Dünnschichtsensoren für das Heißfügen

Insbesondere in der Pharma- und Medizinproduktebranche, aber auch zunehmend im Lebensmittelbereich ist daher die Validierung von Prozessschritten und die lückenlose Rückverfolgbarkeit von Produktionsdaten unverzichtbar. Viele Qualitätskontrollen müssen bisher stichprobenartig erfolgen und ziehen bei mangelhaftem Ergebnis einen vergleichsweise hohen Ausschussanteil sowie Stillstände für die Fehlerbehebung nach sich. Bei der Lohnverpackung spielt darüber hinaus die Flexibilität u. a. beim Packmittelwechsel, eine wichtige Rolle. Die Maschinenparameter sollen idealerweise automatisch adaptiert werden oder zumindest eine leichte und sichere Anpassung gewährleisten.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Dresden und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben dafür nun eine neuartige Temperaturmessmethode für Fügewerkzeuge entwickelt, die es ermöglicht, die Temperaturverhältnisse beim Fügen jeder einzelnen Naht inline und möglichst nah an der Fügezone zu überwachen.

Echtzeitnahe Temperaturmessung

Mit der Entwicklung der dünnschichtbasierten Technologie zeigen die Forschenden einen zukunftsweisenden Weg für qualitäts- und effizienzsichernde Heißfügeprozesse von Kunststoff(verbund)folien auf.

Anstatt die Fügetemperatur mit Widerstandsthermo- metern oder gekapselten Thermoelementen punktuell zu messen, können nunmehr Dünnschichtthermoelemente, die als Sensorarray auf der Werkzeugoberfläche platziert sind (ähnlich wie in Abbildung 1), die Temperaturverteilung erfassen. Dieses System liefert echtzeitnah hochaufgelöste Daten bei der Herstellung jeder einzelnen Naht und dies nur „eine Foliendicke“ von der Fügezone entfernt. In Kombination mit z. B. hochdynamischen keramischen Heizelementen ist damit zukünftig eine schnelle Temperaturregelung möglich.

Der neuartige Dünnschichtaufbau umfasst zum Schutz der Sensoren eine Decklage, die auch antiadhäsive Eigenschaften besitzt, um das Anhaften von Packmittel- oder Produktbestandteilen und damit reinigungsbedingte Maschinenstillstände zu vermeiden.

Unter industrienahen Bedingungen (siehe Abb. 1) konnte bislang problemlos eine Standzeit von ca. 1 Mio. Fügezyklen erreicht werden.

Durch den Einsatz der Sensoren unmittelbar an der Werkzeugoberfläche können Prozessschwankungen, Störungen und etwaige Fehler, wie Knitter oder Verschmutzungen in der Naht frühzeitig erkannt werden. Das ermöglicht eine durchgängige Inlinequalitätsüberwachung während des Fügeprozesses. Ausschuss und Ressourcenverbrauch lassen sich so auf ein Minimum reduzieren und die Prozesseffizienz signifikant erhöhen.

Die Messtechnologie trägt zu einer leichteren und quantifizierten Prozessvalidierung bei und unterstützt eine lückenlose Rückverfolgbarkeit von Produktionsdaten. Sie dient damit auch einer Echtheitsgewährleistung. Neue oder modifizierte Packmittel können gezielter „eingelernt“ werden. Dies erhöht die Flexibilität und ebnet den Weg zu adaptiven Fügeprozessen. Die Technologie ist deshalb gerade für Lohnverpacker von Interesse, die häufige Produkt- und Packmittelwechsel zu bewerkstelligen haben. Sie befähigt ferner Maschinenhersteller, ihre Prozesse besser auf die jeweiligen packmittel- bzw. packungsseitigen Anforderungen auszurichten und eine individualisierte Produktion mit kleiner Losgröße effizient zu gestalten.

Wenngleich bisher eher ein Trend im Lebensmittelbereich, so stellen neue, ökologischere Folienverbunde in Bezug auf das Anhaften der Folien am Werkzeug auch eine Herausforderung für bestehende Verarbeitungsanlagen dar. Antiadhäsive Schutzbeschichtungen sind daher nicht nur eine Notwendigkeit beim Einsatz der Dünnschichtsensoren, sondern auch für bislang unbeschichtete Werkzeuge interessant.

Weitere Einsatzgebiete

Dünnschichtbasierte Temperatursensoren bewirken eine exakte Werkzeugtemperierung, eine sichere Ausformung und eine hohe Oberflächengüte und sind so auch für andere thermische Fertigungsprozesse, wie z. B. das Thermoformen, Spritzgießen oder Extrudieren von großer Bedeutung.

Dünnschichtsensoren können darüber hinaus zur Parameterüberwachung in Rohrleitungssystemen eingesetzt werden, ohne die Strömungsverhältnisse zu beeinträchtigen oder den Reinigungserfolg durch Strömungsschatten zu gefährden.

Temperatursensoren sind nicht die einzige Technologie, die als Dünnschicht ausgeführt werden kann. Die Entwicklungsbestrebungen der Forschenden adressieren z. B. auch Drucksensoren.