, fallen zusammen, oder die in einer Richtung verlaufen kann, in welcher die Ablenkebene mit der ersten Ablenkebene einen Winkel einschließt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform und

Fig.2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 umfaßt einen ersten Spiegel 2, auf den ein Laserstrahl 1 zunächst trifft. In Strahlrichtung hinter dem ersten Spiegel ist ein zweiter Spiegel 3 angeordnet, von dem aus der Laserstrahl 1 auf die (nicht dargestellte) Materialbahn gerichtet wird. Jeder Spiegel ist an einer Welle eines Stellantriebs 4 bzw. 5 befestigt. Die Schwenkachsen beider Stellantriebe und somit beider Spiegel verlaufen parallel zueinander und zur Ebene der Materialbahn. Die Stellantriebe werden von einer nicht dargestellten Steuereinheit gesteuert. Der erste Spiegel 2 ist konkav ausgebildet und bewirkt daher eine Bündelung des Laserstrahls 1. Der zweite Spiegel ist ein Planspiegel.

Unmittelbar über der Materialbahn ist eine Schlitzmaske 6 mit einem geraden Schlitz 15 angeordnet. Der Schlitz 15 liegt in der Schwenkebene des Laserstrahls. Die Flanken 16 des Schlitzes sind so geneigt, daß sie ein nach oben offenes V-Profil ergeben.

Ein Schnitt wird mit der in F i g. 1 dargestellten * Vorrichtung in folgender Weise durchgeführt. Unterhalb der räumlich feststehenden Schlitzmaske 6 wird die Materialbahn mit konstanter Geschwindigkeit durchgeführt. Spiegel 2 und Spiegel 3 sind so ausgerichtet, daß sie einen auf Spiegel 2 treffenden Laserstrahl auf den

Rand der Materialbahn richten würden. Sobald die Stelle des Materialbahnrandes, an der der Formschnitt beginnen soll, unter dem Schlitz 15 liegt, wird durch die Laserstrahlquelle ein Laserstrahl erzeugt dessen Schnittstelle 7 den Formschnitt beginnt D.inach wird s der Spiegel 2 im Uhrzeigersinn verschwenkt so daß die Schnittstelle 7 über den Schlitz 15 wande.rt- Dabei steht der zweite Spiegel 3 still. Alternativ kann der Spiegel 2 seine Schwenkbewegung schon beginnen, bevor die Einschnittstelle des Formschnitts den Schlitz 15 erreicht In diesem F-iU müßte der Spiegel 2 zuvor in einer Stellung sein, in der der Laserstrahl noch nicht auf den Materialbahnrand gerichtet ist

Die Verschwenkung des Spiegels 2 erfolgt mit veränderlicher Geschwindigkeit Die Schwenkgeschwindigkeit ist dem zu schneidenden Formschnitt angepaßt Für Elemente des Formschnitts, die entgegen der Bewegungsrichtung des Materials verlaufen, ist die Strahlgeschwindigkeit in der Schneidbahn Null; für Elemente, die quer zur Bewegungsrichtung des Materials verlaufen, ist die Strahlgeschwindigkeit in der Schneidbahn gleich v/cos «, wobei ν die Materialbahngeschwindigkeit und κ der Winkel zwischen Schneidbahn und Bewegungsrichtung der Materialbahn ist Elemente des Formschnitts, deren Ausrichtung zwisehen den genannten Richtungen liegt, erfordern eine Strahlgeschwindigkeit zwischen 0 und v/cos «. Elemente des Formschnitts, die nach vorn in Bewegungsrichtung des Materials gerichtet sind, erfordern eine Strahlgeschwindigkeit größer als v/cos λ, wobei im Grenzfall allerdings nur eine Neigung α gegenüber der Bewegungsrichtung erreicht werden kann.

