DE69923592T2

DE69923592T2 - Prägen und kaschieren von materialbahnen mit unregelmässigem verbindunsmuster

Info

Publication number: DE69923592T2
Application number: DE69923592T
Authority: DE
Inventors: T. Walter SCHULTZ; J. William RAYNOR; Jay James TANNER; G. David BIGGS; E. Bernhardt KRESSNER; D. Mark PERKINS
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2019-12-31
Also published as: US20020155257A1; DE69923592D1; CO5280124A1; US6589634B2; EP1140482A1; WO2000038909A1; BR9916612A; AU2597400A; AR022160A1; US6251207B1; AU752281B2; TW498023B; EP1140482B1; KR20010099993A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbindungsmuster, die bei dem Prägen und Kaschieren von Bahnen aus Material nach dem Stift-auf-Stift-Verfahren angewendet werden, und insbesondere schnelles Kaschieren von zwei geprägten Bahnen mit unregelmäßigem Verbindungsmuster.
Papiererzeugnisse, wie zum Beispiel Gesichtstücher, Babywischtücher, Papierhandtücher, Toilettenpapier und ähnliches, werden in der Papierindustrie weit verbreitet hergestellt. Jedes dieser Erzeugnisse hat einzigartige Produktmerkmale, die eine geeignete Mischung von Produktattributen erfordern, um sicherzustellen, dass das Produkt für den beabsichtigten Zweck verwendet werden kann und von den Verbrauchern gewünscht wird. Diese Attribute sind unter anderem Zugfestigkeit, Wasseraufnahme, Weichheit, Griffdicke, Streckung und das Aussehen. Ein Verfahren zum Verändern der Eigenschaften oder Attribute umfasst die Bereitstellung eines künstlerischen Musters in oder auf dem Papierprodukt. Das künstlerische Muster umfasst üblicherweise eine Textur, die durch Verändern von Dichte, Höhe oder Dicke bereitgestellt wird. Dieses Texturieren erfolgt normalerweise durch ein Verfahren, das als Prägen bekannt ist.
Prägeverfahren nach dem Stand der Technik umfassen üblicherweise die Kontaktherstellung zwischen dem Papierprodukt-Bogen und der Prägevorrichtung, die üblicherweise entgegengesetzte Walzen, die eine aufeinander abgestimmte Stempelvorrichtung und Matrizenvorrichtung oder eine Metall-Prägewalze und eine nachgiebige Kontaktwalze (zum Beispiel eine Gummiwalze) aufweisen. Die Walzen arbeiten mit gleichen Oberflächengeschwindigkeiten, so dass die künstlerischen Muster der Walzen aufeinander ausgerichtet sind, wenn es sich um Stempelwalze und Matrizenwalze handelt. Die Bahn wird geprägt, wenn sie den zwischen den beiden Walzen erzeugten Spalt durchläuft. Die Steuerungen, die während des Prägens üblicherweise angewandt werden, sind die Spalt-Oberflächengeschwindigkeit der Walzen, der Druck zwischen den beiden Walzen oder auch der Spaltdruck, der Feuchtigkeitsgrad des in den Spalt eintretenden Papierbogens, die Temperatur der den Spalt erzeugenden Walzen sowie die Art des in den Spalt eintretenden Papierbogens (Dicke, Faserart, Glätte, Porosität und chemische Behandlungen). Diese Steuerungen beeinflussen die Qualität der Prägung, die häufig nach der Klarheit oder der Schärfe des künstlerischen Musters auf dem Bogen, nach seiner Gleichmäßigkeit über den Bogen (CD oder Maschinenquerrichtung) und in der Bewegungsrichtung des Blattes (MD oder Maschinenrichtung) sowie nach dem Gefühl oder der "Hand" des geprägten Bogens bewertet wird. Das Einstellen dieser Prozessparameter stellt Produktvariabilität bereit, resultiert jedoch oft auch in einem Produkt ohne die am meisten wünschenswerten oder wettbewerbsfähigsten Produktattribute.
Es wurde festgestellt, dass die Eigenschaften von Tissue-Papier entschieden verbessert werden können, wenn anstelle einer Einzeldicke oder eines Einzelgewichtes von Tissue-Bogen zwei Bögen der halben Dicke oder des halben Gewichtes zusammen kaschiert werden, wobei jeder Bogen vorher separat geprägt worden ist. Das Kaschieren der beiden separat geprägten Bögen konnte signifikant unterschiedliche Eigenschaften, Weichheit, Wasseraufnahme, Griffigkeit etc. bereitstellen. Bei dem Stand der Technik sind das Präge- und Kaschierverfahren von separaten Tissue-Bögen in einer Maschine kombiniert. Drei verschiedene Verfahren stehen gegenwärtig für die wirtschaftliche Nutzung bei der Herstellung von Tissue-Papier und Papierhandtüchern zur Verfügung: 1) das Verfahren "Stift-auf-Stift" oder "Punkt-auf-Punkt; 2) das Verfahren "Stift-auf-Fuge" oder "verklebt-verschachtelt" und 3) das Verfahren "stiftgeprägt". Die Dickgriffigkeit oder die Dicke und die Saugfähigkeit des kaschierten zweilagigen Bogens sind weitaus größer als die des gleichwertigen einlagigen Bogens. Dies wird zum Beispiel in dem auf Nystrand ausgestellten US-Patent 3,867,225 gezeigt.
Wenngleich das Stift-auf-Stift-System die besten Eigenschaften erzeugen kann, hat es doch damit zusammenhängende Nachteile. Stift-auf-Stift-Kaschieren von zwei geprägten Tissue-Papierbögen beruht auf der genauen Paarung oder Ausrichtung der künstlerischen Muster der beiden separaten Prägestempel-Elemente. Hinter dem Prägespalt werden die beiden separaten Bögen zusammengeführt und klebend befestigt, indem die abgestimmten Vorsprünge der Prägestempelwalzen angedrückt werden, wobei sich die Bögen und der Klebstoff zwischen den beiden Tissues befinden. Zum Beispiel ist üblicherweise ein Spalt von etwa 0,001 Zoll für die Metallvorsprünge zwischen den beiden Metallwalzen für ein Tissue-Papier von 20 englischen Pfund pro Ries eingestellt. Mit zunehmender Produktionsgeschwindigkeit wird die Ausrichtung noch kritischer, da die Kontaktzeit kürzer ist, und zwar auch dann, wenn die Kontaktkräfte nicht abnehmen.
Wenn auch nur ein geringer Drehversatz oder ein geringer Seitenversatz bei dem herkömmlichen Stift-auf-Stift-Prägen/-Kaschieren vorliegt, tritt kein Verbinden ein und demzufolge entsteht kein annehmbares Produkt. Bei zunehmender Produktionsgeschwindigkeit, und zwar auch bei vorhandener Ausrichtung, wird der Bogen nicht haften, wenn eine begrenzende Geschwindigkeit erreicht wird, bei der Schwingung einen sogenannten "Basketballeffekt" erzeugt, d.h. die Kaschierwalzen scheinen auseinander zu springen. Dieser Effekt öffnet den Spalt zwischen den beiden Walzen und entspannt den Druck auf den Verbindungsflächen, bevor Verbinden eintreten kann.
Das auf Thomas ausgestellte US-Patent 3,961,119 beschreibt, dass der Vorteil des Stift-auf-Stift-Prägens/-Kaschierens teilweise erzielt werden kann, indem von Einzelstiften zu durchgehenden Linien für die stempelnden künstlerischen Muster der Prägewalzen des Stift-auf-Stift-Verfahrens übergegangen wird. Durch eine schraubenförmige Gestaltung der Linienmuster auf jeder der separaten Walzen brachte Thomas die beiden separaten Verbindungslinien in ein Verhältnis von etwa 90 Grad zueinander. Dies erzeugte einen Andruckpunkt, quadratisch oder rautenförmig, der zu einer Verbindung wurde und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Ausrichtung der beiden Walzen ausschloss. Diese Erfindung beseitigte jedoch nicht die Geschwindigkeitsbegrenzung, da sie nach wie vor übermäßige Schwingung verursachte.
