способ изготовления щеточных изделий

Формула изобретения

1. Способ изготовления щеточных изделий (1) путем установки отдельных щетинок (3) или щетинок (3), собранных в группы (9), в заданном расположении на держателе (2) с образованием требуемого блока щетинок, причем, по меньшей мере, часть щетинок в блоке обрабатывают лазерным излучением, отличающийся тем, что при заданном расположении или в составе закрепленного блока (4) щетинок наружную поверхность, по меньшей мере, части щетинок (3) структурируют бесконтактным способом с применением лазерного излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что щетинки структурируют упорядочение.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что свободные концы, по меньшей мере, части щетинок укорачивают, причем при заданном расположении или в составе закрепленного блока щетинок свободные концы щетинок (3) укорачивают путем удаления материала со свободных концов щетинок (3) бесконтактным способом с применением лазерного излучения.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что свободные концы укороченных щетинок (3) скругляют тепловой нагрузкой под действием лазерного излучения.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что поверхности щетинок (3) профилируют или укорачивают на их свободных концах путем удаления материала за счет теплового разложения пластикового материала.

6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что поверхность щетинок (3) структурируют вспениванием пластикового материала.

7. Способ по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что в двухкомпонентных щетинках, имеющих, по меньшей мере, одно ядро и концентрично охватывающую его оболочку, структурируют лазерным излучением только оболочку.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что оболочку структурируют вплоть до ядра путем локального удаления материала оболочки.

9. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что структура в оболочке щетинки заходит на глубину около 10% сечения щетинки.

10. Способ по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что свободные концы щетинок (3) укорачивают, по существу, вдоль линий (7, 8, 9, 13, 14, 15) на поверхности щетинок в заданном расположении или закрепленных в блоке щетинок.

11. Способ по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что свободные концы соседних щетинок (3) укорачивают с образованием ступенчатой наружной поверхности (6) концов щетинок.

12. Способ по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что укорачивают свободные концы отдельных групп (6) щетинок (3).

13. Способ по одному из пп.1-12, отличающийся тем, что укорачивают свободные концы щетинок (3) отдельной группы (10, 11) щетинок (3) с образованием наружной поверхности, отклоняющейся от плоскостной.

14. Способ по одному из пп.1-13, отличающийся тем, что структурируют только поверхность наружных щетинок заданного расположения или закрепленного блока щетинок.

15. Способ по одному из пп.1-14, отличающийся тем, что щетинки, размещенные внутри заданного расположения или установленного блока щетинок, раскрывают путем разделения и бокового изгибания щетинок и структурируют поверхность этих щетинок.

16. Способ по одному из пп.1-15, отличающийся тем, что для изготовления щеточных изделий щетинки (3) используют наполнители, которые поглощают лазерное излучение.

17. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что структуры (5), полученные лазерной обработкой, делают видимыми за счет окрашивания пластикового материала.

18. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что структуры (5), полученные лазерной обработкой, делают видимыми с помощью реагирующего с красочной оболочкой наполнителя в пластиковом материале щетинок (3), который изменяет цвет под воздействием лазерного излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления щеточных изделий путем крепления отдельных щетинок или щетинок, объединенных в группы, в заданном порядке к держателю с образованием требуемого блока щетинок, при котором, по меньшей мере, поверхность части щетинок блока щетинок обрабатывают с получением структуры.

Изобретение также относится к способу изготовления щеточных изделий путем крепления отдельных щетинок или щетинок, объединенных в группы, в заданном порядке к держателю с образованием требуемого блока щетинок, при котором свободные концы, по меньшей мере, части щетинок укорачивают посредством обработки.

