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Forschungstitel:
Dynamische Heißsiegelprozesse für Verpackungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie unter Einsatz verbesserter Sensortechnik mit hoher Oberflächensensitivität

Arbeitsgruppe: Abfüll- und Verpackungsprozesse

Forschungsstelle und wissenschaftliche Projektbetreuung:

  1. Fraunhofer-Institut für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik Dresden, Ralph Jänchen
  2. Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM Freiburg, Alexander Fromm

IGF-Vorhaben: 18470 BG
Finanzierung: BMWi
Laufzeit: 2016 – 2018

Neun von zehn Verpackungen für Nahrungsmittel, Pharmazeutika, Medizinprodukte und technische Güter werden heute mittels Wärmekontaktverfahren hergestellt. Die Technologie, bei der zumeist dauerbeheizte Werkzeuge die thermoplastischen Schichten von Folienverbunden aufschmelzen und diese verbinden, ist robust und vergleichsweise einfach zu bedienen. Nichtsdestotrotz wachsen die Anforderungen an thermische Fügeprozesse stetig: höhere Maschinengeschwindigkeiten, dünner Verpackungsmaterialien bzw. Siegelschichten, komplexere Nahtgeometrien, hohe Dichtheitsanforderungen und optische Ansprüche, packungsindividuelle Rückverfolgbarkeit von Prozesseinstellungen und häufige Produktwechsel mit Justage und Anfahrprozessen. Das Wärmekontaktfügeverfahren bietet dabei vergleichsweise wenige Möglichkeiten einer Inprozesskontrolle der Nahtqualität sowie einer feinfühligen, hochdynamischen Einstellung der Prozessparameter. Mit einer wirkstellennahen, sensitiven und schnellen, dünnschichtbasierten Temperaturmessung (Seebeck-Effekt) können Störeinflüsse, wie Falten oder Verunreinigungen, identifizieren und ausgeregelt oder mangelhafte Produkte unmittelbar ausgeschleust werden. Ebenso ist die Lokalisierung von Lagensprüngen möglich. Eine zuverlässige Temperaturmessung mittels benannter Technologie schafft die Grundlage, bei schwankenden Maschinengeschwindigkeiten oder bei Einrichte- oder Anfahrprozessen auf erhöhten oder verringerten Wärmebedarf im Nahtbereich zeitnah reagieren zu können, um verbrannte oder undichte Nähte zu verhindern. Auch einem lokal abweichenden Wärmebedarf, u.a. im Bereich der Lagensprünge, kann so entsprochen werden. Eine zeitnahe Prozesskorrektur mit partiell beheizbaren keramischen Werkzeugen steht hierfür künftig in Aussicht, ist jedoch nicht Projektbestandteil.

Klassische Temperaturmessungen beruhen im industriellen Umfeld meist auf Draht- oder Mantelthermometern und ergeben, selbst nah unter der Werkzeugoberfläche positioniert, ein im Rahmen von Hochleistungsprozessen eher träges und zudem nur integrales Messsystem. In die Naht einsiegelbare Feindrahtthermoelemente sind hingegen nur für den Laboreinsatz geeignet. Ziel des Vorhabens ist es daher, eine ortsaufgelöste Echtzeitmessung (Ansprechzeit < 1/10 s) der realen Fügezonentemperatur (Temperaturabweichung von Referenztemperatur +/- 1 K) auf einem Wärmekontaktfügewerkzeug zu verwirklichen.

Wesentliche Bestandteile des Vorhabens sind daher:

  • Präzisierung der Anforderungen an die Temperaturmesstechnologie bzw. ein entsprechend ausgestattetes Siegelwerkzeug
  • Aufbau und Validierung eines Simulationsmodells zur Auslegung der Siegelschienen bzgl. Anzahl, Position und Ansprechzeit der zu applizierenden Sensorelemente
  • Funktionalisierung anwendungsnaher Siegelschienen durch elektrische Passivierung der Schienenoberflä-che und PVD-basierter Applikation von jeweils mehreren Dünnschichtthermoelementen (Sensoren)
  • Entwicklung einer Schutzschicht für die Sensoren mit hinreichend hoher, vor allem thermomechanischer Beständigkeit und guten Antihafteigenschaften
  • Konzeption und Umsetzung einer prozesskompatiblen Kontaktierung der Temperatursensoren
  • Realisierung der Messwerterfassung und -Auswertung

Den Projektabschluss bildet der Aufbau eines Demonstrators für ein konkretes Siegelschienenpaar. Mit die-sem erfolgt die Validierung der Funktionalität und Detektionsgrenzen anhand typischer Prozessszenarien.

Das Simulationsmodell steht für die künftige Auslegung weiterer Werkzeuge, z.B. spezifische Applikationen der Industriepartner, zur Verfügung. Die entwickelte(n) Antiadhäsiv- und Schutzschicht(en) können unabhängig vom Temperaturmesssystem bei klassischen Siegelschienen und weiteren Werkzeuge, z.B. Vorheizplatten beim Thermoformen, eingesetzt werden. Die Dünnschichttechnologie ist zudem für alternative Messaufgaben bzw. die Erfassung anderer physikalischer Größen nutzbar. So besteht ein Ansatz in der integrierten kapazitiven Siegelwegmessung.

Artikel in den IVLV Nachrichten! 1-2017

Projektbericht

Sitzungsunterlagen

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Das hier vorgestellte IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V. (IVLV e.V.) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Aktuelle Termine zu diesem Projekt

05. / 06.02.2020
Abfüll- und Verpackungsprozesse, Erhalt der LebensmittelqualitätVVD MEETS FREISINGER TAGE: Recycling Ort: Fraunhofer IVV, Freising