Das auf Ruppel ausgestellte US-Patent Nr. 5,173,351 befasste sich ebenfalls mit dem Problem der Ausrichtung, indem es aufzeigte, wie eine gute Verbindung erreicht werden kann, indem zwei Metallwalzen verschiedene künstlerische Muster aufweisen, die unterbrochen sein können, jedoch mit einer vorgegebenen Regelmäßigkeit, um einen gewissen Mindestkontakt oder eine Mindestübereinstimmung in dem Spalt zu erzeugen, damit verbundene Flächen des Tissue-Papiers erzeugt werden. Aufgrund der von Ruppel vorgeschriebenen Regelmäßigkeit wies die Erfindung nach wie vor Geschwindigkeitsbegrenzungen aufgrund schädlicher Schwingungen auf.
Alle dynamischen Maschinen und Konstruktionen haben Resonanzfrequenzen, die problematisch werden können, wenn eine regelmäßig wiederholte Kraft die Resonanzbedingung erregt. Siehe zum Beispiel "Vibration Problems in Engineering" (Schwingungsprobleme in der Technik – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.) von S. Timoshenko D. Van Nostrand Co. 1928; "Mechanical Vibrations" (Mechanische Schwin gungen) von William T. Thompson Prentice-Hall, Inc. 1948; "Fundamentals of Vibration Analysis" (Grundlagen der Schwingungsanalyse – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.) von N.O. Myklestad, McGraw-Hill 1956. Eine recht kleine, sich regelmäßig wiederholende Kraft kann Schwingung großer Amplitude in Maschinen und Tragkonstruktionen verursachen, wenn die Frequenz der Wiederholungskraft genau richtig ist, d.h. wenn sie gleich oder fast gleich Eins der kritischen Frequenz oder einer harmonischen Teilschwingung dieser Frequenz ist.
Um diese nachteiligen Erscheinungen zu kompensieren, werden die meisten dynamischen Maschinen mit Puffern oder Dämpfern für Schwingungsisolierung installiert, um die Übertragung nachteiliger Schwingungen auf andere Teile der Maschine oder auf Tragkonstruktionen zu verhindern oder abzuschwächen. Motorbefestigungen und Stoßdämpfer für Kraftfahrzeuge sind herkömmliche Beispiele hierfür. Ohne Stoßdämpfer kann eine sich regelmäßig wiederholende Kraft der Dehnungsfugen von befestigten Straßen ein Auto auf der Straße dazu bringen, wild zu springen und außer Kontrolle zu geraten. Diese Bedingung tritt erst dann auf, wenn das Auto die Geschwindigkeit erreicht bzw. fast erreicht hat, bei der diese regelmäßig beabstandeten kleinen Kraftimpulse auf oder nahe der kritischen Frequenz des Aufhängungssystems des Autos liegen. Teile von umlaufenden elektrischen Maschinen werden ausgewuchtet, um Schwingungskräfte von jeder geringen exzentrischen Gewichtsverteilung auszuschließen. Dies ist an Gegengewichten zu sehen, die an Autoreifen und an Antriebswellen von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen umfasst das Erzeugen einer steiferen, massiveren Konstruktion, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen und um zu verhindern, dass durch Schwingung induzierte Resonanz auf die zu isolierende Konstruktion oder das zu isolierende Teil übertragen wird. Dies kommt in großen, massiven Fundamentblöcken für empfindliche Instrumente und für umlaufende elektrische Maschinen, wie zum Beispiel Kompressoren oder Turbinen, zum Ausdruck. Einige Maschinen können oberhalb der kritischen Drehfrequenz betrieben werden, wenn man rasch durch den kritischen Bereich hindurchgeht, bevor die Masse eine nachteilige Schwingungsamplitude erreichen kann. Einige nicht ausgewuchtete Maschinen schwingen bei geringer Drehgeschwindigkeit, jedoch hört die Schwingung auf, wenn von Drehung um das geometrische Trägheitszentrum zu Drehung um das dynamische Trägheitszentrum übergegangen wird.
Das durch "Stift-auf-Stift"-Prägen oder -Kaschieren erzeugte Kontaktpunktmuster oder Verbindungsmuster kann hinsichtlich seines Potentials zur Induzierung einer Resonanzschwingung in die Kaschierspaltwalzen bewertet werden. Während der Walzendrehung erzeugt der Andruckpunkt oder der Andruckbereich des Spaltes, wo die beiden Bögen zusammengedrückt werden, um Kaschierung zu erzeugen, entgegengesetzte Kräfte in den Walzen. Diese Kräfte sind normalerweise rechtwinklig zu der Achse der Walze und tendieren dazu, die Lücke des Spaltes zu öffnen. Wenn die Prägewalzen ein künstlerisches Muster mit vielen Punkten in regelmäßigen Abständen in beiden Richtungen aufweisen, kann man problemlos die relative Amplitude der Gesamttrennkraft auf den Kaschierspalt der Walzen bestimmen. Dies erfolgt, indem man sich ein enges Band des Kaschierspaltes (CD-Band) zu einem Zeitpunkt ansieht und indem man den Verbindungsdruck in dem Kaschierspalt misst. Indem man die Summe der mit dem Verbindungsdruck der gleichzeitigen Verbindungsbereiche des Kaschierspaltes über dieses schmale Band in Maschinenquerrichtung (CD) multiplizierten Verbindungsflächen bildet, erhält man ein relatives Maß der Größe der Kraft zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Reaktionskräfte schwanken normalerweise zwischen den Traglagern der beiden Prägewalzen und dem Mittelpunkt der Walzen. Dies kann korrigiert werden, indem die Walzen besonders gewölbt werden, um einen gleichmäßigen Druck an jedem Verbindungspunkt oder jedem Verbindungsbereich des Spaltes über seine Breite zu erzeugen. Der Massenschwerpunkt dieser Kräfte kann ebenfalls bestimmt werden, um zu prüfen, ob dieser auch ein Torsionsmoment an den Walzen erzeugt. Nach einem kleinen Rotationswinkel der beiden Metall-Kaschierwalzen kann man an dem nächsten schmalen Band des Kaschierspaites die Kraft berechnen. Dies kann man für Drehung von 360° wiederholen und die Zeitgeschichte der Kraft, die wirken würde, um die Prägewalzen an ihrem Spalt über eine vollständige Umdrehung zu trennen, aufzeichnen. Diese Verbindungs- oder Andruckpunkte wurden für mehrere Prägewalzen-Muster wie in 1 bis 5 gezeigt aufgezeichnet. Diese grafischen Darstellungen sind die Summe der Verbindungspunktflächen von Abtasten über das Muster in einer schmalen Breite entsprechend der Spaltenbreite, etwa 1/20 Zoll (1,2 mm) an 512 aufeinanderfolgenden, benachbarten Positionen zu der Breite von etwa 12,5 Zoll (31,8 cm).
1 zeigt ein handelsübliches Präge-/Kaschiersystem mit ovalen Stiften in regelmäßigen Abständen von 1/8 Zoll (3,2 mm) auf Prägewalzen mit einem Durchmesser von 20 Zoll (50,8 cm). Bei einer Maschinengeschwindigkeit von 1000 Fuß pro Minute (304,8 m/min.) wird ein Kraftimpuls von 31.500 Einheiten nach jeweils etwa 0,63 Millisekunden (1600 Hertz) oder von einem Impuls pro Reihe erzeugt.
2 bis 4 zeigen grafische Darstellungen der Kraft über die Zeit für die herkömmlichen Muster, bekannt als Ruppel, Floral Oval (geblümt oval) bzw. Sparkle. Die Regelmäßigkeit dieser Verbindungsmuster wird in der grafischen Darstellung Kraft über Zeit mit einer Zykluszeit oder Periode von weniger als einer Umdrehung gezeigt. Das von Ruppel vorgestellte und in 2 gezeigte Muster zum Beispiel wiederholt sich nach jeweils 7,0 Reihen oder 4,5 Millisekunden zwischen Kraftimpulsen oder einer Kraftfrequenz von etwa 224 Hertz. Die relative Größe der Kraft, die im Verhältnis zu der Kontaktfläche zwischen den Walzen steht, ist die Differenz zwischen dem Peak und dem Talwert der Kurve oder 26.000 Krafteinheiten.