Kurz bevor die Schnittstelle den am tiefsten in der Materialbahn liegenden Punkt erreicht, wird die Bremsung des ersten Spiegels 2 eingeleitet sofern er nicht schon stillsteht. Gleichzeitig wird der zweite Spiegel 3 in Bewegung gesetzt, und zwar ebenfalls im Uhrzeigersinn (in Fig. 1). Dadurch wird die Rückführung des Laserstrahls eingeleitet. Wenn der erste Spiegel stillgesetzt ist, wird die weitere Ablenkung des Laserstrahls nur noch durch den zweiten Spiegel bewirkt. Auch dessen Schwenkgeschwindigkeit ist dem Formschnitt entsprechend gesteuert. Bei der Rückführung des Laserstranis können allerdings keine Elemente mehr geschnitten werden, deren Neigung gegenüber der Bewegungsrichtung des Materials größer als der Winkel ex, ist. Sobald die Schnittstelle wieder den Materialbahnrand erreicht hat, wird die Laserstrahlquelle ausgeschaltet, und beide Spiegel werden in ihre Ausgangsstellung zurückgeschwenkt.

Während des gesamten Schneidvorgangs werden die Strahlen, die auf die geneigten Flanken 16 des Schlitzes 15 treffen, zumindest teilweise auf die Schneidbahn reflektiert.

Die gleiche Vorrichtung kann auch in der Weise betrieben werden, daß zuerst der zweite Spiegel durch Verschwenkung im Gegenuhrzeigersinn die Hinführung des Laserstrahls bewirkt und daß danach der erste Spiegel 2 durch Verschwenkung im Gegenuhrzeigersinn die Rückführung des Laserstrahls bewirkt.

Ferner kann eine gleichartige Vorrichtung an dem gegenüberliegenden Materialbahnrand angeordnet sein, die einen gleichen oder anderen Formschnitt ausführt.

Schließlich kann die gesamte Vorrichtung gemäß Fig. 1 einschließlich der Schlitzmasken über der Materialbahn um eine zur Materialbahn senkrechte Achse drehbar ausgebildet sein, um die Neigung des Schlitzes und der Schneidbahn dem Formschnitt anpassen zu können.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in F: g. 2 dargestellt. Darin bezeichnen gleiche Bezngszeichen die gleichen Teile wie bei der Vorrichtung Dach F i g. 1. Vom ersten Spiegel 2 gelangt der Laserstrahl auf einen starren Spiegel 8, der den Laserstrahl auf eine erste Schneidbahn 13' lenkt Für den Einschnitt wird der erste Spiegel 2 in gleicher Weise geschwindigkeitsgesteuert verschwenkt, wie dies im Zusammenhang mit F i g. 1 erläutert worden ist. Durch diese Verschwenkung können z. B. der rechte und der hintere Teil eines Formschnittes 12, der strichpunktiert in F i g. 2 dargestellt ist, geschnitten werden. Sobald im dargestellten Fall die linke Ecke des Formschnitts erreicht ist wird der erste Spiegel 2 aus dem Laserstrahl herausgeschwenkt so daß dieser auf zwei Umlenkspiegel trifft, die inn zum zweiten Spiegel 3 lenken, der dann die Rückführung des Laserstrahls entlang einer zweiten Schneidbahn 13" übernimmt wobei der linke Teil des Formschnitts geschnitten wird.

Die Schwenkachse des zweiten Spiegels 3 verläuft ebenso wie die des ersten Spiegels parallel zur Schnittebene, die mit der Ebene der Materialbahn identisch ist, schließt jedoch mit der Schwenkachse des ersten Spiegels einen Winkel ein. der gleich dem Winke! zwischen der ersten Schneidbahn 13' und der zweiten Schneidbahn 13" ist. Durch Verschwenken des zweiten Spiegels mit gesteuerter Geschwindigkeit wird der Formschnitt zu Ende geführt. Dadurch, daß die zweite Schneidbahn nicht mit der ersten identisch ist, ist eine größere Formenvielfalt auch bei der Rückführung des Laserstrahls möglich. Mit der in Fig.2 dargestellten Vorrichtung können auch bei der Rückführung Elemente geschnitten werden, die quer zur Bewegungsrichtung 11 der Materialbahn liegen. Es können auch solche Elemente geschnitten werden, die schräg nach vorn in Bewegungsrichtung der Materialbahn ausgerichtet sind, wobei die Grenze durch den Winkel β zwischen Bewegungsrichtung und zweiter Schneidbahn gegeben ist.

Alternativ kann auch die Anordnung von erstem Spiegel 2 und starrem Spiegel 8 umgekehrt sein, wobei dann allerdings der Spiegel 8 aus dem Laserstrahl herausschwenkbar sein muß und der Spiegel 2 beim Schneiden im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt werden würde.