Щеточное изделие обычно содержит более или менее правильный блок щетинок, причем образующие его щетинки имеют гладкую наружную поверхность, тогда как свободные концы щетинок образуют плоскую, непрерывно или прерывисто искривленную поверхность. Свободные концы щетинок предназначены в первую очередь для того, чтобы оказывать чистящее, шлифующее или полирующее механическое воздействие на обрабатываемую поверхность, в то время как наружная поверхность блока щетинок оказывает преимущественно стирающее действие. В блоке щетинок должно содержаться множество щетинок, производящих, по существу, эффективную очистку преимущественно в плоскости. И напротив поверхности наружных щетинок блока, по существу, оказываются достаточно эффективными при скоблении, тогда как внутренние щетинки просто служат опорой и выполняют дополнительную функцию хранения наносимой среды, необходимой для чистящего эффекта, в узких капиллярах между щетинками.

Предпринималось множество попыток вовлечь поверхность щетинок в процесс очистки, шлифования или полирования при скоблении за счет, например, структурирования наружных щетинок блока путем механического удаления материала в процессе изготовления щеточного изделия (патент US 5678275). Такая обработка не приносит удовлетворительных результатов. В частности, невозможно получить безупречно локализованные структуры заданной геометрической формы, потому что щетинки отклоняются вследствие своей гибкости и к тому же они обладают различной гибкостью в зависимости от положения внутри блока щетинок и от расстояния от точки крепления на держателе.

Заявитель также предлагал (заявка WO 99/66111) структурировать экструдированные моноволокна, служащие для получения щетинок, путем лазерной обработки поверхности моноволокна. Моноволокна последовательно скручивают в жгуты и режут жгуты на щетинки нужной длины. Поскольку при скручивании в жгут моноволокна смещаются по оси относительно друг друга, нельзя получить локально оформленную структуру на щетинках, собранных в блок. Кроме того, грубоватые структурированные щетинки с трудом сортируются в группы, например пучки. Это приводит к большим расхождениям в количестве щетинок в каждом пучке. При данном способе не удается также размещение структурированных щетинок только в наружной области блока - там, где они действуют наиболее эффективно. Размещенные внутри блока структурированные щетинки работают с меньшим эффектом или не работают вообще. Поэтому структурированию подвергается излишнее количество материала, который к тому же ослабляется при обработке моноволокон. Более того, лазерная обработка моноволокон замедляет темп производственного процесса.

Некоторое время назад стало известно, что плоская поверхность щетинок (наружная поверхность их свободных концов) не обеспечивает достаточной степени очистки во многих случаях, в частности в зубных щетках. Щетинки в блоке щетинок зубной щетки не могут следовать очень различной форме кривизны зубов. Межзубные пространства остаются, по существу, необработанными. Поэтому предлагались зубные щетки с самой различной "топографией" блока щетинок. Обычно такие топографии получают последующим механическим удалением пластика на концах щетинок, например, путем укорачивания щетинок (US 2227126, DE 19832436, ЕР 0736270), что требует довольно затратной механической шлифовки или резки. Количество возможных вариантов очень сильно ограничено. Взаимное осевое смещение щетинок перед установкой в держатель (ЕР 0346646) дало лучшие результаты, и здесь теоретически можно получить любую "топографию". Этот способ требует дополнительной операции обработки перед установкой щетинок в держателе. "Топографированные" щетинки необходимо удерживать в окончательной позиции и в этом положении соединять с держателем.

В основу настоящего изобретения поставлена задача предложить способ изготовления щеточных изделий, позволяющий структурировать наружные поверхности щетинок до или после установки в держателе любым, но воспроизводимым образом. Концы щетинок затем должны укорачиваться с получением любой требуемой наружной поверхности щетинок при хорошей воспроизводимости.

Первая часть задачи решается тем, что при заданном расположении щетинок или в уже установленном блоке, по меньшей мере, часть щетинок структурируют бесконтактно путем облучения лазером.

Известно (заявка DE 19829943) нанесение лазером на готовый блок щетинок маркировки, служащей показателем износа. Структурирования при этом не происходит, поскольку материал самой щетинки не удаляется.