5 zeigt eine grafische Darstellung Kraft über Zeit für ein unregelmäßiges Muster gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Wie zu erkennen ist, ist die relative Kraftamplitude kleiner als die von regelmäßigen Mustern erzeugte Kraft. Weiterhin gibt es aufgrund der Unregelmäßigkeit des Verbindungsmusters weniger Wiederholungskräfte, wobei der durch Wiederholungsschwingung erzeugte Schaden reduzier wird.
Daher besteht ein Bedarf an einem Stift-auf-Stift-Präge-/Kaschier-Verfahren, um eine angemessene Verbindung aufrechtzuerhalten, die in der Lage ist, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, ohne dass Resonanzschwingung durch die passende Kaschierung (d.h. die Verbindungspunkte) der beiden Prägemuster induziert wird.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Prägen und Kaschieren von Zellulosebahnen nach Anspruch 1 bereitgestellt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine mehrlagige Bahn aus Zellulosematerial nach Anspruch 12 bereitgestellt.
Verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beispielhaft und unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist eine grafische Darstellung der in einem herkömmlichen ovalen Stift-auf-Stift-Kaschierverfahren erzeugten Kräfte.
2 ist eine grafische Darstellung der in einem Stift-auf-Stift-Kaschierverfahren unter Verwendung des Ruppel-Musters erzeugten Kräfte.
3 ist eine grafische Darstellung der in einem Stift-auf-Stift-Kaschierverfahren unter Verwendung des Musters Floral Oval (geblümt oval) erzeugten Kräfte.
4 ist eine grafische Darstellung der in einem Stift-auf-Stift-Kaschierverfahren unter Verwendung des Sparkle-Musters erzeugten Kräfte.
5 ist eine grafische Darstellung der in einem Stift-auf-Stift-Kaschierverfahren unter Verwendung eines unregelmäßigen Musters eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung erzeugten Kräfte.
6 ist eine isometrische Ansicht des Präge- und Kaschierverfahrens eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schematische Seitenansicht des Präge- und Kaschierverfahrens eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispieles des Präge- und Kaschierverfahrens der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Veranschaulichung von zwei Schmetterlingsmustern, die das Autokorrelationsverfahren zeigen.
10 ist eine Autokorrelations-Kurve der Veranschaulichung aus 9.
11 ist ein Schachbrett-Prägemuster, das nicht in den Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt.
12 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des Musters aus 11.
13 ist ein computergeneriertes Zufallsrauschen.
14 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des Musters aus 13.
15a–c zeigen das Ruppel-Prägemuster, das nicht in den Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt.
16 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des Musters aus 15c.
17 ist die Schwellenwertkurve des Musters aus 15c.
18 zeigt das Prägemuster Sparkle, das nicht in den Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt.
19 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des Musters aus 18.
20 zeigt das unregelmäßige Schmetterlingsmuster eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
21 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des Musters aus 20 eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
22 ist die Schwellenwertkurve des Musters aus 20.
23 zeigt das unregelmäßige Wurmmuster eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
24 zeigt ein regelmäßiges Wiederholungsstiftmuster.
25 ist das unregelmäßige Wurmstift-Verbindungsmuster, das durch die Muster in 26 und 27 erzeugt wird.
26 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des Musters aus 28.
27 ist die Schwellenwertkurve des Musters aus 28.
28 zeigt das Verfahren für Prüfen von Mustern unter Verwendung der Methode des Energiedämpfungsfaktors.
29 zeigt das Rotationsverfahren zum Prüfen von Mustern unter Verwendung der Methode des Energiedämpfungsfaktors.
30 (A & B) zeigt repräsentative Daten von der Methode des Energiedämpfungsfaktors.
31 (A, B & C) zeigt das Programm, das bei der Verarbeitung der Daten der Methode des Energiedämpfungsfaktors verwendet wird.
32 (A, B, C, D, E & F) zeigt sechs Muster, die unter Verwendung der Methode des Energiedämpfungsfaktors geprüft wurden.
33 zeigt den grafischen Vergleich des Energiedämpfungsfaktors für die sechs repräsentativen Muster aus 32.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Verfahren der Herstellung eines geprägten und kaschierten Tissue-Papierbogens nach dem Stift-auf-Stift-Verfahren. Dies sind Zellulose-Tissue-Bahnen aus dem gekreppten oder ungekreppten und durchgetrockneten Verfahren, das verwendet werden kann, um eine Tissue-, Servietten- oder Handtuch-Struktur auszubilden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die schnelle Produktion von mehrlagigem Produkt. Dies wird durch Kaschieren der beiden geprägten Bahnen aus Material unter Verwendung zweier unterschiedlicher künstlerischer Muster auf der Stempel-Prägewalze erreicht, wobei das Verbindungsmuster unregelmäßig ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen 6 und 7 das Verfahren zum Prägen und Kaschieren eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung. Eine erste Bahn 10 wird durch die Spalte 12 geführt, die durch die erste Prägewalze 14 und eine erste abgestimmte Walze 16 ausgebildet wird. Die erste Prägewalze 14 ist eine Metallwalze mit einem künstlerischen Stempelmuster A, das auf die Walze bearbeitet oder eingraviert worden ist. Die erste abgestimmte Walze 16 ist eine federnde Gummiwalze. Die Walze 16 hat einen Härtegrad von 55 Shore-Härte A und wird üblicherweise mit einem Spaltdruck von 25 pli an der Spalte 12 für einen Tissue-Papierbogen von 20 Pfund (9,1 kg) pro Reis betrieben. Wenn die Bahn 10 durch den Spalt 12 hindurchläuft, drücken die Stempel-Prägeelemente das künstlerische Muster A in die Bahn und die erste abgestimmte Walze 16 und verursachen dabei aufrechtstehende Prägungen von Muster A, die einen Abschnitt oder einen Teil "a" der Gesamtfläche des Bogens ausmachen.
Eine zweite Bahn 20 wird durch die Spalte 22 hindurchgeführt, die durch eine zweite Prägewalze 24 und eine zweite abgestimmte Walze 26 ausgebildet wird. Die zweite Prägewalze 24 ist eine Metallwalze mit einem Stempelmuster B, das auf die Walze bearbeitet oder eingraviert worden ist. Die zweite abgestimmte Walze 26 ist eine federnde Gummiwalze. Die Walze 26 hat einen Härtegrad 55 Shore-Härte A und wird üblicherweise mit einem Spaltdruck von 25 pli an der Spalte 22 für einen Tissue-Papierbogen von 20 Pfund (9,1 kg) pro Reis betrieben. Wenn die Bahn 20 durch den Spalt 22 hindurchläuft, drücken die Stempel-Prägeelemente das künstlerische Muster B in die Bahn und die zweite abgestimmte Walze 26 und verursachen dabei aufrechtstehende Prägungen von Muster B, die einen Abschnitt oder einen Teil "b" der Gesamtfläche des Bogens ausmachen.
Kleber wird auf die hohen Bereiche der zweiten Bahn 20 durch ein Klebstoff-Applikationsgerät 30 aufgetragen, das aus einer Auftragwalze 32, einer Dosierwalze 34, einer Aufnahmewalze 36 und einem Vorratsbehälter 38 besteht. Die Walzen des Applikationsgerätes drehen sich in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung. Dieses Verfahren des Auftragens von Klebstoff auf die aufrechtstehenden Prägungen ist allgemein als "Kuss-Bestreichen" oder Übergabewalzen-Beschichtungsverfahren bekannt.
Die erste und die zweite Bahn laufen an der Kaschierspalte 40 zusammen, um ein Laminat auszubilden. Die Bahnen werden miteinander verbunden, wenn die beiden unter schiedlichen künstlerischen Muster der beiden Prägewalzen sich in dem Spalt kreuzen oder treffen. Dieser Bereich wird als Laminatgrenzfläche bezeichnet. An dieser Laminatgrenzfläche werden einige der Vorsprünge der ersten Bahn an den Vorsprüngen der zweiten Bahn befestigt, um ein Verbindungsmuster auszubilden.
Klebstoff ist die bevorzugte Methode der Befestigung. Andere nach dem Stand der Technik bekannte Befestigungsmethoden können verwendet werden, wie zum Beispiel thermisches Bonden, Ultraschallbonden, chemisches Verbinden, Wasser/Wasserstoff-Bonden und mechanisches Verbinden. Weiterhin wird anerkannt, dass verschiedene Arten von Klebstoff verwendet werden können, wie zum Beispiel Schmelzklebstoff, Naturklebstoff oder synthetischer Klebstoff.