Eine Vorrichtung für zwei Schneidbahnen 13' und 13" kann auch ohne Umlenkspiegel nur mit den zwei Spiegeln 2 und 3 realisiert werden. In diesem Fall würde der Laserstrahl 1 von rechts (in F i g. 2) auf den ersten Spiegel 2 treffen, der den Strahl entlang der Schneidbahn 13' führen kann. Oberhalb des Schnittpunktes der Schneidbahnen 13' und 13" wäre der zweite Spiegel 3 angeordnet, auf den der erste Spiegel den Laserstrahl am Ende seiner Schwenkbewegung richtet. Der zweite Spiegel 3, dessen Projektion der Schwenkachse auf die Materialbahn senkrecht zur zweiten Schneidbahn 13" steht, ist an der Welle des Stellgliedes 5 so befestigt, daß er den in Richtung der Schwenkachse auftreffenden Laserstrahl nach unten auf die zweite Schneidbahn 13" lenkt. Durch Verschwenkung des zweiten Spiegels um seine Schwenkachse wird der Laserstrahl entlang der zweiten Schneidbahn gefahren.

Bei einer Vorrichtung für zwei verschiedene, gerade Schneidbahnen ist es nicht erforderlich, daß die Schneidbahnen ineinander übergehen. Vielmehr können sie auch in Bahnrichtung einen gewissen Abstand voneinander haben und enden, bevor sich ihre

Mittellinien schneiden. Dadurch wird erreicht, daß zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Schnitt auf der ersten Schneidbahn beendet ist, und dem Zeitpunkt, zu dem der Schnitt auf der zweiten Schneidbahn fortgesetzt wird, eine von der Materialbahngeschwindigkeit abhängige Zeitdifferenz besteht, die für mechanische Stellvorgänge zur Verfügung steht.

Diese Zeitdifferenz kann beispielsweise in der Weise genutzt werden, daß beim Schneiden von seitlich in die Materialbahn laufenden Spitzen mit geeigneter Strahlgeschwindigkeit über das Ende der ersten Schneidbahn hinausgefahren wird, daß dann erst der erste Spiegel in

die Stellung gebracht wird, in der der zweite Spiegel vom Laserstrahl bestrahlt wird, daß der zweite Spiegel beschleunigt wird und daß der Laserstrahl erst nach Ablauf der Zeitdifferenz bereits mit geeigneter Strahlgeschwindigkeit den Schnitt auf der zweiten Schneidbahn beginnt. Die Zeitdifferenz kann so groß festgelegt werden, daß ausreichende Zeit für die beschriebenen Umsteuervorgänge zur Verfügung steht, so daß die mechanische Trägheit einzelner Elemente der Vorrichtung keine Beschränkungen hinsichtlich der Form des Formschnitts zur Folge hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche ist aus der DE-OS 14 61 216 bekannt.

Wenn aus einer in einer Richtung kontinuierlich bewegten Materialbahn Zuschnitte mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeschnitten werden sollen, bei denen eine Schnittlinie vom Rand bis etwa in die Mitte der Bahn hinein und von dort an eine andere Stelle desselben Randes zurückgeführt wird, dann ist es erforderlich, die Ablenkrichtung des Schneidstrahles beim Erreichen der erwähnten Mitte der Materialbahn umzukehren.

Die bekannte Vorrichtung verwendet als Strahlablenkvorrichtung eine mit einer Mehrzahl von Spiegeln besetzte Walze von polygonalem Querschnitt, die kontinuierlich in nur einer Richtung rotiert, so daß der Laserstrahl in seiner Ablenkebene in nur einer Richtung abgelenkt werden kann. Schnitte der zavorerwähnten Art sind mit der bekannten Vorrichtung daher nicht ausführbar.

Der für den Fachmann naheliegende Weg, einen Schnitt der vorbezeichneten Art auszuführen, d. h. die Ablenkrichtung des Laserstrahles umzukehren, besteht darin, die Ablenkbewegung des im Strahlengang zwischen Laserstrahlenquelle und Materialbahn befindlichen Spiegels am Ende der in die Materialbahn vom Rand aus hineinführenden Bewegung umzukehren.

Beim Schneiden von Zuschnitten aus sehr schnell bewegten Bahnen, etwa Papierbahnen, aus denen beispielsweise Briefumschlag-Zuschnitte hergestellt

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