Современная лазерная техника позволяет очень точно локализовать воздействие облучения и сосредотачивать его на мельчайших участках поверхности, вплоть до отдельных точек или линий. Более того, облучение можно приспосабливать к обрабатываемому материалу и точно регулировать глубину проникновения в зависимости от материала. Поэтому применение лазерной энергии в соответствии с изобретением обеспечивает получение четко выраженных и правильных структур, предпочтительно размещенных на поверхности щетинок блока в геометрическом порядке, причем на механическое действие структур можно влиять, точно контролируя глубину лазерного облучения. Поскольку способ осуществляется бесконтактным путем, воспроизводимые структуры получаются вне зависимости от гибкости щетинок. Это действительно, в частности, для пластиковых щетинок, хотя изобретение не ограничивается этим материалом. Лазерная техника позволяет также регулировать вид и расположение структур в зависимости от конкретных целей применения. Структурирование улучшает способность щетинок к приему чистящих или наносимых сред, которые поступают без затруднений, благодаря гладкой поверхности структур и легко вымываются.

Эти структуры также улучшают массажное действие зубных и массажных щеток и абразивное действие структурированных кромок технических щеток, содержащих абразивные материалы.

Способ согласно изобретению может использоваться для создания "топографий" блока щетинок путем бесконтактной резки лазерным излучением свободных концов щетинок.

Способ согласно изобретению позволяет получать тончайшие структуры, например точечные или линейные углубления на поверхности набора или блока щетинок, благодаря чему в наружной поверхности блока образуются ступени любого нужного типа, производящие дополнительное скребущее или царапающее действие при чистке.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения источник лазерного излучения регулируют так, что свободные концы щетинок скругляются за счет тепловой нагрузки, вызванной облучением. Хотя структурирование происходит, по существу, за счет испарения или перехода в газовую фазу пластикового материала под действием энергии лазерного облучения, неожиданно оказалось, что при отрезании свободного конца щетинки она скругляется, образуя купол. Возможно, причиной этого является то, что молекулы щетинок, линейно ориентированные при получении моноволокна, подвергаются тепловой нагрузке в месте воздействия лазерного излучения, вследствие чего молекулы переориентируются в неупорядоченные комковатые образования.

Источник лазерного излучения также подбирают в зависимости от обрабатываемого материала, предпочтительно пластика, так, что профиль поверхности щетинок формируется за счет удаления материала вследствие его теплового разложения. Процессы испарения и газообразования также способствуют удалению материала. Это дает то преимущество по сравнению с любым механическим способом, что структуры не изнашиваются по краям. Такой износ приводит к обрыву материала при пользовании щеточным изделием, что может вызвать проблемы с гигиеническими, особенно зубными, щетками. В случае кистей такой износ приводит к включению посторонних материалов и к неровностям в наносимом слое. При механической обработке удаленный материал всегда остается на щетинках, и приходится удалять его в производственном процессе без стопроцентной гарантии успеха. Способ согласно изобретению позволяет обойтись без такой дополнительной операции.

В соответствии с другим вариантом осуществления способа согласно изобретению наружные поверхности щетинок структурируют путем вспенивания пластикового материала. Экспериментально показано, что пузырьки, возникающие в пластиковом материале при лазерном облучении, образуют неровную наружную поверхность щетинок. Это вспенивание можно контролировать с помощью наполнителей, наведения лазерного луча и т.п.

Известны двух- или многокомпонентные щетки, содержащие ядро и оболочку. Они служат, например, для индикации износа, когда ядро и оболочка имеют разную окраску. Щетинки, первоначально одного цвета, показывают по мере износа другой цвет на конце, что свидетельствует о степени износа. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в щеточных изделиях с такими щетинками лазерным облучением структурируют только оболочку. Это позволяет структурировать оболочку до самого ядра, удаляя в определенных местах материал оболочки.

Во избежание неблагоприятных изменений свойств, определяемых сечением щетинки и выбранным пластиковым материалом, вследствие структурирования изобретение предусматривает, что структурированная оболочка занимает в глубину не более 10% сечения щетинки. Глубину и месторасположение структур внутри блока щетинок можно подбирать так, что статические свойства отдельных щетинок и всего блока щетинок сохраняются на требуемом уровне.