Die Spalte 40 wird durch die Spaltöffnung N definiert. Die Spaltöffnung N ist der einstellbare Abstand zwischen den Hochpunkten oder den Schnittpunkten der Prägungsmuster der Walzen 14 und 24. Die Spaltöffnung N ist üblicherweise sehr schmal, wie zum Beispiel zwischen 0,005 und 0,0225 Zoll (zwischen 0,13 und 0,064 mm) bei Tissue-Papierbögen von 20 Pfund (9,1 kg) pro Reis. Vorzugsweise ist die Spaltöffnung N zwischen 0,001 und 0,0015 Zoll (zwischen 0,0025 und 0,038 mm). Wenn die Bahnen 10 und 20 an der Spalte 40 zusammenlaufen, wird eine Druckkraft an dem Spalt erzeugt, da die beiden Bahnen plus der Klebstoff dicker sind als die Spaltöffnung N. Die Spaltöffnung N wird für die zu prägenden und zu kaschierenden Arten von Bahnen 10 und 20 eingestellt; eine größere Spaltöffnung N für Tissuebögen größerer flächenbezogener Masse.
8 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine dritte Bahn 50 zwischen der ersten Bahn 10 und der zweiten Bahn 20 eingebaut. Die dritte Bahn 50 wird durch die Walze 52 in den Spalt 40 geführt. Wenn die Bahn 50 durch die Bahn 40 hindurchgeht, wird die Bahn 50 mit der ersten Bahn 10 und der zweiten Bahn 20 so vereint, dass das entstehende Laminat eine mehrlagige Bahn ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ebenfalls Klebstoff auf die hohen Bereiche der ersten Bahn 10 durch ein Klebstoff-Applikationsgerät 54 aufgetragen.
Die Verbindungspunkte oder Verbindungsflächen sind am besten zu sehen, wenn das künstlerische Prägemuster als flache Tafel dargestellt wird. Dies ist gleichwertig damit, dass der Zylinder, bei dem das künstlerische Prägemuster in die Walzen gearbeitet oder eingraviert ist, abgeflacht oder ausgerollt wird. Durch Überlagern der beiden künstlerischen Muster der beiden Walzen kann man die Schnittbereiche oder Überlappungsbereiche sehen, welche das Verbindungsmuster sind, das in dem Spalt 40 erzeugt werden wird und das zum Beispiel in 23 das Prägemuster A, in 24 das Prägemuster B und in 25 das Verbindungsmuster ist.
Beim Experimentieren mit Stift-auf-Stift-Prägen und Kaschieren eines Handtuchproduktes wurde festgestellt, dass das Endprodukt bei Verwendung zweier Ovalstift-Muster für die beiden Prägewalzen nicht angemessen verbunden war. Nach mehreren erfolglosen Einstellungen kam man zu der Überzeugung, dass dies auf ein Problem der Rotationsausrichtung der beiden Walzen an dem Kaschierspalt zurückzuführen wäre. Da die Walzen mit Zahnrädern angetrieben wurden und da in dem Rädergetriebe ein gewisses Spiel vorhanden war, wurden weitere Einstellungen als nicht hilfreich angesehen. Eine Prägewalze wurde ausgebaut und durch ein anderes künstlerisches Muster – geblümt oval – ersetzt. Bei Verwendung der beiden unterschiedlichen Walzen wurde eine angemessene Verbindung erzielt. Die Maschinengeschwindigkeit wurde ausgehend von früheren Erfahrungen mit dieser Technik auf etwa 300 Fuß pro Minute (91,4 m/min.) von Produktion eingestellt. Da die Produktion ruhig und ohne Schwingung lief, wurde die Produktionsgeschwindigkeit erhöht. Überraschenderweise blieb die Kaschierung davon unberührt. Die Produktionsgeschwindigkeit wurde schrittweise auf mehr als das Doppelte der erwarteten Betriebsgeschwindigkeit erhöht. Weitere Erhöhung der Geschwindigkeit wurde durch die konkreten verwendeten Antriebsmotoren begrenzt. Die weitaus größere Betriebsgeschwindigkeit mit dieser Konfiguration der Prägewalzen war unerwartet. Bei der Auswertung dieser Betriebsbedingung wurde festgestellt, dass die durch die ursprünglichen Walzen induzierte Schwingung, nicht jedoch eine Fehlausrichtung, die Ursache für das Fehlen ausreichender Verbindungsfläche war. Der Wunsch, diese Erkenntnis auf die wirtschaftliche Produktion anzuwenden, führte zu der Schaffung von Verbindungsmustern, die keine Schwingung in die Maschine nahe der Resonanzfrequenz der Maschine einleiten.
Der herkömmliche Ansatz an das Erhöhen der Geschwindigkeit der Präge- und Kaschiertechnik bestand darin, die Technik steifer und massiver zu machen und damit üblicherweise die Resonanzfrequenz des Systems zu erhöhen. Dies ist ein recht kostspieliger Ansatz, der sich nicht zum Ändern vorhandener Technik eignet. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine praktischere Methode des Vermeidens nachteiliger Schwingung von schneller Kaschierung bei weniger kostspieliger Nachrüstung von vorhandenen Stift-auf-Stift-Präge-/Kaschiermaschinen. Unter Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist die Geschwindigkeit des Kaschierspaltes nicht länger ein begrenzender Faktor in der Produktion. Es wird geschätzt, dass Maschinengeschwindigkeiten von bis zu 8000 Fuß pro Minute (2,44 km/Minute) erzielt werden können. Vorzugsweise liegt die Maschinengeschwindigkeit zwischen 1000 und 4000 Fuß pro Minute (305 und 1219 m/min.).
Die drei Merkmale des gewünschten Verbindungsmusters dieser Erfindung sind: 1) Das Verbindungsmuster ist das Produkt zweier verschiedener künstlerischer Muster; 2) Die Verbindungsfläche soll zwischen 1% und 60% der Gesamtfläche des Tissue-Papiers, der Serviette oder des Handtuches betragen; und 3) Das Verbindungsmuster soll an der Laminatgrenzfläche unregelmäßig sein. Bei Einhaltung des ersten Merkmales ist eine genaue Ausrichtung der Prägewalzen an dem Kaschierspalt unnötig. Bei Einhaltung des zweiten Merkmales kann ein angemessenes Niveau an Verbindung erzielt werden, um dem Bogen die Integrität zu verleihen, die für ein Zellulose-Tissue-Papier, eine Serviette oder ein Handtuchprodukt erforderlich ist. Durch Einhaltung des dritten Merkmales wird das Verbinden oder Kaschieren Geschwindigkeitsbegrenzungen aufgrund von Schwingungserregung auf der Resonanzfrequenz der Maschine und der den Kaschierspalt erzeugenden Walzen ausschließen.
Die Verbindungsfläche kann problemlos ermittelt werden. Wenn die Prägemuster unterschiedlich sind, ist dies eine einfache Berechnung. Wenn zum Beispiel die erste Prägewalze ein unregelmäßiges künstlerisches Muster A hat, das eine geprägte Fläche von etwa 20% ergibt, und wenn die zweite Prägewalze ein unterschiedliches regelmäßiges künstlerisches Muster B mit einer Prägefläche von etwa 50% hat, hat das resultierende Verbindungsmuster AB eine hohe Wahrscheinlichkeit der Erzeugung einer Verbindungsfläche von etwa 10% (d.h. 50% von 20%). Die Verbindungsfläche kann von einem fertigen geprägten oder kaschierten Produkt betrachtet werden, wie zum Beispiel einer Pa pierserviette, oder sie kann mathematisch aus den beiden künstlerischen Prägemustern, die in der Kaschierung vereint werden sollen, ermittelt werden. Wenn die beiden Muster gleich oder recht ähnlich sind und wenn die beiden Prägerollen in dem Verbindungsspalt eine Fehlausrichtung aufweisen, kann die einfache Berechnung nicht angewendet weiden und man muss ein mathematisches Verfahren anwenden.
Als Mindestforderung ist die Verbindungsfläche ausreichend, um die Bahnen zusammenzuhalten. Die Verbindungsfläche des bevorzugten Ausführungsbeispieles liegt zwischen 1% und 60% der Gesamtfläche des vereinten Laminates. Vorzugsweise liegt die Verbindungsfläche zwischen 10% und 50% der Gesamtfläche des vereinten Laminates. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel stellt ein Verbindungsmuster AB bereit, das eine sehr niedrige Wahrscheinlichkeit der Erregung der Resonanzfrequenz der Präge- und Kaschiermaschine hat. Ein typisches künstlerisches Muster für ein Präge- und Kaschiersystem ist das Ovalstift-Design, das eine Erregungskraft an dem Verbindungsspalt mit einer Frequenz von etwa 161 Hertz erzeugt, wenn Produkt mit 1000 Fuß pro Minute (305 m/min.) hergestellt wird. Wenn keine Regelmäßigkeit in dem Verbindungsmuster einer Umdrehung der Prägewalzen an dem Verbindungsspalt vorhanden wäre, würde es sich dennoch einmal bei jeder Umdrehung wiederholen. Diese regelmäßige Kraft bei einer Frequenz von etwa 3 Hz für Walzen mit einem Durchmesser von 20 Zoll (50,8 cm) bei 1000 Fuß pro Meter (305 m/min.) ist sehr unterschiedlich von 161 Hertz und verursacht mit weitaus geringerer Wahrscheinlichkeit "Basketball"-Schwingung. Bei 8000 Fuß pro Minute (2,44 km/Minute) wäre dies gleich 24 Hertz. Dieses Niveau an Regelmäßigkeit kann weiter reduziert werden, indem die beiden Stempel-Prägewalzen unterschiedliche Durchmesser aufweisen, so dass sich das Verbindungsmuster AB nur nach 100 Umdrehungen der Walze größeren Durchmessers (zum Beispiel 21 Zoll (53,3 cm)) und nach 105 Umdrehungen der Walze kleineren Durchmessers (zum Beispiel 20 Zoll (50,8 cm)) wiederholt. Dies würde die reguläre Frequenz der Kraft auf etwa 0,03 Hertz absenken, wenn dies erforderlich ist. Unregelmäßigkeit wird durch mathematische und grafische Methoden ermittelt.
Zwei mathematische und grafische Methoden werden verwendet, um unregelmäßige Muster zu ermitteln: Selbstähnlichkeitszählung und Energiedämpfungsfaktor.
Der Betrag von Unregelmäßigkeit in einem Muster wird durch eine Selbstähnlichkeitszählung genannte Messung definiert, die auf einem Standardbildverarbeitungsansatz basiert, der als Autokorrelation bekannt ist. Diese Messung wird unter Verwendung der handelsüblichen Bildverarbeitungsanwendung IPLab für Macintosh Version 3.0 von der Scanalytics, Inc. aus Fairfax, Virginia, USA, durchgeführt.
Zuerst wird das betreffende geprägte Verbindungsmuster als der proximale Ansatz der Bereiche, in denen die beiden Prägewalzendesigns Lagenbefestigung erzeugen, ermittelt. Dieses Design wird danach digital als Schwarzweißbild dargestellt. Es besteht aus einer N×N Matrix (wobei N eine gerade ganze Zahl ist) von Bildelementen oder Pixeln, die den Designmerkmalen des geprägten Verbindungsmusters entsprechen, insbesondere den Verbindungsstellen, die die gemeinsamen Kontaktpunkte zwischen den Prägewalzenhöckern entsprechen (bzw. diesen nahe kommen, da sie in Wirklichkeit durch das in Produktion befindliche Laminatprodukt getrennt werden). Es ist wünschenswert, dass die Mindestauflösung der Darstellung wenigstens 1 Pixel und vorzugsweise mehr als 1 Pixel und am meisten vorzugsweise 4 Pixel pro mm über das kleinste Merkmal des Verbindungsmusterdesigns hat. Es ist auch wünschenswert, dass der größte Wert (zum Beispiel 225 bei 8-Bit-Pixeln) den Verbindungsflächen entspricht, außer wenn die Teilfläche der Summe der Verbindungsflächen im Verhältnis zu den nicht verbundenen Flächen größer als 1 ist, in welchem Falle sie durch Null darzustellen sind und die nicht erhobene Fläche durch den größten Wert darzustellen ist. Ein ausgewählter Querschnitt des Bildes einer Größe der Abmessungen des gesamten Musters bis hinunter auf 4 Zoll mal 4 Zoll wird in der Mitte eines Feldes 2N×2N von Nullwerten platziert, die eine vier Mal größere Fläche haben. Dieses "nullgepolsterte" Bild wird danach in "Gleitpunktzahlen" (Dezimalzahlen) umgewandelt und einer mathematischen Transformierung unterzogen, die als Autokorrelation bekannt ist und die misst, wo in dem Bild das zugrundeliegende Design sich selbst ähnlich ist.
Die Autokorrelation ist die mathematische Operation, die den Grad der Ähnlichkeit oder der Abweichung in einem Bild (oder einem Signal) zwischen einer Position und einer anderen vorgibt. Sie wird berechnet, indem ein Bild genommen wird und indem ein genaues Duplikat dieses Bildes, das durch Versatz in horizontaler und/oder vertikaler Richtung umgesetzt wird, überlagert wird. Beginnend ohne Umsetzung zwischen den Bildern (das heißt, mit genauer Überlappung) werden die Pixelwerte an jedem diskreten Ort innerhalb der Bilder multipliziert, und die Ergebnisse werden über alle überlappenden Pixel summiert, um einen Einzelwert für diese relative Position zwischen Bildern zu erhal ten. Dieses Verfahren wird für alle möglichen Überlappungen, das heißt für alle möglichen Umsetzungen eines Musters in Bezug auf das andere wiederholt, so dass sich eine zweidimensionale Autokorrelationsfunktion ergibt. Wie bei der Standardbildverarbeitungs-Definition definieren wir die Autokorrelationsfunktion eines realwertigen 2N×2N großen Bildes, das mathematisch durch einen Ausdruck der folgenden Form darzustellen ist:
wobei die Variablen x und y die horizontale und vertikale Umsetzung (Versetzung) zwischen dem Bild und seinem Duplikat darstellen. Siehe zum Beispiel: R.C. Gonzalez und R.E. Woods, Digital Image Processing (Digitale Bildverarbeitung), Addison-Wesley Publishing Co., 1992.
Es ist lehrreich, das Verfahren grafisch zu visualisieren, wie unter Verwendung des veranschaulichenden Designs aus 9 gezeigt wird. Dieses einfache Design, das nur zum Zwecke der Veranschaulichung dessen, wie die Autokorrelation berechnet wird, angefertigt wurde, besteht aus zwei Schmetterlingsmustern, die diagonal in einem Hintergrund von Nullen platziert werden. Das Originalbild und das Duplikatbild werden in der unteren linken Ecke der Figur vollständig überlappt gezeigt, wie durch die schraffierte Fläche gezeigt wird, die das gesamte Bild abdeckt. Die Werte der Bilder an jeder Pixelposition werden mit jedem anderen multipliziert, und alle diese Produkte werden summiert, um einen Punkt des Autokorrelations-Ergebnisses zu erhalten, insbesondere den Punkt an der Position (0,0) oder dem Mittelpunkt. Da das gesamte Bild genau überlappt, wird das Autokorrelations-Ergebnis an diesem Punkt ein Maximum sein. Dieses Verfahren wird für alle horizontalen und vertikalen Umsetzungen wiederholt, um ein Datenfeld entsprechend allen möglichen Positionen von Versetzung wie in 10 gezeigt zu erhalten. Es ist zu beachten, dass in 10 nur drei andere Positionen von Versetzung gezeigt werden, und nur eine davon, die in der Mitte rechts, hat eine Nichtnullverteilung, da eines der Schmetterlingsmuster in dem Duplikat das andere in dem Originalbild überlappt. Dies entspricht dem kleineren Peak rechts von dem mittleren großen Peak. Der kleinere Peak links von dem mittleren großen Peak ist auf eine Versetzung in der entgegengesetzten Richtung zurückzuführen, die nicht gezeigt wird. Es ist weiterhin zu beachten, dass die Peaks in gewisser Weise strukturiert sind, bevor sie ein Maximum erreichen. Dies ist auf die verschiedenen Grade von Überlappung der einzelnen Schmetterlingsmuster zurückzuführen, wenn diese immer näher an genaue Koinzidenz herankommen.