При получении "топографий" свободные концы щетинок можно укорачивать с получением линейной картины структур. Эту линейную картину можно усиливать в направлениях обычных движений соответствующего щеточного изделия с получением оптимальной "топографии".

Свободные концы соседних щетинок также можно укорачивать, получая ступенчатую поверхность.

Лазерным облучением можно укорачивать свободные концы лишь отдельных групп щетинок. Свободные концы щетинок в одной группе можно укорачивать с получением неплоскостной, например конической, поверхности пучка.

Как отмечалось выше, способ согласно изобретению можно осуществлять на подготовленном наборе щетинок или на установленном в держателе блоке щетинок. В таком случае можно структурировать только поверхность наружных щетинок. Вместо того или в дополнение к тому можно обрабатывать и внутренние щетинки путем их разделения и бокового отклонения (DE 19832436, ЕР 0763270), структурируя тем самым их поверхности.

Хотя лазерное облучение позволяет в большей или меньшей степени контролировать структурирование большого числа различных пластиковых материалов, пригодных для изготовления щетинок, может оказаться целесообразным использование щетинок с наполнителями, поглощающими лазерное излучение, что позволяет легче и точнее контролировать образование структур. Наполнитель можно вводить только в определенную часть сечения щетинок, например ближе к оболочке, или в случае щетинок фасонного сечения в наружные участки, имеющие фасонный профиль. Это обеспечивает особо интенсивное механическое воздействие при чистке, в частности, потому, что согласно изобретению структурируется участок многоугольных кромок многоугольных сечений.

Наконец, структуры, полученные при лазерной обработке, можно делать видимыми путем одновременного окрашивания пластикового материала. Вместо этого или в дополнение к этому структуры, полученные лазерной обработкой, можно делать видимыми с помощью наполнителей, введенных в пластиковый материал, которые становятся видимыми в результате лазерного облучения.

Далее описываются конкретные варианты осуществления изобретения, изображенные на чертежах.

Фиг.1-6 - виды сбоку головки зубной щетки с различными структурами наружной поверхности щетинок.

Фиг.7-8 - виды сбоку головки зубной щетки с различными структурами наружной поверхности щетинок и различной топографией концов щетинок.

Фиг.9-11 - виды сверху головки зубной щетки с различной линейной топографией.

Фиг.12-14 - виды в перспективе головки зубной щетки с различными структурами и различной "топографией".

Фиг.15-17 - виды сверху блока щетинок сменной головки электрической зубной щетки с различной "топографией".

Фиг.18 представляет другой вариант осуществления, соответствующий фиг.13-14.

Фиг.19-21 изображают модификации вариантов по фиг.1-8.

Фиг.22-24 - виды структурированных отдельных щетинок.

Фиг.25 - вид в перспективе круглой щетинки.

Показанная на чертежах в разрезе зубная щетка 1 образует своей головкой держатель 2 для щетинок 3, которые в вариантах выполнения по фиг.1-12 вставляются в держатель 2 исключительно по отдельности и закрепляются в держателе 2 так, что блок 4 щетинок представляет собой относительно плотно упакованный пакет щетинок с узкими капиллярами между ними. В варианте по фиг.1 структуры 5 в виде параллельных линий получены лазерным облучением за счет удаления материала с поверхности щетинок. Структурирование по фиг.1 особенно эффективно при так называемой красно-белой чистке зубов.

В варианте по фиг.2, где блок 4 также образован отдельно стоящими щетинками 3, структуры 5 получены лазерным облучением в виде волнистых линий, которые уже, чем на фиг.1.

На фиг.3 структуры 5 на поверхностях наружных щетинок блока 4 выполнены в виде косых линий, а на фиг.4 - в виде перекрестных косых линий. Варианты по фиг.2-4 пригодны для любого способа чистки зубов.

На фиг.5 структуры 5 на наружных щетинках представляют собой круглые плоские углубления, а на фиг.6 - окружности.