Bei dem Bild mit Nullpolsterung besteht eine natürliche Tendenz, dass das Ergebnis abfällt, wenn man sich von dem mittleren Peak weg bewegt, da es einen abnehmenden Bereich nicht mit Null bewerteter Bildüberlappung gibt. Um diese erhöhte Empfindlichkeit der Transformierten von der Mitte weg zu berücksichtigen, wird eine Änderung in diese Autokorrelation eingearbeitet. Insbesondere wird der mittlere Abschnitt N×N des Autokorrelations-Ergebnisses 2N×2N mit einem anderen Bild N×N, das wir die "Verstärkungsbildvorlage" nennen wollen, extrahiert.
Die Verstärkungsbildvorlage selbst wird unter Verwendung der Querkorrelation eines Blockes N×N konstanter Höhe (= 1,0) mit dem Original-Designbild berechnet (wobei beide in einem Feld 2N×2N von Nullen eingebettet sind). Eine Querkorrelation ist eine Verallgemeinerung der Autokorrelation, außer dass zwei unterschiedliche Bilder anstelle eines Bildes und seines Duplikates verwendet werden. Mathematisch wird die Querkorrelation zwischen zwei Bildern durch einen Ausdruck der folgenden Form dargestellt:
Wobei die Variablen x und y die horizontale und vertikale Umsetzung (Versetzung) zwischen den beiden Bildern darstellen. Wegen der symmetrischen Art der abschließenden Verstärkungsbildvorlage kann der Einheitsblock in dem obenstehenden Ausdruck entweder Bild 1 oder Bild 2 sein. Nach der Berechnung der Querkorrelation des Einheitsblockes und des zu analysierenden Bildes wird der Mittelabschnitt N×N aus dem Querkorrelations-Ergebnisbild 2N×2N extrahiert. Die Werte dieses Mittelabschnittes werden nun normalisiert, so dass sie einen Maximalwert von 1 haben, indem jeder der Werte in diesem Mittelabschnitt durch den Maximalwert in diesem extrahierten Abschnitt dividiert wird. Die Werte dieses normalisierten Mittelabschnittes N×N werden danach umgekehrt (was einen Minimalwert von 1 ergibt), und die Umkehrwerte werden auf einen Maximalwert von 8 begrenzt. Dieser Grenzwert wurde gewählt, damit die Verstärkungsbildvorla ge nicht zu groß wird und nicht Merkmale in den Ecken der Autokorrelation übertreiben, die nicht wirklich wichtig sind. Schließlich wird das entstehende Bild mit dem folgenden Verfahren so verändert, dass es eine Reflexionssymmetrie um seine Mitte hat. Eine zweite Duplikatversion des Bildes wird erzeugt und um 180 Grad um seine Mitte gedreht. Die beiden Bilder werden dann in eine abschließende Verstärkungsbildvorlage vereint, indem die Maximalwerte an jedem der entsprechenden Punkte N×N in den beiden Bildern genommen werden. Dieses Verstärkungsbildvorlagen-Verfahren ist ein konservativer Ansatz, der die Spitzenhöhe in den Ergebnissen erhöht und daher dazu neigt, die Ergebnisse auf der Seite fehlerhaft darzustellen, die ein Muster als regelmäßiger beschreiben als es in Wirklichkeit möglicherweise ist.
Die Anzahl der Peaks oberhalb des vorgegebenen Schwellenwertniveaus in diesem skalierten, autokorrelierten Bild wird die "Selbstähnlichkeitszählung" genannt und als Maß der Entwurfsregelmäßigkeit oder Entwurfsunregelmäßigkeit verwendet. Jeder dieser Peaks über den ersten hinaus wird wirksam sich wiederholenden Merkmalen des Musters entsprechen. Das Schwellenwertniveau wird definiert als
Schwellenwert = 1/2 (max.Spitzenhöhe + Durchschnittshöhe
Dies ist etwa auf halbem Wege zwischen dem Durchschnitts-Hintergrundniveau der Ergebnisse und dem höchsten Peak, der eine vollständige Musterübereinstimmung darstellt. Bei Bildern mit sich wiederholenden Mustern werden Mehrfachpeaks in dem skalierten Autokorrelationsbild vorliegen. Jeder Peak entspricht den sich wiederholenden Merkmalen in dem Muster. Die Anzahl der Peaks, die nach der Schwellenwertoperation verbleiben, ist als die Selbstähnlichkeitszählung bekannt.
Ein unregelmäßiges Designmuster gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat nur einen Peak oberhalb des Schwellenwertes, was eine Selbstähnlichkeitszählung von 1 ergibt. Jedes beliebige Muster mit ausreichender Regelmäßigkeit wird Mehrfachpeaks oberhalb des Schwellenwertes aufweisen und eine Selbstähnlichkeitszählung von größer als 1 haben. Designmuster, die mit dieser Methode der Selbstähnlichkeitszählung an einem beliebigen quadratischen Muster einer Größe bis hinunter auf 4 Zoll (10,2 cm) mal 4 Zoll (10,2 cm) getestet werden und eine Selbstähnlichkeitszählung von 1 aufwei sen, sind ausreichend unregelmäßig, um Schwingungen in der Maschine zu reduzieren und erhöhte Maschinengeschwindigkeiten zu ermöglichen.
Mehrere Beispiele sind an dieser Stelle zur Veranschaulichung dieses Klassifizierungsverfahrens eingefügt. 11 zeigt ein regelmäßiges "Schachbrett"-Muster von quadratischen Verbindungsflächen (in weiß gezeigt) einer Gesamtgröße von 512 × 512 Pixeln. 12 zeigt die Selbstähnlichkeitskurve (Autokorrelation und Verstärkungsbildvorlagen-Skalierung) dieses Designs, die eine Reihe von Peaks ergibt, die Positionen entsprechen, an denen die weißen Bereiche einander maximal überlappen. Dies wäre ein Beispiel eines Designs mit sehr hohen Grad an Regelmäßigkeit und ergibt in der Tat Mehrfachpeaks nach der Schwellenwertoperation. 13 zeigt computergeneriertes Zufallsrauschen. 14 zeigt die Selbstähnlichkeitskurve von 13, die erwartungsgemäß nur zu einem Peak (der sich oberhalb des Schwellenwertniveaus befindet) und zu einer Selbstähnlichkeitszählung von 1 führt.
15 zeigt ein bekanntes Design, das außerhalb der Erfindungsbereiches dieser Erfindung liegt. Es wird in dem auf Ruppel ausgestellten US-Patent Nr. 5,173,351 beschrieben. Das Design ist in der Tat ein Störungsmuster (15c), das durch zwei Prägewalzen (15a und 15b) von regelmäßig beabstandeten Höckern ausgebildet wird. 16 veranschaulicht die Vielzahl von Peaks, die sich aus der Anwendung von Selbstähnlichkeit ergeben, und 17 ist die Schwellenwertkurve und zeigt eine hohe Selbstähnlichkeitszählung.
Ein Prägemusterdesign, das handelsüblich als Sparkle^TM bekannt ist, wird in 18 gezeigt. Dies ist ein Beispiel eines Designs mit einem sehr hohen Grad an Regelmäßigkeit, und das Vorliegen einer Vielzahl von Peaks wird in 19 offensichtlich.
20 zeigt ein Prägemuster, das in dem Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung liegt. Wie zu erkennen ist, ist das Schmetterlingsdetail das gleiche, jedoch sind die Schmetterlinge ungleichmäßig beabstandet. Es gibt keine Beziehung zwischen den Räumen zwischen den einzelnen Prägeelementen. Das heißt, die Schmetterlinge sind unregelmäßig angeordnet.
21 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des unregelmäßigen Schmetterlingsmusters aus 20. Die Ergebnisse ergeben einen großen Peak, und dieser ist nach der Schwellenwertoperation der einzige. 22 zeigt die Schwellenwertkurve, bei der nur ein Peak in der Mitte des Bildes zu sehen ist. Dieses Muster hat daher eine Selbstähnlichkeitszählung von 1.
23 zeigt ein regelmäßiges Wurmmuster (12% Bahndeckung), das in Kombination mit dem regelmäßigen Stiftmuster (25% Bahndeckung) aus 24 das unregelmäßige Verbindungsmuster (3% Bahndeckung) aus 25 erzeugt. 25 zeigt die einzelnen Verbindungspunkte, die an dem Kaschierspalt auftreten. 26 ist eine Selbstähnlichkeitskurve des unregelmäßigen Wurmstift-Verbindungsmusters aus 25. 27 ist die Schwellenwertkurve des Verbindungsmusters, das aufgrund eines einzelnen Peaks in der Mitte der Figur eine Selbstähnlichkeitszählung von 1 aufweist. Damit liegt dieses Verbindungsmuster im Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung.
Die Methode des Energiedämpfungsfaktors (EDF) ist eine weitere Methode, um zu bestimmen, ob ein Verbindungsmuster die vorgeschriebene Unregelmäßigkeit aufweist, um Schwingungen in der Maschine zu reduzieren und erhöhte Maschinengeschwindigkeiten zu ermöglichen, und stellt somit ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
Die EDF-Methode ist ein Bildanalyseverfahren zur Charakterisierung des Grades von Regelmäßigkeit von Prägewalzen-Mustern mit diskreten, nicht durchgängigen Objekten, die bei der Produktion von zweilagigen Papierprodukten eingesetzt werden. Dieses Verfahren nutzt das Konzept "marschierender Rahmen" über ein Muster und von Drehung des Musterbildes. Der prozentuale Anteil der geprägten oder verbundenen Fläche in jedem der dünnen (2 Pixel) marschierenden Rahmen wird gemessen, was den Bereich simuliert, in dem sich die Prägewalzen oder Kaschierwalzen treffen (d.h. der Spalt), wenn sich der Rahmen systematisch über das Muster bewegt. Die Ansammlung von Daten marschierender Rahmen (Prozent Verbindungsfläche/Rahmen) und die Statistik werden bei unterschiedlichen Rotationswinkeln (0 bis 175 Grad) des Bildes durchgeführt. Nach der Datensammlung über 36 gleichmäßig beabstandete Umdrehungen (5 Grad pro Drehung) wird der prozentuale Anteil der Verbindungsfläche normalisiert, indem der prozentuale Abweichungskoeffizient (%COV) von 114 Messungen bei jedem Rotationswinkel berechnet wird. %COV-Werte können auch gegen 36 Rotationswinkelpunkte grafisch dargestellt werden. Ein stark unregelmäßiges Muster wird eine sehr 'fla che' Kurve ergeben, wohingegen ein Muster mit signifikanter Regelmäßigkeit eine Kurve mit mindestens einer oder mit mehreren 'Spitzen' erzeugen wird. Numerisch kann der Grad der Regelmäßigkeit eines Musters gemessen und für prozentuale Verbindungsdeckung normalisiert werden, indem die %COV der %COVs genommen werden, die über alle 36 Rotationswinkel erhalten wurden. Die resultierende Zahl ist der Energiedämpfungsfaktor. Als Beispiel ergibt ein unregelmäßiges Muster, das aus Zufallsrauschen besteht, einen EDF von 8%, wohingegen ein stark regelmäßiges Schachbrettmuster einen Wert von 66% ergibt.
Die EDF-Methode wird wie folgt durchgeführt. Zuerst wird eine Mustercharakterisierung unter Verwendung eines Systems Quantimet 600 IA (Leica, Inc., Cambridge, Großbritannien) durchgeführt, das mit Bildverarbeitungssoftware (QWIN Version 1.06) ausgerüstet ist, die die Durchführung von Bildrotationsmessungen und Messungen der prozentualen Fläche ermöglicht. Musterbilder werden direkt in das Quantimet 600 in einem typisierten Bilddateiformat (TIFF) eingelesen.
Die Musterbilder werden von 10'' × 10'' (25,4 cm × 25,4 cm) in ein Format 720 × 720 Pixel konvertiert. Während der Charakterisierung werden die Pixel-Wiedergaben von 720 × 720 auf 512 × 512 Pixel (7,1'' × 7,1'') (18,0 cm × 18,0 cm) beschnitten. Die Musterbilder sind binärer Art. Der 'Hintergrund' des Prägemusters (nicht erhabener Bereich) ist entweder schwarz oder weiß, während der 'erhabene' Musterbereich das Gegenteil des Hintergrundes ist (zum Beispiel Hintergrund weiß und Muster schwarz).
Für die Analyse ist das Innere des marschierenden Rahmens, dessen prozentuale Musterfläche gemessen wird, 210 × 2 Pixel (2,91'' × 0,028'') (73,9 mm × 0,71 mm). Die 'Breite' des marschierenden Rahmens (210 Pixel) passt vertikal in das längste Rechteck, das auf das Bild passen kann, wobei gleichzeitig Bildbeschnitt während der Bilddrehung berücksichtigt wird. Die längste vertikale rechtwinklige Passung wird verwendet, um den Pfad zu simulieren, auf dem sich die maximale Länge des Musters entlang der Prägewalze durch den Spalt bewegt. Die 'Höhe' des Rahmens beträgt 2 Pixel und stellt ein angemessenes Minimum dar, das den Spalt simuliert, für den Schwingung am schlimmsten sein kann. 28 veranschaulicht, wie einhundertvierzehn Rahmenmessungen auf benachbarten Gesichtsfeldern vorgenommen werden, wenn der Rahmen in einem repräsentativen Musterbild von oben nach unten 'marschiert'. 29 veran schaulicht, wie Rahmenmessungen auf dem Bild vorgenommen werden, nachdem es um 30 Grad gedreht wurde. Der Analysebereich deckt 18,6 in² (120 cm²) (2,91'' × 6,36'') (7,39 mm × 16,15 mm) des Musterbildes von 7,1'' × 7,1'' (18,0 cm× 18,0 cm) ab, was dazu führt, dass eine Hälfte der Pixel nicht abgetastet werden, da sich der Maschinenrahmen mit Vier-Pixel-Inkrementen nach unten bewegt. Alternativ dazu könnte man alle Pixel in dem Analysebereich messen, indem der Rahmen zwei Pixel auf einmal marschiert (228 Rahmenmessungen). Für ein Bild 512 × 512 Pixel wird der Analysebereich 47.880 Pixel oder 18,4% des Bildes abdecken. Bei der Annahme, dass ein kleinstes Musterelement 1 mm ist, würde das Element durch 2,8 Pixel in einem Bild 7,1'' × 7,1'' (18,0 cm × 18,0 cm) dargestellt. Diese Auflösung von 2,8 Pixel würde als das Minimum für das zu analysierende Gesamtbild angesehen werden, und der Analysebereich würde mehrere diskrete, nicht durchgängige Objekte beinhalten. Als Alternative zu dem Bildformat 512 × 512 Pixel könnte eine größere Bildwiedergabe (zum Beispiel 10'' × 10'', 25,4 cm × 25,4 cm) unter Verwendung eines größeren Pixelbildformates (zum Beispiel 720 × 720 Pixel) analysiert werden. Die entsprechenden Größenänderungen könnten auch an dem marschierenden Rahmen vorgenommen werden (zum Beispiel 295 × 3 Pixel).
30 zeigt eine Darstellung von Daten, die mit der EDF-Methode erzeugt wurden, und hebt drei wichtige Elemente hervor: (1) Histogramm der prozentualen Musterflächendaten, die für alle 114 marschierenden Rahmen gesammelt werden; (2) Ergebnisse und Statistikblock für die Daten; und (3) das Musterbild. Aus der Menge von prozentualen Flächendaten werden die Standardabweichung und %COV berechnet (%COV = Standardabweichung/prozentuale Fläche × 100). Die Standardabweichung der prozentualen geprägten oder verbundenen Fläche der Menge von 114 Rahmen bei einem Winkel ist ein Maß der Regelmäßigkeit bzw. der Unregelmäßigkeit des Musters. Je unregelmäßiger das Muster ist, umso kleiner ist die Standardabweichung. Teilen der Standardabweichung der prozentualen Fläche durch die durchschnittliche prozentuale Fläche aller 114 Rahmen normalisiert die Messung wirksam und wird somit zu einem nützlichen Vergleichswert (%COV). Durch Wiederholen der marschierenden Rahmen für jeweils 5 Grad Umdrehung von der ursprünglichen Ausrichtung wird Detektion von Symmetrieachse möglich. Dies wird große Veränderungen in der prozentualen Fläche ergeben (die von 0% bis fast 100% reichen). Diese Achsen und ihr Komplement weisen Peaks in %COV gegen Drehposition auf, und unregelmäßige Muster weisen keine Ver änderungen in der Symmetrie auf. Daher ergibt die EDF-Methode über alle Winkel eine einzige Statistik für das Messen von Unregelmäßigkeit.