В варианте по фиг.7 щетинки 3 в блоке 4 имеют различную длину, т.е. ближе к переднему концу головки (держателя) 2 они длиннее, чем в остальной части блока, образуя "топографию" с одной ступенью спереди. Как и на фиг.1, структуры 5 выполнены на поверхностях наружных щетинок только в этой передней части.

На фиг.8 блок 4 щетинок обладает "топографией", при которой концы части щетинок 3 лежат в одной плоскости, а концы других щетинок, собранных в группы 6, лежат в более высокой плоскости относительно держателя 2 щетинок. В этом варианте линейными структурами снабжены только выступающие концы групп 6.

На фиг.9-11 представлены виды сверху (головки) держателя 2 зубной щетки с блоком 4 щетинок со стороны свободных концов щетинок 3. Наружный контур блока 4 щетинок примерно соответствует контуру (головки) держателя 2 зубной щетки. В варианте по фиг.9 щетинки укорочены лазерным облучением только вблизи переднего конца головки, т.е. вдоль концентричных линий 7 многоугольника. На фиг.10 щетинки 3 укорочены в правильном перекрестном порядке, а на фиг.11 - вдоль линии 9.

На фиг.12 дан вид в перспективе (головки) держателя 2 зубной щетки, где на поверхности наружных щетинок выполнена структура 5 из параллельных линий. Щетинки также укорочены крест-накрест в области переднего конца головки.

В варианте по фиг.13 блок 4 состоит из групп 9 щетинок, собранных в круглые пучки. В передней части (головки) держателя 2 находятся группы 10 и 11, в которых свободные концы щетинок обрезаны лазерным лучом на различную длину так, что свободные концы групп 10 и 11 образуют конусы с разными углами при вершинах. Поверхность щетинок, выходящих на конические поверхности, также может быть структурирована.

В варианте по фиг.14 блок 4 щетинок также состоит из групп 9 щетинок, собранных в цилиндрические пучки, а передняя часть головки содержит группу 12 индивидуальных щетинок. В этом случае только щетинки 3 этой группы 12 имеют линейные структуры 5, проходящие параллельно друг другу.

На фиг.15-17 представлены виды сверху блока 4 щетинок со скругленными головками, применяемых, в частности, в электрических зубных щетках. На фиг.15 щетинки 3 укорочены вдоль концентричных колец 13, а на фиг.16 укороченные щетинки 3 образуют спиралевидную топографию. В варианте по фиг.17 щетинки обрезаны на конус вдоль радиусов 15. В вариантах по фиг.16 и 17 действие свободных концов щетинок особенно усиливается, когда головка щетки вращается вокруг своей центральной оси.

На фиг.18 представлен держатель 2 (головка) зубной щетки, подобный показанной на фиг.13 и 14, где блок 4 содержит группы 9 щетинок, сведенных в круглые пучки, а группа 12 щетинок расположена на переднем конце. Передняя группа 12 состоит из индивидуальных щетинок, расположенных полосами в виде звезды, причем на отдельных полосах выполнены параллельные структуры 5, расположенные, по существу, перпендикулярно осям щетинок.

На фиг.19-21 отдельные структуры 5, выполненные с помощью лазерного излучения на поверхности наружных щетинок блока 4, имеют неправильные формы, но равномерно распределены статистически по всей боковой поверхности блока щетинок.

Наружную поверхность отдельно стоящих щетинок, особенно имеющих большой диаметр, можно структурировать таким же образом, как и поверхность всего блока или отдельных групп щетинок. В варианте по фиг.22 на поверхности щетинки 3 выполнены косые структуры 5, а на фиг.23 структуры 5 на поверхности щетинки зигзагообразные. Щетинку 3 можно структурировать крест-накрест, как показано на фиг.24.

На фиг.25 изображена круглая щетка, содержащая цилиндрический держатель 1, который может быть, например, головкой щетки для волос, технической щетки и т.п. На держателе 1 установлены лучевидные цилиндрические группы 16 щетинок, на свободных концах которых выполнены параллельные структуры 5.