Um diese Charakterisierung durchzuführen, wurde ein IA-Computerprogramm in dem Systemcode Quantimet User Interactive Programming (QUIPS) geschrieben. Dieses Programm wird in 31 gezeigt.
Alternativ dazu können diese Messungen auch mit Lineal, Stift und stereologischer Punktzählung durchgeführt werden. Dieses historische Verfahren ermöglicht es einem Bediener, Abfang-mit-Merkmal-Grenzflächen zu zählen, die auftreten, wenn zum Beispiel ein Lineal auf das Bild aufgelegt wird. Der Abfangteil ist das stereologische Äquivalent eines Flächenteiles (daher prozentualer Bereich), das hier von automatischer Technik verwendet wird. Dieses manuelle Punktzählungsverfahren ist natürlich mühsam und zeitaufwendig, jedoch ebenso gründlich und empfindlich.
32 zeigt Kurven Rotationswinkel gegen %COV für die sechs repräsentativen Muster: Schachbrett, Sparkle, unregelmäßiger Wurmstift, Rupple, unregelmäßiger Schmetterling und Zufallsrauschen. Muster, die signifikante Unregelmäßigkeit aufweisen (zum Beispiel Schmetterling, Wurmstift), ergeben relativ flache Kurven ohne Spitzen.
Der Grad der Musterregelmäßigkeit kann numerisch gemessen werden, indem der EDF verwendet wird, welches der %COV von den über alle Rotationswinkel erhaltenen %COVs ist. Durch Aufnahme des EDF über alle 36 Rotationswinkel werden die Daten unabhängig von der prozentualen Fläche des Musters normalisiert. Ein unregelmäßiges Muster hat einen EDF von weniger als 25, wohingegen ein regelmäßiges Muster einen höheren EDF hat. 33 zeigt grafisch den EDF für verschiedene repräsentative Muster. EDF-Werte zwischen 8 und 25 liegen innerhalb des bevorzugten Ausführungsbeispieles. Vorzugsweise liegt der EDF in einem Bereich zwischen 8 und 16. Muster innerhalb dieses Bereiches reduzieren die an dem Verbindungsspalt erzeugten Kräfte und Schwingungen und ermöglichen damit erhöhte Maschinengeschwindigkeiten.
Wenngleich die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles und des Verfahrens recht konkret war, können Änderungen an dem Verfahren der Erfindung vorgenommen werden, ohne von dem Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung abzu weichen. Dementsprechend wird der Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung durch die anhängenden Patentansprüche vorgegeben, nicht jedoch durch die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles und des Verfahrens.

Claims

Verfahren zum Prägen und Kaschieren von Zellulosebahnen mit verringerter Schwingung und mit erhöhter Geschwindigkeit, das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Führen einer ersten Bahn (10) entlang einer ersten Prägewalze (14), um Vorsprünge, die ein erstes Muster auf der ersten Bahn (10) bilden, bereitrustellen, Führen einer zweiten Bahn (20) entlang einer zweiten Prägewalze (24), um Vorsprünge, die ein zweites Muster auf der zweiten Bahn (20) bilden, bereitzustellen, wobei das erste und das zweite Muster in der Verteilung auf der Bahn ungleich sind, und Verbinden der ersten Bahn (10) und der zweiten Bahn (20), um ein derartiges Laminat zu bilden, dass die Vorsprünge der ersten Bahn (10) an einer Laminatgrenzfläche an den Vorsprüngen der zweiten Bahn befestigt sind, um ein Verbindungsmuster zu bilden, wobei die Befestigungsfläche zwischen den ersten Vorsprüngen und den zweiten Vorsprüngen die Verbindungsfläche ist und wobei die Verbindungsfläche ungefähr zwischen 1% und 60% der Gesamtfläche des Laminats ist, und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist dass das Verbindungsmuster in der Verteilung innerhalb der Laminatgrenzfläche insofern unregelmäßig ist, dass das Verbindungsmuster eine Selbstähnlichkeitszählung von 1 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmuster insofern unregelmäßig ist, dass das Verbindungsmuster einen Energiedämpfungsfaktor von ungefähr zwischen 8 und 25 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsfläche ungefähr zwischen 3% und 24% der Gesamtfläche des Laminats ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Verbindens der ersten Bahn (10) und der zweiten Bahn (20) das Aufbringen von Kleber auf die Vorsprünge wenigstens einer der Bahnen (10, 20) einschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren das Führen einer dritten Bahn (50) zwischen die erste Bahn (10) und die zweite Bahn (20) vor dem Verbinden der ersten und der zweiten Bahn umfassend.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die erste Bahn (10) und die zweite Bahn (20) mit ungefähr von 500 Fuß/Minute bis zu 8000 Fuß/Minute (152,4 m/Minute bis 2438 m/Minute) bewegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Führens einer ersten Bahn (10) entlang einer ersten Prägewalze (14) des Weiteren das Prägen einer ersten Zellulosebahn (10) zwischen einer ersten Prägewalze (14) und einer ersten nachgiebigen Walze (16), um das erste Muster von Vorsprüngen, die sich von der Oberfläche der Bahn (10) nach außen erstrecken, zu bilden, umfasst, wobei der Schritt des Führens einer zweiten Bahn (20) entlang einer zweiten Prägewalze (24) des Weiteren das Prägen einer zweiten Zellulosebahn (20) zwischen einer zweiten Prägewalze (24) und einer zweiten nachgiebigen Walze (26), um das zweite Muster von Vorsprüngen, die sich von der Oberfläche der Bahn (20) nach außen erstrecken, zu bilden, umfasst und wobei der Schritt des Verbindens der ersten Bahn (10) und der zweiten Bahn (20) des Weiteren das Führen der ersten Bahn (10) und der zweiten Bahn (20) zwischen die erste Prägewalze (14) und die zweite Prägewalze (24) umfasst, wobei das Verfahren des Weiteren den Schritt des Aufbringens eines Klebers auf die Vorsprünge von wenigstens einer der Bahnen (10, 20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste nachgiebige Walze (16) eine Gummioberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Prägewalze (14) und die zweite Prägewalze (24) den gleichen Durchmesser haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, wobei die erste Prägewalze (14) und die zweite Prägewalze (24) verschiedene Durchmesser haben.
Mehrlagige Bahn aus Zellulosematerial mit einem unregelmässigen Verbindungsmuster, wobei die mehrlagige Bahn durch einen Prozess, wie in einem der vorhergehenden Ansprüchen beansprucht, hergestellt wird.
Mehrlagige Bahn aus Zellulosematerial, umfassend: eine erste Bahn (10) mit Vorsprüngen, die ein erstes Muster bilden, eine zweite Bahn (20) mit Vorsprüngen, die ein zweites Muster bilden, wobei das erste und das zweite Muster ungleich sind, wobei die Vorsprünge der ersten Bahn (10) an den Vorsprüngen der zweiten Bahn (20) an einer Laminatgrenzfläche an den Vorsprüngen der zweiten Bahn befestigt sind, um ein Verbindungsmuster zu bilden, wobei die Befestigungsfläche zwischen den ersten Vorsprüngen und den zweiten Vorsprüngen die Verbindungsfläche ist und wobei die Verbindungsfläche ungefähr zwischen 1% und 60% der Gesamtfläche der kombinierten Bahn ist, die mehrlagige Bahn dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verbindungsmuster in der Verteilung innerhalb der Laminatgrenzfläche insofern unregelmäßig ist, dass das Verbindungsmuster eine Selbstähnlichkeitszählung von 1 aufweist.
Bahn nach Anspruch 12, wobei das Verbindungsmuster insofern unregelmäßig ist, dass das Verbindungsmuster einen Energiedämpfungsfaktor von zwischen 8 und 25 hat.
Bahn nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Verbindungsfläche ungefähr zwischen 3% und 24% der Gesamtfläche der verbundenen Bahn ist.